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„Spukhafte Fernwirkung“ in der Quantenwelt steht kurz vor ihrer endgültigen Bestätigung

Dienstag, 16. April 2013

Physiker schließen letztes lokal realistisches Schlupfloch für verschränkte Photonensysteme.

Im Alltag ist es für uns eine Selbstverständlichkeit, dass die Eigenschaften von Gegenständen unabhängig von ihrer Beobachtung existieren, und dass eine Veränderung dieser Eigenschaften immer durch eine unmittelbare, lokale Einwirkung erfolgen muss. In der Quantenwelt dagegen gelten andere Gesetze: So wird die Eigenschaft eines Teilchens erst bei seiner Messung festgelegt, und zwei verschränkte Teilchen scheinen auch über große Distanzen nicht-lokal zusammenzuhängen. Zahlreiche Experimente weltweit haben diese Fundamente der Quantentheorie mittlerweile bestätigt. Doch letzte Zweifel daran konnten bislang nicht vollständig ausgeräumt werden. Verteidiger des in der klassischen Welt geltenden „lokalen Realismus“ berufen sich auf mehrere Arten von „Schlupflöchern“, um ihr Weltbild zu retten. Physiker aus der Gruppe von Prof. Anton Zeilinger am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien haben vor kurzem das letzte Schlupfloch für Lichtquanten geschlossen. Von theoretischer Seite wurde die Arbeit durch Dr. Johannes Kofler unterstützt, der in der Abteilung Theorie von Prof. Ignacio Cirac am Max Planck Institut für Quantenoptik (MPQ) forscht. An den Experimenten haben Wissenschaftler der Gruppe von Dr. Sae Woo Nam am National Institute of Standards (NIST) in Boulder, USA, sowie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig mitgewirkt. Die Ergebnisse wurden in dieser Woche in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Unter lokalem Realismus versteht man ein Weltbild, in dem die Eigenschaften physikalischer Objekte unabhängig davon feststehen, ob sie von irgendjemandem wahrgenommen werden (Realismus), und in der sich keine physikalische Wirkung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann (Lokalität). 1964 bewies der irische Physiker John Bell in einer der wichtigsten Arbeiten der Grundlagen der Quantentheorie, dass lokaler Realismus im Widerspruch zu den Vorhersagen der Quantenmechanik steht, und dass die Entscheidung zwischen diesen so radikal verschiedenen Weltbildern durch ein Experiment gefällt werden kann.

Für einen solchen Bell-Test verwendet man verschränkte Teilchen. Der Begriff der Verschränkung wurde von dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger geprägt. Für den Fall zweier miteinander verschränkter Photonen (Lichtquanten) beinhaltet er, dass zwar keines der Teilchen für sich genommen eine definierte Polarisation besitzt. Misst man jedoch die Polarisation eines Photons und erhält dafür ein zufälliges Ergebnis, dann ist die Polarisation des anderen Teilchens damit festgelegt, d.h. perfekt korreliert. Diesen seltsamen Effekt bezeichnete Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“.

Im Experiment werden zunächst Paare von verschränkten Photonen erzeugt. Von jedem Paar wird ein Photon zu Beobachter A (genannt Alice), das andere zu Beobachter B (Bob) geschickt. Alice und Bob treffen jeweils eine Wahl, welche Polarisationsrichtung sie messen wollen. Wie oben erwähnt, sollten die beobachteten Messwerte der beiden Photonen gemäß der Quantentheorie stark korreliert sein. (Diese Eigenschaft der Verschränkung wird in der sogenannten Quanteninformation beispielsweise dafür genutzt, um absolut abhörsichere Informationsübertragung zu ermöglichen). Bell zeigte mithile einer mittlerweile nach ihm benannten Ungleichung, dass es für die Stärke der Korrelationen in jeder lokal realistischen Theorie eine obere Grenze gibt, die von den Vorhersagen der Quantentheorie verletzt wird.

In den letzten Jahrzehnten wurde die Verletzung der „Bellschen Ungleichung“ in zahlreichen Experimenten bestätigt, sowohl mit Lichtquanten als auch mit Atomen. Allerdings gibt es für die Verteidiger des lokalen Realismus drei Arten von „Schlupflöchern“ – d.h. Möglichkeiten, dass die beobachteten Korrelationen, obschon sie die Bellsche Ungleichung verletzen, doch noch im Rahmen von lokal realistischen Theorien erklärbar sind. Das eine bezieht sich auf die Lokalität der Ereignisse. Hier wird angenommen, dass das Messresultat auf einer Seite durch ein schnelles und verstecktes Signal von der anderen Seite beeinflusst wird. In ähnlicher Weise geht das Schlupfloch, das die „freie Wahl“ betrifft, davon aus, dass die lokal realistischen Eigenschaften des Teilchenpaares die von Alice und Bob getroffene Wahl beeinflussen. Mit erheblichem experimentellem Aufwand sind diese beiden Schlupflöcher für Photonen mittlerweile geschlossen worden. Dabei wurde in den Experimenten zum einen dafür gesorgt, dass Alice und Bob räumlich sehr weit voneinander getrennt sind. Zum andern wurden die Zeitpunkte der Paarerzeugung, der Auswahl der Messeigenschaften und der Messung selbst mit extrem großer Genauigkeit bestimmt. Unter diesen Bedingungen ließen sich die gemessenen Korrelationen allenfalls durch Signalübermittlung mit Überlichtgeschwindigkeit erklären – die aber ist im lokal realistischen Weltbild nicht gestattet.

Doch es gibt noch ein drittes Schlupfloch – genannt „Fair Sampling“. Dabei führen die lokalen Realisten die Verletzung der Bellschen Ungleichung darauf zurück, dass nur ein Bruchteil der erzeugten Teilchenpaare gemessen wird. Die beobachteten Teilchen betrachten sie als nicht repräsentativ für das ganze Ensemble, als „unfair“. Die Gesamtheit der Teilchen würde dagegen der Bellschen Ungleichung genügen.

