Das Jahr neigt sich dem Ende zu, da kommt kurz vor Silvester ein ganz besonderer Knaller:
die zweite Ausgabe von „Young Science“! (mehr …)
Issues
Aufbruch zu neuen Welten
Der Mars scheint dafür prädestiniert zu sein, dass man auf ihm extraterrestrisches Leben entdeckt. Er ist der erdähnlichste Planet, nur wenig kälter und trockener und mit sehr ähnlicher Vergangenheit. Es könnte sogar Wasser auf ihm fließen. Für die Existenz von Leben ist das eine notwendige Voraussetzung.
In vergangenen Raumsondenmissionen entdeckte man an mehreren Stellen der Marsoberfläche ausgetrocknete Wasserläufe, die klare Hinweise dafür sind, dass auf dem Mars vor langer Zeit reißende Ströme existierten. Man erkennt deutlich Flussschlingen, Mäander, Uferböschungen, Strömungsinseln in Fließrichtung und Sandbänke in der Mitte der einstigen Ströme. Vielleicht herrschten hier vor langer Zeit lebensfreundlichere Verhältnisse, ähnliche Bedingungen wie heute auf der Erde, vielleicht hat es in der Vergangenheit des Planeten irgendwo primitives Leben gegeben, dessen Spuren man noch heute findet könnte.
So kennt man seit wenigen Jahren unterirdische Höhlensysteme, die stabile Umweltbedingungen bieten. Sie schützen vor der gefährlichen kosmischen Strahlung, weisen möglicherweise eine hohe Feuchtigkeit auf und die Temperaturschwankungen in ihnen sind sehr gering. Sollte es auf dem Mars jemals Leben gegeben haben, dann wären diese Höhlen ein optimales Rückzugsgebiet für Mikroben.
EINE INDISCHE PRINZESSIN IN DER EISHÖHLE
Die Dachstein-Rieseneis- und Mammuthöhlen sind ein ideales Testgelände zur Vorbereitung einer Marsmission. Hier lässt sich studieren und simulieren, was in einigen Jahren auf dem Mars erforscht werden soll. Das Österreichische Weltraum Forum, ein Netzwerk für Raumfahrtspezialisten und Weltrauminteressierte, führte daher in diesen Höhlen zusammen mit internationalen Forschungspartnern fünf Tage lang Feldtests durch, um in naher Zukunft für eine bemannte Mission zum Mars gerüstet und bestens vorbereitet zu sein. Den Starttag durften wir, eine ausgewählte SchülerInnengruppe des BG/BRG Lilienfeld, live miterleben. Wir sahen verschiedene Marsrover, erlebten ForscherInnen unterschiedlichster Nationalität, durften Interviews führen und sahen den Star der Mission: Aouda.X, einen Raumanzugssimulator.
„EIN STÜCK DES WEGES ZUM MARS WIRD ROT-WEISS-ROT GEPFLASTERT SEIN.“ (Dr. Gernot Grömer in der ORF-Sendung „Frühlingszeit“ am 30. 04. 2012)
Seinen Namen verdankt dieser Anzug einer Figur aus dem Roman „Reise um die Erde in 80 Tagen“ von Jules Verne. Die Hauptfigur des Romans, Phileas Fogg, rettet auf seiner Reise um die Welt zusammen mit seinem Diener Passepartout eine indische Prinzessin: Aouda. Dr. Gernot Grömer, Projektleiter und Mitarbeiter der Universität Innsbruck, erklärt: „Wie der Raumanzug ist sie heikel, delikat und wunderschön. Man muss sie ganz vorsichtig anfassen und manchmal ist sie auch ein bisschen zickig.“ Dieser Anzug, der größtenteils in Österreich hergestellt wurde, soll es ermöglichen, Arbeitsbedingungen zu simulieren, mit denen ein Astronaut auf dem Mars konfrontiert wäre. Aouda.X wiegt 45 kg, besteht aus einem Panox/Kevlar -Gewebe, das mit Aluminium beschichtet ist, und hat Expander eingebaut, die jede Bewegung erschweren, so wie es bei normalen Raumanzügen der Fall ist. In diesem Anzug werden die Bedingungen simuliert, unter denen Astronauten auf dem Mars arbeiten müssten. Sie sollen auf der Erde darin trainieren und ein Gefühl für alle Einschränkungen bekommen, die sie haben werden, wenn sie in einem normalen Astronautenanzug unterwegs sind.
Abb. 1: Anziehen mit Ausblick – vor der Höhle wird das Donning, das Anziehen des Raumanzugssimulators durchgeführt. Im Hintergrund sieht man den Hallstättersee.
Die „Simulationsastronauten“ mussten sich vor den Feldtests im Dachstein erst einem medizinischen Eignungstest unterziehen. Zwar können physiologische Parameter wie die Herzfrequenz, die Kohlendioxidausatmung, Temperatur und Herzrhythmus gemessen werden, die Belastbarkeit bei Hunger, Durst oder unter Schmerzen und Unbehagen muss jedoch jeder Astronaut selbst herausfinden. Die Tester mussten außerdem lernen, die im Anzug eingebaute Spracheingabe zu steuern. Da im Anzug neben den Sensoren und Computern ein Lüfter und ein Heizer eingebaut sind, entsteht ein beträchtlicher Lärm.
Daniel Schildhammer ist einer der vier Anzugtester des ÖWF. Er beschreibt das Problem so: „Eine Lautstärke von etwa 100 dB macht es sehr schwierig, die Stimme herauszufiltern. Die Spracherkennung muss verlässlich funktionieren, selbst wenn der Astronaut verkühlt ist und sich seine Stimme dadurch etwas verändert oder wenn er in einer Stresssituation ist und sein Puls extrem ansteigt“.
