Archive for the ‘Naturwissenschaft’ Category

Invasion von Zellen durch pathogene Bakterien: Schlüssel zum Verständnis zur Herkunft der Eukaryote

Donnerstag, Februar 25th, 2016

Veröffentlichung in SCIENCE

Die Entstehung komplexer Zellen – sogenannter Eukaryoten – vor 2 Milliarden Jahren markierte einen entscheidenden Wendepunkt in der Geschichte der Lebewesen auf der Erde. Diese komplexen Zellen besaßen erstmals einen Zellkern, ein aufwändiges Membransystem und Energie-produzierende Organellen, sogenannte Mitochondrien, durch die die erfolgreiche Verbreitung der Algen, Pilze und schlussendlich auch des Menschen erst ermöglicht wurde. Wie aber kam es zu diesem Quantensprung in der Komplexität von Zellen?

Eine Gruppe aus amerikanischen, französischen und deutschen Wissenschaftler (um Prof. Dr. Andreas Weber) konnte nun einen Beitrag zur Beantwortung dieser Frage liefern. Die Arbeiten der beteiligten Forscher an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf wurden durch das Excellenzcluster für Pflanzenwissenschaften (CEPLAS), dem neu gegründeten Sonderforschungsbereich zu Membransystemen (SFB 1208) und dem ausgelaufenen Transregio Endosymbiose (SFB TR 1) unterstützt. Die Frage nach der Entstehung von komplexen Zellen wurde lange Zeit kontrovers diskutiert, konnte jedoch schließlich größtenteils geklärt werden. Nach derzeitigem Wissensstand wurde unsere Erde zunächst von morphologisch einfachen prokaryotischen Lebensformen ohne Zellkern und Mitochondrium besiedelt. Prokaryoten werden in zwei Domänen eingeteilt, die Bakterien und Archaeen. Sie unterscheiden sich u.a. durch ihre genetische Ausstattung und die Art der Membranen, welche ihre Zellen umgeben.

Heutzutage gehen die meisten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon aus, dass die Evolution von Eukaryoten aus prokaryotischen Vorfahren ein singuläres Ereignis war. Weitgehend Konsens herrscht weiterhin darüber, dass das Mitochondrium von einem alpha-Proteobakterium abstammt, das von einer Archaeen-Zelle aufgenommen wurde.

Zwei grundlegende Fragen bleiben aber: Wie konnte der Vorgänger des Mitochondriums von der Archaeen-Zelle aufgenommen werden und wie konnte er im gut geschützten Zytoplasma der Wirtszelle überleben?

Die Erkenntnisse einer schwedischen Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern lieferten kürzlich spannende Hinweise auf die Beantwortung dieser Fragen. Sie entdeckten eine neue Klasse der Archaeen, die mehr als 3000 Meter unter dem Meeresspiegel am Grunde des Nordpolarmeers entspringt und in der Nähe von heißen Quellen lebt. Diese sogenannten „Lokiarchaeota“ enthalten überraschenderweise Gene, die für den Prozess der Endozytose, also für die Aufnahme von Makromolekülen und vielleicht sogar ganzer Zellen aus der Umgebung benötigt werden. Diese Entdeckung liefert einen neuartigen Erklärungsansatz für ein langjähriges Rätsel: Wie konnte der Urahne der Mitochondrien Zugang zu der proto-eukaryotischen Zelle erhalten?

Wie nun die Gruppe aus amerikanischen, französischen und deutschen Wissenschaftlern in einer Perspektive im Magazin Science vorgeschlägt, könnte der mitochondriale Vorgänger in seinen zukünftigen Wirt einfach über einen Prozess ähnlich dem der Phagozytose unserer heutigen Eukaryoten (d.h. eine Zelle nimmt eine andere Zelle auf) eingedrungen sein. Wie aber konnte der Vorgänger im Inneren des Wirts überleben?

Weitere Hinweise hierzu kommen von Erkenntnissen aus alpha-Proteobakterien mit großen Genomen die außerhalb von Zellen leben, sich aber auch wie „Energieparastiten“ in Zellen verhalten können – ähnlich wie Rickettsia, der Verursacher von Typhus. Intrazelluläre bakterielle Pathogene wie die Vorfahren von Rickettsia und Clamydia, die auch heute noch den Menschen parasitieren, waren Neulinge in der Evolution der Lebewesen auf unserer Erde, da sie auf die Anwesenheit einer Phagozytose-Maschinerie angewiesen waren um in ihre Zielzelle einzudringen.
Weiterhin mussten sie sich gegen das angeborene Immunsystem der Wirtszellen verteidigen. Die intrazellulären bakteriellen Pathogene entwickelten molekulare Werkzeuge, so genannte Effektoren, um den Angriff durch die Abwehrmechanismen des Wirtes nach der Invasion zu verhindern.

Aus diesem Grund scheint es wahrscheinlich, dass an der Entstehung der Eukaryoten proto-Eukaryoten ähnlich den „Lokiarchaeota“ beteiligt waren, die über Phagozytose alpha-Proteobakterien aufgenommen haben, die das Abwehrsysteme des Wirts umgehen konnten. Über die Jahre hat sich der Wirt den Eindringling zu Nutze gemacht der schließlich zum Mitochondrium wurde.

Ein ähnliches, aber komplexeres Szenario wird von Ball et al. (2016) für die endosymbiontische Entstehung des Chloroplasten in Algen und Pflanzen vorgeschlagen, die sich etwa 1 Milliarde Jahre später vollzog.

In diesem Fall handelt es sich um eine komplexe Symbiose, bei der ein intrazelluläres pathogenes Bakterium aus der Ordnung der Chlamydiales und ein photosynthetisches Cyanobakterium gemeinsam in eine eukaryotische Wirtszelle eingedrungen sind. Das pathogene Bakterium ging schließlich verloren, nachdem es einige Schlüsselgene an den Wirt abgegeben hat, z.B. diejenigen für den photosynthestischen Kohlenstoff-Export und die Stärke-Gewinnung. Das Cyanobakterium wurde schließlich zu dem bemerkenswerten Zellorganell, welches nun den Eukaryoten ermöglicht, Sonnenlicht in Nahrung und Energie umzuwandeln.

