Das Geheimnis der diffusen interstellaren Banden

Sir Harold Kroto (Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings)

Sir Harold Kroto (Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings)

Harold Kroto, Nobelpreisträger für Chemie des Jahres 1996, spricht in Lindau über Astronomie. Und warum auch nicht? Immerhin steht das 65. Lindau Nobel Laureate Meeting im Zeichen der Interdisziplinarität. Chemie und Astronomie mögen vielleicht auf den ersten Blick nicht allzu viel miteinander zu tun haben. Aber auf den zweiten sehr wohl und das ist durchaus wörtlich zu nehmen. Als die Astronomen früher in den Himmel geblickt haben, sahen sie dort “nur” Sterne. Über die man nie sehr viel wissen würde, wie der französische Philosoph Auguste Comte 1835 plakativ behauptete:

Wir haben die Möglichkeit, die Formen, Entfernungen, Größen und Bewegungen der Sterne zu bestimmen, während wir niemals durch irgendein Mittel ihre chemische Zusammensetzung bestimmen können

Damit lag er spektakulär falsch, wie die wenige Jahre später entwickelte Technik der Spektroskopie eindrucksvoll demonstrierte. Eine sorgfältige Analyse des Lichts ließ Astronomen die Spektrallinien finden und verstehen. Wenn Licht aus dem Inneren eines Sterns durch das heiße Gas nach außen strahlt, dann trifft es dabei auf die Atome aus denen dieses Gas besteht. Die Elektronen in der Hülle der Atome blockieren einen kleinen Teil des Lichts und welcher Teil das ist, hängt davon ab, wie die Elektronen in der Hülle konfiguriert sind. Und da dies bei jedem chemischen Element anders ist, erzeugen sie alle unterschiedliche Spektrallinien. Die Astronomen sind seitdem in der Lage, sehr genau herauszufinden, wie Sterne chemisch zusammen gesetzt sind.

Das Licht durchquert aber nicht nur den Stern selbst, sondern auf seinem Weg zur Erde auch den gesamten Weltraum dazwischen. Und der ist zwar ziemlich leer, aber nicht komplett. Hie und da findet man ein paar Moleküle, ein paar Atome, größere oder kleinere kosmische Wolken und das eine oder andere Staubkorn. Dieses interstellare Medium beeinflusst das Licht ebenfalls und schwächt es ab. Dieses Phänomen nennt man “Extinktion” und es wirkt sich auf das gesamte Lichtspektrum gleichmäßig aus. Im Jahr 1922 entdeckte die amerikanische Astronomin Mary Lea Heger aber, dass sich im Lichtspektrum eines Sterns auch ein paar sehr seltsame Spektrallinien finden. Sie waren viel diffuser und unschärfer als die schmalen Linien die durch die Materie in den äußeren Schichten eines Sterns erzeugt werden. Die Stärke dieser diffusen Linien war, zumindest ein wenig, auch mit der Stärke der Extinktion korreliert. Je mehr interstellare Materie das Licht durchqueren musste, desto schwächer erschienen die Linien. Daraus schlossen die Astronomen, dass diese diffusen interstellaren Banden (DIBs) irgendwie vom Material zwischen den Sternen hervorgerufen werden mussten.

Aber wovon genau? Die Spektrallinien entsprachen keinem bekannten chemischen Element oder Molekül. Zumindest nicht den einfachen Molekülen und mehr als einfache Moleküle konnte es im Weltall ja wohl nicht geben, wie man dachte. Man fand auch viele verschiedene DIBs, deren Stärke nicht voneinander abhing, was ein deutlicher Hinweis darauf war, dass es mehr als nur einen einzigen Ursprung für sie geben muss. Das Rätsel der Herkunft der diffusen interstellaren Banden blieb ungelöst. Aber jetzt, nach fast 100 Jahren, könnte es endlich eine Antwort geben, meint Harold Kroto in seinem Vortrag und erklärt, welche Rolle die Chemie bei der Lösung dieses Rätsel gespielt hat.

 

Die diffusen interstellaren Banden im Regenbogenspektrum des Lichts (Bild: NASA)

Die diffusen interstellaren Banden im Regenbogenspektrum des Lichts (Bild: NASA)

Die DIBs sind nicht einfach einzelne Spektrallinien, sondern zeigen bei näherer Beobachtung eine komplexe Struktur. Eine komplexe Struktur, die von ebenso komplexen Molekülen erzeugt werden muss. Und mit komplexen Molekülen kennt Harold Kroto sich aus! Seinen Nobelpreis bekam er (gemeinsam mit Robert Curl und Richard Smalley) für die Herstellung des sogenannten “Buckminster-Fullerens” C60. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die eine Art “Fußball” bilden; eine symmetrische, kugelförmige Struktur (ein abgestumpftes Ikosaeder) die aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken zusammengesetzt ist. Kroto und seine Kollegen konnten dieses außergewöhnliche Molekül im Labor herstellen und zwar mit Hilfe der Astronomie: Bei ihren Experimenten simulierten sie die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre roter Riesensterne und stellten überrascht fest, dass die Buckminster-Fullerene sich dort spontan bilden können und es bei ihnen im Labor auch taten.

Wenn solche Moleküle in Sternen entstehen können, dann können sie auch im Weltall vorkommen. Ein roter Riese ist ein Stern, der sich gegen Ende seines Lebens enorm stark aufgebläht hat und die äußeren Schichten seiner Atmosphäre hinaus ins All pustet. All die Elemente, die er im Laufe seines Lebens in seinem Inneren durch Kernfusion erzeugt hat werden dabei in der Milchstraße verteilt. Genau so wie die komplexen Moleküle, die bei denen von Kroto untersuchten chemischen Reaktionen entstanden sein müssten. In der interstellaren Materie sollten also auch die Buckminster-Fullerene zu finden sein. Ebenso wie andere komplizierte Moleküle, wie die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Auf der Erde kennen wir die zum Beispiel als “Weichmacher” und Schadstoffe, denen wir uns ungern aussetzen wollen. Im Weltall wurde ihre Existenz in der interstellaren Materie mit Weltraumteleskopen in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer wieder beobachtet. Die Astronomen schätzen die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe besonders, weil sie von ihnen einiges über die Entstehung von Sternen lernen können. Sterne entstehen aus großen kosmischen Wolken interstellarer Materie in die man nur schwer hinein blicken kann. Aber wenn dort schon junge Sterne entstanden sind, geben sie besonders viel Ultraviolett-Strahlung ab. Dieses UV-Licht regt die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe zu Leuchten an, was mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden kann!

