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Wissenschaft für alle
Lars Fischer
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by Lars Fischer in Fischblog
Ein Grund, weshalb über die Stammzellen in der aktuellen Debatte so ausdauernd gestritten wird, ist das enorme therapeutische Potential, das ihnen zugesprochen wird: Krankes, zerstörtes Gewebe selbständig zu regenerieren ist der Heilige Gral der Medizin. Doch bis Stammzellen dereinst Parkinson, Querschnittslähmung und andere Gebrechen heilen, ist es noch ein weiter Weg. Dazu muss erstmal im Detail geklärt werden, was mit den Zellen passiert, nachdem sie in den...... Read more »
Omar Zurkiya, Anthony W.S. Chan, & Xiaoping Hu. (2008) MagA is sufficient for producing magnetic nanoparticles in mammalian cells, making it an MRI reporter. Magnetic Resonance in Medicine, 59(6), 1225-1231. DOI: 10.1002/mrm.21606
by Lars Fischer in Fischblog
ResearchBlogging.orgVor einer Weile ging es hier im Blog schon einmal um fossile Farben und Muster, und zwar um die von Dinosauriern, in deren Federn sich versteinerte Pigmentkörner bis heute erhalten haben. Für immer verloren sind dagegen andere Farben, die von nur wenige Nanometer großen Feinstrukturen der Federoberfläche erzeugt werden, wie das heute zum Beispiel bei den brillanten Farben des Pfauenschwanzes der Fall ist. Ob es sie schon bei den Sauriern gab oder ob sie erst Millionen Jahre später auf der Bildfläche erschienen, wissen wir nicht. ... Read more »
Tanaka, G., Taniguchi, H., Maeda, H., & Nomura, S. (2010) Original structural color preserved in an ancient leaf beetle. Geology, 38(2), 127-130. DOI: 10.1130/G25353.1
by Lars Fischer in Fischblog
Seit 1998 bauen Landwirte in Spanien transgenen Mais kommerziell an. Die Pflanzen enthalten ein zusätzliches Gen, in dem das Bt-Toxin codiert ist. Das Insektizid schützt die Feldfrucht vor dem Maiszünsler, einem verbreiteten Pflanzenschädling. 2006 wuchs der Bt-Mais auf 53.000 Hektar Ackerland, etwa 15% der gesamten Maisanbaufläche in Spanien.
In der Öffentlichkeit werden fast ausschließlich die ökologischen und gesundheitlichen Aspekte der Grünen Gentechnik thematisiert. In der aktuellen Ausgabe von Nature Biotechnology legen spanische Agrarwissenschaftler jetzt eine ökonomische Bilanz des genetisch veränderten Mais vor. ... Read more »
Manuel Gómez-Barbero, Julio Berbel, & Emilio Rodríguez-Cerezo. (2008) Bt corn in Spain—the performance of the EU's first GM crop. Nature Biotechnology, 26(4), 384-386. DOI: 10.1038/nbt0408-384
by Lars Fischer in Fischblog
Bei der Umwandlung von Kohlendioxid in energiereiche chemische Verbindungen hat die Photosynthese den Nachteil, dass dabei als Nebenprodukt eine ganze Pflanze entsteht. Bei einer künstlichen zellfreien Photosynthese dagegen bekäme man für das Licht eine einzige energiereiche Chemikalie wie Glucose, aus der dann direkt Biokraftstoffe oder dergleichen hergestellt werden könnten, und deswegen wird an solchen Systemen mit Hochdruck gearbeitet.
Ein Weg, das zu erreichen ist die Reproduktion der kompletten Reaktionskette vom Licht bis zur organischen Materie auf der Basis der natürlichen Enzyme, die an der Reaktion beteiligt sind. Dieser biomimetische Ansatz hat jetzt zum Erfolg geführt, US-Wissenschaftler haben in Nano Letters ein System vorgestellt, das über mehrere Stufen aus Licht und Kohlendioxid den Zucker Glucose produziert. Der eigentliche Trick ist, die Komponenten in einen Proteinschaum einzulagern, den die Forscher von einem Frosch geborgt haben.
In der Lichtreaktion der Photosynthese werden Photonen eingesammelt und ihre Energie zur Synthese von ATP und zur Gewinnung von Elektronen aus Wasser genutzt. Das so erhaltene energiereiche ATP und die Elektronen werden dann in den zweiten Schritt eingespeist, den Calvin-Zyklus. In dem wird dann Kohlendioxid mit einem phosphorylierten Zucker zur Reaktion gebracht und so das Gas mit Hilfe von ATP und den Elektronen in energiereiche organische Stoffe umgesetzt. Das ganze System ist weniger eine chemische Reaktionskette als vielmehr eine molekulare Fabrik.
Da alle diese Systeme zu den am besten erforschten Reaktionsketten der Biochemie gehören, kann man aus den Komponenten einfach ein zellfreies Photosynthesesystem zusammensetzen – theoretisch. Der Teufel liegt im Detail, denn damit die Reaktion möglichst effektiv abläuft, müssen mehrere teils widersprüchliche Bedingungen erfüllt sein. Zuerst einmal genug ADP, Phosphat und Zuckerzwischenstufen in Lösung sein, um eine regelmäßige Versorgung zu gewährleisten, die Konzentration darf aber auch nicht zu groß werden und die einzelnen Komponenten müssen nahe an einer Oberfläche sein, denn Kohlendioxid muss gut an die Reaktionszentren gelangen können – Licht natürlich auch.
Als Lösung bietet sich ein Schaum an – der enthält Flüssigkeitskanäle, in denen genug Enzyme und Reaktanden schwimmen können, während gleichzeitig immer eine Grenzfläche zu einem Gasraum in der Nähe ist. Es gibt allerdings ein Problem dabei, denn für Schäume benötigt man Detergenzien – und die stören unter anderem Membranen und ihre künstlichen Äquivalente. In diesem Fall kann es passieren, dass sich der Schaumbildner in die Wand der ATP-erzeugenden Vesikel einlagert und die Membran durchlässiger macht. In versuchen mit dem Detergens Tween-20 geht leidet dementsprechend die Effektivität der Reaktionskette erheblich.
In der Natur gibt es allerdings eine Reihe Schäume, die nicht auf der Basis seifenartiger kleiner Moleküle entstehen, sondern mit Hilfe von Proteinen, die wesentlich größer sind, stabilere Schäume ergeben und Vesikelmembranen nicht stören. Eines davon ist das Protein Ranaspumin-2, aus dem der Frosch Engystomops pustulosus seine schwimmenden Nester baut. Dieses Protein nutzten die Forscher, um ihr künstliche Fotosynthesesystem aufzunehmen.
Die einzelnen Komponenten dieses Systems gibt es schon seit einiger Zeit - der ATP-generierende Apparat besteht aus Polymervesikeln, die ähnliche Eigenschaften haben wie biologische Zellmembranen, aber stabiler sind. In diese künstliche Membran sind zwei Proteine eingebaut. Einmal das Bakteriorhodopsin, an dem die eigentliche lichtabhängige Reaktion stattfindet: Das Enzym pumpt bei Beleuchtung Protonen in den Innenraum des Vesikels. Das zweite Protein nutzt die so entstandene höhere Konzentration, um wiederum ADP und Phosphat zu ATP umzusetzen.
Das wiederum dient zusammen mit Kohlendioxid und dem Zucker Ribulose als Substrat für die Ribulosebisphosphat-Carboxylase, dieser Schritt ist die eigentliche Kohlenstofffixierung. Hierbei entsteht über die Zwischenstufe 3-Phosphoglycerat der Zuckervorläufer Glyceraldehyd-3-phosphat, der wiederum in den dritten Teil des Reaktionswegen eingespeist wird, an dessen Ende der bekannte Zucker Glucose steht.
Abbildung: Schema der künstlichen Photosynthese von Wendell et al., Quelle: Wendell et al., Nano Letters 10.1021/nl100550k, 2010.
Die Resultate sind jedenfalls ermutigend für so ein System: Das Prinzip funktioniert, und am Ende der Kette entsteht tatsächlich der gewünschte Zucker. Die ATP-Synthese ist mit etwa 5 Protonen pro ATP halb so effizient wie in natürlichen Systemen, aber immerhin doppelt so hoch wie in schaumfreien Systemen. Das rechnen die Autoren hoch zu 116 Mikromol Glucose pro Liter und Stunde (wobei sich der Liter auf die bloße Flüssigkeit bezieht), das sind 21 Milligramm. Klingt nach wenig, ist aber eine ganze Menge. Wenn man das ganz naiv auf den Hektar umrechnet, was die Autoren tun, könnte man mit diesem System zehn mal so viel vom Biokraftstoff Dimethylfuran erzeugen wie mit normalen Pflanzen auf einem normalen Acker.