Für Photonen konnte dieses Schlupfloch bislang nicht geschlossen werden, zumal es hier besonders schwierig ist, Teilchenverluste an der Teilchenquelle oder am Detektor zu vermeiden. „Der Erfolg des Wiener Experiments beruht zum einen auf technischen Errungenschaften“, erklärt Dr. Johannes Kofler. „Es wurde eine neuartige Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonenpaare verwendet, des Weiteren Techniken, die geringe Durchgangsverluste ermöglichten, und moderne supraleitende Detektoren.“ So konnten insgesamt 75% aller verschränkten Photonen gemessen werden. „Diese Effizienz reicht für einen Test der originalen Bell-Ungleichung nicht aus“, so Kofler. „Allerdings hat vor rund 20 Jahren der Physiker Philippe Eberhard vom Lawrence Berkeley Laboratory in den USA eine Formulierung der Bellschen Ungleichung gefunden, welche die nicht nachgewiesenen Photonenpaare explizit einschließt – dann genügt es, wenn man zwei Drittel aller Photonen detektiert. Durch die hohe Effizienz des Wiener Experiments und die Anwendung der Eberhardschen Ungleichung konnten wir nun erstmals das Fair-Sampling-Schlupfloch für Photonen schließen.“

Mit diesem Ergebnis wurden für Photonen alle lokal realistischen Schlupflöcher ausgeschlossen, allerdings in jeweils unterschiedlichen Experimenten. Nun fehlt nur noch das allerletzte Beweisstück – ein finales und definitives Experiment, in dem die Bellsche Ungleichung verletzt wird und gleichzeitig alle Schlupflöcher geschlossen sind. Es ist noch nicht klar, ob dies zuerst für Photonen oder für Atome (für die bislang nur das Fair-Sampling-Schlupfloch versperrt wurde) oder vielleicht für ganz andere Quantensysteme erreicht werden wird. Wenn es gelingt, bleiben nur noch zwei radikale Erklärungsmöglichkeiten: Entweder, es gibt in der Natur eine verborgene Form der Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit, oder wir leben in der Tat in einer Welt, in der physikalische Eigenschaften unter bestimmten Bedingungen nicht unabhängig von ihrer Beobachtung existieren. In beiden Fällen wäre, 50 Jahre nach seiner Formulierung, der lokale Realismus ein für alle Mal widerlegt.

Originalveröffenlichung:
Marissa Giustina, Alexandra Mech, Sven Ramelow, Bernhard Wittmann, Johannes Kofler, Jörn Beyer, Adriana Lita, Brice Calkins, Thomas Gerrits, Sae Woo Nam, Rupert Ursin, and Anton Zeilinger

Bell violation using entangled photons without the fair-sampling assumption. Nature, 14. April 2013, Advance Online Publication, DOI:10.1038/nature12012, e-print: http://arxiv.org/abs/1212.0533

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ)

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Warum große Hunde jung sterben

Donnerstag, 14. März 2013

(pug) Große Hunde haben eine niedrigere Lebenserwartung als kleine, weil sie schneller altern. Zu diesem Schluss kommt eine aktuelle Studie der Universität Göttingen, in die Daten von mehr als 50.000 Hunden einflossen, die 74 verschiedenen Rassen angehörten. Der negative Zusammenhang zwischen Größe und Lebenserwartung ist von verschiedenen Tierarten bekannt, unter anderem auch von Mäusen, Ratten und Pferden. Unklar war bislang jedoch, wann – das heißt in welchem Lebensabschnitt – Dogge & Co. für ihre Größe mit Lebensjahren zahlen müssen. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift American Naturalist veröffentlicht.

Die Forscher untersuchten den Zusammenhang zwischen der Größe und dem rassespezifischen Verlauf der Mortalitätskurve, also der Abhängigkeit des Todesrisikos vom Alter. „Große Hunde altern schneller als kleine. Im Vergleich zu ihren kleineren Artgenossen scheint es, als ob ihr Erwachsenenleben im Zeitraffer abläuft“, erläutert Dr. Cornelia Kraus von der Abteilung Soziobiologie/Anthropologie der Universität Göttingen. „Dies kann jedoch nur eine erste Antwort auf die Frage sein, warum große Hunde jünger sterben als kleine. Wir vermuten, dass die niedrigere Lebenserwartung großer Rassen die Folge eines übermäßig schnellen Wachstums sein könnte. Zukünftige Studien müssen sich unter anderem mit den Todesursachen und physiologischen Mechanismen beschäftigen, die diesen größenabhängigen Mortalitätskurven zugrunde liegen.“

Der negative Zusammenhang zwischen Größe und Lebenserwartung lässt sich nach Ansicht der Wissenschaftler nirgendwo so gut untersuchen wie beim Hund: Durch künstliche Selektion wurden Rassen geschaffen, deren Spannweite in der Körpergröße vom 2 Kilogramm schweren Chihuahua bis zum 80 Kilogramm schweren Englischen Mastiff reicht. Große Hunderassen sterben durchschnittlich im Alter von 5 bis 8 Jahren, während kleine Rassen ein durchschnittliches Alter von 10 bis 14 Jahren erreichen. Und noch eine Frage ist bislang unbeantwortet: Während die Regel „große Exemplare sterben früher“ für verschiedene Tierarten gilt, zeigt ein Vergleich der Tierarten miteinander, dass größere Säugetiere in der Regel länger leben als kleine.

Originalveröffentlichung: Cornelia Kraus et al. The Size-Life Span Trade-Off Decomposed – Why Large Dogs Die Young. The American Naturalist 2013. Doi: 10.1086/669665.