Struktur eines Buckminster-Fullerens

Struktur eines Buckminster-Fullerens. Bild: Public Domain

Es lohnt sich also durchaus, Ahnung von Chemie zu haben, wenn man astronomische Vorgänge verstehen will. Kroto und seine Kollegen haben schon in den 1980er Jahren vorgeschlagen, dass eben das C60, das sie in ihrem Labor erzeugt haben, für die diffusen interstellaren Banden verantwortlich sein könnte. Mittlerweile hat man die Existenz dieses Riesenmoleküls im Weltall auch konkret nachweisen können. Es ist nun klar, dass Sterne nicht nur in der Lage sind, neue chemische Elemente in ihrem Inneren zu produzieren, sondern dort auch chemische Reaktionen stattfinden, die höchst komplexe Resultate liefern. Wie die diffusen interstellaren Banden genau entstehen, ist aber noch nicht abschließend geklärt. Ob es nun ausschließlich die Buckminster-Fullerene sind oder doch eher die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe oder vielleicht eine Mischung aus beidem mit etwas interstellarem Staub: Das müssen die Wissenschaftler noch herausfinden. Aber zumindest sind die DIBs kein so großes Mysterium mehr wie zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung. Damals konnte man sich nicht vorstellen, dass die komplexen Moleküle, die sie hervor bringen im Weltall existieren könnten. Die Chemiker um Harold Kroto haben gezeigt, dass es durchaus möglich ist während die Astronomen seine Vorhersage bestätigt haben. Und wenn das Rätsel der diffusen interstellaren Banden in (hoffentlich) naher Zukunft gelöst wird, dann wird auch das ein Erfolg der interdisziplinären Forschung sein.

GPCR und der Nobelpreis 2012 für Chemie

Brian K. Kobilka eröffnet die Vortragsreihe am Montag (Lindau, 1.Juli 2013, 9.oo-9.30)

Gestern morgen startete
Brian K. Kobilka,
seines Zeichens
Nobelpreisträger 2012 für Chemie,

die offizielle Vortragsreihe des 63. Tagung der Nobelpreisträger in Lindau.

Schon an der großen Anzahl an Kameras und Journalisten konnte man erkennen, dass ein aktueller Nobelpreis und somit ein neuer Redner großes öffentliches Interesse generiert.

Und Brian K. Kobilka enttäuschte die große Zuhörerschaft nicht. Er zeigte in tollen Bildern und Animationen, worum es sich bei den ‚G protein coupled receptors‘ handelt. Die interessant klingende Abkürzung GPCR ist dabei alles andere als einfach zu erklären, denn es handelt sich hierbei um Rezeptoren, die sich aus verschiedenen Untereinheiten zusammensetzen, die zu verschiedenen Familien gehören können, die verschiedene Funktionen sowie Reaktionen beinhalten bzw. auslösen und somit in den verschiedensten Bereichen des menschlichen Körpers (und nicht nur da) Effekte zeigen. So startete Kobilka auch mit den Worten: „Ich habe den Nobelpreis in Chemie bekommen, beschäftige mich aber überwiegend mit der Biologie.“ Im weiteren Verlauf seines Vortrags wurde schnell klar, dass er mit seinen Arbeiten auch andere naturwissenschaftliche Felder streift bzw. erschließt, wie die Medizin, die Pharmazie oder auch die instrumentelle Analytik.

Ein Chemiker ist eben in vielen Disziplinen zu Hause.
Brian K. Kobilka ging in den 1980er Jahren in das Team von Robert J. Lefkowitz, ebenfalls Nobelpreisträger 2012 für Chemie und begann dort das Gen zu isolieren das den β-Adrenozeptor kodiert. In den kommenden Jahren wurde immer klarer, dass es eine ganze Familie von Rezeptoren gibt, die sich ähnlich sehen und ähnliche Funktionen aufweisen. So spielen die Adrenorezeptoren eine wichtige Rolle in der Interaktion von Sympathikus und dem Herzkreislaufsystem. Ebenso ergeben sich Prozessinfomationen über Lichteinflüsse, Geschmack und Geruch. Des Weiteren sind sie als Andockstellen für eine Vielzahl pharmazeutisch wirksamer Chemikalien wie Adrenalin, Histamin, Dopamin und Serotonin bekannt. Laut Kobilkas Curriculum Vitae arbeiten die Hälfte der Medikationen via Rezeptoren der GPCR-Gruppe und laut Hartmut Michel (gestriger Vortrag 1. Juli 12.3o-13.oo) wirken sogar 80% der Medikamente auf dem Markt über Membranproteine.

Genau diese Eigenschaft macht es so wichtig, Membranproteine und besonders GPCR genauer zu verstehen und die Signalprozesse für die sie eine entscheidedende Rolle spielen weiter zu untersuchen. Da es sich aber um Transmebranproteine handelt, die nichtkovalente Komplexe bilden und durch kleine sowie große Moleküle reguliert werden können, ist das ein hartes Geschäft. So kann man sicher sein, dass zusätzlich zu den bisherigen Nobelpreisen im Bereich der Membranproteine noch einige dazukommen werden. Es lohnt sich also diesen wissenschaftlichen Weg zu beschreiten und weiterzuverfolgen.

Mein englischer Bloggerkollege Ashutosh Jogalekar beschreibt die prämierten Arbeiten gar als GPCR Symphonie  (sehr lesenswert). Wer sich über GPCR grundlegend auch aus anderen Quellen informieren möchte, dem sei diese deutsche Seite empfohlen. Interessanterweise ist die englische Seite der gleichen Quelle komplementär gestaltet, führt aber anders ins Thema ein.

Nach dem Studium dieser Seiten ist man bereit für Vorträge der Laureaten.
Hier sind die Nobelpreisvorträge
von Robert J. Lefkowitz –A BRIEF HISTORY OF G-PROTEIN COUPLED RECEPTORS
und Brian K. Kobilka –THE STRUCTURAL BASIS OF G PROTEIN COUPLED RECEPTOR SIGNALING
(beide gehalten in Stockholm am 8. Dezember 2012). Ein Muss!

