Der Geek-Atlas - John Graham-Cumming - E-Book

Der Geek-Atlas E-Book

John Graham-Cumming

4,6

Beschreibung

Die lebendige Geschichte der Wissenschaften ist überall um uns herum, man muss nur wissen, wo man hinschauen muss. Mit diesem einzigartigen Reiseführer kann man 128 Orte auf der Welt kennen lernen, die für bedeutsame Ereignisse in Wissenschaft und Technik stehen. Erlebe das Foucaultsches Pendel, das in Paris schwingt; erfahre Interessantes über das größste Wissenschaftsmuseum der Welt, das "Deutsche Museum" in München; besuche einen Ableger des Newtons Apfelbaums am Trinity College in Cambridge und vieles, vieles mehr... Jeder Ort in Der Geek-Atlas stellt eine außerordentliche Entdeckung oder Erfindung in den Mittelpunkt und befasst sich darüber hinaus auch mit den Menschen und Geschichten, die hinter diesen Erfindungen stehen. Alle Orte werden mit interessanten Fotos vorgestellt und die Themen mit zahlreichen Zeichnungen illustriert. Das Buch ist nach Ländern aufgeteilt, für alle interessanten Orte werden auch - neben nützlichen Tourismusinformationen - die genauen GPS-Daten aufgeführt.

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Der Geek-Atlas: 128 Orte auf der Welt, um Wissenschaft & Technik zu erleben

JohnGraham-Cumming

Copyright © 2009 O’Reilly Verlag GmbH & Co. KG

Die Informationen in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Autoren und Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oderirgendeine Haftung für eventuell verbliebene Fehler und deren Folgen.

Alle Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt und sind möglicherweise eingetragene Warenzeichen. Der Verlag richtet sich im Wesentlichen nach den Schreibweisen der Hersteller. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten einschließlich der Vervielfältigung, Übersetzung, Mikroverfilmung sowie Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Kommentare und Fragen können Sie gerne an uns richten:

Copyright der deutschen Ausgabe:

1. Auflage 2010

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Lektorat: Volker Bombien, Köln Fachliche Unterstützung: Tanja Feder, Bonn Satz: G&U Language & Publishing Services GmbH, Flensburg (www.GundU.com) Umschlaggestaltung: Hanna Dyer, Sebastopol Produktion: Andrea Miß, Köln Belichtung, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Media-Print, Paderborn

Dieses Buch ist auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.

O’Reilly Verlag Balthasarstr. 81 50670 Köln [email protected]

Einführung

Ein reger Geist ist immer auf Entdeckungstour

An meinem 13. Geburtstag fuhren meine Eltern mit mir nach Dove Cottage, die frühere Heimat des englischen Poeten William Wordsworth. Ich habe an diesen Besuch nur eine einzige Erinnerung – ein unterirdischer Luftstrom, der einen der Räume kühlte und diesen so zu einem idealen Lagerplatz für Lebensmittel machte. Dort in Wordsworths Haus gab es also auch kleine wissenschaftliche Geheimnisse, die nur darauf warteten, entdeckt zu werden.

Leider ist es leichter, die Heimat längst verstorbener Poeten, Maler oder Schriftsteller ausfindig zu machen, als wissenschaftlich interessante Orte zu finden, denen man einen Besuch abstatten könnte. Rufen Sie ein beliebiges Fremdenverkehrsbüro irgendwo auf der Welt an und fragen Sie nach naturwissenschaftlichen, mathematischen oder technischen Sehenswürdigkeiten. Sie werden ein langes Schweigen ernten oder eine kurze Liste der einschlägigen Wissenschaftsmuseen erhalten. Das ist schade, denn wenn es etwas gibt, das die Naturwissenschaft auszeichnet, dann ist es die Bereitschaft der Wissenschaftler, ihr Wissen zu teilen. Und die Welt ist voller wunderbarer Orte, Museen und scheinbar zufälliger Schauplätze, die das Herz jedes Geeks ein wenig höher schlagen lassen. Viele dieser Orte sind sogar frei zugänglich.