Quelle: Georg-August-Universität Göttingen

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Nahrungsergänzung in Eigenregie: Zu viel Calcium erhöht Sterblichkeit

Dienstag, 26. Februar 2013

Bochum – Das Mineral Calcium, das täglich mit der Nahrung aufgenommen wird, ist wesentlich für die Knochengesundheit. Zusammen mit Vitamin D stellt es die Basistherapie bei Osteoporose, dem Knochenschwund, dar. Das positive Image des Mineralstoffs lässt viele Menschen zusätzlich Calcium einnehmen. Seit Längerem schon gibt es Hinweise darauf, dass die zusätzliche Einnahme von Calcium als Nahrungsergänzung zu mehr Herzinfarkten, Schlaganfällen und Todesfällen führen kann. Darauf weist die Deutsche Gesellschaft für Endokrinologie (DGE) anlässlich aktueller Studien hin. Sie rät dazu, Calcium besser nur mit der Nahrung aufzunehmen und nicht ergänzend zuzuführen.

Das Mineral Calcium macht etwa 1,5 Prozent der Körpermasse im menschlichen Organismus aus, ist essentiell für die Festigkeit von Knochen und Zähnen, aber auch wichtig für die „Signal-Weiterleitung“ innerhalb der Zellen. Calcium ist insbesondere in Milch und Milchprodukten, einigen Gemüsen (beispielsweise in Brokkoli, Grünkohl, Fenchel oder Lauch) und Mineralwässern, aber auch in normalem Trinkwasser enthalten, insbesondere wenn keine Kalkfilter in den Leitungen eingebaut sind. „Eine zusätzliche Einnahme von Calciumsupplementen zur Vorbeugung einer Osteoporose ist jedoch nur dann empfehlenswert, wenn eine ausreichende Kalziumaufnahme über die Nahrung nicht gewährleistet ist, wie es gerade bei älteren Menschen oft der Fall ist“, erläutert Professor Dr. med. Dr. h. c. Helmut Schatz, Mediensprecher der DGE aus Bochum. Obwohl von einer ausreichenden Versorgung über die Nahrung ausgegangen werden kann, nehmen viele Menschen zusätzlich Calcium zu sich. Eine Erhebung aus dem vergangenen Jahr ergab, dass etwa die Hälfte der US-amerikanischen Bevölkerung Calcium als Tabletten oder Brause zuführt.

Eine Auswertung der Daten von etwa 380.000 Männern und Frauen aus einer Studienpopulation des National Institutes of Health (NIH) der USA über einen Zeitraum von zwölf Jahren zeigte nun Besorgnis erregende Ergebnisse. Die Calciumeinnahme ab 1000 mg/Tag war bei Männern mit einem um 20 Prozent höheren Sterberisiko an kardiovaskulären Erkrankungen verbunden. Bei Frauen hingegen wurde hier kein Anstieg beobachtet. Nicht berücksichtigt wurden allerdings in dieser großen Analyse andere Faktoren wie beispielsweise zusätzlich eingenommenes Vitamin D. Es bleibe somit offen, ob es einen Geschlechtsunterschied wirklich gebe, so der Experte aus Bochum.Eine weitere aktuelle prospektive schwedische Kohortenstudie, die im British Medical Journal veröffentlicht wurde, untersuchte bei über 60.000Frauen ebenfalls den Zusammenhang von Calciumeinnahme und Sterblichkeit. Eine hohe tägliche Calciumaufnahme von >1400 mg war mit mehr Todesfällen infolge von Herzinfarkten verbunden, nicht aber mit mehr Todesfällen durch Schlaganfall. Bei niedrigeren Mengen von 600 bis 1000 mg/Tag wurde keine erhöhte Sterblichkeit gefunden. Professor Schatz bilanziert: „Beide Studien zeigen, dass es bei einer Calciumsupplementierung ab 1000 mg aufwärts pro Tag zu einem erhöhten kardiovaskulären Risiko kommt. Das gilt – solange wir keine weiteren Studien haben – gleichermaßen für Männer und Frauen.“ Calcium sollte man also nicht zusätzlich zu sich nehmen, sondern besser nur mit der Nahrung, rät der Endokrinologe aus Bochum.

Literatur:
Xiao, Qian et al.: Dietary and supplemental calcium intake and cardiovascular disease mortality. The National Institutes of Health – AARP Diet and Health Study, JAMA INTERN MED published online February 4, 2013, Abstract: http://archinte.jamanetwork.com/mobile/article.aspx?articleid=1568523
Michaëlsson, Karl et al., Long term calcium intake and rates of all cause and cardiovascular mortality: community based prospective longitudinal cohort study, BMJ 2013; Published 13 February 2013, Article: http://www.bmj.com/content/346/bmj.f228 Office of Dietary Supplements, National Institutes of Health. Calcium. November 13, 2012, Article: http://ods.od.nih.gov/factsheets/Calcium-HealthProfessional/

Quelle: Arbeitsgemeinschaft der Wissenschaftlichen Medizinischen Fachgesellschaften

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Akademien empfehlen neue Maßnahmen in der Antibiotika-Forschung

Dienstag, 29. Januar 2013

Einer steigenden Zahl an Infektionen durch Antibiotika-resistente Bakterien stehen weltweit immer weniger wirksame Antibiotika gegenüber. Damit wird die erfolgreiche Behandlung infizierter Patienten immer schwieriger. Die Akademie der Wissenschaften in Hamburg und die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina geben in ihrer heute veröffentlichten Stellungnahme “Antibiotika-Forschung: Probleme und Perspektiven” acht Empfehlungen, die Wege aufzeigen, die weitere Ausbreitung von Resistenzen zu verhindern und dringend benötigte Antibiotika zu entwickeln.

“Die Entwicklung gibt großen Anlass zur Sorge. Wir haben den Fokus in der Stellungnahme auf den Beitrag der Forschung und die erforderlichen gesellschaftlichen Rahmenbedingungen gelegt”, sagt Prof. Dr. Ansgar W. Lohse, Sprecher der Arbeitsgruppe “Infektionsforschung und Gesellschaft” der Akademie der Wissenschaften in Hamburg. “Es bedarf”, so Lohse weiter, “wirklicher Anreize für eine neue und intensivere Antibiotika-Forschung und damit eine schnellere Entwicklung von Medikamenten.”