Abschließend noch eine 3-D Ansicht eines GPCR:

Kleines Rätsel am Rande:
P.S. Wer weiß, wie viele Nobelpreise im Bereich der Membranproteine vergeben wurden?
P.S.P.S. Wer weiß, wie viele Laureaten dieses Jahr über Membranproteine vorgetragen haben?

In Lindau hat jeder eine interessante Geschichte zu erzählen

Nach langem Warten und großer Vorfreude war es gestern um 15 Uhr endlich soweit: Die 63. Lindau Nobelpreisträgertagung  wurde erföffnet.

Letzte Etappe auf der Reise nach Lindau

Schon auf dem letzten Stück meiner 13 Stunden Reise von Maastricht nach Lindau traf ich eine Teilnehmerin, welche den spannenden Weg zwischen Lehre und einem PhD in organischer Chemie geht und wir besprachen unsere Erwartungen und unsere Motivationen. Neben der Vorfreude, Nobelpreisträger persönlich treffen zu dürfen, ist es spannend von über 600 weiteren jungen Wissenschaftlern umgeben zu sein, die eines gemeinsam haben: Chemie.

Im Hotel traf ich dann auf Blogger Akshat Rathi und gemeinsam ging es im Sonnenschein am Wasser entlang zur Inselhalle, dem Hauptveranstaltungsort der Lindauer Tagung. Je näher wir dem Zentrum kamen, desto höher wurde die Dichte von roten Taschen und emsigen Wissenschaftlern und ein einfaches “Hi” genügte schon, um in ein Gespräch vertieft zu sein. Eine verperrte Bahnschranke und vier Züge später trafen wir weitere Team-Mitglieder und es ging geschwind in die Eröffnungszeremonie.

Einzug der Nobelpreisträger

Nach dem Einzug von Bettina Gräfin Bernadotte, Präsidentin des Kuratoriums, und den Nobelpreisträgern unter großem Beifall führte ein Video in die Hintergründe, Entstehung und Ziele der Tagung ein. Mit Zitaten von Studenten bis zu Nobelpreisträgern. Es fielen Worte von “Eine nette und freundliche Tagung” über “Umweltschutz dient auch der Sicherung des Friendes – dies ist, wenn man so will, verlängerte Friedenspolitik” bis hin zu “young people are into the revolution” und “Alles ist Chemie”.

Die Themen Frieden und Dialog zogen sich durch die Eröffnungsrede von Gräfin Bernadotte und wurden auch von anderen Rednern aufgegriffen. Dies wurde durch die Aufnahme von Gunnar Stålsett, emeritierter Bischof von Oslo und Mitglied des Norwegischen Nobelkomitees, das für die Verleihung des Friedensnobelpreises zuständig ist, in den Ehrensenat bekräftigt. Weiterhin gab es einen Vorausblick auf die Themen Energiespeicherung, Wasserstoffgewinnung durch künstliche Photosynthese und medizinische Anwendungen der diesjährigen Tagung.

Das den Film abschließende Zitat “The future is in your hands. Good luck!” von Nobelpreisträger Christian de Duve ist besonders aufgrund seines Dahinscheidens im Mai diesen Jahres präsent. All den verstorbenen Nobelpreisträgern seit der letzten Lindauer Nobelpreisträgertagung wurde stehend gedacht. Die Präsenz des Vergänglichem verdeutlichte einen nur um so mehr, die kommende Zeit nutzen zu wollen.

Gräfin Bernadotte unterstrich den mittlerweile weltweiten Dialog als Schwerpunkt der Tagung. Wissenschaft als universelle Sprache ermöglicht dabei einen Dialog über Grenzen jeglicher Art hinweg. Der Aufruf “transcend competition in science” leitet eine Tagung ein, auf der Wissenschaftler mit unterschiedlichsten Spezialisierungen in der Chemie ihre Ideen austauschen und neue Einblicke gewinnen können. Hier in Lindau haben alle Teilnehmer eine spannende Geschichte zu erzählen. Schon allein dadurch ist es eine große Freude hier zu sein.

Junge Wissenschaftler tauschen sich mit Nobelpreisträgern aus

Wenngleich die Eröffnungsfeier ein offizieller Akt mit wichtigen Akteuren u.a. aus Wissenschaft, Politik (Ansprache Johanna Wanka,  Bundesministerin für Bildung und Forschung, mit Betonung auf die Stärken Deutschlands) und Wissenschaft war, kam auch nicht der Humor zu kurz. Besonders Bettina Bernadotte, Astrid Gräslund und das neue Mitglied im Ehrensenat Klaus Tschira, wussten die Stimmung aufzulockern und den Fokus auf die Gemeinschaft dieser Tagung zu lenken. Astrid Gräslund von der Nobel Foundation etwa rief auf: ‘Don’t be shy and don’t be afraid to make new contacts, cause this is all what it is about here”.  Es ist eine Freude, Teil dieses großen Abenteuers zu sein und das gespickte Programm für die nächsten Tage zusammen mit dem tollen Umfeld und den spannenden Teilnehmern lassen auf eine wunderbare Zeit voraus blicken.

Wir freuen uns übrigens auch über Gastbeiträge von deutschsprachigen Teilnehmern hier im Blog. Sendet gerne eure Einblicke mit einer kurzen Bio und einem Photo per E-Mail an das Blogteam.

Chemie, Kunst, Chemie als Kunst?

In einem Essay in der aktuellen Ausgabe von Spektrum beschäftigt sich Chemie-Nobelpreisträger Roald Hoffmann mit den  Parallelen zwischen chemischer Synthese und Kunst. Der Vergleich ist aufschlussreich. Wie in der bildenden Kunst hat man Rohmaterialien mit spezifischen Eigenschaften, deren Potenzial Chemiker Stück für Stück entschlüsseln, indem sie neue Techniken und Kombinationen entwickeln. Dabei kann man durchaus mal Überraschungen erleben, und die erweisen sich dann nicht nur als wissenschaftlich interessant, sondern oft auch ästhetisch sehr wertvoll. Das jüngste Beispiel sind zweifellos die unperiodischen, aber nichtsdestotrotz regelmäßigen Muster, die Quasikristalle erzeugen.