Diese aktuellen Erkenntnisse legen nahe, dass es einen gemeinsamen Mechanismus gibt, durch den die Herkunft der eukaryotischen Organellen – der Mitochondrien und Chloroplasten – erklärt werden kann. Intrazelluläre pathogene Bakterien waren in beiden Fällen für die Entstehung der Organellen grundlegend. Im Falle des Mitochondriums war die Spenderzelle selbst ein Pathogen mit der Fähigkeit der Abwehr des Wirts zu entgehen. Im Fall der Chloroplasten ermöglichte das Pathogen das Eindringen des Cyanobakteriums und schützte es zunächst vor dem Immunsystem des Wirts, bis die Voraussetzungen zur Etablierung von Chloroplasten gegeben waren.

Publikation:  Steven G. Ball, Debashish Bhattacharya, and Andreas P. M. Weber. In the press. Pathogen to powerhouse: how did the precursors to the mitochondrion and the nucleus evade host defense? Science. [publication date Feb. 12, 2016]

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

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Das Anthropozän: unbequeme Fakten für ein menschengesteuertes Erdsystem – Studie in „Science“

Freitag, Januar 8th, 2016

Die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf der Erde markieren nach Auffassung einer internationalen Gruppe von Geowissenschaftlern und Vertretern anderer Disziplinen eine neue geologische Epoche: das Anthropozän. Die Forscher, darunter Prof. Dr. Reinhold Leinfelder von der Freien Universität Berlin, stufen als Beginn dieser Epoche die Mitte des 20. Jahrhunderts ein. Das Anthropozän sei charakterisiert durch die Verbreitung von Materialien wie elementarem Aluminium, Beton, Plastik, Flugasche und dem sogenannten Fallout von Kernwaffentests über den gesamten Planeten.

Dies werde begleitet von erhöhten Treibhausgas-Emissionen und in der Erdgeschichte beispiellosen transglobalen Arteninvasionen. Die Studie wurde im renommierten Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.

In der Arbeit zeigen 24 Mitglieder der internationalen Anthropozän-Arbeitsgruppe, dass die Menschen das Erdsystem in einem dermaßen starken Ausmaß verändert haben, dass inzwischen eine Reihe von Signalen in Sedimenten und Eis zu beobachten sind. Diese Signale seien hinreichend unterschiedlich zur deutlich stabileren Holozän-Epoche der letzten 11.700 Jahre, welche die Entwicklung der menschlichen Zivilisation überhaupt erst erlaubte, um die Etablierung einer Anthropozän-Epoche in der erdgeschichtlichen Zeitskala zu rechtfertigen, heißt es in der Studie. Im Jahr 2016 wird die Anthropozän-Arbeitsgruppe weitere Erkenntnisse über das Anthropozän zusammentragen, die Empfehlungen darüber unterstützen sollen, ob diese neue Zeiteinheit formalisiert werden sollte, und – falls ja – wie sie auch formal definiert und charakterisiert werden könnte.

Hauptautor der Studie ist Colin Waters (Sekretär der Arbeitsgruppe, British Geological Survey). An der Studie beteiligt sind Jan Zalasiewicz (Leiter der Arbeitsgruppe, Leicester University) sowie eine Vielzahl weiterer Autoren, darunter Prof. Dr. Reinhold Leinfelder. Leinfelder ist Leiter der Arbeitsgruppe Geobiologie und Anthropozänforschung am Institut für Geologische Wissenschaften der Freien Universität. Ferner steht er dem Forschungsprojekt „Die Anthropozän-Küche“ am Exzellenzcluster Bild-Wissen-Gestaltung der Berliner Universitäten vor und ist Gründungsdirektor des im Bau befindlichen Berliner Hauses der Zukunft.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen, ob menschliche Aktivitäten die Erde in eine neue geologische Epoche – das Anthropozän – getrieben haben. Ihre Forschungsfragen lauten: In welchem Umfang werden menschliche Aktivitäten als messbare Signale in geologischen Schichten aufgezeichnet, und wie deutlich unterscheidet sich das Anthropozän weltweit von der deutlich stabileren Holozän-Epoche der letzten 11.700 Jahre, welche die Entwicklung der menschlichen Zivilisation überhaupt erst erlaubte.

Das Holozän war eine Zeit, während der sich menschliche Gesellschaften durch die schrittweise Domestizierung von Landschaften zur Nahrungsmittelproduktion, durch den Bau von Städten und durch die Entwicklung von Fertigkeiten zur Gewinnung von Wasser-, Mineral- und Energieressourcen des Planeten weiterentwickelten. Die von den Forschern nun vorgeschlagene Anthropozän-Epoche ist dahingegen als eine Zeit besonders rascher Umweltveränderungen charakterisiert; diese seien verursacht insbesondere durch den extrem raschen Anstieg der menschlichen Bevölkerung und den stark erhöhten Ressourcenverbrauch während der „Großen Beschleunigung“ von Mitte des 20. Jahrhunderts an.

Hauptautor Colin Waters vom Britischen Geologischen Dienst sagte: „Menschen beeinflussen die Umwelt schon lange, aber erst seit Kurzem gibt es diese schnelle, globale Verbreitung von neuen Materialien, darunter Aluminium, Beton und Kunststoffe, welche ihre Spuren in Sedimenten hinterlassen. Die Nutzung fossiler Brennstoffe hat Flugascheteilchen weltweit verbreitet, was mit der zeitlichen Verteilung des Maximums der durch atmosphärische Atomwaffentests erzeugten Radionuklide zusammenfällt.“ All dies zeige, dass das Anthropozän-Konzept auf realen Fakten basiert, unterstrich Jan Zalasiewicz von der University of Leicester, Ko-Autor und Vorsitzender der Arbeitsgruppe.

