Archive for the ‘Naturwissenschaft’ Category

Fumarsäure hilft sicher bei Multipler Sklerose

Montag, November 7th, 2011

Wirksamer Schutz erkrankter Nerven.

Berlin/Amsterdam – Der Wirkstoff Fumarsäure kann offenbar die Schubrate bei der Multiplen Sklerose (MS) annähernd halbieren und auch die MS-typischen Schädigungen des Gehirns deutlich reduzieren, so das Ergebnis einer Studie, die auf dem Fachkongress ECTRIMS in Amsterdam für großes Aufsehen sorgte. „Insbesondere die Kombination aus hoher Wirksamkeit und Sicherheit machen das Medikament zu einer interessanten Behandlungsoption“, kommentierte Studienleiter Professor Ralf Gold, Direktor der Neurologischen Universitätsklinik (St. Josef Hospital) in Bochum und Vorstandsmitglied der Deutschen Gesellschaft für Neurologie.
Noch ist das erfolgreich getestete Fumarsäure-Präparat „BG-12“ nicht für die Behandlung der Multiplen Sklerose zugelassen, stellte Gold klar. Das Vorgängerprodukt Fumaderm® wird jedoch seit mehreren Jahren in einigen europäischen Ländern zur Behandlung der Schuppenflechte (Psoriasis) eingesetzt, was das Verfahren womöglich beschleunigen könnte. Dafür sprächen auch die überzeugenden Daten zur Verträglichkeit und Sicherheit von BG-12, die jetzt mit der DEFINE-Studie (Determination of the Efficacy and safety of oral Fumarate IN rElapsing-remitting MS) vorgestellt werden konnten, so Gold.In 28 Ländern hatten an dieser Studie 1234 Patienten mit schubförmiger MS und leichten bis mittelschweren Behinderungen im Alter zwischen 18 und 55 Jahren teilgenommen. Nach dem Losverfahren erhielten diese Freiwilligen entweder BG-12 oder ein Scheinmedikament. Nach zwei Jahren hatten Patienten, die BG-12 zweimal täglich einnahmen, 49 Prozent weniger Schübe erlitten, und bei dreimaliger Einnahme der Arznei 50 Prozent weniger als mit dem Scheinmedikament. Die Auswertung zeigte auch einen erheblichen Unterschied beim Anteil der Patienten, bei denen ein Schub beobachtet worden war: Unter BG-12 waren es neun Prozent gewesen, mit dem Scheinmedikament dagegen 15 Prozent.

Nebenwirkungen mild und vorübergehend

Zwar hatten etwa 95 Prozent der Teilnehmer Nebenwirkungen bemerkt, die waren jedoch mit der Studienarznei ähnlich häufig wie dem Scheinmedikament aufgetreten. Im gesamten Studienzeitraum war es weder zu medikamentenbezogenen Todesfällen oder Krebserkrankungen gekommen, noch wurden vermehrt Infektionen beobachtet, wie dies bei drei anderen neu entwickelten Wirkstoffen gegen MS der Fall war. Lediglich die vergleichsweise milden Nebenwirkungen Hautrötungen, Durchfall, Übelkeit und Magenschmerzen waren mit BG-12 häufiger aufgetreten als unter Placebo. Aber auch diese Beschwerden waren vorwiegend in den ersten 30 Behandlungstagen aufgetreten und dann zurückgegangen.

„Daraus schließen wir, dass BG-12 eine therapeutische Option für Patienten mit schubförmiger MS sein könnte, mit ordentlicher Wirksamkeit, guter Verträglichkeit und einem exzellenten Sicherheitsprofil“, sagt Gold.

Der Wirkmechanismus der Arznei ist noch nicht vollständig aufgeklärt, jedoch scheint es nicht nur eine dämpfende Wirkung auf die überschießende Immunreaktion bei MS zu haben, sondern auch Nervenzellen zu schützen. Darauf deuten Ergebnisse der Magnetresonanztomographie (MRT) hin, die im Rahmen der DEFINE-Studie ebenfalls erhoben wurden und die einen starken Rückgang der MS-typischen Läsionen im Gehirn belegen. Die Zahl neuer Läsionen verringerte sich bei täglich zweimaliger Gabe von BG-12 um 85 Prozent, die Gesamtzahl sogenannter Gadolinium-verstärkter Läsionen um bis zu 90 Prozent.

Unmittelbar nach dem ECTRIMS-Kongress veröffentlichte die Herstellerfirma von BG-12 (Biogen Idec) auch die Daten der Studie CONFIRM (Comparator and an Oral Fumarate in RRMS), die der US-Neurologe Robert J. Fox, Direktor am Mellen Center für Multiple Sklerose der Cleveland Clinic in Ohio geleitet hat. BG-12 wurde dabei nicht mit einem Scheinmedikament verglichen, sondern mit dem Immunmodulator Glatirameracetat, einem Medikament das zur Behandlung der MS in Europa bereits seit 2001 zugelassen ist. Die Ergebnisse der 1430 Teilnehmer bestätigten laut Fox die Resultate der DEFINE-Studie: „Wir sahen eine robuste Verringerung der Schubrate und der Krankheitsaktivität. Es sieht so aus, als ob BG-12 eine nützliche First-Line-Therapie sein könnte.“

Tabletten statt Spritzen

Bei der Behandlung der Multiplen Sklerose haben sich zwar bestimmte Formen von Interferon ebenso wie Glatirameracetat bewährt, weil sie die Schubrate bei der relapsierend-remittierenden Form der Krankheit eindeutig reduzieren können. Allerdings müssen diese Substanzen regelmäßig gespritzt werden. Experten hoffen schon seit Jahren auf weniger belastende Medikamente, die in Form von Pillen geschluckt werden könnten. Mit dem Wirkstoff Fingolimod wurde im April 2011 erstmals eine Kapsel zum Einnehmen zugelassen, doch eignet sich diese Substanz nur für Patienten mit schweren Verlaufsformen der MS, erklärt Gold. „Deshalb wäre es ein erheblicher Fortschritt wenn die Wirksamkeit, Sicherheit und Verträglichkeit von BG-12 in weiteren Studien bestätigt würde und wir unseren Patienten eine Behandlung in Tablettenform anbieten könnten, ohne die einfachere Handhabung durch ein höheres Risiko erkaufen zu müssen.“

Fumarsäure ist eine natürliche organisch-chemische Substanz, die in größeren Mengen in Pflanzen, Pilzen und Flechten vorkommt. Namensgeber ist der Gewöhnlichen Erdrauch (Fumaria officinalis), der größere Mengen der Säure enthält.“ Weitere Anwendungsgebiete finden sich in der Lebensmittelindustrie, wo Fumarsäure als Säurungsmittel E 297 zugelassen ist. Auch in der Schweineaufzucht wird Fumarsäure als Futterzusatz für Ferkel genutzt um damit den pH-Wert im Darm aufrechtzuerhalten und E. coli-bedingten Infektionen vorzubeugen.