Abb. 2: Astronaut im Eis (vorläufig aber österreichischem)
DREI ROVER, EIN ZIEL – DEN MARS ERKUNDEN
Viele Handlungen müssen damit auch unter möglichst realen Bedingungen geübt werden. Das Entnehmen von Bodenproben, Bioexperimente oder das Steuern eines Rovers sind mit den Anzughandschuhen sehr viel schwieriger durchzuführen als mit der bloßen Hand. Gearbeitet wird mit drei Rovern: Einer davon, Magma White von der polnischen Mars Society, arbeitet mit einem Georadarsystem, das es erstmals ermöglicht, etwa 3 Meter in den Marsuntergrund hineinzublicken. Dieser Marsrover wird in ein paar Jahren auf einer echten Mission zum Mars fliegen. Zwei kleine Antennen an der Rückseite von Magma White werden die Bodenschichten mit Radarpulsen von 500 MHz bis 3 GHz (Mikrowellenbereich) auf Risse, eingelagertes Gestein und Eis untersuchen. Bisherige Rover konnten nur die Marsoberfläche sondieren und Bodenproben entnehmen
. Cliffbot, ein Rover der französischen Mars Society, hat ganz andere Aufgaben. Es handelt sich um ein Gefährt, das an einem Seil angehängt wird und mit einer Winde über Klippen herabgelassen werden kann. Mit einer Kamera ausgestattet, kann er Bilder von der Oberfläche eines Hanges liefern. So gewinnt man Informationen über Schichten, die von Millionen von Jahren an geologischer, meteorologischer und eventuell biologischer Aktivität berichten. Dr. Grömer: „Jeder Rover hat seine eigene Bedeutung. In Kombination sind sie eine kleine, bescheidene, aber sehr effiziente Flotte zur Erkundung des Mars.“
Abb. 3: Probennahme
Abb. 4: Drei Männer und ein Rover
MARSVERSCHMUTZUNG VERMEIDEN
Nicht zuletzt ist es wichtig, ausschließen zu können, dass eventuell auf dem Mars gefundene Mikroben nicht als blinde Passagiere von irdischen Besuchern mitgebracht wurden. So testete man am Dachstein, auf welchem Wege und wie häufig irdische Bakterien auf entnommene Proben übertragen werden. Der Test bestand darin, dass Teile von Aouda.X mit fluoreszierenden Terbium-Mikrokügelchen versehen wurden und anschließend eine Probenentnahme aus der Umgebung erfolgte. Die Proben wurden dann auf Verunreinigung mit den Mikrokügelchen untersucht – die Ergebnisse stehen allerdings noch aus.
Für uns war es äußerst beeindruckend und spannend, hier am Dachstein die ersten Gehversuche für den Aufbruch in fremde Welten mitzuerleben und ForscherInnen aus verschiedensten Teilen der Welt kennenzulernen.
Abb. 5: Unsere Schulklasse mit dem Anzugtester Daniel Schildhammer
Abbildungen: OEWF (Katja Zanella-Kux)
Ich liebe mich, ich hasse mich…
Immer mehr Frauen und Männer erliegen einem Trend namens „Pro-Ana“, der Anorexia nervosa, auch Magersucht genannt, verherrlicht. Doch unterschätzen viele die große Gefahr von Pro-Ana.
Magersüchtige wollen ihr Wunschgewicht durch Hungern erreichen. Sie sind süchtig nach den sinkenden Ziffern auf der Waage. Diese bestimmen ihre Stimmungslage. Jedoch ist das Ziel abzunehmen nur ein Grund von vielen, wieso Menschen magersüchtig werden. Diese Sucht kann ihre Wurzeln auch im psychischen Bereich haben. Der Wunsch nach Einsamkeit oder Aufmerksamkeit lässt Menschen in den Tod gehen.
Man spricht erst von Anorexia nervosa, wenn jemand durch Selbstzwang 20% seines anfänglichen Körpergewichts in kürzester Zeit (ca. 3-4 Monaten) verloren hat. Die Zwänge einer magersüchtigen Person zeigen sich in kontrollierter und eingeschränkter Nahrungsaufnahme, übertriebener körperlicher Aktivität oder gar selbst herbeigeführtem Erbrechen. Allerdings zwingen sich nur 60% der Betroffenen zu derartiger Nahrungsabgabe.
Magersucht kann man auch an dem extremen Perfektionismus, Hyperaktivität und der fehlenden Krankheitseinsicht erkennen. Laut offiziellen Statistiken des Frauengesundheitszentrums sind 0,5- 1,5% der 12-25 Jährigen von Anorexia betroffen. Am häufigsten taucht diese Sucht bei 14-19 Jährigen auf. Doch ist sie auch bei Kindern anzutreffen. Diese Krankheit tritt zwar seltener bei Jungen auf, es sind nur ungefähr 4-10% der unter Anorexia Leidenden, dann aber häufig deutlich stärker als bei Mädchen.
An Magersucht kann man sterben
Erschreckend ist, dass 10%-15% der Betroffenen sterben. Häufige Ursachen dafür sind die zu schwachen Muskeln, die sich beim Hungern immer mehr zurückbilden, oder ein Kreislaufkollaps. Nur 30% werden dauerhaft geheilt. Die Rückfallquote, während oder nach einer Therapie wieder zu alten Verhaltensmustern zurückzukehren und zu hungern, ist leider hoch. Die restlichen 60% der Betroffenen kämpfen immer wieder mit Höhen und Tiefen ihrer Sucht.
Im Jahr 2000 wurde Anorexia unter dem Namen „Pro-Ana“ mit Hilfe des Internets sehr bekannt. Vorher war dieser Trend kaum anzutreffen. Betroffene wussten oftmals nicht, dass sie unter Anorexia leiden. In Diskussionsforen, die Pro-Anas (Anhänger der Anorexia) betreiben, werden Magersüchtige bestärkt weiter abzunehmen, zu hungern. Das Gemeinschaftsgefühl – das Gefühl nicht allein zu sein – ist sehr verlockend.
Jedoch kann sich solch ein Forum schnell gegen einen wenden, wenn man nicht die strikten und teilweise absurden Regeln befolgt: zum Beispiel das Verzichten auf Zähneputzen und Trinken von Wasser, weil befürchtet wird, so zusätzlich Kalorien zu sich zu nehmen. Plötzlich ist man wieder vollkommen allein. Oft verschlimmert sich dadurch der Verlauf der Krankheit. Vorwiegend aus diesem Grund sind diese Internetseiten so gefährlich
. Nur zwei Jahre nach dem Erscheinen der ersten Pro-Ana Internetseiten explodierte förmlich die Zahl der Anhänger. Durch die Anonymität des Internets gibt es dazu leider keine genauen Angaben.
