WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

In Europa kehren immer mehr Menschen den etablierten Kirchen den Rücken. Die zunehmende Säkularisierung unserer Gesellschaft bedeutet aber keineswegs, dass spirituelle Erfahrungen nicht mehr zeitgemäß wären – im Gegenteil!

Eine wachsende Zahl von Menschen empfindet die etablierten Religionen als beengend und ausgrenzend. Die katholische Kirche etwa schließt Geschiedene, wenn sie eine neue Partnerschaft eingehen, von den Sakramenten aus, und Homosexualität gilt in vielen Religionsgemeinschaften als problematisch. Das ist für viele Zeitgenossen heute nicht mehr nachvollziehbar.

Die Entfremdung von traditionellen Religionen macht sie aber nicht zu Menschen ohne spirituelles Empfinden, wie das Wissenschaftsmagazin Gehirn&Geist in seiner aktuellen Ausgabe(Heft 3/2011) berichtet. In einer Umfrage von Forschern der Universität Salzburg aus dem jahr 2006 bezeichnete sich nur jeder fünfte Teilnehmer als weder spirituell noch religiös. Was aber bedeutet Spiritualität heute? Verbinden Menschen damit eine besondere Beziehung zu Gott, zum Kosmos oder einfach einen Zustand allgemeiner Harmonie und Ausgeglichenheit?

US-amerikanische Wissenschaftler von der Indiana University bündelten 2004 rund 30 Studien zum Thema. Ergebnis: Spirituelle Menschen empfinden ihr Leben in hohem Maße als sinnvoll, fühlen sich oft mit dem Kosmos und einen höheren Macht verbunden, üben sich in spirituellen Praktiken wie Gebet oder Meditation. Zudem fördert eine spirituelle Orientierung das Wohlbefinden, körperlich wie auch psychisch.

Letzteres belegt auch eine Untersuchung der indischen Psychologen Mojtaba Aghili und G. Venkatesh Kumar von der University of Mysore von 2008. Die Forscher hatten 1500 Landsleute befragt und herausgefunden, dass Glück und Zufriedenheit bei diesen eng mit religiösen und spirituellen Überzeugungen zusammenhing. Ähnliches zeigte eine 2010 veröffentlichte Studie der Psychologin Mira Kammerl an 180 deutschen Probanden: Demnach sind spirituelle Menschen gelassener und entspannen sich nach Stress und Belastungen leichter. Das dürfte unter anderem dazu beitragen, dass sie im Schnitt bessere Herz-Kreislauf-Werte und eine höhere Lebenserwartung aufweisen.

Spirituelle Menschen wenden sich zudem häufiger anderen zu oder engagieren sich etwa für ein pädagogisches oder soziales Projekt. Eine Folge: Sie neigen seltener zu Depressionen, wie die Medizinerin Joanna Maselko von der Temple University in Philadelphia 2009 in einer Studie an knapp 1.000 US-Bürgern nachwies. Individuelle Spiritualität, die dem eigenen Leben Sinn verleiht, schützt Forschern zufolge besser vor Depression als etwa regelmäßiger Kirchgang. (Quelle: Gehirn&Geist, Ausgabe 3/2011)

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Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Der Saturnmond Enceladus ist verblüffend aktiv. Vor nicht allzu langer Zeit entdeckte man Hinweise auf einen Ozean unter seiner Kruste. Außerdem schleudern Eisgeysire in der Südpolregion Teilchen ins All. Dabei entkommen die schnellen Partikel der Anziehungskraft des Mondes, landen im E-Ring von Saturn und werden zum Großteil von Enceladus wieder eingesammelt; die langsameren Eisteilchen dagegen sorgen für leichten Schneefall in der Umgebung der Geysire. Das fanden Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik mit ihrem Staubdetektor an Bord der NASA/ESA-Raumsonde Cassini heraus. Dazu verglichen sie Modellrechnungen mit Messungen der Raumsonde (Icarus 206, 446-457, 2010).

Enceladus stößt Fontänen von mikroskopischen Eispartikeln und Wasserdampf aus, die den diffusen äußeren E-Ring um Saturn speisen. Durchflüge von oben nach unten durch diesen Ring ermöglichten Messungen seiner Dicke und Struktur. Das wichtigste Instrument war der Staubdetektor CDA des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik. “Die Daten lieferten unerwartete Details darüber, wie der Ring mit Material versorgt wird”, sagt Sascha Kempf. “Mit unseren Modellrechnungen und Simulationen konnten wir auch den Teilchenausstoß einzelner Eisgeysire ableiten.”