“Das Thema stellt eine Aufgabe an die gesamte Gesellschaft”, sagt Prof. Dr. Jörg Hacker, Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Es erfordere nicht nur stärkere Forschungsanstrengungen und eine schnellere Umsetzung der Ergebnisse in die Anwendung, sondern auch einen Dialog darüber, wie verantwortungsbewusst Antibiotika eingesetzt werden und Resistenzen vermieden werden können. “Hierfür richten wir einen Runden Tisch ein, zu dem wir alle relevanten Partner einladen werden.”

Das weltweite Auftreten von Antibiotika-Resistenzen gehört nach Einschätzung der WHO zu den größten Gefahren für die menschliche Gesundheit. Schätzungen gehen jährlich von rund 25.000 Patienten allein innerhalb der EU aus, die an den Folgen einer Infektion mit Antibiotika-resistenten Bakterien sterben.

Die gesamte Stellungnahme ist als eBook frei zugänglich unter: http://www.degruyter.com/isbn/9783110306675

Die Stellungnahme als Broschur: Antibiotika-Forschung: Probleme und Perspektiven. Stellungnahme der Akademie der Wissenschaften in Hamburg und der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften, Berlin (De Gruyter) 2013 (Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften in Hamburg 2), 77 S., 29,95 EUR, ISBN 978-3-11-030667-5

Der Akademie der Wissenschaften in Hamburg gehören herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller Disziplinen aus dem norddeutschen Raum an. Als Arbeitsakademie will sie dazu beitragen, die Zusammenarbeit zwischen Fächern, Hochschulen und anderen wissenschaftlichen Einrichtungen zu intensivieren und den Dialog zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit zu fördern. http://www.awhamburg.de

Die Leopoldina nimmt als Nationale Akademie der Wissenschaften Deutschlands mit ihren rund 1.500 Mitgliedern zu den wissenschaftlichen Grundlagen politischer und gesellschaftlicher Fragen unabhängig und öffentlich Stellung. Sie vertritt die deutsche Wissenschaft in internationalen Gremien und handelt zum Wohle der Menschen und der Gestaltung ihrer Zukunft. http://www.leopoldina.org

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„Verbindungsfehler“ im Gehirn von Magersüchtigen

Mittwoch, 23. Januar 2013

RUB-Forscher finden gestörte Konnektivität im Hirnnetzwerk für Körperwahrnehmung – Je schwächer die Verbindung, desto stärker die Fehleinschätzung des Gewichts.

Wenn Menschen Bilder von Körpern ansehen, sind eine ganze Reihe von Hirnregionen aktiv. Dieses Netzwerk im Gehirn ist bei Frauen mit Magersucht (Anorexia nervosa) verändert. In einer Kernspin-Studie waren zwei Regionen, die für die Verarbeitung von Körperbildern wichtig sind, bei magersüchtigen Frauen schwächer funktionell verbunden als bei gesunden Frauen. Je stärker dieser „Verbindungsfehler“ war, desto dicker fanden sich die Befragten. „Diese Auffälligkeiten im Gehirn könnten erklären, warum Frauen mit Magersucht sich selbst als dick wahrnehmen, obwohl sie objektiv untergewichtig sind“, sagt Prof. Dr. Boris Suchan vom Institut für Kognitive Neurowissenschaft der Ruhr-Universität. Gemeinsam mit Prof. Dr. Dietrich Grönemeyer (Universität Witten-Herdecke), Prof. Dr. Silja Vocks (Universität Osnabrück) und weiteren Kollegen berichten die Bochumer Forscher in der Zeitschrift „Behavioural Brain Research“.

Magersüchtige nehmen ihre Körperform falsch wahr

Die Wissenschaftler testeten zehn magersüchtige und 15 gesunde Frauen ähnlichen Alters. Zunächst gaben alle Frauen am Computer an, welche von mehreren unterschiedlich schlanken Silhouetten ihrer eigenen Körperform am ehesten entspricht. Zehn Kontrollpersonen, die nicht an der Kernspinuntersuchung teilnahmen, beantworteten die gleiche Frage, indem sie ein Foto der Probandin der passenden Silhouette zuordneten. Sowohl Gesunde als auch Magersüchtige schätzten ihre Körperform anders ein als Außenstehende: Gesunde Probandinnen bewerteten sich selbst als dünner als die Kontrollpersonen. Magersüchtige Frauen hingegen nahmen sich selbst dicker wahr als die Kontrollpersonen.

Hirnareale für die Körperwahrnehmung kernspintomografisch untersucht

Im Kernspintomografen zeichneten die Forscher dann die Hirnaktivität der 25 Teilnehmerinnen auf, während diese Fotos von Körpern betrachteten. Sie analysierten vor allem die Aktivität in der „fusiform body area“, kurz FBA, und der „extrastriate body area“, kurz EBA. Denn frühere Studien ergaben, dass diese Hirnregionen für die Wahrnehmung von Körpern entscheidend sind. Zu diesem Zweck berechneten die Bochumer Neurowissenschaftler die sogenannte effektive Konnektivität zwischen der FBA und EBA in beiden Hirnhälften. Sie ist ein Maß dafür, wie stark die Aktivität in mehreren Hirnarealen zeitlich korreliert ist; eine hohe Korrelation lässt auf eine starke funktionelle Verbindung schließen.

Gehirn von Magersüchtigen strukturell und funktionell verändert

Die Verbindung zwischen FBA und EBA war bei magersüchtigen Frauen schwächer als bei gesunden Frauen. Außerdem fanden die Forscher eine negative Korrelation zwischen der EBA-FBA-Verbindung in der linken Hirnhälfte und der Fehleinschätzung des Körpergewichts: Je schwächer die effektive Konnektivität zwischen EBA und FBA war, desto dicker schätzten sich die Probandinnen mit Magersucht fälschlicherweise ein. „In einer früheren Studie haben wir festgestellt, dass es strukturelle Veränderungen im Gehirn von Patientinnen mit Anorexie gibt“, sagt Boris Suchan. Sie haben eine geringere Dichte an Nervenzellen in der EBA. „Die neuen Daten zeigen, dass das Netzwerk für die Körperverarbeitung auch funktionell verändert ist.“ Die EBA, die bei Magersüchtigen eine geringere Zelldichte aufweist, ist auch das Areal, das in der Verbindungsanalyse auffiel: Es bekommt einen verminderten Input von der FBA. „Diese Veränderungen könnten einen Mechanismus für die Entstehung der Magersucht darstellen“, so Suchan.