Reinhold Leinfelder, ebenfalls Ko-Autor betonte: „Wir produzieren jährlich fast so viel Plastik, wie es der Biomasse aller auf der Erde lebenden Menschen entspricht. Plastik findet sich bereits in allen Ablagerungsräumen der Erde, vom Gebirgstümpel bis zur Tiefsee und wird so als Technofossil zu einem der wichtigsten Leitfossilen des Anthropozäns werden.“ Neben rein vom Menschen geschaffenen, anthropogenen Sedimentschichten – also etwa Ablagerungen in Stauseen, Müll-Deponien oder Schuttbergen wie dem Berliner Teufelsberg – sei die Signatur des Menschen damit in allen Sedimentschichten nachweisbar, führte Reinhold Leinfelder aus. Deshalb sei eine formale Etablierung des Anthropozäns als Zeiteinhalt der Erdgeschichte geradezu erforderlich. „Das Anthropozän wäre also eine neue geologische Epoche, die als Konsequenz aller Aktivitäten einer technologisierten menschlichen Gesellschaft zu sehen ist und damit in ihrer Bedeutung weit über das Fach Geologie hinausgeht“, konstatierte der Geowissenschaftler Leinfelder

Studie:  Colin Waters et al. (2016) The Anthropocene is functionally and stratigraphically distinct from the Holocene. Science.

Quelle: Freie Universität Berlin

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Biofilme – Das Tauziehen der Bakterien

Dienstag, November 3rd, 2015

Mechanische Kräfte kontrollieren die Architektur von bakteriellen Biofilmen.

Biofilme lösen als bakterielle Rückzugsgebiete Probleme bei der Antibiotikabehandlung sowie bei der Reinigung von medizinischen Schläuchen aus und tragen zur Verbreitung von resistenten Krankheitserregern bei.

Ein Biofilm entsteht, wenn sich Bakterien an Oberflächen anheften und dort vermehren. Er kann – auch wenn ursprünglich aus einem einzelnen Bakterium entstanden – Zellen mit verschiedenen Eigenschaften entwickeln. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie diese Heterogenität zur Strukturbildung solcher Biofilme beiträgt.

Kölner Biophysiker/innen der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Berenike Maier konnten nun zeigen, wie Unterschiede in der physikalischen Interaktion zwischen Bakterien zu einer Sortierung der Zellen führen und damit die Architektur von Biofilmen bestimmen. In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift eLife zeigte ein Team um den Biophysiker Enno Oldewurtel, wie spezifische mechanische Kräfte den Schlüssel zur Struktur in Biofilmen bilden.

Bakterien mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen organisierten sich dabei wie beim Tauziehen: Die Zellen bewegten sich in die Richtung, in der sie die stärkste Kraft zu anderen Bakterien aufbauen konnten.
Das Bakterium Neisseria gonorrhoeae kontrolliert die Wechselwirkung zwischen den Zellen durch sogenannte Pili. Diese stäbchenartigen Strukturen wirken wie Enterhaken zwischen den Zellen: Pili verschiedener Zellen verhaken sich und verkürzen sich anschließend. Hierdurch wirken zwischen den Bakterien mechanische Kräfte. Mittels gezielter genetischer Modifikationen gelang es dem Forschungsteam, den Grad der Verhakung und damit die Wechselwirkungskräfte zwischen den Zellen zu steuern. Diese Kräfte wurden mit Methoden der Nanotechnologie gemessen. Mischt man nun Bakterien, die unterschiedlich stark miteinander wechselwirken, so sortieren sich die Zellen nach den mechanischen Kräften, die sie aufeinander ausüben.

Die unterschiedliche mechanische Interaktion kann also die Architektur von Biofilmen bestimmen. Ähnliche Mechanismen sind bereits für die Trennung von Zellen in der embryonalen Entwicklung bekannt. Die Arbeit deckt damit eine grundlegende Gemeinsamkeit der Entwicklungsprozesse von Biofilmen und Embryonen auf: Differentielle physikalische Wechselwirkungen zwischen den Zellen sind für die Sortierung wichtig. Für die Zukunft lautet nun die Frage, inwieweit diese Zellsortierung die Widerstandsfähigkeit des Biofilms gegenüber äußeren Einflüssen stärkt.

Originalveröffentlichung:
Enno R. Oldewurtel, Nadzeya Kouzel, Lena Dewenter, Katja Henseler, Berenike Maier (2015). Differential interaction forces govern bacterial sorting in early biofilms. eLife, DOI 10.7554/eLife.10811

Quelle: Universität zu Köln (siehe hierzu auch den Beitrag „Bakterielle Biofilme im lebenden Organismus„)

Antibiotikaresistenz: Ökosystem dient als Speicher

Dienstag, Juli 21st, 2015

Untersuchungen am Lago Maggiore liefern wissenschaftlichen Nachweis.

Verbania (pte012) – Krankheitserregende Bakterienstämme können je nach den Bedingungen ihres natürlichen Habitats eine mehr oder weniger starke Antibiotikaresistenz entwickeln. Das hat das zum Nationalen Forschungsrat CNR gehörende Istituto per lo Studio degli Ecosistemi http://www.ise.cnr.it in seiner neuesten Studie zur Resistenz gegen Antibiotika herausgefunden.

Gefahr von Pandemien

Der massive und unkontrollierte Einsatz von Antibiotika hat in vergangener Zeit zu einem deutlichen Anstieg der durch resistente Bakterien ausgelösten Todesfälle geführt. Dadurch entstehen den nationalen Gesundheitsdiensten jedes Jahr hohe Kosten. Es besteht die Gefahr, dass sich in Europa nicht mehr bekämpfbare Pandemien ausbreiten.