Ästhetik und Bedeutung: Beugungsbild eines Quasikristalls. Bild: Materialscientist, CC BY-SA

Dan Shechtman verbrachte seine Zeit damit, Aluminium und Mangan zu kombinieren. Bei diesen Metallen sind Anwendungen nicht weit, aber den Nobelpreis bekam er für die aperiodischen Quasikristalle mit ihren ungewöhnlichen Symmetrien, streng genommen erstmal eine ziemlich zweckfreie Kuriosität. Es verwundert denn auch nicht, dass Shechtman auch im klassischen Sinne Künstler ist, und da ist er in der Forschung bei weitem nicht der einzige. Auffällig viele herausragende Wissenschaftler sind kunstaffin – der Chemiker Wilhelm Ostwald zum Beispiel war nicht nur Mäzen, sondern selbst ein exzellenter Marinemaler. Forscherinnen und Forscher fühlen sich zum Besonderen hingezogen, zu den molekularen Kuriositäten. Man darf sich von den steten Beteuerungen, diese oder jene Forschung könne bald Krebs oder Alzheimer heilen, nicht täuschen lassen: Viele Substanzen stellen Chemiker her, weil sie kurios sind, unerwartet oder einfach nur interessant.

Damit ist die chemische Synthese ein besonders gutes Beispiel dafür, wie eng Kunst und Wissenschaft trotz aller methodischer Unterschiede miteinander verwandt sind. Wie in der Kunst kann sich die Chemie stark an natürlichen Vorbildern orientieren, oder aber auf der Basis abstrakter Prinzipien in völlig neue Regionen vorstoßen. Aber die Parallelen gehen tiefer. Beide, Kunst und Wissenschaft, sind kreative Mittel der Welterkenntnis, in deren Zentrum die abstrakte Interpretation steht, die über sinnliche Wahrnehmung hinausgeht. Während Künstler allerdings seit geraumer Zeit schon ihre Inspiration aus der Wissenschaft ziehen, ging man in der Forschung bisher davon aus, dass Kunst zur wissenschaftlichen Erkenntnis direkt wenig beizutragen hat.

Zum Glück ändert sich das derzeit: Wissenschaftliche Konferenzen befasse sich inzwischen mit Kunst nicht nur als Perspektive auf die Welt, sondern als originär wissenschaftliche Ausdrucksform. Mit etwas Glück setzt sich sogar irgendwann die Erkenntnis durch, dass man wissenschaftliche Arbeiten auch in lesbarer Sprache verfassen kann. Zu meinen Lebzeiten rechne ich allerdings nicht mehr damit.

Dafür gehe ich aber fest davon aus, dass Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sich in Zukunft wieder stärker bewusst werden, dass sie Kulturgüter schaffen, deren Bedeutung über die rein fachliche Erkenntnis hinausgehen. Das gilt allemal für die kreativen Schöpfungen der synthetischen Chemie. Das konkrete, neu geschaffene Objekt dient dabei letztendlich als Fokus, an dem sich die übergeordneten Mechanismen und Gesetze zeigen. In der Kunst wie in der Wissenschaft ist das Werk letztendlich ein Mittel zur Welterkenntnis. Claude Monet stellte einmal fest:

“Die Aufgabe des Künstlers besteht darin, das darzustellen, was sich zwischen dem Objekt und dem Künstler befindet.”

Das könnte man auch über die Chemie sagen.

Chemie, die verborgene Wissenschaft

Chemie ist die Wissenschaft, der wir im Alltag am häufigsten gegenüberstehen. Andererseits kommt chemisches Know-how gerade in Alltagsprodukten gut getarnt daher – es ist meist Teil von Produktionsprozessen oder den Kontrollmechanismen, die sicherstellen sollen, dass die materiellen Bestandteile der technischen Zivilisation auch das leisten was sie sollen.

Entsprechend sind selbst Nobelpreis-würdige chemische Entdeckungen meist obskur. Während in der Medizin selbst Grundlagenforschung einen klaren Bezug zum Leben (und Sterben) hat und die Physik immerhin die großen Fragen des Universums anbietet (wenn auch nicht die Antworten), muss man in der Chemie schon ein bisschen hinter die Kulissen der Technik schauen, um zu verstehen, was die jeweiligen Arbeiten preiswürdig macht. Continue reading

Schweigen im Walde bei Paul Crutzen

Am Montagnachmittag im Forum am See: Gut 30 junge Wissenschaftler haben sich in einem kleinen Raum zusammengefunden um Paul Crutzens Vortrag zum Klimawandel zu lauschen. Hinter mir hat es sich Dr. Susanne Hintschich bequem gemacht – heute ist sie zwar Physikerin, aber als Ex-Meteorologin und Wissenschaftsbegeisterte interessiert sie das Thema sowieso. Crutzen ist ja nun auch nicht mehr der Jüngste, hält seinen Vortrag im Sitzen und als er mit einem Babyfoto von sich anno dunnemals beginnt, fürchten die Anwesenden doch kurz einen weiteren “Käseigel”-Vortrag. Wär ja schade. Dann aber kommt Crutzen zum Thema und damit, in einem seinem Alter entsprechenden Tempo, in Fahrt. 

Es geht ihm um das Anthropozän, das von ihm mit diesem Begriff geprägte Erdzeitalter in dem wir momentan leben und das wir per Definition selbst geschaffen haben. Das Zeitalter in dem die Auswirkungen des Menschen auf die Natur mit natürlichen Einflüssen auf eine Stufe gestellt werden können. Wie solche Auswirkungen aussehen, ist ja hinlänglich bekannt: Kohlenstoffdioxid und Methan halten die Wärmestrahlung fest, vormals zerstörten FCKWs die Ozonschicht. Allein im Laufe des letzten Jahrhunderts hat sich die Viehpopulation weltweit vervierfacht, während die Meere längst schon überfischt werden. Im selben Zeitraum ist der Wasserverbrauch um das neunfache gestiegen. Fast die Hälfte der Menschen lebt in Großstädten. Wir verändern die Natur und das leider meist nicht zum Guten.

