Suchergebnisse

Fortsetzung von „Wie die Welt im Kopf entsteht (Teil 2)   Auf der Suche nach dem Geist Carl von Linné , der große schwedische Naturforscher und Zeitgenosse La Mettries , war der Erste, der den Menschen aus taxonomischer Sicht klassifizierte und ihn der Ordnung der Primaten   zuwies. Entgegen seiner sonstigen Angewohnheit lieferte Linné für seine eigene Spezies keine weitere zoologische Beschreibung, sondern beschränkte sich auf den Satz: „Erkenne dich selbst“. Wahrnehmung, Aufmerksamkeit , Erinnern , Denken   und intelligente Problemlösung finden sich auch bei zahlreichen anderen Tierarten. Insbesondere Termiten, Bienen, Rabenvögel, Wale, Wölfe und Schimpansen tun sich hier hervor. Schimpansen, Orang-Utans und Rabenvögel können sich zudem im Spiegel selbst erkennen und zeigen damit zumindest Ansätze von Bewusstsein . Bereits Charles Darwin  war überzeugt, dass die Unterschiede zwischen Tier und Mensch beim Denken, nur gradueller Natur sind. Tatsächlich hat der Mensch bei näherer Betrachtung kaum ein echtes Alleinstellungsmerkmal: Der Gebrauch von Werkzeugen, planvolles Handeln, die Vermittlung von Traditionen, eine differenzierte Kommunikation   durch Gebärden und Laute, Trauer um verstorbene Gruppenmitglieder, das Erfassen von Mengen oder Arbeitsteilung sind Befähigungen, die sich auch im Tierreich finden. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass der Mensch all diese Fähigkeiten deutlich besser beherrscht als alle anderen Tiere. Die Ursache hierfür ist sein stark entwickeltes Bewusstsein, jene von Linné beschriebene Fähigkeit zu Selbsterkenntnis und Selbstreflexion. Sie hat es dem Menschen ermöglicht, in wenigen 100.000 Jahren eine Entwicklung zu durchlaufen, die ihn vom Aasfresser zum Astronauten werden ließ.   Schuf ein tektonisches Ereignis unser Bewusstsein? Der menschliche Geist ist nicht vom Himmel gefallen. Er hat seinen Ursprung wahrscheinlich in dem ostafrikanischen Grabenbruch, der vor einigen Millionen Jahren die dortige Affenpopulation spaltete. Vielleicht wäre Bewusstsein ohne dieses tektonische Ereignis bis heute nicht entstanden. Wie sich die Entwicklung genau vollzog, liegt im Dunkel der Naturgeschichte. Ein nackter Affe aus Afrika hat vom Baum der Erkenntnis gegessen und sich dadurch aus einem Leben im ewigen Hier und Jetzt befreit – oder, wenn man so will, sich dazu verdammt, nicht mehr im ewigen Hier und Jetzt leben zu dürfen. Zu der unintelligenten, zufälligen und nur im Rhythmus von Generationen voranschreitenden biologischen Evolution  gesellte sich damit eine kulturelle Evolution . Sie ermöglichte es, Mengen an nützlicher Information zu erzeugen, die die der DNS-Mutationen um einen vielhundert millionenfachen Faktor übersteigen. Bewusstes   Denken erlaubt es uns, zu abstrahieren, flexibel auf verschiedene Situationen zu reagieren, Chancen zu ergreifen, widersprüchliche Informationen aufzulösen, Vergangenes und Zukünftiges in unsere Überlegungen mit einzubeziehen, Ausgänge von Entscheidungen zu simulieren, Dinge zu priorisieren, Ähnlichkeiten und Unterschiede festzustellen, Begriffe zu erfinden, neue Ideen in die Welt zu setzen, Erkenntnisse mittels Sprache   und Schrift  mit anderen zu teilen, Überzeugungen zu entwickeln und Ziele trotz Hindernissen zu erreichen. Zudem können wir Realitäten jenseits der für uns fassbaren Wirklichkeit in unser Handeln einbeziehen: Wir können Wahrscheinlichkeiten oder die Eigenschaften vierdimensionaler Räume berechnen und damit die Naturgesetze   in unseren Dienst zwingen; genauso können wir Religionen, Mythen, Kunst, Literatur und Musik erschaffen, Ausdrucksformen menschlicher Kultur, die – zumindest auf den ersten Blick – keinen erkennbaren Nutzen haben.   Ein soziales Gehirn Der menschliche Geist ist dem anderer Tiere insbesondere deshalb überlegen, weil er sich nicht nur der eigenen Existenz, sondern auch der Existenz anderer bewusst ist. Homo sapiens verfügt über ein außerordentlich soziales Gehirn .   Es befähigt ihn, seine kognitive Begabung nicht nur in Konkurrenzsituationen zu nutzen, sondern auch, um mit anderen Artgenossen zu kooperieren. Das geht so weit, dass manchmal tausende oder gar Millionen Menschen an einem gemeinsamen Ziel arbeiten. Das menschliche Gehirn ist fähig, sich in andere Menschen hineinzuversetzen, deren verdeckte Motive, Gefühle, Absichten und Erwartungen zu erkennen und zu verstehen, wie ihr Handeln auf uns zurückwirkt. Mit diesem Verständnis lässt sich eine gemeinsame Jagd organisieren, Solidarität üben oder eine Intrige schmieden. Menschen mit sozialen Gehirnen pflegen ihre Kranken, bestatten ihre Toten, führen Kriege oder kontrollieren ihre Gruppenkonflikte mit Kulturtechniken wie Tanz und Musik.   Wir wissen nicht, wie Bewusstsein entsteht So, wie ein Verbund toter Atome gemeinsam „leben“ kann , können unbewusste Neuronen   gemeinsam etwas „erleben“. Doch wie entsteht diese einzigartige Fähigkeit? Grundlage des Bewusstseins sind, wie erwähnt, Nervenzellen in den evolutionär jüngsten Schichten des Gehirns, die mit anderen Neuronen der Großhirnrinde   verknüpft sind. Während tiefere Ebenen des Gehirns darüber Protokoll führen, was draußen in der Welt geschieht, beschäftigt sich die oberste Ebene des Kortex mit den Vorgängen im Gehirn selbst. Descartes hatte vermutet, dass das Bewusstsein an einem bestimmten Ort wohnt, an dem alle Fäden zusammenlaufen, eine Schaltstelle, von der aus es mit dem Körper kommuniziert. Diese Vorstellung hielt sich bis weit ins 20. Jahrhundert. Heute wissen wir, dass sie falsch ist. Die Prozesse, die unseren Geist erzeugen, sind in einem außerordentlich arbeitsteiligen und dezentralen System organisiert. Ein System, das durch plastische Lernprozesse seine funktionelle Architektur laufend ändert und dabei trotzdem stabil bleibt. Seine Selbstreglungsmechanismen erhalten und koordinieren es, ohne dass eine zentrale Steuerungsinstanz nötig wäre. Vermutlich beruhen bewusste Wahrnehmungen und Gedanken auf einer kurzzeitigen Synchronisation verschiedener, weit über die Großhirnrinde verteilter Areale . Die zerstreute Natur dieser Repräsentationen macht die Erforschung des Bewusstseins außerordentlich schwierig. Bewusstsein scheint ein „metastabiler Zustand eines massiv distributiv organisierten Systems mit nicht-stationärer, nicht-linearer Dynamik“ zu sein, der sich bis heute jeder Beschreibbarkeit entzieht. [iv]  Wir haben, kurz gesagt, nicht die geringste Vorstellung davon, wie aus Aktivitäten des Gehirns bewusstes Erleben entsteht. Sollte es eines Tages ein Modell geben, das diese Zustände und Prozesse zu beschreiben vermag, wäre dieses Modell außerordentlich komplex. Bis dahin gilt, dass menschliches Bewusstsein nicht messbar ist; wir gehen zwar davon aus, dass es eine materielle Grundlage hat, können es aber mit physikalisch-mathematischen Mitteln nicht beschreiben. [v]  Wahrscheinlich kann es ein solches Modell auch gar nicht geben: Wir können über das Gehirn nur das in Erfahrung bringen, was uns das Gehirn zu wissen erlaubt. Mit ihm lässt sich zwar auf niedrigere Bewusstseinsebenen herabschauen, doch wir verfügen über keine höhere Instanz, von der aus sich unser eigener Entwicklungsstand vollständig betrachten ließe. [vi]  Sowenig, wie die Mathematik   mit ihren Mitteln ihre eigene Widerspruchsfreiheit zu beweisen vermag, vermag auch das Gehirn nicht, sich in seiner Gesamtheit selbst zu analysieren.   Sigmund Freuds Instanzenmodell Wir wissen, dass es uns gibt und dass wir in eine Umwelt eingebettet sind. Doch es fällt uns schwer, die Instanz zu benennen, die all dies spürt. Das menschliche Gehirn erschafft eine Empfindung, die wir als „Ich“ wahrnehmen, etwas, dem wir so unterschiedliche Dinge wie unseren Körper, unsere Gedanken, unsere verschiedenen Identitäten oder unseren Selbstwert zuordnen. Die Frage nach dem Wesen der empfindenden und handelnden Instanz markiert den Übergang von der Neurobiologie   zur Psychologie . Ein Meilenstein auf ihrem Weg zur einer eigenständigen Wissenschaft war um 1900 die Entdeckung des Unbewussten durch den Wiener Neurologen und Begründer der Psychoanalyse  Sigmund Freud (1856-1939). [vii]   In Freuds grundlegendem 1923 veröffentlichten „ Strukturmodell der Psyche “ formen drei Instanzen, das „ Es “, das „ Ich “ und das „ Über-Ich “ die menschliche Seele . Das „Es“ sind die vollkommen unbewussten triebhaften Bedürfnisse, wie der Nahrungs- und der Sexualtrieb. Das mehrheitlich unbewusste „Über-Ich“ sind jene, vor allem durch Erziehung vermittelte Instanzen, die unsere Überzeugungen, Moralvorstellungen, sozialen Normen und unser Gewissen in Form von Geboten und Verboten repräsentieren. Das „Ich“ schließlich ist unser „ Selbstbewusstsein “, jener Teil von uns, der versucht, die Konflikte zwischen „Es“ und „Über-Ich“ aufzulösen, indem es den kritischen Verstand Selbstkontrolle üben lässt. Doch auch das „Ich“ verfügt noch über wesentliche unbewusste Anteile. Freud lenkte damit erstmals unsere Aufmerksamkeit auf unser Innenleben und stellte unsere vermeintliche Entscheidungsfreiheit infrage. Sein Seelenmodell zeigt, dass sich unsere Persönlichkeit aus verschiedenen bewussten und unbewussten Instanzen zusammensetzt. Er hat damit, wie er es selbst einmal formulierte, dem „Ich“ nachgewiesen, „dass es nicht einmal Herr ist im eigenen Hause, sondern auf kärgliche Nachrichten angewiesen bleibt von dem, was unbewusst in seinem Seelenleben vorgeht“. [viii]  Die Erkenntnis, dass wir wohl stärker durch Triebe und erlernte Normen als durch unseren freien Willen  gesteuert werden, war nach Kopernikus   und Darwin der dritte große Akt der Vertreibung des Menschen aus der Mitte des Universums.   Den Blog entdecken    Wer mehr wissen will: Freud, Sigmund (1916/17): „Vorlesungen zur Einführung in die Psychoanalyse“ Projekt Gutenberg-DE. Ditfurth, Hoimar von (1976): „Der Geist fiel nicht vom Himmel“, Hoffmann und Campe. Roth, Gerhard, Strüber, Nicole (2018) „Wie das Gehirn die Seele macht“, Klett-Cotta Singer, Wolf (2004): „Neuere Erkenntnisse der Hirnforschung“, Vortrag, Heidelberg. Pinker, Steven (2012): “Wie das Denken im Kopf entsteht”, Fischer. Tomasello, Michael (2014): „Eine Naturgeschichte des menschlichen Denkens“, Suhrkamp. Kandel, Eric (2014): „Das Zeitalter der Erkenntnis“, Pantheon. Hawking, Stephen (2016): „Das Universum in der Nussschale“, dtv Hofstadter, Douglas (2018) „Gödel, Escher, Bach“, Klett-Cotta.   Bildnachweise  Freuds Instanzenmodell Anmerkungen: [i]  Vgl. Hawking (2016) S. 213.  [ii]  Vgl. Hofstadter (2016) S.29. [iii]  Zu diesem letzten Aspekt siehe Tomasello (2014) S.186. [iv]  Singer (2004). [v] Vgl. Pinker (2012) S. 82 ff. [vi] Vgl. Ditfurth (1976) S.18. [vii] Vgl. Kandel (2014) S. 73 ff. [viii] Freud (1916/17) 18. Vorlesung.