Sowohl die Produktionsraten der Eisgeysire als auch die dynamischen Eigenschaften der Eispartikel variieren erheblich. Die meisten der ausgestoßenen Teilchen werden von Enceladus während der folgenden zwei Umläufe um Saturn wieder eingesammelt, während die restlichen Teilchen vermutlich 50 bis 400 Jahre im Ring bleiben.

Bei ungefähr senkrechten Durchflügen durch den E-Ring fanden die Wissenschaftler auf den ersten Blick die erwartete glatte Glockenkurve für die Verteilung der Teilchen mit dem Maximum in der Mitte und Ausdünnen nach oben und unten. Unerwartete Spitzen in der Verteilung - vor allem in der Nähe von Enceladus - erwiesen sich bei genauerer Untersuchung nicht etwa als statistische Fluktuationen, sondern als echt: Sie spiegeln den Teilchenausstoß einzelner Eisgeysire wider. Die Aktivität jedes einzelnen Geysirs ist in der vertikalen Struktur des Rings abgebildet. Die Stärke der Spitzen zeigt, dass einige Geysire mehr ausstoßen als andere; dadurch verraten sich ihre Auswürfe auch noch in großer Entfernung.

Die Berechnungen der Teilchenflugbahnen ergaben, dass größere Partikel mit Durchmessern über 0,7 Mikrometer (tausendstel Millimeter) nur dauerhaft von Enceladus in den E-Ring entkommen können, wenn sie deutlich schneller sind als 207 Meter pro Sekunde - der Fluchtgeschwindigkeit von der Enceladusoberfläche. Dagegen werden kleinere Teilchen von den elektromagnetischen Kräften im rotierenden Magnetfeld des Saturns mitgerissen und können auf diese Weise leichter von Enceladus entkommen; dort vorhandene Ionen laden die zunächst neutralen Teilchen auf.

Das Modell liefert auch Aussagen darüber, wo und wie viel des Auswurfmaterials der Eisgeysire als “Schneefall” auf der Enceladusoberfläche niedergeht: Unabhängig von ihrer Größe landen die meisten Eispartikel in unmittelbarer Nähe der Schlote in der sogenannten Tigerstreifenregion im Südpolargebiet. Dort wächst die Schneedecke jährlich allerdings nur um einen halben Millimeter.

Frühere optische Messungen der Raumsonde Cassini ergaben, dass die Eiskörnchen auf der Enceladusoberfläche am Südpol erheblich größer sind als die von den Geysiren ausgestoßenen Teilchen. Außerdem nimmt ihre Größe mit zunehmendem Abstand von den Tigerstreifen ab. Das lässt sich durch physikalische Vorgänge auf der Oberfläche erklären: Kleine Körnchen wachsen durch Umkristallisieren oder Zusammenbacken unter dem Einfluss lokaler Wärme; andererseits schlagen Mikrometeoriten Körner aus der Eisoberfläche.

Weitere Messungen bei Durchflügen durch den E-Ring und nahen Vorbeiflügen an Enceladus während der verlängerten Cassini-Mission sollen den Forschern helfen, mögliche Variationen in der Aktivität der Eisgeysire zu entdecken. Sie schlagen vor, mit den Kameras und Spektrometern die Farben der einzelnen Fontänen zu analysieren, um die Größenverteilung der Eispartikel darin zu bestimmen. Quelle: idw, Foto:

(pug) Ein internationales Team von Wissenschaftlern der Universität Göttingen, des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und der University of California in Santa Cruz hat erstmals bei einer sogenannten Super-Erde die Struktur ihrer Atmosphäre untersuchen können. Die Forscher beobachteten den erst vor knapp einem Jahr entdeckten Planeten GJ 1214b, der außerhalb unseres Sonnensystems liegt und nur wenig größer als unsere Erde ist. „Dies ist die erste Super-Erde, bei der eine Atmosphäre nachgewiesen und untersucht wurde. Wir haben einen echten Meilenstein auf dem Weg zu einer Charakterisierung dieser Welten erreicht“, so der Leiter der Studie Dr. Jacob Bean.