Quellen
•    Gold R et al. Clinical efficacy of BG-12, an oral therapy, in relapsing-remitting multiple sclerosis: Data from the phase III DEFINE trial
•    Arnold D. et al. Efficacy on MRI endpoints of BG-12, an oral therapy, in relapsing-remitting multiple sclerosis: Data from the phase III DEFINE trial
•    Selmaj K et al. Safety and tolerability of BG-12 in the phase III DEFINE trial in patients with relapsing-remitting multiple sclerosis
•    Kappos L et al.BG-12 effects on patient-reported outcomes in relapsing-remitting multiple sclerosis: results from the DEFINE study
•    (Vortrag und Poster, präsentiert am 21. Oktober 2011 auf dem Joint Triennial Congress of the European and Americas Committees for Treatment and Research in Multiple Sclerosis (ECTRIMS/ACTRIMS), Amsterdam
Quelle: Deutsche Gesellschaft für Neurologie

Anmerkung: siehe hierzu auch den Artikel „Die tuberkulinische Konstitution als gemeinsame Ursache chronischer Erkrankungen und ihre naturheilkundliche Regulationstherapie

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Natürliche Darmflora an Entstehung von multipler Sklerose beteiligt

Mittwoch, Oktober 26th, 2011

Bakterien des Darms können Immunzellen aktivieren und Überreaktion des Immunsystems auslösen.

Multiple Sklerose entsteht durch eine Kombination genetischer Veranlagung und Faktoren aus der Umwelt. Krankheitserreger galten lange als solche äußeren Einflüsse. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried zufolge sind es jedoch offenbar nicht krankmachende, sondern nützliche Bakterien, die multiple Sklerose auslösen – nämlich die gesunde Darmflora, die jeder Mensch zur Verdauung braucht. Die Forscher haben herausgefunden, dass genetisch veränderte Mäuse eine der menschlichen Erkrankung ähnliche Entzündung im Gehirn entwickeln, wenn sie eine normal ausgeprägte Darmflora besitzen. Die Mikroorganismen aktivieren dabei zunächst die T-Zellen des Immunsystems und in einem weiteren Schritt B-Immunzellen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die an sich nützlichen Bakterien der Darmflora bei entsprechender Veranlagung der Ausgangspunkt für multiple Sklerose beim Menschen sind.

Der menschliche Darm ist ein Paradies für Mikroorganismen: Rund 100 Billionen Bakterien aus bis zu 2000 unterschiedlichen Arten leben darin. Die Mikroorganismen des Darms sind nicht nur für die Verdauung, sondern auch für seine Entwicklung sowie für das Immunsystem unverzichtbar. Zusammen umfasst diese vielfältige Lebensgemeinschaft zehn- bis hundertmal mehr Gene als das gesamte menschliche Erbgut. Wissenschaftler bezeichnen sie deshalb auch als „erweitertes Selbst“. Aber die Darmflora kann auch an Erkrankungen beteiligt sein, bei denen sich das Immunsystem gegen den eigenen Körper richtet. So fördern Darmbakterien Autoimmunerkrankungen wie Morbus Crohn oder rheumatoide Arthritis.

Die Empfänglichkeit für multiple Sklerose, bei der Proteine auf der Oberfläche der Myelinschicht im Gehirn das Immunsystem aktivieren, wird einerseits durch die Gene festgelegt. Größeren Einfluss auf die Erkrankung haben jedoch Umweltfaktoren. Dahinter vermuteten Wissenschaftler bislang infektiöse Erreger. Die Max-Planck-Forscher gehen nun jedoch davon aus, dass multiple durch die natürliche Darmflora ausgelöst wird.

Möglich wurde dieser überraschende Befund durch neu entwickelte genetisch veränderte Mäuse. Bei diesen Tieren treten ohne äußeren Einfluss Entzündungsreaktionen im Gehirn auf, die der menschlichen multiplen Sklerose ähneln – allerdings nur, wenn sie eine intakte Darmflora besitzen. Mäuse, die in keimfreier Umgebung ohne Mikroorganismen im Darm gehalten wurden, blieben dagegen gesund. „Impften“ die Wissenschaftler die keimfrei aufgezogenen Tiere nach mehreren Wochen mit normalen Darm-Mikroorganismen, erkrankten auch sie.

Den Martinsrieder Forschern zufolge beeinflusst die Darmflora Immunzellen des Verdauungstraktes. Mäuse ohne Darmflora weisen dort weniger so genannte T-Zellen auf. Außerdem produziert die Milz dieser Tiere weniger Entzündungsstoffe wie Zytokine. Darüber hinaus bilden ihre B-Zellen kaum Antikörper gegen das Myelin. Statteten die Forscher die Mäuse wieder mit einer Darmflora aus, erhöhten T- und B-Zellen wieder ihre Zytokin- bzw. Antikörperproduktion.

„Offenbar wird das Immunsystem in zwei Phasen aktiviert: Zunächst werden T-Zellen in den Lymphgefäßen des Darmtrakts aktiv und vermehren sich. Diese regen dann zusammen mit den Oberflächenproteinen der Myelinschicht B-Zellen zur Bildung krankmachender Antikörper an. Beides löst Entzündungsreaktionen im Gehirn aus, die schubweise die Myelinschicht zerstören – ganz ähnlich, wie auch die multiple Sklerose beim Menschen verläuft“, sagt Gurumoorthy Krishnamoorthy vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie. Es sind also Veränderungen des Immunsystems, die zur Erkrankung führen, und nicht Störungen im Nervensystem. „Diese Frage nach Ursache und Folge beschäftigt die multiple Sklerose-Forschung seit langem. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass das Immunsystem die treibende Kraft ist“, sagt Hartmut Wekerle, Direktor am Max-Planck-Institut in Martinsried.

Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass auch die Darmflora des Menschen bei entsprechender genetischer Veranlagung eine Überreaktion des Immunsystems gegen die Meylinschicht hervorrufen kann. Damit kommt möglicherweise der Ernährung eine zentrale Rolle bei der multiplen Sklerose zu. Denn die Ernährungsweise bestimmt maßgeblich, welche Bakterien den Darm besiedeln. „Veränderte Essgewohnheiten könnten beispielsweise eine Erklärung dafür sein, warum die multiple Sklerose in asiatischen Ländern in den letzten Jahren zugenommen hat“, erklärt Hartmut Wekerle.