„Die genaue Kenntnis unserer natürlichen Umgebung ist sehr wichtig, da die gegen Antibiotka resistenten Bakterien sich nicht nur in ihr entwickeln, sondern auf Dauer einer Selektion unterliegen und somit eine erhöhte Widerstandsfähigkeit bilden“, so Projektleiter Andrea Di Cesare. Sie biete den richtigen Weg, um die Wirksamkeit neuer Antibiotika und den sinnvollen Gebrauch bestehender Antibiotika sicherzustellen.

Bisherige Waffen nutzlos

Das natürliche Habitat der patogenen Keime kann zur Verminderung der Wirksamkeit einer Antibiotika-Behandlung beitragen. Im Rahmen einer zweijährigen Untersuchung in den Wassern des Lago Maggiore wurden verschiedene Bakterienarten in Korrelation mit ökologischen und mikrobiologischen Variablen gestellt. Dabei hat sich gezeigt, dass sich dort ein großer Bestand an Bakterienstämmen gebildet hat, die gegen bisher weit verwendete Antibiotika wie Tetrazykline und Solfonamide resistent sind.

Dies gilt laut den Forschern auch für Beta-Laktame und Aminoglykoside, die keinen direkten Zusammenhang mit bestimmten Umweltfaktoren aufweisen. Einzelheiten der wissenschaftlichen Untersuchung sind in der Fachzeitschrift „Molecular Ecology“ http://onlinelibrary.wiley.com unter dem Titel „Constitutive Presence of Antibiotic Resistance Genes within the Bacteria Community of a large Subalpine Lake“ veröffentlicht.

Quelle: pressetext.com

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Dunkle Materie im Zentrum unserer Milchstraße

Montag, Februar 9th, 2015

Eine mysteriöse Form von Materie durchzieht unser Universum. Sie ist etwa fünf Mal häufiger als die sichtbare Materie, jedoch von nach wie vor von unbekannter, „dunkler“ Natur. Dass sie existieren muss, belegten Forschungsarbeiten bereits in den 1970er Jahren. Erstmals ist es nun einem internationalen Wissenschaftlerteam gelungen, die Existenz Dunkler Materie auch im Inneren unserer Galaxie nachzuweisen.

Die allgegenwärtige Präsenz der Dunklen Materie im Universum ist heute ein zentraler Grundsatz der modernen Kosmologie und Astrophysik. In verschiedenen Galaxien wurde ihre Existenz seit den 1970er Jahren mit einer Reihe von Methoden belegt. Eine dieser Methoden ist die Messung der Drehgeschwindigkeit von Gas und Sternen. Wissenschaftler können so eine Galaxie „wiegen“ und ihre Gesamtmasse bestimmen. Dabei zeigt sich, dass die gewöhnliche Materie nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts ausmacht, den überwiegenden Teil trägt die Dunkle Materie bei.

Auch in den äußeren Bereichen unserer eigenen Galaxie, die wir bei klarem Nachthimmel als „Milchstraße“ sehen können, wurden die Astronomen mit diese Methodik fündig. Doch im inneren Bereich unserer Galaxie war es bisher unmöglich, die Anwesenheit Dunkler Materie sicher zu belegen.

Der Durchmesser unserer Galaxie beträgt etwa 100.000 Lichtjahre. Unser Sonnensystem ist etwa 26.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Je näher man der Mitte kommt, desto schwieriger wird es, die Rotation des Gases und der Sterne mit der benötigten Genauigkeit zu messen.

Auf Basis der Messung von Sternenbewegungen haben nun Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM), der Universität Stockholm, der Freien Universität Madrid, des Internationalen Zentrums für Theoretische Physik des Südamerikanischen Instituts für Grundlagenforschung (ICTP-SAIFR) in São Paulo und der Universität Amsterdam erstmalig einen Beweis für die Anwesenheit Dunkler Materie im Inneren der Milchstraße vorgelegt. Dunkle Materie existiert danach auch im Bereich unseres Sonnensystems und in unserer direkten „kosmischen Nachbarschaft“.

In einem ersten Schritt erstellten die Forscher die umfassendste Sammlung veröffentlichter Messungen der Bewegung von Gas und Sternen in der Milchstraße. Dann berechneten sie auf Basis aktuellster Forschungsergebnisse die Rotationsgeschwindigkeit, die die Milchstraße haben müsste, wenn sie nur aus sichtbarer Materie bestünde. Der Vergleich der gemessenen und der berechneten Geschwindigkeit zeigte eindeutig, dass hier die Dunkle Materie einen entscheidenden Beitrag leistet.

„Wir konnten mit unserer Arbeit belegen, dass sich das Gas und die Sterne in unserer Galaxie ohne den Beitrag der Dunklen Materie nicht mit den beobachteten Geschwindigkeiten drehen könnten“, sagt Dr. Miguel Pato, der die Analyse an der TU München durchführte. „Allerdings wissen wir immer noch nicht, aus was die Dunkle Materie besteht. Dies ist eine der wichtigsten Wissenschaftsfragen unserer Zeit“.

Auch für geringe Entfernung vom Zentrum der Milchstraße besitzen die Daten der Forschungsarbeit eine hohe Evidenz. Sie erschließen damit neue Wege zur Bestimmung der Verteilung Dunkler Materie in unserer Galaxie. Zukünftige astronomische Beobachtungen könnten damit die Verteilung der Dunklen Materie in unserer Galaxie mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen.

„Damit können wir das Verständnis der Struktur und der Entwicklung unserer Galaxie wesentlich verbessern. Und es wird präzisere Vorhersagen für die vielen Experimente ermöglichen, die weltweit nach Teilchen der Dunklen Materie suchen“, sagt Miguel Pato, der inzwischen zum Oskar Klein-Zentrum für Astroteilchen-Physik an der Universität Stockholm gewechselt ist.