Die Autoren des Papers freuen sich schon auf die großtechnische Umsetzung ihres Verfahrens, aber ich bin da sehr skeptisch. Zuerst einmal wird der aufmerksame Beobachter festgestellt haben, dass in diesem Photosynthese-System etwas Entscheidendes fehlt. Es entsteht nämlich kein Sauerstoff, und das heißt, es werden auch keine Elektronen erzeugt, mit denen Kohlendioxid reduziert werden kann. Das Reduktionsmittel NADH wird bei dieser Reaktion verbraucht, während es bei der natürlichen Photosynthese konstant wieder regeneriert wird. Diese Komponente fehlt noch zur künstlichen Photosynthese.
Das Grundproblem an diesem Punkt ist aber ein ganz anderes: Wenn man so ein Wasseroxidations-System erstmal hat, dann kann man damit direkt Wasserstoff produzieren – wozu noch der aufwändige Umweg über den Calvin-Zyklus?
Denn hinter dem zugegebenermaßen eindrucksvollen System von Todd, Wendell und Montemagno steht ein großes ökonomisches Fragezeichen: Das Verfahren erfordert beträchtliche Mengen teurer Spezialchemikalien, die nicht ohne weiteres im Tonnenmaßstab zu bekommen sind. Ganz zu schweigen von den Membranproteinen für die ATPase-Vesikel. Prinzipiell können all diese Enzyme ohne weiteres rekombinant hergestellt werden, und das scaling-up des Systems auf, sagen wir, einen Hektar, ist vor allem eine Verfahrenstechnische Frage.
Trotzdem hängt letztendlich die Umsetzung eines solchen Systems vor allem an der Wirtschaftlichkeit. Für das Produkt allein wird sich der Aufwand definitiv nicht rechnen, und ob CO2-Zertifikate jemals so teuer werden, dass sich Kraftwerksbetreiber Tonnen eines High-Tech-Proteinschaumes in den Schornstein hängen, halte ich für fraglich. Ich halte es für wesentlich wahrscheinlicher, dass in den nächsten Jahren einfache Chemische Katalysatoren entwickelt werden, die vergleichbares leisten.
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Wendell, D., Todd, J., & Montemagno, C. (2010). Artificial Photosynthesis in Ranaspumin-2 Based Foam Nano Letters DOI: 10.1021/nl100550k
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Wendell, D., Todd, J., & Montemagno, C. (2010) Artificial Photosynthesis in Ranaspumin-2 Based Foam. Nano Letters, 2147483647. DOI: 10.1021/nl100550k
by Lars Fischer in Fischblog
Die Erdkruste besteht aus zwei sehr unterschiedlichen Sorten Gestein: Ozeanischer und kontinentale Kruste. Die ozeanische Kruste besteht aus überwiegend aus Basalt. Sie bildet den Untergrund der Ozeanbecken und unterliegt einem permanenten Zyklus von Bildung und Vernichtung. "Aktive" ozeanische Kruste ist daher höchstens etwa 220 Millionen Jahre alt. Die Kontinente dagegen bestehen aus weniger dichtem Gestein wie Granit. Sie sind leichter und dicker und gelangen deswegen nicht durch plattentektonische Vorgänge zurück in den Erdmantel. Entsprechend sind sie durch die Bank wesentlich älter. Ihre Entstehung ist noch weitgehend rätselhaft. ... Read more »
Condie, K. (1998) Episodic continental growth and supercontinents: a mantle avalanche connection?. Earth and Planetary Science Letters, 163(1-4), 97-108. doi/10.1016/S0012-821X(98)00178-2
by Lars Fischer in Fischblog
Als vor ein paar Jahren die ersten vollständigen Genome entschlüsselt waren, stellten Wissenschaftler zu ihrer Verwunderung fest, dass die Größe eines Genoms wenig mit der Komplexität des zugehörigen Organismus zu tun hat. Manche Einzeller haben zigfach mehr Erbgut als selbst die komplexesten Säugetiere. Gibt es überhaupt biochemische Merkmale, die eindeutig mit Komplexität zusammen hängen und möglicherweise Aussagen über ihre Ursachen zulassen? Wissenschaftler sind dieser Frage nachgegangen und auf eine sehr merkwürdig erscheinende Antwort gestoßen: Offenbar hängt die Komplexität von Organismen systematisch mit dem Anteil der Aminosäure Tyrosin in den Proteinen zusammen.... Read more »
Tan, C., Pasculescu, A., Lim, W., Pawson, T., Bader, G., & Linding, R. (2009) Positive Selection of Tyrosine Loss in Metazoan Evolution. Science, 325(5948), 1686-1688. doi/10.1126/science.1174301
by Lars Fischer in Fischblog
Wir haben kürzlich am Beispiel der Sondermetalle gesehen, dass Metallrecycling unerwartete Auswirkungen auf die Rohstoffversorgung hat. Doch das war erst der Anfang. Wenn Metalle systematisch und in großem Stil wiederverwertet werden, dann tritt die Zivilisation selbst als Lagerstätte auf den Plan. Dann nämlich wird jede Region, in der Metalle genutzt werden, zur potentiellen Rohstoffquelle.... Read more »
Rauch, J. (2009) From the Cover: Global mapping of Al, Cu, Fe, and Zn in-use stocks and in-ground resources. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(45), 18920-18925. doi/10.1073/pnas.0900658106
by Lars Fischer in Fischblog
Wieviel einfacher wäre die Chemie, wenn man ihre Bausteine nur sehen könnte! Weil Atome und Moleküle unsichtbar bleiben, ist diese Wissenschaft zugleich eine der abstraktesten, und das obwohl sich die Chemie wie kaum ein anderes Fach mit handfesten Alltagsthemen beschäftigt. So real moderne Darstellungen von Molekülen scheinen mögen – Chemiker wissen nicht, wie Moleküle wirklich aussehen. Alles was wir haben sind Interpretationen von Daten.
Es sieht allerdings so aus als würde sich das jetzt ändern. Neuerdings gibt es tatsächlich direkte Abbildungen von einzelnen Molekülen, aufgenommen mit einem Rasterkraftmikroskop. Vor ziemlich genau einem Jahr hat die Arbeitsgruppe von Leo Gross die ersten solchen Bilder präsentiert (zufällig vom Pentacen, das mir sehr am Herzen liegt). Die Idee ist natürlich, dass man die Struktur im Bild einfach sehen kann, statt sie sich aus spektroskopischen Daten mühsam zusammenzufrickeln. Vor einer Weile – ich bin spät dran mit diesem Beitrag – haben Gross et al. ihre Methode dann einem ersten Härtetest unterzogen.
Es geht um den Naturstoff Cephalandol A, der die Summenformel C16H10N2O2 hat und unter anderem von der Mikrobe Dermacoccus abyssi hergestellt wird. Aufgetaucht ist das Zeugs bei der Suche nach neuen Verbindungsklassen für die Pharmaforschung, die bevorzugt in Organismen vermutet werden, die jemand aus den hinterletzten Winkeln des Planeten gekratzt hat. Das fragliche Vieh kam mit einem Bohrkern aus dem elf Kilometer tiefen Challenger Deep im Marianengraben ans Tageslicht. An der molekularen Struktur von Cephalandol A hatten andere Wissenschaftler mit konventionellen Verfahren ziemlich zu knabbern, was Gross und Kollegen zur Probe aufs Exempel bewogen hat, ob ihre Methode besser abschneidet.
Das grundsätzliche Problem dabei ist die enorme Vielfalt an möglichen Strukturen, die es voneinander zu unterscheiden gilt. Die Spektroskopie und andere herkömmliche Methoden der Strukturaufklärung sehen nicht das ganze Molekül, sondern nur isolierte Atomgruppen, die auf das jeweilige Verfahren mit einem spezifischen Signal reagieren. Die Kernresonanzspektroskopie (NMR) zum Beispiel verrät einiges darüber, welche Atome nebeneinander liegen, die Schwingungsspektroskopie erkennt einfach und doppelt gebundene Atome und dergleichen, doch das Gesamtbild muss man aus diesen Daten erst einmal rekonstruieren.
Die vier zur Auswahl stehenden Strukturen für Cephalandol A. Wu, Hsu und Yao tippten 2006 auf Nummer zwei, was sich später als falsch erwies. Die richtige Struktur ist 1.
Beim Cephalandol gibt es denn auch vier mögliche Strukturen, die mit den an der Probe gemessenen 2D-NMR-Spektren (hier COSY und HMBC) konsistent sind. In der ersten Veröffentlichung über diesen Stoff griffen die beteiligten Forscher auch prompt ins Klo, veröffentlichten die falsche Struktur und durften sich zwei Jahre später von Kollegen öffentlich korrigieren lassen. Ärgerlich.