Welche Bakterien an der Entstehung von multipler Sklerose beteiligt sind, ist noch unklar. Mögliche Kandidaten sind Clostridien, die in direkten Kontakt mit der Darmwand treten können. Auch sie sind natürlicher Bestandteil einer gesunden Darmflora, könnten aber bei erblich vorbelasteten Menschen die T-Zellen aktivieren. Als nächstes wollen die Wissenschaftler deshalb das gesamte mikrobielle Genom von Patienten mit multipler Sklerose analysieren und so Unterschiede in der Darmflora zwischen gesunden Menschen und Patienten aufspüren.

Originalveröffentlichung:
Kerstin Berer, Marsilius Mues, Michail Koutrolos, Zakeya Al Rasbi, Marina Boziki, Caroline Johner, Hartmut Wekerle & Gurumoorthy Krishnamoorthy
Commensal microbiota and myelin autoantigen cooperate to trigger autoimmune demyelination
Nature, DOI: 10.1038/nature10554

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

Anmerkung: aus naturheilkundlicher Sicht gehört die MS zu den Erkrankungen der sog. „tuberkulinischen Konstitutionsschwäche

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Videoclip: Smaragdkolibri in Uruguay

Montag, September 26th, 2011

In Uruguay ist der Frühling eingekehrt. Der Videoclip zeigt einen wunderschönen Smaragdkolibri, wie er Nektar aus Jasminblüten saugt.

 

Smaragdkolibri in Uruguay

Smaragdkolibri in Uruguay

 Zum Öffnen des Videoclips klicken Sie bitte << hier >>

Epigenetische Veränderungen sind umkehrbar

Dienstag, September 20th, 2011

Erste umfassende Kartierung von epigenetischen Veränderungen über mehrere Generation zeigt, dass diese oft kurzlebig sind und daher wahrscheinlich nur selten die Evolution beeinflussen.

Jean-Baptiste Lamarck hätte seine Freude:  Seine Überzeugung, dass Lebewesen erworbene Eigenschaften an ihre Nachkommen weitergeben können, ist seit kurzem unter Genetikern wieder gesellschaftsfähig. Die Transformationslehre, die Lamarck vor rund 200 Jahren veröffentlichte, ruhte seit dem Siegeszug von Darwins Evolutionstheorie in der Mottenkiste der Geschichte.
Seit einigen Jahren weiß man jedoch, dass Umwelteinflüsse durchaus ihre Spuren im Erbgut hinterlassen können – in Form so genannter epigenetischer Veränderungen.
Die erste umfassende Bestandsaufnahme spontan auftretender Unterschiede legen nun Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen vor. Am Beispiel der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana bestimmten sie, wie häufig und in welchen Bereichen des Genoms epigenetische Modifikationen auftreten – und wie schnell sie wieder verschwinden. Demnach sind epigenetische Veränderungen zwar um Größenordnungen häufiger als die klassischen Mutationen, aber dafür oft kurzlebig. Sie spielen damit möglicherweise für die Evolution eine geringere Rolle, als bislang angenommen.Das Team um Detlef Weigel, Direktor der Abteilung für Molekularbiologie, konzentrierte sich auf eins der wichtigsten epigenetischen Merkmale, die Methylierung der DNA. Dabei werden winzige chemische Bausteine – Methylgruppen – an einzelne Buchstaben der DNA angeheftet, meist an ein Cytosin. Die eigentliche Erbinformation, die Buchstabenfolge der DNA, bleibt dabei allerdings unangetastet. Um die Häufigkeit von Methylierungsänderungen und deren Verteilung im Genom zu untersuchen, untersuchten die Tübinger Biologen zehn Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, die alle von demselben direkten Vorfahren abstammten und über 30 Generationen hinweg per Selbstbefruchtung gezogen worden waren.
Im Genom der letzten Generation suchten die Wissenschaftler dann nach Unterschieden im Methylierungsmuster, die sich im Vergleich zur Ausgangspflanze ergeben hatten. Dabei erstellten sie für jedes Individuum eine Karte aller Methylierungen im kompletten Genom – des so genannten Methyloms.„Wir haben pro Pflanze rund 14 Millionen Cytosine analysieren können“, veranschaulicht Claude Becker, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut und federführend bei der Studie, den enormen Aufwand. Im Durchschnitt konnten in jeder Linie Methylgruppen an fast 3 Millionen Cytosinen nachgewiesen werden. Zwar war der weitaus größte Teil dieser methylierten Cytosine in allen Pflanzen gleich, aber bei etwa 6 Prozent stießen die Forscher auf Unterschiede: Hier hatte in mindestens einer der Linien eine Veränderung stattgefunden – entweder die Anheftung oder die Abspaltung einer Methylgruppe. Jede Linie wies etwa 30.000 solcher Epimutationen auf. Zum Vergleich: In derselben Zeit hatten sich in keiner Linie mehr als 30 Mutationen in der DNA-Sequenz angehäuft.

Mit 30.000 Epimutationen, die nach 30 Generationen gefunden wurden, hätten die Genetiker daher etwa 1.000 Epimutationen pro Generation erwartet. Ein Vergleich von Eltern und deren direkten Nachkommen ergab jedoch eine drei- bis viermal höhere Epimutationsrate. Offenbar kehrt die DNA-Methylierung nach einigen Generationen häufig wieder zum Ausgangszustand zurück. Das Mitteln der Mutationsrate über mehrere Generationen ergibt daher ein falsches Bild. Beckers Kollege Jörg Hagmann warnt deshalb auch davor, die Bedeutung der DNA-Methylierung für die Evolution zu überschätzen: „Unsere Experimente zeigen, dass veränderte Methylierung Hand in Hand mit einer hohen Reversionsrate einhergeht“.