Fortsetzung von: „Die Entstehung des Lebens“   Die kambrische Explosion der Arten In diese Idylle   platzt Knall auf Fall die kambrische Explosion . In einem Zeitraum von nur wenigen Millionen Jahren – nach erdgeschichtlichen Maßstäben also fast über Nacht – entstehen die Stämme nahezu aller heute lebenden Tierarten. Es scheint, dass das Leben , nachdem es sich drei Milliarden Jahre lang Zeit gelassen hatte, es nun auf einmal eilig hat. Tatsächlich aber wäre der plötzliche Aufbruch ohne die über Äonen währende gründliche Vorbereitung nicht möglich gewesen. Unablässig hatte das Leben zunächst an stabilen biochemischen Zyklen , dann an einer effizienten Energieversorgung   und schließlich an arbeitsteiligen Gewebestrukturen   gefeilt. All dies waren zwingende Voraussetzungen, für die nun beginnende atemberaubende Beschleunigung.   Das erste Wettrüsten Ein hoher Sauerstoff - und Mineralgehalt im Wasser begünstigt die Entwicklung der ersten schnellen und mit einem primitiven Sehvermögen ausgestatteten Raubtiere . Als sie die Bühne der Evolution   betreten, ist es mit der Gemütlichkeit vorbei: Alle orientierungs- und schutzlosen Tiere sind für die Jäger nun eine leichte Beute. Der evolutionäre Stress im Wasser nimmt rasant zu. Doch Not macht erfinderisch. Die in die Defensive gekommenen Arten reagieren mit Gehäusen, Panzern, verbesserten Sinnesorganen und zwingen die Prädatoren ihrerseits nachzuziehen; es kommt zu einem regelrechten Wettrüsten zwischen Jägern und Gejagten. Kalkdepots, die ursprünglich dazu dienten, das Zellgift Kalzium zu neutralisieren und verhärtete Eiweißstrukturen liefern die Materialien für zwei grundlegend neue Bauprinzipien: Innen- und Außenskelette verleihen den bislang amorphen Tieren Schutz und Stabilität. Vor 530 Millionen Jahren bevölkern die frühen Vertreter der beiden neuen Stämme die Urmeere: Wirbeltiere mit einer zunächst noch knorpeligen inneren Kalzium-Stützstruktur, und Gliederfüßer mit ihren außen getragenen Chitinpanzern. [i]   Bei beiden Stämmen sammeln sich an dem in Bewegungsrichtung weisenden Körperende lichtempfindlichen Nervenzellen , einfache Sensoren, aus denen sich die Augen entwickeln werden. Die Verarbeitung der Lichtimpulse lässt den benachbarten Nervenknoten nach und nach wachsen. Aus einer Verlängerung der Wirbelsäule entwickelt sich mit der Zeit bei den Wirbeltieren ein Schädelknochen, der das immer wichtiger werdende Nervenzentrum schützt. Schlüsselereignis Bedeutung Vor … Jahren Urknall Entstehung von Zeit, Raum und Materie 13,8 Mrd. Erste Atome Stabile Systeme aus Elementarteilchen und Grundkräften 13,7996 Mrd. Sterne Licht, Elemente schwerer als Helium, Galaxien 13,6 Mrd. Unser Sonnensystem Entstehung von Planeten und Monden 4,6 Mrd. Chemische Evolution Komplexe organische Moleküle auf der Erde 4,0 Mrd. Leben Beginn der biologischen Evolution 3,8 Mrd. Photosynthese Speicherung von Sonnenlicht; Lösung der ersten Energiekrise 2,8 Mrd. Sauerstoffatmung Effiziente Energiegewinnung durch vollständigen Zuckerabbau 2,0 Mrd. Eukaryoten Zellen mit getrennten Reaktionsräumen 1,8 Mrd. Vielzeller Arbeitsteilige Zellkolonien, Tod als Zwangsläufigkeit 1,5 Mrd. Sex Erhöhung der Variabilität, sexuelle Auslese 1,2 Mrd. Nervennetze Koordination komplexer Organismen 650 Mio. Wirbeltiere Innenskelett als überlegenes Bauprinzip 530 Mio. Landgang des Lebens Umgang des Lebens mit Gravitation und Trockenheit 480 Mio. Warmblütigkeit Umweltunabhängige Reaktionsbedingungen 200 Mio. Gattung Mensch Säugetiere mit Bewusstsein, Sprache und Kultur 2,3 Mio.   Landgang Vor etwa 480 Millionen Jahren kommt es zum nächsten Entwicklungssprung: Nach Tausenden von Millionen Jahren verlässt das Leben erstmals sein angestammtes Element. Die Pioniere, die den ersten Landgang wagen, sind unscheinbare Pflanzen, aus Grünalgen hervorgegangene Urahnen der heutigen Moose. An Land finden sie gute Bedingungen: Wasser, intensives Sonnenlicht und große Mengen des wichtigsten Baustoffs Kohlendioxid, der sich leicht der Luft entnehmen lässt. Die rasche Vermehrung der Landpflanzen verringert den Anteil des CO2-Treibhausgases in der Atmosphäre; erneut kommt es zu einer drastischen Abkühlung; einmal mehr fallen zahllose Arten dieser neuen Klimakatastrophe zum Opfer. In den folgenden Jahrmillionen breitet sich das Leben  entlang der Flüsse und Seen aus; Moose und Farne entstehen. Vor 400 Millionen Jahren – ein Erdentag dauert bereits fast 22 Stunden – erscheinen im Meer die ersten Knochenfische , die über ein viel härteres Innenskelett verfügen. Schon bald darauf macht eine Unterklasse der Knochenfische eine revolutionäre Erfindung: die Lunge , ein neuartiges Organ, das es seinen Besitzern erstmals ermöglicht, den stark konzentrierten Sauerstoff oberhalb der Meeresoberfläche zu atmen. Vor etwa 370 Millionen Jahren entsteht in den flachen, schlammigen Uferzonen der Urmeere aus den Lungenfischen  eine neue Wirbeltierklasse, die Amphibien . Um sich fortpflanzen zu können, sind sie noch immer auf das Wasser angewiesen, doch ansonsten ist nun das trockene Land ihr Element. Dort krabbelt und wimmelt es bereits. Die wirbellosen Vorfahren unserer heutigen Spinnen und Insekten hatten den Landgang bereits vor den Amphibien gewagt. Nun bieten sie diesen eine praktische Nahrungsquelle. Weitaus schwieriger als die Ernährungsfrage ist für die ersten Landwirbeltiere der Umgang mit der Schwerkraft. Das Auftriebsprinzip wirkt an der Luft kaum, sie müssen nun ein Vielfaches ihres bisherigen Gewichts tragen. Der hohe Sauerstoffgehalt der Luft erweist sich bei dieser Kraftanstrengung als hilfreich. Unter dem gravitativen Zwang entwickeln sich aus den unterseitigen Flossen vier kräftige Extremitäten. Das auf je zwei Vorder- und Hinterbeinen basierende tetrapodische Konstruktionsprinzip wird zum gemeinsamen Merkmal aller künftigen Landwirbeltiere. Reptilien Während der folgenden 60 Millionen Jahre verschwinden weite Teile der Erdoberfläche unter ausgedehnten Wäldern aus baumartigen Farnen. In der Karbonzeit  entstehen durch Sauerstoffabschluss die Steinkohleflöze, die einst die Industrielle Revolution des 19. Jahrhunderts  befeuern werden. Unterdessen haben sich die Amphibien aufgemacht, das Binnenland zu erobern. Eine schwierige Mission, denn das Leben bleibt nach wie vor auf Wasser angewiesen. Um den Organismus vor Austrocknung zu schützen, bilden sich nach und nach dicke Hautschichten aus. Ein Harnsystem   entwickelt sich, das den internen Wasserverbrauch minimiert. Auch die nächtliche Kälte an Land ist ein Problem, denn die Stoffwechselreaktionen   müssen auch bei schwankenden Temperaturen stets aufrechterhalten werden. Die Lösung besteht in einer Anpassung an die Umgebungstemperatur, eine Fähigkeit, die die ersten Landbewohner im Ansatz bereits aus dem Meer mitgebracht haben. Mit Sonnenuntergang verfallen die Amphibien in eine energiesparende Kältestarre, die das Aktivitätsniveau sämtlicher Lebensfunktionen auf das Äußerste reduziert – unser nächtliches Schlafbedürfnis ist ein evolutionäres Erbe dieser Strategie. In kalten Breitengraden kommt eine mehrere Monate anhaltende Winterstarre hinzu. Mit diesen Fähigkeiten ausgestattet, beginnen die Landwirbeltiere vor 300 Millionen Jahren selbst in eisige Klimazonen vorzudringen. Tektonik Die veränderten Auswahlmechanismen außerhalb des Wassers   lassen nach und nach aus den Amphibien die Reptilien entstehen. Die neue Wirbeltierklasse ist in der Lage, sich an Land fortzupflanzen, indem sie ihre Brut mit Kalkschaleneiern vor Austrocknung schützt. Während die Wirbeltiere ihren Grundbauplan so schrittweise weiterentwickeln, wird sich das Bauprinzip der konkurrierenden Gliederfüßer in den folgenden Jahrmillionen als evolutionäre Sackgasse erweisen: Mechanische Grenzen beim Wachstum des Außenskeletts und Defizite einer nicht auf Lungen, sondern lediglich auf Tracheen basierenden Sauerstoffversorgung beschränken die Möglichkeiten des Tierstamms. Vor 200 Millionen Jahren – zwischenzeitlich hat giftige Vulkanasche 95% aller Tierarten im Meer und zwei Drittel aller Landtierarten ausgerottet – verbindet eine große, zusammenhängende Landmasse namens Pangaea den Nordpol mit dem Südpol. Auf dem Riesenkontinent haben sich innerhalb der Reptilien verschiedene Ordnungen herausgebildet, von denen sich insbesondere die Schildkröten und Krokodile als sehr langlebige Erfolgsmodelle erweisen werden. Sie bleiben jedoch zunächst im Schatten einer anderen Reptiliengruppe, die am Beginn einer fulminanten Karriere steht: die Dinosaurier. Sie erleben in den geologischen Perioden des Jura  und der Kreidezeit  ihre große Blüte. 140 Millionen Jahre lang dominieren Echsen aller Größenordnungen und Erscheinungsformen das tierische Landleben. Ein Sauerstoffanteil in der Atmosphäre von fast 30 % begünstigt die Entstehung gigantischer Arten, bis zu 30 Meter lang, acht Meter hoch und über 70 Tonnen schwer. Die Evolution der Pflanzen Auch die Pflanzen machen bemerkenswerte Fortschritte. Am Übergang vom Jura zur Kreide taucht eine neue Gewächsform auf, die Blütenpflanzen. Sie haben eine innovative Fortpflanzungsstrategie entwickelt, bei der die Samen von Fruchtblättern bedeckt werden. Ihr Erfolg beruht auch auf einer Symbiose  mit Insekten, die mit Düften und Farben angelockt werden und helfen, Selbstbestäubungen zu vermeiden. Dadurch erhöht sich die Variabilität der nächsten Generation, was die Bedecktsamer zu den dominierenden Landpflanzen werden lässt. Die Welt ist bunter, aber einmal mehr auch komplexer geworden. Vögel Bereits während der Hochphase der Echsen entstehen zwei neue, zunächst noch völlig unscheinbare Klassen von Landwirbeltieren. Vor etwa 150 Millionen Jahren, am Ende des Jura, erscheinen die Vögel  auf der ökologischen Bühne. Ihre Ahnen waren kleinwüchsige, räuberische Dinosaurier, die sich allein auf den Hinterbeinen fortbewegten. Federn, zunächst wahrscheinlich nur ein reiner Kälteschutz, befähigen die Vögel mit der Zeit zum Fliegen. Eine noch bedeutsamere Neuerung ist die Entwicklung zweier getrennter Herzkammern. Das Mehr an Energie , das der verbesserte Gasaustausch zur Verfügung stellt, kann nun in eine revolutionäre Technik investiert werden: Die Aufrechterhaltung einer konstanten Körpertemperatur. Die fantastischen Säugetiere Auch die andere junge Wirbeltierklasse, die Säugetiere , hat diese Fähigkeit. Ihre frühesten, nur drei Zentimeter langen, mausähnlichen Vertreter tauchen bereits 45 Millionen Jahre vor den ersten Vögeln auf. Anders als die Vögel behalten die Säugetiere ihre Reptilienzähne. Ein filigranes System aus Trommelfell und Gehörknöchelchen ermöglicht eine differenzierte Aufnahme von Schallwellen, mit denen die Säuger sowohl leisere als auch höhere Töne wahrzunehmen vermögen als ihre Konkurrenten. Das hornartige Protein Keratin, das bei den Vögeln die Federn bildet, wird bei den Säugern zum Baustoff für ein wärmeisolierendes und wasserabweisendes Fell. Ihre wichtigste Innovation aber ist, dass Säugetiere keine Eier mehr legen, sondern lebende Junge gebären, die sie in der frühen Lebensphase mit einem zucker-, fett- und eiweißhaltigen Drüsensekret der Muttertiere ernähren. Ihre Fähigkeit, mittels Mikrovibrationen der Muskelfasern Wärme zu erzeugen und so die eigene Körpertemperatur zu regulieren, erlaubt es Vögeln und Säugern, sich mehr als alle anderen Tiere zuvor, von Umweltbedingungen unabhängig zu machen. Konstante chemische Reaktionsbedingungen erweisen sich als gewichtiger Wettbewerbsvorteil: Gleichwarme Tiere haben ein schnelleres Reaktionsvermögen, können nachts, wenn wechselwarme Tiere in hilflose Kältestarre verfallen, auf Jagd gehen und selbst in den kältesten Klimazonen überleben. Die evolutionäre Neuerung hat allerdings ihren Preis: Das interne Heizungssystem ist auf eine hohe und kontinuierliche Energiezufuhr angewiesen. Das verleiht Vögeln und Säugern etwas Rastloses. Gleichwarme Tiere müssen nun eine Vielzahl komplexer Regelkreise aufrechterhalten: Körpertemperatur, Wasserhaushalt, ein Abwehrsystem gegen invasive Einzeller und Viren. Vor allem aber muss eine Flut von Sinnesseindrücken verarbeitet werden, die aus einer immer undurchsichtiger werdenden Umwelt auf den Organismus einprasseln. Die steigenden Anforderungen an das Informationsverarbeitungssystem haben aus dem winzigen Nervenknoten der frühen Vielzeller ein komplexes Steuerungsorgan werden lassen, in dem die Evolution   eine Vielzahl einfacher, aber bewährter Verhaltensprogramme abgelegt hat. Schon wieder ein Massensterben Die Kreidezeit geht vor rund 70 Millionen Jahren mit einem weiteren Massensterbeereignis zu Ende. Die Riesenechsen, die so lange die Landfauna geprägt hatten, verschwinden wieder von der Erdoberfläche, vielleicht in Folge eines gewaltigen Meteoriteneinschlags im heutigen Mexiko, der eine neue Eiszeit auslöst. Die für Großreptilien tödlichen Veränderungen erweisen sich für die kleinen, agilen, warmblütigen Arten als Glücksfall. Sie kommen mit der Kälte gut zurecht und besetzen nun die ökologischen Nischen, die ihnen die Saurier hinterlassen haben. Vor 55 Millionen Jahren haben die Bruchstücke des mittlerweile zerfallenen Superkontinents Pangaea im Wesentlichen die Positionen der heutigen Erdteile eingenommen. Der indische Subkontinent kollidiert mit der asiatischen Landmasse und beginnt den Himalaya aufzufalten. Südlich davon setzen warme Monsunregen ein, nördlich des Gebirges wird es merklich kühler. Das nordwärts driftende Afrika  erzeugt eine ähnliche Wirkung: Zusammen mit Europa , dem unscheinbaren, zerklüfteten Wurmfortsatz Asiens, beginnt es das Mittelmeer zu umschließen. Durch den afrikanischen Druck auf die Apulische Platte entstehen die Alpen. Der Gebirgszug trennt nun die europäischen Luftmassen und lässt eine wärmere und eine kältere Klimazone entstehen. In den folgenden 40 Millionen Jahren bleibt das Weltklima zumeist kühl. Einige Säugetiere, die Ahnen der heutigen Wale, Delphine und Robben, kehren wieder in das Element ihrer Vorfahren zurück. Vor rund 27 Millionen Jahren, am Ende des Paläogens, bildet sich zwischen Afrika und Eurasien eine Landbrücke, während Nord- und Südamerika , Australien  und die Antarktis in ihrer geographischen Isolation verharren. Insbesondere in Australien und Südamerika entwickelt sich eine eigene Fauna, die von der Entwicklung der Säugetiere auf der Nordhalbkugel abgeschnitten bleibt. Eine fast vertraute Welt Die Welt am Übergang des Paläogens  zum Neogen , vor 23 Millionen Jahren, erscheint uns schon recht vertraut. Ausgedehnte Sumpfwälder legen die Grundlage der heutigen Braunkohlevorkommen. Die von Bedecktsamern geprägte Flora ähnelt im Wesentlichen bereits der heutigen Pflanzenwelt und gerade macht sich die noch junge Ordnung der Gräser daran, außerhalb der Wälder die Landschaften zu erobern. Die Säugetiere haben sich weltweit verbreitet und zu stattlicher Größe entwickelt. Geschmeidige Raubkatzen, stolze Hirsche, flinke Antilopen und gemächliche Rüsseltiere durchstreifen die Wälder und offenen Graslandschaften fast aller Klimazonen. In der äußersten Schicht ihres Großhirns , dem Neokortex , werden zahllose Informationen zusammengeführt und zu einem entwickelten räumlichen Vorstellungsvermögen und differenzierten Sozialverhalten verknüpft. Die tropischen Regenwälder sind in Folge der lang anhaltenden Abkühlung und Trockenheit auf dem Rückzug. Offene Baum- und Graslandschaften breiten sich aus. Während in Europa die Pyrenäen, der Jura und die Karpaten entstehen und sich in Nordafrika das Atlasgebirge auftürmt, kommt es im östlichen Afrika ebenfalls zu einer geologischen Veränderung, deren Folgen sich für den weiteren Verlauf der Erdgeschichte als ungleich grösser erweisen werden: Der Kontinent beginnt, mit der Geschwindigkeit, mit der ein Fingernagel wächst, auseinanderzubrechen. Entlang der Bruchkante entsteht in Nord-Süd-Richtung nach und nach ein langer, tiefer Graben. Vor etwa drei Millionen Jahren stoßen die nord- und südamerikanischen Landmassen zusammen. Für die südamerikanischen Säugetiere ist dieses Ereignis eine Katastrophe: Über die Landbrücke des neu entstandenen Isthmus von Panama dringen räuberische Invasoren aus dem Norden ein, die innerhalb kurzer Zeit die meisten großen Arten auf dem Südkontinent verdrängen. Im weit entfernten Europa bewirkt die amerikanische Kollision eine deutliche Klimaänderung: Der von der afrikanischen Küste kommende Golfstrom , der zuvor weiter in den Pazifik trieb, wird nun in Richtung Nordosten umgelenkt; seine Wassermassen erwärmen nun die westeuropäischen Küsten. Die Kontinente haben ihre heutigen Formen und Positionen angenommen: Der amerikanische Doppelkontinent und Afrika bilden lange Nord-Südachsen, während die gigantische eurasische Landmasse von West nach Ost verläuft. Auf der Südhalbkugel finden sich die beiden kleineren, isolierten Kontinente Australien und die Antarktis. Die Anordnung von Kontinenten, Gebirgen, Gräben, Strömungen und Winden wird einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung der Menschheit haben.   Den Blog entdecken    Bildnachweise:  Pangäa Kambrische Explosion Eiszeit am Ende des Neogen Anmerkungen: [i] Für Nerds: Aus taxonomischer Sicht sind Wirbeltiere ein Unterstamm der Chordatiere, von denen sie allerdings rund 98% aller bekannten Stammesangehörigen repräsentieren. Die beiden Stämme gingen nicht nur beim Skelettdesign, sondern auch beim Sauerstofftransport getrennte Wege. Weich- und Krebstiere entwickelten ein System, das auf dem Element Kupfer beruht und ihr Blut deshalb blau färbt. Wirbeltiere setzten beim Sauerstofftransport hingegen auf das rotfärbende Eisen.