Mit ihrer neuen Methode, sagen jedenfalls Gross et al., wäre das wohl nicht passiert. So ganz sicher bin ich da zwar nicht, aber die Ergebnisse, die sie in dem neuen Paper präsentieren, sind schon eindrucksvoll. Wie bei den Pentacen-Bildern erzeugt die modifizierte Spitze eines Rasterkraftmikroskops das Bild, indem sie das auf einer Oberfläche liegende Molekül buchstäblich abtastet. Die Sonde besteht aus einer kleinen Metallfeder, die mit einer bestimmten Frequenz vibriert. Je nachdem wie stark die Wechselwirkung mit der Oberfläche ist, ändert sich diese Frequenz.
Diese Methode ist so sensibel, dass man mit ihr Strukturen auf Metalloberflächen im atomaren Maßstab kartieren (und manipulieren) kann. Für einzelne Moleküle ist allerdings eine höhere Auflösung erforderlich: Eine normale Sondenspitze aus Metall ist zu breit und unregelmäßig, um Bindungen zwischen Atomen darzustellen. Gross und Kollegen kleben deswegen einfach ein einzelnes Molekül Kohlenmonoxid hochkant an die Spitze, so dass sie sicher sein können, dass ihre Sonde genau ein Atom breit ist. Das reicht, um die Bilder zu erzeugen, die ihr hier seht.
Mit dem Rasterkraftmikroskop aufgenommenes Bild von Cephalandol A und mit darübergelegter Strukturformel. Aus Gross et al.
Für den Anfang ist das gar nicht schlecht. Man kann zum Beispiel das Grundgerüst des Moleküls erkennen und auf den ersten Blick sehen, dass das untersuchte Molekül nicht die Struktur 3 oder 4 haben kann. Leider ist der sauerstoffhaltige Lactonring, dessen Struktur ebenfalls unklar ist, nicht gut aufgelöst. Die Autoren führen das entweder auf die besondere elektronische Umgebung an dieser Stelle des Moleküls zurück oder alternativ darauf, dass das Molekül in sich verdreht ist und nicht ganz flach auf der Unterlage liegt.
Letzteres erscheint mir plausibler, obwohl noch nicht so ganz klar ist, wie sich Heteroatome bei diesem Verfahren Verhalten. Auf jeden Fall zeigt der Stickstoff im Indol einen geringeren Kontrast zur Umgebung als der Rest des Moleküls, während das Imin gut zu sehen ist. Etwas Vergleichbares würde ich dann auch bei C-O-C und C=O erwarten. Dass keine dieser beiden Gruppen zu erkennen ist, deutet eher darauf hin, dass dieser Teil des Moleküls insgesamt nicht flach auf dem Substrat liegt, sondern gekippt ist.
Die Autoren haben es natürlich trotzdem geschafft, die beiden verbleibenden möglichen Strukturen zu unterscheiden, und zwar mit Hilfe der Struktur der Unterlage. Die Moleküle liegen auf einer dünnen Schicht Kochsalz, die regelmäßig strukturiert ist und auf der ein Molekül nicht beliebig herumliegen kann, sondern bestimmte Positionen einnehmen muss. Indem sie die Position der Moleküle relativ zum Kristallgitter vermessen und anschließend mit einem geeigneten Computermodell verglichen haben, sind Gross et al. dann tatsächlich zu dem Schluss gekommen, dass Struktur 1 dem gesuchten Cephalandol A entspricht. Mit dem kleinen Schönheitsfehler, dass sie das vorher schon wussten. Aber es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis das Verfahren an einem wirklich unbekannten Molekül getestet wird.
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Gross, L., Mohn, F., Moll, N., Meyer, G., Ebel, R., Abdel-Mageed, W., & Jaspars, M. (2010). Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.765
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Gross, L., Mohn, F., Moll, N., Meyer, G., Ebel, R., Abdel-Mageed, W., & Jaspars, M. (2010) Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/NCHEM.765
by Lars Fischer in Fischblog
Zwar sind es andere Stoffe im Zigarettenrauch, die Tumore erst entstehen lassen, doch es wird immer deutlicher, dass das Nikotin der Zigarette für Krebs dennoch eine bedeutende Rolle spielt. Relevant ist das vor allem deswegen, weil erfahrungsgemäß ein beträchtlicher Teil aller Krebspatienten weiter Zigaretten raucht. Außerdem setzen Rauchentwöhnungstherapien meist auf Nikotinpflaster. Das dürfte bei Krebskranken keine uneingeschränkt gute Idee sein. ... Read more »
Davis, R., Rizwani, W., Banerjee, S., Kovacs, M., Haura, E., Coppola, D., & Chellappan, S. (2009) Nicotine Promotes Tumor Growth and Metastasis in Mouse Models of Lung Cancer. PLoS ONE, 4(10). doi/10.1371/journal.pone.0007524
by Lars Fischer in Fischblog
Dass nicht alle Dinosaurier klassische Reptilienhaut trugen, dürfte sich inzwischen herumgesprochen haben. Die aktuelle chinesische Rekonstruktion eines Dinosauriers mit fellbedecktem Schwanz und Ringelmuster, erschienen gerade in Nature, wirft alledings alles woran man sich gerade gewöhnt hatte, schon wieder über den Haufen. Vergesst Jurassic Park – viele Dinos waren wahrscheinlich bepelzt und farbig gemustert.
Im Gegensatz zu den weitgehend spekulativen Rekonstruktionen in Museen und Büchern gibt es in diesem Fall sogar für die Farben handfeste Belege. Zhang und Coautoren konnten nämlich zeigen, dass die Federn (beziehungsweise in vielen Fällen haarförmige Proto-Federn) nach exakt dem gleichen Prinzip gefärbt waren wie es bei modernen Vögeln und in den Haaren von Säugetieren geschieht: Durch Einlagerung von Melanosomen.
Melanosomen sind kleine, mit dem Farbstoff Melanin gefüllte Organellen, die in der Feder (und im Haar von Säugetieren) verteilt sind. Moderne Vögel besitzen zwei Typen von Melanosomen, die sich in Form, Inhalt und Farbe unterscheiden. Einerseits solche, die schwarzes Eumelanin enthalten, und zum anderen Körnchen des rötlichen Phäomelanins. Beide Sorten haben eine recht charakteristische Form. Die Eumelanin-Körnchen sind länglich mit abgerundeten Enden, während das Phäomelanin in abgeflachten Kügelchen vorliegt.
Sinosauropteryx-Fossil und
Melanosomen. Quelle: Nature
Mit Hilfe dieser Farbstrukturen, die offensichtlich die Versteinerung gut überleben, haben Paläontologen jetzt die ersten Gefiederfarben entschlüsseln können. Die Fossilien stammen aus der fossilführenden Jehol-Formation in Nordostchina, dank deren Fossilien die Abstammungslinie der modernen Vögel und die Entwicklung der ersten Federn aufgeklärt wurden. In diesen Fossilien haben die Forscher nun auch die Spuren von 120 Millionen Jahre alten Federpigmenten gefunden. Und zwar nicht zu knapp.
Die Melanosomen der Dinosaurier tauchen nicht nur in klassischen Federn (mit Fahne) auf, sondern interessanterweise auch in umstrittenen Hautfilamenten, die von einigen Paläontologen als Federn gedeutet werden, von anderen dagegen als Kollagenfilamente, die erst durch Verwesung freigesetzt wurden. Die Filamente hat man inzwischen bei vielen Verschiedenen Dinosaurierarten gefunden, so dass zumindest die Möglichkeit besteht, dass dieser Pelz zur Grundausstattung aller Dinosaurier gehörte. Die Entdeckung der Melanosomen in diesen Strukturen zeigt jedenfalls – wenn sie der Überprüfung standhält – dass Proto-Federn der einen oder anderen Sorte unter Dinosauriern recht verbreitet waren.
Dass es sich tatsächlich um Melanosomen handelt und nicht um Bakterien oder Mineralien, schließen die Autoren aus Aussehen und Lage der Körnchen. Sie bilden geordnete Schichten innerhalb der Feder selbst und genau in den Teilen der Feder, die auch bei modernen Vögeln Melanosomen enthalten. Tatsächlich scheinen die Melanosomen der Hauptgrund zu sein, weshalb überhaupt so viele Federn erhalten sind. Melanine sind recht stabil gegen biologischen und chemischen Zerfall, stabiler jedenfalls als das Keratin der Feder selbst: Teile der Feder, die bei normalen Vögeln kein Melanin einlagern, sind meist nicht erhalten.
Tatsächlich zeichnen die Melanosomen bei einigen Dinosauriern deutlich erkennbare Muster nach. Der kleine Fleischfresser Sinosauropteryx zum Beispiel hatte offenbar breite Streifen Phäomelanin-haltiger Federn auf dem Schwanz, die in der künstlerischen Rekonstruktion ein niedliches orangerotes Ringelmuster ergeben. Bei anderen Arten wie Confuciusornis und Sinornithosaurus fanden die Wissenschaftler beide Melaninarten in unterschiedlicher Verteilung und Dichte, teils sogar innerhalb einzelner Federn, was auf deutlich komplexere Muster hindeutet.