Publikation:
Fabio Iocco, Miguel Pato, Gianfranco Bertone: Evidence for dark matter in the inner Milky Way,  Nature Physics, advanced online publication, 9 February 2015,  DOI: 10.1038/nphys3237 – Link: http://nature.com/articles/doi:10.1038/nphys3237

Quelle: Technische Universität München

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Wie unser Bewusstsein das Unbewusste kontrolliert

Donnerstag, Februar 5th, 2015

Sind wir Sklaven unseres Unbewussten und können nichts dagegen tun? Hirnforscher sagen: Nein! Unser Bewusstsein kontrolliert unbewusste Prozesse im Gehirn. Der Wille und die automatische Verarbeitung arbeiten Hand in Hand, nicht gegeneinander. Das hat eine Forschergruppe an der Universität Ulm um den Psychologen Professor Markus Kiefer herausgefunden.

Unbewusste Prozesse, die im Widerspruch zu unseren Absichten stehen, werden weitgehend von unserem Bewusstsein blockiert. „Unser Wille ist freier als gedacht“, sagt Markus Kiefer, Sprecher eines deutschlandweiten Projektnetzwerkes zur Bewusstseinsforschung. Seine Forschungsgruppe konnte mit Messungen der Hirnaktivität im Magnetresonanztomographen (MRT) zeigen, dass bewusste Vorsätze die Arbeit unserer automatischen Systeme im Gehirn steuern. Die Forscher wiesen erstmals nach, dass solche Vorsätze für eine gewisse Zeit Netzwerke von Bereichen im Gehirn etablieren, die den unbewussten Informationsfluss im Gehirn steuern. Diese Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift Human Brain Mapping veröffentlicht.

Seit den Arbeiten des Begründers der Psychoanalyse Sigmund Freund wurde unhinterfragt angenommen, dass unser Unbewusstes autonom und nicht vom Bewusstsein kontrollierbar ist. „Die Vorstellung des chaotischen und unkontrollierbaren Unbewussten prägt bis heute auch die akademische Psychologie und Kognitionsforschung. Dieses Dogma wurde in der Vergangenheit kaum kritisch hinterfragt“, so Professor Markus Kiefer. „Unsere Befunde widerlegen diese Lehrmeinung. Sie zeigen eindeutig, dass unser Bewusstsein zu den Absichten passende unbewusste Vorgänge in unserem Gehirn verstärkt, nicht passende dagegen abschwächt.“ Dadurch werde gewährleistet, dass unser bewusstes „Ich“ Herr im Haus bleibt und nicht durch eine Vielzahl unbewusster Tendenzen beeinflusst wird. „Wir sind also keinesfalls Sklaven unseres Unbewussten, wie lange Zeit angenommen“, meint Kiefer.

Diese Kontrolle des Unbewussten durch das Bewusstsein zeige sich, so Kiefer, auch im Alltag: “Wenn ich in den Supermarkt gehe, um Spülmittel zu kaufen, bin ich wenig empfänglich für die Schokolade im Süßwarenregal. Die Situation ist ganz anders, wenn ich gerade hungrig und dabei bin, Nahrungsmittel einzukaufen. Ähnliches gilt auch beim Autofahren: Wenn ich einen Fußgänger auf der Fahrbahn erwarte, kann ich ihn mit höhere Wahrscheinlichkeit auch dann rechtzeitig erkennen und abbremsen, wenn er am Rande meines Gesichtsfeldes auftaucht und damit nicht bewusst wahrnehmbar ist.“ Die bewussten Absichten und Einstellungen entscheiden somit darüber, ob ein unbewusster Prozess in unserem Gehirn überhaupt ablaufen kann.

Für die Studie haben die Forscher der Ulmer Universitätsklinik für Psychiatrie die Gehirnaktivität von Probanden beim Lesen von sichtbaren Worten im Magnetresonanztomographen gemessen. Zuvor wurden andere Worte, so genannte Bahnungsreize, für eine ganz kurze Zeit eingeblendet, so dass sie nicht bewusst wahrnehmbar waren. Bedeutungsmäßig verwandte unbewusste Bahnungsreize beschleunigten die Erkennenszeiten der nachfolgend gezeigten kritischen Wörter (z.B. Tisch-Stuhl, Henne-Ei) nur dann, wenn die Probanden zuvor die Absicht hatten, die Bedeutung von Wörtern zu verstehen. Hatten die Probanden dagegen die Absicht, auf die Form von Buchstaben zu achten und die Wortbedeutung zu ignorieren, hatten die unbewussten Bahnungsreize keinen Einfluss auf die Erkennenszeiten der sichtbaren Worte.

Diese Blockade unbewusster Prozesse durch die bewussten Absichten der Probanden konnte auch anhand der Messung der Hirnaktivität nachgewiesen werden. Wie bei den Erkennenszeiten auch, wurde die Gehirnaktivität beim Lesen der sichtbaren Worte nur dann durch die unbewussten Bahnungsworte verändert, wenn die Probanden zuvor, auf die Bedeutung von Bildern beachteten. Beachteten die Probanden zuvor die Form von Bildern, hatten die unbewusst wahrgenommenen Worte keinen Einfluss auf die Gehirnaktivität beim Lesen. Es zeigte sich, dass die bewussten Absichten der Probanden, auf Bedeutung oder Form zu achten, für eine gewisse Zeit unterschiedliche Netzwerke von Hirnarealen etablierten, welche die Verarbeitung der unbewusst wahrgenommenen Reize beeinflussten.

Mit 1,9 Millionen Euro förderte die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ein deutschlandweites Projektnetzwerk zur Bewusstseinsforschung, in das das Ulmer Projekt eingebettet ist. Kiefer ist Sprecher dieses Netzwerkes: „Mühelos koordiniert das Gehirn im Alltag bewusste und unbewusste Prozesse, etwa bei der Wahrnehmung. Aber was dabei im Kopf passiert, ist sehr kompliziert und nach wie vor zum Teil unverstanden. Philosophen streiten seit Jahrtausenden über die Natur des Bewusstseins und sein Verhältnis zu den unbewussten Vorgängen. Wir können nun mit modernsten Methoden bewusste und unbewusste Prozesse im Gehirn sichtbar machen und so zur Lösung dieser alten Frage beitragen“. Im Gegensatz zur früheren Lehrmeinung werde durch diese Forschung deutlich, dass sich bewusste und unbewusste Vorgänge im Gehirn wechselseitig beeinflussen.