Die 128 Orte in diesem Buch ergeben eine persönliche Liste der Schauplätze, an denen Naturwissenschaft, Mathematik oder Technik »passiert« oder »passiert ist«. Sie werden in dieser Auswahl keine kleinen drittklassigen Museen und keine Tafeln der Art »Professor X hat hier geschlafen« finden. Jeder Ort ist von echtem naturwissenschaftlichen, mathematischen oder technischen Interesse.

Nicht immer geht es um von Menschen gemachte Erfindungen oder Entdeckungen. In diesem Buch werden auch Naturphänomene wie der sich bewegende, magnetische Nordpol (Kapitel 128) und die Aurora Borealis (Kapitel 81) beschrieben. Auch einige wenige Gräber berühmter Wissenschaftler sind enthalten, doch Sie können sicher sein, dort auf Gleichungen zu stoßen.

Jedem Ort ist ein eigenes Kapitel gewidmet und jedes Kapitel ist in drei Teile untergliedert: eine allgemeinen Einführung zu diesem Ort, wobei der Schwerpunkt auf dessen naturwissenschaftlicher, mathematischer oder technischer Bedeutung liegt, gefolgt von einer etwas eingehenderen Erläuterung des jeweiligen Themengebiets und schließlich praktischen Informationen für den Besuch. Das Buch kann wie ein richtiger Reiseführer genutzt werden (und ich hoffe, dass Sie die Gelegenheit haben werden, einige dieser Orte zu besuchen), es eignet sich aber ebenso für den nur »virtuell Reisenden«, den ich durch das Buch zu inspirieren hoffe, mehr über die dargestellte Naturwissenschaft, Mathematik oder Technik zu erfahren.

Bei den technischen Erläuterungen habe ich versucht, die Dinge zu vereinfachen, ohne allerdings das geistige Niveau auf Analogien und Metaphern zu reduzieren, anstatt die eigentlichen Grundlagen zu beschreiben. Wenn Sie das Buch durchblättern, werden Sie also die Art von Bildern sehen, die man in Reiseführern findet, aber auch viele Diagramme und Gleichungen. (Jeder Leser, der sich die Gleichungen nicht antun möchte, kann sich einfach auf den ersten Teil eines Kapitels beschränken.)

Es gibt auch ein wenig abstrakte Mathematik, wobei Themen wie Mengenlehre, transfinite Zahlen, Fermats Letzter Satz, Primzahlen, Gruppentheorie und mehr behandelt werden. Nicht-Mathematiker könnten dadurch abgeschreckt werden, dennoch empfehle ich Ihnen, sich mit diesen Aspekten zu beschäftigen. Ich verspreche Ihnen, dass sich Ihnen eine ganz neue Welt mathematischer Schönheit offenbaren wird, wenn Sie die Cantor-Diagonalisierung (Abbildung 47.5) verstehen. (Ja, ich gebe es zu, ich bin ein Mathe-Freak.)

Eine Sache, nach der ich immer und immer wieder gefragt wurde, war die Empfehlung des einen Ortes, den man unbedingt gesehen haben muss. Einen einzelnen Ort hervorzuheben, ist nahezu unmöglich – es gibt da draußen so viele großartige Orte. Doch ich gebe zu, dass ich immer wieder ein Tränchen verdrücke, wenn ich die Differenzmaschine im Wissenschaftsmuseum in London (Kapitel 77) sehe. Das ist Mathematik in Bewegung und Arithmetik in Aktion.

Ein enttäuschender Trend bei Wissenschaftsmuseen ist die Tendenz, sich auf den »Wow!«-Faktor zu konzentrieren, ohne die eigentlichen Grundlagen zu erläutern. Falls ich Ihr Lieblingsmuseum nicht berücksichtigt habe, sollten Sie sich selbst fragen, ob es eines der folgenden lästigen Merkmale aufweist: einen kurzen, mit einem Ausrufezeichen endenden Namen, ein Logo, in Pastellfarben oder mit einem knuddeligen Maskottchen versehen, oder ein IMAX-Kino. Glauben Sie mir, es steckt mehr »Wow!« in Foucaults Messung der Lichtgeschwindigkeit (Messung der Lichtgeschwindigkeit) als in jedem Film, egal wie gut er ist.