Mit anderen Worten: Die Unterschiede bleiben nicht unbedingt über viele Generationen hinweg erhalten, sondern können ebenso gut wieder zurückmutieren. „Erst wenn die Selektion über die Reversion siegt, ist die Veränderung auch evolutionär wirksam“, so der Tübinger Biologe. Eine neue Methylierung muss also einen deutlichen Anpassungsvorteil mit sich bringen, damit sie sich durchsetzen kann, bevor sie wieder verloren geht. Da Rückwärtsmutationen jedoch nicht unbedingt gleich in der nächsten Generation auftreten, können epigenetische Unterschiede dennoch zur kurzfristigen Vererbung von Merkmalen zwischen Eltern und Kindern oder Großeltern und Enkeln beitragen.Ein weiterer Unterschied zu gewöhnlichen Mutationen ist außerdem, dass Epimutationen nicht zufällig auftreten, sondern oft an denselben Stellen im Genom. Während Gene überdurchschnittlich oft von Veränderungen in der Methylierung betroffen waren, ist die Methylierung von mobilen DNA Elementen, den Transposons, sehr stabil. Dies ergibt durchaus Sinn, da bereits bekannt war, daß ein künstlich induzierter Verlust der Methylierung sich viel stärker auf die Aktivität von Transposons als von normalen Genen auswirkt.Größere Bedeutung als der Zustand einzelner Cytosine hat wohl die Methylierung größerer Erbgutabschnitte. „Wir haben insgesamt in jeder Pflanze nur etwa 30 Bereiche des Genoms identifiziert, in denen Unterschiede in der DNA-Methylierung gebündelt auftraten“, erläutert Becker. „Die epigenetische Veränderung ganzer Regionen scheint genauso selten vorzukommen wie echte Sequenzmutationen“, folgert Hagmann. Allerdings könnten sich ganze Regionen ebenfalls sehr schnell ändern. So haben die Wissenschaftler sogar einen Abschnitt finden können, der seine Methylgruppen erst verloren hatte, aber in der nächsten Generation vollkommen remethyliert worden war.

Was die Epigenetik für die Medizin interessant macht, ist die Tatsache, dass manche epigenetischen Veränderungen von äußeren Faktoren ausgelöst werden können. Beim Menschen etwa wird angenommen, dass Einflüsse wie Ernährung oder die Eltern-Kind-Bindung Spuren im Erbgut hinterlassen, die sogar an die Nachkommen weitergegeben werden und deren Gesundheit beeinflussen. Die begrenzte Stabilität der DNA-Methylierung führt dazu, dass solche Unterschiede jedoch nicht unbedingt auf lange Zeit beibehalten werden und daher nur in Einzelfällen der natürlichen Selektion unterworfen werden können.

Wie die Tübinger Versuche belegen, finden epigenetische Veränderungen in erheblichem Umfang spontan, also ohne besondere Einflüsse aus der Umwelt statt – die Wachstumsbedingungen im Gewächshaus waren für alle Pflanzenlinien gleich. Das lässt Raum für weitere Spekulationen, wie Becker feststellt: „In freier Natur, wo die Pflanzen dauernd den unterschiedlichsten Stressfaktoren ausgesetzt sind, dürfte die Zahl der Epimutationen deutlich höher liegen.“ Wenn dies auch mit einer höheren Rückmutationsrate einhergeht, wäre die Bedeutung der Epigenetik für die langfristige Evolution noch geringer als die Tübinger Biologen vermuten.

Originalveröffentlichung:
Claude Becker, Jörg Hagmann, Jonas Müller, Daniel Koenig, Oliver Stegle, Karsten  Borgwardt and Detlef Weigel: “ Spontaneous epigenetic variation in the Arabidopsis thaliana methylome“. Nature, online publication 20.September 2011

Forscher verschränken erstmals Ionen mittels Mikrowellen

Dienstag, August 23rd, 2011

Ein wichtiger Schritt in Richtung Quantencomputer.

Einer Forschergruppe am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, USA, ist es gelungen, Ionen mittels Mikrowellen für den Einsatz in einem Quantencomputer zu verschränken.
Wie das Wissenschaftsmagazin Nature berichtet, haben die Wissenschaftler damit eine wichtige Methode für die mögliche Realisierung eines integrierten Quantencomputers mit Ionen entwickelt (Microwave quantum logic gates for trapped ions, Nature 476, 181-184, 2011, doi:10.1038/nature10290).

Christian Ospelkaus, seit Dezember 2010 Professor im Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) an der Leibniz Universität Hannover und an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, hat das Experiment mit seinen Kollegen am NIST durchgeführt.

Verschränkung ist eine faszinierende Konsequenz der Quantenmechanik. In unserem Alltag gilt es als selbstverständlich, dass zum Beispiel zwei gemeinsam geworfene Münzen unabhängig voneinander jede für sich zufällig „Kopf oder Zahl“ zeigen. In der Welt der Quantenmechanik könnten die beiden Münzen nun so manipuliert werden, dass, wenn eine Münze Zahl oder Kopf zeigt, die andere jeweils genau das gleiche Ergebnis liefert, und umgekehrt! Man spricht dann von einer Verschränkung der beiden Münzen oder – wenn man „Kopf oder Zahl“ wie in einem Computer mit den Werten Null und Eins identifiziert – auch von einem sogenannten verschränkenden Quantenlogikgatter.

Solche verschränkenden Gatteroperationen sind ein wesentlicher Bestandteil eines Quantencomputers, der eines Tages bestimmte Probleme in Physik, Mathematik und Kryptographie (Ver- und Entschlüsselung) wesentlich schneller lösen könnte als der schnellste herkömmliche Supercomputer. Ionen, also einzelne elektrisch geladene Atome, sind eines der experimentell am weitesten fortgeschrittenen Quantensysteme auf dem Weg zu einem realistischen Quantencomputer.

In einer Reihe von grundlegenden Experimenten, die am NIST und in anderen Gruppen weltweit durchgeführt worden sind, konnten Ionen als Quantenbits, abgekürzt Qubits, mit Hilfe von Laserstrahlen bereits erfolgreich verschränkt werden. Die NIST Forschergruppe hat nun gezeigt, dass man solche Operationen nicht nur mit einem komplexen, raumfüllenden Lasersystem realisieren kann, sondern auch mit miniaturisierter Mikrowellenelektronik, wie sie zum Beispiel in Mobiltelefonen Verwendung findet. Um die Verschränkung zu erzeugen, integrieren die Physiker die Mikrowellenquelle in die Elektroden einer so genannten Chipfalle, einer mikroskopischen chipartigen Struktur zur Speicherung und Manipulation der Ionen in einer Vakuumzelle. „Weil Mikrowellenfelder unkomplizierter und in einer einfacher kontrollierbaren Weise erzeugt werden können als Laserstrahlen, könnte diese Methode uns helfen, leistungsfähigere und fehlertolerantere Experimente zu bauen“, erklärt Prof. Christian Ospelkaus.