Gefährlicher Lifestyle
Pro-Ana wurde zu einem Lifestyle und durch die Modeindustrie unterstützt. Magersüchtige Models zierten Modezeitschriften. Diese „Thinspo“-Bilder sollen dazu anspornen, noch mehr abzunehmen. Offenbar besitzen viele Magersüchtige eine Unzahl solcher Bilder. Anorexia nervosa hat fürchterliche Auswirkungen auf den Körper. Das niedrige Gewicht stellt eine enorme Belastung für den Kreislauf dar. Meistens treten Störungen der Nieren- und Herzfunktion auf. Durch einen gestörten Hormon- und Elektrolythaushalt entstehen Wahrnehmungsstörungen, so dass man sich als dick empfindet, obwohl man dünn ist. Oft bleibt die Monatsblutung bei Mädchen und Frauen aus, weil die Östrogenproduktion stark reduziert wird. Häufig leiden Pro-Anas an starken Depressionen und verschiedenen Zwängen.
Eine Betroffene aus einem Pro-Ana Forum meint:„>Isst du etwas oder isst du nix<, die Gedanken um das Essen blockieren alles. Sie sind nervig und rauben den Platz für anderes, Schöneres und die Leichtigkeit vom Leben.“ Die wohl extremste Form von Pro-Ana ist „Pro-Ana till the end“. Das Ziel ist, sich zu Tode zu hungern. Betroffene wollen „verschwinden“, nicht mehr existieren. Als Verwandter oder Freund ist man hierbei überfordert. Viele wollen sich auch gar nicht helfen lassen.
Was tun?
Da sich viele „Pro-Anas“ zurückziehen, geben sie oft nicht zu, dass sie krank oder süchtig sind. Deshalb ist es sehr schwer, ihnen zu helfen. Doch soll man zusehen, wie sich ein Freund oder eine Freundin selber zerstört? Vielleicht könnte man versuchen, ein Gespräch mit dem Betroffenen zu führen. Danach sollte ein Therapeut kontaktiert werden, da man sich ohne professionelle Hilfe kaum aus dem Teufelskreis befreien kann. Bei einer Therapie geht es vor allem um die Einsicht der betroffenen Person. Wichtig für sie ist ein bedingungsloser Rückhalt aus dem Freundes- und Verwandtenkreis und nicht der scheinbare Halt der Pro-Ana Foren.
Da Essstörungen sich schleichend entwickeln und noch langsamer wieder zurückgehen, ist es wichtig, den Betroffenen Zeit zu lassen. Schlimmer ist es, wenn der oder die Betroffene nicht einsehen will, dass er oder sie Hilfe benötigt. Ohne die Einsicht, dass man krank ist, besteht kaum bis gar keine Chance auf Heilung. Bei Lebensgefahr müssen die unter Magersucht Leidenden zwangsernährt werden. Auf der folgenden Internetseite kann man sich genauer über Magersucht informieren:
www.essstoerungshotline.at
Dort bekommt man hilfreiche Tipps, wie man einem Betroffenen helfen kann, und es sind mehrere Hotlines angegeben.
Punktabzüge für Fehler? Bei uns nicht!
Fehler sind erwünscht – das ist die Devise des ScienceCenter-Netzwerks, denn aus Fehlern kann man viel lernen. Auch beim Experimentieren.
WISSENSCHAFT BE-GREIFBAR WERDEN LASSEN
Was ist die Oberflächenspannung von Wasser? Kann ich sie durchbrechen? Was hält sie aus, und wie lässt sie sich zerstören? Was kann man beobachten, wenn sich Zucker in Wasser auflöst? Simple Fragestellungen, die es gilt, einfach, aber richtig zu beantworten! Das ist keine leichte Aufgabe, besonders für ganz junge ForscherInnen. Wie kann man sechsjährigen Kindern helfen, solche Fragen zu beantworten, mit denen sich erst Gymnasiasten beschäftigen? Durch Spielen und Ausprobieren – und natürlich: durch Fehler machen. Bei den mobilen Workshops des ScienceCenter-Netzwerks wird nicht geschimpft, wenn etwas daneben geht, sondern die kleinen WissenschaftlerInnen finden die Gründe selbst heraus und machen es beim nächsten Mal besser. Ihnen dabei zu helfen, das ist die Aufgabe des ScienceCenter-Netzwerks, das mit seinen Aktivitäten Physik und andere Naturwissenschaften Kindern und Jugendlichen nahebringen und verständlich machen möchte. Zum Beispiel mit der Frage: Vermischen sich Öl und Wasser? Probieren wir es doch einfach aus und färben das Öl mit einer Farbe, das Wasser mit einer anderen. Dann wird alles zusammengeschüttet und folgendes passiert: Das Öl schwimmt auf dem Wasser, nicht einmal Schütteln kann das verhindern. Jetzt liegt es an den Kindern, durch Fragen zu ergründen, warum.
Abb. 1: Mischen sich Öl und Wasser?
JUNGE MENSCHEN NEUGIERIG MACHEN – EXPLAINER HELFEN
Zu solchen Experimenten werden Kinder und Jugendliche im Rahmen von Workshops eingeladen, die das ScienceCenter-Netzwerk immer wieder an verschiedenen Orten durchführt. Etwa in der Workshopserie, die im Frühjahr 2012 startete: „Hey Buddy, lernen mit euch macht Spaß“, bei dem Jugendliche in einem ersten Schritt in naturwissenschaftliche Experimente eingeführt werden und dann als sogenannte „Explainer“ (Versuchsbegleiter) kleinere Kinder beim Experimentieren unterstützen. Dieses Prinzip des begleiteten Experimentierens kam auch beim „wienXtra Ferienspiel 2012“ im Museumsquartier Wien zum Einsatz. Dabei waren die Kinder mit Begeisterung bei der Sache, wenn es darum ging, Wasser und Öl zu vermischen, mit Tinte dem sich auflösenden Zucker auf der Spur zu bleiben oder die Minimalfläche eines geometrischen Körpers durch Seifenlauge, wie sie für Seifenblasen verwendet wird, wahrzunehmen. Eine Woche lang durften 20 sechs- bis zwölfjährige Kinder in Begleitung der Explainer jeden Vormittag zwei Stunden nach Herzenslust ausprobieren und forschen.