Eine Reihe von Orten findet in diesem Buch keine Berücksichtigung, weil Touren aus »Sicherheitsgründen« eingestellt oder eingeschränkt wurden. Das gilt fast ausschließlich für die Vereinigten Staaten, in denen einige für den naturwissenschaftlichen Tourismus interessante Orte als zu sensibel für die Allgemeinheit eingestuft werden. Andere Orte sind ausschließlich amerikanischen Staatsbürgern zugänglich. (Dies entbehrt nicht einer gewissen Ironie, wenn man die Beiträge von Nicht-Amerikanern zur wissenschaftlichen Forschung der USA bedenkt.) Einige Orte wurden dennoch aufgenommen, in der Hoffnung, dass die Beschränkungen in den nächsten Jahren gelockert werden.

Wenn Ihr Lieblingswissenschaftler fehlt, liegt es vielleicht einfach daran, dass seine oder ihre Arbeit nicht an einem einzigen Ort zusammengefasst ist. Ich habe beispielsweise gehofft, den Raketen-Pionier Robert Goddard aufnehmen zu können, aber keiner der möglichen Orte ist wirklich geeignet: Goddards Raketen-Startplatz in Massachusetts besteht nur aus einer Gedenktafel mitten auf einem Golfplatz. Das Goddard Space Flight Center in Maryland ist großartig, doch dieses Buch kann nur eine bestimmte Zahl von NASA-Sites berücksichtigen. Das Roswell-Museum in New Mexico wiederum sieht sich selbst hauptsächlich als Kunstmuseum. Von den drei genannten ist das Letztere allerdings das beste – es stellt die meisten Stücke von Goddards Gerätschaften aus.

Andere Orte hätten es fast geschafft, waren dann aber doch nicht auf einem geeigneten Stand. Ich wollte das Florence Nightingale Museum in London aufnehmen, weil Nightingales Beitrag zur Verwendung von Grafiken zur Darstellung quantitativer Informationen meist übersehen wird. Florence Nightingale wurde als erste Frau Mitglied der Royal Statistical Society und ihre Diagramme zu Todesursachen in einem Feldlazarett sind im Museum ausgestellt. Leider bietet die Ausstellung nur eine schlechte Reproduktion, die weder echte Informationen dazu, was der Besucher dort sieht, noch zu Nightingales Beitrag zur Verwendung von Grafiken (einschließlich Kuchendiagrammen) liefert.

Wenn Sie sich immer noch fragen, warum Ihr Lieblingsort nicht auftaucht, besuchen Sie doch die Website zum Buch und berichten Sie mir von diesem. Wahrscheinlich kenne ich ihn einfach nicht und würde ihn nur zu gerne besuchen. Wer weiß, vielleicht gibt es genug gute Ideen für eine zweite Ausgabe!

– jgc May 2009

P.S. Es hat sich herausgestellt, dass ich Dove Cottage doch mehr Aufmerksamkeit hätte schenken sollen. Jahre später entdeckte ich, dass Wordsworth ein Bewunderer Newtons war und, inspiriert durch die Newton-Statue am Trinity College in Cambridge, die folgenden Zeilen schrieb:

The antechapel where the statue stood

Of Newton with his prism and silent face,

The marble index of a Mind for ever

Voyaging through strange seas of Thought, alone.

Verwendete Konventionen

Da dieses Buch verschiedene Länder abdeckt, etwa die USA, in denen eine Mischung aus angloamerikanischen und eigenen Maßsystemen verwendet wird, Frankreich, wo das metrische Maßsystem genutzt wird, und Großbritannien, wo ein Durcheinander aus angloamerikanischem und metrischem Maßsystem zum Einsatz kommt, habe ich mich für die wissenschaftliche Option entschieden und halte mich an das metrische Maßsystem. Dadurch werden auch Probleme wie der Volumenunterschied zwischen einer amerikanischen und einer imperialen Gallone vermieden.

Das metrische Maß mag für amerikanische Leser etwas ungewohnt sein, weil ich Entfernungen zwischen amerikanischen Orten in Kilometern angebe.