Als Super-Erde bezeichnen Astronomen Planeten, die bis zu dreimal so groß wie die Erde sind und die ein- bis zehnfache Masse haben können. Man nimmt an, dass Super-Erden ein überwiegend festes Inneres haben und womöglich aus einem Gemisch aus Fels und Eis bestehen. Bislang sind erst sehr wenige von ihnen bekannt, besonders im Vergleich zu den sogenannten Gasriesen, die mittlerweile zu hunderten in Umlaufbahnen um ferne Sterne entdeckt worden sind. GJ 1214b ist 2,7-mal so groß und 6,5-mal so massereich wie unsere Erde.

Um seine Atmosphäre nachzuweisen, beobachteten die Astronomen den Planeten, während er vor seinem Zentralstern vorbeizog. Dabei leuchtet das Licht des Sterns aus unserer Perspektive den Planeten „von hinten“ an, wodurch die Atmosphäre, die den Planeten umgibt, sichtbar wird. Das Licht scheint durch die Atmosphäre des Planeten hindurch, die gasförmigen Bestandteile der Atmosphäre absorbieren das Licht bei charakteristischen Wellenlängen und das so beobachtbare Spektrum kann als „chemischer Fingerabdruck“ interpretiert werden. Mit vergleichbaren Beobachtungen konnten zuvor schon Gase wie Wasserstoff, Methan und Natriumdampf in den Atmosphären ferner „heißer Jupiter“ nachgewiesen werden.

Die genaue chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist bislang noch unklar. Die deutschen und amerikanischen Wissenschaftler beobachteten die Super-Erde mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile im nahinfraroten Spektralbereich. Ob die Atmosphäre des Planeten eher dampf- oder eher gasreich ist, könnten weitere Beobachtungen im langwelligen Infrarotbereich klären. Die neuen Beobachtungen schließen allerdings aus, dass der Planet von einer wolkenlosen wasserstoffreichen Atmosphäre umgeben ist. Bestünde die Atmosphäre von GJ 1214b überwiegend aus Wasserstoff, müsste sie wie auf der Venus von einer dichten Wolkendecke oder wie auf dem Saturnmond Titan von einem hochgelegenen Schleier von Aerosolen verhüllt sein.

Die Daten ließen sich aber auch durch eine weit dichtere Gashülle mit einem hohen Anteil schwerer Gase erklären. „Mit den aktuellen Beobachtungen können wir noch nicht sicher entscheiden, von welcher genauen Beschaffenheit diese Atmosphäre ist. Aber sie zeigen sicher, dass sie sich von allen bisher beobachteten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems unterscheidet“, erläutert Dr. Derek Homeier von der Universität Göttingen. „Sie könnte der Uratmosphäre unserer Erde weit ähnlicher sein, oder auch auf eine wasserreiche Welt mit einer Hülle aus Wasserdampf hinweisen.“ Und Dr. Bean ergänzt: „Eine solche Atmosphäre müsste zu mindestens einem Fünftel aus Wasserdampf bestehen. Damit würde sie sich sehr von unserer Erdatmosphäre unterscheiden, die aus vier Fünfteln Stickstoff und einem Fünftel Sauerstoff besteht, mit nur kleinen Spuren von Wasserdampf. Etwas Vergleichbares existiert in unserem Sonnensystem nicht.“ (Quelle: idw, Foto: Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei - Paul A. Kempton). Originalveröffentlichung: Jacob Bean et al. A ground-based transmission spectrum of the super-Earth exoplanet GJ 1214b. Nature. DOI: 10-1038/nature09596

Selbstorganisierte Prozesse spielen neben Umwelteinflüssen und genetischen Faktoren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Gehirns. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team von Forschern, unter anderem aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation, des Bernstein Center for Computational Neuroscience und der Universität Göttingen.