Crutzens Frage an die jungen Wissenschaftler lautet ganz naheliegend: Was können wir dagegen tun? Klimaskeptiker sitzen zum Glück nicht im Saal, sodass man hier immerhin keine Zeit an Spinner verschwenden muss. Den Ausstoß der Treibhausgase verringern sollte man, das ist ja klar. Und Crutzen präsentiert, bevor es zur pressefreien Diskussion geht, noch ein paar weitere Ansätze: Man könnte ja Schwefelverbindungen in die oberen Luftschichten schießen oder ein riesiges Gebiet mit Bäumen bepflanzen. Schweigen im Walde. Was anschließend in der Diskussion geschieht, berichtet Susanne bei einem Post-Crutzen-Eiskaffee:

(Kein Foto von Herrn Crutzen, nicht minder ansehlich: Physikerin Susanne Hintschich mit Eisschokolade.)

Die Schwefel-Idee hält sie für Unfug. “Das kühlt die Erde vielleicht ab, aber es lässt auch weniger Licht durch. Wie würde sich das wohl auf die Natur auswirken?” Ihrer Meinung nach wertete die Diskussion dieser Möglichkeit bzw. die Untersuchung der Durchführbarkeit die Idee unnötig auf. Auch Crutzens Vorschlag eines gigantischen, künstlich angelegten Waldes hält sie für fraglich. “Ein so großes Gebiet zu finden und zu Bepflanzen wird doch in der Umsetzung immer schwierig bleiben. Die Treibhausgase zu verringern ist schon die beste Idee, ich hätte lieber mehr darüber geredet.” Susanne Hintschich arbeitet als Post-Doc am Institut für Angewandte Photophysik der TU Dresden. Aus Crutzens Vortrag hat sie trotz unnötigem Schwefel auch etwas Lehrreiches mitgenommen: “Wir haben noch ein wenig über Klimaskeptiker geredet. Wie soll man mit ihnen umgehen? Diskutieren oder ignorieren? Crutzen hatte dazu eine sehr klare Haltung. Wenn man über die Probleme nicht redet, verschwinden sie auch nicht. Darum ist es umso wichtiger, auf das Thema Globale Erwärmung aufmerksam zu machen – auch und vor allem in der Politik.”

Die Entstehung der Farbe

Der gute Charles Darwin, auch über 200 Jahre nach seiner Geburt und über 150 Jahre nach der Veröffentlichung seines Hauptwerkes ist er nicht tot zu kriegen. Die Evolution kann man halt überall beobachten. So auch an jenen bunten Fischen, die ihre Namen dem ihnen typischen Muster zu verdanken haben: Den Zebrafischen.

Und um genau die ging es in dem Talk von Christiane Nüsslein-Volhard. Nach Ada Yonath schon der zweiten Biologin und Nobelpreisträgerin, der ich hier in Lindau lauschen durfte. Den Preis selbst bekam sie schon 1995 zusammen mit Eric F. Wieschhaus und Edward B. Lewis für ihre Arbeiten zur genetischen Kontrolle der Embryonalentwicklung. Zusammen identifizierten und klassifizierten sie die Gene, welche in den Eiern der beliebten Laborfliege Drosophila Melanogaster die Entstehung des fertigen Organismus steuern. Außerdem entwickelte sie die Gradiententheorie die zeigt wie Stoffgradienten in Eizelle und Embryo die Genexpression steuern und zeigte Parallelen in der Embryonalentwicklung von Insekten und Wirbeltieren. Grund dafür: Auf Embryos lastet keine Selektion im eigentlichen Sinne da sie relativ gut behütet herangezogen werden. Deshalb kann Selektion erst später eingreifen.

Christiane Nüsslein-Volhard bei ihrem Vortrag in Lindau

Und auch die Zebrafische machen natürlich eine embryonale Entwicklung mit. Ihr Vortrag begann dann allerdings wieder bei Darwin und mit dem Hinweis auf “The Origin Of Species” welches sie wunderbar als “wichtiges Buch, dass ihr vermutlich nicht gelesen habt” (important book you probably have not read) klassifizierte. Von dort aus ging es dann über die verschiedenen Stämme, Klassen und Ordnungen der Tiere zu den Zebrafischen hin. Deren Farbmuster entstehen bei den Embryos aus der Neuralleiste, die bei der Anlage des späteren zentralen Nervensystems eine entscheidende Rolle spielt. Aus dieser Leiste bilden sich später neben den für die Farben verantwortlichen Zellen auch die Zähne und andere Knorpel-Elemente heraus.

Für die Farben des Zebrafisches sind 3 verschiedene Zelltypen verantwortlich und diese unterstehen glücklicherweise auch keinerlei sexueller Selektion. Eine andere Art der selben Gattung zeigt nämlich ein völlig anderes Muster und diese Arten können sogar noch gekreuzt werden. Spannend auch bei der Farbentstehung: Eine “albino” genannte Mutation, die durch eine einfache Mutation (eine Punktmutation die zu einem Stop-Codon führt) ist dem Namen entsprechend farblos. Wie man zeigen konnte, liegt dies wohl daran, dass ein Vesikel was sonst die schwarzen Farbpigmente transportiert nicht mehr richtig funktioniert.

Spannend ist dann aber noch die Frage wie die adulten Tiere zu ihren Streifen kommen, denn die Neuralleiste gibt es ja nur bei den Embryos. Dazu gilt es die folgenden Fragen zu klären:

  • Woher kommen die Streifen der erwachsenen Tiere?
  • Wo sind die Stammzellen die dafür verantwortlich sind? 
  • Über welche Pfade geschieht das?

Die Hypothese die Nüsslein-Volhard dazu hat ist, dass diese Stammzellen mit dem peripheren Nervensystem assoziiert sind. Und sie haben auch ein paar Untersuchungen dazu angestellt, die in die Richtung deuten. Und mit Hilfe von Zell-Transplantationen konnte man auch zeigen, dass es bereits reicht wenn einer der Zelltypen fehlt um die Entstehung der Streifenmuster zu verhindern. Wenn man durch die Transplantationen diese Zellen jedoch wieder hinzufügt, dann kann das Muster mehr oder weniger wieder hergestellt werden.