Erstaunlicherweise scheint selbst bei Zhang und Coautoren das alte Bild von den eintönig grün-braunen Dinos nachzuwirken, denn ihrer Meinung impliziert das Vorhandensein von schwarzem Eumelanin und braunem Phäomelanin, dass die entsprechenden Dinos schwarz-braun gemustert gewesen sein müssten. Doch dabei lassen sie ein weiteres wichtiges Phänomen außer Acht, das modernen Gefiedern ihre Farbenpracht verleiht: Die Strukturfarben.
In vielen modernen Vögeln ist speziell das Eumelanin nur die schwarze Grundierung für eine ganze Reihe von farbgebenden Mechanismen, die von eingelagerten Carotinoiden (das Grün der Sittiche ist eine Mischfarbe aus gelben Carotinoiden und dem dunklen Eumelanin-Hintergrund) bis hin zu Streu- und Brecheffekten an Federstrukturen (die schillernden Schwanzfedern des Pfaus, im Detail nachzulesen in diesem Paper) reichen und sich leider bei der Versteinerung wohl nur schwer nachweisen lassen.
Es ist jedenfalls nicht einzusehen, weshalb Dinos diese Strukturfarben nicht gehabt haben sollten. Allerdings gehe ich davon aus, dass immerhin die farbliche Rekonstruktion von Sinosauropteryx im Wesentlichen korrekt ist – Phäomelanin ist kein guter Hintergrund für brilliante Struktureffekte, und eine Quelle für farbverändernde Pflanzenstoffe ist bei einem Fleischfresser auch nicht in Sicht.
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Zhang, F., Kearns, S., Orr, P., Benton, M., Zhou, Z., Johnson, D., Xu, X., & Wang, X. (2010). Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds Nature DOI: 10.1038/nature08740
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Zhang, F., Kearns, S., Orr, P., Benton, M., Zhou, Z., Johnson, D., Xu, X., & Wang, X. (2010) Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds. Nature. doi/10.1038/nature08740
by Lars Fischer in Fischblog
Drohen durch die globale Erwärmung heftigere Wirbelstürme? Eine endgültige Antwort steht noch aus, aber viele Wissenschaftler beantworten die Frage mit einem vorsichtigen Ja. Neue Modellrechnungen stützen diese Interpretation.
Das Klima der Zukunft wird wärmer aber wie wird das Wetter? Auf diese Frage gibt es derzeit nur wenig zuverlässige Antworten, und speziell die Auswirkungen auf extreme Ereignisse wie Wirbelstürme oder Dürren sind heftig umstritten. Eng damit verknüpft ist die Frage, ob aktuelle Wetterphänomene bereits der Klimawandel in Aktion sind oder lediglich natürliche Schwankungen darstellen. Ganz oben auf der Liste stehen die Wirbelstürme des Atlantiks, weil sie nicht mur spektakulär sind und enorme Schäden anrichten, sondern auch noch regelmäßig jedes Jahr auftreten und Zufall, Zufall ihre Zahl sich in den letzten 25 Jahren verdoppelt hat.[1]
Das Problem ist, dass es bis heute keine Computermodelle gibt, die diese Frage zuverlässig beantworten können. Zu unterschiedlich sind die Zeit- und Größenskalen der beteiligten Phänomene. Klimasimulationen erfassen langfristige Trends über kontinentgroße Bereiche und sind schlicht zu grobkörnig, um einzelne tropische Stürme zu erfassen. Und die Wettermodelle, die heute Zugbahnen von Stürmen vorhersagen können, sind auf zeitlich und räumlich aufgelöste Messdaten angewiesen.
Sowohl der Klimawandel als auch die Entstehung von Wirbelstürmen sind für sich genommen inzwischen recht gut verstanden kann man eine Brücke zwischen beiden Ebenen schlagen? In den USA, die an langfristigen Hurricantrends aus naheliegenden Gründen sehr interessiert sind, hat ein Team drei Modelle zusammengeführt, um die Auswirkungen des Klimawandels auf Wirbelstürme zu berechnen. Demnach werden atlantische Wirbelstürme seltener, dafür aber deutlich stärker. Und es gibt zumindest laut dieser Studie keinen Hinweis darauf, dass die Effekte des Klimawandels in den bisherigen Trends messbar sind.
Wie sind Bender und Kollegen zu dieser Aussage gekommen? Es liegt nahe, aus einem globalen Klimamodell regionale Daten wie Beispiel Luft- und Wassertemperatur auszulesen und in ein feineres Atmosphärenmodell zu übertragen, das dann die Entstehung der Hurricane im Detail simuliert. Diesen Ansatz bezeichnet man als Downscaling, und er ist nicht neu. Derartige Untersuchungen gibt es schon länger, und sie haben recht widersprüchliche Ergebnisse ausgespuckt.
Das liegt an einem grundsätzlichen Problem des Downscalings: Je größer die Unterschiede zwischen den Größenskalen beider Modelle, desto weniger sind die Daten für eine detaillierte Simulation geeignet. Eine kilometergenaue Berechnung auf der Basis über die komplette Karibik gemittelter Daten geht höchstwahrscheinlich in die Hose. Projektion zukünftiger Sturmschäden durch Kategorie-fünf-Hurricane ist so schlicht nicht möglich zu groß sind die Unsicherheiten.
Trotzdem ist Downscaling auch ihn dieser Studie das Mittel der Wahl, um Informationen über lokales Wetter unter Klimawandel-Bedingungen zu gewinnen. Man kann nämlich die Unterschiede in den Skalen deutlich verringern. Es gibt seit ein paar Jahren Modelle mittlerer Genauigkeit, die zwar bei der genauen Vorhersage von Stürmen scheitern, dafür aber die von Jahr zu Jahr beobachteten Trends und Variationen der Wirbelsturm-Saison gut reproduzieren.
Mit solchen Modellen hat man einen Zwischenschritt mittlerer Auflösung, der aus globalen Klimadaten schon mal brauchbare Aussagen über die saisonale Dynamik unter Klimawandel-Bedingungen ableitet. In dieses Modell haben die Forscher also Atlantik-Klimadaten aus dem A1B-Emissions-Szenario des IPCC eingespeist mit dem Ergebnis, dass die bloße Anzahl der Stürme im 21. Jahrhundert um bis zu ein Viertel abnimmt. Damit bestätigft die Studie Ergebnisse früherer Modellrechnungen.
Allerdings ist nicht die Anzahl der Stürme wirklich interessant, sondern vor allem ihre Stärke, und die kann ein so grobkörniges Modell nicht vorhersagen. Bender und Kollegen haben dieses Problem umgangen, indem sie die einzelnen Stürme aus der dynamischen Situation einfach samt Umgebungsbedingungen in die detaillierten Hurrican-Simulationen des US-Wetterdienstes übertrugen. Und die sagen: Die Stürme werden heftiger.
Diese Ergebnisse sind obwohl sie zuerst einmal widersprüchlich klingen erfreulicherweise konsistent mit theoretischen Vorhersagen auf der Grundlage physikalischer Überlegungen: Die stärkere Verdunstung in einer wärmeren Welt sollte Wirbelstürme verstärken andererseits erschweren stärkere Winde aber auch ihre Bildung. Mehr Gewitterzellen werden von Scherwinden auseinandergetrieben, bevor sie überhaupt zu einem großen Sturm werden. Nimmt ein Sturm diese Hürde allerdings, steht ihm wegen der höheren Meerestemperaturen ungleich mehr Energie zur Verfügung.
Die Modelle bestätigen außerdem einen weiteren in der Realität beobachteten Effekt, nämlich die hohe Bedeutung der Windscherung. Die Stürme wurden nämlich nicht auf der Basis eines einzelnen Klimamodells berechnet, sondern einerseits aus den Mittelwerten von 18 Modellen, andererseits auf der Basis von vier verschiedenen Simulationen, die sich unter anderem sehr stark in der Windscherung unterschieden. Das Modell mit den stärksten Winden im Entstehungsgebiet sagt dementsprechend anders als die anderen Modelle auch bei starken Stürmen eine geringere Aktivität voraus.
Der Vergleich aller Modelle zeigt, dass zumindest die Vorhersage von insgesamt weniger Wirbelstürmen inzwischen recht robust ist. Was die Intensität angeht, bin ich mir nicht so sicher. Physikalisch ist das zwar plausibel, der zweite Übertragungsschritt zwischen den Modellen erzeugt aber zusätzliche Unsicherheiten. Die Autoren weisen im Paper zusätzlich darauf hin, dass ihr Modell saisonale Aktivitätsschwankungen unterschätzt. Das letzte Wort ist mit dieser Studie sicher noch nicht gesprochen.