ALS PRAKTIKANTIN HINTER DIE KULISSEN BLICKEN
Während meines einmonatigen Praktikums beim Verein ScienceCenter-Netzwerk habe ich mitbekommen, welcher Aufwand nötig ist, um solche Workshops auf die Beine zu stellen. Ohne gute Organisation geht nichts. Das heißt: Raum besichtigen, in dem die Kinder später experimentieren sollen, Aufgaben klar verteilen, Bedarfsliste erstellen für alles, was bei den Workshops gebraucht wird. Natürlich muss auch eine gute Buchhaltung geführt werden, damit man immer weiß, wofür das Geld verwendet wird. Ein großer Teil der Vorbereitungen sind Meetings – nicht nur interne zwischen den Kolleginnen, sondern auch mit PartnerInnen, die an dem jeweiligen Projekt beteiligt sind
. Zudem braucht man einen geeigneten Raum, in dem solche Aktivitäten stattfinden können und die Kinder willkommen sind, wie zum Beispiel das Architekturzentrum in Wien.
Abb. 2: Eine Haut aus Seifenlauge zeigt, dass Wasser seine Oberfläche immer so klein wie möglich hält.
Der Beitrag des ScienceCenter-Netzwerks zum Ferienspiel „wienXtra“ war schon fast fertig vorbereitet, als ich mein Praktikum begann. Aber von einem anderen Projekt habe ich die allerersten Schritte mitbekommen: „Planet under Pressure“. Die darin aufgespannten Inhalte reichen von Umwelt und Klima bis zu Politik und Wirtschaft mit ihren vielen Teilaspekten, die die Zukunft unseres Planeten beeinflussen. Zu Beginn hatte ich viel im Internet darüber zu recherchieren, was unter dem Begriff „Planet under Pressure“ zu verstehen ist. Das Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Diskussionsspiels, das dieses Thema vor allem Jugendlichen schmackhaft machen und zur gedanklichen Auseinandersetzung mit den Inhalten anregen soll. Anhand von Karten mit Motiven aus dem Alltag werden die Hintergründe diskutiert, dann beispielsweise die Produktionsprozesse der abgebildeten Güter gezeichnet und darüber diskutiert (etwa über die benötigten Ressourcen). In der Vorbereitungsphase sollte ich daher mithilfe vieler Mindmaps die relevanten Themen gliedern und später vertiefende Fragen zu Biodiversität und „Global Dimming“ in Begriffen und Inhalten ausarbeiten.
Als Nachbereitung von Workshops habe ich im Rahmen meines Praktikums den Einsatz von Fragebögen und deren Auswertungsmöglichkeiten kennengelernt, wodurch das ScienceCenter-Netzwerk von den Workshop-Teilnehmern erfährt, was ihnen gefallen hat und was möglicherweise besser gemacht werden könnte. Toll finde ich, dass darauf tatsächlich eingegangen und versucht wird, mit diesen Rückmeldungen die Workshops zu verbessern.
Fotos: ScienceCenter-Netzwerk/Katja Schiebel
ERGÄNZENDE INFORMATION
Das ScienceCenter-Netzwerk möchte Wissenschaft und Technik erlebbar und be-greifbar machen. Mit vielseitigen interaktiven Angeboten – Ausstellungen, Workshops, Schulprojekten oder Diskussionsspielen – laden die über 120 PartnerInnen im Netzwerk österreichweit Kinder und Jugendliche dazu ein, durch selbständiges Ausprobieren und Experimentieren spielerisch zu lernen, wecken Begeisterung und schaffen einen lebendigen Bezug zwischen Wissenschaft/Technik und Alltag. Lehrkräfte unterstützt der Verein als Ansprechstelle, mit Experimentensammlungen und Fortbildungsangeboten. Im Dezember 2012 nehmen vier Schulen in der Steiermark an der Workshopserie „Science in a Backpack“ teil. Weitere aktuelle Veranstaltungen und Informationen auf
www.science-center-net.at.
Photoakustik und Frühdiagnostik
Die Anfänge dieses noch wenig bekannten aber hoch aktuellen Forschungsbereichs der Physik reichen bis ins 19. Jahrhundert zurück. Einer Anekdote zufolge waren die beiden Wissenschaftler Alexander Graham Bell und Charles Sumner Tainter gerade dabei, den Prototypen des Photophons zu entwerfen, als sie zufällig über den photoakustischen Effekt stolperten.
Ob es wirklich Zufall war, ist bis heute nicht geklärt, fest steht aber, dass sie damit die Tür zu einem der faszinierendsten Gebiete der Physik, der Photoakustik, geöffnet haben. Dem photoakustischen Effekt liegt eigentlich ein einfaches Prinzip zu Grunde: Trifft ein Laserstrahl auf eine Probe, wird er dort je nach Gewebeart absorbiert und gestreut. Dabei baut sich im bestrahlten Objekt ein Überdruck auf, der in Form einer Schallwelle relaxiert. So wird die elektromagnetische Welle (Licht) in ein akustisches Signal (Schallwelle) umgewandelt.
Heute wird dieser Effekt bereits im Alltag angewendet, wie zum Beispiel in der Abgasmesstechnik zum Bestimmen des Rußgehalts der Abgasluft: Trifft ein Laserstrahl auf Rußpartikel oder andere Verunreinigungen, so wird er absorbiert und es kommt zu einer Erwärmung. Druck baut sich auf, eine Schallwelle entsteht und ein hochsensibles Mikrofon misst die Stärke des Signals und somit den Grad der Luftverunreinigung im Abgas. Saubere, partikelfreie Luft produziert kein Signal.
PHOTOAKUSTIK IN DER KREBSDIAGNOSTIK
Besonders viel Potential liegt in der Kombination der photoakustischen Bildgebung mit der Medizintechnik. Ziel ist es dort, dieses neue Bildgebungsverfahren als Ergänzung zur herkömmlichen Ultraschalldiagnostik einzusetzen. Einer der größten Vorteile der photoakustischen Tomografie, kurz PAT, liegt in der Art der Bestrahlung des Gewebes: Sie kommt gänzlich ohne ionisierende Strahlung aus, und die Strahlungsdosis ist wesentlich geringer als bei herkömmlicher Röntgenstrahlung
. Die bei der PAT verwendeten Laserstrahlen sind nur kurze Laserpulse (weniger als zehn Mal pro Sekunde) im nahen infraroten Spektralbereich. Auch der Überdruck, der sich kurzzeitig punktuell im Gewebe aufbaut, ist ungefährlich, da es sich hierbei um geringe Energiemengen handelt.