Titelaufnahme:
B. Suchan, D. Soria Bauser, M. Busch, D. Schulte, D. Grönemeyer, S. Herpertz, S. Vocks (2012): Reduced connectivity between the left fusiform body area and the extrastriate body area in anorexia nervosa is associated with body image distortion, Behavioural Brain Research, DOI: 10.1016/j.bbr.2012.12.002

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Darmbakterien haben Einfluss auf das Risiko von Autoimmunkrankheiten

Donnerstag, 17. Januar 2013
Washington/ Leipzig. Bei Mäusen beeinflussen die Arten der Darmbakterien den Hormonspiegel, den Stoffwechsel, die Immunantwort und damit die Entwicklung von Diabetes Typ 1, berichtet ein internationales Forscherteam in der Online-Ausgabe von SCIENCE, an dem das UFZ mit Analysen des Stoffwechsels beteiligt ist.
Diese Ergebnisse könnten Hinweise liefern, weshalb Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose und Gelenkrheumatismus bei Frauen häufiger auftreten als bei Männern.

Zwar ist bekannt, dass sowohl genetische als auch umweltbedingte Faktoren zur individuellen Anfälligkeit für Autoimmunerkrankungen beitragen, aber die Wechselwirkungen zwischen Darmbakterien und der Entwicklung von Diabetes Typ 1 sind bisher noch nicht eindeutig geklärt.

Beim Typ 1 der Diabetes mellitus sorgt das körpereigene Immunsystem dafür, dass die Bauspeicheldrüse nicht mehr ausreichend Insulin produziert. Ohne das Insulin kann jedoch der Energielieferant Glukose nicht mehr richtig verarbeitet werden. Die Folge: Der Zuckerspiegel im Blut steigt gefährlich an.
Umgangssprachlich wird Diabetes daher oft auch einfach Zuckerkrankheit genannt. An dieser Variante leiden etwa fünf Prozent der Diabetes-Erkrankten. Sie kann sowohl im frühen Kindesalter als auch im späten Erwachsenenalter auftreten und zählt zu den Autoimmunerkrankungen, die auf einer Überreaktion des Immunsystems gegen körpereigenes Gewebe beruhen.Für die jetzt veröffentlichte Studie untersuchte das internationale Forscherteam um Prof. Jayne Danska von der University of Toronto so genannte “NOD”-Mäuse, die Typ-1-Diabetes entwickelten. Diese besondere Zuchtform wird seit den 80er Jahren in der experimentellen Diabetes-Forschung als Tiermodell für den Typ-1-Diabetes eingesetzt. Typischerweise sind die Weibchen viel anfälliger als Männchen, die möglicherweise durch einen höheren Testosteronspiegel geschützt sind.
Dieser Unterschied verschwand aber, wenn die NOD-Mäuse unter keimfreien Bedingungen aufgezogen wurden. Die Forscher übertrugen vor Ausbruch der Krankheit die Darmbakterien von männlichen Tieren in Weibchen und stellten fest, dass die Weibchen dann gegen eine Vielzahl von Typ-1-Diabetes-Symptome geschützt waren. Eine Unterdrückung der Aktivität des Testosterons kehrte diese schützende Wirkung jedoch um.

Am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig wurden die Folgen der transplantierten Darmbakterien auf den Stoffwechsel der Mäuse per Massenspektrometrie untersucht. Auf die so genannte Metabolomik hat sich das Department um Prof. Dr. Martin von Bergen spezialisiert: „Für uns war es besonders spannend, zu sehen, wie die Billionen an Mikroorganismen, die Säugetiere als Untermieter im Verdauungstrakt beherbergen, den Hormonspiegel und damit auch das geschlechtsspezifische Verhalten und den Stoffwechsel des Wirts beeinflussen.

„Das bedeutet, ob jemand als Alphatier oder Omegatier auftritt, könnte auch damit zusammenhängen, welche Bakterien sie oder er beherbergt“, erklärt Prof. von Bergen.

„Die biologische Vielfalt in unserem Inneren und deren Effekte auf unsere Gesundheit sind im Hinblick auf die Gesamtheit der umweltbedingten Einflüsse eine bisher wenig erforschte Welt, in der es noch viel zu entdecken geben wird.“
Diese Arbeiten an der Schnittstelle zwischen Gesundheitsforschung und mikrobieller Ökologie sollen in den nächsten Jahren am UFZ fortgesetzt werden, um die Auswirkungen der inneren Besiedlung auf chronische Erkrankungen besser verstehen zu können.Weitere Arbeiten sind notwendig, um zu untersuchen, ob die jetzt veröffentlichten Erkenntnisse auch beim Menschen gelten. Zum Beispiel könnten sie von größerer Bedeutung für geschlechtsspezifische Krankheiten wie Gelenkrheumatismus und Multiple Sklerose sein als für als Typ-1-Diabetes, die bei Männern und Frauen etwa gleich häufig trifft. Die Autoren der Studie hoffen, dass es künftig einfacher wird, Säuglinge und Kinder mit einem hohen Risiko für Autoimmunerkrankungen zu identifizieren. Ebenfalls noch eine Vision ist das Ziel der Wissenschaft, später einmal über die Darmflora den Ausbruch dieser Krankheiten zu verhindern oder zu verzögern. Tilo Arnhold

Publikation: Janet G. M. Markle, Daniel N. Frank, Steven Mortin-Toth, Charles E. Robertson, Leah M. Feazel, Ulrike Rolle-Kampczyk, Martin von Bergen, Kathy D. McCoy, Andrew J. Macpherson, Jayne S. Danska (2012): Sex Differences in the Gut Microbiome Drive Hormone-Dependent Regulation of Autoimmunity. SCIENCE, 17 January 2013, DOI: 10.1126/science.1233521.