In ihrem Experiment haben die Forscher die Erfolgsquote bei der Verschränkung charakterisiert und gezeigt, dass die Verschränkung der Ionen mit Mikrowellen in 76 Prozent aller Fälle funktioniert. Die bereits seit mehreren Jahren in der Forschung verwendeten laserbasierten Quantenlogikgatter sind mit einer Quote von 99,3 Prozent derzeit noch besser als die Gatter auf Basis von Mikrowellen.

Das neue Experiment hat aber einen ganz entscheidenden Vorteil: Es beansprucht nur ungefähr ein Zehntel des Platzes eines Laser-Experiments und ist auf Basis dieses Pionierexperimentes noch deutlich optimierbar. In ihrer Veröffentlichung zeigt die Forschergruppe eine Reihe von Verbesserungsmöglichkeiten auf, welche die Erfolgsquote weiter steigern könnte. „Dass wir die Kontrolle der Qubits mit Hilfe der Mikrowellentechnik in die Fallenstruktur integriert haben und dadurch den Aufbau eines riesigen Lasersystems vermieden haben, ist ein wichtiger Schritt. In Zukunft könnten so durch diese Methode mehr und mehr Qubits verarbeiten werden“, so Ospelkaus weiter. Mit seiner neuen Forschungsgruppe im Exzellenzcluster QUEST entwickelt Christian Ospelkaus ein mikroskopisches experimentelles Modellsystem, das zum besseren Verständnis von Quantenvielteilchensystemen beitragen soll. Die Mikrowellen-Quantenlogiktechniken, die er am NIST entwickelt hat, sind dabei ein wichtiger Baustein. Die Gruppe beschäftigt sich auch mit Anwendungen für fundamentale Präzisionsmessungen.

Die Forschungsarbeiten am NIST wurden unterstützt von der United States Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), Office of Naval Research (ONR), der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), der National Security Agency (NSA) und Sandia National Laboratories.
Der Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time-Research) wird seit November 2007 innerhalb der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern gefördert. Die Hauptforschungsbereiche des Clusters sind das Quantenengineering und die Raum-Zeit-Forschung. Beteiligt sind sechs Institute der Leibniz Universität Hannover sowie die folgenden externen Partner: Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) mit dem Gravitationswellendetektor GEO600, das Laser Zentrum Hannover e.V., die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen.

Quelle: Leibniz Universität Hannover (siehe auch den Beitrag „Über die Eigenschaften der Quantenhirne (Kopf- und Bauchhirn)„)

Salmonellen können in Geschwülste einwandern und Tumorzellen abtöten

Montag, August 15th, 2011

Salmonellen machen uns nicht nur krank – sie haben auch eine Eigenschaft, die sie sehr interessant für die Krebsmedizin machen: Die Keime wandern in Geschwulste ein und töten Tumorzellen ab. Jetzt haben Wissenschaftler des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) herausgefunden, dass sich Salmonellen-Bakterien im Tumor zu Gemeinschaften zusammen finden und so genannte Biofilme bilden, als Reaktion auf Angriffe des Immunsystems.
Einerseits schützen sich die Bakterien dadurch. Gleichzeitig wird ihr therapeutischer Effekt verstärkt, eine sehr nützliche Nebenwirkung. Diese Ergebnisse veröffentlichte jetzt das Wissenschaftsjournal „Cellular Microbiology“ in seiner aktuellen Ausgabe.

Die Arbeitsgruppe „Molekulare Immunologie“ untersucht seit Jahren am HZI, wie Salmonellen dabei helfen können, Tumore in Mäusen zu bekämpfen. Sie fanden bereits heraus: Wenn Immunzellen Bakterien aufspüren, senden sie einen bestimmten Botenstoff aus, um andere Abwehrzellen anzulocken. Gleichzeitig werden Blutgefäße durchlässig, damit die Immunzellen durch sie zur Infektionsstelle wandern können. Im Tumor führt der Botenstoff dazu, dass die Bakterien in das Krebsgewebe einwandern können und den Tumor besiedeln. Da die Adern im Tumorgewebe jedoch viel durchlässiger sind als im gesunden, sammelt sich Blut im Krebs. Es bildet sich eine so genannte Nekrose, der Tumor stirbt ab.
Als die Forscher einen genaueren Blick darauf warfen, wie die Bakterien im Krebsgewebe überleben und bei der Zerstörung des Tumors helfen, beobachteten sie etwas völlig Neues: Die Mikroorganismen bilden Biofilme im Tumor.

Ein Biofilm ist eine Gemeinschaft von Bakterien, die in einer schützenden Hülle zusammenleben. Sie kommen überall in der Natur auf nahezu allen Oberflächen vor. Manche Biofilme helfen unserem Körper, wie die Bakteriengemeinschaften im Darm oder auf der Haut. Sie schützen uns vor Infektionen, indem sie verhindern, dass krankmachende Bakterien sich niederlassen können. Andere schaden jedoch, zum Beispiel die Karies verursachenden Biofilme auf unseren Zähnen.

Besonders große Probleme machen Biofilme in der Lunge von Patienten mit Mukoviszidose. „Hier können sich die Bakterien im zähen Schleim gut vermehren. In ihrem Biofilm sind sie hervorragend vor dem Angriff von Antibiotika oder dem Immunsystem geschützt“, erklärt Dr. Siegfried Weiß, Leiter der HZI-Arbeitsgruppe. Bisher gebe es nur wenige Möglichkeiten, solche schädlichen Biofilme im Körper zu untersuchen und neue Therapien oder Medikamente zu entwickeln.

Dr. Katja Crull, Forscherin im Team von Dr. Weiß, untersuchte genauer, wie Biofilmbildung und Tumorbekämpfung zusammengehören. Dazu infizierte sie Mäuse mit genetisch veränderten Salmonellen, die keine Biofilme mehr bilden können: ohne die Bakteriengemeinschaft verschlechterten sich die Besiedlung der Tumore und deren Bekämpfung rapide.
Da Biofilme meist einen Schutz gegen das Immunsystem darstellen, infizierte die Wissenschaftlerin tumortragende Mäuse, denen bestimmte Immunzellen fehlten, mit normalen Salmonellen. Auch unter diesen Bedingungen bildeten die Bakterien keinen Biofilm im Krebsgewebe. „Die Salmonellen verstecken sich im Tumor vor bestimmten Abwehrzellen und schützen sich in ihrem Biofilm vor der Immunabwehr“, sagt Dr. Katja Crull. Was eigentlich die Gefährlichkeit der Bakterien erhöht, führt im Krebsgewebe zu einer verbesserten Bekämpfung.