Oben: Bauplan für Anna‘s Streumessgerät. Unten links: Teil von Annas selbstgebautem Streumessgerät. Unten rechts: Blick durch die Linse: Man erkennt stark vergrößert, wie der Laserstrahl auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts trifft.
Durch die Kombination von Optik und Akustik besitzt das photoakustische Bildgebungsverfahren zwei weitere große Vorteile: einerseits einen hohen Kontrast, da verschiedene Gewebetypen ein stark unterschiedlich absorbierendes Verhalten aufweisen, andererseits eine hohe Auflösung des Signals. Im Gegensatz zu der bekannten Ultraschalltechnik, bei der nur „Echos“ an den Grenzflächen der Organe entstehen, erzeugt das Gewebe bei der photoakustischen Tomographie selbst Schallwellen und kann somit detailliertere Informationen zu seiner Beschaffenheit liefern. Diese je nach Gewebeart unterschiedliche Schallwelle ist mithilfe von feinsten Sensoren messbar. Minhua Xu und Lihong Wang von der Universität Texas schreiben: “Photoacoustic imaging has the potential to image animal or human organs, such as the breast and the brain, with simultaneously high contrast and high spatial resolution.” (Mithilfe der photoakustischen Tomografie ist es möglich, tierische oder menschliche Organe wie zum Beispiel Brust und Gehirn mit gleichzeitig hohem Kontrast und hohem räumlichen Auflösungsvermögen zu rekonstruieren.) Vor allem im Bereich der Mammografie (Brustkrebsdiagnostik) setzt sich die photoakustische Tomografie daher neue Ziele. Gewebeunregelmäßigkeiten wie Tumore könnten früher erkannt werden.
Zahlreiche Forschungsteams rund um den Globus forcieren die Recherchen und die Verfeinerung der photoakustischen Tomografie. Auch deshalb wird dem derzeit an der Karl-Franzens-Universität Graz laufenden Forschungsprojekt Photoacoustic Imaging (PAI) unter der Leitung des Experimentalphysikers Günther Paltauf besondere Bedeutung beigemessen. In Zusammenarbeit mit der Universität Wien, der Medizinischen Universität Innsbruck und dem Research Center for Non-Destructive Testing (RECEDENT) in Linz wird intensiv an einer Weiterentwicklung der Sensoren und an der Verarbeitung der Daten für die Bildrekonstruktion gearbeitet.
Im Rahmen meines vierwöchigen Praktikums an der Experimentalphysik der Karl-Franzens-Universität konnte ich einen guten Einblick in das PAI gewinnen und so die faszinierende Welt der Forschung näher kennen lernen. Meine Aufgabe bestand vor allem darin, Messphantome und –Proben für die photoakustischen Messungen herzustellen und zu untersuchen. Ich durfte bei einigen Experimenten mithelfen und baute sogar mein eigenes Streumessgerät, um die optischen Eigenschaften meiner Proben genauer bestimmen zu können.
Anna Melina Winkler schrieb über ihre praktischen Erfahrungen die Fachbereichsarbeit „Bestimmung optischer Eigenschaften von Messphantomen – Photoakustik als neue Perspektive in der Frühdiagnostik“, die 2012 mit dem 2. Platz des Dr. Hans Riegel Fachpreises für Physik ausgezeichnet wurde.
Abbildungen: Autorin
Der Goldfisch und seine Urform
Der Goldfisch – es gibt wohl kaum jemanden, der ihn nicht kennt. Doch die Herkunft, die Fortpflanzung und die damit verbundene Fischart sind ein äußerst interessantes Kapitel der Ichthylogie.
WOHER KOMMT DER GOLDFISCH?
Die Herkunft des Goldfisches ist bis heute noch nicht eindeutig geklärt, aber die meisten Forscher gehen davon aus, dass der Giebel (Carassius gibelio) die Ursprungsform dieses Zierfisches ist
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CHROMOSOMENSÄTZE – DIPLOID, TRIPLOID, TETRAPLOID?
Genetische Untersuchungen ergaben, dass es Giebelpopulationen gibt, in denen die Tiere mehr als nur einen diploiden Chromosomensatz in ihren Zellen besitzen. Es wurden Fische mit dreifachem oder sogar vierfachem Chromosomensatz gefunden – Triploidie und Tetraploidie. Die Polyploidie dieser Fischart lässt auf einen hybriden Ursprung deuten.
SIND DIE GRÜNDE FÜR DIE POLYPLOIDIE IN DER FORTPFLANZUNGSART ZU FINDEN?
Da die meisten Giebelpopulationen überwiegend aus Rognern bestehen, ist eine Fortpflanzung mit artgleichen Milchnern unter Umständen schwierig. Doch die Rogner sind raffiniert. Sie warten den Zeitpunkt ab, wenn andere Cypriniden (Karpfen, Karauschen usw.) zu laichen beginnen, und mischen sich unter das Getümmel. Ihr Ziel ist es, dass die fremden Spermien in abgelegte Giebeleier eindringen. Dort lösen sie jedoch nur die Embryonalentwicklung aus, es kommt zu keiner Befruchtung! Der Autor Manuel Deinhardt beschreibt das so: „Bei der Gynogenese wird das eindringende Fremdspermium als Auslöser der Embryonalentwicklung zwar zwingend benötigt, sein Chromosomensatz jedoch meist restlos ausgeschlossen und abgebaut.“ In den meisten polyploiden Giebelpopulationen sind neben einer großen Anzahl von Rognern auch poly- und diploide Milchner zu finden. Die Chromosomensätze dieser Milchner können entweder reduzierte oder auch die vollen Chromosomensätze der Elterntiere enthalten
. Dazu kommen noch artähnliche Milchner von Cypriniden. Es wird angenommen, dass die Fortpflanzung mit diesen Milchnern zur Polyploidie der einzelnen Populationen geführt hat.
SIND DIESE PHÄNOMENE AUCH BEIM GOLDFISCH ANZUTREFFEN?