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[1] ES ist allerdings möglich, dass ein Teil des Anstiegs schlicht auf genauere Beobachtung zurückgeht.
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Bender, M., Knutson, T., Tuleya, R., Sirutis, J., Vecchi, G., Garner, S., & Held, I. (2010). Modeled Impact of Anthropogenic Warming on the Frequency of Intense Atlantic Hurricanes Science, 327 (5964), 454-458 DOI: 10.1126/science.1180568
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Bender, M., Knutson, T., Tuleya, R., Sirutis, J., Vecchi, G., Garner, S., & Held, I. (2010) Modeled Impact of Anthropogenic Warming on the Frequency of Intense Atlantic Hurricanes. Science, 327(5964), 454-458. doi/10.1126/science.1180568
by Lars Fischer in Fischblog
Rückstände von Pflanzenschutzmitteln in Obst und Gemüse nachzuweisen erfordert oft erheblichen Aufwand. Eine einfache Technik könnte jetzt komplizierte Laboruntersuchungen bei einigen Stoffen überflüssig machen. ... Read more »
Hossain, S., Luckham, R., McFadden, M., & Brennan, J. (2009) Reagentless Bidirectional Lateral Flow Bioactive Paper Sensors for Detection of Pesticides in Beverage and Food Samples. Analytical Chemistry, 81(21), 9055-9064. doi/10.1021/ac901714h
by Lars Fischer in Fischblog
Angesichts des Ausmaßes der Ölpest im Golf von Mexiko mag das verblüffen, doch die Deepwater-Horizon-Katastrophe ist nicht die erste ihrer Art. Ein Ölausbruch vor dreißig Jahren bietet interessante Parallelen zur heutigen Situation.
Rückblende ins Jahr 1979: Seit Dezember des Vorjahres bohrte die staatliche mexikanische Ölgesellschaft PEMEX vor der Stadt Campeche in Yucatan in etwa 50 Metern Wassertiefe nach Öl. Diese Ixtoc I genannte Bohrung hatte bis zum 2. Juni eine Tiefe von 3600 Metern erreicht, als plötzlich der Bohrschlamm im umliegenden Gestein zu verschwinden begann.
Das deutet auf Risse im Gestein hin, und die Arbeiter zogen den Bohrstrang aus dem Loch, um das Loch mit Zement zu verfüllen. Dazu kam es aber nicht, denn ihnen kamen zuerst Bohrschlamm und dann Öl und Gas entgegen, es gab eine große Explosion und die Bohrinsel sank. Öl strömte aus dem Loch am Meeresboden ins Meer, 297 Tage lang, insgesamt geschätzte 3,3 Millionen Barrel. Das ist etwa vier mal so viel wie bis jetzt aus dem Deepwater-Horizon-Leck geströmt ist.
Deepwater Horizon ist jedenfalls nicht das erste monatelang sprudelnde Unterwasser-Loch und auch was die ausgelaufene Menge angeht nicht beispiellos. Das mag angesichts des Ausmaßes der Ölpest verblüffen, aber tatsächlich hatten wir so etwas ähnliches schon einmal. Und aus dem historischen Beispiel kann man einiges über Deepwater Horizon ableiten.
Ixtoc I sprudelte 297 Tage. Das Gas verbrannte vor Ort. Bild Olof Lindén, aus: Jernelöv, Lindén. Ambio, Vol. 10, No. 6, The Caribbean (1981), S. 299-306.
Das 1979 am Meeresgrund austretende Öl formte bildete an der Wasseroberfläche eine ein bis vier Zentimeter dicke Schicht einer Emulsion. Etwa zehntausend Tonnen oder fünf Prozent der Gesamtmenge konnten die Rettungskräfte deswegen direkt vor Ort abschöpfen, während das Gas direkt verbrannte. Das Ixtoc-Öl war, wie das von Deepwater Horizon, verhältnismäßig leicht, mit einem großen Anteil flüchtiger Substanzen, die in den Tagen nach dem Erreichen der Oberfläche langsam verdunsteten.
Wie Öl verschwindet: Lösen, verdampfen, verwittern
Etwa die Hälfte des 1979 ausgelaufenen Öls, schätzen Wissenschaftler, hat sich daher einfach im Laufe der Zeit verflüchtigt oder wurde chemisch und biologisch abgebaut. Es hätte sogar noch mehr sein können, allerdings verhinderte die Emulsion weitere Verdampfung. Durch die Verwitterung des Öls an der Luft verschwinden vor allem die giftigsten Bestandteile aus dem Öl, so dass die zurückbleibende Masse im Laufe der Zeit harmloser wird. Das ist vor allem deswegen relevant, weil es eine Weile dauert, bis Öl von einer Hochseequelle an die Küste gelangt.
Ein Teil des Öls hat sich damals auch im Wasser gelöst. Das betraf mengenmäßig nur einen Bruchteil, allerdings dafür insbesondere sehr toxische kleine Moleküle wie Benzol. Das erreichte nach der Ixtoc-Havarie Konzentrationen über 100 Mikrogramm pro Liter und war noch 40 Kilometer entfernt im Wasser nachweisbar war. Analog zeigen historische Daten anderer Ölunfälle, dass Bestandteile des Öls besonders im Gewebe von Muscheln auch noch in Bereichen nachweisbar sind, in denen keine sichtbare Verschmutzung an der Wasseroberfläche auftrat. Leider gibt es keine entsprechenden Untersuchungen zu Ixtoc 1, so dass wir nicht so genau wissen, was mit den gelösten Schadstoffen geschah.
An der Wasseroberfläche
Schwimmendes Öl verwittert im Laufe der Zeit und wird nicht nur schwerer, sondern auch zäher und spröder, weil es nach und nach immer mehr seiner leichten und flüchtigen Bestandteile verliert. Etwa ein Viertel des aus der Ixtoc-Quelle ausgelaufenen Öls erreichte nie die Küste und ging diesen weg. Es wurde von den Wellen in kleine Tropfen und Fetzen zerschlagen, an die sich organische Partikel anlagerten und es noch schwerer machten. Die kleinsten Partikel wurden von Plankton und anderem Meeresleben gefressen und wieder ausgeschieden. Das sukzessive schwerer werdende Öl sank dann irgendwann Richtung Meeresgrund. Studien deuten darauf hin, dass speziell schwerflüchtige Teerbestandteile recht schnell auch von der Oberfläche in die Tiefsee transportiert werden können. Was sie dort unten anrichten ist weitgehend unbekannt.
Am Strand
Die sichtbarste Folge einer Ölpest ist natürlich der Saum schwarzer Schmiere, die an den betroffenen Küsten zurückbleibt. Vom aus der Ixtoc-Quelle ausgelaufenen Öl landeten etwa 30.000 Tonnen an Mexikos Stränden, während geschätzte 4000 – 10.000 Tonnen an der texanischen Küste angespült wurden. Die damals betroffene Küste besteht fast ausschließlich aus Sandstrand, was sich als glücklicher Umstand erwies, denn schon der erste Herbststurm vermischte das Öl mit Sand und spülte es vom Strand weg. Damit blieb den betroffenen Regionen einiger Ärger erspart. Wie wir aus der Havarie der Exxon Valdez gelernt haben: Wenn das Öl erst einmal irgendwo klebt, dann bleibt es da auch. Versuche, die ölverschmierten Felsen Alaskas mit Seife zu reinigen, haben jedenfalls mehr Schaden angerichtet als genützt.
Bleibende Schäden?
Über die langfristigen Folgen der Ixtoc-Ölpest für die Ökosysteme der Küsten gibt es meines Wissens nur eine Untersuchung vor der texanischen Küste, die eine allgemeine Abnahme der Biomasse, aber keine Veränderung der Artenzusammensetzung aufzeigt. Die Erfahrungen mit Tankerunglücken und anderen Ölunfällen zeigen allerdings, dass Öl gerade in küstennahen Sedimenten ein großes Problem darstellt, besonders für Tiere, die organische Partikel aus dem Sediment fressen (z.B. Würmer). Gänge grabende Tiere wie Krebse oder Schnecken müssen ebenfalls bluten, und es sind Fälle bekannt, in denen diese Tiere wegen des vergrabenen Öls ihr Verhalten änderten. Unnötig zu erwähnen, dass Öl im Sediment sehr lange bestehen kann, in schlammigen Böden mehr als ein Jahrzehnt.
Insgesamt allerdings hat der westliche Golf von Mexiko die Ixtoc-Ölpest recht gut überstanden. Schon zwei Jahre später wurde die Krabbenfischerei in Texas wieder aufgenommen, die Strände waren durch Stürme gesäubert und im Jahr 1983 stellte eine Studie fest, dass eventuelle Veränderungen an den regionalen Ökosystemen wohl nicht auf das Öl, sondern andere Faktoren zurückzuführen seien.