GlowFish. License: http://www.glofish.com/photos.asp

Und ein kleines Schmankerl am Rande: Die Zebrafische gibt es seit 2003 auch in (wortwörtlich) leuchtenden Farben zu kaufen. Zumindest in manchen Ländern, bei uns sind diese Tiere als gentechnisch veränderte Organismen so nicht zu kaufen. Und für die Entdeckung des Proteins, das diesen Tieren zum leuchten verhilft (das grün fluoreszierende Protein) gab es 2008 den Nobelpreis, in der Kategorie Chemie.

Bild der Fische: GloFish.

Roger Tsien: Science should be beautiful

Today I talked with Roger Tsien about his research leading to the 2008 Nobel Prize in Chemistry for the discovery and development of green fluorescent protein (GFP). I learned that visually beautiful research results are the best motivation, and that winning a Nobel Prize doesn’t mean that papers and grants come easily – you might still have a manuscript returned from Nature without review.

Roger Tsien’s work personifies some of the themes of this year’s Lindau meeting. He has always been an interdisciplinary researcher, switching between Chemistry, Biology and Physics. He has also been very good in finding collaborators or postdocs that had the required skills or experience. Roger Tsien had worked on visualizing intracellular calcium signaling for many years and knew that GFP is a contaminant of aquorin, used by some of his competitors to study calcium signaling. He was therefore very excited when Douglas Prasher reported the cloning of the GFP gene in May 1992 and immediately (like Martin Chalfie) saw the implications. He had to wait a few months before with Roger Heim he had someone in his laboratory with enough skills in molecular biology to take on the GFP project. 

Basic vs. translational research is another recurring theme and this year’s Lindau meeting, and is also the topic of Roger Tsien’s talk on Tuesday: Designing Molecules and Nanoparticles to Help See and Treat Disease. GFP is primarily a tool that can be used to answer many different research questions, and they can be both basic and translational. The importance of the GFP discovery is obvious to everybody who has ever used GFP, as a large number of life sciences researchers have done over the years. But Roger Tsien told me is often asked how GFP can be used to help cure a disease.

Everybody who has ever seen cells, tissues or even animals expressing GFP is overwhelmed by their visual beauty. This has been a big motivation for Roger Tsien, and something he thinks is important for good research. He told me a story from his time doing calcium channel research. To visualize the different wavelengths of UV light emitted, even before the first experiment he spent two days setting up a very expensive piece of equiment to show the appropriate colors (instead of simply green and blue spectra).

At the end of the interview I asked Roger Tsien whether publishing papers and getting grants has become easier since winning the Nobel Prize. He felt that in some other areas of his work this would be true, but getting papers accepted has not become any easier at all.

Paul Crutzen’s Other Big Idea

Nobel Laureate Paul Crutzen will be at Lindau this year, along with his fellow recipient F. Sherwood Rowland. The two along with Mario Molina contributed to one of the most significant intersections of science with politics and public policy in the twentieth century when they discovered the effects of chlorofluorocarbons and other chemical compounds on the all-important ozone layer. Crutzen is well-known for that contribution.

What Crutzen is not that well-known for may perhaps make him even more famous after a few years. In 2006, Crutzen published an article in the journal Climate Change that proposed a cheap and audacious-sounding technological fix to ameliorate the harm done by global warming. He proposed releasing millions of tons of sulfate and sulfur dioxide particles into the upper atmosphere which would cool the earth by reflecting sunlight. His scheme is part of what is now called ‘geoengineering’- willfully changing the climate of our planet to counteract the harmful effects of global warming. If Crutzen talks about geoengineering this year at Lindau, it will very likely be one of the most provocative talks at the meeting, and students should make sure they ask him lots of questions about it.

Let’s admit it. If we want to talk about the craziest-sounding ideas dreamt up by mad scientists with disheveled hair and demented glints in their eyes, geoengineering would admirably fit the bill. This is the stuff that pulpy science fiction is made of, when horrible accidents engineered by technology-obsessed scientists cast humanity into eternal doom. Yet, geoengineering is now seriously being considered by top scientists and policy makers. It also has a long history that is permeated by some of the most brilliant minds of the twentieth century. Science fiction it may sound like, but it’s being treated as serious science by serious people. Some have predicted that the issue of geoengineering will be catapulted in a few years into one of the most visible public debates of our times, regularly bandied about in the mainstream media. It will become a topic rich with scientific, political, social and moral dilemmas. Given the potential impact and importance it can have, I personally feel very likely that this will happen.

So what is geoengineering? It is simply the application of technology to engineer our environment to our benefit. If this does not sound like a novel definition, it probably isn’t. Human beings have been changing their environment using technology for thousands of years. The invention of agriculture and architecture and the breeding and domestication of animals are all examples of engineering our surroundings to suit our needs. Yet the word geoengineering deserves a modern definition in its own right simply because of the magnitude and audacity of ideas it dares to conjure up. Crutzen’s sulfur dioxide scheme constitutes one of them. Not bold enough? How about building giant hoses that will release sulfates tens of kilometers high up? Still too boring? How about dropping billions of tons of iron compounds into the world’s oceans to encourage the growth of CO2-eating algae? Covering the oceans up with gigantic white plastic sheets to reflect sunlight? And these seem to be some of the more conservative ideas floating around. One of the main problems that people seem to have with geoengineering schemes is that they think these schemes will add another dangerous and uncertain variable to a game we have already played with our planet beyond reason. And yet if we think about it, playing with the earth does not sound so bad when we ponder our present situation and its consequences.

Let’s take a hard look at the facts. Mankind has warmed the planet by emitting carbon dioxide and other greenhouse gases on an unprecedented scale. This contribution has already engineered the planet in its own way by radically changing the environment and making the future uncertain for further generations. Drastically reducing CO2 emissions seems to be the one way to possibly stall the impact, even if we probably cannot completely neutralize it. But human nature being what it is, it has proven immensely difficult to adopt global policies that would reduce emissions. Kyoto was a dismal failure. Last year at Lindau, Rajendra Pachauri who is the chairman of the IPCC was glowingly optimistic about the 2009 Copenhagen conference. Now we know that although there were weak assurances and promises, that meeting too ended in failure. The bottom line is, the world still runs on fossil fuels, and many think it’s going to be decades if not more before all the inequities and differences among the peoples of our planet will make it possible to approach anything comprising significant consensus in reducing fossil fuel emissions. Clearly it’s a Sisyphean task to convince humans to give up their ambitiously high standards of living. Till then it could be too late.