Die Untersuchungen wurden vom Canadian Institutes of Health Research (CIHR), der Juvenile Diabetes Research Foundation (JDRF), Genome Canada, der Genaxen Foundation und dem National Institutes of Health gefördert.

Anmerkung: siehe auch den Artikel “Das Bauchhirn bei Menschen und Tieren“.

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Wer freihändig vom Boden aufstehen kann, lebt länger

Montag, 17. Dezember 2012

Körperliche Fitness von Muskeln und Skelett Indikator für Sterblichkeit.

Rio de Janeiro/Marburg (pte004) – Brasilianische Forscher sehen einen Zusammenhang zwischen der Mortalität und der Fähigkeit, sich freihändig vom Boden zu erheben. Die Fitness von Muskeln und Skelett sei der beste Indikator für die Sterblichkeit, meinen Claudio Gil Araújo und Kollegen von der Klinik Clinimex in Rio de Janeiro http://clinimex.com.br. Für ihr Ergebnis experimentierten die Forscher seit 2002 mit Erwachsenen im Alter von 51 bis 80 Jahren. Die Pobanden sollten freihändig vom Boden aufzustehen. Dabei bewerteten die Forscher die Grundbewegungen der Testpersonen

159 Unsportliche verstorben

Im Verlauf der Studie sind 159 Probanden verstorben. Die Mediziner stellten fest, dass die meisten der Tode überwiegend die Menschen ereilte, die niedrige Testergebnisse erzielt hatten. Daher errechneten die Forscher, dass die Sterblichkeit bei Menschen, die körperlich weniger fit sind, schneller sterben als Menschen, deren Muskel und Skelett gut trainiert sind.

“Ich bin überzeugt davon, dass es einen Zusammenhang zwischen Sterblichkeit und körperlicher Fitness gibt. Es wäre allerdings zu einfach, dies nur an der Beweglichkeit zu messen. Faktoren des Bewegungsapparates wie Kraft und Beweglichkeit spielen ebenso eine Rolle, wie das Herz-Kreislauf-System und viele weitere”, sagt Sandra Apelt vom Institut für Medizin der Philipps-Universität Marburg http://uni-marburg.de, Fachbereich Physiotherapie, gegenüber pressetext.

Test für Hausärzte empfohlen

Mediziner Araújo meint: “Sicherlich ist landläufig bekannt, dass die körperliche Fitness eines Menschen ihn länger leben lässt. Aber unsere Studie zeigt auch, dass ein hohes Niveau von Körperflexibilität, Muskelkraft und körperlicher Koordination nicht nur gut sind für die Verrichtung alltäglicher Bewegungen – sie haben auch einen günstigen Einfluss auf die Lebenserwartung.” Auch Hausärzte könnten mit dieser einfachen Übung die Fitness ihrer Patienten testen. Man müsse dem Patienten lediglich vorgeben, ohne Hilfe der Hände vom Boden aufzustehen.

Video: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=MCQ2WA2T2oA

Quelle: pressetext.com

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Kindliches Trauma hinterlässt bei manchen Opfern Spuren im Erbgut

Sonntag, 2. Dezember 2012

Gen-Umwelt-Interaktion bewirkt lebenslange Fehlregulation der Stresshormone.

Misshandelte Kinder sind erheblich gefährdet, angst- oder gemütskrank zu werden, weil der einwirkende hohe Stress die Regulation ihrer Gene dauerhaft verändern kann. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München dokumentieren nun erstmals, dass manche Varianten des FKBP5-Gens durch ein frühes Trauma epigenetisch verändert werden. Bei Menschen mit dieser genetischen Veranlagung verursacht das Trauma eine dauerhafte Fehlregulation des Stresshormonssystems.

Die Folge ist eine lebenslange Behinderung im Umgang mit belastenden Situationen für den Betroffenen, welche häufig zu Depression oder Angsterkrankungen im Erwachsenenalter führt.

Die Ärzte und Wissenschaftler erwarten sich von ihren aktuellen Erkenntnissen neue, auf den einzelnen Patienten zugeschnittene Behandlungsmöglichkeiten, aber auch eine verstärkte gesellschaftliche Aufmerksamkeit, um Kinder vor einem Trauma und dessen Folgen zu schützen.

Viele Erkrankungen des Menschen sind das Ergebnis vom Zusammenwirken seiner individuellen Gene und den ihn umgebenden Umwelteinflüssen. Traumatisierende Ereignisse vor allem in der Kindheit stellen dabei starke Risikofaktoren für das Auftreten von psychiatrischen Erkrankungen im späteren Leben dar. Ob der einwirkende frühe Stress aber tatsächlich das Opfer krank macht, hängt entscheidend von dessen genetischer Veranlagung ab.

Arbeitsgruppenleiterin Elisabeth Binder vom Max-Planck-Institut für Psychiatrie untersuchte daher das Erbmaterial von fast 2000 Afro-Amerikanern, die als Erwachsene oder auch bereits als Kinder mehrfach schwer traumatisiert wurden. Ein Drittel der Traumaopfer war erkrankt und litt mittlerweile unter einer Posttraumatischen Belastungsstörung. Die Wissenschaftler wollten durch den Vergleich der genetischen Sequenzen von erkrankten und nicht erkrankten Traumaopfern den Mechanismus dieser Gen-Umweltinteraktion aufklären.

Ihre Untersuchung ergab, dass tatsächlich das Risiko an Posttraumatischer Belastungsstörung zu erkranken mit steigender Schwere der Misshandlung nur in den Trägern einer speziellen genetischen Variante im FKBP5-Gen zunahm. FKPB5 bestimmt, wie wirkungsvoll der Organismus auf Stresshormone reagieren kann, und reguliert so das gesamte Stresshormonsystems.