Entwarnung also auch für die aktuelle Ölpest - wird der Golf vom Mexiko die aktuelle Verschmutzung ebenso wegstecken können wie die vor dreißig Jahren? Eine Übersicht über Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen beiden Ölkatastrophen gibt es im morgigen zweiten Teil.
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Teal, J., & Howarth, R. (1984). Oil spill studies: A review of ecological effects Environmental Management, 8 (1), 27-43 DOI: 10.1007/BF01867871
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Teal, J., & Howarth, R. (1984) Oil spill studies: A review of ecological effects. Environmental Management, 8(1), 27-43. DOI: 10.1007/BF01867871
by Lars Fischer in Fischblog
Dass Sport laut aktueller Forschungsergebnisse nicht dazu beiträgt, überflüssige Pfunde loszuwerden, hatte ich kürzlich andernorts ausgeführt. Dabei blieb allerdings die Frage offen, wie man denn nun wirklich abnimmt. Die einschlägige Literatur ist voll mit Geheimtipps und Wundermitteln, aber im Grunde gibt es nur ein sicheres Rezept: Weniger essen.
Damit fangen die Probleme allerdings erst an, und egal welche Methode man wählt, sie erfordern alle ein erhebliches Maß an Willenskraft, und wer hat die schon?... Read more »
Dennis, E., Dengo, A., Comber, D., Flack, K., Savla, J., Davy, K., & Davy, B. (2009) Water Consumption Increases Weight Loss During a Hypocaloric Diet Intervention in Middle-aged and Older Adults. Obesity. doi/10.1038/oby.2009.235
by Lars Fischer in Fischblog
Es ist endlich so weit: Nach mehreren Jahren Arbeit haben Svante Pääbo und Kollegen die lang erwartete erste Draft-Version des Neanderthaler-Genoms präsentiert. Gut, im Jahr 2006 hat er noch gesagt, der erste Entwurf sei binnen zwei Jahren zu erwarten, aber wir wollen angesichts dieser bemerkenswerten Leistung nicht kleinlich sein.
Schon dass es dieses Genom überhaupt gibt ist eine Sensation – und es geht gleich weiter: Durch Erbgutvergleiche kommen die Autoren der Publikation zu dem Schluss, dass Neanderthaler-Gene im modernen Menschen bis heute überlebt haben. Weil sich nämlich unsere Vorfahren mit der ausgestorbenen Menschenart gepaart haben.
Das allerdings ist nur ein Aspekt der jetzt vorliegenden Erbgutsequenz, mit der Pääbo sich wahrscheinlich endgültig in die Liste der Nobelpreiskandidaten einreiht. Weltweit stehen Forscher jetzt in den Startlöchern, um dem Genom seine Geheimnisse zu entreißen – was den Neanderthaler zu dem machte, was er war, warum er ausstarb und natürlich auch, was es mit seinen nächsten Verwanden auf sich hat, mit uns.
taH pagh taHbe! Svante Pääbo mit einem nachgebildeten Neandertaler-Schädel.
Ein gigantisches Puzzle
Das Genom eines Fossils kann natürlich nicht auf die gleiche Weise entschlüsselt werden wie das einer lebenden Art. Wenn überhaupt noch etwas davon da ist. Im Falle des Neandertalers nimmt man Proben aus besonders dichten Teilen des Knochens, in der Hoffnung, dass das Erbgut dort von Bakterien, Pilzen, Ausgräbern unberührt ist. Doch auch im günstigsten Fall ist die DNA in den letzten paar Zehntausend Jahren in viele kurze Bruchstücke zerfallen. Man hat also bestenfalls einen Riesenhaufen Schnipsel, die man irgendwie wieder in die richtige Reihenfolge bringen muss.
Glücklicherweise stehen zwei sehr ähnliche Genome zur Verfügung, die wir als Schablone verwenden können: Das des Schimpansen und unser eigenes. Die genetischen Unterschiede zwischen uns und dem Neandertaler zum Beispiel dürften sich im Bereich von wenigen Zehntel Promille bewegen. Man kann also die Schnipsel mit dem bekannten menschlichen Erbgut abgleichen und praktisch parallel dazu aneinander reihen, und dann hat man das Neanderthaler-Genom.
Dazu prüften die Forscher 21 Knochen aus Kroatien auf das Vorhandensein von Neanderthaler-DNA und wählten die drei aussichtsreichsten Proben für die Sequenzierung aus. Die aus diesen Fragmenten gewonnenen Erbgut-Extrakte wurden dann per Vergleich mit bekannten Genomen und Sequenzdaten vorsortiert und alles, was darin einigermaßen nach Primat aussah, näher unter die Lupe genommen. Je nach Probe stammten 95 – 99 Prozent des Genmaterials von Mikroorganismen, die das Gebein nach dem Ableben des Neanderthalers besiedelt hatten. Um das Verhältnis für die Amplifikation zu verbessern, mussten die Forscher Enzyme zusetzen, die bakterielle DNA bevorzugt schneiden.
Kontamination
Das eigentliche Problem sind aber nicht die Bakteriengene. Die sind leicht herauszufiltern, ganz im Gegensatz zu einer eventuellen Kontamination mit modernem menschlichem Erbgut. Da unser Genom dem des Neanderthaler so ähnlich ist, ist es unmöglich festzustellen, ob eine Sequenz deswegen mit dem menschlichen Genom identisch ist, weil der Neanderthaler an diesem Punkt die
gleiche Sequenz hat, oder weil eine Hautschuppe der Laborantin ins Probengefäß gefallen ist. Das Problem haben die Forscher zumindest minimiert, indem sie unter identischen Bedingungen zuerst einmal einen Teil des Genoms eines Höhlenbären aus der gleichen Periode sequenziert haben – praktisch die gleiche Aufgabe, mit dem Unterschied, dass man hinterher genau sehen kann, wieviel menschliche DNA bei der Prozedur untergemischt wurde. In den ersten Versuchen waren das 11 – 40 Prozent. Erst nach einer Reihe substanzieller Verbesserungen am Verfahren haben sich die Forscher dann an den Neanderthaler herangetraut.
Spätere Messungen am fertigen Neanderthaler-Genom bestätigen, dass diese Strategie weitgehend erfolgreich war. Drei unabhängige Verfahren, die Kontamination zu bestimmen, lieferten jeweils Werte von unter einem Prozent menschlicher DNA, so dass das Genom tatsächlich als authentisches Neanderthaler-Genom gelten kann.
Und sie haben es doch getan!
Die erste Erkenntnis, die man aus den Erbgutsequenzen ableiten kann, ist die Antwort auf die Frage, ob sich Neanderthaler und moderne Menschen untereinander verpaart haben. Diese Theorie geistert seit 1999 durch die Forschung, als der amerikanische Anthropologe Erik Trinkaus einige "neanderthalische" anatomische Merkmale an fossilen Knochen von Homo sapiens als Zeichen gemischter Abstammung deutete. Seither erhitzen sich an dieser Frage die Gemüter. Die meisten Anthropologen waren mit der Interpretation von Trinkaus nicht einverstanden; sie sehen die anatomischen Gemeinsamkeiten nicht als Beleg für eine Vermischung, sondern erklären sie eher als Resultat gemeinsamer Abstammung.
Die neuen Genomdaten allerdings deuten tatsächlich darauf hin, dass eine Vermischung zwischen Neanderthalern und modernen Menschen stattgefunden hat. Einige menschliche Gene zeigen einerseits hohe Übereinstimmung mit ihren Neanderthaler-Äquivalenten, auf der anderen Seite aber eine extrem hohe Variationsbreite innerhalb der Menschheit selbst – ein deutliches Zeichen dafür, dass die Vielfalt durch Zufluss von außen erhöht wurde. Daraus kann man getrost schließen, dass es erfolgreiche Paarungen über die Artgrenze hinweg gab und die Sprösslinge dieser Romanzen selbst fruchtbar waren[1]. Dass Europäer und Ostasiaten dem Neanderthaler ähnlich nahe zu stehen scheinen – ein weiteres Ergebnis, dass für einen Gentransfer spricht – kann man wohl dahingehend interpretieren, dass der größte Teil des Erbguttransfers sehr früh stattfand.
Denn wenn es zum Zeitpunkt der Vermischung schon getrennte Populationen in Ostasien und Europa gegeben hätte, sollte man auch dort einen Unterschied sehen. In Europa jedenfalls hat der Neanderthaler bis lange nach der Ausbreitung des Menschen nach Osten überlebt, offenbar ohne weiteren Einfluss auf das menschliche Genom zu haben. Möglicherweise sind die Neanderthaler-Populationen schon bald so stark geschrumpft, dass der Genfluss austrocknete, bevor der moderne Mensch ganz Eurasien besiedelt hatte. Aber das ist Spekulation, und es gibt auch andere mögliche Interpretationen.