Bei Ortsnamen habe ich die Schreibweise Ortsname, nächste Ortschaft/Stadt/Gemeinde, Staat für alle Orte außerhalb der USA verwendet. Für Orte innerhalb der USA verwende ich das Format nächste Ortschaft/Stadt/Gemeinde, US-Bundesstaat. Für die Bundesstaaten verwende ich die aus zwei Buchstaben bestehende Kurzform. Wenn Sie sich als nicht-amerikanischer Leser unsicher sind, ob MI, MO oder MS für Missouri steht, können Sie sich die Kürzel beim U.S. Postal Service unter http://www.usps.com/ncsc/lookups/usps_abbreviations.html ansehen.

Jeder Ort in diesem Buch verfügt über einen Abschnitt mit praktischen Informationen, der üblicherweise die Adresse der zugehörigen Website enthält, falls vorhanden. Anderenfalls finden Sie eine Anfahrtsbeschreibung. Zusätzlich sind zu jedem Ort der Längen- und der Breitengrad aufgeführt, die Sie direkt in Ihr Navigationsgerät oder Online eingeben können.

Eine visuelle Kurzreferenz zu Beginn jedes Kapitels liefert Ihnen einige grundlegende praktische Informationen. Die vier folgenden Icons werden verwendet:

Freier Eintritt

Erfrischungen vor Ort

Der Ort ist für Kinder geeignet.

Der Ort kann bei jedem Wetter besucht werden.

Doch denken Sie bitte daran, dass sich die Dinge ändern können. Für eine bislang kostenlose Sehenswürdigkeit könnte plötzlich Eintritt verlangt werden, ein Restaurant wurde möglicherweise geschlossen und der Zugang zu einem Ort wurde vielleicht eingeschränkt. Prüfen Sie solche Dinge, bevor Sie einen Ort besuchen, und lassen Sie es mich wissen, falls sich etwas geändert hat, damit zukünftige Ausgaben dieses Buches auf dem aktuellen Stand sind.

Kapitel 1. Parkes Radioteleskop, Parkes, Australien

32° 59′59.8″S, 148° 15′44.3″E

The Dish

Wenn Sie sich gerade »Down Under« aufhalten (oder gar das Glück haben, dort zu leben), dann gibt es dort ein Wahrzeichen, das Sie nicht verpassen sollten, da es der Star eines Filmes ist, bei dem es allein um Wissenschaft geht. Dieser Film heißt The Dish und der Star ist das Parkes Radioteleskop (Abbildung 1.1).

Abbildung 1.1 The Dish; zur Verfügung gestellt von Alex Cheal (alexcheal)

Auf halbem Weg zwischen Melbourne und Brisbane, 20 Kilometer nördlich der kleinen Stadt Parkes, steht die anmutig geformte Schüssel, die seit 1961 den südlichen Sternenhimmel auf Radiosignale abhört.

Pulsare (Die »Kleinen grünen Männchen«)

Im Juli 1967 arbeitete ein Team der Universität Cambridge an einem Radio-teleskop, um Signale von Quasaren (Radioquellen von irgendwo im All) einzufangen. Doch die Wissenschaftler entdeckten etwas Seltsames – ein pulsierendes Radiosignal am Himmel, das 40 Millisekunden andauerte und sich regelmäßig alle 1,337 Sekunden wiederholte. Zuerst dachte man, es müsse sich um ein Signal von der Erde handeln, aber man erkannte schnell, dass dem nicht so war, und nannte dieses Signal LGM-1 (Little Green Men-1, also »Kleine grüne Männchen 1«).

Sie hatten einen Pulsar (oder pulsierenden Stern) entdeckt, aber da man noch nie eine so regelmäßige Radioquelle am Himmel ausgemacht hatte, spekulierte das Team darüber, dass es sich um eine Nachricht von einer weit entfernten Zivilisation handeln könnte oder um ein navigatorisches »Leuchtfeuer« unbekannter, durch das Universum reisender Lebewesen.

Heute wird LGM-1 als Pulsar CP1919 bezeichnet und ist einer von mehr als 1000 bekannten Pulsaren. Es wurden auch Pulsare entdeckt, die mehr als nur Radiowellen, nämlich regelmäßig Röntgen- und Gammastrahlen aussenden.

Pulsare werden durch schnell rotierende Neutronensterne erzeugt. Ein Neutronenstern entsteht, wenn einem Stern nach einer Supernova die Energie ausgeht, und er aufgrund seiner eigenen Gravitation plötzlich kollabiert. Das führt zu einem unglaublich dichten und kompakten Sternen-Leichnam: einem Neutronenstern.