Die Gehirne von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbabys zeigen beispielsweise überraschende Ähnlichkeit: So folgt die Anordnung der Nervenzellen in den Sehrinden der Arten folgt exakt demselben Design. Weder frühe Einflüsse der Umwelt noch Vererbung können diesen Befund erklären. Mithilfe eines mathematischen Modells jedoch konnten die Wissenschaftler die Gehirnarchitektur exakt vorhersagen. Es beschreibt, wie sich neuronale Schaltkreise im Gehirn selbstorganisiert entwickeln. (Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010)

Abb. 1 Die Vorfahren von Spitzhörnchen (rechts) und Buschbaby (links) gehen seit 65 Millionen Jahren getrennte Wege. Dennoch gleichen sich Details ihrer Sehrinden auf verblüffende Weise. Bild: Wikimedia

Nervenzellen in der Sehrinde reagieren auf definierte Bildelemente wie Kanten und Konturen. Jede Zelle hat dabei eine “Orientierungspräferenz”: Sie ist auf bestimmte Kantenverläufe spezialisiert, wie etwa horizontale, vertikale oder schräge Kanten. Werden Zellen gleicher Spezialisierung mit derselben Farbe eingefärbt, erhält man so eine Karte der Orientierungspräferenz. Das fundamentale Strukturelement dieser Karten, das sich über die Sehrinde tausendfach wiederholt, bezeichnen Forscher als Pinwheel (deutsch: Windrad), denn Gebiete derselben Orientierungspräferenz treffen an einem Punkt zusammen - wie die Flügel eines Spielzeug-Windrades (siehe Abbildung 2).

Während frühere Arbeiten erwartet ließen, dass sich die Verteilung der Windräder in den Sehrinden verschiedener Arten stark unterscheiden, fanden die Forscher eine verblüffende Ähnlichkeit bei Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby. Ein Erkennungszeichen dieses gleichen Designs ist die Dichte der Windrädchen. Diese und eine große Zahl anderer Merkmale stimmen bei diesen Arten genau überein. Auf einen vererbten genetischen Bauplan lässt sich dies jedoch nicht zurückführen. Denn der letzte gemeinsame Vorfahre von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby lebte vor mehr als 65 Millionen Jahren im Zeitalter der Dinosaurier. Die Gehirne hatten also reichlich Zeit, sich verschieden zu entwickeln. Zudem gibt es Säugetiere, die deutlich enger miteinander verwandt sind als die untersuchten Spezies und dennoch verschieden strukturierte Sehrinden aufweisen. Ebenso wenig bietet der Einfluss von Erfahrung auf die frühe Hirnentwicklung eine Erklärung. Die untersuchten Tierarten finden nach ihrer Geburt völlig verschiedene Umweltbedingungen vor.

Abb. 2 Karte der Orientierungspräferenz in der Sehrinde eines Frettchens. Zwei Pinwheels (Windrädchen) sind vergrößert. Falschfarbendarstellung der Orientierung (siehe Balken links). Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

In empirischen und theoretischen Untersuchungen zeigten die Forscher, dass sich die gleiche Windräderdichte am besten durch Selbstorganisationsprozesse in der Hirnentwicklung erklären lässt. Sobald die Tiere nach der Geburt zu sehen beginnen, bilden sich die Karten der Orientierungspräferenz nach und nach wie von selbst aus. Die mathematische Analyse neuronaler Selbstorganisation zeigte, dass bereits wenige Voraussetzungen ausreichen, um die beobachtete Nervenzellarchitektur hervorzubringen. Zu diesen gehört etwa, dass sich Nervenzellen über weite Distanzen direkt Signale zusenden können. Sind diese und wenige weitere Voraussetzungen erfüllt, stimmen sich die Nervenzellen im Modell während der Hirnentwicklung so aufeinander ab, dass ein so genanntes “quasiperiodisches Muster” ihrer bevorzugten Orientierungen entsteht, ein Muster das sich nie exakt wiederholt.

“Vertraute Beispiele für Selbstorganisationsprozesse sind etwa die La-Ola-Welle begeisterter Zuschauer, die sich bei Sportveranstaltungen über die Stadionränge ausbreitet, oder Stop-and-Go-Wellen im Autoverkehr, die ohne jede äußere Behinderung des Verkehrsflusses spontan auftreten können”, sagt Matthias Kaschube, Lewis-Sigler-Fellow an der Princeton Universität und Erstautor der Studie. Bei diesen Beispielen, wie auch bei allen anderen Selbstorganisationsprozessen, gibt es weder einen versteckten “Lenker”, noch ein verstecktes “Drehbuch”, das die Systemelemente (die Sportfans oder die Verkehrsteilnehmer in obigen Beispielen) dazu zwingt zu tun, was sie tun. Die Bewegung der Elemente resultiert nur aus der Art, wie sie sich gegenseitig beeinflussen.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher für viele Systeme der unbelebten Natur ausgearbeitet, wie mathematische Modelle beim Verständnis solcher Selbstorganisationsprozesse helfen können. Wie Fred Wolf, Leiter der Untersuchung und theoretischer Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen betont, liefern die neuen Ergebnisse nun maßgeschneiderte mathematische Konzepte für das Verständnis der Wechselwirkungen neuronaler Elemente in der Sehrinde.

Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Originalveröffentlichung: Matthias Kaschube, Michael Schnabel, Siegrid Löwel, David M. Coppola, Leonard E. White & Fred Wolf
Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex
Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010

Mehr Info:
Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Der mexikanische Schwanzlurch Axolotl (Ambystoma mexicanum) hat eine erstaunliche Fähigkeit, die uns Menschen verloren gegangen ist: ihm wachsen Gliedmaßen, Organe und sogar Teile des Gehirns vollständig und funktionstüchtig nach. Bisher wurde angenommen, dass sich während der Regeneration Gewebe von Gliedmaßen in Alleskönner-Zellen zurückentwickeln und aus diesen sich dann alle Zellen neu bilden. In ihrer Studie, die in der Ausgabe [Juli 2009] von Nature erscheint, rollte Prof. Dr. Elly Tanaka vom DFGForschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) die Frage nach der Entwicklungsfähigkeit der Zellen neu auf.

Das Ergebnis der Untersuchungen bricht mit den bisherigen Vorstellungen von Regeneration.

Prof. Tanaka erklärt: “Die Zellen entwickeln sich nicht in ein pluripotentes Stadium zurück und behalten eine starke Erinnerung an ihre Herkunft.” Im Detail zeigen die Ergebnisse: Hautgewebe produziert bei der Regeneration zwar Knorpel und Sehnen, aber keine Muskelzellen oder Schwann-Zellen. Knorpel bildet kein Muskelgewebe, sondern meistens wieder Knorpel. Muskel hingegen entwickelt kein Knorpel- oder Epidermisgewebe sondern beschränkt sich hauptsächlich oder exklusiv auf die Bildung von Muskel. Die meisten Zellen sind somit auf ihre eigene Gewebeidentität beschränkt, wobei das Hautgewebe das flexibelste von allen ist.

Für sich regenerierendes Gewebe ist es essentiell zu wissen, an welche Position in den Gliedmaßen die einzelnen Zellen gehören. In der vorliegenden Studie wurde auch untersucht, ob Blastema-Zellen [Vorläuferzellen] von verschiedenen Geweben dieselben molekularen und zellulären Eigenschaften bezüglich dieser Positions-Identität besitzen. “Wir haben auch hier Erstaunliches gefunden”, so Tanaka. “Die Positions-Identität ist ein spezifisches Merkmal von Zelltypen des Blastemas. Blastema-Zellen, die aus dem Knorpel abgeleitet werden, behalten Ihre Positions-Identität, wissen also genau wohin sie im neuen Glied gehören. Hingegen Zellen, die aus Schwanz-Zellen entstehen, behalten diese Identität nicht.”

Die Ergebnisse dieser Studie haben wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Forschung im Bereich der regenerativen Medizin. Durch die Ergebnisse von Frau Prof. Tanaka wird klar, dass das komplexe Phänomen der Regeneration ohne komplette Zurückentwicklung der Zellen in ein pluripotentes Stadium erreicht werden kann. Somit sind viele Unklarheiten bezüglich der Entwicklungsfähigkeit von Zellen gelöst.

Warum ist das Ergebnis in Hinblick auf regenerative Therapien so wichtig? “

Zum ersten Mal wurde festgestellt, dass sich die Zellen im Regenerationswunder Axolotl wie Zellen in Säugetieren verhalten und nicht so verschieden von unseren sind”, so Elly Tanaka. “Dennoch bilden die Zellen beim Salamander ein vollständiges Glied, d.h. dass die Zellen eine Art Reprogrammierung durchlaufen müssen, selbst wenn sie nicht in das früheste pluripotente Stadium zurück kehren.” In weiteren Studien wird sich Prof. Tanaka mit verschiedenen Genen beschäftigen, die für die Regeneration wichtig sind.
Quelle: idw , Bild: Regeneriertes Glied des Axolotl mit GFP (green fluorescent protein) angefärbten Schwann Zellen, die sich um die Nervenzellen wickeln. Nur Zellen um die Nervenfasern herum sind grün.Dr. Martin Kragl