Diese Eigenschaften gezielt auszunützen könnte eines Tages vielleicht eine neuartige Therapie von Krebs ermöglichen. Arbeitsgruppenleiter Dr. Siegfried Weiß hebt besonders hervor, dass sich Tumore nun als völlig neues Modell zur Untersuchung von Biofilmen im Gewebe eignen könnten: „Solche Experimente sind bis heute eine große Herausforderung und es gibt nur wenige Modelle. Studien an Biofilmen in Tumoren könnten hier einen neuen Ansatz bieten, Wirkstoffe und Therapien zu entwickeln.“

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung: Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mechanismen von Infektionen und ihrer Abwehr. Was Bakterien oder Viren zu Krankheitserregern macht: Das zu verstehen soll den Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe liefern. Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig ist eine von der Bundesrepublik Deutschland und dem Land Niedersachsen gemeinsam finanzierte Forschungseinrichtung in der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Aufgabe des Zentrums ist es, biomedizinische Forschung auf dem Gebiet der Infektionsbiologie sowie deren klinische Anwendung und praktische Umsetzung zu betreiben.

Veröffentlichung: Biofilm formation by Salmonella enterica serovar Typhimurium colonizing solid tumours. Crull K, Rohde M, Westphal K, Loessner H, Wolf K, Felipe-López A, Hensel M, Weiss S. Cell Microbiol. 2011 Aug; 13(8). doi: 10.1111/j.1462-5822.2011.01612.

Quelle: HZI (siehe hierzu auch den Artikel „Bakterielle Biofilme im lebenden Organismus – Entstehung, Bedeutung und naturheilkundliche Regulation„)

Epigenetik: Gewalt an Schwangeren verändert Genetik der Kinder

Dienstag, Juli 19th, 2011

Konstanzer Wissenschaftler weisen einen epigenetischen Einfluss von häuslicher Gewalt gegenüber Schwangeren auf die Erbanlagen der Kinder nach.

Wenn Mütter in der Schwangerschaft häusliche Gewalt erfahren und somit fortgesetzt einem starken Stress-Erleben ausgesetzt sind, verändert dies die genetische Veranlagung des Kindes und lässt es in seinem späteren Leben anfälliger für Stress und psychische Erkrankungen werden. Was von Wissenschaftlern bereits aus Studien mit Mäusen vermutet wurde, konnte eine Zusammenarbeit von Psychologen und Biologen der Universität Konstanz erstmalig auf molekularer Basis beim Menschen nachweisen. Die Arbeitsgruppen des Psychologen Prof. Dr. Thomas Elbert und des Evolutionsbiologen Prof. Axel Meyer, Ph.D., zeigten auf, dass eine andauernde Bedrohungssituation bei einer Schwangeren eine epigenetische Veränderung im Glucocorticoid Rezeptor-Gen des Kindes bewirkt – einer Erbanlage, die mit Verhaltensauffälligkeiten und der Anfälligkeit für seelische Erkrankungen in Zusammenhang gebracht wird. Die Forschungsergebnisse wurden aktuell im Wissenschaftsjournal „Translational Psychology“ der „Nature“-Verlagsgruppe veröffentlicht.

Nachgewiesen werden konnten Veränderungen in den sogenannten Methylisierungsmustern der DNA, was Folgen auf die Entwicklung des Kindes haben kann: „Die genetische Ausprägung im Kind verändert sich, es entwickelt eine anfälligere Stressachse“, erklärt Thomas Elbert die Auswirkungen auf das Kind: „Der Körper der Mutter signalisiert diesen Kindern, dass sie in einer bedrohlichen Umgebung aufwachsen werden. Die Kinder verhalten sich dadurch in ihrem späteren Leben ängstlicher und weniger neugierig.“

„Das Glucocorticoid Rezeptor-Gen ist ein Rezeptor des Stresshormons Cortisol und dient als eine Art Schaltstelle im Hormonsystem“, führt Axel Meyer aus: „Es ist eine Schnittstelle für die Auswirkungen von Hormonen auf Hirnfunktionen – wie zum Beispiel die Reaktion auf Stressoren – und beeinflusst damit die Stressempfindlichkeit eines Menschen wie auch seine Anfälligkeit für psychische Störungen.“ Die Konstanzer Forscher konnten einschlägige Veränderungen in dem Gen bei zehn- bis neunzehnjährigen Kindern vorfinden, deren Mütter in der Schwangerschaft häuslicher Gewalt ausgesetzt waren. Dr. Helen Gunter und Karl Radtke aus der Arbeitsgruppe von Axel Meyer analysierten die Strukturen des Rezeptor-Gens bei 25 Müttern und deren Kindern. Dr. Martina Ruf, Dr. Katalin Dohrmann und Dr. Maggie Schauer aus der Arbeitsgruppe von Thomas Elbert ermittelten den psychologischen Effekt der häuslichen Gewalt, welcher die Mütter vor, während und nach ihrer Schwangerschaft ausgesetzt gewesen waren, auf die Mütter und deren Kinder.

Die Wissenschaftler charakterisierten die epigenetischen Effekte von mütterlichem Stress auf die Erbanlagen ihrer Nachkommen, die möglicherweise eine Veranlagung zu späterer Psychopathologie verursachen können. „Wir wussten zuvor schon aus unseren vorausgehenden Studien, dass Stresshormone massive Veränderungen im Immunsystem nach sich ziehen können. Wir hätten aber nicht erwartet, dass sich auch diese Bedrohungseinflüsse so deutlich im menschlichen Genom nachweisen lassen“, erläutert Elbert.

Die Forscher weisen ausdrücklich darauf hin, dass ihre Studie zwar deutlich korrelierende Befunde aufzeigt, dies jedoch kein letztgültiger Beweis eines kausalen Zusammenhangs zwischen mütterlicher Gewalterfahrungen und DNA-Veränderungen bei ihren Nachkommen ist. Im nächsten Schritt ihrer Forschung wollen die Konstanzer Wissenschaftler ihre Untersuchung der stressverursachten epigenetischen Veränderungen auf das gesamte menschliche Genom ausweiten und die biologischen Mechanismen detailliert analysieren.

Ermöglicht wurde das interdisziplinäre Forschungsprojekt durch das Genomics Center der Universität Konstanz (GeCKo), das im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert wird. Ein entscheidender Beitrag im Projekt kam von einem Mitglied des Zukunftskollegs der Universität Konstanz, Dr. Helen Gunter.

Quelle: Universität Konstanz

EHEC: Bundesgesundheitsminister Daniel Bahr informiert sich über Forschungsarbeit von Prof. Karch

Samstag, Juni 18th, 2011

Studien in Münster rücken das Umweltverhalten des aktuellen Erregers in den Mittelpunkt.

