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Wissenschaft für alle

Lars Fischer
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  • August 12, 2010
  • 04:53 PM
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Pakistan: Die Folgen der Flut - mit Spendenaufruf

by Lars Fischer in Fischblog






Es zeichnet sich inzwischen ab, dass die Monsunflut von Pakistan eine der größten Naturkatastrophen der jüngeren Geschichte ist. Schon jetzt stellen die Ereignisse am Indus prominentere Ereignisse wie den Weihnachtstsunami 2004 in den Schatten, und dabei ist das gesamte Ausmaß der Katastrophe noch kaum zu ermessen. Anhaltender Regen hat zehn Tage nach den ersten Höchstständen, über die ich vor einer Woche schon geschrieben habe, eine zweite Flutwelle erzeugt, die sich nun ebenfalls auf das Tiefland zu bewegt. 


Dieses zweite Hochwasser erreicht nicht ganz den Pegelstand der ersten Welle, dafür scheint es deutlich länger zu dauern bis diese Flut durchgezogen ist. Die erste Welle hat indessen die Provinz Sindh erreicht. Am Sperrwerk von Sukkur, der drittgrößten Stadt der Region, ist das Hochwasser so extrem, dass es vier Tage lang die Kapazität der Messeinrichtungen überstieg. Der Damm ist für einen maximalen Fluss von 900.000 cusecs ausgelegt, teilweise dürfte die aktuelle Indus-Flut dort allerdings deutlich über 1,3 Millionen cusecs erreicht haben.



Wie dramatisch die Lage in der Ebene ist, verdeutlicht das Satellitenbild: Der Indus füllt sein Flusstal derzeit völlig aus und drückt Wasser weit in die Ebene hinein. Besonders bemerkenswert ist die Seenlandschaft, die sich südlich der Stadt Sibi gebildet hat – in der Wüste.





Bild: NASA


Wegen des nach wie vor starken Regens in den letzten Tagen ist auch an den zuerst betroffenen Oberläufen die Lage nicht besser als vor einer Woche. Angeblich hat eine Flut ein ganzes Dorf vernichtet als ein aufgestauter See seinen durch Erdrutsche entstandenen Damm durchbrach. Erdrutsche und Hochwasser haben vor allem beträchtliche Teile der Infrastruktur zerstört oder blockiert, so dass ganze Landstriche derzeit mehr oder weniger von der Außenwelt abgeschnitten sind. Es wird wohl noch Wochen dauern bis man absehen kann, wie viele Tote es im gebirgigen Norden tatsächlich gegeben hat.


Doch mit dem Ende der Flut beginnt die eigentliche Krise erst. Wenn sich das Wasser zurückzieht, hinterlässt es zerstörte Straßen und Häuser, Totes Vieh, vernichtete Ernten und verschmutzte Brunnen. Diese Nachwirkungen werden nicht nur die direkt betroffenen Menschen, sondern die gesamte Region auf Jahre hinaus beschäftigen. Schon jetzt sind über 14 Millionen Menschen direkt von der Flut betroffen. Die Folgen der Katastrophe haben das Potential, die politische und soziale Situation in dem noch nie allzu stabilen Staat – immerhin eine Atommacht – dramatisch zu verschärfen.


Neben den direkten ökonomischen, sozialen und politischen Folgen einer so ausgedehnten Überschwemmung drohen langfristige gesundheitliche Effekte. Durch den Mangel an sauberem Trinkwasser grassieren in den betroffenen Gebieten bereits Cholera und Durchfallerkrankungen, die wegen der schlechten Versorgungslage vor allem Kindern, Alten und Kranken zum Verhängnis werden. Infektionskrankheiten verbreiten sich in beengten Notunterkünften natürlich besonders gut.


Auch nach dem Ende der Flutphase wird sauberes Trinkwasser für lange Zeit ein Problem bleiben – selbst unter normalen Umständen leidet Pakistan unter Wassermangel. Ursache sind paradoxerweise abnehmende Regenfälle und damit schwindende Grundwasserreserven, aber auch die schlechte Infrastruktur trägt dazu bei. Ich gehe davon aus, dass die Flut Teile des Systems beschädigt oder verschmutzt und so vielerorts die Lage verschärft.


Eine weniger bekannte, aber durchaus reale Gefahr besteht durch Schimmel und Bakterien in Gebäuden, die für eine gewisse Zeit unter Wasser gestanden haben. Eine Viertelmillion Häuser, heißt es, wurden allein in Punjab und der Nordwest-Provinz zerstört oder beschädigt. Nur ein Teil von ihnen wird neu aufgebaut oder gründlich getrocknet. In den übrigen verbleibt Feuchtigkeit in Böden und Wänden, die dadurch schimmeln und eine echte Gesundheitsgefahr darstellen.


Schwerer einzuschätzen, aber dadurch keineswegs weniger bedeutsam sind die sozialen und psychologischen Effekte auf die Opfer. Allgemeine Krankheitssymptome sind häufig bei Flutopfern und gehen nur zum Teil auf die tatsächlichen physischen Bedingungen zurück. Betroffene klagen über starken Stress, der seinen Tribut fordert – anekdotische Berichte nennen gravierende Effekte bis hin zu überwunden geglaubten schweren Erkrankungen wie Krebs, die als Reaktion auf die Flut zurückkehren. Angst, Verlust und Hilflosigkeit durch die Flut sind traumatisierende Erfahrungen, die oft schwer zu überwinden sind, insbesondere für Kinder.
Studien unter anderem aus Großbritannien zeigen, dass vergleichsweise wenige Betroffene in den folgenden Monaten vollständig über das Erlebte hinwegkommen – und das bei vergleichsweise kleinen Fluten in Europa, mit ausreichend Rettungskräften medizinischer Versorgung und Hausratsversicherungen.


Durch das enorme Ausmaß der Katastrophe und die große Zahl der Betroffenen droht nun in Pakistan eine beispiellose humanitäre Katastrophe, die das Land nicht alleine bewältigen kann. Die Opfer brauchen medizinische Hilfe, Unterkünfte, Lebensmittel und Wasser, bis sich die Lage wieder normalisiert – wenn sie sich denn normalisiert. Atommacht, Taliban und so…


Trotz der dramatischen Lage steht bisher insgesamt sehr wenig Geld zur Verfügung, vor allem wenn man das Spendenaufkommen nach früheren Katastrophen dieser Größenordnung in Betracht zieht. Wir dürfen Pakistan nicht hängen lassen! Die Ärzte ohne Grenzen sind derzeit in Pakistan aktiv und betreiben dort mehrere mobile Kliniken für die Hochwasseropfer. Neben medizinischer Hilfe wird vor allem sauberes Trinkwasser benötigt, auch die Versorgung mit Lebensmitteln ist inzwischen gefährdet.



Ärzte ohne Grenzen – Spendenkonto

Welt.de | Liste mit Spendenkonten anderer Hilfsorganisationen


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Tapsell, S., Penning-Rowsell, E., Tunstall, S., & Wilson, T. (2002). Vulnerability to flooding: health and social dimensions Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 360 (1796), 1511-1525 DOI: 10.1098/rsta.2002.1013
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Tapsell, S., Penning-Rowsell, E., Tunstall, S., & Wilson, T. (2002) Vulnerability to flooding: health and social dimensions. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 360(1796), 1511-1525. DOI: 10.1098/rsta.2002.1013  

  • June 20, 2010
  • 12:11 PM
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Gab es eine Dinosaurier-Zivilisation?

by Lars Fischer in Fischblog


Die Dinosaurier waren etwa 170 Millionen Jahre lang – von der mittleren Trias bis zum Ende der Kreidezeit – die dominanten Landwirbeltiere auf diesem Planeten. Huhngroße gefiederte Nesträuber gab es in dieser Klasse ebenso wie bis zu hundert Tonnen schwere Pflanzenfresser. Eines jedoch haben die Dinos nicht hervorgebracht: Eine technische Zivilisation. Oder?

Erstaunlicherweise haben Forscher in den Gesteinsschichten der Kreide-Tertiär-Grenze vor 65 Millionen Jahren besondere Spuren gefunden, die auf diesem Planeten, so glaubte man bisher, erst mit der industriellen Revolution Einzug gehalten haben. Der Ruß, der in diesen Lagen gehäuft auftritt und bisher auf globale Waldbrände durch einen Meteoriten zurückgeführt wurde, enthält wenige Mikrometer große kugelförmige Partikel, die nur bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen.



Die These von den Waldbränden am Ende der Dinosaurier-Epoche krankte schon immer an dem Umstand, dass man erstaunlich wenig Brandreste und dafür viel unverbranntes Holz gefunden hat – mit den neuen Funden ist klar, dass ein beträchtlicher Teil des Rußes aus einer anderen Quelle kommen muss. Die fraglichen Cenosphären sind kleine Hohlkugeln, die in industrieller Flugasche häufig vorkommen und entstehen, wenn fein zerstäubte fossile Brennstoffe unvollständig verbrennen, zum Beispiel in Motoren und Kraftwerken. Was in der Natur brennt ist dagegen eigentlich nie fein verteilt.



Cenosphäre von der Kreide-Tertiär-Grenze.
Quelle: Harvey et al., Geology 36,
S. 355-358, 2010. DOI: 10.1130/G24646A.1

Nun stammt der bemerkenswerte Fund nicht aus irgendwelchen Gesteinen. Die rußige Schicht am Übergang der Oberkreide zum Paläogen markiert den kataklysmischen Schlussstrich: Hier beendete ein globales Massensterben die Ära der Dinosaurier und machte den Weg frei für den Aufstieg der Säugetiere, dessen vorläufiger Gipfel – oder Tiefpunkt – die globale Dominanz des Menschen darstellt. Über die Ursache des Auslöschungsereignisses wird nach wie vor gestritten. Die weithin akzeptierte These vom großen Chicxulub-Treffer wurde und wird immer wieder in Frage gestellt, insbesondere die Chronologie der Ereignisse. Es ist gar nicht so einfach zu belegen, dass der Himmelskörper genau zum Zeitpunkt des Aussterbens der Dinosaurier die Erde traf – und nicht etwa mehrere Hunderttausend Jahre zuvor, wie einige Forscher nach wie vor behaupten.

Der Fund der Cenosphären lädt allerdings zur Spekulation ein: Ist es nicht auffällig, dass auch dieses Vorkommen solcher Partikel mit einem Massenaussterben verbunden ist? Der Mensch jedenfalls verringert die biologische Vielfalt mit Hilfe fossiler Brennstoffe so effektiv, dass zukünftige Generationen wahrscheinlich vermuten werden, das sei von Anfang an der Sinn der Sache gewesen. In weiteren 65 Millionen Jahren jedenfalls wird unsere Epoche im Gestein kaum anders aussehen als der Exitus der Dinosaurier: Ein ungewöhnlich rußiger Streifen mit hohen Konzentrationen seltener Metalle. Und Cenosphären.


Zumindest das naheliegende Gegenargument, dass man bis jetzt keine anderen Hinweise auf eine technische Zivilisation gefunden habe, ist wenig stichhaltig. Auch von unserer Technik wird wenig übrig bleiben, das dauerhaft an uns erinnert. Wie unsere Hinterlassenschaften nach und nach verschwinden, kann man im wirklich lesenswerten Buch „Die Welt ohne uns“ von Alan Weisman nachlesen, das euch hiermit dringend ans Herz gelegt sei. Ich bin mit Weisman uneins, welche Spuren der Menschheit am langlebigsten sind – er sagt Autoreifen, ich sage Kloschüsseln – klar ist jedoch, dass kaum etwas menschengemachtes die nächsten fünf Millionen Jahre überleben wird, geschweige denn fünfundsechzig.


Was überlebt, sind Knochen. Für eine technische Zivilisation braucht ein Lebewesen gewisse anatomische Voraussetzungen – Delfine mögen schlau sein, aber mit Flossen kann man keine Schlagbohrmaschine bedienen, geschweige denn eine solche konstruieren. Wer dagegen ein menschliches Skelett findet, wird auch in 65 Millionen Jahren noch erahnen können, was man mit Händen alles anstellen kann.


Es ist aber gar nicht klar, ob ein solcher Überrest auftauchen würde. Schon was wir an Knochen von unseren mehr oder weniger direkten Vorfahren besitzen, besteht überwiegend aus kleinen Fragmenten und passt locker in einen Kleinlaster. Entsprechend unvollständig sind unsere Kenntnisse in der Sache, und das nach gerade mal vier Millionen Jahren.


Von den Dinosauriern trennt uns das Fünfundzwanzigfache dieses Zeitraumes: Hundert millionen Jahre, in denen Kontinente einander angerempelt haben wie Metaller in einem Moshpit. Die fossile Überlieferung ist, das kann man angesichts tausender Skelette und farbenprächtiger Dioramen in den Museen leicht mal vergessen, extrem lückenhaft. In der Paläontologie spricht man zum Beispiel vom „Middle Jurassic Gap“, einer eklatanten Fundlücke im mittleren Jura (pdf). Für diesen Zeitraum ist nicht einmal klar, welche Dinosauriergruppen auf den Bruchstücken des Superkontinents Pangäa lebten, geschweige denn welche Arten.



Moderne Cenosphäre.
Quelle: Harvey et al., Geology 36,
S. 355-358, 2010. DOI: 10.1130/G24646A.1

Kann durch diese Lücken eine komplette Zivilisation hindurchrutschen? Eine prähistorische Agrarkultur zweifellos, und ausgeschlossen ist das nicht einmal für eine globale Industriegesellschaft. Die materiellen Relikte einer Dino-Technik wären dank der bewegten Geschichte der Erdkruste längst vergangen, und eine vorzeitliche Industrie verriete sich bestenfalls in Form subtiler chemischer Spuren. Zum Beispiel Cenosphären.

Unglücklicherweise haben die Autoren der Publikation eine bessere Idee, woher die seltsamen Aschepartikel im Gestein kommen, und auch gute Argumente dafür. Sie sagen, dass die Kugeln entstanden, als der Chicxulub-Meteorit Gesteinsschichten mit sehr hohem Kohlenstoffgehalt traf. Dieses Gestein verdampfte beim Einschlag und verteilte die enthaltene organische Materie als feine, brennende Tropfen in der Atmosphäre, die als Cenosphären wieder auf die Erde herabregnete.


Das Gestein rund um die Impaktstelle enthält tatsächlich sehr viel Kohlenstoff, der in Form von Öl und Gas heutzutage intensiv gefördert wird, und die Cenosphären werden um so kleiner, je weiter man sich von Mittelamerika entfernt. Außerdem sehen die Partikel aus dieser Schicht völlig anders aus als ihre modernen Gegenstücke – ihre Oberfläche ist weniger porös und sie sind hellbraun. Cenosphären aus industrieller Flugasche sind immer schwarz.