Natürlich! Doch beim Goldfisch (Carassius gibelio forma auratus) gibt es dazu noch ganz spezielle Merkmale. So sind Goldfische nach dem Schlüpfen aus dem Ei bräunlich-grau gefärbt, wie auch Giebel. Nach etwa ein bis zwei Lebensjahren (es kommt dabei wesentlich auf die Population und die Umgebung an), entwickelt sich bei den jungen Fischen die typische rote, manchmal rot-weiß gefleckte oder gar weiße Färbung. Einzig und allein die Zuchtform Shubunkin (aus dem Japanischen: „scharlachrot gemusterter Goldfisch“) ist von Geburt an in ihrer typisch bläulich-roten Marmorierung gefärbt.
Die Fortpflanzung dieser Fischarten stellt also ein hochkomplexes Kapitel der Ichthyologie dar. Doch nicht nur die gynogenetische Fortpflanzung macht sie so besonders, es gibt noch einige weitere Tatsachen, die die weite Verbreitung dieser Fischart begründen: Giebel und Goldfische sind sehr anspruchslose Arten. Sie sind Allesfresser, und große Temperaturunterschiede machen ihnen kaum etwas aus.
Zum Schluss noch ein Appell an alle GartenteichbesitzerInnen und AquarianerInnen: Bitte keine Goldfische in öffentliche Gewässer aussetzen! Das verdrängt möglicherweise eine heimische Population oder lässt sie sogar aussterben. In einem fein abgestimmten Ökosystem kann das schwerwiegende Folgen haben.
Editorial 2012-1
Lieber Leser, liebe Leserin! In Deinen Händen liegt das Ergebnis eines einzigartigen Projekts. Junge Autorinnen und Autoren von fünf steirischen Schulen haben spannende und lehrreiche Artikel verfasst über Meeresschnecken und versteckte Eisprünge, Bärtierchen und Barsche, Pflanzenbewegungen und Zelltod und einiges mehr. Eben das, was man in der Biologie interessant finden kann.
Mit viel Mühe haben sie recherchiert, ent- und verworfen und schließlich großartige Texte geschrieben. Es ist bewundernswert, dass sie diese Arbeit neben dem normalen Schulalltag so gut gemeistert haben. Das gilt auch für ihre Lehrerinnen und Lehrer, die sie dabei unterstützt haben. In der aktuellen Ausgabe waren dies Helga Kulac (BRG Kepler, Graz), Helga Rogl (Akademisches Gymnasium, Graz), Ulrike Bock (BG/ BRG & MG Dreihackengasse, Graz), Werner Gaggl (BRG Leibnitz) und Annemarie Moser (Sacre Coeur, Graz). Ihnen allen herzlichen Dank!
Besondere Anerkennung gebührt den SchülerInnen und Schülern der Klasse von Martin Hörl, die in einem Wettbewerb der Grazer Ortweinschule für Kunst und Design das Layout für diese Ausgabe gestaltet haben. Dankbar sind wir auch all den FotografInnen, die uns kostenlos ihre Bilder zur Verfügung stellten, und der Firma 3B Scientific, deren Sachspende (ein Torsomodell) unter den teilnehmenden LehrerInnen verlost wurde. Und schließlich: ein großes Dankeschön an „die 7. fakultät“ der Karl-Franzens-Universität Graz und an unsere Werbekunden für ihre finanzielle Unterstützung, ohne die dieses Projekt gar nicht möglich gewesen wäre.
Nun wirst Du Dich vielleicht fragen: Warum hat denn keiner etwas über Grottenolme geschrieben? Weshalb diskutiert niemand, welche Auswirkungen der Klimawandel auf die Tier- und Pflanzenwelt unseres Planeten hat? Wie wird Energie in einer Solarzelle gewonnen? Und was hat es auf sich mit den berühmten Fußballmolekülen? Natürlich hast Du völlig recht: Es gibt noch viel zu tun! Wenn Du Lust hast, einen Artikel zu einem naturwissenschaftlichen Thema zu schreiben oder einen Science-Cartoon für uns zu zeichnen, so bist Du herzlich eingeladen, uns eine Email mit Deinem Themenvorschlag zu schreiben. Idealerweise sollte sich eine Lehrerin oder ein Lehrer bereit erklären, Dich bei diesem Projekt zu unterstützen. Es lohnt sich! Denn Dein Text wird in allen Gymnasien der Steiermark gelesen. Und bald vielleicht sogar in ganz Österreich
. Wir freuen uns auf Deine Idee!
Uwe Simon
Alles andere als reibungslos
Geckos als Vorbild für die Technik: So gut wie jeder kennt Aufnahmen von Geckos, die die Wände oder gar Glasscheiben hochklettern. Doch wie ist es möglich, dass diese Tiere an einer scheinbar glatten Oberfläche problemlos nach oben laufen können, ohne abzurutschen oder kleben zu bleiben? Handelt es sich beim Trick des Geckos um eine klebrige Substanz an den Füßen, oder um etwas ganz anderes?
Die Antwort sind Haare, wenn auch etwas anders, als man glauben könnte. Die Fußsohlen eines Geckos sind mit vielen Reihen feiner Härchen besetzt, die sich an ihren Enden in noch viel feinere, winzigere Härchen aufspalten. Diese kommen den Molekülen der Oberfläche so nahe, dass zwischen beiden sogenannte Van-der-Waals-Kräfte auftreten. Das sind relativ schwache Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen, die bewirken, dass die Härchen haften bleiben Dies passiert allerdings nur, wenn die Härchen parallel zur Oberfläche verschoben werden. Rechnet man alle vier Pfoten zusammen, könnte ein Gecko leicht ein Vielfaches seines eigenen Körpergewichts tragen, ohne „von der Decke zu fallen“. Dennoch bleibt ein Gecko nicht an der Wand „kleben“, sondern kann in rasantem Tempo senkrecht nach oben laufen.
Das liegt daran, dass die Härchen ihre haftende Wirkung verlieren, wenn sich der Winkel ändert, und das geschieht dadurch, dass der Gecko seine Füße aufrollt. Somit ist er in der Lage, bis zu 20 Schritte pro Sekunde nach oben zu machen. Seit einigen Jahren arbeiten Bioniker daran, diesen Effekt auf die Technik zu übertragen.