Münster (ukm/dre/jb). Bundesgesundheitsminister Daniel Bahr informierte sich am Samstagnachmittag (18.06.) im Institut für Hygiene in Münster über die aktuelle  Forschungsarbeit des Wissenschaftlerteams der Medizinischen Fakultät der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) um EHEC-Experte Prof. Dr. Dr. h. c. Helge Karch am Universitätsklinikum Münster (UKM).

Im vom Robert Koch-Institut (RKI) ernannten Konsiliarlabor für das Hämolytisch-Urämische Syndrom (HUS) am Institut für Hygiene laufen derzeit weitere umfangreiche Laboruntersuchungen zum Umweltverhalten des Ausbruchsstamms. Bereits am 25. Mai hatte Prof. Karch den spezifischen EHEC-Erreger identifiziert, der für das aktuelle Ausbruchsgeschehen verantwortlich ist und daraufhin einen schnellen Bestätigungstest entwickelt.

Der Bundesgesundheitsminister lobte die Arbeit der Münsteraner Wissenschaftler: „Die schnelle Identifizierung des Ausbruchsstammes war extrem wichtig für die Bekämpfung der aktuellen Epidemie. Für diesen unermüdlichen Einsatz bin ich dem Wissenschaftlerteam um Prof. Karch ebenso dankbar wie dem Ärzte- und Pflegepersonal in den Krankenhäusern und den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der beteiligten Gesundheitsinstitute.“

Ein weiterer Schwerpunkt der aktuellen Forschungsarbeit im münsterschen Hygiene-Institut sind Studien zum Reservoir und zum Umweltverhalten des EHEC-Erregers. Prof. Karch: „Viele Menschen scheiden derzeit den Erreger aus. Wir können also nicht ausschließen, dass er sich in unserer Umwelt bereits eingenistet hat. Daher müssen wir jetzt auch Strategien entwickeln, wie wir ihn dauerhaft wieder beseitigen können.“

Bereits fest steht, dass der aktuelle Erreger wie ein „klassischer“ EHEC sehr niedrige pH-Werte (2,5 bis 3,5) mindestens zwei Stunden toleriert. Das bedeutet, dass er anders als z.B. Salmonellen die normale Säurebarriere des menschlichen Magens überstehen kann und schon wenige Keime zur Infektion und zur Erkrankung führen können. Der jetzige Ausbruchsstamm und der zehn Jahre alte HUSEC041 zeigen zudem das gleiche „Anheftungsmuster“ an den Darmzellen. „Auch außerhalb des Körpers kleben sie an allen Oberflächen, weil sie ausgezeichnete Biofilmbildner sind. Sie bilden eine Art Schleimschicht, in der sie sich einnisten und auch längere Zeiträume gut überstehen können. Weiterhin ist der Ausbruchsstamm kältetolerant und überlebt seit dem 24. Mai in unserem Labor-Kühlschrank Temperaturen von fünf Grad Celsius“, so EHEC-Experte Karch. Diese und weitere Eigenschaften werden momentan in Münster untersucht.

Quelle: Universitätsklinikum Münster

Anmerkung: siehe hierzu auch die Artikel über „Bakterielle Biofilme im lebenden Organismus“ und „Über die Bedeutung zellwandfreier Bakterienformen

Blutschwitzen bei Kälbern – Ursache wahrscheinlich gefunden

Mittwoch, Juni 1st, 2011

01.06.2011 – Die Impfungen mit dem Impfstoff PregSure BVD führen bei Rindern zur Bildung von Antikörpern, die sich an Zellen des Blutes anheften können. Werden diese Antikörper mit dem Kolostrum der geimpften Kuh an das Kalb weitergegeben, können sie dort Blut und Knochenmarkszellen zerstören. In betroffenen Betrieben führt das bei bis zu 15% der Kälber zu der als „Blutschwitzen“ bekannt gewordenen Erkrankung. Eine Arbeitsgruppe der Abteilung „Veterinärmedizin“ des Paul-Ehrlich-Instituts (PEI) um Max Bastian stellt in der Zeitschrift VACCINE nun Untersuchungen zu möglichen Ursachen dieses Phänomens vor. Die Publikation ist online bereits verfügbar

„Unsere Ergebnisse liefern erstmals eine plausible Erklärung für mögliche Ursachen des Krankheitsbildes“, erklärt Prof. Klaus Cichutek, Präsident des Paul-Ehrlich-Instituts. „Jetzt werden Schritte möglich, solche Reaktionen zu vermeiden. Damit zeigt sich erneut ein Erfolg der Verbindung von regulatorischer Arbeit mit eigener Forschung im PEI“, so Cichutek weiter.

Beim Blutschwitzen treten im ersten Lebensmonat bei einzelnen Kälbern plötzlich unstillbare Blutungen aus Körperöffnungen und Verletzungen auf. Blutungen aus der scheinbar intakten Haut haben zur Namensgebung geführt. Wissenschaftlich wird die Krankheit mittlerweile Bovine Neonatale Panzytopenie (BNP) genannt.

Im März 2009 hatte es erste Hinweise gegeben, dass betroffene Betriebe oft den Impfstoff PregSure BVD zur Bekämpfung der Bovinen Virusdiarrhöe bei den Muttertieren eingesetzt hatten. Für Deutschland sind mittlerweile über 3.000 Fälle registriert (Stichtag 28. Februar 2011), in Europa sind es insgesamt über 4.500 Berichte. Ab März 2010 verzichtete der Hersteller auf Anraten des PEI auf die Vermarktung von PregSure BVD in Deutschland. Am 16. Juli 2010 folgte der Ausschuss für Tierarzneimittel (CVMP) bei der Europäischen Arzneimittelagentur (EMA) der Empfehlung des PEI, die Zulassung ruhen zu lassen. Das Ruhen der Zulassung trat im Oktober 2010 in Kraft – entsprechende Chargen wurden zurückgerufen.

Schon vorher, zu Beginn des Jahres 2010, hatten Wissenschaftler des PEI aus den Abteilungen „Veterinärmedizin“ und „Arzneimittelsicherheit“, unterstützt durch den Rindergesundheitsdienst in Nordrhein-Westfalen, begonnen, nach den möglichen Ursachen der BNP zu suchen.