Neutronsterne sind im Durchmesser üblicherweise kleiner als 20 Kilometer (die Entfernung der Stadt Parkes vom Teleskop), enthalten aber mehr Masse als die Sonne. Das Innere eines Neutronensterns besteht aus Neutronen, weil der unglaubliche Druck im Stern die Protonen und Elektronen zusammenpresst und jede Ladung eliminiert. Tief im Inneren eines Neutronensterns ist der Druck so groß, dass sich dort sehr wahrscheinlich eine Suppe aus Elementarteilchen (wie Quarks) befindet.

Neutronensterne werden durch das Pauli-Prinzip vor dem völligen Kollaps bewahrt. Es besagt, dass zwei Neutronen (genauer gesagt zwei identische Fermionen) nicht gleichzeitig an einem Ort sein können.

Man glaubt, dass das Magnetfeld des rotierenden Neutronensterns mit geladenen Partikeln interagiert, was dazu führt, dass die Oberfläche elektromagnetische Strahlen aussendet. Diese Strahlen können sich im Radiospektrum befinden, genauso gut kann es sich aber um Gamma- oder Röntgenstrahlen handelt. Sie verlassen den Stern als kontinuierlicher Strahl, der von den magnetischen Nord- und Südpolen des Sterns ausgeht. Dies ist in Abbildung 1.2 zu sehen.

Abbildung 1.2 Ein Pulsar mit Magnetfeld und Strahlung

Da die rotierenden und magnetischen Pole versetzt sind, zeigt der Strahl nicht ständig auf die Erde, sondern streicht bei jeder Rotation nur einmal an ihr vorbei (was uns wie ein Puls erscheint).

Tatsächlich hat man auch nach 40 Jahren Beobachtung noch vieles nicht verstanden. Vielleicht war die Bezeichnung LGM-1 des Teams der Universität Cambridge doch korrekt und Parkes hat seit seiner Eröffnung im Jahre 1961 extraterrestrische Grüße verpasst.

Es war die Rolle, die das Parkes Radioteleskops bei den Übertragungen während der Mondlandung der Apollo 11 spielte, die das Teleskop zu einem Filmstar machte. Als Neil Armstrong und Buzz Aldrin am 20. Juli 1969 auf dem Mond landeten, wurden die Übertragungen der Telemetriedaten und Fernsehbilder ursprünglich an das Goldstone-Observatorium in der Mojave-Wüste in Kalifornien gesendet. Doch es kam zu Problemen und die NASA wechselte zum Honeysuckle Creek-Empfänger in der Nähe von Canberra in Australien, um die Signale zu empfangen. Kurz danach schaltete man auf Parkes um und befand das Signal für so gut, dass man für den Rest der Übertragung bei „The Dish“ blieb.

The Dish war in eine ganze Reihe von Weltraum-Missionen involviert, darunter die Voyager 2-Mission bei der man nah an Uranus und Neptun herankam und Bilder der Planeten lieferte, die Giotto-Mission, bei der man 1986 nah an Halleys Komet vorbeiflog, und die Galileo-Mission, bei der 1997 Jupiter fotografiert wurde.

The Dish besitzt ein kleines Besucherzentrum sowie zwei kleine Kinos, in denen Filme die Radioastronomie und das Sonnensystem erklären. Während der Eintritt in das Besucherzentrum kostenlos ist, wird für die Kinos ein kleiner Obolus fällig. Da The Dish ein wenig abseits der Zivilisation liegt, gibt es ein Café mit Speisen und Getränken sowie kostenlose Picknick- und Barbecue-Anlagen.

Unglücklicherweise wird The Dish ständig genutzt und ist daher Besuchern nicht zugänglich. Gelegentlich gibt es im Observatorium aber einen Tag der offenen Tür, an dem die Öffentlichkeit die Schüssel besteigen und sich anschließend den Vortrag eines dortigen Wissenschaftlers anhören kann. In der Vergangenheit wurden diese Tage der offenen Tür mit einer Vorführung von The Dish unter dem Sternenhimmel abgerundet.