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Harvey, M., Brassell, S., Belcher, C., & Montanari, A. (2008). Combustion of fossil organic matter at the Cretaceous-Paleogene (K-P) boundary Geology, 36 (5) DOI: 10.1130/G24646A.1
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Harvey, M., Brassell, S., Belcher, C., & Montanari, A. (2008) Combustion of fossil organic matter at the Cretaceous-Paleogene (K-P) boundary. Geology, 36(5), 355. DOI: 10.1130/G24646A.1  

  • June 2, 2010
  • 05:05 AM
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Die Folgen der Ölpest – Teil eins: Die Lehren von Ixtoc

by Lars Fischer in Fischblog



Angesichts des Ausmaßes der Ölpest im Golf von Mexiko mag das verblüffen, doch die Deepwater-Horizon-Katastrophe ist nicht die erste ihrer Art. Ein Ölausbruch vor dreißig Jahren bietet interessante Parallelen zur heutigen Situation.



Rückblende ins Jahr 1979: Seit Dezember des Vorjahres bohrte die staatliche mexikanische Ölgesellschaft PEMEX vor der Stadt Campeche in Yucatan in etwa 50 Metern Wassertiefe nach Öl. Diese Ixtoc I genannte Bohrung hatte bis zum 2. Juni eine Tiefe von 3600 Metern erreicht, als plötzlich der Bohrschlamm im umliegenden Gestein zu verschwinden begann.


Das deutet auf Risse im Gestein hin, und die Arbeiter zogen den Bohrstrang aus dem Loch, um das Loch mit Zement zu verfüllen. Dazu kam es aber nicht, denn ihnen kamen zuerst Bohrschlamm und dann Öl und Gas entgegen, es gab eine große Explosion und die Bohrinsel sank. Öl strömte aus dem Loch am Meeresboden ins Meer, 297 Tage lang, insgesamt geschätzte 3,3 Millionen Barrel. Das ist etwa vier mal so viel wie bis jetzt aus dem Deepwater-Horizon-Leck geströmt ist.



Deepwater Horizon ist jedenfalls nicht das erste monatelang sprudelnde Unterwasser-Loch und auch was die ausgelaufene Menge angeht nicht beispiellos. Das mag angesichts des Ausmaßes der Ölpest verblüffen, aber tatsächlich hatten wir so etwas ähnliches schon einmal. Und aus dem historischen Beispiel kann man einiges über Deepwater Horizon ableiten.





Ixtoc I sprudelte 297 Tage. Das Gas verbrannte vor Ort. Bild Olof Lindén, aus: Jernelöv, Lindén. Ambio, Vol. 10, No. 6, The Caribbean (1981), S. 299-306.


Das 1979 am Meeresgrund austretende Öl formte bildete an der Wasseroberfläche eine ein bis vier Zentimeter dicke Schicht einer Emulsion. Etwa zehntausend Tonnen oder fünf Prozent der Gesamtmenge konnten die Rettungskräfte deswegen direkt vor Ort abschöpfen, während das Gas direkt verbrannte. Das Ixtoc-Öl war, wie das von Deepwater Horizon, verhältnismäßig leicht, mit einem großen Anteil flüchtiger Substanzen, die in den Tagen nach dem Erreichen der Oberfläche langsam verdunsteten.


Wie Öl verschwindet: Lösen, verdampfen, verwittern
Etwa die Hälfte des 1979 ausgelaufenen Öls, schätzen Wissenschaftler, hat sich daher einfach im Laufe der Zeit verflüchtigt oder wurde chemisch und biologisch abgebaut. Es hätte sogar noch mehr sein können, allerdings verhinderte die Emulsion weitere Verdampfung. Durch die Verwitterung des Öls an der Luft verschwinden vor allem die giftigsten Bestandteile aus dem Öl, so dass die zurückbleibende Masse im Laufe der Zeit harmloser wird. Das ist vor allem deswegen relevant, weil es eine Weile dauert, bis Öl von einer Hochseequelle an die Küste gelangt.


Ein Teil des Öls hat sich damals auch im Wasser gelöst. Das betraf mengenmäßig nur einen Bruchteil, allerdings dafür insbesondere sehr toxische kleine Moleküle wie Benzol. Das erreichte nach der Ixtoc-Havarie Konzentrationen über 100 Mikrogramm pro Liter und war noch 40 Kilometer entfernt im Wasser nachweisbar war. Analog zeigen historische Daten anderer Ölunfälle, dass Bestandteile des Öls besonders im Gewebe von Muscheln auch noch in Bereichen nachweisbar sind, in denen keine sichtbare Verschmutzung an der Wasseroberfläche auftrat. Leider gibt es keine entsprechenden Untersuchungen zu Ixtoc 1, so dass wir nicht so genau wissen, was mit den gelösten Schadstoffen geschah.


An der Wasseroberfläche
Schwimmendes Öl verwittert im Laufe der Zeit und wird nicht nur schwerer, sondern auch zäher und spröder, weil es nach und nach immer mehr seiner leichten und flüchtigen Bestandteile verliert. Etwa ein Viertel des aus der Ixtoc-Quelle ausgelaufenen Öls erreichte nie die Küste und ging diesen weg. Es wurde von den Wellen in kleine Tropfen und Fetzen zerschlagen, an die sich organische Partikel anlagerten und es noch schwerer machten. Die kleinsten Partikel wurden von Plankton und anderem Meeresleben gefressen und wieder ausgeschieden. Das sukzessive schwerer werdende Öl sank dann irgendwann Richtung Meeresgrund. Studien deuten darauf hin, dass speziell schwerflüchtige Teerbestandteile recht schnell auch von der Oberfläche in die Tiefsee transportiert werden können. Was sie dort unten anrichten ist weitgehend unbekannt.


Am Strand
Die sichtbarste Folge einer Ölpest ist natürlich der Saum schwarzer Schmiere, die an den betroffenen Küsten zurückbleibt. Vom aus der Ixtoc-Quelle ausgelaufenen Öl landeten etwa 30.000 Tonnen an Mexikos Stränden, während geschätzte 4000 – 10.000 Tonnen an der texanischen Küste angespült wurden. Die damals betroffene Küste besteht fast ausschließlich aus Sandstrand, was sich als glücklicher Umstand erwies, denn schon der erste Herbststurm vermischte das Öl mit Sand und spülte es vom Strand weg. Damit blieb den betroffenen Regionen einiger Ärger erspart. Wie wir aus der Havarie der Exxon Valdez gelernt haben: Wenn das Öl erst einmal irgendwo klebt, dann bleibt es da auch. Versuche, die ölverschmierten Felsen Alaskas mit Seife zu reinigen, haben jedenfalls mehr Schaden angerichtet als genützt.





Bleibende Schäden?
Über die langfristigen Folgen der Ixtoc-Ölpest für die Ökosysteme der Küsten gibt es meines Wissens nur eine Untersuchung vor der texanischen Küste, die eine allgemeine Abnahme der Biomasse, aber keine Veränderung der Artenzusammensetzung aufzeigt. Die Erfahrungen mit Tankerunglücken und anderen Ölunfällen zeigen allerdings, dass Öl gerade in küstennahen Sedimenten ein großes Problem darstellt, besonders für Tiere, die organische Partikel aus dem Sediment fressen (z.B. Würmer). Gänge grabende Tiere wie Krebse oder Schnecken müssen ebenfalls bluten, und es sind Fälle bekannt, in denen diese Tiere wegen des vergrabenen Öls ihr Verhalten änderten. Unnötig zu erwähnen, dass Öl im Sediment sehr lange bestehen kann, in schlammigen Böden mehr als ein Jahrzehnt.


Insgesamt allerdings hat der westliche Golf von Mexiko die Ixtoc-Ölpest recht gut überstanden. Schon zwei Jahre später wurde die Krabbenfischerei in Texas wieder aufgenommen, die Strände waren durch Stürme gesäubert und im Jahr 1983 stellte eine Studie fest, dass eventuelle Veränderungen an den regionalen Ökosystemen wohl nicht auf das Öl, sondern andere Faktoren zurückzuführen seien.


Entwarnung also auch für die aktuelle Ölpest - wird der Golf vom Mexiko die aktuelle Verschmutzung ebenso wegstecken können wie die vor dreißig Jahren? Eine Übersicht über Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen beiden Ölkatastrophen gibt es im morgigen zweiten Teil.


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Teal, J., & Howarth, R. (1984). Oil spill studies: A review of ecological effects Environmental Management, 8 (1), 27-43 DOI: 10.1007/BF01867871
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Teal, J., & Howarth, R. (1984) Oil spill studies: A review of ecological effects. Environmental Management, 8(1), 27-43. DOI: 10.1007/BF01867871  

  • May 26, 2010
  • 05:50 AM
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Brachte die Chemie zwei Mal Leben hervor?

by Lars Fischer in Fischblog


Hatte der erste aus der chemischen Evolution hervorgegangene Organismus Geschwister? Einige Argumente sprechen dafür, dass zeitgleich mit der ersten Zelle das erste Virus aus unbelebter Materie entstand.

Das Lindauer Nobelpreisträgertreffen naht mit Riesenschritten, und mein persönlicher Höhepunkt ist natürlich der Vortrag von Jack Szostak. Der arbeitet nämlich tatsächlich an künstlichen Zellen und hat auch viel Sinnvolles über den Ursprung des Lebens zu sagen. Außerdem hat mir Alex von Alles was lebt vor einer Weile zwei Papers zukommen lassen, die sich ebenfalls mit diesem Thema beschäftigen, allerdings aus einem etwas anderen Blickwinkel.


Die Veröffentlichungen von Eugene Koonin et al. stellen die Hypothese vor, dass Viren zu den ersten Lebensformen überhaupt gehörten. Das erscheint zuerst einmal unlogisch, denn Viren können sich ohne die biochemische Maschinerie der Zellen nicht vermehren – deswegen geht man davon aus, dass Viren erst nachträglich entstanden. Es gibt allerdings die Alternative, dass Zellen und Viren von Anfang an nebeneinander evolviert sind, und zwar aus den selbstreplizierenden Erbgutschnipseln der RNA-Welt, die von vielen als wahrscheinlicher Ursprung des Lebens betrachtet wird.


Der Kern von Koonins These ist im Grunde, dass einer der entscheidenden Schritte bei der Entstehung von Organismen, die Trennung von Innen und Außen, nicht nur einmal vollzogen wurde. Außerdem wird er ein ganzes Stück nach hinten verlegt, an einen Punkt, an dem sich schon verschiedene Strategien im Kampf ums Dasein herausgebildet hatten. Das führte dazu, dass mehrere teils grundverschiedene Typen von Hülle entstehen konnten: Zellulären Membranen aus verschiedenen Lipiden einerseits und zum anderen die Eiweiß-Capside vieler Viren.




Für dieses Szenario sprechen laut Koonin vor allem die grundlegenden chemischen Unterschiede zwischen den Membranen von Eubakterien und Archaeen und der Maschinerie ihrer Bildung. Das deutet darauf hin, dass ihr gemeinsamer Vorfahr keine oder nur eine sehr rudimentäre Membransynthese kannte.[1] Dagegen scheinen die Komponenten der Proteinbiosynthese sehr alt zu sein, insbesondere die RNA-Anteile. Es ist auch eine Grundbedingung für Koonins These, dass der Mechanismus zur Bildung von Proteinen der Entstehung von Zellen vorausging, während an der Basis von allem die Replikatoren selbst stehen, die alle Lebensformen gemeinsam haben.

Wie komplex war die präbiotische Chemie?
Damit kommen wir wieder zu den Viren. Koonins Szenario sieht folgendermaßen aus: Vor der Entstehung der ersten Lebewesen hatte sich eine Ansammlung von Replikatoren etabliert, die Koonin als primordialer Genpool bezeichnet. Das kann man sich durchaus bildlich als ein Gewässer vorstellen, in dem verschiedene Makromoleküle herumschwimmen, die Kopien von sich selbst erstellen und evolvieren können. Soweit entspricht das dem klassischen Replication-first-Szenario der RNA-Welt.


Der Unterschied ist der, dass im Viruswelt-Szenario die Replikator-Welt schon eine beträchtliche Komplexität aufweist, lange vor der ersten Zelle. Einige wesentliche Cluster von Replikatoren, die sich selbst aufrecht erhalten können, entstehen und werden später zu den ersten zellulären Systemen. Und schon hier spaltet sich der Stammbaum des Lebens dann grundsätzlich auf.


Einerseits sind da die Systeme aus Erbgutsträngen, die nach und nach hilfreiche Erfindungen – zum Beispiel die Proteinsynthese – entwickeln und später zu Zellen werden, und andererseits ein Schwarm opportunistischer Replikatoren, die sich ganz wie zu Beginn der RNA-Welt schlicht unter den gegebenen Bedingungen am besten vermehren – indem sie nun die die von den Zellvorläufern geschaffene Komplexität zum eigenen Vorteil zu nutzen wissen. Die Viren.


Beide Gruppen evolvierten gemeinsam in der präzellulären Replikatorenwelt, und anders als in der gängigen Vorstellung des RNA-Welt-Szenarios ist die erste Zelle eben nicht die einzige Erbin der chemischen Evolution und damit Urahnin allen Lebens. Sie bringt Geschwister mit, nämlich die parasitären Replikatoren, die sich zur Vermehrung an anderswo verfügbarer Biochemie bedienen.


Das doppelte Ur-Genom
Diese parasitären Replikatoren darf man sich dabei nicht als frei herumschwimmende Erbgutstückchen vorstellen. Vielmehr postuliert die Viruswelt-These, dass sich auch die Urahnen der Viren schnell Hilfsmoleküle zugelegt haben, nur eben völlig andere als die Zell-Urahnen. Wie das Genom des gemeinsamen Vorfahren aller Zellen sollte demnach aus modernen Zellen ein minimales Repertoire von Hilfsgenen des Ur-Virus rekonstruierbar sein, und dieser Satz von Genen muss sich grundlegend von dem der Zellen unterscheiden.


Tatsächlich lassen sich laut Koonin, das ist einer der Zentralpfeiler der These, Spuren dieser völlig anderen Abstammungslinie finden. Er listet unter anderem das große Capsid-Protein der ikosaedrischen Virionen, die Reverse Transkriptase, die RNA-abhängige RNA-Polymerase und noch ein paar andere. Diese Gruppe von Virusproteinen ist so weit über so viele unterschiedliche Virusfamilien verteilt, dass Koonin sie als gemeinsames Grundelement aller Viren aus präzellulären Zeiten ansieht.


In diesem Modell kommt der chemischen Evolution plötzlich eine viel größere Bedeutung zu als in den bisherigen Szenarien. Hier ist sie nicht nur das Vorspiel, aus dem irgendwie der erste gemeinsame Vorfahr hervorgeht, der dann tabula rasa macht. Koonin entwirft das Bild eines chemischen Ökosystems, in der schon Gemeinschaften und Strategien möglich sind. Es ist, so gesehen, ein neuer Blickwinkel auf das Verhältnis von Chemie und Biologie zu Beginn der Ära des Lebens. Spannend ist das allemal, und wie weit diese Vorschläge tatsächlich dazu beitragen, den Ursprung des Lebens zu erhellen, wird die Zukunft zeigen.
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[1] Allerdings deuten Rekonstruktionen des „Ur-Genoms“ des Lebens darauf hin, dass mit der H+-ATPase und Fragmenten des SRP zwei wesentliche Membranfunktionen schon im Repertoire des gemeinsamen Vorfahren allen zellulären Lebens vorhanden war.