Zunächst wiesen die Forscher bei Labortieren (Meerschweinchen) nach, dass geimpfte, nicht jedoch ungeimpfte Tiere im Blutserum Antikörper enthielten, die an Rinderblutzellen (Leukozyten) binden. Dieses Phänomen zeigte sich dann auch bei PregSure BVD-geimpften Kühen. Bei Rindern, die andere Impfstoffe erhalten hatten, war dieser Effekt nicht nachweisbar. „Der Nachweis, dass diese toxischen Antikörper der Mütter von BNP-Kälbern sich auch an die Zelllinie heften, die zur Herstellung des Impfstoffes verwendet wird, ist für uns ein deutlicher Hinweis, dass der Impfstoff ursächlich am Entstehen der Krankheit beteiligt ist“, so Max Bastian. Auf der Basis dieser Ergebnisse lassen sich viele Besonderheiten der BNP, insbesondere die Übertragung durch das Kolostrum, erklären. Es liegt nun am Hersteller, die Impfstoffproduktion so zu verändern, dass die Entstehung dieser Antikörper sicher vermieden wird. „Besonders wichtig für die Besitzer der Rinder ist der Hinweis, dass das Auftreten der Erkrankung vermeidbar ist, selbst wenn mit PregSure BVD geimpft wurde“, betont Klaus Cußler, Leiter des Fachgebiets ‚Sicherheit veterinärmedizinischer Mittel und Tierschutz‘ im PEI. „Gefährdete Kälber dürfen nicht das Kolostrum ihrer Mutter erhalten, dann ist die Erkrankung sicher zu verhindern“, so Cußler.
>> weitere Informationen

Quelle: Paul-Ehrlich-Institut

Sonne, Wind und Wellen – natürliche Grenzen erneuerbarer Energien

Donnerstag, April 21st, 2011

Am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena wurden erstmals mit Hilfe der Thermodynamik die natürlichen Grenzen erneuerbarer Energien und die möglichen Klimaauswirkungen bei deren Nutzung untersucht.

Die Analysen legen nahe, dass die Energie aus Wind und Wellen nur begrenzt verfügbar sein könnte und eine großflächige Nutzung dieser Energiequellen möglicherweise negativ auf deren Erzeugung durch das Klimasystem zurück wirkt. Auf Sonnenenergie basierende Energieumwandlungen könnten hingegen den zunehmenden menschlichen Energiebedarf auf der Erde langfristig und klimafreundlich abdecken.

Die Energieversorgung stellt eine der größten Herausforderungen für die Zukunft unserer Zivilisation dar. Während die klimaschonende Atomenergie ein Restrisiko ihrer Sicherheit erneut bestätigt, trägt die Verbrennung fossiler Brennstoffe unweigerlich zum Klimawandel bei. Alternative Energien aus natürlichen Quellen, wie Sonnen-, Wind – und Wellenenergie, sind hingegen risikoarm und werden als erneuerbar und klimafreundlich angesehen. Beide Aspekte, die Erneuerbarkeit und die Klimaverträglichkeit, wurden nun erstmals unter thermodynamischer Betrachtung des gesamten Erdsystems von Forschern des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena genauer untersucht.

Dr. Axel Kleidon, Leiter der unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe „Biosphärische Theorie und Modellierung“, beruft sich auf die anerkannten Gesetze der Thermodynamik, einer etablierten physikalischen Theorie, um zwischen Wärmeenergie und sogenannter “Freier Energie” zu unterscheiden. „Nur die Freie Energie ist relevant für die Nutzung erneuerbarer Energien“, so Kleidon. Sie bezieht sich auf jenen Anteil einer Energieform, der genutzt werden kann, um physikalische Arbeit zu verrichten, wie zum Beispiel das Hochheben oder Beschleunigen einer Masse, aber auch für die Energieproduktion für die Menschheit. Die natürlichen Grenzen für die Erzeugung von Freier Energie aus natürlichen Quellen auf der Erde wurden bisher kaum beachtet und in der aktuellen Forschung zum Klimawandel und Erneuerbaren Energien stark vernachlässigt. Kleidon und seine Gruppe konnten berechnen, dass die Fähigkeit des Erdsystems, unterschiedliche Formen Freier Energie zu erzeugen, auf ungefähr 1.000 Terawatt begrenzt ist (1 Terawatt entspricht 1012 Watt und ist eine Einheit für den Energieverbrauch). „Nur etwa 0,6 Prozent der immensen Energiemenge von etwa 160.000 Terawatt Sonnenenergie, die als Strahlung die Erde erreicht, kann also als Freie Energie genutzt werden“, bestätigt Kleidon die geringe Effizienz der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Freie Energie. Vom Menschen werden derzeit nur maximal 50 Terawatt Freier Energie verbraucht.

Diese thermodynamische Sichtweise für die Nutzung erneuerbarer Energien beinhaltet auch, dass verschiedene Arten erneuerbarer Energien unterschiedlich stark begrenzt sind. Wellen werden im Wesentlichen durch Wind erzeugt; Wind entsteht indirekt durch Wärmegradienten und somit letztlich aus der Sonnenenergie. Durch die schlechte Energieumwandlung der Sonnenenergie und wegen ihrer Abhängigkeiten vom Klimasystem sind die erneuerbaren Energiequellen Wind und Wellen daher nur in begrenzter Stärke produzierbar. Ein deutlich erhöhter Verbrauch dieser Energieformen, im Rechenbeispiel durch eine 1000fache Aufstockung heute existierender Anlagen, könnte nicht aufgefüllt werden und in der Folge sogar zu Rückkopplungen mit dem Klimasystem der Erde führen. Der Verbrauch der begrenzten Wind- und Wellenenergie würde dann über das Klimasystem die Regeneration dieser Energieformen zusätzlich drosseln.

Deutlich besser sieht es bei der Nutzung von Solarenergie aus. Die pflanzliche Photosynthese oder auch Solarkraftwerke können das Sonnenlicht direkt nutzen, um Freie Energie zu produzieren. Trifft die Sonnenstrahlung hingegen ungehindert auf die Erde und erwärmt lediglich den Boden, so ist die Freie Energie der Sonnenergie größtenteils verschwendet. „Damit erhöhen die Photosynthese und Solarzellen die Gewinnung Freier Energie innerhalb des Erdsystems“, erläutert Kleidon. Entscheidend hierbei: nur etwa 5 % der als Freien Energie nutzbaren Sonnenenergie wird bisher vom Mensch verbraucht, es gibt also noch viel Spielraum, diese Energiequelle stärker zu nutzen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena; Forschungsgruppe „Biosphärische Theorie und Modellierung“

Anmerkung: siehe hierzu auch den Beitrag „Energiestoffwechsel und Milieutherapie