Fortsetzung von „Sugar makes the world go round”   Das Fenster zur Welt Unter den zahlreichen eukaryotischen Zelltypen sind die Neuronen die wohl merkwürdigsten Vertreter. Ohne diese bizarren Gebilde wüssten wir nicht, dass es uns und die Welt gibt. Nervenzellen  lassen uns träumen, Intrigen schmieden, Sonette dichten, ewige Treue schwören, imaginäre Zahlen erfinden, zum Mond fliegen oder an höhere Wesen glauben. Aus ihrem Zusammenspiel entsteht ein komplexes Informationsverarbeitungssystem, das mittels eines permanenten elektrochemischen Gewitters sicherstellt,   dass wir mit uns selbst und der Welt um uns herum zurechtkommen. Pausenlos überprüft es externe und interne Signale hinsichtlich ihrer Bedeutung für das Wohlergehen des Organismus, indem es Änderungen des Energieniveaus der Umgebung und des eigenen Körpers in Empfindungen umwandelt, die wir als Farben, Geräusche, Gerüche, Schmerzen, Hitze, Hunger, Glücksgefühle oder Assoziationen wahrnehmen. Kurz: Neuronen lassen die Welt in unserem Kopf entstehen. Das Konzert, das das Zusammenspiel der Neuronen  veranstaltet, verstehen wir trotz großer Fortschritte in den letzten Jahren erst ansatzweise. Die Neurowissenschaften sind heute das vielleicht bedeutsamste Grenzgebiet naturwissenschaftlicher Forschung. Wir stehen an der Schwelle zum Zeitalter der Materialisierung des Geistes, ein Thema, dem wir in der Blog-Kategorie „Bewusstsein“ nachgehen. werden. An dieser Stelle beschränken wir uns daher zunächst auf eine rein biologisch-mechanische Betrachtung des Nervensystems .              Eine sehr merkwürdige Zelle Der erste, der sich intensiv mit der Anatomie der Neuronen auseinandersetzte, war Camillo Golgi – wir sind ihm bereits begegnet . Seine Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Neurologie sollten 1906 immerhin mit dem Nobelpreis für Medizin belohnt werden. Das ungewöhnliche Erscheinungsbild des Neurons verrät uns bereits einiges über seine Arbeitsweise. Es besteht aus einem Zellkörper, von dem filigrane Verästelungen, die Dendriten , antennenartig verzweigen. An einer Stelle entspringt dem Körper ein besonders langer und kräftiger Strang, das Axon . In manchen Fällen erreicht es die für Zellen unglaubliche Länge von über einem Meter. Das Axon ist im Grunde ein elektrisches Kabel. Wie eine Telefonleitung ist es in der Lage, mittels Ladungsträgern Informationen zu befördern. Bei den besonders dicht verkabelten Wirbeltieren ist das Axon von Schwann-Zellen umgeben. Sie produzieren die lipidhaltige Membran Myelin, die den Strang isoliert und so Kurzschlüsse verhindert. Die Isolierung ist nicht durchgängig, sie wird von kleinen Lücken, den Ranvier-Schnürringen , durchbrochen. An ihren Enden sind die Axone über besondere Schnittstellen, den Synapsen , mit den Dendriten anderer Neuronen verbunden. So entsteht ein Netzwerk von Signalbahnen, bei dem sich Axon-Gruppen zu Nerven und Nervensträngen verdichten, die den ganzen Organismus durchziehen.   Ein Beispiel: Wie reagieren wir auf einen Umweltreiz? Wir können den neuronalen Informationsverarbeitungsprozess beispielhaft anhand des Lidschlussreflexes  nachvollziehen. Dieser simple Schutzmechanismus wird ausgelöst, wenn hochfrequente elektromagnetische Wellen   auf die Netzhaut des Auges treffen. Die Netzhaut  ist ein mit lichtempfindlichen Sensoren bestücktes Empfangsgerät, das mit Stäbchen-Zellen auf den Reiz „hell-dunkel“ und mit Zäpfchen-Zellen auf elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Länge reagiert. Von der Netzhaut wird der Lichtimpuls an das angeschlossene Neuron übertragen. Damit daraus auch ein Nervenimpuls entsteht, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Erstens muss am Eingang des Axons eine elektrische Mindestspannung, die so genannte Reizschwelle überschritten werden. Dieser Filtermechanismus stellt sicher, dass schwache Signale ausgeblendet werden und das System nicht mit irrelevanten Informationen überlasten. Zweitens muss das Axon über ein Spannungsgefälle verfügen, das so genannte Ruhepotential . Zum Aufbau dieses Potentials pumpt die Zelle mithilfe von ATP   positiv geladene Kalium-Ionen durch spezielle Membrankanäle in den extrazellulären Raum, sodass nun die Ladungen innerhalb und außerhalb der Zelle ungleich verteilt sind.  Sind beide Voraussetzungen gegeben, zündet der Nervenimpuls und brennt ein wahres Feuerwerk ab: Durch spezielle Membran-Kanäle strömen positiv geladene Natrium-Ionen in das Axon; die Zelle reagiert wenige Millisekunden später auf diesen Ladungsüberschuss, indem sie durch ihre Kanäle weitere positiv geladene Kalium-Ionen nach außen schleust, bis das Spannungsgefälle abgebaut und das ursprüngliche Ruhepotential wiederhergestellt ist. Das wiederum ist das Signal für den benachbarten Ionen-Kanal, sich zu öffnen, so dass sich der Impuls   wie ein Domino-Effekt in Richtung des Axon-Endes fortpflanzt. [i]  Da bei Wirbeltieren an den isolierten Abschnitten kein Ionent ausch stattfinden kann, springt der Impuls direkt zum nächstgelegenen Ranvier-Schnürring. Mit diesem Trick erreicht die Reizleitung eine Geschwindigkeit von über 400 Stundenkilometern. Am Axon-Ende angekommen, bewirkt der Nervenimpuls, dass – diesmal mithilfe von Calcium-Ionen – chemische Botenstoffe ausgeschüttet werden. Die Neurotransmitter  überbrücken den synaptischen Spalt zwischen dem Axon-Ende und dem Dendriten des Nachbarneurons und veranlassen dieses, seinerseits die Natrium- und Kalium-Schleusen zu öffnen. Damit ist der Reiz auf die nächste Nervenzelle übertragen. Im Falle des Lidschlussreflexes gelangt so der Impuls über eine Breitbandverbindung (den kurzen, kräftigen Sehnerv) von der Netzhaut ins Gehirn.   Wie entsteht die Wirklichkeit? Das Gehirn bildet zusammen mit dem Rückenmark das zentrale Nervensystem. Hier werden die Informationen verarbeitet, die die peripheren Sensoren anliefern. Im Grunde sind diese beiden Verarbeitungsinstanzen nichts anderes als große Nervenknoten, die von Hilfszellen geschützt und stabilisiert werden. Zugleich sind Gehirne aber auch das größte uns bekannte Wunder, das Atome zu vollbringen vermögen, die komplexesten Strukturen, die wir im Universum   kennen. Sie erzeugen das, was wir als Wirklichkeit wahrnehmen (als Wirklichkeit möchte ich hier das bezeichnen, was auf uns wirkt – das ist etwas anderes als die Realität, denn es gibt Dinge, die real sind, aber nicht auf uns wirken.)   Unsere Nerven steuern unsere Bewegungen Um die vergleichsweise einfache Mechanik des Lidschlussreflexes zu verstehen, reicht es jedoch, wenn wir uns zunächst das Gehirn als ein System verschalteter Stromkreis e vorstellen, das wie ein Computer Informationen empfängt, sie verarbeitet und anschließend ein Ergebnis ausgibt: Tief im Hirnstamm kommt ein simpler Algorithmus zu der Einschätzung, dass die Intensität des empfangenen Sonnenlichts die Netzhaut schädigen könnte. Innerhalb von Millisekunden veranlasst das Programm eine Reaktion: Eine vom Gehirn wegführende Nervenbahn beginnt zu feuern und jagt nun ihrerseits Impulse (die Neurologen sprechen von Aktionspotentialen) in Richtung Auge. Dort angekommen, aktivieren die Neuronen Muskelzellen, die am Schädelknochen haften. Die Fasern der Muskelzellen bestehen hauptsächlich aus den Proteinkomplexen Myosin und Aktin . Der eingehende Nervenimpuls veranlasst das Myosin, sich wie eine Häkelnadel in das Aktinmolekül einzuhaken und es unter ATP-Verbrauch zusammenzuziehen. Mit einem weiteren ATP-Schub löst sich das Myosin danach wieder vom Aktin. Durch viele, kurz hintereinander eintreffende Aktionspotentiale summieren sich kurze Zuckungen zu einer dauerhaften Kontraktion aller Muskelfasern. Nach diesem Prinzip wandeln Tiere chemische in kinetische Energie. Damit lassen sich Augenlieder verschließen, Nähnadeln einfädeln oder auch der Körper eines Elefanten in Bewegung versetzen. Muskeln sind Marionetten, die tun, was die Nervenfäden ihnen gebieten.   Hormone koordinieren ebenfalls – aber anders als die Nerven Daneben gibt es noch einen weiteren Mechanismus, mit dem das Nervensystem den Körper koordiniert. Hormone  reisen nicht wie Aktionspotentiale über die schnelle Nervenbahn, sondern über die langsame Blutbahn. So langsam sie sind, so nachhaltig ist ihre Wirkung: Als Botenstoffe sind sie chemisch eng verwandt mit den Neurotransmittern der Axon-Enden oder, wie im Fall von Dopamin und Insulin , sogar mit ihnen identisch. Am Ziel ihrer Reise docken die Nachrichten- Proteine  an speziellen Rezeptoren ihrer Empfängerzellen an. Wie ein Schlüssel, der eine Tür öffnet, lösen die Hormone damit die unterschiedlichsten Prozesse aus: Somatropin steuert das Wachstum, Melatonin den Wach-Schlaf-Rhythmus, Insulin  den Blutzuckerspiegel, Testosteron und Östrogen  die Entwicklung der männlichen und weiblichen Geschlechtsmerkmale. Das elektrochemische Zusammenspiel von Dendriten, Axonen, Synapsen, Muskeln und Hormonen, mit dem sich komplexe Lebewesen koordinieren, ist nicht weniger beeindruckend und verwirrend als die verschlungenen Pfade des Stoffwechsels . Erneut drängt sich die Frage auf, wie einfache Zellen ein derlei kompliziertes Zusammenspiel entwickeln konnten. Der Mensch, der als erster versuchte, diese Frage zu beantworten, hat mit seiner Theorie die Welt mehr erschüttert als irgendein anderer Naturwissenschaftler vor oder nach ihm.   Den Blog entdecken     Anmerkungen: [i]  Im Anschluss tauschen spezielle Pumpen die positiven Natrium- und Kalium-Ionen gegeneinander aus, so dass die ursprüngliche Anordnung der Elemente wiederhergestellt ist.

Fortsetzung von "Der Rhythmus des Universums" Atomare Allianzen Atome  verbinden sich miteinander, um an Stabilität zu gewinnen. Die Natur kennt eine ganze Reihe solcher Allianzen, die unsere makroskopische Welt entstehen lassen. Eine erste Bindungsform haben wir bereits kennengelernt : Bei der Bildung von Salzen schlägt sich ein Elektron aus der Gruppe der Alkalimetalle  auf die Seite der Halogene . Das Elektron wechselt dabei vollständig zu dem anderen Atom , so dass beide dadurch die energetisch optimale Edelgaskonfiguration e rreichen. Verbindungen aus Metallen und Nichtmetallen sind daher ausgesprochen stabil. Der Tausch hat allerdings eine weitreichende Konsequenz: Das Chloratom verfügt nun über einen zusätzlichen negativen Ladungsträger , während umgekehrt Natrium mit einem Elektron weniger vorliebnehmen muss. Beide Atome  sind für sich also nach außen hin nicht mehr elektrisch neutral; die Wanderlust der Elektronen hat aus ihnen Ionen gemacht. [i]  Die elektrostatische Anziehung zwischen den beiden Ionen erklärt den außerordentlich festen Zusammenhalt des Salzkristalls. Bei der Partnerwahl geht um Anziehungsvermögen  Beide Partner bringen jeweils eine unterschiedliche Mitgift in die Verbindung ein: Chlor ist mit 17 Protonen gewichtiger als Natrium, das lediglich 11 positive Ladungsträger  beisteuern kann. Chlor hat somit ein relativ größeres Vermögen, Elektronen anzuziehen. Die Fähigkeit eines Elements anderen Elementen ihre Elektronen abspenstig machen zu können, wird durch die Elektronegativität zum Ausdruck gebracht. [ii]  Diese dimensionslose Zahl beträgt für Natrium 0,9 und für Chlor 3,0. Aus der Differenz lässt sich der grundlegende Charakter einer chemischen Bindung bestimmen. In unserem Beispiel ist sie mit 2,1 relativ groß. Wenn ihr Betrag in etwa den Wert von 1,7 übersteigt, spricht man definitionsgemäß von einer Ionenbindung .    Das Na- und das Cl-Atom stellen innerhalb des Kochsalzmoleküls zwei Pole dar, die aufgrund der Negativitätsdifferenz zwischen den beiden Elementen unterschiedlich stark geladen sind. Kochsalz ist daher ein so genannter Dipol .   Und schon sind sie ein Paar… Auch die nächste Bindungsform lässt sich anhand eines alltäglichen Stoffs erklären – er wird uns in Folge noch mehrmals beschäftigen: Wasser. Wasser ist die Allianz zweier unsichtbarer Gase. Sauerstoff, die erste Komponente, hat eine Elektronegativität von 3,5. Für den Bindungspartner Wasserstoff beträgt dieser Wert 2,1. Diesmal ist die Differenz mit 1,4 nicht groß genug, um die Elektronen vollständig entkommen zu lassen. Es entsteht daher eine Kooperation, die als Atombindung , Elektronenpaarbindung  oder kovalente Bindung  bezeichnet wird. Ein, zwei oder drei Valenzelektronen -Paare nutzen ein zwischen zwei Atomen liegendes Orbital gemeinsam und begründen so den Zusammenhalt des Moleküls. Atombindungen sind typisch für Nichtmetalle; oftmals handelt es sich um Gase , die den Koalitionspartner unter ihresgleichen suchen. Zwei Wasserstoffatome können ihre beiden einsamen Elektronen gemeinsam nutzen und sich so der optimalen Heliumkonfiguration immerhin annähern. Im Fall des Stickstoffs entstehen gleich drei solcher Paare. Da die Bindungspartner in diesen Fällen jeweils über die gleiche Protonenzahl verfügen, sind die Moleküle unpolar, das heißt, sie entfalten nach außen hin keine elektromagnetische Wirkung. Bei Kollisionen prallen sie daher wie Billardkugeln voneinander ab – genau das ist es, was Gase auszeichnet.   Metalle unter sich So wie Metalle mit Nichtmetalle untereinander jeweils typische Bindungsformen aufweisen, gibt es auch einen Typus für rein metallische Zusammenschlüsse. Er wird naheliegenderweise als metallische Bindung bezeichnet. Während die Ionenbindung von einem absolutistischen Besitzanspruch geprägt ist und die Atombindung  von Kooperation, ist die Metallbindung kollektivistisch. Die Elektronen sind hier gemeinsamer Besitz gleicher Atome , ähnlich wie Bad und Küche einer Wohngemeinschaft.  Metalle verlieren ihre Valenzelektronen aufgrund ihres schwachen Bindungsvermögens relativ leicht. Die losgelösten Ladungsträger schwirren anarchisch-frei als so genannte Elektronengaswolke zwischen der Gitterstruktur der Metall-Ionen. Diese Wolke ist es, die den Metallen ihren charakteristischen Glanz, ihre Leitfähigkeit für Wärme und Strom sowie ihre Verformbarkeit verleiht. [iii]     Nicht alle sind stark Alle drei bisher betrachteten Bindungsarten sind „ starke Bindungen “. Sie sichern den Zusammenhalt innerhalb eines Moleküls. Daneben gibt es auch Bindungsformen zwischen Molekülen. Sie sind allesamt relativ leicht wieder lösbar und werden daher als „ schwache Bindungen “ bezeichnet. Auch sie lassen sich gut anhand des Wassers erklären, dessen außergewöhnliche Eigenschaften allesamt auf schwache Bindungsformen zurückgehen: Wasser bleibt innerhalb einer großen Temperaturspanne flüssig, ist ein hervorragendes Lösungsmittel und zieht sich im Gegensatz zu fast allen anderen Stoffen bei niedrigen Temperaturen nicht zusammen, sondern dehnt sich aus. Wassermoleküle sind, wie Salze, aufgrund ihrer Ladungsasymmetrie Dipole und haben daher auf ihre Nachbarn eine elektromagnetische Wirkung. Dadurch werden Wasserstoffatome nicht nur durch eine Atombindung an das Sauerstoffatom des eigenen Moleküls gebunden, sondern gleichzeitig auch an das Sauerstoffatom des Nachbarmoleküls. Dieser lockere Zusammenschluss wird als Wasserstoffbrückenbindung  bezeichnet .   Der wichtigste Stoff auf unserem Planeten Durch die Brücken entsteht eine besondere räumliche Anordnung, die die Beweglichkeit der Moleküle ermöglicht und so sicherstellt, dass Wasser zwischen 0° und 100° Celsius flüssig bleibt. Zugleich schwächt diese spezielle Geometrie die elektrischen Ladungen anderer Stoffe stark ab. Das macht es polaren Verbindungen, wie Salzen, leicht, ihre Elektronen abzugeben. Dies ist die Ursache für die hervorragenden Lösungseigenschaften des Wassers. Unterhalb des Gefrierpunkts lassen Wasserstoffbrückenbindungen eine sechseckige Kristallstruktur entstehen, die mehr Platz beansprucht, als der flüssige Zustand. Dies ist der Grund für die so genannte „ Dichteanomalie “ des Wassers. Sie bezeichnet das Phänomen, dass sich Wasser bei Kälte nicht zusammenzieht, sondern ausdehnt. Wir werden noch sehen, dass diese speziellen Eigenschaften eine zentrale Rolle bei der Entstehung des Lebens auf unserem Planeten gespielt haben. Es gibt noch zwei weitere schwache Bindungsformen, die ebenfalls auf Dipolen basieren. Dipol-Dipol-Bindungen  kommen ohne Beteiligung von Wasserstoff  zustande und sind schwächer als die Wasserstoffbrücken. Noch schwächer sind Bindungen, die auf den Van-der-Waals-Kräften  beruhen. Sie entstehen, wenn sich rein zufällig Elektronen an einer bestimmten Stelle im Orbital häufen. Es kommt dann zu einer Kettenreaktion, bei der die negativen Ladungsträger der Nachbarmoleküle fortgeschoben werden, so dass eine Bindung zum positiven Kern des Nachbarmoleküls entsteht . Van-der-Waals-Bindungen sind nicht besonders stabil; die Koalitionen zerfallen rasch, bilden sich aber ebenso schnell wieder neu.  Starke Bindungen (Intramolekular) Schwache Bindungen (Intermolekular) Ionenbindung (Metall-Nichtmetall) Wasserstoffbrückenbindung (Polar) Atombindung (Nichtmetall-Nichtmetall) Dipol-Dipol-Bindung (Polar) Metallische Bindung (Metall-Metall) Van-der-Waals-Bindung (Nichtpolar)  Da die Van-der-Waals-Bindungen sehr schwach sind, werden sie zumeist von den Dipol-Bindungen polarer Moleküle überlagert.   Ihre Wirkung entfalten sie somit bevorzugt in nichtpolaren Konstellationen, wie sie für Gase typisch sind. Bei extrem niedrigen Temperaturen, ab etwa -200° Celsius, verlangsamen sich die Teilchenbewegungen derart, dass die Van-der Wals-Kraft etwa Stickstoff- oder Sauerstoffmoleküle jeweils dauerhaft aneinander zu binden vermag, so dass sich die Gase dann verflüssigen.   Den Blog entdecken       Wer mehr wissen will: John T. Moore (2018): Chemie für Dummies, Wiley   Anmerkungen [i] Von „Ion“ griechisch: „Der Wanderer“. Positiv geladene Ionen werden als Kationen, negativ geladene als Anionen bezeichnet. [ii]  Die Protonenanzahl ist die wichtigste Einflussgröße der Elektronegativität; daneben gibt es weitere Faktoren wie etwa den Atomdurchmesser. [iii] Die metallische Bindung lässt sich durch das quantenmechanische Bändermodell erklären. Über dem Band, in dem sich die Valenzelektronen bewegen, befindet sich ein höherer Energiebereich, das so genannte Leitungsband. Wenn sich diese beiden Orbitale überlappen, können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband wechseln. Dort können sie sich frei zwischen den Atomen bewegen, was den Stoff zu einem elektrischen Leiter macht. Bei einem kleinen Abstand zwischen den Bändern können die Elektronen nur dann in das Leitungsband wechseln, wenn sie durch eine entsprechende Energiezufuhr dazu angeregt werden, wie dies etwa beim photoelektrischen Effekt geschieht; in diesem Fall spricht man von einem Halbleiter. Stoffe, bei denen eine Elektronenübertragung aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den Bändern auch bei hoher Energiezufuhr nicht möglich ist, sind Isolatoren.