But if human beings find it hard to reach a consensus, they don’t find it that hard to come up with other creative ideas to address the key issues. If we could modify the weather by other means and buy ourselves some time at the very least, shouldn’t we do it? The twentieth century is replete with attempts by scientists to come up with ways to change the climate for a variety of reasons, far before global warming was ever on the agenda. Probably the most high profile reason was being able to influence local weather patterns as a form of warfare; if you could radically engineer the weather around enemy formations, you could throw all their war preparations into chaos. Such type of thinking pervaded Cold War strategy. And it got a boost from one of the most brilliant humans being who ever lived.

John von Neumann, mathematical wizard who could multiply six-digit numbers in his head and recite the entire telephone book when he was six years old in his native Hungary, has become an anecdote-generating legend. Almost any anecdote about this great man and the quickness of his mind is likely to be familiar or sound like a cliché, so I will refrain. The sheer diversity of fields- pure mathematics, physics, nuclear weapons design, economics, computing, biology- to which he made lasting contributions boggles the mind and is without a doubt unprecedented. He made so many important contributions to so many important fields that even now one suspects if there was a conspiracy of geniuses who all published papers and ideas under the same name. In only one lifetime, while establishing the mathematical foundations of quantum theory, inventing game theory, designing the plutonium implosion bomb, laying out the blueprint for genetic replication, exploring the workings of the brain and becoming a father of computer science through his invention of what we call ‘software’, von Neumann ended up contemplating the use of the computer for weather prediction almost as a pastime. A prized consultant to top-secret government agencies, von Neumann had grandiose schemes for first predicting and then manipulating the weather using intensive computer modeling. Although his diabolical schemes to wage war (probably fortunately) did not come to pass, von Neumann’s ideas were the forerunner for some of the earliest computer models of climate, culminating in the sophisticated General Circulation Models (GCMs) that modern day climate scientists use.

Von Neumann died in 1957 in great pain from cancer, heavily surrounded by military security personnel in fear that he may divulge nuclear secrets while medicated. As if one brilliant Hungarian was not enough, another brilliant Hungarian materialized to don von Neumann’s mantle.

Nobody looms as large over geoengineering as the brilliant and impetuous Edward Teller, the ‘father of the hydrogen bomb’. Teller was so obsessed with nuclear weapons that he has become almost a clichéd caricature of the mad scientist, supposed to be one of the inspirations for the character of Dr. Strangelove in Stanley Kubrick’s famous nuclear satire. As the greatest nuclear weaponeer in history, Teller never shied away from making nuclear bombs bigger, better, smaller and more powerful. Throughout his life Teller was known for two things, his scientific brilliance and his tortured relationship with his fellow scientists. After his testimony in the trial of Robert Oppenheimer made him a virtual outcast from the scientific community, Teller began to hobnob with powerful military and political leaders who wanted bigger and better nuclear weapons. Teller’s love for nuclear weapons led him in the fifties to propose ‘Project Plowshare’. Project Plowshare figures big in the history of geoengineering. It was literally a plan for sculpting the earth to suit human needs. It envisaged everything from blasting gigantic harbors in seconds to diverting the course of entire rivers to turn deserts into lush grasslands, all made possible by megaton nuclear bombs. Such grand planning was typical of the Cold War belief in technology, a belief which lasts even today. The Soviets also explored such plans and publicized them as glorious Communist dreams intended to bring the benefits of technology to the masses. Nuclear weapons had acquired a bad rap because of their destructive effects. Now Teller wanted to put a positive spin on them. But Teller’s motives were not completely benevolent. If Project Plowshare became popular, it would lead to more nuclear testing and hence to more nuclear building, both of which were Teller’s cherished goals.


Edward Teller (1908-2003)

One of the first experimental projects that Project Plowshare had in mind was excavating a giant harbor in what was considered a remote region of Alaska. In just a few weeks Teller was transformed into a marketing executive who strove hard to convince the local population including the local Inuit natives about how nice such a harbor excavated by a huge nuclear blast in two seconds would be for them. He even said he could sculpt a harbor in the shape of a polar bear. Teller insisted that fallout, which was the biggest threat from nuclear detonations, would be limited. He did not really give much thought to the details of the region and the fact that the Soviet Union was only 180 miles from the harbor’s location. Fortunately, Teller’s plan was killed in the water when a geologist named Don Foote mapped the entire region and its rich biodiversity and showed that not only would the livelihood of the Inuits be completely destroyed, but that uncertainty in wind patterns would likely draft the radioactive fallout toward the Soviet Union, a geopolitical disaster. A disgruntled Teller still did not give up on his dreams of changing the face of the planet, and planned for a small experiment in the Nevada desert that would perhaps convince the naysayers. The goal was quite elemental, to see how big a hole a nuclear weapon would dig. In 1962, a 1.5-megaton bomb excavated a crater more than a thousand feet in diameter and 300 feet in depth in about two seconds. Unfortunately, fallout from the blast was carried by the wind as far as Canada. Finally, after more than a decade and hundreds of millions of dollars in spending, Project Plowshare was dead. The crater still exists and is a tourist attraction.

But Teller’s highly fertile mind never remained still. Throughout his life he kept on coming up with highly creative and more than a little wacky ideas of accomplishing technological feats using nuclear weapons. I think Teller’s whole frame of mind is aptly summed up by Carl Sagan, who said that Teller’s problem was that he genuinely liked nuclear weapons. Thus he wanted to use them for almost any problem. Want to turn coal into diamonds? Use the pressure from a nuclear blast. Teller even insisted using nuclear weapons for pure science research. Want to analyze moon dust? Explode a nuke on the moon and analyze the resulting spectrum. Until his death in 2003 at the ripe old age of 95, Edward Teller continued to be enamored of technology as the solution to mankind’s greatest problems. His vision, even if it has been transformed into something a little more gentle and realistic, still lives on in the minds of geoengineers.