In Experimenten an Nervenzellen konnten die Max-Planck Forscher im Weiteren nachweisen, dass die von den Münchner Forschern entdeckte FKBP5-Variante für den betroffenen Menschen tatsächlich einen physiologischen Unterschied macht. Extremer Stress und somit hohe Konzentrationen an Stresshormon bewirken eine sogenannte epigenetische Veränderung: Von der DNA wird an dieser Stelle eine Methylgruppe abgespalten, was die Aktivität von FKBP5 deutlich erhöht. Diese dauerhafte Veränderung der DNA wird vor allem durch Traumata im Kindesalter erzeugt. So lässt sich bei Studienteilnehmern, die ausschließlich im Erwachsenenalter traumatisiert wurden, keine krankheitsassoziierte Demethylierung im FKBP5-Gen nachweisen.

Torsten Klengel, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Psychiatrie erklärt die Studienbefunde wie folgt: „Traumata im Kindesalter hinterlassen je nach genetischer Veranlagung dauerhafte Spuren auf der DNA: Epigenetische Veränderungen im FKBP5-Gen verstärken dessen Wirkung. Die mutmaßliche Konsequenz ist eine anhaltende Fehlsteuerung der Stress-Hormonachse beim Betroffenen, die in einer psychiatrischen Erkrankung enden kann. Entscheidend für das kindliche Traumaopfer ist aber, dass die Stress-induzierten epigenetischen Veränderungen nur dann auftreten können, wenn es auch diese spezielle DNA-Sequenz besitzt.“

Die aktuelle Studie verbessert unser Verständnis von psychiatrischen Erkrankungen als Folge der Interaktion von Umwelt- und genetischen Faktoren. Die Ergebnisse werden helfen, Menschen individualisiert zu behandeln, bei denen vor allem eine Traumatisierung in früher Jugend das Erkrankungsrisiko erheblich vergrößert hat.

Originalpublikation: Torsten Klengel, Divya Mehta, Christoph Anacker, Monika Rex–Haffner, Jens C. Pruessner, Carmine M. Pariante, Thaddeus W.W. Pace, Kristina B. Mercer, Helen S. Mayberg, Bekh Bradley, Charles B. Nemeroff, Florian Holsboer, Christine M. Heim, Kerry J. Ressler, Theo Rein, and Elisabeth B. Binder Allele–specific FKBP5 DNA demethylation: a molecular mediator of gene–childhood trauma interactions Nature Neuroscience, 3. Dezember 2012

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Anmerkung: siehe hierzu auch den Artikel “Das Bauchhirn bei Menschen und Tieren“

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Pilzbehandlung lässt moderne Geige wie Stradivari klingen

Freitag, 7. September 2012

Bei einer guten Geige kommt es nicht nur auf die Fähigkeiten des Geigenbauers an, sondern auch auf die Qualität des verwendeten Holzes. Dem Holzforscher Prof. Francis W. M. R. Schwarze (Empa, Schweizerische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt1 St. Gallen, Schweiz) ist es gelungen, das Holz für eine Geige mit Hilfe von besonderen Pilzen so zu verändern, dass der Klang des Instruments einer Stradivari zum Verwechseln ähnlich ist.

In seiner Festrede beim 1. ECRC „Franz-Volhard“ Symposium am Max Delbrück Centrum (MDC) am 7. September 2012 in Berlin berichtete er über seine Forschungen und gab einen Ausblick, was seine Entwicklung gerade für junge Musiker bedeuten könnte.

Geringe Dichte, hohe Schallgeschwindigkeit und hohe Biegesteifigkeit – darauf kommt es bei dem idealen Klangholz für Geigen an. Der berühmte Geigenbauer Antonio Stradivari verwendete während des späten 17. und frühen 18. Jahrhunderts ein besonderes Holz, das während einer Kälteperiode zwischen 1645 und 1715 gewachsen war. Durch lange Winter und kühle Sommer wuchs das Holz damals besonders langsam und gleichmäßig, sodass es eine geringe Dichte und eine hohe Biegefestigkeit aufwies. Von derartigem Klangholz konnten moderne Geigenbauer bislang nur träumen.

Entwicklungen von Prof. Schwarze könnten schon bald ähnlich gutes Holz auch heute für den Geigenbau verfügbar machen. Er hat eine besondere Art von Pilzen (Physisporinus vitreus und Xylaria longipes) entdeckt, die die beiden für den Geigenbau wichtigen Holzsorten Fichte und Ahorn so zersetzen, dass ihre Klangqualitäten verbessert werden. „Normalerweise verringern Pilze die Dichte des Holzes, senken aber gleichzeitig die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen durch das Holz ausbreiten“, erklärte der Forscher. „Die Besonderheit an diesen Pilzen ist, dass sie die Zellwände nach und nach abbauen und dünner machen. Aber selbst im Spätstadium der Holzzersetzung bleibt ein steifes Gerüst erhalten, über das sich die Schallwellen nach wie vor auf direktem Wege ausbreiten können.“ Auch die Biegefestigkeit wird nicht beeinträchtigt, das Holz bleibt also genauso bruchfest wie vor der Pilzbehandlung – ein wichtiges Kriterium für den Geigenbau.

Bevor das Holz zur Geige weiterverarbeitet wird, wird es mit dem Gas Ethylenoxid behandelt. „Das überlebt kein Pilz“, sagte Prof. Schwarze. So kann garantiert werden, dass in der späteren Geige kein Pilz mehr zu finden ist.

Gemeinsam mit den Geigenbauern Martin Schleske und Michael Rhonheimer entwickelte Prof. Schwarze Geigen aus pilzbehandeltem Holz, die 2009 in einem Blindtest gegen eine echte Stradivari aus dem Jahr 1711 antraten. Gespielt wurden alle Geigen von dem britischen Violinisten Matthew Trusler. Das Ergebnis war für alle Beteiligten überraschend: Sowohl die Fachjury, als auch die Mehrheit des Publikums hielten eine Geige, deren Holz Schwarze neun Monate lang mit Pilzen behandelt hatte, für die echte Stradivari. „Natürlich ist ein solches Verfahren immer subjektiv. Für Wohlklang gibt es eben kein eindeutiges naturwissenschaftliches Messverfahren“, so Prof. Schwarze.