Fortsetzung von „ Viel Lärm um Nichts “   Das Periodensystem der Elemente - der geheimnisvolle Rhythmus der Natur Im letzten Blog zum Thema Chemie haben wir uns mit dem merkwürdigen „elementaren“ Rhythmus beschäftigt, den Dimitri Mendelejew   und  Lothar Meyer   im Jahr 1869 entdeckten. Was genau hat es damit auf sich? Sortiert man die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl, und fügt nach jedem achten Element einen Umbruch ein, entsteht die folgende Tabelle:   Die Reihen stellen die Perioden  dar, denen das System seinen Namen verdankt. Jede Reihe entspricht einer der sieben von K bis Q bezeichneten Bohrschen Schalen . Vertikal bilden die mit IA bis VIIIA benannten Spalten die acht so genannten Hauptgruppen . Ihre wichtigste Gemeinsamkeit ist, dass jede von ihnen stets über die gleiche Anzahl an Valenzelektronen  verfügt: Die Elemente der ersten Hauptgruppe haben allesamt ein Außenelektron, die der zweiten zwei und so weiter bis zur letzten Gruppe mit acht Valenzelektronen. Die Gruppenmitglieder weisen untereinander große Ähnlichkeiten auf, auch, was ihre Reaktionsneigung angeht. Die erste Hauptgruppe, die Alkalimetalle , zu denen als einziges nichtmetallisches Element auch der Wasserstoff gehört, ist hoch reaktiv. Die Elemente der zweiten Hauptgruppe, die Erdalkalimetalle , sind ein kleines bisschen weniger reaktionsfreudig. Es folgen die Erdmetalle, die Kohlenstoff-Silicium-Gruppe , die Stickstoff-Phosphor-Gruppe , die Chalkogene , die Halogene und schließlich die Edelgase . Von links nach rechts betrachtet, nimmt die Reaktionsfreudigkeit der Hauptgruppenmitglieder bis zur Mitte hin schrittweise ab und danach wieder bis zur siebten Hauptgruppe zu. Die magische „Acht“ Die Elemente der achten Hauptgruppe sind etwas Besonderes: Sie lassen sich durch praktisch nichts zu einer chemischen Reaktion bewegen. Edelgase mischen sich deshalb nicht unters Volk, weil sie ein grundlegendes Ideal der Natur erreicht haben – sie sind frei vom Zwang, ihre Situation verbessern zu müssen. Sie ruhen in sich selbst, bedürfnislos wie buddhistische Mönche (Im Chinesischen werden Edelgase etwas weniger poetisch als „die faulen Gase“ bezeichnet.) Da ihre Valenzschale mit acht Außenelektronen besetzt ist, befinden sie sich in einem quantenmechanischen Zustand niedrigster Energie und somit größtmöglicher Stabilität und Harmonie. Alle übrigen Elemente sind nicht in dieser beneidenswerten Lage. Sie möchten daher ihre energetische Situation optimieren. Betrachten wir dazu die Elemente der ersten und der siebten Hauptgruppe: Sie trennt jeweils nur ein Elektron vom Glück der optimalen Edelgaskonfiguration. Die Lösung ist naheliegend. Die Angehörigen der beiden Elementgruppen schließen einen einfachen Handel: Alkalimetalle geben ihr vereinsamtes Valenzelektron gerne ab, die Halogene nehmen es dankend auf. Das erklärt die große Reaktionsfreudigkeit dieser beiden Gruppen. Wann immer sich die Gelegenheit bietet, verbinden sie sich zu einer neuen Stoffklasse, die wir als Salze  bezeichnen. Das bekannteste Salz, unser Kochsalz, ist die Verbindung aus dem elektronenspendenden Alkalimetall Natrium und dem elektronenraubenden Halogen Chlor (Das griechische Wort Halogen bedeutet „Salzerzeuger.) Beide haben dabei gewonnen: Durch den Pakt erreicht Natrium die Elektronenkonfiguration des Edelgases Neon und Chlor die des Argons. Die chemische Reaktion  verhilft beiden zu mehr Stabilität. Heavy Metal Der Blick auf das Periodensystem zeigt uns, dass die Hauptgruppenelemente insgesamt in der Minderheit sind. Wie ein Fremdkörper hat sich ein großer Block zwischen die zweite und dritte Hauptgruppe geschoben und stört Symmetrie und Rhythmus. Dieser Block enthält die Nebengruppenelemente . Bei ihnen handelt es sich ausnahmslos um Metalle , von denen sich viele in jedem gewöhnlichen Werkzeugkasten finden: Eisenhammer, Kupferdraht, Schraubenschlüssel aus Chrom-Vanadium-Stahl, verzinktes Blech oder Federn aus Titanlegierungen. Es fällt auf, dass die Angehörigen der zehn Nebengruppen sich untereinander viel ähnlicher sind als die Hauptgruppenelemente. Doch woran liegt das? Und wieso können die Nebengruppen überhaupt einen Keil zwischen zwei Hauptgruppen treiben? Um die Sonderrolle der Nebengruppenelemente zu verstehen, müssen wir eine spezielle Eigenheit der Aufbaulogik betrachten. Für die Hauptgruppen lässt sich die Elektronenkonfiguration direkt aus der Periodentafel ablesen. Phosphor etwa findet sich in der fünften Hauptgruppe und in der dritten Periode. Er hat somit fünf Valenzelektronen und nimmt die drei Schalen K, L und M in Anspruch. Kennt man die Aufbaulogik, lässt sich die Ordnungszahl  des Phosphors mit K = 2 + L = (2 + 6) + M = (2 + 3) = 15 problemlos errechnen. Bei den Nebengruppenelementen ist das leider nicht so einfach. Betrachten wir dazu das erste Nebengruppenelement, Scandium, mit der Ordnungszahl 21. Sein Vorgänger, das Hauptgruppenelement Calcium, komplettiert mit seinem zwanzigsten Elektron das s-Orbital der N-Schale. Nach der bisherigen Logik müsste Scandium sein 21. Elektron im p-Orbital der N-Schale platzieren. Dem ist aber nicht so. Denn auf der weiter innen liegenden M-Schale sind noch Plätze frei. Elektron Nummer 21 findet daher seine Heimat im d-Orbital der dritten Schale. Das gilt auch für die nachfolgenden Elemente, bis Zink schließlich den letzten der 18 möglichen Elektronenplätze der M-Schale besetzt. Erst danach wird mit Gallium wieder der alte Hauptgruppen-Rhythmus aufgenommen und das p-Orbital der vierten Schale befüllt. Diese Logik wiederholt sich in den folgenden Perioden.   Stabilität ist Alles! Auch die Nebengruppenelemente folgen dabei lediglich dem immer gleichen physikalischen Gesetz, nämlich, dass sie durch Abgabe von Energie an Stabilität  gewinnen können. Die besonderen räumlichen Strukturen der d-Orbitale bedingen, dass es energetisch günstiger ist, das s-Orbital der äußeren Schale vor dem d-Orbital der inneren Schale zu füllen. Daher verfügen die Nebengruppenelemente zumeist über zwei Valenzelektronen, was ihre auffällige Ähnlichkeit erklärt. Der gleiche Rückfüllmechanismus greift auch bei den beiden Elementgruppen, die unterhalb der Periodentafel stehen. Bei ihnen handelt es sich um Unterkategorien der ersten Nebengruppe mit den wenig eingängigen Bezeichnungen Lanthanoide  und Actinoide . Von den anderen Nebengruppenelementen unterscheiden sie sich quantenmechanisch dadurch, dass ihr Rückfüllorbital nicht das d- sondern das f-Orbital ist. Die Lanthanoide, angesiedelt in der sechsten Periode, gehören zu einer Gruppe von Metallen mit der poetischen Bezeichnung „seltene Erden“. Sie finden sich häufig in Hightech-Geräten wie Brennstoffzellen, Festplatten oder Plasmabildschirmen. Die zweite Gruppe, die Actinoide, gehören zur siebten Periode. Obwohl auch sie ausnahmslos Metalle sind, möchte man sie weder im Werkzeugkasten noch im Computer haben, denn sie sind allesamt radioaktiv. Die ersten vier Gruppenmitglieder, bis einschließlich Uran, kommen in der Natur noch regelmäßig vor. Danach folgen die kurzlebigen Transurane. Bis auf Neptunium und Plutonium, die auf der Erde in winzigen Spuren vorkommen, wurden sie samt und sonders für Sekundenbruchteile von Menschenhand erschaffen. Im Periodensystem der Elemente verstecken sich noch zahlreiche weitere Muster. Zum Beispiel trennt eine beim Bor beginnende gedankliche Treppenlinie, die bis zu Astat führt, die Metalle von den Nichtmetallen. Nichtmetalle  sind somit insgesamt deutlich in der Unterzahl; von ihnen gibt es im Universum gerade einmal 22 Vertreter. Wie wir noch sehen werden, sind aber vor allem sie es, die die größten chemischen Wunder zu vollbringen vermögen.    Den Blog entdecken   Wer mehr wissen will: Sacks, Oliver (2003): „Onkel Wolfram: Erinnerungen“, Rowohlt. Ortanderl, Stefanie / Ritgen, Ulf (2019): Chemie für Dummies. Das Lehrbuch

Fortsetzung von "Die Welt als Uhrwerk"   Pioniere des Lichts (Teil I) Mitte des 17. Jahrhunderts begann das Licht die Neugier der Naturforscher zu erregen. Von der rätselhaften Erscheinung wusste man kaum mehr, als dass sie Voraussetzung für das Sehen und optische Phänomene wie Reflexion, Brechung oder Beugung war. 1676 bewies der Däne Ole Rømer  erstmals, dass Licht sich nicht, wie man allgemein seit Aristoteles  angenommen hatte, augenblicklich, sondern mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitete. Rømer hatte festgestellt, dass die Verfinsterung der von Galilei  entdeckten Jupitermonde früher eintrat, wenn sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne auf Jupiter zubewegte und später, wenn sie sich von ihm entfernte. Aus den Beobachtungsdaten errechnete der Niederländer Christiaan Huygens  zwei Jahre später eine Lichtgeschwindigkeit von über 200.000 km/s. Das größte Rätsel aber blieb die Frage, woraus das merkwürdige Medium eigentlich bestand. Newton   ging wie selbstverständlich davon aus, dass auch Licht Materie ist. Widerspruch kam vom Huygens, der nicht nur in zahlreichen Wissensgebieten bewandert war, sondern darüber hinaus auch noch eine außerordentlich praktische Veranlagung hatte. Nachdem Antoni van Leeuwenhoek , der damals führende Konstrukteur optischer Instrumente, ihn in seine Kunst eingewiesen hatte, begann Huygens selbst Linsen zu schleifen und optische Geräte zu bauen. Die Beobachtungen, die er mit ihnen anstellte, führten ihn zu der Überzeugung, dass sich Licht wellenartig ausbreiten müsse, ähnlich den Wasserwellen, die entstehen, wenn man Steine in einen Tümpel wirft. Mit dieser Annahme ließen sich optische Phänomene, wie die Reflexion von Licht durch einen Spiegel oder Lichtbrechung durch ein Prisma, viel besser erklären als mit Newtons Teilchen-Theorie. Die Mehrheit der Naturphilosophen stellte sich in diesem Streit allerdings hinter den berühmten Engländer: Licht war Materie, die sich als linearer Strahl durch den Raum bewegte.    Materie oder Welle? Diese Auffassung änderte sich schlagartig, als im Jahr 1802 der junge englische Augenarzt Thomas Young  eines jener Experimente durchführte, die Wissenschaftsgeschichte schreiben sollten. Young sandte Lichtstrahlen durch zwei in einer Wand parallel angeordnete Spalten. An einer dahinter befindlichen zweiten Wand entstand dabei das gleiche Interferenzmuster, das auch Wasserwellen bei einer solchen Versuchsanordnung erzeugen. Ganz offenbar hatte Huygens doch recht gehabt: Licht hatte eine Wellennatur; es transportierte seine Energie nach den gleichen Regeln wie Erdbeben, Wasser oder Schall.   Wichtiger Beitrag eines amerikanischen Politikers Ein anderes Kuriosum, das seit Mitte des 17. Jahrhundert das Interesse der Naturphilosophen erregte, war die Elektrizität . Der Begriff stammte von dem griechischen Wort für Bernstein, Elektron. Schon in der Antike hatte man beobachtet, dass Sandkörner auf rätselhafte Weise an dem fossilen Harz kleben blieben. Einer der Ersten, der sich systematisch mit elektrischen Phänomenen auseinandersetzte, war Benjamin Franklin (wir sind ihm bereits im vorletzten Blog in einem ganz anderen Zusammenhang begegnet ) . Der amerikanische Staatsmann und Verleger war auch ein bedeutender Naturforscher, der insbesondere als Erfinder des Blitzableiters in Erinnerung geblieben ist, einer einfachen Vorrichtung, die den Blitzen – einst Ausdruck göttlichen Zorns – den Schrecken nahm. Franklins Beitrag zu Erforschung der Elektrizität geht aber noch viel weiter. Er war einer der Ersten, die erkannten, dass die mächtigen Gewitterblitze am Himmel und die kleinen Funken der Elektrisiermaschinen , die damals in keinem Kuriositätenkabinett fehlen durften, Ausdruck ein und desselben Phänomens waren. Franklin stellte eine Theorie auf, mit der sich beide Erscheinungen gleichermaßen erklären ließen. Die zentrale Idee war die Vorstellung einer „ Ladung “. War die Ladung wie bei einem Buchhaltungskonto ausgeglichen, war das betrachtete Objekt elektrisch unauffällig. Wenn aber auf der Soll- oder Habenseite ein Ungleichgewicht entstanden war, stellten Blitze und Funken das Ladungs-Gleichgewicht schlagartig wieder her. Ursache der ungleichen Ladungsverteilung war nach Franklins Vorstellung ein Fluidum, ein flüssiges Medium, das von einem Körper in den anderen floss. Mit diesem plastischen Bild eines verborgenen, wasserähnlichen Stoffs prägte Franklin die Idee von bewegten elektrischen Ladungen als einem „fließenden Strom“. Benannt wurde die Einheit für die Ladung allerdings nicht nach Franklin, sondern nach Charles Augustin de Coulomb , einen Franzosen, dem 1784 der nächste Erkenntnissprung gelang. In seinem Modell existierten zwei unterschiedliche Fluide, die jeweils eine positive und eine negative Ladungsart repräsentierten und die in elektrisierten Objekten miteinander rangen. Coulomb fand eine Formel für die Kraft, mit der sich die beiden unterschiedlichen Ladungsarten, „q 1 “ und „q 2 “, gegenseitig anziehen oder, im Fall gleicher Ladung, abstoßen. Diese Kraft ist proportional zum Produkt der Ladungsmengen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands „r“. Die Stärke der Kraft selbst wird durch die Konstante „kc“ zum Ausdruck gebracht. Die mathematische Formulierung des Coulombschen Gesetzes zeigte eine frappierende Analogie mit Newtons Gravitationsformel . Gravitation und Elektrizität schienen ähnlichen Naturgesetzen zu gehorchen, mit dem kleinen, aber wichtigen Unterschied, dass im Gegensatz zur Schwerkraft die elektrischen Kräfte nicht nur anziehend, sondern auch abstoßend sein können.   