Keine Spekulation ist allerdings, dass sich Genfluss nur in eine Richtung feststellen lässt, nämlich vom Neanderthaler zum Menschen. Ich überlasse es eurer schmutzigen Phantasie, die entsprechenden Szenarien auszuführen. Insgesamt liegt der Beitrag des Neanderthalers zwischen 1 und 4 Prozent des Genoms von nicht-Afrikanern. Das ist allerdings meines Erachtens zu wenig, um die Trinkaus-Theorie von den weit verbreiteten Neanderthaler-Merkmalen in menschlichen Skeletten zu stützen. Interessant wäre in diesem Zusammenhang natürlich auch eine Analyse vergleichbar alter menschlicher Knochen um zu sehen, ob der genetische Einfluss des Neanderthalers ursprünglich größer war. Vielleicht kommt das ja noch.
Der Neanderthaler - das nach wie vor unbekannte Wesen
Die Autoren befassen sich außerdem mit der ebenfalls umstrittenen Frage, wann sich die Linien von Neanderthalern und Menschen getrennt haben. Sie verwenden dazu wegen der kurzen Zeitspanne nicht die klassische molekulare Uhr, sondern ein Verfahren, dass die enge Verwandtschaft der verglichenen Arten untereinander nutzt und auf einem Vergleich der Verbreitung der Allele verschiedener Gene in allen Arten. Mit diesem Verfahren kommen sie auf einen Zeitraum von 440.000 BP bis 270.000 BP, allerdings glaube ich nicht, dass das in dieser Frage das letzte Wort ist – archäologische Funde lassen auch andere Interpretationen zu, und die Knochensammler haben die unsympathische Angewohnheit, in derlei Streitfragen meistens Recht zu behalten.
Das eigentliche große Rätsel der Neanderthaler allerdings, nämlich wodurch sie sich vom modernen Menschen unterschieden und ob diese Unterschiede zu ihrem Aussterben beitrugen, bleibt vorerst ungelöst. Die Autoren präsentieren einige sehr interessante Ergebnisse, zum Beispiel Regionen des Genoms, in denen sich das menschliche Genom im Vergleich zum Neanderthaler am stärksten verändert hat. Darunter sind auch einige Gene, die beim modernen Menschen mit der Hirnentwicklung zusammenhängen, ich persönlich würde aber davon abraten, aus dieser vorläufigen Auflistung schon Schlüsse zu ziehen.
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[1] Was der unvermeidli... Read more »
Green, R., Krause, J., Briggs, A., Maricic, T., Stenzel, U., Kircher, M., Patterson, N., Li, H., Zhai, W., Fritz, M.... (2010) A Draft Sequence of the Neandertal Genome. Science, 328(5979), 710-722. DOI: 10.1126/science.1188021
by Lars Fischer in Fischblog
Es kommt nicht allzu häufig vor, dass Science einem Chemie-Paper einen eigenen Kommentar widmet. Umso mehr, wenn es sich dabei um klassische Synthesechemie mit unscheinbaren kleinen Molekülen handelt. Was wir in der letzten Ausgabe lesen konnten ist allerdings auch ein echter Durchbruch mit weitreichenden Folgen. Forscher haben ein zentrales Hindernis für eine der bedeutendsten chemischen Reaktionen überhaupt überwunden und der organischen Chemie den Weg zu zigtausenden neuen Synthesen geebnet. Hintergrund ist eine einfache Säure-Base-Reaktion. ... Read more »
Kennedy, A., Klett, J., Mulvey, R., & Wright, D. (2009) Synergic Sedation of Sensitive Anions: Alkali-Mediated Zincation of Cyclic Ethers and Ethene. Science, 326(5953), 706-708. doi/10.1126/science.1178165
by Lars Fischer in Fischblog
Züricher Forscher haben erstmals die Struktur des Moleküls Pentacen direkt abgebildet. Das sagt sich so einfach, dabei ist nicht einmal so ohne weiteres klar, was man darunter zu verstehen hat. Je nachdem was man misst, zeigt ein Molekül eine andere Gestalt. Das Bild, das die Schweizer Wissenschaftler erzeugt haben, deswegen so besonders, weil es uns vertraut vorkommt. Es zeigt das Molekül Pentacen, wie wir es aus der klassischen Darstellung chemischer Strukturen kennen. Das ist keineswegs selbstverständlich, denn für die meisten direkten Messmethoden präsentiert sich das Molekül vollkommen anders.... Read more »
Gross, L., Mohn, F., Moll, N., Liljeroth, P., & Meyer, G. (2009) The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy. Science, 325(5944), 1110-1114. doi/10.1126/science.1176210
by Lars Fischer in Fischblog
Mitte der 90er Jahre weckte eine neue Methode zur Messung der Genaktivität die Hoffnung, Tumore mit Hilfe ihres Expressionsprofils zu charakterisieren und gezielt zu behandeln. Doch diverse Probleme verhindern nach wie vor, dass die Technik in der Praxis zum Einsatz kommt. Inzwischen wachsen Zweifel daran, dass sie es jemals in die Klinik schafft
Eines der großen Probleme bei der Behandlung von Krebs ist, dass die Krankheit so variabel ist. Tumore können aus den unterschiedlichsten Ursachen entstehen, und kleine molekularbiologische Unterschiede können große Auswirkungen auf den Krankheitsverlauf haben. Ob zum Beispiel ein Tumor mit hoher oder niedriger Wahrscheinlichkeit Metastasen bildet, hängt unter anderem davon ab, welche Gene besonders aktiv sind. Und das misst ein Expressions-Array.
Ein Expressions-Array ist im Grunde eine Platte vielen kleinen Schälchen, an deren Boden kurze einzelsträngige Erbgutstückchen befestigt sind. Sie fangen aus der Probelösung die zu ihnen passenden, fluoreszenzmarkierten DNA-Stränge ein, die zuvor mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase aus mRNA-Strängen gewonnen wurde. Die mRNa wiederum ist das Ausgangsprodukt der Proteinsynthese: Je mehr von ihr vorhanden ist, desto aktiver ist das Gen. Und desto stärker leuchtet das Schälchen mit der dazu passenden Sonde.
Das Prinzip erscheint fast verlockend einfach, und die nötige Technik ist ebenfalls seit Jahren kommerziell erhältlich. Trotzdem sieht es so aus als würde der Stern dieser Technologie bereits wieder sinken, bevor sie es auch nur in den Klinikalltag geschafft hat. Die Expressions-Arrays sind den hohen Erwartungen nie gerecht geworden.
Warum das so ist, damit hat sich gerade Serge Koscielny in einem Paper in Science Translational Medicine beschäftigt. Er zieht als Beispiel den Brustkrebs heran, um die zentralen Probleme der Methode erläutert. Zum Beispiel hat man anhand von Expressionsanalysen Mammatumore in vier Hauptklassen unterteilt, deren Unterscheidung man an der Expression mehrerer (Stand der Dinge scheint wohl 37 zu sein) verschiedener Gene festmacht. In der Klinik werden diese Arrays aber nicht genutzt.
Stattdessen verwenden Ärzte immunologische und histologische Verfahren zur Klassifizierung von Tumoren. Der Grund dafür ist, dass die Expressionsanalysen den Medizinern in diesem Fall nur mitteilten, was sie auf anderem Weg schon längst wussten und auch ohne die neuen, aufwendigen Verfahren herausfinden können.
Noch vielversprechender war ein zweites Verfahren, das die Expression von 70 Genen mit der Rückfallhäufigkeit und der langfristigen Prognose korrelierte. Das Verfahren funktionierte auch sehr gut bei der Vorhersage schlechter Tumorprognosen, in späteren Untersuchungen erwies sich die Vorhersage aber als zu wenig spezifisch, ein Problem, dass die ersten klinischen Tests schlicht übersehen hatten. Dieses Problem sieht Koscielny als zentrale Hürde bei nahezu allen Expressionsmarkern: Die Literatur ist voll mit Expressionsprofilen, die angeblich Aussagekraft haben, jedoch ist nur ein winziger Teil davon ordentlich geprüft. Und damit ist der größte Teil dieser Daten schlicht unbrauchbar.
Diese Schwierigkeit berührt ein generelles Problem medizinischer Forschung. Grundlagenforschung, also die Identifizierung solcher Marker, ist vergleichsweise kostengünstig, während die klinische Validierung enorm viel Geld kostet. Diese Übertragung grundlegender Erkenntnisse in die Praxis ist deswegen fast nur mit Hilfe der Industrie möglich und geschieht dementsprechend nur da, wo rasche Anwendung und eine große Patientenbasis winken. Damit stecken nicht nur aussichtsreiche Marker in einer frühen Phase der Entwicklung fest, sie verschwinden zusätzlich noch in einer immer größer werdenden Zahl schlecht belegter Korrelationen.