Aktuell arbeitet Prof. Schwarze in einem interdisziplinären Projekt daran, ein qualitätskontrolliertes Behandlungsprogramm für Geigenholz zu entwickeln, mit dem sich die Erfolge zuverlässig reproduzieren lassen. Bis 2014 sollen im Rahmen dieses Projekts, das von der Schweizer Walter Fischli-Stiftung gefördert wird, 30 weitere Geigen aus Pilzholz gebaut werden. Schwarze erklärte, welche Möglichkeiten dieses Projekt eröffnen kann: „Die erfolgreiche Umsetzung der biotechnologischen Methode der Klangholzbehandlung könnte es zukünftigen Nachwuchstalenten ermöglichen, eine Geige mit der Klangqualität einer teuren und für die meisten unbezahlbaren Stradivari zu spielen“.
Quelle: Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) Berlin-Buch

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Weltrekord: Quantenteleportation über 143 Kilometer

Mittwoch, 5. September 2012

Physiker der Gruppe von Prof. Anton Zeilinger des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und der Universität Wien haben einen neuen Entfernungsweltrekord für Quantenteleportation aufgestellt. Dem Team gelang es, den Quantenzustand eines Lichtteilchens über eine Distanz von 143 Kilometern von der kanarischen Insel La Palma nach Teneriffa zu übertragen. Theoretische Unterstützung bekam das Experiment von Dr. Johannes Kofler aus der Abteilung von Prof. Ignacio Cirac am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ). Die Resultate werden diese Woche im Fachjournal Nature publiziert.

Das sogenannte “Quanten-Internet” ist eine Zukunftsvision der Informationsverarbeitung. Es basiert nicht mehr auf klassischen Computernetzwerken, sondern auf den derzeitigen Entwicklungen der modernen Quanteninformation, bei der einzelne Quantenteilchen die Träger von Information sind. Quantennetzwerke versprechen absolut sichere Kommunikation und verbesserte Rechenleistung bei dezentralen Aufgaben gegenüber allen denkbaren klassischen Technologien. Aufgrund der Transmissionsverluste in konventionellen Glasfasern wird ein globales Quantennetzwerk voraussichtlich auf der Übertragung von Quantenzuständen durch den freien Raum basieren, beispielsweise zwischen Satelliten und von Satelliten zur Erde. Die nun realisierte Quantenteleportation über eine Distanz von 143 Kilometern überbot einen gerade erste wenige Monate alten chinesischen Rekord von 97 Kilometern und ist ein bedeutender Schritt auf dem Weg zu dieser Zukunftstechnologie.

Auf der Insel La Palma erzeugte das Physikerteam verschränkte Paare von Lichtteilchen  (Photonen 2 und 3). Quantenmechanische Verschränkung bedeutet dabei, dass keines der beiden Photonen für sich genommen eine definitive Polarisation hat, dass aber, wenn man die Polarisation bei einem der Photonen misst und ein zufälliges Resultat erhält, das andere Photon stets eine damit perfekt korrelierte Polarisation zeigen wird. Diese Art der quantenmechanischen Korrelation ist mithilfe der klassischen Physik nicht beschreibbar und wurde von Albert Einstein daher als “spukhafte Fernwirkung” bezeichnet. Photon 3 wurde sodann durch die Luft auf etwa 2400 Meter Meereshöhe 143 Kilometer weit über den Atlantik nach Teneriffa geschickt und dort mit einem Teleskop der europäischen Weltraumagentur eingefangen. Photon 2 verblieb indessen im Labor auf La Palma. Dort erzeugten die Experimentatoren weitere Lichtteilchen (Photon 1) in einem frei einstellbaren Polarisationszustand, den es zu teleportieren galt.

Dies geschah in mehreren Schritten: Zunächst wurde eine spezielle Art der gemeinsamen Messung, die sogenannte Bell-Messung (“BM”), an Photon 1 und 2 durchgeführt, bei der beide Photonen unwiderruflich zerstört werden. Bei dieser Messung wurden zwei mögliche Resultate unterschieden, und die entsprechende klassische Information wurde mit einem gewöhnlichen Laserpuls nach Teneriffa übermittelt. Dort wurde, je nachdem welches der beiden Resultate der Bell-Messung empfangen worden war, die Polarisation von Photon 3 entweder um 90 Grad rotiert oder völlig unverändert gelassen. Diese Transformation (“T”) schloss die Teleportation ab, und die Polarisation von Photon 3 auf Teneriffa war nun identisch mit der ursprünglichen Polarisation von Photon 1 auf La Palma.

Die Komplexität des Aufbaus und die umweltbedingten Einflüsse (Temperaturschwankungen, Sandstürme, Nebel, Regen, Schnee) waren für das Experiment eine große Herausforderung. Sie erforderten auch eine Kombination modernster quantenoptischer Technologien, was die Quelle der verschränkten Lichtteilchen, die Messgeräte und die zeitliche Synchronisation der beiden Laboratorien betrifft.

Das Experiment stellt damit einen Meilenstein dar, der die Reife und Anwendbarkeit dieser Technologien für zukünftige globale Quantennetzwerke demonstriert. Für den nächsten Schritt der satelliten-basierten Quantenteleportation hat eine internationale Kooperation der Österreichischen und Chinesischen Akademie der Wissenschaften zum Ziel, in absehbarer Zukunft einen gemeinsamen Satelliten in den Weltraum zu schießen.

Originalveröffentlichung: Xiao-song Ma, Thomas Herbst, Thomas Scheidl, Daqing Wang, Sebastian Kropatschek, William Naylor, Bernhard Wittmann, Alexandra Mech, Johannes Kofler, Elena Anisimova, Vadim Makarov, Thomas Jennewein, Rupert Ursin, Anton Zeilinger Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward Nature, 5. September 2012, Advance Online Publication, DOI:10.1038/nature11472

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

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