Zuckende Froschschenkel Etwa zur gleichen Zeit experimentierte der italienische Professor der Medizin Luigi Galvani  mit abgetrennten Froschschenkeln. Dabei beobachtete er zufällig, dass die Schenkel zu zucken anfingen, wenn sie gleichzeitig mit zwei verschiedenen, untereinander verbundenen Metallen in Kontakt kamen. Unbeabsichtigt hatte Galvani einen Stromkreis geschlossen und dabei entdeckt, dass Elektrizität nicht nur in der toten Natur, sondern auch in Lebewesen floss. Die Entdeckung erregte in ganz Europa großes Aufsehen und zog eine Welle weiterer elektrischer Experimente nach sich. Ein Ergebnis dieser Galvanismus-Mode war die erste brauchbare Batterie, die Galvanis Landsmann Alessandro Volta um die Jahrhundertwende der Öffentlichkeit vorstellte. Napoleon Bonaparte , Erster Konsul der Französischen Republik, kam 1801 in den Genuss einer privaten Vorführung, die ihn so beeindruckte, dass er den Erfinder eine Pension gewährte und ihn später in den Adelsstand erhob.  Die „ Voltasche Säule “ ermöglichte erstmals mittels chemischer Reaktionen von Säuren und Metallen einen Stromkreis dauerhaft mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Ladungsaustausch erfolgte nun nicht mehr blitzartig und unkontrolliert, sondern als kontinuierlicher und dosierbarer Fluss. Das Zeitalter der Elektrodynamik hatte begonnen. [i] Batteriegespeiste Stromkreise öffneten das Tor zu neuen Experimentierformen. Bei einem dieser zahllosen Versuche entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted  um das Jahr 1820, dass fließender Strom ein weiteres Geheimnis barg, das niemandem zuvor aufgefallen war: Eine zufällig in der Nähe befindliche Magnetnadel begann in Richtung des Stromleiters auszuschlagen. Ganz offenbar waren die Kräfte, die in den heißen, von ätzender Batteriesäure alimentierten Drähten wirkten und jene, die den Seeleuten den Weg wiesen, miteinander verbunden. Fasziniert von dieser Nachricht begab sich der Franzose André-Marie Ampère  auf die Suche. Dabei entdeckte er einen grundlegenden Zusammenhang: Je stärker der Strom floss, je mehr der geheimnisvollen Ladungsträger also in Bewegung waren, umso stärker war auch die magnetische Wirkung. 1826 fand Georg Simon Ohm , Sohn eines Schlossers aus Franken, eine Abhängigkeit zwischen der von Volta eingeführten Größe „Spannung“ und Ampères Begriff der „Stromstärke“: Wird die Spannung „U“ erhöht, so erhöht sich die Stromstärke „I“ im gleichen Maße. Der Quotient aus den beiden Größen, der Widerstand, „R“ bleibt somit stets gleich: Die Eigenschaften des merkwürdigen Fluidums waren damit umfassend beschrieben. Wenn auch die Vorstellung von dem, was da floss, weiterhin vage blieb, war es nun offensichtlich, dass es zwischen einem Stromkreislauf und einem mechanischen Wasserkreislauf keinen grundlegenden Unterschied gab.   Beim Wasserkreislauf erzeugt eine Kraftquelle, etwa eine Pumpe, Druck und setzt so den Wasserfluss in Gang. Analog versetzt beim Stromkreis die Batterie als Spannungsquelle die Ladungsträger in Bewegung. Für einen Schwimmer sind Stromschnellen gefährlicher als ein breiter, gemächlicher Fluss. Entsprechend geht bei elektrischem Strom die Gefahr nicht von einer hohen Spannung, sondern von einer großen Stromstärke aus, also der Anzahl der fließenden Ladungsträger pro Zeiteinheit. Treibt das Wasser eine Turbine an, herrscht vor der Turbine ein höherer Druck als hinter ihr; das Druckgefälle setzt die Schaufeln in Bewegung. Die Schaufeln bieten dem Wasser Widerstand, es hat es somit schwerer durch das Rohr zu fließen. Genauso baut im Stromkreis eine Glühlampe durch ihren Widerstand einen höheren Elektronendruck auf, der die Lampe zum Leuchten bringt. Die Pioniere des Lichts waren dem merkwürdigen Phänomen Strom ein großes Stück näher gekommen - auch er schien sich letztlich problemlos in die Welt der Newtonschen Mechanik einzufügen. Tatsächlich aber war man, wie wir im nächsten Physik-Blog sehen werden, vom Verständnis der wahren Natur der rätselhaften Kraft noch immer ziemlich weit entfernt. Zur Fortsetzung: Die Pioniere des Lichts Teil 2   Den Blog entdecken   Wer mehr wissen will: Elektronik für Dummies : Weichhaus, Gerd: Amazon.de : Bücher     Bildnachweise: File:VoltaBattery.JPG - Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Georg_Simon_Ohm3.jpg [i] Die künstliche Stromerzeugung hat seitdem eine bemerkenswerte Karriere erfahren. Während Voltas Säule nur eine einstellige Wattzahl geliefert haben dürfte, betrug die weltweite Stromproduktion im Jahr 2021 über 25.000 Terrawattstunden. (Ein Terrawatt sind 10^12 Watt.)

Fortsetzung von „Die Pioniere des Lichts  Teil 1 (1650 bis 1820)   Ein genialer Autodidakt und Praktiker Die nächsten Erkenntnisse kamen von den Britischen Inseln. Hier war es dem Chemiker Sir Humphry Davy  bereits Anfangs des 19. Jahrhunderts gelungen, mithilfe elektrolytischer Verfahren Stoffe in ihre Bestandteile zu zerlegen und so innerhalb von nur zwei Jahren ein halbes Dutzend neuer Elemente zu entdecken. Als noch bedeutsamer sollten sich jedoch die Arbeiten von Davys Laborgehilfen erweisen, einem jungen Mann namens Michael Faraday . Faraday war Autodidakt, anders als die meisten Wissenschaftler seiner Zeit stammte er aus einfachen Verhältnissen. Als gelernter Buchbinder bekam er Zugang zu naturwissenschaftlicher Literatur und schon bald besuchte er neugierig Davys öffentliche Vorlesungen. Als Davy auf ihn aufmerksam wurde und ihm 1812 eine Assistentenstelle anbot, ging für Faraday ein Traum in Erfüllung: Auf einmal standen ihm alle Gerätschaften zur Verfügung, mit denen er seinen unbändigen Wissensdurst befriedigen konnte. Inspiriert von Ørsteds  Experiment, gelang Faraday 1821 eine bahnbrechende Entdeckung: Ein elektrischer Leiter ließ sich mithilfe eines Magneten in eine Rotationsbewegung versetzen. Das Zusammenspiel von Elektrizität und Magnetismus ermöglichte es, kinetische Energie zu erzeugen – Faraday hatte das Prinzip des Elektromotors  erfunden. In den folgenden Jahren – inzwischen war er gegen den erbitterten Widerstand seines ehemaligen Mentors Davy in die Royal Society  aufgenommen worden – beschäftigte sich Faraday mit der Frage, ob sich das Prinzip des Elektromotors nicht auch umkehren lässt. 1831 gelang es ihm schließlich, mittels eines Stabmagneten, der durch eine Drahtspule bewegt wurde, eine Spannung aufzubauen. Damit wurde Faraday auch zum Vater des ersten Generators , einer Maschine, mit der sich kinetische Energie in Strom verwandeln lässt.   Ein genialer Theoretiker Seine letzte große Entdeckung machte Faraday 1845. Er hatte bemerkt, dass Lichtwellen, wenn sie der Wirkung eines starken Magneten ausgesetzt werden, beim Durchgang durch transparente Medien, wie Glas oder Wasser, eine leichte Änderung der Ausbreitungsrichtung aufweisen. Sollte am Ende auch das Licht  zum Wirkungskreis elektromagnetischer Phänomene gehören? Die Antwort auf diese Frage gab der Schotte James Clerk Maxwell . Anders als der Praktiker Faraday, der zeitlebens nie eine Formel aufgeschrieben hatte, betrachtete Maxwell die Erscheinungen des Elektromagnetismus rein theoretisch. 1864 gelang es ihm mit nur vier Gleichungen sämtliche Aspekte elektromagnetischer Phänomene einzufangen und die rätselhafte Naturkraft so in Mathematik zu gießen. Aus Maxwells Formeln ergab sich insbesondere, dass die Wechselwirkung von Elektrizität und Magnetismus elektromagnetische Felder erzeugen müsste. Diese Vermutung konnte Heinrich Hertz  einige Jahre später experimentell bestätigen. Nun war klar: Auch das Licht war ein weiteres jener zahlreichen Gesichter der elektromagnetischen Kraft.   Die physikalische Grundkraft mit den 1000 Gesichtern Heute wissen wir, dass elektromagnetische Wellen  die ganze Welt durchströmen und Licht davon nur der winzige, für uns sichtbare Ausschnitt ist. Elektromagnetische Wellen reichen vom Niederfrequenzbereich mit Wellenlängen von bis zu 100.000 km, über Radio- und Mikrowellen weiter zu Wärmestrahlung und Lichtwellen, deren Länge sich bereits im Bereich von milliardstel Metern befinden und an die sich die noch kurzwelligeren ultravioletten Strahlen, Röntgenstrahlen, Gamma- und Höhenstrahlen anschließen. In ihren hochfrequenten Bereichen transportieren die Wellen so viel Energie, dass sie biochemische Strukturen verändern oder zerstören können. Unsere Sinnesorgane   vermitteln uns aus diesem gigantischen Spektrum allerdings nur Empfindungen für Wärmestrahlen und Licht, das wir je nach Wellenlänge als rote, orangene, gelbe, grüne, blaue oder violette Farbtöne wahrnehmen. Über 200 Jahre lang waren Newton, Rømer, Huygens, Franklin, Coulomb, Galvani, Volta, Young, Ørsted, Ampère, Ohm, Faraday, Maxwell, Hertz und zahlreiche andere dem Wesen von Blitzen, Funken, Regenbögen, zuckenden Froschschenkeln und Magneten auf der Spur gewesen. Nun war auf einmal deutlich geworden, dass all diese Erscheinungen zum Wirkungskreis eines einzigen Phänomens gehörten: Nach der Gravitation   hatten die Menschen mit dem Elektromagnetismus eine zweite Grundkraft  des Universums entdeckt und vermessen.   Die Stunde der Ingenieure Nachdem Faradays Experimente und Maxwells Gleichungen den Weg bereitet hatten, schlug erneut die Stunde der Ingenieure . Im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts kamen die elektrotechnischen Erfindungen Schlag auf Schlag: Thomas Alva Edison  und George Westinghouse  trieben mit ihren Industrieimperien die Elektrifizierung der Massen voran. Strahlendes elektrisches Licht vertrieb qualmende Kienspäne, trübe Kerzen und stinkende Petroleumlampen aus den Wohnstuben und machte in den Städten die Nacht zum Tage. Der junge serbische Ingenieur Nikola Tesla  entwickelte für Westinghouse eine Technik, mit der sich Wechselstrom wirtschaftlich über große Distanzen transportieren ließ. Zudem erfand er den ersten Radiosender und die erste Fernsteuerung. 1901 schließlich gelang dem italienischen Radiopionier Guglielmo Marconi  die erste transatlantische Funkübertragung.   Die Entdeckung des Elektrons Zwar wusste man ihn nun zu nutzen, doch seine Geheimnisse hatte der Elektromagnetismus am Ende des 19. Jahrhunderts noch immer nicht vollständig preisgegeben. Seit Franklin war man der Frage, was da eigentlich durch die Leitungen floss, keinen Schritt nähergekommen. Der Durchbruch kam erst 1897, als Joseph John Thomson  das Elektron entdeckte und in ihm den geheimnisvollen Träger der bewegten elektrischen Ladung erkannte: Strom war nichts anderes als die gerichtete Bewegung von Elektronen! Thomson hatte damit aber auch die jahrtausendealte Idee eines einteiligen Atoms zerstört. Atome waren nicht unteilbar, sondern Systeme, die offenbar aus zwei Bauteilen, einem positiv geladenen Atomkern und den negativ geladenen Elektronen bestanden, wobei die Elektronen sich vom Kern lösen konnten und die elektrische Neutralität des Atoms damit aufhoben. Thomson entwickelte aus dieser Erkenntnis ein neues Atommodell, bei dem die Elektronen in die Masse des Atomkerns eingebettet sind, wie Rosinen in einem Milchbrötchenteig.   