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Koonin, E. (2009). On the Origin of Cells and Viruses Annals of the New York Academy of Sciences, 1178 (1), 47-64 DOI: 10.1111/j.1749-6632.2009.04992.x
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Koonin, E. (2009) On the Origin of Cells and Viruses. Annals of the New York Academy of Sciences, 1178(1), 47-64. DOI: 10.1111/j.1749-6632.2009.04992.x  

  • May 7, 2010
  • 03:47 AM
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Sex mit Neanderthalern - sie haben es doch getan!

by Lars Fischer in Fischblog


Es ist endlich so weit: Nach mehreren Jahren Arbeit haben Svante Pääbo und Kollegen die lang erwartete erste Draft-Version des Neanderthaler-Genoms präsentiert. Gut, im Jahr 2006 hat er noch gesagt, der erste Entwurf sei binnen zwei Jahren zu erwarten, aber wir wollen angesichts dieser bemerkenswerten Leistung nicht kleinlich sein.
Schon dass es dieses Genom überhaupt gibt ist eine Sensation – und es geht gleich weiter: Durch Erbgutvergleiche kommen die Autoren der Publikation zu dem Schluss, dass Neanderthaler-Gene im modernen Menschen bis heute überlebt haben. Weil sich nämlich unsere Vorfahren mit der ausgestorbenen Menschenart gepaart haben.

Das allerdings ist nur ein Aspekt der jetzt vorliegenden Erbgutsequenz, mit der Pääbo sich wahrscheinlich endgültig in die Liste der Nobelpreiskandidaten einreiht. Weltweit stehen Forscher jetzt in den Startlöchern, um dem Genom seine Geheimnisse zu entreißen – was den Neanderthaler zu dem machte, was er war, warum er ausstarb und natürlich auch, was es mit seinen nächsten Verwanden auf sich hat, mit uns.





 taH pagh taHbe! Svante Pääbo mit einem nachgebildeten Neandertaler-Schädel.


Ein gigantisches Puzzle
Das Genom eines Fossils kann natürlich nicht auf die gleiche Weise entschlüsselt werden wie das einer lebenden Art. Wenn überhaupt noch etwas davon da ist. Im Falle des Neandertalers nimmt man Proben aus besonders dichten Teilen des Knochens, in der Hoffnung, dass das Erbgut dort von Bakterien, Pilzen, Ausgräbern unberührt ist. Doch auch im günstigsten Fall ist die DNA in den letzten paar Zehntausend Jahren in viele kurze Bruchstücke zerfallen. Man hat also bestenfalls einen Riesenhaufen Schnipsel, die man irgendwie wieder in die richtige Reihenfolge bringen muss.


Glücklicherweise stehen zwei sehr ähnliche Genome zur Verfügung, die wir als Schablone verwenden können: Das des Schimpansen und unser eigenes. Die genetischen Unterschiede zwischen uns und dem Neandertaler zum Beispiel dürften sich im Bereich von wenigen Zehntel Promille bewegen. Man kann also die Schnipsel mit dem bekannten menschlichen Erbgut abgleichen und praktisch parallel dazu aneinander reihen, und dann hat man das Neanderthaler-Genom.


Dazu prüften die Forscher 21 Knochen aus Kroatien auf das Vorhandensein von Neanderthaler-DNA und wählten die drei aussichtsreichsten Proben für die Sequenzierung aus. Die aus diesen Fragmenten gewonnenen Erbgut-Extrakte wurden dann per Vergleich mit bekannten Genomen und Sequenzdaten vorsortiert und alles, was darin einigermaßen nach Primat aussah, näher unter die Lupe genommen. Je nach Probe stammten 95 – 99 Prozent des Genmaterials von Mikroorganismen, die das Gebein nach dem Ableben des Neanderthalers besiedelt hatten. Um das Verhältnis für die Amplifikation zu verbessern, mussten die Forscher Enzyme zusetzen, die bakterielle DNA bevorzugt schneiden.

Kontamination


Das eigentliche Problem sind aber nicht die Bakteriengene. Die sind leicht herauszufiltern, ganz im Gegensatz zu einer eventuellen Kontamination mit modernem menschlichem Erbgut. Da unser Genom dem des Neanderthaler so ähnlich ist, ist es unmöglich festzustellen, ob eine Sequenz deswegen mit dem menschlichen Genom identisch ist, weil der Neanderthaler an diesem Punkt die
gleiche Sequenz hat, oder weil eine Hautschuppe der Laborantin ins Probengefäß gefallen ist. Das Problem haben die Forscher zumindest minimiert, indem sie unter identischen Bedingungen zuerst einmal einen Teil des Genoms eines Höhlenbären aus der gleichen Periode sequenziert haben – praktisch die gleiche Aufgabe, mit dem Unterschied, dass man hinterher genau sehen kann, wieviel menschliche DNA bei der Prozedur untergemischt wurde. In den ersten Versuchen waren das 11 – 40 Prozent. Erst nach einer Reihe substanzieller Verbesserungen am Verfahren haben sich die Forscher dann an den Neanderthaler herangetraut.

 



Spätere Messungen am fertigen Neanderthaler-Genom bestätigen, dass diese Strategie weitgehend erfolgreich war. Drei unabhängige Verfahren, die Kontamination zu bestimmen, lieferten jeweils Werte von unter einem Prozent menschlicher DNA, so dass das Genom tatsächlich als authentisches Neanderthaler-Genom gelten kann.


Und sie haben es doch getan!
Die erste Erkenntnis, die man aus den Erbgutsequenzen ableiten kann, ist die Antwort auf die Frage, ob sich Neanderthaler und moderne Menschen untereinander verpaart haben. Diese Theorie geistert seit 1999 durch die Forschung, als der amerikanische Anthropologe Erik Trinkaus einige "neanderthalische" anatomische Merkmale an fossilen Knochen von Homo sapiens als Zeichen gemischter Abstammung deutete. Seither erhitzen sich an dieser Frage die Gemüter. Die meisten Anthropologen waren mit der Interpretation von Trinkaus nicht einverstanden; sie sehen die anatomischen Gemeinsamkeiten nicht als Beleg für eine Vermischung, sondern erklären sie eher als Resultat gemeinsamer Abstammung.


Die neuen Genomdaten allerdings deuten tatsächlich darauf hin, dass eine Vermischung zwischen Neanderthalern und modernen Menschen stattgefunden hat. Einige menschliche Gene zeigen einerseits hohe Übereinstimmung mit ihren Neanderthaler-Äquivalenten, auf der anderen Seite aber eine extrem hohe Variationsbreite innerhalb der Menschheit selbst – ein deutliches Zeichen dafür, dass die Vielfalt durch Zufluss von außen erhöht wurde. Daraus kann man getrost schließen, dass es erfolgreiche Paarungen über die Artgrenze hinweg gab und die Sprösslinge dieser Romanzen selbst fruchtbar waren[1]. Dass Europäer und Ostasiaten dem Neanderthaler ähnlich nahe zu stehen scheinen – ein weiteres Ergebnis, dass für einen Gentransfer spricht – kann man wohl dahingehend interpretieren, dass der größte Teil des Erbguttransfers sehr früh stattfand.


Denn wenn es zum Zeitpunkt der Vermischung schon getrennte Populationen in Ostasien und Europa gegeben hätte, sollte man auch dort einen Unterschied sehen. In Europa jedenfalls hat der Neanderthaler bis lange nach der Ausbreitung des Menschen nach Osten überlebt, offenbar ohne weiteren Einfluss auf das menschliche Genom zu haben. Möglicherweise sind die Neanderthaler-Populationen schon bald so stark geschrumpft, dass der Genfluss austrocknete, bevor der moderne Mensch ganz Eurasien besiedelt hatte. Aber das ist Spekulation, und es gibt auch andere mögliche Interpretationen.


Keine Spekulation ist allerdings, dass sich Genfluss nur in eine Richtung feststellen lässt, nämlich vom Neanderthaler zum Menschen. Ich überlasse es eurer schmutzigen Phantasie, die entsprechenden Szenarien auszuführen. Insgesamt liegt der Beitrag des Neanderthalers zwischen 1 und 4 Prozent des Genoms von nicht-Afrikanern. Das ist allerdings meines Erachtens zu wenig, um die Trinkaus-Theorie von den weit verbreiteten Neanderthaler-Merkmalen in menschlichen Skeletten zu stützen. Interessant wäre in diesem Zusammenhang natürlich auch eine Analyse vergleichbar alter menschlicher Knochen um zu sehen, ob der genetische Einfluss des Neanderthalers ursprünglich größer war. Vielleicht kommt das ja noch.


Der Neanderthaler - das nach wie vor unbekannte Wesen
Die Autoren befassen sich außerdem mit der ebenfalls umstrittenen Frage, wann sich die Linien von Neanderthalern und Menschen getrennt haben. Sie verwenden dazu wegen der kurzen Zeitspanne nicht die klassische molekulare Uhr, sondern ein Verfahren, dass die enge Verwandtschaft der verglichenen Arten untereinander nutzt und auf einem Vergleich der Verbreitung der Allele verschiedener Gene in allen Arten. Mit diesem Verfahren kommen sie auf einen Zeitraum von 440.000 BP bis 270.000 BP, allerdings glaube ich nicht, dass das in dieser Frage das letzte Wort ist – archäologische Funde lassen auch andere Interpretationen zu, und die Knochensammler haben die unsympathische Angewohnheit, in derlei Streitfragen meistens Recht zu behalten.


Das eigentliche große Rätsel der Neanderthaler allerdings, nämlich wodurch sie sich vom modernen Menschen unterschieden und ob diese Unterschiede zu ihrem Aussterben beitrugen, bleibt vorerst ungelöst. Die Autoren präsentieren einige sehr interessante Ergebnisse, zum Beispiel Regionen des Genoms, in denen sich das menschliche Genom im Vergleich zum Neanderthaler am stärksten verändert hat. Darunter sind auch einige Gene, die beim modernen Menschen mit der Hirnentwicklung zusammenhängen, ich persönlich würde aber davon abraten, aus dieser vorläufigen Auflistung schon Schlüsse zu ziehen.
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[1] Was der unvermeidli... Read more »

Green, R., Krause, J., Briggs, A., Maricic, T., Stenzel, U., Kircher, M., Patterson, N., Li, H., Zhai, W., Fritz, M.... (2010) A Draft Sequence of the Neandertal Genome. Science, 328(5979), 710-722. DOI: 10.1126/science.1188021  

  • March 30, 2010
  • 01:42 PM
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Pandemien und Evolution beim Norovirus

by Lars Fischer in Fischblog


Warum breiten sich manche Viren wie Flächenbrände über ganze Kontinente aus, während andere nur kleine, begrenzte Ausbrüche auslösen? Bei den Noroviren bestimmen Fehler bei der Reproduktion des Erbgutes die biologische Fitness des Erregers und entscheiden darüber, ob eine Pandemie droht.

Anders als bei Menschen und anderen Vielzellern sind Viren nicht darauf angewiesen, ihr Erbgut mit großer Genauigkeit zu kopieren. Im Gegenteil, je mehr Fehler beim Kopieren des Erbguts passieren, desto diverser ist die Population und, sollte man zumindest meinen, die evolutionäre Fitness. In einer aktuellen Studie an Noroviren haben Forscher ein bemerkenswertes Beispiel für diesen Zusammenhang gefunden.


Der höchst unerfreuliche, aber selten tödlichen Durchfallerreger ist den weitaus gefährlicheren Influenzaviren in einigen Punkten sehr ähnlich, zum Beispiel darin, dass beide weltweite Pandemien auslösen können. Seit 1995 gab es insgesamt fünf große Norovirus-Pandemien (1995/1996, 2002, 2004, 2006 und 2007). Sowohl bei Noro als auch bei Influenza unterteilt sich die Virenpopulation in eine sehr variable Ansammlung von Stämmen und Linien, die schnell evolvieren. Einen entscheidenden Unterschied gibt es allerdings: Während bei der Influenza eine ganze Reihe Subtypen Pandemiepotential haben, gingen die Norovirus-Wellen des letzten Jahrzehnts von einer einzigen Unterlinie namens GII.4 aus. Und das scheint vor allem an der geringeren Stabilität des Erbguts zu liegen.



Noroviren sind ausgesprochen unerfreuliche kleine Biester, weil sie extrem infektiös sind und dazu schwer wieder loszuwerden. Sie sind für den Großteil aller Magen-Darm-Infekte weltweit verantwortlich, und es gibt weder eine Impfung noch ein Gegenmittel. Wie alle hüllenlosen Erreger ist das Norovirus gegenüber Umwelteinflüssen recht resistent, weswegen sie nur schwer wieder loszuwerden sind.


Wer im erkrankten Zustand auf seine Katze kotzt, hat anschließend ein echtes Problem. Die Erreger sind im Temperaturbereich von -20 bis + 60 Grad lebensfähig (im Gegensatz zu Katzen) und überstehen in Textilien und vergleichbaren Materialien bis zu zwei Wochen. Nur etwa 10 bis 100 Partikel reichen für eine Ansteckung aus.


Angesichts dieser Merkmale ist es durchaus etwas kurios, dass nur ein einziger Subtyp des Erregers überhaupt Pandemiepotential hat, und Wissenschaftler rätseln schön seit einer Weile, woran das liegt. Die bisherige Forschung hat sich auf die Wechselwirkung zwischen Virus und Wirt konzentriert. Dabei hat sich gezeigt, dass der Pandemie-Subtyp an alle Blutgruppen-Antigene des Menschen andocken kann, während das Reservoir anderer Linien geringer ist. Allerdings scheint dieser Effekt in der Praxis keine Bedeutung zu haben.


Deswegen konzentrierte sich die jetzt in PLoS Pathogens veröffentlichte Arbeit von Bull et al. auf die Ursachen und Folgen von genomischer Variabilität. Sie untersuchten neben der Pandemie-Linie GII.4 die verwandten, aber seltener auftretenden Linien GII.3 und GII.7 auf ihre Mutationsraten. Das ist bisher noch nicht passiert, weil sich Noroviren in Kultur nicht Vermehren lassen, deswegen mussten die Wissenschaftler auch ein paar kleine Umwege über rekombinante Virusproteine machen, nachzulesen im Paper. Der entscheidende Punkt ist allerdings, dass Noroviren schon von sich aus hochvariabel sind, ihr wichtigstes Hüllprotein unterscheidet sich zwischen den Linien in bis zu 61 Prozent aller Aminosäuren. Verantwortlich dafür ist die RNA-abhängige RNA-Polymerase, ein Enzym, das das Virus in seiner Hülle mittransportiert um sein Erbgut zu vervielfältigen.


Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei den Noroviren die Fehlerhäufigkeit bei der Synthese neuer Erbgutstränge eine gewisse Rolle spielt. Jedenfalls ins die Mutationsrate bei den Pandemiestämmen um ein vielfaches höher als bei den anderen Noroviren. Das führt dann natürlich auch zu einer größeren Vielfalt der Antigene und vor allem einer hohen Evolutionsgeschwindigkeit, wie der parallel durchgeführte Sequenzvergleich der Hüllproteine von 54 seit 1987 isolierten GII.4-Einzellinien, 14 Linien von GII.3 und fünf Linien von GII.7 zeigt.
Der Pandemiestamm hat zusätzlich nicht nur mehr Mutationen angesammelt, sondern auch mehr solche, die tatsächlich Folgen in Form von ausgetauschten Aminosäuren im Protein hat, ein klarer Hinweis darauf, dass das veränderliche Genom nicht einfach fröhlich vor sich hin mutiert, sondern auf konkrete Selektionsdrücke reagiert und so dem Pandemievirus einen echten Fitnessgewinn beschert.


Das ganze funktioniert auch in die Gegenrichtung: Die anderen untersuchten Linien haben eine geringere Mutationsrate und sind seltener. Wenn sie auftreten, dann bevorzugt in Kindern, und die Cluster an Infektionen bleiben klein. Das interpretieren die Forscher dahingehend, dass diese Linien nicht flexibel genug sind, um die Herdenimmunität gegen diese doch recht häufigen Infektionen zu umgehen. Der Subtyp GII.4 dagegen evolviert offenbar schnell genug, um in regelmäßigen Abständen Antigene zu präsentieren, auf die menschliche Immunsysteme nicht vorbereitet sind.

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Bull, R., Eden, J., Rawlinson, W., & White, P. (2010). Rapid Evolution of Pandemic Noroviruses of the GII.4 Lineage PLoS Pathogens, 6 (3) DOI: 10.1371/journal.ppat.1000831
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Bull, R., Eden, J., Rawlinson, W., & White, P. (2010) Rapid Evolution of Pandemic Noroviruses of the GII.4 Lineage. PLoS Pathogens, 6(3). DOI: 10.1371/journal.ppat.1000831  

  • March 17, 2010
  • 09:57 AM
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Künstliche Photosynthese mit Frosch-Schaum

by Lars Fischer in Fischblog



Bei der Umwandlung von Kohlendioxid in energiereiche chemische Verbindungen hat die Photosynthese den Nachteil, dass dabei als Nebenprodukt eine ganze Pflanze entsteht. Bei einer künstlichen zellfreien Photosynthese dagegen bekäme man für das Licht eine einzige energiereiche Chemikalie wie Glucose, aus der dann direkt Biokraftstoffe oder dergleichen hergestellt werden könnten, und deswegen wird an solchen Systemen mit Hochdruck gearbeitet.


Ein Weg, das zu erreichen ist die Reproduktion der kompletten Reaktionskette vom Licht bis zur organischen Materie auf der Basis der natürlichen Enzyme, die an der Reaktion beteiligt sind. Dieser biomimetische Ansatz hat jetzt zum Erfolg geführt, US-Wissenschaftler haben in Nano Letters ein System vorgestellt, das über mehrere Stufen aus Licht und Kohlendioxid den Zucker Glucose produziert. Der eigentliche Trick ist, die Komponenten in einen Proteinschaum einzulagern, den die Forscher von einem Frosch geborgt haben.



In der Lichtreaktion der Photosynthese werden Photonen eingesammelt und ihre Energie zur Synthese von ATP und zur Gewinnung von Elektronen aus Wasser genutzt. Das so erhaltene energiereiche ATP und die Elektronen werden dann in den zweiten Schritt eingespeist, den Calvin-Zyklus. In dem wird dann Kohlendioxid mit einem phosphorylierten Zucker zur Reaktion gebracht und so das Gas mit Hilfe von ATP und den Elektronen in energiereiche organische Stoffe umgesetzt. Das ganze System ist weniger eine chemische Reaktionskette als vielmehr eine molekulare Fabrik.


Da alle diese Systeme zu den am besten erforschten Reaktionsketten der Biochemie gehören, kann man aus den Komponenten einfach ein zellfreies Photosynthesesystem zusammensetzen – theoretisch. Der Teufel liegt im Detail, denn damit die Reaktion möglichst effektiv abläuft, müssen mehrere teils widersprüchliche Bedingungen erfüllt sein. Zuerst einmal genug ADP, Phosphat und Zuckerzwischenstufen in Lösung sein, um eine regelmäßige Versorgung zu gewährleisten, die Konzentration darf aber auch nicht zu groß werden und die einzelnen Komponenten müssen nahe an einer Oberfläche sein, denn Kohlendioxid muss gut an die Reaktionszentren gelangen können – Licht natürlich auch.


Als Lösung bietet sich ein Schaum an – der enthält Flüssigkeitskanäle, in denen genug Enzyme und Reaktanden schwimmen können, während gleichzeitig immer eine Grenzfläche zu einem Gasraum in der Nähe ist. Es gibt allerdings ein Problem dabei, denn für Schäume benötigt man Detergenzien – und die stören unter anderem Membranen und ihre künstlichen Äquivalente. In diesem Fall kann es passieren, dass sich der Schaumbildner in die Wand der ATP-erzeugenden Vesikel einlagert und die Membran durchlässiger macht. In versuchen mit dem Detergens Tween-20 geht leidet dementsprechend die Effektivität der Reaktionskette erheblich.


In der Natur gibt es allerdings eine Reihe Schäume, die nicht auf der Basis seifenartiger kleiner Moleküle entstehen, sondern mit Hilfe von Proteinen, die wesentlich größer sind, stabilere Schäume ergeben und Vesikelmembranen nicht stören. Eines davon ist das Protein Ranaspumin-2, aus dem der Frosch Engystomops pustulosus seine schwimmenden Nester baut. Dieses Protein nutzten die Forscher, um ihr künstliche Fotosynthesesystem aufzunehmen.


Die einzelnen Komponenten dieses Systems gibt es schon seit einiger Zeit - der ATP-generierende Apparat besteht aus Polymervesikeln, die ähnliche Eigenschaften haben wie biologische Zellmembranen, aber stabiler sind. In diese künstliche Membran sind zwei Proteine eingebaut. Einmal das Bakteriorhodopsin, an dem die eigentliche lichtabhängige Reaktion stattfindet: Das Enzym pumpt bei Beleuchtung Protonen in den Innenraum des Vesikels. Das zweite Protein nutzt die so entstandene höhere Konzentration, um wiederum ADP und Phosphat zu ATP umzusetzen.


Das wiederum dient zusammen mit Kohlendioxid und dem Zucker Ribulose als Substrat für die Ribulosebisphosphat-Carboxylase, dieser Schritt ist die eigentliche Kohlenstofffixierung. Hierbei entsteht über die Zwischenstufe 3-Phosphoglycerat der Zuckervorläufer Glyceraldehyd-3-phosphat, der wiederum in den dritten Teil des Reaktionswegen eingespeist wird, an dessen Ende der bekannte Zucker Glucose steht.





Abbildung: Schema der künstlichen Photosynthese von Wendell et al., Quelle: Wendell et al., Nano Letters 10.1021/nl100550k, 2010.


Die Resultate sind jedenfalls ermutigend für so ein System: Das Prinzip funktioniert, und am Ende der Kette entsteht tatsächlich der gewünschte Zucker. Die ATP-Synthese ist mit etwa 5 Protonen pro ATP halb so effizient wie in natürlichen Systemen, aber immerhin doppelt so hoch wie in schaumfreien Systemen. Das rechnen die Autoren hoch zu 116 Mikromol Glucose pro Liter und Stunde (wobei sich der Liter auf die bloße Flüssigkeit bezieht), das sind 21 Milligramm. Klingt nach wenig, ist aber eine ganze Menge. Wenn man das ganz naiv auf den Hektar umrechnet, was die Autoren tun, könnte man mit diesem System zehn mal so viel vom Biokraftstoff Dimethylfuran erzeugen wie mit normalen Pflanzen auf einem normalen Acker.


Die Autoren des Papers freuen sich schon auf die großtechnische Umsetzung ihres Verfahrens, aber ich bin da sehr skeptisch. Zuerst einmal wird der aufmerksame Beobachter festgestellt haben, dass in diesem Photosynthese-System etwas Entscheidendes fehlt. Es entsteht nämlich kein Sauerstoff, und das heißt, es werden auch keine Elektronen erzeugt, mit denen Kohlendioxid reduziert werden kann. Das Reduktionsmittel NADH wird bei dieser Reaktion verbraucht, während es bei der natürlichen Photosynthese konstant wieder regeneriert wird. Diese Komponente fehlt noch zur künstlichen Photosynthese.


Das Grundproblem an diesem Punkt ist aber ein ganz anderes: Wenn man so ein Wasseroxidations-System erstmal hat, dann kann man damit direkt Wasserstoff produzieren – wozu noch der aufwändige Umweg über den Calvin-Zyklus?


Denn hinter dem zugegebenermaßen eindrucksvollen System von Todd, Wendell und Montemagno steht ein großes ökonomisches Fragezeichen: Das Verfahren erfordert beträchtliche Mengen teurer Spezialchemikalien, die nicht ohne weiteres im Tonnenmaßstab zu bekommen sind. Ganz zu schweigen von den Membranproteinen für die ATPase-Vesikel. Prinzipiell können all diese Enzyme ohne weiteres rekombinant hergestellt werden, und das scaling-up des Systems auf, sagen wir, einen Hektar, ist vor allem eine Verfahrenstechnische Frage.


Trotzdem hängt letztendlich die Umsetzung eines solchen Systems vor allem an der Wirtschaftlichkeit. Für das Produkt allein wird sich der Aufwand definitiv nicht rechnen, und ob CO2-Zertifikate jemals so teuer werden, dass sich Kraftwerksbetreiber Tonnen eines High-Tech-Proteinschaumes in den Schornstein hängen, halte ich für fraglich. Ich halte es für wesentlich wahrscheinlicher, dass in den nächsten Jahren einfache Chemische Katalysatoren entwickelt werden, die vergleichbares leisten.

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Wendell, D., Todd, J., & Montemagno, C. (2010). Artificial Photosynthesis in Ranaspumin-2 Based Foam Nano Letters DOI: 10.1021/nl100550k
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Wendell, D., Todd, J., & Montemagno, C. (2010) Artificial Photosynthesis in Ranaspumin-2 Based Foam. Nano Letters, 2147483647. DOI: 10.1021/nl100550k  

  • March 15, 2010
  • 02:19 PM
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Fossile Farben, zum zweiten: Strukturfarben der Käfer

by Lars Fischer in Fischblog

ResearchBlogging.orgVor einer Weile ging es hier im Blog schon einmal um fossile Farben und Muster, und zwar um die von Dinosauriern, in deren Federn sich versteinerte Pigmentkörner bis heute erhalten haben. Für immer verloren sind dagegen andere Farben, die von nur wenige Nanometer großen Feinstrukturen der Federoberfläche erzeugt werden, wie das heute zum Beispiel bei den brillanten Farben des Pfauenschwanzes der Fall ist. Ob es sie schon bei den Sauriern gab oder ob sie erst Millionen Jahre später auf der Bildfläche erschienen, wissen wir nicht. ... Read more »

Tanaka, G., Taniguchi, H., Maeda, H., & Nomura, S. (2010) Original structural color preserved in an ancient leaf beetle. Geology, 38(2), 127-130. DOI: 10.1130/G25353.1  

  • March 4, 2010
  • 02:16 AM
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Gentech-Mais bald als Medikament?

by Lars Fischer in Fischblog



Bt-Toxin, benannt nach seinem Produzenten, dem Bodenbakterium Bacillus thuringiensis, hat schon jetzt eine bemerkenswerte Karriere in der Schädlingsbekämpfung hinter sich. Die kleinen Kristalle sind für Wirbeltiere unschädlich, im Darm von Insekten jedoch werden sie zu einem tödlichen Gift. Darauf  und auf dem Umstand, dass die verschiedenen Bt-Toxine jeweils für unterschiedliche Insektenarten hoch spezifisch sind, beruht ihr Erfolg. Ins Erbgut einer Nutzpflanze eingebaut, schützen sie effektiv vor Fraßfeinden, ohne schädliche Rückstände zu hinterlassen.

Demnächst könnten diese Proteine noch aus einem anderen Grund reüssieren, denn Insekten sind nicht die einzigen Lebewesen, die gegenüber Bt-Toxinen empfindlich sind: Einige der Verbindungen sind auch gegen Nematoden wirksam. Experimente an Mäusen haben jetzt gezeigt, dass sich diese Darmparasiten prinzipiell mit den Bakterienproteinen therapieren lassen (open access).

Das hat potentiell große praktische Bedeutung, denn etwa jeder fünfte Mensch ist mit Nematoden wie Haken- oder Peitschenwürmern infiziert, die unter anderem bei Kindern Entwicklungsstörungen auslösen. Und es gibt de facto bereits eine Quelle für große Mengen solcher Bt-Toxine: Genetisch veränderten Mais. Es liegt nahe, eine Variante des Bt-Mais als Nutriceutical einzusetzen.

Das Experiment selbst ist schnell beschrieben: Die Forscher haben Mäuse mit dem Wurm Heligmosomoides bakeri, einem gut erforschten Nagetierparasiten, infiziert und zwei Wochen später einmalig mit dem Protein aus aufbereiteten B.-thuringiensis-Sporen behandelt. Den Infektionsstatus haben sie geprüft, indem sie die Wurmeier im Mäusekot vor und nach der Behandlung auszählten und fünf Tage später die Parasiten im Darm zählten.

Die Ergebnisse waren ziemlich eindeutig, die Parasiteneier im Kot verschwanden fast vollständig und die Würmer selbst zu zwei Dritteln, während in der Kontrollgruppe (die B.-thu.-Sporen ohne Toxin bekam) alles beim Alten blieb. Der extreme Rückgang der Eiproduktion trotz weiter vorhandener Wurminfektion deutet nach Ansicht der Forscher darauf hin, dass es auch den überlebenden Würmern ziemlich dreckig gegangen sein muss.

Bemerkenswert ist auch der Vergleich mit gängigen Pharmazeutika. Die Autoren zitieren Studien u. a. mit Ivermectin und Pyrantel, in denen unter vergleichbaren Bedingungen etwa 90% der Würmer abgetötet wurden, allerdings mit zehn- bis hundertfach größeren Wirkstoffkonzentrationen als in der Bt-Studie zum Einsatz kamen. Hinzu kommt, dass der größte Teil des Proteins im Magen zersetzt wird. Die Autoren der Studie haben es ausprobiert, mit künstlichem Magensaft.