Das einzige Problem, mit dem man noch kämpft, ist der Verschleiß, da das verwendete Material nicht so wie beim Gecko nachwachsen kann. Verwendet werden keine Materialien, die von Natur aus klebrig sind, sondern harte Materialien, die wie die feinen Geckohärchen geformt sind und auf weicheren Oberflächen sitzen. Es ist mittlerweile schon möglich, Klebebänder herzustellen, mit denen Modellautos auf einer Glaswand nach oben fahren können. Klebebänder nach Geckoart hätten den großen Vorteil, dass sie wiederverwendbar wären, auf so gut wie allen Oberflächen – egal ob nass oder trocken – hafteten, sich selbst reinigten und sich spurlos entfernen ließen. Doch ganz so weit ist die Forschung bis jetzt noch nicht gediehen.
Ein einzelnes Geckohaar, Seta genannt, spaltet sich in 100 bis 1000 „Spaltulae“ auf, die je einen Durchmesser von etwa 100 Nanometer haben. Pro mm² hat ein Gecko etwa 14.000 Setae. Auf jedes Seta kommt eine Haftkraft von rund 40 Mikronewton, das heißt, wenn alle Setae auf einer Fläche von einem m² Kontakt zu einer anderen Oberfläche hätten, würde das einer Haftkraft von über 570.000 Newton entsprechen.Die künstlichen Nanohärchen erreichen jeweils eine Haftkraft von etwa 120 Nanonewton, wobei hier bis zu 420.000 Härchen auf einem mm² untergebracht werden können. In der Realität berührt nur ein winziger Teil der Härchen die Oberfläche, was dennoch bei weitem ausreicht, damit ein Gecko an der Wand haften kann.
Abbildung: Steve Jurvetson (verändert)
Literatur:
- http://www.tu-ilmenau.de/fakmb/uploads/media/
Kleben_ohne_Nebenwirkungen.pdf - http://polypedal.berkeley.edu/twiki/pub/PolyPEDAL/
PolypedalPublications/63_evidofvanderwaals2.pdf
Geheimnisvolle Grotten
Abb.1: Axinella.
Spaß, Abenteuer und Herausforderung –eine Woche lang durfte unsere Klasse die Schulbänke gegen die Adria, die Schultaschen gegen Schnorchel tauschen. In der Meeresschule Pula erkundeten wir die faszinierende Unterwasserwelt der kroatischen Küste.
Pula ist eine kleine Stadt an der Küste der Adria. Dieser Teil des Mittelmeeres bietet eine große Artenvielfalt an Tieren und Pflanzen. Zudem ist die Nordadria flach, salzarm und im Winter sehr kalt. Der Temperaturwechsel zwischen den Jahreszeiten sorgt durch auf- und absteigende Wassermassen für eine starke Durchmischung des Meeres bis in größte Tiefen. Die dabei aufgewirbelten Nährstoffe gelangen auch in seichtere Meeresbereiche und erlauben dort das Wachsen ausgedehnter Algenwälder und Seegraswiesen. Deren Bewohner sind ganz an diese Umgebung angepasst und für den Laien nicht leicht zu entdecken. Denn die meisten Tiere sind lediglich einige Zentimeter oder gar nur Millimeter groß. An besonders tiefen Steilhängen erinnert die Adria an tropische Szenarien. Hier ist das Licht zu gering für starken Pflanzenbewuchs. Dafür findet man Gorgonien (biegsame Hornkorallen), Moostierchen und bunte Schwämme.
Abb. 2: Bäumchenpolyp.
DAS LEBEN IN DEN GROTTEN
Unsere Aufgabe war es, die Tier- und Pflanzenwelt in drei Grotten zu untersuchen.Dafür mussten wir diese zunächst vermessen. Das war gar nicht so einfach, denn trotz der Unterwasserlampen ist es dort ziemlich finster. Es kostete einige Überwindung, mit angehaltenem Atem in das Dämmerlicht abzutauchen. Auch die Strömungen und der Wellengang erschwerten das Verlegen der Maßleinen. Ständig mussten wir darauf achten, uns nicht an den schroffen Felsen zu verletzen. Und natürlich wollten wir die Lebenswelt in den Grotten so wenig wie möglich stören.
Abb. 3: Datenaufnahme
Abb. 4: Datenaufnahme
Nun hieß es abzuschätzen, wie stark und durch welche sessilen Lebewesen die Grotten besiedelt waren. Dies dokumentierten wir auf Unterwasserschreibtafeln
. An Tieren entdeckten wir den orange-farbenen Strahlenschwamm, den weißen und den braunen Nierenschwamm, die gelbe Krustenanemone und Bäumchenpolypen. Bei den Pflanzen fanden wir vor allem Rotalgen
. Im düsteren Höhlenhintergrund findet man mehr festgewachsene Tiere. Sie ernähren sich als sogenannte Suspensionsfresser von kleinsten Schwebepartikeln. Dazu benutzen sie verschiedenste Techniken, um angeschwemmte Nahrungsteilchen aufzunehmen. Passive Suspensionsfresser, beispielsweise Hydroiden und Korallen, halten ihre Sammelapparate einfach in das Wasser. Sie leben vor allem im vorderen Bereich der Grotten, da hier die Wasserbewegung stärker ist.
Abb. 5: Krustenrotalge.
Aktive Suspensionsfresser wie Seepocken hingegen bewegen ihre Fangvorrichtungen selbst oder saugen Wasser an (Schwämme und Seescheiden). Sie sind eher im Höhlenhintergrund zu finden, wo die Wasserdurchmischung geringer ist. Drei besonders schöne Bewohner der Grotten sind die Bäumchenpolypen, die Nierenschwämme und die Kalkrotalgen. Bäumchenpolypen der Gattung Eudendrium sind sessile Nesseltiere. Sie bilden wenige Zentimeter hohe, buschartig verzweigte Stöckchen, an deren Enden circa zwei Millimeter kleinen Polypen sitzen. Diese haben einen Kranz von Tentakeln, an denen Nahrungspartikeln hängen bleiben, die dann über die Mundöffnung aufgenommen und im Hohlraum des Polypen verdaut werden. Diese Tiere sind darauf angewiesen, dass das Wasser die Nahrung bringt. Die dichtesten Ansammlungen fanden wir daher im Eingangsbereich der Höhlen, aber niemals am Boden, sondern nur an den Wänden. Wir nehmen an, dass diese Tiere sehr stark bewegtes Wasser benötigen, aber wegen ihres fragilen Aufbaus die Böden meiden.