Ein kosmische Atommodell Der Rosinenbrötchenidee war nur eine kurze Lebensdauer beschieden. Um das Jahr 1910 kamen der ehemalige Thomson-Schüler Ernest Rutherford  und seine beiden Assistenten Hans Geiger  und Ernest Marsden  auf die originelle Idee, eine hauchdünne, nur etwa 0,004 mm starke Goldfolie mit Heliumkernen zu beschießen. Die Folie war so dünn, dass weniger als 1.000 Atome hintereinanderlagen. Zur großen Überraschung der drei Forscher gingen fast alle Teilchen einfach durch die Folie hindurch, so, als ob sie gar nicht da wäre. Manche Heliumkerne wurden bei dem Foliendurchgang geringfügig abgelenkt, einige wenige prallten hingegen zurück wie ein Tennisball von einer Wand. Die Ergebnisse ließen nur einen Schluss zu: Im Zentrum des Goldatoms gab es eine extrem dichte Zusammenballung von Masse. Sie ließ bei einem Treffer die leichteren Heliumatome abprallen oder verfälschte ihre Bahn. Da die allermeisten Heliumprojektile jedoch in keiner Weise beeinflusst wurden, war die schier unglaubliche Schlussfolgerung, dass das Atom fast ausschließlich aus „Nichts“ besteht. In Rutherfords neuem Modell war es ein gigantischer leerer Raum, in dem fast die gesamte Masse auf den positiv geladenen Kern konzentriert war, während die sehr leichten, negativ geladenen Elektronen den Kern auf festgelegten Bahnen in sehr großen Abständen umkreisten. Die kosmische Ordnung des Planetensystems schien sich hier tatsächlich im winzigen Maßstab widerzuspiegeln. Mit dem neuen Atommodell  und der vollständigen Beschreibung des Elektromagnetismus glaubte man Anfang des 20. Jahrhunderts ein geschlossenes physikalisches Weltbild in den Händen zu halten: Was auch immer in der Natur geschah – ganz gleich ob ein Apfel zu Boden fiel, ein Blitz am Himmel zuckte, ein Mond seinen Planeten umkreiste, ein Lichtstrahl von einem Spiegel reflektiert wurde oder ein Elektron um einen Atomkern zog – alles folgte einer überschaubaren Zahl relativ einfacher Gesetze, einer klaren Ordnung, die sich mathematisch beschreiben ließ. Auf geradezu wundersame Weise hatten sich alle Entdeckungen der letzten 200 Jahre wie von selbst in das Regelwerk der Newtonschen Mechanik eingefügt. Konnte es einen besseren Beweis für die Richtigkeit eines Theoriegebäudes geben? Die deterministische Weltsicht der klassischen Physik war auf ihrem Höhepunkt. Ein neues Jahrhundert war angebrochen. Es sollte das Jahrhundert des Atoms werden. Und alle hart erkämpften Gewissheiten würden sich schon bald in Luft auflösen...   Den Blog entdecken     Bildnachweise Elektromagnetisches Spektrum   Rutherfords planetarisches Atommodell

Fortsetzung von "Der Ursprung der Sprache" Ein Sprachengenie William Jones , Sohn eines walisischen Mathematikers, war mit einer außerordentlichen Sprachbegabung gesegnet; am Ende seines Lebens soll er 28 Sprachen beherrscht haben. Schon während seiner Schulzeit lernte er neben dem üblichen Griechisch und Latein, auch noch Arabisch und Persisch. Seine Berufung 1783 zum Richter am Obersten Gericht von Bengalen in Kalkutta, bot ihm nun auch die Gelegenheit, sich mit Sanskrit , der klassischen Gelehrtensprache Indiens vertraut zu machen. 1786 veröffentlichte Jones einen Aufsatz, in dem er einen gemeinsamen Ursprung von Sanskrit, Latein, Griechisch, Persisch, Gotisch und den keltischen Sprachen behauptete. Jones war nicht der erste, der auf die Idee kam, dass geographisch entfernte Sprachen untereinander verwandt sein könnten. Bereits Mitte des 17. Jahrhunderts hatte der niederländische Gelehrte Marcus Zuerius van Boxhorn  diese These vorweggenommen. Doch erst Jones‘ Veröffentlichung erregte breiteres Interesse. Bald wurde klar, dass so verschiedene Sprachen wie Walisisch, Bulgarisch, Litauisch, Schwedisch, Armenisch, Kurdisch oder Hindi tatsächlich einen gemeinsamen Ursprung hatten. Sie alle gehören einer Gruppe an, die wir heute als indogermanische  oder indoeuropäische Sprachfamilie  bezeichnen. Fast jeder zweite Mensch auf der Erde spricht heute eine ihrer Sprachen.   Sprachfamilien Indogermanisch ist jedoch nicht die einzige große Sprachfamilie. Neben ihr existieren unter anderem die semito-hamitischen Sprachen , zu denen Arabisch, Hebräisch, Aramäisch, das ausgestorbene Altägyptisch und Somali gehören; die Turksprachen  die insbesondere Türkisch, Turkmenisch, Kasachisch und Usbekisch umfassen, und die sinotibetischen Sprachen , mit ihren verschiedenen chinesischen Dialekten, Tibetisch und Birmanisch.   Als außerordentlich schwierig hat sich bisher der Versuch erwiesen, einer möglichen Verwandtschaft der großen Sprachfamilien untereinander auf die Spur zu kommen. Eine hypothetische, unter Sprachforschern aber nach wie vor umstrittene Makrofamilie ist Nostratisch , das neben den indogermanischen und semito-hamitischen Sprachen auch die Turksprachen sowie Japanisch und Koreanisch umfassen soll.   Beziehungen und Veränderungen Einer der wichtigsten Betrachtungsgegenstände der vergleichenden Sprachforschung sind Kognate . Kognate sind Wörter, die auf ein gemeinsames Ursprungswort zurückgehen und es daher erlauben, die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb einer Sprachfamilie zu analysieren. Ein grundlegendes Instrument ist in diesem Zusammenhang die Untersuchung von Lautverschiebungen , eine Technik, die auf Jakob Grimm , den älteren der Gebrüder Grimm zurückgeht.   Deutsch Englisch Französisch Spanisch Latein Tschechisch Persisch Sanskrit Mutter mother mère madre mater matka mādar mātr Vater father père padre pater otec pedar pitr Flamme flame flamme Ilama flamma plamen šo'le agni Sonne sun soleil sol sol sluneční xoršid sūrya Wasser water eau agua aqua voda āb jala drei three troi tres tres tři se trayaṁ Kognate indoeuropäischer Sprachen im Vergleich (Regler nach rechts verschieben, um alle Sprachen zu sehen)   Lautverschiebungen beschreiben die gesetzmäßige Umwandlung von Konsonanten und Vokalen, die sich bei vielen Sprachen über längere Zeiträume beobachten lassen. Grimm formulierte 1822 das nach ihm benannte Gesetz der ersten Lautverschiebung . Es beschreibt, wie sich der Zweig der germanischen Sprachen (von denen heute noch Englisch, Deutsch, Niederländisch, Friesisch, Afrikaans, Schwedisch, Dänisch, Norwegisch und Isländisch gesprochen werden) durch den Austausch einiger Konsonanten von den übrigen indoeuropäischen Sprachen absetzte. Der Wandel muss etwa 300 v. Chr. abgeschlossen gewesen sein, noch bevor Römer und Germanen miteinander in Kontakt traten, da lateinische Lehnwörter im Germanischen die Verschiebungen nicht vollzogen haben.  Zwischen dem 6. und dem 9. Jahrhundert kam es innerhalb der germanischen Sprachen zu einem weiteren Konsonantentausch, der zweiten Lautverschiebung , in deren Folge das Hochdeutsche entstand. Die anderen germanischen Sprachen, einschließlich dem Niederdeutschen, folgten dieser Verschiebung nicht (Eine Ausnahme stellt die Verschiebung von „th“ nach „d“ dar, die sich auch im Niederländischen und Niederdeutschen vollzog).  Durch die Analyse von Lautverschiebungen lassen sich relative Verwandtschaftsgrade zwischen Sprachen bestimmen und wahrscheinliche Urlaute der gemeinsamen Vorgängersprache rekonstruieren, auch wenn bei letzterem vieles spekulativ bleibt. So wie die geographische Isolation durch Mutation und Selektion in der Biologie neue Arten hervorbringt, lässt sie durch Lautverschiebungen neue Sprachen entstehen. 1853 stellte der Linguist August Schleicher  die Verwandtschaftsbeziehungen der indogermanischen Sprachen in Form einer Baumstruktur dar, sechs Jahre bevor Darwin dieselbe Metapher für die Abstammungslinien der Arten wählte. Wie in der biologischen Evolution können Informationen aber auch horizontal transferiert werden. So hat etwa jedes vierte deutsche Wort einen fremdsprachlichen Ursprung. Straße, Keller, Nase, Wein oder Armbrust sieht man es nicht unbedingt an, dass sie aus dem Lateinischen entlehnt sind. Nach Latein haben Griechisch, Englisch und Französisch im heutigen Deutsch die meisten Spuren hinterlassen. Sprachen sind, als lebendige Gebilde, auch untereinander fortpflanzungsfähig; aus Begegnungen können neue Sprachen entstehen. Beispiele für solche Pidgin- oder Kreolsprachen sind die „ Lingua franca “, die im Mittelalter im Mittelmeerraum als Handelssprache aus romanischen Sprachen und dem Arabischen hervorging, oder das auf Haiti gesprochene Kreolisch , eine Mischung aus Französisch mit verschiedenen westafrikanischen, spanischen und indianischen Elementen.   Die Herkunft der Wörter lehrt uns alte Weltsichten Sprachen entwickeln sich nicht nur durch Lautverschiebungen und die Aufnahme neuer Wörter, auch die Bedeutung des überlieferten Wortschatzes entwickelt sich laufend fort. Mit diesem Bedeutungswandel ,  der uns oftmals das Verständnis alter Texte erschwert, befasst sich die Etymologie . Vor 2.000 Jahren bezeichnete „Tier“ alle im Wald lebenden, also wilden Tiere – im Gegensatz zu „Vieh“, den domestizierten Nutztieren. Die Bedeutung „Wildtier“ ist im Laufe der Jahrhunderte verloren gegangen. Im Deutschen wurde der Begriff auf alle Tiere erweitert, während er sich im Englischen mit „deer“ auf Hirsche einengte. Das deutsche „Vieh“ wiederum hat den gleichen Ursprung wie das englische Wort „fee“, das heute Gebühr oder Entgelt bedeutet – Nutztiere waren früher eine gängige Verrechnungseinheit für Handelsgeschäfte. Das gemeingermanische Ursprungswort „fehu“ geht gemäß den Regeln der ersten Lautverschiebung auf das indogermanische Wort „peku“ zurück, das Schaf bedeutet und somit auch die Herkunft des lateinischen Wortes für Geld „pecunia“ erklärt. Die indogermanische Wurzel von Tier, „dheu“, bedeutete ursprünglich so viel wie „schnauben“, oder „atmendes Wesen“. Diese Vorstellung findet sich auch in dem lateinischen Wort „anima“ wieder, das beseelte, also mit Lebenshauch versehene Wesen bezeichnet. Aus ihm leitet sich sowohl das lateinische, französische und englische Wort für Tier „animal“ als auch das lateinische und französische Wort für Seele „anima“, „âme“ her. Die Etymologie lehrt uns daher auch viel über Weltsichten und Wirklichkeiten unserer Vorfahren.   Sprachuniversalien sind rar Trotz zahlreicher Bezüge innerhalb der einzelnen Sprachfamilien gibt es kaum Universalien , also Eigenschaften, die alle Sprachen miteinander teilen. Der gemeinsame Nenner umfasst nur einige wenige Feststellungen wie: Alle Sprachen haben Konsonanten und mindestens zwei Vokale, kennen Eigennamen, eine 1., 2. und 3. Person und verfügen über ein Intonationssystem, bei dem sich mit der Stimmhöhe auch die Bedeutung verändert (Im Deutschen etwa kann jedes Wort als Frage intoniert werden, indem man die Stimme am Wortende hebt.) Aussagen wie „in jeder Sprache gibt es Verben und Substantive“ sind bereits umstritten. Bestimmte Formen, etwa die Satzstellung „Subjekt-Verb-Objekt“ treten zwar sehr häufig auf, doch es finden sich auch Beispiele für alle sonst denkbaren Anordnungsmöglichkeiten. Wer im Sprachvergleich Grundkonstanten der menschlichen Existenz sucht, wird enttäuscht. Der Mangel an absoluten Sprachuniversalien zeigt, dass es sehr viele Möglichkeiten gibt, die Welt zu sehen und zu beschreiben. Eine Fremdsprache zu beherrschen, gibt daher auch stets Einblick in eine andere Weltsicht. Von Karl dem Großen  soll das Zitat stammen: „Eine andere Sprache zu können, ist wie eine zweite Seele zu besitzen.“   Die Vielfalt der Sprachen: Ein Artensterben der besonderen Art Von den rund 15.000 Sprachen, die im 16. Jahrhundert noch auf der Welt gesprochen wurden, haben bis heute nur 6.000 bis 7.000 überlebt; etwa die Hälfte von ihnen wird, Schätzungen der Linguisten zufolge, in den nächsten 100 Jahren aussterben. Die Vielfalt der Sprachen nimmt also rapide ab. Der Sprachentod ist eine Folge der Globalisierung , doch mit jeder dieser Sprachen stirbt ein ganzes Universum, eine einzigartige Weise, die Welt zu beschreiben.   Den Blog entdecken   Wer mehr wissen will: Auszug aus der Ansprache von William Jones, in der er erstmalig den Zusammenhang der indoeuropäischen Sprachen behauptete. Eco, Umberto (1994) „Die Suche nach der vollkommenen Sprache“, Beck. Rauchhaupt, Ulf von (2016): „Sprechen Sie Nostratisch?“ in: Frankfurter Allgemeine Zeitung Online vom 15.06.2016.