Unter diesen Bedingungen war das Toxin schon nach vier Minuten nicht mehr detektierbar. Die Autoren schließen daraus, dass selbst allerwinzigste Konzentrationen des Bt-Toxins die Würmer töten – ich glaube allerdings eher, dass die Kristalle die Magenpassage im lebenden Tier  aus irgendwelchen Gründen länger überleben.[1] Auf jeden Fall zeigen die Versuche, dass das Bt-Toxin in deutlich geringeren Mengen wirkt als gängige Wurm-Medikamente.


Eine Wurmkur für die Welt?
Das bietet zwei Optionen. Zum einen kann man auf der Basis dieser Ergebnisse klassische Medikamente entwickeln. Die Autoren weisen zu Recht darauf hin, dass moderne Formulierungstechniken und Darreichungsformen die Effektivität der Behandlung noch einmal deutlich steigern könnten. Damit stünde ein neues Medikament zur Verfügung, gerade rechtzeitig um die sich neu entwickelnden Resistenzen abzufangen.[2]

Die zweite Variante ist ungleich ambitionierter und trägt dem Umstand Rechnung, dass ein neues Medikament angesichts der Dimension des weltweiten Nematoden-Problems nur ein Tropfen auf den heißen Stein wäre. Fast anderthalb Milliarden Menschen sind betroffen, überproportional in den armen Ländern natürlich. Viele von ihnen haben nur schlechten Zugang zu medizinischer Versorgung, ein Umstand, der die effektive Bekämpfung dieser Seuchen schon sehr lange behindert. Vor diesem Hintergrund liegt der Gedanke nahe, einfach den bereits erprobten Bt-Mais für therapeutische Zwecke umzubauen und das Saatgut an die Bevölkerung in den am stärksten betroffenen Ländern zu verteilen.

Zumal alle Einzelteile für diesen Plan quasi bereit liegen. Man muss nur das geeignete Bt-Toxin identifizieren und ins Erbgut der Pflanze schrauben, so dass es in den essbaren Teilen exprimiert wird. Der Plan ist in etwa vergleichbar mit dem Projekt Goldener Reis gegen Vitaminmangel, geht allerdings noch einen Schritt weiter – hier geht es nicht um ein Nährstoffsupplement, sondern um ein Pharmazeutikum, das in der regulären Nahrung enthalten sein soll. Andererseits ist die weltweite Krankheitslast so hoch, dass wir uns kaum erlauben können, diese Möglichkeit nicht zumindest zu prüfen.
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[1] Kühe, die mit Bt-Mais gefüttert werden, haben dem Vernehmen nach nennenswerte Mengen des Peptids im Blut.

[2] Andernorts (z.B. bei Biofortified) wird darüber spekuliert, ob eine solche medizinische Anwendung für das Bt-Toxin eventuell einige Gentechnikgegner wieder auf den Boden der Tatsachen zurückholen könnte. Ich bin da skeptisch – wir sehen ja gerade wieder an der Amflora-Geschichte, dass da schon lange jeder Realitätsbezug verloren gegangen ist.

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Hu, Y., Georghiou, S., Kelleher, A., & Aroian, R. (2010). Bacillus thuringiensis Cry5B Protein Is Highly Efficacious as a Single-Dose Therapy against an Intestinal Roundworm Infection in Mice PLoS Neglected Tropical Diseases, 4 (3) DOI: 10.1371/journal.pntd.0000614
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Hu, Y., Georghiou, S., Kelleher, A., & Aroian, R. (2010) Bacillus thuringiensis Cry5B Protein Is Highly Efficacious as a Single-Dose Therapy against an Intestinal Roundworm Infection in Mice. PLoS Neglected Tropical Diseases, 4(3). DOI: 10.1371/journal.pntd.0000614  

  • February 28, 2010
  • 04:57 AM
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Wie die EU zum bloßen Erfüllungsgehilfen der Wirtschaft wurde

by Lars Fischer in Fischblog


Mit Hilfe Interner Dokumente der Tabakindustrie zeigt eine britische Studie, wie Industrielobbyisten dafür gesorgt haben, dass bei jedem EU-Vorhaben die Interessen der betroffenen Unternehmen in den Vordergrund gerückt werden – per Gesetz

Die Europäische Kommission ist verpflichtet, vor jeder Gesetzesinitiative die wahrscheinlichen Auswirkungen der Regelung in einem festgelegten Vorgehen zu untersuchen. Dieses Procedere nennt sich Impact Assessment (IA) und wurde 1997 im Rahmen des EU-Vertrages von Amsterdam eingeführt, um die ökonomischen, sozialen und ökologischen Folgen von Gesetzen rational und transparent zu erfassen.

In einer gerade in PLoS Medicine erschienene Studie allerdings demonstrieren Katherine Smith und Kollegen anhand offengelegter interner Dokumente des Tabakherstellers British American Tobacco (BAT), wie verwundbar die EU gegenüber Industrielobbyismus ist. Demnach sind die Impact Assessments nicht nur grundsätzlich industriefreundlich ausgelegt, sondern wurden sogar von BAT an die EU herangetragen, um auf diese Weise Einfluss auf die sich schon damals ankündigende Anti-Rauch-Gesetzgebung zu nehmen.

Durchgeführt werden diese Analysen von der Europäischen Kommission selbst, die ihre Berichte dann an das Impact Assessment Board weiterreicht, das seinerseits die Qualität des Berichtes unter die Lupe nimmt und in einem eigenen (EU-untypisch nur wenige Seiten langen) Dokument kommentiert. Es gibt inzwischen verschiedene Typen von Impact Assessments, die zum Beispiel Nachhaltigkeit, Ökonomie oder gesundheitliche Auswirkungen zum Thema haben.

Unabhängige Untersuchungen geben den Impact Assessments jedenfalls eher mäßige Noten (pdf). Kritiker bemängeln vor allem, dass das System die Interessen großer Unternehmen gegenüber denen der Verbraucher begünstige. Ein häufig verwendetes Verfahren ist zum Beispiel, positive und negative Effekte in Kosten umzurechnen, um sie gegeneinander aufzuwiegen, und hier ist es natürlich wesentlich einfacher, die Kosten für die Industrie zu beziffern als die breit gefächerten und diffusen Auswirkungen von Umweltmaßnahmen in eine Zahl zu gießen. Außerdem sind Unternehmen wichtige Lieferanten von Informationen für derartige Impact Assessments, was sie sicherlich zu ihrem Vorteil zu nutzen wissen, einerseits in Form der Informationen die sie preisgeben oder eben nicht, andererseits indem sie während des Bewertungsprozesses selbst Lobbyarbeit betreiben können, im Gegensatz zur Bevölkerung. Bemerkenswerterweise tauchte laut einer Untersuchung der EU selbst  nur in der Hälfte aller IAs der Jahre 2005 und 2006 das Wort health überhaupt auf.

Liest man das Paper von Smith et al., wundert man sich darüber auch überhaupt nicht, im Gegenteil, genau dieser Effekt scheint von vornherein der Sinn der Sache gewesen zu sein. Die Forschungsarbeit von Smith und Kollegen stützt sich überwiegend auf interne Dokumente der Tabakindustrie, die im Rahmen großer Gerichtsverfahren in den USA veröffentlicht wurden. Zusätzlich zu diesen Dokumenten haben die Wissenschaftler eine Reihe beteiligter Personen interviewt, zum Beispiel Angestellte der EU, die an den Verhandlungen mitgewirkt haben. Das sich ergebende Bild ist ganz erstaunlich und ziemlich erhellend.

Aus der Feder von Industrielobbyisten...
Offenbar hat BAT überhaupt erst den Anstoß zur Entwicklung der Impact Assessments gegeben, von vornherein mit dem Ziel, auf diese Weise anti-Rauch-Gesetze zu verhindern. Das ganze hat demnach in sehr ähnlicher Form schon einmal funktioniert, und zwar in den USA.


Our analysis reveals that BAT saw RA [risk assessment] as a means of precluding the introduction of public smoking restrictions [56],[59] which it saw as a growing threat in Europe [56],[60],[61]. It also appears that preventing tobacco advertising restrictions was thought to be another outcome [62]. BAT documents reveal that senior managers at the company had learnt that RA could be used in this way from US tobacco company Philip Morris [63]–[65]...


Die grundsätzliche Idee war demnach, von Anfang an einen Mechanismus einzubauen, über den Tabakkonzerne ein Mitspracherecht bei entsprechenden Gesetzen bekommen. In diesem Fall ganz einfach, indem dafür gesorgt wurde, dass die Kommission nicht nur Ärzte nach den gesundheitlichen Folgen von Rauchverboten fragen, sondern auch Tabakkonzerne nach den ökonomischen Effekten:


… intended to ensure that new legislation could only be implemented if it could be demonstrated to “achieve significant risk reductions at reasonable cost” [87]. In other words, […], the use of IA/CBA as a framework for RA involved promoting a tool in which reductions in risks to human health (and the environment) would be partially assessed on the basis of their economic efficiency.



...direkt in den EU-Vertrag
Um das zu erreichen, organisierten die beteiligten Unternehmen eine weitreichende Kampagne, deren Ziel es war, die gewünschten Änderungen im EU-Vertrag von Amsterdam zu verankern. Die Autoren der Studie zitieren ein internes BAT-Dokument, und kommen (genau wie BAT) zu dem Schluss, dass die Wünsche der Tabakindustrie im wesentlichen durchgesetzt wurden.


In what was described by BAT as an “important victory” for the company [62] (see Box 1), a Protocol, entitled Protocol on the application of the principles of subsidiarity and proportionality and tabled by the UK delegation [166], was appended to the Treaty of Amsterdam [39]. This included provisions calling on the European Commission to “consult widely” and minimise the potential “burden” of policy changes on “economic operators” (and others).


Dann beschreibt die Studie, wie das Unternehmen durch weitere Lobbyarbeit dafür gesorgt hat, dass diese Rahmenbedingungen im alltäglichen Gesetzgebungsprozess auch im Sinne des Erfinders, sprich: Zum Vorteil der Industrie funktionierten. Auch andere Branchen haben die Möglichkeiten, Impact Assessments über diese wirtschaftsfreundlichen Klauseln in ihrem Sinne zu beeinflussen intensiv genutzt. Die Autoren führen als Beispiel den Widerstand der chemischen Industrie gegen die Chemikaliensicherheitsverordnung REACH an. Ich verzichte mal darauf, noch mehr Details aus der Studie zu zitieren. Sie ist frei im Internet zugänglich, genau so wie die Dokumente, auf denen sie im Wesentlichen basiert. Lest es nach!

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Smith, K., Fooks, G., Collin, J., Weishaar, H., Mandal, S., & Gilmore, A. (2010). “Working the System”—British American Tobacco's Influence on the European Union Treaty and Its Implications for Policy: An Analysis of Internal Tobacco Industry Documents PLoS Medicine, 7 (1) DOI: 10.1371/journal.pmed.1000202
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Smith, K., Fooks, G., Collin, J., Weishaar, H., Mandal, S., & Gilmore, A. (2010) “Working the System”—British American Tobacco's Influence on the European Union Treaty and Its Implications for Policy: An Analysis of Internal Tobacco Industry Documents. PLoS Medicine, 7(1). DOI: 10.1371/journal.pmed.1000202  

  • February 22, 2010
  • 03:50 AM
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Lebenskeime aus dem All und aus dem Labor

by Lars Fischer in Fischblog



Unser Wissen über den Ursprung des Lebens ist derzeit noch so unvollständig, dass neue Erkenntnisse aus der chemischen Grundlagenforschung zu den treibenden Kräften der Forschung in diesem Bereich gehören. Stand der Dinge ist immer das, was gerade als möglich gilt – bis Chemiker die nächste spannende Reaktion oder neue Analyseverfahren auf die Bedingungen der probiotischen Erde anwenden und zuvor ungeahnte Potentiale entdecken. Normalerweise findet man diese inkrementellen Fortschritte eher in kleineren Journals, deswegen ist es schon bemerkenswert, dass es gleich zwei solcher Publikationen in bekanntere Zeitschriften geschafft haben.

Die Papers könnten kaum unterschiedlicher sein, aber sie zielen auf dieselbe entscheidende Frage: Welche Moleküle standen für die chemische Evolution zur Verfügung und warum? In den letzten Jahren haben Forscher eine große Bandbreite möglicher Reaktionen für die Bildung der aus heutiger Sicht essentiellen Lebensbausteine wie Aminosäuren und Nucleobasen entdeckt. Amerikanische Forscher erweitern diese Liste um eine plausible Synthese für biologisch relevante Zucker.

Allerdings weiß man inzwischen auch, dass keineswegs alle Ausgangsstoffe des Lebens auf der Erde neu synthetisiert werden mussten. Astronomische Messungen zeigen, dass das Weltall angefüllt ist mit einer quasi unüberschaubaren Vielfalt kohlenstoffhaltiger Verbindungen – und jetzt ist auch der Nachweis gelungen, dass dieser enorme chemische Reichtum auch auf die Erde gelangt ist.



Präbiotische Chemie im Weltall...
Das hat allerdings ein bisschen gedauert. Der Meteorit von Murchison, den die beteiligten Forscher für ihre Arbeit analysiert haben, wird seit vierzig Jahren auf Aminosäuren, Nucleobasen und andere bedeutende Molekülklassen der modernen irdischen Biologie hin untersucht. Erst jetzt hat sich ein Forscherteam an die interessanteste Frage gewagt: Was ist in dem Stein eigentlich alles drin, insgesamt?

Wie sich herausgestellt hat, ziemlich viel. Das Ergebnis haben die beteiligten Forscher jetzt in PNAS veröffentlicht: Statt gezielt nach irgendwelchen Stoffklassen zu suchen, jagten sie einfach verschiedene Extrakte des Meteoriten durch ein hochauflösendes Massenspektrometer. Auf diese Weise sieht man zwar keine genauen Strukturen, dafür erfährt man einiges über die Gesamtheit der enthaltenen Stoffe. Wie man in der Abbildung sieht, ist das Spektrum bis auf zehntausendstel Protonenmassen aufgelöst.




Quelle: Schmitt-Kopplin et al.High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchison meteorite revealed 40 years after its fall. PNAS 107(7), 2010, 2763-2768.


Die wesentliche Erkenntnis, die es auch in die Tagespresse geschafft hat, ist die bemerkenswerte Vielfalt der enthaltenen Verbindungen. Die Autoren schätzen, dass sie – abzüglich Isotopomere – etwa 50.000 verschiedene Summenformeln entdeckt haben, von denen jede nochmal einen Haufen Isomere repräsentiert, womit man auf ein paar Millionen unterschiedliche Isotope kommt. Ich persönlich bin hier ein bisschen misstrauisch – diese Kalkulation basiert zum größten Teil auf dem methanolischen Extrakt der Murchinson-Materie.