Unter Druck gerät die Methode allerdings auch von anderer Seite: Moderne Sequenzierungstechniken ermöglichen direkte DNA-Analysen in immer kürzerer Zeit für immer weniger Geld. Mutationen und andere genetische Veränderungen sind wahrscheinlich für die Pathogenese und den medikamentösen Ansatzpunkt wesentlich bedeutsamer als Expressionsdaten. Sagt Martin Fenner, der nicht nur Blogger im Nature Network, sondern auch Onkologe in Hannover ist.
Darauf deuten inzwischen eine ganze Reihe Untersuchungen, und dementsprechend bezeichnen einige Blogger die neueste Sequenzierungsmaschine von Illumina schon als den Array-Killer. Dem Börsenkurs von Array-Hersteller Affymetrix hat dieser Launch jedenfalls nicht allzu gut getan. Angeblich kostet die Sequenzierung im Idealfall pro Base nur noch ein Achtel dessen, was man bei den Vorgängern abdrücken musste, und in der Technik steckt noch Potential.
Damit bleibt den Arrays nur die Nische. In der Forschung werden sie auch weiterhin Verwendung finden, und bei einigen Krebsarten ergänzen sie die klassischen Methoden, so dass sie in speziellen klinischen Anwendungen ihren Platz haben. Aber die Krebsdiagnostik auf breiter Front revolutionieren, wie es den Pionieren der Technik vorschwebte, werden die Genexpressions-Arrays nicht mehr.
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Koscielny, S. (2010). Why Most Gene Expression Signatures of Tumors Have Not Been Useful in the Clinic Science Translational Medicine, 2 (14), 14-14 DOI: 10.1126/scitranslmed.3000313
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Koscielny, S. (2010) Why Most Gene Expression Signatures of Tumors Have Not Been Useful in the Clinic. Science Translational Medicine, 2(14), 14-14. doi/10.1126/scitranslmed.3000313
by Lars Fischer in Fischblog
Wanderdünen gibt es auch auf dem Mars, wie Aufnahmen von Raumsonden wie dem Mars Express oder Mars Global Surveyor (MGS) zeigen. Neben typischen Dünenformen wie Barchanen oder Sterndünen findet man auf unserem Nachbarplaneten auch sehr fremdartige Formen, die auf der Erde nicht vorkommen. Doch so exotisch sie aussehen mögen, auch die Dünen auf dem Mars gehen auf die Wirkung des Windes zurück - die Bedingungen dafür sind dort allerdings völlig anders. Der Gasdruck dort beträgt weniger als ein Prozent des irdischen Atmosphärendrucks, und deswegen sind wesentlich stärkere Winde nötig, um die Sandkörner zu bewegen.... Read more »
Parteli EJ, & Herrmann HJ. (2007) Dune formation on the present Mars. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, 76(4 Pt 1), 41307. PMID: 17994981
by Lars Fischer in Fischblog
In den letzten Tagen wurde wieder einmal ein Zusammenhang bemüht, der schon seit ein paar Jahren ziemlich regelmäßig in der Tagespresse herumgereicht wird. "Das Getränk aus Hopfen und Malz verbessert die Knochendichte" schreibt der Focus, und die Welt titelt ebenso prosaisch wie zutreffend: "Bier tut gut". Den Knochen natürlich.
Der Anlass – die US-Forscher Bamforth und Casey haben untersucht, wie der Siliziumgehalt im Bier von der Sorte und den Braubedingungen abhängt – gibt derartige Schlagzeilen zwar eigentlich nicht her, das Thema Bier und Knochen allerdings beschäftigt Forscher schon seit Jahren. Diverse seiner Inhaltsstoffe stehen im Verdacht, Auswirkungen auf die Knochen zu haben, in letzter Zeit konzentriert sich die Forschung allerdings auf das Spurenelement Silizium.
Seit den 70er Jahren weiß man aus Tierversuchen, dass künstlich herbeigeführter Siliziummangel sich negativ auf die Skelettentwicklung auswirkt. Dabei wird Silizium nicht in die Knochen selbst eingebaut, sondern scheint eine Rolle in vorgelagerten Signalwegen zu spielen. Eine Interpretation der Befunde ist, dass gelöste Kieselsäure Sauerstoffradikale stabilisiert, die ihrerseits als Signalstoffe für Knochen- und Knorpelbildung wirken.
Patientenstudien zeigen deutlich, dass Silizium speziell die Symptome von Osteoporose lindern kann und möglicherweise dauerhaft vorbeugend wirkt. Der Zusammenhang zwischen Knochendichte und Silizium ist jedenfalls gut genug belegt, um sich für Lebensmittel zu interessieren, die reich an dem Element sind: Osteoporose ist eine der Krankheiten, die aus demographischen Gründen in Zukunft zu einem immer größeren Problem werden: Etwa ein Drittel aller Frauen bekommen sie nach der Menopause.
Leider, und damit sind wir bei der Crux der Sache, ist Silizium in der menschlichen Ernährung nur in relativ geringen Mengen vertreten, obwohl es zu den häufigsten Elementen der Erdkruste gehört. Viele Pflanzen lagern zwar Silikat ein, um Stängel und Kapseln zu stabilisieren, doch auch in dieser Form ist es in Wasser unlöslich. Aufnehmen können Mensch und Tier das Silizium nur als lösliche Orthokieselsäure, von der auch siliziumreiche Pflanzen eben nur sehr geringe Mengen enthalten.
Ursprünglich gingen Forscher daher davon aus, dass feste Nahrung praktisch nicht zur Gesamtaufnahme an Silizium beitrage. Das stimmt nicht: Im Magen-Darm-Trakt wird ein Teil des unlöslichen Siliziums in Pflanzenmaterial mobilisiert, allerdings kommt dabei nicht allzu viel rum. In Bananen, die mit etwa 5 mg Si/100g sehr siliziumreich sind, ist nur fünf Prozent der Gesamtmenge bioverfügbar.
Bier dagegen enthält, wie wir dem Bamforth-Paper entnehmen können, im Mittel etwa nur halb so viel Silicium wie Bananen, davon ist jedoch ein wesentlich größerer Anteil für den Organismus zugänglich: Bier ist flüssig, deswegen kann es nur lösliche Orthokieselsäure enthalten. Das Getränk steht deswegen schon seit geraumer Zeit in Verdacht, einen beträchtlichen Anteil des Siliziums in der Ernährung zu stellen.
Ernährungsstudien haben dann auch gezeigt, dass dank der löslichen Orthokieselsäure schon recht geringe Mengen Bier einen erheblichen Unterschied machen können: In der Framingham-Offspring-Studie war Bier die bedeutendste Siliziumquelle bei Männern – die unter anderem deswegen auch ein Viertel mehr vom Element aufnahmen.
Das Element gelangt aus dem Malz ins Bier. Ich persönlich vermute, dass ein Teil des normalerweise unzugänglichen Siliziums im Getreide während der Keimung zu Kieselsäure hydrolysiert und so löslich gemacht wird. Der Siliziumgehalt hängt jedenfalls von Ausgangsmaterial und Bedingung der Mälzung ab sowie vom Malzanteil. Süße, stärker gehopfte Biere enthalten mehr Silizium, Weizenbier dagegen ziemlich wenig, weil Weizen kaum Silizium enthält. Die Braubedingungen spielen ebenfalls eine gewisse Rolle: Je stärker die Maische gerührt wird, desto mehr Kieselsäure löst sich. Alkoholfreie Biere fanden sich in der Studie konsistent am unteren Ende der Skala wieder.
Von der praktischen Relevanz all dieser Erkenntnisse bin ich allerdings nicht so recht überzeugt. Die durchschnittliche Tagesdosis Silizium liegt irgendwo im Bereich von 20 bis 50 Milligramm, was etwa ein bis zwei Litern Bier entspricht. Es gibt natürlich noch keine Zahlen für eventuelle therapeutische Dosen, aber ich würde auf der Basis der vorliegenden Daten schätzen, dass man für den gewünschten Effekt schon mindestens zwei, drei Halbe pro Tag killen sollte, und das dauerhaft. Nichts gegen ein entspanntes Feierabendbier, aber das scheint mir doch ein bisschen viel des Guten zu sein.-
Casey, T., & Bamforth, C. (2010). Silicon in beer and brewing Journal of the Science of Food and Agriculture DOI: 10.1002/jsfa.3884
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Casey, T., & Bamforth, C. (2010) Silicon in beer and brewing. Journal of the Science of Food and Agriculture. DOI: 10.1002/jsfa.3884
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