Literatur: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24954512

Quelle: Universität Ulm

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Stillende Mütter haben ein vermindertes Risiko für Typ-2-Diabetes

Montag, Mai 5th, 2014

Potsdam-Rehbrücke – Wie Daten der Potsdamer EPIC*-Studie zeigen, haben Frauen, die gestillt haben, im Vergleich zu Frauen, die nicht gestillt haben, ein um ca. 40 Prozent verringertes Risiko, an einem Typ-2-Diabetes zu erkranken. In der Studie durchgeführte Biomarker-Analysen weisen zudem darauf hin, dass eine lange Stillzeit mit einem langfristig verbesserten Stoffwechselprofil der Mutter einhergeht. Die Wissenschaftler um Susanne Jäger und Matthias Schulze vom Deutschen Institut für Ernährungsforschung (DIfE) publizierten ihre Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Diabetologia (S. Jäger et al. 2014; DOI 10.1007/s00125-014-3247-3).

An der Studie waren neben Wissenschaftlern des DIfE und des Instituts für Diabetesforschung und Metabolische Erkrankungen des Helmholtz Zentrums München an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen − beide Verbundpartner im Deutschen Zentrum für Diabetesforschung e. V. (DZD) − auch Forscher des Robert Koch-Instituts und der Charité in Berlin beteiligt.

In der vorliegenden Untersuchung werteten die Forscher die Daten von 1.262 Müttern aus, die sie im Rahmen der Potsdamer Langzeit-Beobachtungsstudie zwischen 1994 und 2005 erhoben hatten. Die Daten zur Stilldauer und zum Lebensstil erfassten die Epidemiologen mit Hilfe von Fragebögen. Zudem entnahmen sie zu Studienbeginn Blutproben und ermittelten die Körpermaße der Studienteilnehmerinnen durch direkte Messungen. Die Blutproben untersuchten sie hinsichtlich verschiedener Biomarker, die Rückschlüsse auf den Fett-, den Leber- und den Zuckerstoffwechsel sowie Entzündungsprozesse im Körper geben. Ziel war es, hierdurch Informationen über Stoffwechsel-Mechanismen zu erhalten, die dem beobachteten Zusammenhang zwischen Stillen und Typ-2-Diabetes zugrunde liegen.

Wie die Forscher beobachteten, ist Stillen mit einem verminderten Risiko der Mutter für Typ-2-Diabetes verbunden und dies unabhängig vom sozialen Status und dem Lebensstil. Der zu Beginn der Studie ermittelte Body-Mass-Index** der Frauen, im Durchschnitt 20 Jahre nach der Geburt des letzten Kindes erhoben, konnte die beobachtete Risikobeziehung nach den vorliegenden Studiendaten nur zum Teil erklären. Die Biomarker-Analysen deuten darauf hin, dass längere Stillzeiten neben einem günstigen Einfluss auf das Körpergewicht auch mit einem verbesserten Stoffwechselprofil verbunden sind. So hatten Frauen, die lange gestillt haben, im Schnitt niedrigere Blutfettwerte und höhere Adiponectin-Spiegel. Adiponectin ist ein vom Fettgewebe freigesetztes Hormon, das sich günstig auf den Fett- und Zuckerstoffwechsel auswirkt, indem es beispielsweise die Insulinempfindlichkeit der Körperzellen verbessert.

„Dieses spräche dafür, dass Stillen sowohl das Körpergewicht als auch die Stoffwechsellage des Körpers verbessert, die wiederum das Risiko der stillenden Mütter für Typ-2-Diabetes verringert. Befunde anderer Untersuchungen stützen unsere Studienergebnisse“, sagt Matthias Schulze, der die Untersuchung leitete. „Stillen ist also nicht nur gut für die Kinder, auch die Mütter profitieren davon“, ergänzt Susanne Jäger, Erstautorin der Studie.

Literatur: Susanne Jäger, Simone Jacobs, Janine Kröger, Andreas Fritsche, Anja Schienkiewitz, Diana Rubin, Heiner Boeing and Matthias B. Schulze: Breast-feeding and maternal risk of type 2 diabetes: a prospective study and meta-analysis. Diabetologia 2014; DOI 10.1007/s00125-014-3247-3

Hintergrundinformationen:

* EPIC: European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition. Die EPIC-Studie ist eine prospektive Studie, die Zusammenhänge zwischen Ernährung, Krebs und anderen chronischen Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes untersucht. An der EPIC-Studie sind 23 administrative Zentren in zehn europäischen Ländern mit insgesamt 519.000 Studienteilnehmern im Erwachsenenalter beteiligt. Die Potsdamer EPIC-Studie ist mit mehr als 27.000 Teilnehmern ein Teil der EPIC-Studie.

** Der Body-Mass-Index (BMI) ist ein Wert, um das Körpergewicht eines Menschen in Relation zu seiner Körpergröße zu bewerten. Die Formel für den BMI lautet: BMI = Körpergewicht in kg/(Körperlänge in m)2

Quelle: Deutsches Institut für Ernährungsforschung, Potsdam-Rehbrücke (DIfE)

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Ernährung der Mutter vor der Geburt beeinflusst DNA des Kindes

Freitag, Mai 2nd, 2014

Epigenetische Auswirkungen erstmals beim Menschen nachgewiesen.

London/Houston (pte001) – Die Ernährung einer Mutter rund um den Zeitpunkt der Empfängnis kann die DNA ihres Kindes auf Dauer beeinflussen, wie die London School of Hygiene & Tropical Medicine in Kooperation mit dem Baylor College of Medicine http://bcm.edu ermittelt hat. Experimente hatten nachgewiesen, dass die Ernährung während der Schwangerschaft Gene aktivieren oder deaktivieren kann. Die Ergebnisse sind die ersten Beweise dafür, dass der Vorgang auch beim Menschen stattfindet.