Methanol ist aber protisch und nucleophil und alles andere als ein reaktionsträges Lösungsmittel, während interstellare Kohlenwasserstoffe bekanntermaßen stark ungesättigt und energiereich sind. Ganz zufällig stellen die Forscher denn auch fest, dass die Verbindungen hier einen recht hohen Sauerstoffanteil und wesentlich mehr Wasserstoff im Verhältnis zum Kohlenstoff haben – Genau die Elemente, die beim Einbau von Methanol überproportional zugeführt werden.

Für meine Zwecke ist es allerdings ziemlich egal, ob ein Teil der Vielfalt erst durch Sekundärreaktionen entsteht – Wasser reagiert ziemlich ähnlich, und so ist das, was die Forscher da gemessen haben, ein ganz guter Anhaltspunkt für die Fracht, die Meteoriten auf der frühen Erde abgeladen haben. Verglichen mit der organischen Chemie, die man so auf der Erde findet, enthält das extraterrestrische Material ungleich mehr verschiedene Strukturen.

Verwunderlich ist das keineswegs, denn hier auf der Erde gibt es Wasser und freien Sauerstoff, deren Gegenwart nur ein geringer Bruchteil aller theoretisch möglichen chemischen Strukturen überlebt[1]. Im interstellaren Raum dagegen funktioniert die Chemie völlig anders, dort werden energiereiche Zwischenstufen nicht sofort abgefangen und in eine stabile Substanzklasse umgelagert. Kleine anorganische Moleküle, die in protoplanetaren Scheiben nachgewiesen wurden, sammeln sich im ultrakalten Weltall zu großen Clustern mit vielfältigen Strukturen.

Insofern ist der interplanetare Raum wahrscheinlich eine wesentlich bessere Quelle für präbiotische organische Moleküle als die junge Erde selbst. Doch nicht alle Ur-Bausteine des Lebens wurden über Jahrmillionen in chemischen Reaktionen in Asteroiden und Staubwolken erbrütet, bevor sie auf die Erde gelangten. Zu den grundlegenden Bausteinen des Lebens, die ziemlich sicher auf unserem Planeten aus einfachen Molekülen entstanden, gehören die Zucker.

...und auf der Erde
Die neueste Veröffentlichung beschreibt eine mögliche präbiotische Synthese kleiner Zuckermoleküle unter Mithilfe von Silizium. Grundlage ist die Formose-Reaktion von einfachen Aldehyden zu diversen Zuckern, die nach allgemeinem Konsens die Basis der präbiotischen Zuckerchemie darstellt. Das an sich ist keineswegs neu, allerdings hat dieser Reaktionsweg das Problem, dass dabei alle möglichen instabilen Zucker entstehen und wieder vergehen. Speziell die Ribose (bekannt aus RNA und anderen bedeutenden Nucleinsäurederivaten) ist unter den meisten Bedingungen so instabil, dass man ihr die zentrale Rolle gar nicht zutrauen würde, die sie in der Chemie des Lebens spielt.

Sie muss, kurz gesagt, Hilfe gehabt haben. Irgendein Stoff, der sie direkt nach der Entstehung stabilisiert. Kandidaten sind zum Beispiel Borate oder Cyanamide, die die entstandenen Zucker abfangen und verhindern, dass sie unter Formose-Bedingungen wieder zersetzt werden. Lambert et al weisen in ihrer Science-Publikation nach, dass ganz normales Natriumsilikat diese Funktion ebenfalls erfüllen kann. Und das ist wesentlich häufiger als die Alternativen: Die Erde besteht quasi daraus. 




Zucker mit fünf oder sechs Kohlenstoffatomen dagegen bilden sofort Komplexe mit dem Silikat und sind dann gegen Zersetzung und weitere Kondensationsreaktionen ziemlich stabil. Zucker mit vier Kohlenstoffatomen bilden ebenfalls Silikate, sind aber auch dann unter Formose-Bedingungen noch reaktionsfähig, so dass größere Zucker entstehen. Die Bildung von Zuckersilikaten ist also eine Art chemische Falle, die dafür sorgt, dass sich die fünf- und sechsgliedrigen Zucker anreichern, die auch heute noch für alle Lebewesen unerlässlich sind.

Wir sind noch längst nicht so weit, aus den einzelnen Entdeckungen der chemische Forschung bereitstellt, ein vollständiges Bild von der Entstehung des Lebens auf der Erde zusammenzusetzen. Zu groß ist die Bandbreite der präbiotischen Chemie an Hydrothermalquellen, unter UV-Licht oder in all den anderen Systemen, die auf der frühen Erde eine Rolle gespielt haben könnten.

Zu viel ist noch unerforscht. Wir wissen inzwischen, dass Meteoriten eine bedeutende Quelle für organische Materie waren, was aber dann mit all den Stoffen auf der Erde passiert ist, liegt noch völlig im Dunkeln. Es ist noch nicht lange her, da war auch die Herkunft der Zucker noch sehr rätselhaft, und bis heute weiß niemand, wieso ausgerechnet Phosphat eine so immens wichtige Rolle für das Leben spielt. Das ist die eigentliche Bedeutung von Forschungsergebnissen wie diesen hier: Ein plausibles Gesamtszenario für die Entstehung des Lebens ist erst dann in Reichweite, wenn  die gesamte Bandbreite der chemischen Ausgangsbedingungen bekannt ist. Bis wir einen Blick auf das Schauspiel werfen können, muss erst das Bühnenbild freigelegt werden. Stück für Stück.

(Dank an Jörg Rings für den Hinweis)
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[1} Das ist auch der Grund, warum Chemiker oft mit sorgfält... Read more »

Schmitt-Kopplin, P., Gabelica, Z., Gougeon, R., Fekete, A., Kanawati, B., Harir, M., Gebefuegi, I., Eckel, G., & Hertkorn, N. (2010) High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchison meteorite revealed 40 years after its fall. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(7), 2763-2768. DOI: 10.1073/pnas.0912157107  

Lambert, J., Gurusamy-Thangavelu, S., & Ma, K. (2010) The Silicate-Mediated Formose Reaction: Bottom-Up Synthesis of Sugar Silicates. Science, 327(5968), 984-986. DOI: 10.1126/science.1182669  

  • February 15, 2010
  • 11:58 AM
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Schützt Bier vor Osteoporose?

by Lars Fischer in Fischblog


In den letzten Tagen wurde wieder einmal ein Zusammenhang bemüht, der schon seit ein paar Jahren ziemlich regelmäßig in der Tagespresse herumgereicht wird. "Das Getränk aus Hopfen und Malz verbessert die Knochendichte" schreibt der Focus, und die Welt titelt ebenso prosaisch wie zutreffend: "Bier tut gut". Den Knochen natürlich.

Der Anlass – die US-Forscher Bamforth und Casey haben untersucht, wie der Siliziumgehalt im Bier von der Sorte und den Braubedingungen abhängt – gibt derartige Schlagzeilen zwar eigentlich nicht her, das Thema Bier und Knochen allerdings beschäftigt Forscher schon seit Jahren. Diverse seiner Inhaltsstoffe stehen im Verdacht, Auswirkungen auf die Knochen zu haben, in letzter Zeit konzentriert sich die Forschung allerdings auf das Spurenelement Silizium.

Seit den 70er Jahren weiß man aus Tierversuchen, dass künstlich herbeigeführter Siliziummangel sich negativ auf die Skelettentwicklung auswirkt. Dabei wird Silizium nicht in die Knochen selbst eingebaut, sondern scheint eine Rolle in vorgelagerten Signalwegen zu spielen. Eine Interpretation der Befunde ist, dass gelöste Kieselsäure Sauerstoffradikale stabilisiert, die ihrerseits als Signalstoffe für Knochen- und Knorpelbildung wirken.

Patientenstudien zeigen deutlich, dass Silizium speziell die Symptome von Osteoporose lindern kann und möglicherweise dauerhaft vorbeugend wirkt. Der Zusammenhang zwischen Knochendichte und Silizium ist jedenfalls gut genug belegt, um sich für Lebensmittel zu interessieren, die reich an dem Element sind: Osteoporose ist eine der Krankheiten, die aus demographischen Gründen in Zukunft zu einem immer größeren Problem werden: Etwa ein Drittel aller Frauen bekommen sie nach der Menopause.

Leider, und damit sind wir bei der Crux der Sache, ist Silizium in der menschlichen Ernährung nur in relativ geringen Mengen vertreten, obwohl es zu den häufigsten Elementen der Erdkruste gehört. Viele Pflanzen lagern zwar Silikat ein, um Stängel und Kapseln zu stabilisieren, doch auch in dieser Form ist es in Wasser unlöslich. Aufnehmen können Mensch und Tier das Silizium nur als lösliche Orthokieselsäure, von der auch siliziumreiche Pflanzen eben nur sehr geringe Mengen enthalten.

Ursprünglich gingen Forscher daher davon aus, dass feste Nahrung praktisch nicht zur Gesamtaufnahme an Silizium beitrage. Das stimmt nicht: Im Magen-Darm-Trakt wird ein Teil des unlöslichen Siliziums in Pflanzenmaterial mobilisiert, allerdings kommt dabei nicht allzu viel rum. In Bananen, die mit etwa 5 mg Si/100g sehr siliziumreich sind, ist nur fünf Prozent der Gesamtmenge bioverfügbar.

Bier dagegen enthält, wie wir dem Bamforth-Paper entnehmen können, im Mittel etwa nur halb so viel Silicium wie Bananen, davon ist jedoch ein wesentlich größerer Anteil für den Organismus zugänglich: Bier ist flüssig, deswegen kann es nur lösliche Orthokieselsäure enthalten. Das Getränk steht deswegen schon seit geraumer Zeit in Verdacht, einen beträchtlichen Anteil des Siliziums in der Ernährung zu stellen.

Ernährungsstudien haben dann auch gezeigt, dass dank der löslichen Orthokieselsäure schon recht geringe Mengen Bier einen erheblichen Unterschied machen können: In der Framingham-Offspring-Studie war Bier die bedeutendste Siliziumquelle bei Männern – die unter anderem deswegen auch ein Viertel mehr vom Element aufnahmen.

Das Element gelangt aus dem Malz ins Bier. Ich persönlich vermute, dass ein Teil des normalerweise unzugänglichen Siliziums im Getreide während der Keimung zu Kieselsäure hydrolysiert und so löslich gemacht wird. Der Siliziumgehalt hängt jedenfalls von Ausgangsmaterial und Bedingung der Mälzung ab sowie vom Malzanteil. Süße, stärker gehopfte Biere enthalten mehr Silizium, Weizenbier dagegen ziemlich wenig, weil Weizen kaum Silizium enthält. Die Braubedingungen spielen ebenfalls eine gewisse Rolle: Je stärker die Maische gerührt wird, desto mehr Kieselsäure löst sich. Alkoholfreie Biere fanden sich in der Studie konsistent am unteren Ende der Skala wieder.

Von der praktischen Relevanz all dieser Erkenntnisse bin ich allerdings nicht so recht überzeugt. Die durchschnittliche Tagesdosis Silizium liegt irgendwo im Bereich von 20 bis 50 Milligramm, was etwa ein bis zwei Litern Bier entspricht. Es gibt natürlich noch keine Zahlen für eventuelle therapeutische Dosen, aber ich würde auf der Basis der vorliegenden Daten schätzen, dass man für den gewünschten Effekt schon mindestens zwei, drei Halbe pro Tag killen sollte, und das dauerhaft. Nichts gegen ein entspanntes Feierabendbier, aber das scheint mir doch ein bisschen viel des Guten zu sein.-
Casey, T., & Bamforth, C. (2010). Silicon in beer and brewing Journal of the Science of Food and Agriculture DOI: 10.1002/jsfa.3884
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Casey, T., & Bamforth, C. (2010) Silicon in beer and brewing. Journal of the Science of Food and Agriculture. DOI: 10.1002/jsfa.3884  

  • January 31, 2010
  • 06:38 AM
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Neuartige Pilzinfektionen auf dem Vormarsch

by Lars Fischer in Fischblog


Unter den Erregern von Infektionskrankheiten sind Pilze eher zweite Wahl: Zum einen treten sie öfters an Stellen auf, über die man nur ungerne redet, und zum anderen gelten sie als zwar lästig, aber weitgehend harmlos. Tatsächlich aber lohnt es sich, humanpathogene Pilze im Blick zu behalten, denn dank einer Reihe von Faktoren werden sie als Krankheitserreger weiter an Bedeutung gewinnen.

Ein gefährlicher Vertreter ist zum Beispiel der Pilz Cryptococcus neoformans, der unter anderem mit dem Krankheitsbild AIDS assoziiert ist. Cryptococcose kann eine schwere und gelegentlich tödliche Krankheit sein, verläuft bei immunkompetenten Personen allerdings mild oder symptomlos. Das gilt auch für die allermeisten anderen Pilze. Mykosen sind meist ein Problem für Menschen mit geschwächtem Immunsystem, die für opportunistische Krankheiten generell anfällig sind.



Trotz dieser Einschränkung stellen sie für sehr viele Menschen eine reale Gefahr dar, zumal gerade in den entwickelten Ländern die Zahl der immungeschwächten Patienten durch den steigenden Altersschnitt stetig ansteigt. Inzwischen haben sich Candida-Pilze im Windschatten prominenterer Keime wie MRSA unter die wichtigsten Krankenhausinfektionen vorgearbeitet.

Ein weiteres Warnsignal kommt aus dem Tierreich, wo neuartige Pilzinfektionen in Aggressivität und Verbreitung inzwischen an die schlimmsten Alpträume von Pandemieexperten heranreichen. Der neueste Übeltäter ist der Erreger der erst 2006 erstmals entdeckten Weißnasenkrankheit bei Fledermäusen in den USA. Der Pilz namens Geomyces destructans überwuchert Nase, Ohren und Flügel der winterschlafenden Tiere und hat binnen drei Jahren weit über eine Million Fledermäuse in den nordöstlichen Bundesstaaten getötet, drei Viertel der Gesamtzahl. Ganze Populationen wurden vollständig ausgelöscht.

Das bemerkenswerte ist, dass im März letzten Jahres der Pilz auch bei einer europäischen Fledermaus gesichtet wurde (pdf). Die verführerische Schlussfolgerung ist hier, dass der aggressive Pilz übergesprungen ist und jetzt droht, eine globale Pandemie auszulösen. Tatsächlich ist es wohl umgekehrt: Geomyces destructans stammt aus Europa, und die hiesigen Fledermäuse sind weitgehend immun. Erst als er in die USA gelangte, wurde er zum vernichtenden Killer-Keim.

So ist es nach neueren Erkenntnissen wohl auch bei dem aggressivsten der neuen Killerpilze geschehen, dem Chytridpilz Batrachochytrium dendrobatidis. Der Chytrid befällt die Haut von Fröschen und anderen Amphibien und stört dort den Austausch von Gasen und Elektrolyten. Das scheint zu reichen, um die Viecher in enormen Zahlen umzubringen. Beim ersten Auftreten von B. dendrobatidis in einem Ökosystem verschwindet dort binnen eines Jahres im Schnitt die Hälfte aller Amphibienarten, und die Zahl der Individuen geht um 80 Prozent zurück.