Fortsetzung von "Was ist Biologie?" Ein schwieriger Betrachtungsgegenstand Leben ist aus der toten Natur entstanden. Chemisch gesehen ist auch Leben letztlich nur ein Verbund komplexer Kohlenwasserstoffe, die sich im Einklang mit den Gesetzen der Physik durch Raum und Zeit bewegen. Doch was unterscheidet es dann von den toten Bio-Polymeren der organischen Chemie ? Die Antwort auf diese Frage ist alles andere als leicht. Lehrbücher der Biologie zählen bis zu acht verschiedene (und teilweise voneinander abweichende) Kriterien auf, die allesamt erfüllt sein müssen, damit etwas als „lebendig“ gilt. Wie den  Mathematikern  ist es auch den Biologen bis heute nicht gelungen, ihren Betrachtungsgegenstand mit einer allgemein akzeptierten Definition zu versehen. Drei fast immer übereinstimmend genannte Merkmale sind Stoffwechsel, Selbstorganisation und Reizbarkeit. Allerdings finden sich diese Eigenheiten auch in der unbelebten Natur. Stoffwechsel versorgt ein System durch eine unablässige Folge chemischer Reaktionen mit Energie – was aber ebenfalls auf eine Flamme zutrifft. Selbstorganisation steuert Regelkreise und stellt aus physikalischer Sicht die kontrollierte Abfuhr von Entropie sicher – doch auch anorganische Reaktionen kennen solche Rückkopplungsmechanismen, ohne dass es uns in den Sinn käme, sie deshalb als lebendig zu bezeichnen. Reizbarkeit ist das Vermögen, Informationen situationsabhängig verarbeiten zu können – eine Fähigkeit, die zweifelsohne auch Computer haben.   Entropievernichtungsmaschinen Allein das Leben vermag es, diese drei Eigenschaften in sich zu vereinen. Das Zusammenspiel von Stoffwechsel, Selbstorganisation und Reizbarkeit erlaubt es komplexen Riesenmolekülen ein thermodynamisches Ungleichgewicht aufzubauen und mithilfe von Steuerungsmechanismen für die Dauer eines Lebens gegen die Entropie zu verteidigen, indem es geordnete Energie in ungeordnete Wärmeenergie umwandelt. Die Nichtgleichgewichtssysteme der Ordnung mögen noch so raffiniert sein, die Physik lehrt uns, wie wir in einem der kommenden Physik-Blogs noch genauer sehen werden, dass am Ende stets die Entropie gewinnt. Geordnete Systeme, wie das Leben, können nur befristet bestehen, denn über kurz oder lang nimmt gemäß dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik die Unordnung in einem System mit der Zeit zu. Und doch hat das Leben einen Weg gefunden, diesem fatalistischen Gesetz auf eine ganz besondere Art und Weise zu trotzen. Es geht um Fressen und Sex Diesen sehr speziellen Weg beschreiben drei weitere Lebensmerkmale: Fortpflanzung, Differenzierung und die Fähigkeit zur Evolution. Ihnen ist zu verdanken, dass die Kette des Lebens in fast vier Milliarden Jahren auf unserem Planeten kein einziges Mal abgerissen ist. Fortpflanzung ist die Voraussetzung für Differenzierung und Evolution. Sie basiert auf der Fähigkeit der Zelle, der kleinsten Lebenseinheit, sich teilen zu können. Der Teilungsprozess erlaubt vielzelligen Lebewesen Differenzierung, das heißt, die Fähigkeit, verschiedene Zelltypen hervorzubringen, die arbeitsteilig zusammenwirken können. Das dritte Merkmal, die Fähigkeit zur Evolution, beruht auf einem konstruktiven Knirschen im Getriebe der Vervielfältigungsmaschine: Quantenmechanische Zufälle erzeugen winzige Kopierfehler. Sie sind die Triebfeder der erstaunlichen Artenvielfalt. Lebensmerkmale haben also entweder stets mit Selbsterhalt oder Reproduktion zu tun. Salopp formuliert: Es geht um Fressen und Sex. Damit können wir einen Definitionsversuch wagen: Leben ist ein abgrenzbares System kohlenstoffbasierter Moleküle, das in der Lage ist, ein thermodynamisches Ungleichgewicht für eine gewisse Zeit aufrechtzuerhalten und sich innerhalb dieser Zeit zu reproduzieren. Das ist keine offizielle Definition – eine solche gibt es wiegesagt auch nicht. Beispielhaft liste ich drei weitere Definitionsversuche auf, diesmal von namhaften Biologen: „Leben ist jede Population von Einheiten, die einer Vermehrung, Vererbung und Variation fähig sind“ (John Maynard Smith); „Leben ist ein zu erwartendes kollektives Vermögen katalytischer Polymere zur Selbstorganisation“ (Stuart Kauffman); „Leben ist ein Netzwerk tiefer stehender negativer Rückmeldungen, das einer höherstehenden positiven Rückmeldung untergeordnet ist." (Bernard Korzeniewski).     Was genau ist Leben? Hilft uns das weiter? Leben bleibt ein unscharfer Begriff, der sich keiner mechanistischen Betrachtung unterordnen will; ein Phänomen ohne eindeutige Trennlinien, mit Grauzonen und Widersprüchen. Nehmen wir beispielsweise Viren. Sie verfügen über fast alle Kennzeichen des Lebens. Bei Stoffwechsel und Vermehrung sind sie allerdings auf Unterstützung durch eine lebende Zelle angewiesen. Die meisten Biologen sprechen ihnen deshalb den Status des Lebendigen ab. Das ist nicht ohne Willkür, denn auch Mensch und Tier sind auf den Stoffwechsel anderer Lebewesen angewiesen, um überleben zu können. Andererseits würde kein Biologe bestreiten, dass Ameisen Lebewesen sind. Doch den allermeisten von ihnen – Arbeiterinnen und Soldatinnen – fehlt ein entscheidendes Lebensmerkmal: Sie können sich nicht reproduzieren. Der Insektenstaat kann sich nur als arbeitsteiliges Kollektiv fortpflanzen. Das, was das Leben letztlich auszeichnet, ist seine Fähigkeit, Informationen über Generationen hinweg bewahren zu können – das können Viren und Ameisen gleichermaßen. Aus einer Handvoll Elemente baut die Natur mithilfe des Elektromagnetismus eine atemberaubende Fülle von replikationsfähigen Entropiebekämpfungsmaschinen. Leben (einschließlich seiner Fähigkeit, ein Bewusstsein zu entwickeln) ist Ausdruck dessen, wozu Atome alles in der Lage sind. Es ist eine faszinierende Erkenntnis, dass die Artenvielfalt als Möglichkeit bereits im Moment des  Urknalls angelegt war.   Weiterführende Literatur: Hawking, Stephen (2016): „Das Universum in der Nussschale“, dtv. Probst, Wilfried / Schuchardt, Petra (Hrsg): (2011): „Biologie“, Duden Schulbuchverlag.

Insekten-Mathematik Die Larven der Zikadenart Magicicada septendecim schlüpfen nur alle 17 Jahre. Kämen sie alle 12 Jahre auf die Welt, würden sie auf sämtliche Fressfeinde und Parasiten treffen, die ein-, zwei-, drei-, vier-, sechs oder zwölfjährige Reproduktionszyklen haben. Beim primzahligen 17-Jahres-Zyklus droht den Insekten hingegen nur von jenen ihnen nicht wohlgesonnenen Kreaturen Gefahr, die jährlich schlüpfen oder sich in demselben, ungewöhnlichen Rhythmus reproduzieren, wie die Zikaden selbst. Haben sich die Insekten mit dem Fundamentalsatz der Arithmetik auseinandergesetzt, um die Anzahl möglicher fataler Begegnungen zu minimieren? Wie kommen schlichte Gliederfüßer auf solch eine ausgeklügelte Strategie? Die Biologen haben darauf eine einfache Antwort: „Nichts in der Biologie ergibt einen Sinn, außer im Licht der Evolution“. Die Evolutionstheorie bildet eine mächtige Klammer, die alle biologischen Teildisziplinen, also Zelllehre, Physiologie, Genetik, Botanik, Zoologie, Ökologie und Verhalten zusammenhält. Sie beschreibt ein langfristig angelegtes Spiel mit dem Zufall; ein Spiel, das weder einem Plan folgt noch ein Ziel kennt und dessen einzige Regel lautet, dass alles erlaubt ist, was den eigenen Reproduktionserfolg erhöht. Jeder der unzähligen Spieler verfolgt eine andere Strategie. Es gibt nur wenige Gewinner – die vielen Verlierer zahlen mit ihrem Leben. Leben – was soll das sein? Aber was ist das eigentlich: Leben? Die Biologie hat das gleiche Problem wie die Mathematik : Es ist außerordentlich schwierig, den Untersuchungsgegenstand zu definieren. Wir wissen bis heute nicht genau, was Leben eigentlich ausmacht. Mit dieser schwierigen Definition werden wir uns im nächsten Biologie-Blog beschäftigen. Soviel vorweg: Wenn wir in verschiedene Biologie-Lehrbücher schauen, findet sich dort keine einheitliche Begriffsbestimmung. Jede Quelle listet eine andere Reihe von Merkmalen auf, die kumulativ erfüllt sein sollte, damit etwas als „Leben“ bezeichnet werden kann. Allerdings haben alle im weitesten Sinne immer etwas mit Selbsterhalt oder Reproduktion zu tun. Salopp formuliert: Es geht stets um Fressen und Sex. Übrigens: Die gängige Behauptung, dass der Tod zum Leben gehört, ist, wie wir später ebenfalls noch sehen werden, so nicht uneingeschränkt richtig… Eine folgenreiche Reise Die Ursprünge der Evolutionstheorie sind eng mit einem Vermessungsschiff der Royal Navy verknüpft. Am 27. Dezember 1831 brach die HMS Beagle zu einer langen Reise auf. In den folgenden fünf Jahren sollte die kleine Brigg, mit zahlreichen Zwischenstationen, einmal die Erde umrunden. Mit an Bord war ein 22-jähriger Naturwissenschaftler und ehemaliger Theologiestudent. Sein Name: Charles Darwin . Später sollte er in seiner Autobiographie schreiben: „Die Reise mit der Beagle war das bei weitem bedeutendste Ereignis in meinem Leben und hat meinen gesamten Werdegang bestimmt.“ Die zahlreichen Beobachtungen, die Darwin während seiner Reise machte, prägten, wie wir heute wissen, weitaus mehr als lediglich seinen persönlichen Werdegang: Nach seiner Rückkehr destillierte der neugierige Forscher in jahrzehntelanger Arbeit aus seinen Notizen eine umfassende Theorie des Lebendigen, die alle überkommenen Betrachtungen über den Haufen warf und die (sofern wir nicht dem Kreationismus anhängen) unsere heutige Sicht auf die Biologie in jeder Beziehung entscheidend bestimmt. Darwins bahnbrechendes Werk „ Über die Entstehung der Arten “, 1859 erschienen, beschreibt in beeindruckender Weise jene Kräfte, die aus einer Urzelle Abermillionen von Spezies entstehen ließen. Eine Theorie, die die ganze Biologie erklärt Die Evolutionstheorie erklärt jenes Räderwerk, das aus sich selbstreplizierenden organischen Verbindungen Abermillionen verschiedene Pflanzen- und Tierarten werden ließ. Die Einflussfaktoren, die bei dieser Entwicklung mitspielen, sind so zahlreich und die sich aus ihnen ergebenden Wechselwirkungen so komplex, dass sich ihre Ergebnisse, anders als im Falle der wohldefinierten Wissensbereiche Physik und Chemie , nicht mehr prognostizieren lassen. Wir können vorhersagen, wie sich eine Billardkugel bewegen wird, wenn eine bestimmte Kraft auf sie wirkt, oder welche Verbindung unter bestimmten Bedingungen aus Natrium und Chor entsteht. Wie sich die zahllosen Spielformen des Lebens künftig entwickeln werden, entzieht sich hingegen vollständig unserer Kenntnis. Die Vielfalt der biologischer Phänomene kann daher bestenfalls rückwirkend erklärt werden. Sie ist eine Naturwissenschaft ohne Naturgesetze. Während aktuell niemand mehr das von der Physik vermittelte Weltbild grundsätzlich infrage stellt, wird die Evolutionstheorie bis heute immer noch vielfach abgelehnt oder angefeindet. Einer Umfrage aus dem Jahre 2005 zufolge, sind 42% aller US-Amerikaner der Auffassung, dass sämtliche Arten ihre Existenz einem singulären göttlichen Schöpfungsakt verdanken und nicht einer sich über Jahrmilliarden hinwegziehenden biologischen Evolution. Egoistische Gene Den biochemischen Hintergrund der Artenvielfalt konnte Darwin noch nicht erklären. Den Grundstein hierfür legte wenige Jahre nach der Veröffentlichung von „ Über die Entstehung der Arten “ die empirische Forschung eines österreichischen Augustinermönchs namens Gregor Mendel, der mit seiner Arbeit die Vererbungslehre begründete. Es sollten noch einmal an die 90 Jahre vergehen, bis James Watson und Francis Krick die Molekularstruktur aufklären konnten, mit der Informationen auf die nächste Generation übertragen werden. Damit war die zentrale Verbindung von Darwins Makro-Theorie zu biochemischen Mikro-Prozessen hergestellt. Manche Evolutionsbiologen wie Richard Dawkins sind der Meinung, dass die von Watson und Krick dingfest gemachten Gene, als Träger der Erbinformation, nicht den Arten dienen, sondern dass sich die selbstsüchtigen Gene umgekehrt vielmehr der Arten bedienen, die sie gleichsam als roboterhaft fremdgesteuerte Erfüllungsgehilfen gegeneinander antreten lassen. Diese und zahlreiche weitere biologische Thesen werden wir in den kommenden Biologie Blogs näher beleuchten. Weiterführende Literatur: Darwin, Charles (2008): „Die Entstehung der Arten“, Nikol. Darwin, Charles (2016): „Die Fahrt der Beagle“, Theiss. Dawkins, Richard (1996): „Das egoistische Gen“, Rowohlt.

Was wir alles nicht wissen Dieser Blog (und mein Buch ) sind der Versuch, die wichtigsten Theorien vorzustellen, die für die ausgewählten Wissensgebiete den Anspruch haben, die Welt – oder zumindest wesentliche ihrer Aspekte – zu erklären. Bei der Auswahl ging es mir nicht darum, ob ich glaube (oder sonst irgendjemand glaubt), dass diese Theorien richtig sind, sondern darum, welche praktische Bedeutung diese Theorien im Laufe der Geschichte entfaltet haben und welche „Erklärungsmacht“ ihnen heute zugesprochen wird. Bei den Recherchen bin ich aber auch immer wieder darüber gestolpert, was wir heute alles NICHT wissen – und das ist tatsächlich eine ganze Menge. Es gibt zahlreiche Fälle, bei denen unser Wissen an Grenzen stößt. Ich versuche hier einmal einen Überblick zu geben. Für eine Systematik würde ich vier verschiedene Gründe von Nichtwissen vorschlagen (ich freue mich über Kritik oder Kommentare):   Methodischer Zweifel Limitationen unserer Sinne Potentiell lösbare Fragen Grundsätzliche Erkenntnisgrenzen   Methodischer Zweifel „Was kann ich wissen?“ ist die erste der vier berühmten „ kantschen Fragen “. Es geht also um Erkenntnistheorie , das philosophische Fachgebiet der Epistemologie. Ein zentraler Aspekt dabei ist, dass wir uns stets darüber im Klaren sein müssen, dass alle Erkenntnis immer nur vorläufig ist: Wir meinen etwas zu wissen, weil es sich augenscheinlich mit unseren Beobachtungen deckt. Das ptolemäische Weltbild etwa war in jeder Beziehung plausibel, bis Kopernikus , Kepler und   Galile i   zu der Erkenntnis kamen, dass es auch anders sein könnte und sich die Beobachtungen auch mit einem Modell erklären lassen, das die Sonne in den Mittelpunkt des Universums rückt. Heute wissen wir, dass die Sonne zwar Mittelpunkt unseres Sonnensystems ist, keinesfalls aber das Zentrum des Universums. Es gibt einige Beobachtungen, die nahelegen, dass auch unser heutiges Verständnis der Kosmologie zumindest unvollkommen, vielleicht aber auch schlichtweg falsch ist und wir keine Ahnung haben, wie wir diese Beobachtungen mit unserem heutigen Modellen versöhnen können. Da gibt es etwa den merkwürdigen Umstand, dass es eigentlich sehr viel mehr Materie im Universum geben müsste, als wir sehen können. Die für uns sichtbaren Sterne umkreisen das Zentrum ihrer Galaxien schneller, als wir aufgrund der uns bekannten Gravitationsträger erwarten würden. Etwa 85% aller Materie, die es demnach im Universum geben müsste, interagiert offenbar nicht mit elektromagnetischen Wellen, das heißt, sie ist unsichtbar und wird daher als „Dunkle Materie“ bezeichnet. Wir haben heute weder eine Vorstellung davon, ob es diese riesigen Stoffmengen überhaupt gibt, noch wie sie sich aufspüren lassen könnten. Dies nur als Beispiel, dass wir uns nie sicher sein können, dass unsere Annahmen über die Welt auch tatsächlich richtig sind. Der Urheber dieses methodischen Zweifels war übrigens René Descartes , der mit seinem Ansatz einen Neustart der abendländischen Philosophie initiierte. Alles, was wir wahrnehmen, kann grundsätzlich eine Täuschung sein. Die einzige Gewissheit, die wir haben, ist die, dass wir als denkendes Wesen existieren. Das ist sein berühmtes „cogito ergo sum“. Sonstige Gewissheiten gibt es erst einmal nicht und müssen schrittweise von diesem einzigen Ur- Axiom aus wieder zurückgewonnen werden. Es steht außer Frage, dass dieses von Descartes aufgehängte Damoklesschwert, das permanente, systematische Hinterfragen unseres vermeintlichen Wissens, seitdem eine der wichtigsten Triebfedern des wissenschaftlichen Fortschritts ist.   