Frauen zur Regen- und Trockenzeit begleitet

Die Forscher begleiteten Frauen in ländlichen Gebieten in Gambia. Dort ist das Klima in den verschiedenen Jahreszeiten sehr unterschiedlich. Die Folge sind große Unterschiede in der Ernährung zwischen trockenen und regenreichen Perioden. Das Team begleitete 84 Frauen, die auf dem Höhepunkt der Regenzeit schwanger wurden. Auch analysiert wurde ungefähr die gleiche Anzahl von Frauen, die auf dem Höhepunkt der Trockenperiode schwanger wurden. Das Team ermittelte die Nährstoffgehalte im Blut der Mütter und untersuchte die DNA der Kinder im Zeitraum von zwei bis acht Monaten nach der Geburt.

Laut dem leitenden Wissenschaftler Branwen Hennig von der London School of Hygiene & Tropical Medicine http://www.lshtm.ac.uk ist diese Studie der erste Nachweis beim Menschen, dass die Ernährung der Mutter zum Zeitpunkt der Empfängnis die Gene des Kindes dauerhaft verändern kann. Hennig zufolge spielt die Ernährung vor der Empfängnis und am Anfang der Schwangerschaft eine wichtige Rolle und kann Auswirkungen auf die Gesundheit der nächsten Generationen haben. „Frauen sollten sich daher vor der Empfängnis und während der Schwangerschaft ausgewogen ernähren.“

Ernährungsbedingte Veränderungen der DNA

Experimente mit Mäusen haben gezeigt, dass die Ernährung während der Trächtigkeit lebenslange Folgen auf die Nachkommen haben kann. Zum Beispiel wird die Farbe einer Maus durch die Ernährung des Muttertieres beeinflusst. Bei diesen epigenetischen Auswirkungen handelt es sich um Veränderungen der DNA, die Gene aktivieren und wieder deaktivieren.

Eine derartige Veränderung steht mit dem Anhängen von Bereichen der DNA an Methylgruppen in Zusammenhang. Kinder, die in der Regenzeit gezeugt wurden, verfügten konsistent über höhere Werte der Methylgruppen bei allen sechs untersuchten Genen. Sie hingen mit verschiedenen Nährstoffgehalten im Blut der Mutter zusammen.

Robert Waterland vom Baylor College of Medicine zufolge ist damit nachgewiesen, dass die Ernährung der Mutter epigenetische Auswirkungen haben kann. „Sie kann permanente Spuren im Genom des Kindes und allen Zellen des Körpers hinterlassen.“ Laut Mitautor Andrew Prentice von der London School of Hygiene & Tropical Medicine ist es das Ziel der Wisssenschaftler, eine optimale Ernährung für zukünftige Mütter zu definieren, die Defekte im Methylierungsprozess verhindern kann.

Quelle: pressetext.com

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Lebensweise bestimmt Darmflora

Mittwoch, April 16th, 2014

Ein internationales Forscherteam analysiert erstmals Darmbakterien heute lebender Jäger und Sammler.

Die Darmflora beeinflusst zahlreiche Aspekte der Gesundheit und Nährstoffaufnahme beim Menschen, doch bisher konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf „westliche“ Bevölkerungsgruppen. Ein internationales Forscherteam, dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig angehören, hat nun erstmals die Darmflora einer modernen Jäger- und Sammlergesellschaft, der in Tansania lebenden Hadza, untersucht.

Dabei fanden die Forscher heraus, dass sich das Mikrobenprofil der Hadza von denen aller anderen bisher untersuchten Menschengruppen unterscheidet. Die Bakterien im Verdauungstrakt der Hadza spielen also möglicherweise eine entscheidende Rolle bei der Anpassung an ihre spezielle Ernährungs- und Lebensweise. Die Studie zeigt auch, wie die Darmflora bereits unseren Vorfahren dabei geholfen haben könnte, sich an die Lebensbedingungen während der Steinzeit anzupassen und zu überleben.

Bakterienpopulationen entwickelten sich gemeinsam mit dem Menschen über mehrere Millionen Jahre hinweg und halfen ihm dabei, sich an neue Umweltbedingungen und Nahrungsmittel anzupassen. Aus Studien zu den in Tansania lebenden Hadza können Wissenschaftler lernen, wie Menschen als Jäger und Sammler im selben Lebensraum und mit ähnlichen Nahrungsmitteln wie unsere Vorfahren in der Steinzeit überleben.

Unter der Leitung von Stephanie Schnorr und Amanda Henry vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig verglich ein interdisziplinäres Forscherteam Mikroorganismen aus dem Verdauungstrakt der Hadza mit denen von Italienern, die in einem städtischen Umfeld leben und die „westliche Bevölkerung“ repräsentieren. Das Ergebnis, welches kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigt dass die Hadza im Vergleich zu den Italienern eine vielfältigere Darmflora, also mehr Bakterienarten, besitzen.

„Das ist für die menschliche Gesundheit äußerst relevant“, sagt Stephanie Schnorr. „Einige vor allem in Industrienationen vorkommende Krankheiten, wie zum Beispiel das Reizdarmsyndrom, Darmkrebs, Adipositas, Diabetes Typ 2, Morbus Crohn und andere, stehen in Verbindung mit der Verringerung der Diversität der mikrobiellen Darmflora.“
Die Darmbesiedlung ist sehr gut an die Verdauung unverdaulicher Fasern aus einer pflanzenreichen Kost angepasst und hilft den Hadza möglicherweise dabei, den faserreichen Nahrungsmitteln mehr Energie zu entnehmen.