So who are these people and what do they want to do? Geoengineering schemes seem to fall into two categories. We know the first one as ‘carbon sequestration’ and it sounds more benign. It seeks simply to suck the excess CO2 out of the air and store it in one form or the other, either underground or in other locations. However, the word ‘simply’ does not do justice to the complexity of the problem. CO2 is a high-entropy material that has been generated from low-entropy fossil fuels such as coal. Essentially reverting the process might require much more energy than is saved. Plus, where is this energy going to come from? From fossil fuels which are going to release more CO2 themselves? That would be futile. So scientists are trying to come up with other creative ideas. One of the more creative ideas is being tested by David Keith, a physicist at the University of Calgary. Keith’s process to trap CO2 relies on high-school chemistry. Lye or sodium hydroxide will react with the CO2 from air to form sodium carbonate. This in turn will react with calcium oxide to form calcium carbonate. In his lab Keith is running experimental CO2 absorption columns. Success until now has been spotty; the reduction in CO2 is typically only 5 ppm, but the technology is worth exploring.

The second category of proposals would make science fiction fans stand up, because these are the ones aimed at actually modifying the planet’s atmosphere in one way or the other. Crutzen’s proposal to inject sulfur dioxide particles in the stratosphere is a running candidate. One reason why it is taken seriously is because there is a precedent in which the earth actually geoengineered itself. In 1991, the volcano Mount Pinatubo in the Philippines erupted and put millions of tons of sulfur dioxide particles in the atmosphere. True to calculations and predictions, the planet actually cooled by a fraction of a degree. The most likely location for doing this kind of cooling experiment is the Arctic, which is rapidly losing ice. The problem with ice is that it constitutes positive feedback which makes the global warming problem worse; less ice means less reflection of sunlight which means higher temperatures which means even less ice and so on. Consequently, cooling the atmosphere above the arctic would mean more ice, which would kick-start the reverse cycle, increasing reflectivity and cooling the planet further. The amount of sulfur dioxide needed and its cost is not too much compared to what’s at stake. The main problem that some people see with this scenario is that it’s a band-aid, since it won’t actually curb CO2 emissions. Also, CO2 doesn’t just cause global warming. It also causes other serious problems like ocean acidification, which is killing off entire species and catastrophically disturbing ocean biodiversity and balance. Sulfur in the atmosphere is not going to mitigate these other issues. The good thing though might be that these increasing CO2 levels would be absorbed by plants, encouraging foliage which will suck up even more CO2. This brings us to the other geoengineering scheme- seeding the oceans with iron compounds. These compounds will encourage the growth of algae which will eat up the excess CO2. Algae might also serve another purpose. The British scientist James Lovelock who is the originator of the “Gaia” theory pointed out that algae produce the gas dimethyl sulfide (if you haven’t smelt this, don’t, as I can attest from experience) which also forms sunlight-reflecting aerosols. Lovelock is a big fan of engineering and thinks that it’s too late now for us to get a grip on climate change by reducing emissions alone.

Probably the craziest-sounding idea for geoengineering has been suggested by University of Arizona scientist Roger Angel. Angel proposes shooting out thin polymer-based disks, each about the size of a trash can lid, into orbit around earth. Once in orbit, these disks will cast a huge shadow on earth that will reduce sunlight absorption by about 2%. Even this small change will be enough to cool the planet. The problem? The mind-boggling number of disks that would have to be shot out into space- about 16 trillion. But Angel’s proposal is one of a kind proposed by scientists that include launching millions of sunlight-reflecting mirrors into orbit, essentially serving the same purpose.

 

Then there are proposals grounded in genetic engineering. These are again being taken seriously by a number of well-known scientists. Craig Venter, the famous genome pioneer who recently synthesized a working organism from scratch, is on the lookout for CO2-eating bacteria. Freeman Dyson has suggested a slightly more futuristic idea- engineering trees with silicon leaves instead of carbon leaves which would absorb much more CO2.

Science fiction or not, mainstream scientists are wary of all such proposals for a variety of reasons. Chief among them is the belief that such proposals will be eagerly seized upon by industrial interests who can then go on emitting CO2 with abandon. Geoengineering is seen by these opponents as nothing more than a band-aid, leaving us free to indulge in even more fossil fuel based development. There is definitely merit to this point of view, but the same opponents should also realize that we are probably going to be entrenched in fossil fuel based development for decades. Till then we must do something to explore alternative scenarios for cooling the planet. There are arguments which say that geoengineering messes with a complex system about which we understand very little, and these are not invalid. But the history of technology shows that for whatever reason, we have been able to manage complex systems much better than what we initially imagined. Geoengineering should be supported at least on an experimental scale. The other more philosophical problem that some have with these ideas is that they cast yet another volley in mankind’s attempts to destroy the world’s natural essence. But whether we like it or not, we have already destroyed and irrevocably altered this essence since the last 40,000 years or so, when modern humans started migrating across the earth in large numbers. The planet now is radically different from what it was then, and it’s hard to see how geoengineering would be any different from the massive amounts of engineering we have done on this planet until now. And the bottom line is that global warming is too complex a problem to be attacked only through a single line of inquiry, that of reducing CO2 emissions. Only a multipronged approach can help resolve such a convoluted dilemma.

But ultimately the objection to geoengineering goes much deeper than technical and scientific issues. Geoengineering seems to signal the epitome of the hubris that human beings have always had, fuelling the belief that technology is going to solve all our problems. To some extent it has gotten a bad name because of scientists like Edward teller who wanted to harness the primeval force of the atom for sculpting our environment, without much thought about consequences. We all know what happened when Icarus became giddy with his powers of flight and soared too close to the sun. Our own Icarus has already outdone himself in his ambitions. Geoengineering seems only to be the culmination of our fantasy to achieve mastery over the planet. A planet with geoengineering will very likely look disturbingly artificial, with abnormally high levels of CO2 being sustained in a delicate balance with a sulfate-laden atmosphere, algal blooms in the ocean, an armor of mirrors in outer space, and landscapes dotted with CO2-eating plants with silicon leaves and behemoth CO2-sucking machines. All will look nice and cozy, until the very delicate balance is inevitable perturbed by our ignorance of complexity.

As the old proverb says, we need to be careful about what we wish for. Our wishes might come true.