Limitationen unserer Sinne Eine weitere Erkenntnisgrenze wird uns unmittelbar durch unsere Sinne auferlegt. Die Erklärung hierfür liefert die Evolutionstheorie . Unsere Möglichkeiten, die Welt zu verstehen sind limitiert, denn unsere Sinnesorgane wurden nicht geschaffen, um die Welt zu verstehen, sondern um in ihr überleben zu können. Die knappen Rechenkapazitäten unseres Gehirns haben andere Prioritäten, als elektromagnetische Wellen zu erfassen, die außerhalb jenes Spektrums liegen, das wir als Licht oder Wärme wahrnehmen. Als Homo sapiens werden wir daher niemals wissen, wie ultraviolette, radioaktive oder langwellige Strahlen aussehen oder wie sie sich anfühlen. Genauso wenig haben es die Evolutionsmechanismen als relevant erachtet, die von Einstein entdeckte Raumkrümmung wahrnehmen zu müssen. Eine dreidimensionale Wahrnehmung der Welt war für unsere Vorfahren gut genug, um sich von Ast zu Ast zu schwingen. Immerhin ist es uns heute möglich mit entsprechenden Apparaten physikalische Phänomene außerhalb unseres Wahrnehmungshorizonts zu messen und mathematisch zu beschreiben. Das aber ändert nichts daran, dass uns der sinnliche Zugang verwehrt bleiben wird.    Potentiell lösbare Fragen Potentiell lösbare Fragen sind jene, bei denen die Wissenschaft heute gewissermaßen noch „auf dem Schlauch steht“. Dazu gehört etwa, dass die moderne Physik   nicht in der Lage ist alle Widersprüche zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und dem „ Standardmodell der Teilchenphysik “ aufzulösen. Eine Theorie, die beides vereinen könnte, wird gemeinhin als „ Weltformel “ bezeichnet. Das Teilchen, das die Schwerkraft vermittelt – das mutmaßliche Graviton  – konnte bis heute durch keinen noch so elaborierten Teilchenbeschleuniger nachgewiesen werden. Aber es erscheint nicht grundsätzlich undenkbar, dass wir eines Tages dieses Rätsel werden lösen können. Andere Beispiele liefert die Biologie : Es gibt – zumindest meines Wissens – bis heute weder eine allgemein akzeptierte Theorie des Todes noch eine ebensolche Theorie der Entstehung des Lebens: Wir wissen weder, warum wir sterben müssen, noch wie sich der Sprung von der Kohlenwasserstoffchemie zum Leben vollzog. Zwar gibt es dazu zahlreiche Hypothesen, doch keine, die empirisch belegt sind und im Wissenschaftsbetrieb allgemein anerkannt werden. Aber auch hier erscheint es nicht grundsätzlich ausgeschlossen, dass eines Tages ein besseres Verständnis plausible Erklärungen liefert. Gleiches gilt auch für die Mathematik : Hier gibt es verschiedene Problemsammlungen, wie die des Clay Institute, das zu Beginn des neuen Jahrtausends die aus Sicht des Institutes sieben wichtigsten ungelösten mathematischen Probleme zusammenstellte und für deren Lösung jeweils ein Preisgeld von einer Millionen Doller auslobte. Bis heute gelang es immerhin einem Mathematiker, Grigori Perelman , eines dieser Probleme, die Poincaré-Vermutung zu beweisen.              Grundsätzliche Erkenntnisgrenzen Bei dieser vierten Kategorie helfen keine technischen Apparate, mit denen wir die Limitationen unserer Sinnesorgane überwinden können. Vielmehr stoßen wir hier an ganz grundsätzliche Grenzen. Ich würde dabei zwei Fälle unterscheiden: Fehlender Determinismus Der Franzose Pierre-Simon Laplace  ersann 1814 basierend auf dem Weltbild der Newtonschen Mechanik einen fiktiven, allwissenden Weltgeist, der sämtliche Kausalitäten des Universums in Form von Funktionsgleichungen erfassen und simultan verarbeiten kann. Wären alle diese kausalen Beziehungen bekannt, ließe sich theoretisch damit die Bewegung aller Materie und damit die Zukunft der Welt bis an ihr Ende vorausberechnen. Die Quantenphysik kam aber in den 1920er Jahren zu der Erkenntnis, dass dem weder theoretisch noch praktisch so ist. Der Laplacesche Dämon – wir würden ihn heute als „Supercomputer“ bezeichnen – regiert nicht die Welt, denn diese ist auf ihrer untersten Ebene von Natur aus unbestimmt und diffus. In der klassischen Mechanik ist es möglich, den Ort  und Impuls   eines bewegten Objekts gleichzeitig zu bestimmen: Fährt ein Auto in eine Radarfalle, lässt sich genau sagen, wo das geschah und welche Geschwindigkeit und Masse das Fahrzeug hatte. In der Quantenwelt aber gilt dies nicht mehr. Der Wellencharakter der kleinsten Teilchen macht eine exakte Orts- und Impulsbestimmung der Teilchen unmöglich. Werner Heisenberg  fasste diese Erkenntnis 1927 in einer einfachen Formel zusammen, der Unschärferelation: Dabei steht delta x für die Ungenauigkeit der Ortsbestimmung, delta p für die Ungenauigkeit der Impulsmessung. Will man den Ort genauer bestimmen, indem man die Unschärfe delta x verringert, ergibt sich durch die multiplikative Verknüpfung unweigerlich eine Einbuße der Genauigkeit der Impulsmessung delta p.   Je genauer wir also bei der einen Größe hinschauen, umso weniger können wir über die andere wissen. Prinzipielle Unmöglichkeit Was war vor dem Urknall? Was geschieht in einem schwarzen Loch? In was hinein expandiert das Universum? All diese Fragen werden wir nie beantworten können, weil unsere Erkenntnismöglichkeit hier an ganz prinzipielle Ränder stößt. Zeit, Raum und Materie, die Denkkategorien, in denen wir uns bewegen können, sind erst im Moment des Urknalls entstanden. Ob es vor dem Big Bang eine andere Physik gab und wie diese konstruiert war, können wir nicht wissen; wir sind in unserer heutigen Welt und ihren heutigen Regeln gefangen. Die extreme Gravitation schwarzer Löcher verschluckt sogar das Licht und beraubt uns damit jeder Möglichkeit, jemals was auch immer aus dem Innern des Lochs zu berichten. Um zu verstehen in was hinein das Universum expandiert, müssten wir in der Lage sein unsere Welt von außen zu betrachten – doch wir sind zwangsläufig selbst Teil dieses Systems. Ein System aber kann sich nicht vollständig selbst erklären. Das war die entscheidende Erkenntnis des Mathematikers Kurt   Gödel , der 1931 den Nachweis erbrachte, dass es mathematische Aussagen   gibt, die zwar wahr sind, die aber dennoch nicht bewiesen werden können. Gödel zeigte, dass die Widerspruchsfreiheit eines axiomatisierten formalen Systems nicht innerhalb des Systems selbst beweisbar ist. Sowenig, wie ein Gehirn   sich selbst vollständig erforschen und eine Sprache   sich selbst vollständig erklären kann, kann auch die Mathematik allein nicht die Widerspruchsfreiheit der Mathematik beweisen. Dies hat nichts mit dem Unvermögen der Akteure zu tun, es ist vielmehr grundsätzlich  nicht möglich: Um ein System vollständig zu beschreiben, muss man es von außen betrachten können. Die Mathematik aber kann sich nicht nur mit Hilfe der Mathematik erklären und auch führende Neurobiologen sind der festen Überzeugung, dass aus diesem Grund unser Gehirn niemals in der Lage sein wird, sich selbst in seiner Gesamtheit vollständig zu analysieren. Dort übrigens, wo wir an prinzipielle Grenzen, an die Ränder unserer Erkenntnis stoßen, bleibt Raum für Glauben , ein dimensionsloses Terrain, das die Wissenschaft nie wird besetzen können. Dieser Glaube kann religiöser Natur sein oder auch sehr profan: So beruht das ganze Gebäude der Mathematik mit Vermutung, Beweis und Satz  letztlich auf Axiomen , simplen Aussagen, die so einleuchtend erscheinen, dass sie ganz offenbar keines Beweises bedürfen. Damit basiert aber auch die vermeintlich vollkommenste aller Wissenschaften letztlich auf einem unbewiesen Glaubens-Fundament.   Wer Millionär werden möchte:        The Millennium Prize Problems - Clay Mathematics Institute

Fortsetzung von "Der Anfang von Allem" Die Entstehung der Sonne Eine dieser Galaxien nennen wir heute die Milchstraße , eine in jeder Beziehung unauffällige, spiralförmige Ansammlung von lediglich 200 Milliarden Sternen und einem überschaubaren Durchmesser von 100.000 Lichtjahren. In einem ihrer Spiralarme, 30.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt, entsteht vor etwa 4,6 Milliarden Jahren ein neuer Stern . In der Buchhaltung des Universums ist dieser Stern ein Nichts. Eine Sonne der dritten Generation, geboren aus Sternenstaub und mit nur 700.000 Kilometern Durchmesser viel kleiner als ihre Ahnen. Das nukleare Feuer, das sich in ihr entzündet, beginnt Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. Aufgrund seiner geringen Gewichtskraft wird der kosmische Reaktor bei einer Oberflächentemperatur von lediglich 5.500 Grad Celsius zehn Milliarden Jahre verlässlich und konstant brennen.   Der Ursprung des Planetensystems Um den jungen Himmelskörper wirbelt eine flache Rotationsscheibe aus den Trümmern vergangener Supernovae -Explosionen. Die Zentripetalkraft bewahrt sie vor dem Sturz in das Gravitationszentrum. Kleine Verdichtungen entstehen; deren Schwerkraft zieht weitere Staubteilchen an und formt sie zu massiven, kugeligen Zusammenballungen. Durch ihren gemeinsamen Ursprung haben sie alle dieselbe Richtung und Achsrotation. Während sich am Rand riesige Gaskugeln zusammenballen, verdichten sich in Sonnennähe die schweren Elemente zu vier kleinen Gesteinsbrocken. Ein Planetensystem ist entstanden. Wie Galaxien  und Sonnen  ist auch dieses System eine winzige, durch die Gravitation geschaffene Insel der Ordnung in einem immer grösser werdenden Meer aus Entropie .   Eine glückliche Katastrophe schafft einen neuen Planeten   Der Größte unter den kleinen Gesteinsplaneten zieht seine Kreise 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Fünfzig oder sechzig Millionen Jahre nach Beginn des Sonnenfeuers wird der junge Himmelskörper um ein Haar wieder ausgelöscht: Theia , ein gigantischer Gesteinsbrocken, kollidiert mit der Ur-Erde . Theia wird dabei zertrümmert, die Erde aber überlebt, wenn auch mit schweren Blessuren, den wuchtigen Impuls. Innerhalb weniger tausend Jahre schafft die Gravitation aus den Trümmerstücken der Kollision den Mond . (Diese Kollisionsthese gilt heute als die wahrscheinlichste Erklärung für die Mondentstehung.) Nur wenige zehntausend Kilometer trennen die beiden Himmelskörper. Aus dem kosmischen Unfall ist eine Partnerschaft entstanden, die sich für die neue Erde  als außerordentlicher Glücksfall erweisen wird: Tanzte sie vor der Kollision noch wie ein instabiler Kreisel um ihre Rotationsachse, beginnt sich die Drehbewegung der Erde nun unter dem Einfluss der Mond-Gravitation zu stabilisieren. Theias Peitschenhieb hat die Erdrotation  beschleunigt: Ein Erdentag geht bereits nach sechs Stunden zu Ende. Der junge Planet ist ein ausgesprochen unwirtlicher Ort. Der Sonnenwind, ein hochenergetischer Strom aus Protonen, Neutronen und Alphateilchen, prasselt ungehindert auf die Erde nieder und verhindert die Bildung einer Gashülle. Unter dem permanenten Bombardement kosmischer Gesteinsbrocken hat sich die Oberfläche des Planeten verflüssigt. Auch in seinem Inneren rumort es gewaltig: Druck und radioaktiver Zerfall haben eine zähflüssige Masse erzeugt, in der sich nun die Elemente nach Gewicht zu sortieren beginnen. Schwere Metalle wie Eisen und Nickel sinken in Richtung des Erdmittelpunkts und formen den Erdkern, während die leichteren Elemente den Erdmantel bilden. Ein gewaltiger Druck sorgt dafür, dass der innere Teil des Erdkerns trotz extremer Temperaturen fest bleibt. Im äußeren, flüssigen Teil des Kerns stellen mächtige Konvektionsströme den thermischen Ausgleich zwischen innerem Kern und Erdmantel sicher. Heiße Eisenmassen steigen nach oben, kältere sinken nach unten. Wie ein Dynamo erzeugt die Bewegung der kreisenden geladenen Atome einen elektrischen Strom und erschafft ein dichtes, erdumspannendes Magnetfeld. Es wird von nun an wie ein Schutzschild die Oberfläche des Planeten vor der zerstörerischen Kraft des Sonnenwinds bewahren. Atmosphäre 500 Millionen Jahre nach Geburt der Erde beginnt sich auf ihrer Oberfläche eine dünne Kruste auszubilden. An keiner Stelle wird sie mehr als 40 Kilometer tief werden. Die Oxide leichter Metalle, Silizium, Aluminium und Magnesium, schaffen schroffe Basalt- und Granitformationen. Zahlreiche Vulkane wirken als Druckausgleichsventile für den darunter schwimmenden heißen Erdmantel . Ihre Krater speien große Mengen an Stickstoff, Methan, Ammoniak, Schwefeldioxid, Kohlendioxid und Wasserdampf aus, die zuvor im Gestein eingeschlossen waren. Durch den Meteoritenbeschuss ist die Masse der Erde soweit angewachsen, dass ihre Gravitation  das ausgeschwitzte Gasgemisch nun auch festzuhalten vermag: Eine erste dauerhafte Atmosphäre umhüllt den Planeten. Wasserdampf steigt empor, erkaltet und es beginnt zum ersten Mal zu regnen. Beim Aufprall auf die noch immer heiße Erdkruste verdampft das Wasser sofort. Dabei nimmt es einen kleinen Teil der Wärmeenergie mit in die Atmosphäre, wo es erneut kondensiert und wieder herabregnet. Die Sintflut dauert viele zehntausend Jahre. Doch eines Tages hat sich die Oberfläche soweit abgekühlt, dass das Wasser am Boden bleibt. Nach und nach entstehen die Ur-Ozeane. Zahlreiche Eismeteoriten bringen weiteres Wasser. 1,4 Milliarden Kubikkilometer werden sich so mit der Zeit davon auf der Erdoberfläche ansammeln. Mit der Atmosphäre entsteht auch das Wetter . Thermische Strömungen treiben Wolken vor sich her, die sich über Land niederschlagen, Seen und Flüsse bilden und wieder zurück in die Meere strömen. Der Wasserkreislauf hat sich in Gang gesetzt. Winde und Meeresströmungen bewirken einen permanenten Temperaturausgleich. Tagsüber speichern Atmosphäre und Ozeane Wärme, die sie nachts wieder abgeben, so dass auch auf der Nachtseite der Erde die Temperaturen moderat bleiben. Unterdessen beginnen sich die durch die Gravitation des Mondes erzeugten Gezeiten wie ein Bremssystem auf die Erdrotation auszuwirken: Die Drehgeschwindigkeit des Planeten verringert sich, die Erdentage werden langsam länger. Um den Impuls des Gesamtsystems zu erhalten, muss sich der Mond mit schwindender Erd-Rotationsenergie zunehmend von seinem Planeten entfernen. (Die Impulserhaltung bewirkt, dass sich heute der Mond jedes Jahr knapp 4 cm von der Erde entfernt.) Der zunehmende Abstand des Trabanten beruhigt die Urmeere und das Wechselspiel der Kräfte führt zu einer gebundenen Rotation des Mondes. Er dreht sich nun während eines Erdumlaufs genau einmal um seine eigene Achse und wendet uns daher seitdem stets die gleiche Seite zu.   Der Elektromagnetismus übernimmt die Regie Vier Milliarden Jahre vor unserer Zeit ist der Verdichtungsprozess der Erde abgeschlossen; ihr Durchmesser beträgt nun knapp 13.000 Kilometer. Die Rotationsgeschwindigkeit hat sich weiter verringert, ein Erdentag dauert bereits 14 Stunden. Im Vergleich zu ihren Schwesterplaneten, zeichnet sich die Erde durch eine Reihe von Besonderheiten aus: Ein ungewöhnlich großer Mond stabilisiert ihre Rotationsachse; ihre Oberfläche birgt einen gigantischen Wasservorrat; ein starkes Magnetfeld hält die Sonnenwinde fern, während eine dichte Atmosphäre die Wärme des Zentralsterns speichert und die meisten Meteoriten nun vor dem Aufschlag verglühen lässt. Hunderte von Jahrmillionen hat vor allem die Gravitation das Schicksal der Erde bestimmt. Von nun an wird die vielgesichtige Kraft des Elektromagnetismus die Regie übernehmen und eine chemische Evolution in Gang setzen. Die Voraussetzungen könnten besser nicht sein: Moderate, konstante Temperaturen und Unmengen von Wasser, in dem zahllose Sauerstoff-, Stickstoff-, Phosphor- Schwefel- und Kohlenstoffatome gelöst sind. Schwache Bindungen entstehen und lösen sich wieder, nur um sogleich eine andere Konstellation auszuprobieren. Das unentwegte Experimentieren lässt auf der Basis von Kohlenstoffketten erste organische Riesenmoleküle  von bislang unbekannter Komplexität entstehen. Aus Monosacchariden, Aminosäuren, Nukleotiden und Fettsäuren formen sich nach und nach komplexe Zucker, Proteine, Lipide und Polynukleotide. Auch sie sind Kinder des Urknalls …   Den Blog entdecken   Wer mehr wissen will: v. Ditfurth Hoimar, (1972):  Im Anfang war der Wasserstoff.  Hoffmann und Campe.  [i] Der Impulserhaltungseffekt lässt sich am einfachsten bei den Pirouetten der Eiskunstläufer beobachten: Wenn sie ihre Arme ausbreiten, verringert sich ihre Rotationsgeschwindigkeit. Die Impulserhaltung bewirkt die langsame stetige Entfernung des Mondes von der Erde.