Abb. 6: Nierenschwämme
Denn dort könnten sie durch absinkendes Material beschädigt werden. Im Gegensatz zu den filigranen Bäumchenpolypen sind Nierenschwämme (Chondrosia reniformis) massig gebaut und recht robust. Sie kommen überall in den Höhlen vor und können sogar das Licht indirekt für sich nutzen. Denn sie lagern endosymbiontische Cyanobakterien in ihre äußeren Schichten ein. Belichtete Stellen von Nierenschwämmen sehen dadurch braun aus. Ihre schleimige Oberfläche verhindert den Bewuchs durch Pflanzen oder andere sessile Tiere. In den dunklen Bereichen der Höhle verlieren die Nierenschwämme ihre einzelligen Symbionten und werden dann ganz bleich. Durch die robuste Bauweise wachsen sie manchmal auch am Höhlenboden. Krustenförmige Kalkrotalgen (Corallinales) sind jene Meeresalgen, die am wenigsten Licht zum Wachstum benötigen. Deswegen sind das die letzten Pflanzen, die wir noch finden können, wenn wir uns in eine Grotte oder Höhle hinein begeben. Sie wachsen oft nur wenige Millimeter im Jahr. Um nicht zur leichten Beute von unterseeischen Weidegängern zu werden, lagern sie Kalk in ihre Zellwände ein und bilden so steinharte Krusten, die den felsigen Untergrund überziehen.
Abb. 7: Öffnung in eine neue Welt?
All das erarbeiteten wir in wenigen Tagen bei großartigen Ausflügen, aufregenden Tauchgängen und aufschlussreichen Vorträgen. Ein Besuch der Meeresschule Pula lohnt sich! Und wenn man nicht schnorcheln kann? Keine Sorge, das lernt man schnell im glasklaren Wasser der Adria.
Weitere Informationen zur Meeresschule in Pula: http://www.meeresschule.com
Abbildungen: Gerwin Gretschel
Eine Pflanze mit zwei Fühlern
Photosynthese. Diesen Begriff verbindet man doch mit Pflanzen? Doch dann gelang amerikanischen Forschern eine höchst interessante Entdeckung: Sie fanden eine grüne, im Meer lebende Schnecke, die sich mithilfe von Sonnenlicht ernähren kann: Elysia chlorotica.
Sie gehört zu den Sacoglossa, den Sackzünglern, und lebt hauptsächlich an der nördlichen Ostküste von Amerika. Die Schnecke kann bis zu vier Zentimeter groß werden. Man geht davon aus, dass sie sich mit chemischen Stoffen gegen Feinde schützt, da sich ihr Gehäuse vollständig zurückgebildet hat. Stattdessen besitzt sie flügelförmige, gewellte Fußlappen, sogenannte Parapodien, deren Ränder in der Mitte verwachsen sind. Teile der Verdauungsdrüse und der Geschlechtsorgane reichen bis in die Parapodien hinein. Auf dem Kopf von Elysia befindet sich im Gegensatz zu anderen Schnecken nur ein einziges Paar Tentakel. Diese enthalten Chemorezeptoren zum Aufspüren von Signalstoffen.
Elysia chlorotica ist ein Zwittertier und enthält daher sowohl weibliche als auch männliche Geschlechtsorgane
. Die Begattung erfolgt überkreuzt, das heißt, dass sich zwei Tiere umschlingen und eigene Spermien an den Partner abgeben und die des anderen aufnehmen. Nach der Befruchtung werden die Eizellen in langen Fäden im Wasser abgelegt.
EINE EINZIGARTIGE SCHNECKE
Wie kommt es, dass diese Schnecke Photosynthese betreiben kann? Elysia ernährt sich überwiegend von der grüngelben Alge Vaucheria litorea, die sie ansticht und aussaugt. Größtenteils wird die Alge von der Schnecke verdaut, nur die Chloroplasten werden unversehrt aufgenommen und in den Darmzellen gespeichert. Deswegen werden die Schnecken mit zunehmendem Alter intensiv grün. Jungtiere haben dagegen noch eine braune Färbung mit dunkelroten Tupfen. Die Meeresschnecke Elysia chlorotica ist also keine Pflanze, kann aber trotzdem Photosynthese betreiben.
Abb.1: Die grüne Meeresschnecke Elysia chlorotica.
Plastiden können allerdings ohne zusätzliche, in ihren Wirtszellen hergestellte Proteine nicht funktionieren. Bei Pflanzen befindet sich die genetische Information dafür in den Zellkernen. Vor kurzem erst entdeckte Mary Rumpho-Kennedy von der Universität Maine, dass mindestens eines der notwendigen Algengene auch im Genom der Schnecke zu finden ist. Wie die Gene dort hingelangten, ist noch nicht klar. Wissenschaftler vermuten aber, dass Viren diese Erbmerkmale übertragen haben. Möglicherweise gibt es weitere auf ähnliche Weise in die Schnecken-DNS eingebaute Algengene, die verhindern, dass die aufgenommenen Chloroplasten abgebaut werden.
WIE BIN ICH AUF ELYSIA CHLOROTICA GESTOSSEN?
Meine Biologielehrerin erzählte während eines Kurses von dieser faszinierenden Schnecke. Mich interessierte dieses Tier sofort, und ich wollte mehr darüber erfahren. Schließlich fand ich heraus, dass es in Amerika an der Universität Maine eine Arbeitsgruppe gibt, die seit Jahren an Elysia chlorotica forscht. Es gelang mir, telefonisch mit der Leiterin der Forschungsgruppe, Frau Mary Rumpho-Kennedy, zu sprechen. Ich war sehr beeindruckt davon, wie bereitwillig sie mir zu ihren Arbeiten Auskunft gab. Gerne hätte ich die Meeresschnecke in einem eigenen Aquarium studiert. Doch zu meinem Bedauern kann man sie nicht erwerben, weil sie in der Wildnis rar und möglicherweise sogar vom Aussterben bedroht ist. Allerdings versuchen Frau Rumpho-Kennedy und ihre Kollegen, Elysia chlorotica im Labor zu züchten.
Abbildungen: Mary Rumpho-Kennedy
weiterführende Literatur:
- Mary E. Rumpho u.a. (2000). Solar-Powered Sea Slugs. Mollusc/Algal Chloroplast Symbiosis. Plant Physiology, 123, 29-38. http://www.plantphysiol.org/content/123/1/29.full.pdf+html [26.2.2015]