Der Pilz breitet sich weltweit mit einer Geschwindigkeit von mehreren Dutzend bis hunderte Kilometer im Jahr aus und vernichtet besonders bei Tieren mit begrenztem Lebensraum gleich ganze Arten. Nächstes namentlich bekanntes Opfer ist wohl der Frosch Leptodactylus fallax, den der Pilz auf der Insel Dominica nahezu völlig ausgerottet hat und jetzt in seinem letzten Refugium auf der Nachbarinsel Montserrat in die Enge treibt.

Das zeigt, dass man Pilze keinesfalls auf die leichte Schulter nehmen sollte, zumal wie viele andere Erreger auch einige humanpathogene Pilze Resistenzen gegen klassische Behandlungsmethoden entwickeln. Beunruhigend ist auch das relativ breite Wirtsspektrum der beiden Pilze – sie scheinen ohne Mühe zwischen verschiedenen Arten zu wechseln – und der Umstand, dass bei de Epidemien binnen der letzten zwanzig Jahre aus dem nichts aufgetaucht sind. Epidemiologen fürchten schon sehr lange, dass das Vordringen des Menschen in immer abgelegenere Gegenden, der stärkere Siedlungsdruck und natürlich der globale Transport von Menschen, Tieren und Waren potentiell gefährliche Erreger mobilisiert. Speziell das Beispiel Chytridpilz zeigt: Es muss nicht immer ein Virus sein.
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Rosenblum, E., Voyles, J., Poorten, T., & Stajich, J. (2010). The Deadly Chytrid Fungus: A Story of an Emerging Pathogen PLoS Pathogens, 6 (1) DOI: 10.1371/journal.ppat.1000550Blehert, D., Hicks, A., Behr, M., Meteyer, C., Berlowski-Zier, B., Buckles, E., Coleman, J., Darling, S., Gargas, A., Niver, R., Okoniewski, J., Rudd, R., & Stone, W. (2009). Bat White-Nose Syndrome: An Emerging Fungal Pathogen? Science, 323 (5911), 227-227 DOI: 10.1126/science.1163874Warnock, D. (2006). Fungal diseases: an evolving public health challenge* Medical Mycology, 44 (8), 697-705 DOI: 10.1080/13693780601009493
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Rosenblum, E., Voyles, J., Poorten, T., & Stajich, J. (2010) The Deadly Chytrid Fungus: A Story of an Emerging Pathogen. PLoS Pathogens, 6(1). doi/10.1371/journal.ppat.1000550

Blehert, D., Hicks, A., Behr, M., Meteyer, C., Berlowski-Zier, B., Buckles, E., Coleman, J., Darling, S., Gargas, A., Niver, R.... (2009) Bat White-Nose Syndrome: An Emerging Fungal Pathogen?. Science, 323(5911), 227-227. doi/10.1126/science.1163874

Warnock, D. (2006) Fungal diseases: an evolving public health challenge*. Medical Mycology, 44(8), 697-705. doi/10.1080/13693780601009493

  • January 28, 2010
  • 03:25 AM
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Gefiederte Dinosurier - bunt und kuschelig

by Lars Fischer in Fischblog



Dass nicht alle Dinosaurier klassische Reptilienhaut trugen, dürfte sich inzwischen herumgesprochen haben. Die aktuelle chinesische Rekonstruktion eines Dinosauriers mit fellbedecktem Schwanz und Ringelmuster, erschienen gerade in Nature, wirft alledings alles woran man sich gerade gewöhnt hatte, schon wieder über den Haufen. Vergesst Jurassic Park – viele Dinos waren wahrscheinlich bepelzt und farbig gemustert.


Im Gegensatz zu den weitgehend spekulativen Rekonstruktionen in Museen und Büchern gibt es in diesem Fall sogar für die Farben handfeste Belege. Zhang und Coautoren konnten nämlich zeigen, dass die Federn (beziehungsweise in vielen Fällen haarförmige Proto-Federn) nach exakt dem gleichen Prinzip gefärbt waren wie es bei modernen Vögeln und in den Haaren von Säugetieren geschieht: Durch Einlagerung von Melanosomen.



Melanosomen sind kleine, mit dem Farbstoff Melanin gefüllte Organellen, die in der Feder (und im Haar von Säugetieren) verteilt sind. Moderne Vögel besitzen zwei Typen von Melanosomen, die sich in Form, Inhalt und Farbe unterscheiden. Einerseits solche, die schwarzes Eumelanin enthalten, und zum anderen Körnchen des rötlichen Phäomelanins. Beide Sorten haben eine recht charakteristische Form. Die Eumelanin-Körnchen sind länglich mit abgerundeten Enden, während das Phäomelanin in abgeflachten Kügelchen vorliegt.



Sinosauropteryx-Fossil und
Melanosomen. Quelle: Nature


Mit Hilfe dieser Farbstrukturen, die offensichtlich die Versteinerung gut überleben, haben Paläontologen jetzt die ersten Gefiederfarben entschlüsseln können. Die Fossilien stammen aus der fossilführenden Jehol-Formation in Nordostchina, dank deren Fossilien die Abstammungslinie der modernen Vögel und die Entwicklung der ersten Federn aufgeklärt wurden. In diesen Fossilien haben die Forscher nun auch die Spuren von 120 Millionen Jahre alten Federpigmenten gefunden. Und zwar nicht zu knapp.


Die Melanosomen der Dinosaurier tauchen nicht nur in klassischen Federn (mit Fahne) auf, sondern interessanterweise auch in umstrittenen Hautfilamenten, die von einigen Paläontologen als Federn gedeutet werden, von anderen dagegen als Kollagenfilamente, die erst durch Verwesung freigesetzt wurden. Die Filamente hat man inzwischen bei vielen Verschiedenen Dinosaurierarten gefunden, so dass zumindest die Möglichkeit besteht, dass dieser Pelz zur Grundausstattung aller Dinosaurier gehörte. Die Entdeckung der Melanosomen in diesen Strukturen zeigt jedenfalls – wenn sie der Überprüfung standhält – dass Proto-Federn der einen oder anderen Sorte unter Dinosauriern recht verbreitet waren.


Dass es sich tatsächlich um Melanosomen handelt und nicht um Bakterien oder Mineralien, schließen die Autoren aus Aussehen und Lage der Körnchen. Sie bilden geordnete Schichten innerhalb der Feder selbst und genau in den Teilen der Feder, die auch bei modernen Vögeln Melanosomen enthalten. Tatsächlich scheinen die Melanosomen der Hauptgrund zu sein, weshalb überhaupt so viele Federn erhalten sind. Melanine sind recht stabil gegen biologischen und chemischen Zerfall, stabiler jedenfalls als das Keratin der Feder selbst: Teile der Feder, die bei normalen Vögeln kein Melanin einlagern, sind meist nicht erhalten. 




Tatsächlich zeichnen die Melanosomen bei einigen Dinosauriern deutlich erkennbare Muster nach. Der kleine Fleischfresser Sinosauropteryx zum Beispiel hatte offenbar breite Streifen Phäomelanin-haltiger Federn auf dem Schwanz, die in der künstlerischen Rekonstruktion ein niedliches orangerotes Ringelmuster ergeben. Bei anderen Arten wie Confuciusornis und Sinornithosaurus fanden die Wissenschaftler beide Melaninarten in unterschiedlicher Verteilung und Dichte, teils sogar innerhalb einzelner Federn, was auf deutlich komplexere Muster hindeutet.

Erstaunlicherweise scheint selbst bei Zhang und Coautoren das alte Bild von den eintönig grün-braunen Dinos nachzuwirken, denn ihrer Meinung impliziert das Vorhandensein von schwarzem Eumelanin und braunem Phäomelanin, dass die entsprechenden Dinos schwarz-braun gemustert gewesen sein müssten. Doch dabei lassen sie ein weiteres wichtiges Phänomen außer Acht, das modernen Gefiedern ihre Farbenpracht verleiht: Die Strukturfarben.


In vielen modernen Vögeln ist speziell das Eumelanin nur die schwarze Grundierung für eine ganze Reihe von farbgebenden Mechanismen, die von eingelagerten Carotinoiden (das Grün der Sittiche ist eine Mischfarbe aus gelben Carotinoiden und dem dunklen Eumelanin-Hintergrund) bis hin zu Streu- und Brecheffekten an Federstrukturen (die schillernden Schwanzfedern des Pfaus, im Detail nachzulesen in diesem Paper) reichen und sich leider bei der Versteinerung wohl nur schwer nachweisen lassen.


Es ist jedenfalls nicht einzusehen, weshalb Dinos diese Strukturfarben nicht gehabt haben sollten. Allerdings gehe ich davon aus, dass immerhin die farbliche Rekonstruktion von Sinosauropteryx im Wesentlichen korrekt ist – Phäomelanin ist kein guter Hintergrund für brilliante Struktureffekte, und eine Quelle für farbverändernde Pflanzenstoffe ist bei einem Fleischfresser auch nicht in Sicht.

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Zhang, F., Kearns, S., Orr, P., Benton, M., Zhou, Z., Johnson, D., Xu, X., & Wang, X. (2010). Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds Nature DOI: 10.1038/nature08740
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Zhang, F., Kearns, S., Orr, P., Benton, M., Zhou, Z., Johnson, D., Xu, X., & Wang, X. (2010) Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds. Nature. doi/10.1038/nature08740

  • January 25, 2010
  • 04:44 AM
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Neues Klimamodell: Weniger, aber heftigere Wirbelstürme

by Lars Fischer in Fischblog


Drohen durch die globale Erwärmung heftigere Wirbelstürme? Eine endgültige Antwort steht noch aus, aber viele Wissenschaftler beantworten die Frage mit einem vorsichtigen Ja. Neue Modellrechnungen stützen diese Interpretation.

Das Klima der Zukunft wird wärmer – aber wie wird das Wetter? Auf diese Frage gibt es derzeit nur wenig zuverlässige Antworten, und speziell die Auswirkungen auf extreme Ereignisse wie Wirbelstürme oder Dürren sind heftig umstritten. Eng damit verknüpft ist die Frage, ob aktuelle Wetterphänomene bereits der Klimawandel in Aktion sind oder lediglich natürliche Schwankungen darstellen. Ganz oben auf der Liste stehen die Wirbelstürme des Atlantiks, weil sie nicht mur spektakulär sind und enorme Schäden anrichten, sondern auch noch regelmäßig jedes Jahr auftreten und – Zufall, Zufall – ihre Zahl sich in den letzten 25 Jahren verdoppelt hat.[1]

Das Problem ist, dass es bis heute keine Computermodelle gibt, die diese Frage zuverlässig beantworten können. Zu unterschiedlich sind die Zeit- und Größenskalen der beteiligten Phänomene. Klimasimulationen erfassen langfristige Trends über kontinentgroße Bereiche und sind schlicht zu grobkörnig, um einzelne tropische Stürme zu erfassen. Und die Wettermodelle, die heute Zugbahnen von Stürmen vorhersagen können, sind auf zeitlich und räumlich aufgelöste Messdaten angewiesen.

Sowohl der Klimawandel als auch die Entstehung von Wirbelstürmen sind für sich genommen inzwischen recht gut verstanden – kann man eine Brücke zwischen beiden Ebenen schlagen? In den USA, die an langfristigen Hurricantrends aus naheliegenden Gründen sehr interessiert sind, hat ein Team drei Modelle zusammengeführt, um die Auswirkungen des Klimawandels auf Wirbelstürme zu berechnen. Demnach werden atlantische Wirbelstürme seltener, dafür aber deutlich stärker. Und es gibt zumindest laut dieser Studie keinen Hinweis darauf, dass die Effekte des Klimawandels in den bisherigen Trends messbar sind.



Wie sind Bender und Kollegen zu dieser Aussage gekommen? Es liegt nahe, aus einem globalen Klimamodell regionale Daten wie Beispiel Luft- und Wassertemperatur auszulesen und in ein feineres Atmosphärenmodell zu übertragen, das dann die Entstehung der Hurricane im Detail simuliert. Diesen Ansatz bezeichnet man als Downscaling, und er ist nicht neu. Derartige Untersuchungen gibt es schon länger, und sie haben recht widersprüchliche Ergebnisse ausgespuckt.

Das liegt an einem grundsätzlichen Problem des Downscalings: Je größer die Unterschiede zwischen den Größenskalen beider Modelle, desto weniger sind die Daten für eine detaillierte Simulation geeignet. Eine kilometergenaue Berechnung auf der Basis über die komplette Karibik gemittelter Daten geht höchstwahrscheinlich in die Hose. Projektion zukünftiger Sturmschäden durch Kategorie-fünf-Hurricane ist so schlicht nicht möglich – zu groß sind die Unsicherheiten.

Trotzdem ist Downscaling auch ihn dieser Studie das Mittel der Wahl, um Informationen über lokales Wetter unter Klimawandel-Bedingungen zu gewinnen. Man kann nämlich die Unterschiede in den Skalen deutlich verringern. Es gibt seit ein paar Jahren Modelle mittlerer Genauigkeit, die zwar bei der genauen Vorhersage von Stürmen scheitern, dafür aber die von Jahr zu Jahr beobachteten Trends und Variationen der Wirbelsturm-Saison gut reproduzieren.

Mit solchen Modellen hat man einen Zwischenschritt mittlerer Auflösung, der aus globalen Klimadaten schon mal brauchbare Aussagen über die saisonale Dynamik unter Klimawandel-Bedingungen ableitet. In dieses Modell haben die Forscher also Atlantik-Klimadaten aus dem A1B-Emissions-Szenario des IPCC eingespeist – mit dem Ergebnis, dass die bloße Anzahl der Stürme im 21. Jahrhundert um bis zu ein Viertel abnimmt. Damit bestätigft die Studie Ergebnisse früherer Modellrechnungen.

Allerdings ist nicht die Anzahl der Stürme wirklich interessant, sondern vor allem ihre Stärke, und die kann ein so grobkörniges Modell nicht vorhersagen. Bender und Kollegen haben dieses Problem umgangen, indem sie die einzelnen Stürme aus der dynamischen Situation einfach samt Umgebungsbedingungen in die detaillierten Hurrican-Simulationen des US-Wetterdienstes übertrugen. Und die sagen: Die Stürme werden heftiger.

Diese Ergebnisse sind – obwohl sie zuerst einmal widersprüchlich klingen – erfreulicherweise konsistent mit theoretischen Vorhersagen auf der Grundlage physikalischer Überlegungen: Die stärkere Verdunstung in einer wärmeren Welt sollte Wirbelstürme verstärken – andererseits erschweren stärkere Winde aber auch ihre Bildung. Mehr Gewitterzellen werden von Scherwinden auseinandergetrieben, bevor sie überhaupt zu einem großen Sturm werden. Nimmt ein Sturm diese Hürde allerdings, steht ihm wegen der höheren Meerestemperaturen ungleich mehr Energie zur Verfügung.