Überraschenderweise haben die Forscher festgestellt, dass es bei den Hadza-Männern und -Frauen hinsichtlich der Art und Anzahl ihrer Darmbakterien erhebliche Unterschiede gibt. Dies wurde bisher bei keiner anderen menschlichen Bevölkerungsgruppe beobachtet. Während die Hadza-Männer Wild jagen und Honig sammeln, übernehmen die Frauen das Sammeln von Knollen und anderen pflanzlichen Nahrungsmitteln. Obwohl sie diese dann miteinander teilen, isst jedes Geschlecht ein wenig mehr von der selbst beschafften Nahrung.
„Die Unterschiede in der Darmflora der Geschlechter reflektieren diese geschlechtsspezifische Arbeitsteilung“, sagt Stephanie Schnorr. „Die Hadza-Frauen verfügen offensichtlich über mehr Bakterien zur Verarbeitung faserreicher pflanzlicher Nahrung, was sich direkt auf ihre Fruchtbarkeit und ihren Fortpflanzungserfolg auswirkt.“ Diese Befunde zeigen, welche Schlüsselrolle die Darmbesiedlung im Laufe der menschlichen Evolution gespielt hat, wenn es um die Anpassung an verschiedene Ernährungsweisen ging.

Die Zusammensetzung der mikrobiellen Flora im Verdauungstrakt der Hadza ist einzigartig. Sie enthält eine große Anzahl an Bakterien, wie Treponema, die in der „westlichen” Bevölkerung oft als Anzeichen für Krankheiten gedeutet werden. Andere Bakterien, wie Bifidobacterium, die in der „westlichen“ Bevölkerung als „gesund“ gelten, sind bei den Hadza vermindert. Dennoch treten bei den Hadza kaum durch ein Ungleichgewicht der Darmbakterien verursachte Autoimmunkrankheiten auf.

Unser Verständnis von „gesunden“ und „ungesunden“ Bakterien muss daher neu definiert werden, weil diese Unterscheidungen davon abhängen, in welcher Umwelt wir leben. Die genetische Vielfalt der Bakterien ist dabei möglicherweise das wichtigste Kriterium für eine gesunde und stabile Darmflora.
„Die Mikroorganismen, die uns besiedeln sind unsere ‚alten Freunde‘, die uns bei der Anpassung an verschiedene Lebensweisen und Umweltbedingungen unterstützen“, sagt Amanda Henry, die die Max-Planck-Forschungsgruppe für Pflanzliche Nahrungsstoffe und Nahrungsökologie von Homininen leitet. „Unsere Untersuchung der Darmflora der Hadza erweitert unser Wissen darüber, wie Mensch und Mikroorganismus sich an das Leben in der Savanne angepasst haben. Darüber hinaus zeigt sie, wie Darmbakterien unseren Vorfahren möglicherweise dabei geholfen haben, sich an die Lebensbedingungen während der Steinzeit anzupassen und zu überleben.“

Originalpublikation: Stephanie L. Schnorr, Marco Candela, Simone Rampelli, Manuela Centanni, Clarissa Consolandi, Giulia Basaglia, Silvia Turroni, Elena Biagi, Clelia Peano, Marco Severgnini, Jessica Fiori, Roberto Gotti, Gianluca De Bellis, Donata Luiselli, Patrizia Brigidi, Audax Mabulla, Frank Marlowe, Amanda G. Henry & Alyssa N. Crittenden Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers Nature Communications, 15. April 2014, Doi: 10.1038/ncomms4654

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

siehe hierzu auch den Beitrag „Das Bauchhirn bei Menschen und Tieren„.

Digitale Sammlung zur Bienenkunde nun online

Donnerstag, Februar 6th, 2014

Köln/Bonn – Die ZB MED – Leibniz-Informationszentrum Lebenswissenschaften baut ihre digitalen Bestände aus. Seit kurzem ist ihre neue Internetseite zur Digitalen Sammlung, die auch umfangreiche Bestände aus der Bienenforschung enthält, online.

Digitalisiert wurden unter anderem Teile aus der Bibliothek des Bonner Bienenkundlers August Pollmann (1812-1898). Diese Sammlung schließt zahlreiche, teils sehr seltene deutsche und fremdsprachige Bücher sowie sieben bienenwissenschaftliche Zeitschriften ein. Die ersten Titel sind nun in digitaler Form unter http://s2w.hbz-nrw.de/apidologie verfügbar, weitere werden folgen.

August Pollmann war ein Bonner Bienenforscher, der von 1868 bis 1894 an der Königlich Preußischen Landwirtschaftlichen Akademie Bonn-Poppelsdorf lehrte. Deren Bibliothek, eine Vorgängerinstitution der ZB MED, erwarb die umfangreiche bienenkundliche Sammlung Pollmanns. Zur Sammlung gehört auch die von Pollmann redigierte Zeitschrift „Vereins-Blatt des Westfälisch-Rheinischen Vereins für Bienen-und Seidenzucht“.

Mit der Digitalisierung der Bibliothek Pollmanns leistet die ZB MED einen Beitrag zur Bienenforschung. Diese spielt heute angesichts der aktuellen, als Bienensterben bekannten Problematik eine große Rolle und wird durch die Europäische Union und verschiedene deutsche Bundesländer im Rahmen eines Pilotprojektes (EuBiMo) mit insgesamt 17 EU-Staaten gefördert.

Die gesamte Digitale Sammlung der ZB MED kann unter http://s2w.hbz-nrw.de/zbmed abgerufen werden. Sie bietet einen weltweiten freien Zugang zu zahlreichen urheberrechtsfreien Werken der Bienenkunde sowie zu weiteren Bereichen, etwa der Physischen Anthropologie. Verschiedene Suchoptionen, auch innerhalb der erfassten Titel, eröffnen umfassende Möglichkeiten, mit den digitalisierten Werken zu arbeiten. Gerne nimmt die ZB MED auch Vorschläge für Digitalisierungen entgegen.

Quelle: Leibniz-Informationszentrum Lebenswissenschaften

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