Die Modelle bestätigen außerdem einen weiteren in der Realität beobachteten Effekt, nämlich die hohe Bedeutung der Windscherung. Die Stürme wurden nämlich nicht auf der Basis eines einzelnen Klimamodells berechnet, sondern einerseits aus den Mittelwerten von 18 Modellen, andererseits auf der Basis von vier verschiedenen Simulationen, die sich unter anderem sehr stark in der Windscherung unterschieden. Das Modell mit den stärksten Winden im Entstehungsgebiet sagt dementsprechend anders als die anderen Modelle auch bei starken Stürmen eine geringere Aktivität voraus.

Der Vergleich aller Modelle zeigt, dass zumindest die Vorhersage von insgesamt weniger Wirbelstürmen inzwischen recht robust ist. Was die Intensität angeht, bin ich mir nicht so sicher. Physikalisch ist das zwar plausibel, der zweite Übertragungsschritt zwischen den Modellen erzeugt aber zusätzliche Unsicherheiten. Die Autoren weisen im Paper zusätzlich darauf hin, dass ihr Modell saisonale Aktivitätsschwankungen unterschätzt. Das letzte Wort ist mit dieser Studie sicher noch nicht gesprochen.
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[1] ES ist allerdings möglich, dass ein Teil des Anstiegs schlicht auf genauere Beobachtung zurückgeht.
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Bender, M., Knutson, T., Tuleya, R., Sirutis, J., Vecchi, G., Garner, S., & Held, I. (2010). Modeled Impact of Anthropogenic Warming on the Frequency of Intense Atlantic Hurricanes Science, 327 (5964), 454-458 DOI: 10.1126/science.1180568
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Bender, M., Knutson, T., Tuleya, R., Sirutis, J., Vecchi, G., Garner, S., & Held, I. (2010) Modeled Impact of Anthropogenic Warming on the Frequency of Intense Atlantic Hurricanes. Science, 327(5964), 454-458. doi/10.1126/science.1180568

  • January 21, 2010
  • 06:04 PM
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Zu viel versprochen - War’s das schon mit den Genexpressions-Arrays?

by Lars Fischer in Fischblog


Mitte der 90er Jahre weckte eine neue Methode zur Messung der Genaktivität die Hoffnung, Tumore mit Hilfe ihres Expressionsprofils zu charakterisieren und gezielt zu behandeln. Doch diverse Probleme verhindern nach wie vor, dass die Technik in der Praxis zum Einsatz kommt. Inzwischen wachsen Zweifel daran, dass sie es jemals in die Klinik schafft

Eines der großen Probleme bei der Behandlung von Krebs ist, dass die Krankheit so variabel ist. Tumore können aus den unterschiedlichsten Ursachen entstehen, und kleine molekularbiologische Unterschiede können große Auswirkungen auf den Krankheitsverlauf haben. Ob zum Beispiel ein Tumor mit hoher oder niedriger Wahrscheinlichkeit Metastasen bildet, hängt unter anderem davon ab, welche Gene besonders aktiv sind. Und das misst ein Expressions-Array.

Ein Expressions-Array ist im Grunde eine Platte vielen kleinen Schälchen, an deren Boden kurze einzelsträngige Erbgutstückchen befestigt sind. Sie fangen aus der Probelösung die zu ihnen passenden, fluoreszenzmarkierten DNA-Stränge ein, die zuvor mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase aus mRNA-Strängen gewonnen wurde. Die mRNa wiederum ist das Ausgangsprodukt der Proteinsynthese: Je mehr von ihr vorhanden ist, desto aktiver ist das Gen. Und desto stärker leuchtet das Schälchen mit der dazu passenden Sonde.

Das Prinzip erscheint fast verlockend einfach, und die nötige Technik ist ebenfalls seit Jahren kommerziell erhältlich. Trotzdem sieht es so aus als würde der Stern dieser Technologie bereits wieder sinken, bevor sie es auch nur in den Klinikalltag geschafft hat. Die Expressions-Arrays sind den hohen Erwartungen nie gerecht geworden.



Warum das so ist, damit hat sich gerade Serge Koscielny in einem Paper in Science Translational Medicine beschäftigt. Er zieht als Beispiel den Brustkrebs heran, um die zentralen Probleme der Methode erläutert. Zum Beispiel hat man anhand von Expressionsanalysen Mammatumore in vier Hauptklassen unterteilt, deren Unterscheidung man an der Expression mehrerer (Stand der Dinge scheint wohl 37 zu sein) verschiedener Gene festmacht. In der Klinik werden diese Arrays aber nicht genutzt.

Stattdessen verwenden Ärzte immunologische und histologische Verfahren zur Klassifizierung von Tumoren. Der Grund dafür ist, dass die Expressionsanalysen den Medizinern in diesem Fall nur mitteilten, was sie auf anderem Weg schon längst wussten und auch ohne die neuen, aufwendigen Verfahren herausfinden können.

Noch vielversprechender war ein zweites Verfahren, das die Expression von 70 Genen mit der Rückfallhäufigkeit und der langfristigen Prognose korrelierte. Das Verfahren funktionierte auch sehr gut bei der Vorhersage schlechter Tumorprognosen, in späteren Untersuchungen erwies sich die Vorhersage aber als zu wenig spezifisch, ein Problem, dass die ersten klinischen Tests schlicht übersehen hatten. Dieses Problem sieht Koscielny als zentrale Hürde bei nahezu allen Expressionsmarkern: Die Literatur ist voll mit Expressionsprofilen, die angeblich Aussagekraft haben, jedoch ist nur ein winziger Teil davon ordentlich geprüft. Und damit ist der größte Teil dieser Daten schlicht unbrauchbar.

Diese Schwierigkeit berührt ein generelles Problem medizinischer Forschung. Grundlagenforschung, also die Identifizierung solcher Marker, ist vergleichsweise kostengünstig, während die klinische Validierung enorm viel Geld kostet. Diese Übertragung grundlegender Erkenntnisse in die Praxis ist deswegen fast nur mit Hilfe der Industrie möglich und geschieht dementsprechend nur da, wo rasche Anwendung und eine große Patientenbasis winken. Damit stecken nicht nur aussichtsreiche Marker in einer frühen Phase der Entwicklung fest, sie verschwinden zusätzlich noch in einer immer größer werdenden Zahl schlecht belegter Korrelationen.

Unter Druck gerät die Methode allerdings auch von anderer Seite: Moderne Sequenzierungstechniken ermöglichen direkte DNA-Analysen in immer kürzerer Zeit für immer weniger Geld. „Mutationen und andere genetische Veränderungen sind wahrscheinlich für die Pathogenese und den medikamentösen Ansatzpunkt wesentlich bedeutsamer als Expressionsdaten.“ Sagt Martin Fenner, der nicht nur Blogger im Nature Network, sondern auch Onkologe in Hannover ist.

Darauf deuten inzwischen eine ganze Reihe Untersuchungen, und dementsprechend bezeichnen einige Blogger die neueste Sequenzierungsmaschine von Illumina schon als den Array-Killer. Dem Börsenkurs von Array-Hersteller Affymetrix hat dieser Launch jedenfalls nicht allzu gut getan. Angeblich kostet die Sequenzierung im Idealfall pro Base nur noch ein Achtel dessen, was man bei den Vorgängern abdrücken musste, und in der Technik steckt noch Potential.

Damit bleibt den Arrays nur die Nische. In der Forschung werden sie auch weiterhin Verwendung finden, und bei einigen Krebsarten ergänzen sie die klassischen Methoden, so dass sie in speziellen klinischen Anwendungen ihren Platz haben. Aber die Krebsdiagnostik auf breiter Front revolutionieren, wie es den Pionieren der Technik vorschwebte, werden die Genexpressions-Arrays nicht mehr.
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Koscielny, S. (2010). Why Most Gene Expression Signatures of Tumors Have Not Been Useful in the Clinic Science Translational Medicine, 2 (14), 14-14 DOI: 10.1126/scitranslmed.3000313
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Koscielny, S. (2010) Why Most Gene Expression Signatures of Tumors Have Not Been Useful in the Clinic. Science Translational Medicine, 2(14), 14-14. doi/10.1126/scitranslmed.3000313

  • January 19, 2010
  • 10:10 PM
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Pestizid-Teststreifen für Lebensmittel

by Lars Fischer in Fischblog

Rückstände von Pflanzenschutzmitteln in Obst und Gemüse nachzuweisen erfordert oft erheblichen Aufwand. Eine einfache Technik könnte jetzt komplizierte Laboruntersuchungen bei einigen Stoffen überflüssig machen. ... Read more »

Hossain, S., Luckham, R., McFadden, M., & Brennan, J. (2009) Reagentless Bidirectional Lateral Flow Bioactive Paper Sensors for Detection of Pesticides in Beverage and Food Samples. Analytical Chemistry, 81(21), 9055-9064. doi/10.1021/ac901714h

  • January 13, 2010
  • 04:01 PM
  • 248 views

Schlangenbisse - eine Armutskrankheit

by Lars Fischer in Fischblog

Bei dem ganzen Ärger, den Bakterien, Viren und scheußliche Einzeller verursachen, vergisst man leicht, dass auch größere Tiere eine Gefahr darstellen können. Man sollte meinen, dass Infektionskrankheiten wie Cholera oder Dengue-Fieber wesentlich mehr Todesopfer fordern, aber das stimmt so nicht. Schlangenbisse sind, wie ich vor ein paar Tagen gelernt habe, eine recht häufige Todesursache. In Südostasien und dem subsaharischen Afrika, wo die meisten Todesfälle auftreten, sterben jährlich je nach Schätzungen bis zu 80.000 Menschen am Schlangengift. So viele wie durch Schistosomiasis, Cholera, Japanische Enzephalitis, Leishmaniose, Trypanosomen und Dengue zusammen.

Bei den meisten dieser Krankheiten ist nicht nur die direkte Sterblichkeit wichtig, sondern die hohe Rate an chronischen Infektionen und langfristigen Folgeschäden, die vielerlei negative Auswirkungen hat – von Entwicklungsstörungen bei Kindern über ineffektive Impfkampagnen bis hin zu jährlichen volkswirtschaftlichen Schäden in Milliardenhöhe. Auch Schlangenbisse hinterlassen bei Überlebenden oft schwere bleibende Schäden, die umso gravierender sind, weil die meisten Opfer im arbeitsfähigen Alter oder darunter sind.

Wegen dieser Gemeinsamkeiten führt die Weltgesundheitsorganisation seit einiger Zeit Schlangenbisse wie die anderen Krankheiten in der Liste unter der Bezeichnung Neglected Tropical Disease (NTD), und das mit einiger Berechtigung. Schlangenbisse sind selbst nach den Maßstäben von NTDs eine vernachlässigte Tropenkrankheit. Einigermaßen zuverlässige Fallzahlen gibt es erst seit wenigen Jahren – die (meines Wissens) erste wirklich umfassende und reproduzierbare Übersicht über die globale Schlangenbiss-Mortalität stammt aus dem Jahr 2008.

Todesfälle durch Schlangenbisse nach Ländern. Aus: Harrison et al., Snake Envenoming: A Disease of Poverty. PLoS Negl Trop Dis 3(12) (2009): e569. Die Legende ist offensichtlich falsch.

Wie schwer es ist, einen Überblick über die Häufigkeit solcher lange unterschätzten Todesursachen zu bekommen, demonstriert die erstaunlich kreative Methodensammlung der damaligen Studie. Die Quellen reichen hier von konkreten Fallzahlen in Ländern, in denen die Sterberegister zuverlässig sind bis hin zu reinen Schätzungen auf der Basis der Fallzahlen in den Nachbarländern für Gebiete völlig ohne Daten (zum Beispiel Deutschland). Eine weitere wichtige Quelle für diese Sorte Daten ist übrigens „graue“, nicht in wissenschaftlichen Journals publizierte Literatur wie Projektberichte und ähnliches.

Die Studie bestätigte damals im Wesentlichen das, was man aus anekdotischen Berichten und regionalen Studien wusste: Die Opferzahlen sind hoch, und am meisten betroffen sind tropische und subtropische Gebiete. Die geographische Verteilung ist aussagekräftiger als es scheint, denn giftige Schlangen gibt es fast überall. Die tropischen Arten sind nur bunter und haben die bessere PR.

Der eigentliche Grund, dass Schlangen in den Tropen tödlicher sind, ist Armut, wie diese aktuelle Untersuchung nachdrücklich belegt. Egal ob man den Wohlstand als Bruttoinlandsprodukt pro Kopf, Gesundheitsausgaben der Regierung oder über den ausgefeilteren Human Development Index (HDI) misst, es gibt einen deutlichen Zusammenhang zwischen sozioökonomischen Kennzahlen und Sterblichkeit durch Schlangenbisse.

Beziehungen zwischen sozioökonomischen Indikatoren und Schlangenbiss-Mortalität. Achtung: Die Sterblichkeit ist logarithmisch aufgetragen, die Graphen B und D sind doppelt-logarithmisch.  Aus: Harrison et al., Snake Envenoming: A Disease of Poverty. PLoS Negl Trop Dis 3(12) (2009): e569.

Zwei Effekte sind für diesen Zusammenhang verantwortlich. Der erste ist Zugang zu effektiver medizinischer Versorgung. Gegen fast alle Schlangengifte gibt es effektive Antidote, die meistens das Leben der Opfer retten. Speziell in ärmeren Ländern sind diese Gegengifte entweder gar nicht verfügbar, zu teuer oder kommen zu spät. Hinzu kommt, dass oft das medizinische Personal für die Behandlung von Schlangenbissen gar nicht hinreichend ausgebildet ist.

Aber eigentlich, und das ist bemerkenswert, sind Schlangenbisse quasi eine Berufskrankheit. Die Hauptrisikogruppe sind arme Kleinbauern der Tropen und Subtropen, die ihre Felder noch mit e3infachsten Mitteln bewirtschaften. Wer den ganzen Tag mit den Händen im Unterholz herummacht, wird natürlich auch am meisten gebissen. Und in dieser demographischen Gruppe kommt natürlich alles zusammen: Armut, schlechter Zugang zu medizinischer Hilfe, hohe Krankheitslast. Und natürlich auch relativ schlechte Kommunikation.

Gerade in der am stärksten betroffenen Gruppe dürfte deswegen die Dunkelziffer besonders hoch sein. Die epidemiologische Erforschung der Schlangenbisse hat jedenfalls gerade erst begonnen.

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Harrison, R., Hargreaves, A., Wagstaff, S., Faragher, B., & Lalloo, D. (2009). Snake Envenoming: A Disease of Poverty PLoS Neglected Tropical Diseases, 3 (12) DOI: 10.1371/journal.pntd.0000569... Read more »

Harrison, R., Hargreaves, A., Wagstaff, S., Faragher, B., & Lalloo, D. (2009) Snake Envenoming: A Disease of Poverty. PLoS Neglected Tropical Diseases, 3(12). doi/10.1371/journal.pntd.0000569

  • January 11, 2010
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