Wenn Sie sich The Dish nähern, sollten Sie alles ausschalten, was einen Radiosender enthält (z. B. Ihr Mobiltelefon) – The Dish lauscht auf sehr schwache Radiosignale aus dem Kosmos und muss sich nicht auch noch Ihr Geschnatter anhören. Da Parkes etwas abseits liegt, könnten Sie die Reise mit einem großen lokalen Event verbinden. Das Parkes Elvis Festival (das jedes Jahr in der zweiten Januarwoche stattfindet) sollte man nicht verpassen.

Abgesehen vom bisher Genannten liegt der Hauptverwendungszweck der 64 Meter großen Schüssel in der Radioastronomie, mit einem besonderen Schwerpunkt auf Pulsaren (siehe Kasten). Im Laufe der Jahre wurde The Dish immer wieder aufgerüstet, um die unglaublich schwachen Signale, die die Erde erreichen, noch besser verarbeiten zu können.

Praktische Informationen

Informationen über das Parkes Radioteleskop und andere australische Observatorien finden Sie auf http://outreach.atnf.csiro.au/.

Kapitel 2. Zentralfriedhof, Wien, Österreich

48° 8′ 58″ N, 16° 26′ 28″ E

Ein Wissenschaftler zwischen Komponisten

Falls Sie einen Grund brauchen, um die wunderschöne österreichische Hauptstadt zu besuchen, empfehle ich den Zentralfriedhof. Auch wenn der Friedhof nicht zu den berühmtesten Sehenswürdigkeiten Österreichs zählt, so handelt es sich hier doch um die letzte Ruhestätte vieler berühmter Österreicher und auch Nicht-Österreicher, darunter Beethoven, Brahms, Schubert, vier Strausse und eine ganze Reihe weiterer Künstler und auch Politiker. Doch das Grab, das auf den wissenschaftlich interessierten Besucher wartet, ist das mit einer grundlegenden Formel zur Thermodynamik auf dem Grabstein.

Dieses Grab ist das von Ludwig Boltzmann, dem österreichischen Physiker, der die statistische Mechanik (die zu erklären hilft, wie die fundamentalen Eigenschaften von Atomen, etwa Masse und Ladung, die Eigenschaften der Materie bestimmen) entwickelt hat und der zeigte, dass durch die Gesetze der Mechanik auf atomarer Ebene das zweite Gesetz der Thermodynamik (einfach ausgedrückt die Tatsache, dass Wärme von einem kälteren Körper nicht zu einem wärmeren fließen kann) erklärt werden kann. Die entsprechende Gleichung Boltzmanns wird Ihnen natürlich nicht vorenthalten (siehe Abbildung 2.1).

Abbildung 2.1 Boltzmanns Gleichung

Boltzmann lebte im 19. Jahrhundert (er starb kurz nachdem das 20. Jahrhundert eingeläutet wurde) und glaubte fest daran, dass Materie aus Atomen und Molekülen bestehe. Trotz der Tatsache, dass Dalton (siehe Kapitel 55) 1808 die Atomgewichte beschrieben hatte, gab es immer noch eine Debatte über die Existenz von Atomen. Doch Boltzmann nutzte Daltons (von anderen als unbewiesen betrachtete) Theorie, und wandte die Wahrscheinlichkeitstheorie mittels statistischer Mechanik auf die physikalische Welt an – mit ungeheueren Auswirkungen.

Statistische Mechanik und Entropie

Die Beziehung zwischen den Makrozuständen (wie Volumen, Temperatur und Druck) und den Mikrozuständen (Lage, Masse und Geschwindigkeit einzelner Atome) eines Materials ist für die statistische Mechanik von grundlegender Bedeutung, und Boltzmann hat diese Grundlagen gelegt. Die Makrozustände sind einfach zu messen, die Mikrozustände nicht.

Von außen betrachtet lässt sich eine mit Luft gefüllte Flasche durch eine kleine Anzahl von Makrozuständen beschreiben – ihr genaues Volumen, die Temperatur und der Druck beispielsweise gemessen werden. Doch innerhalb der Luft bewegen sich Moleküle und stoßen zusammen. Bei jedem einzelnen festen Makrozustand verändern sich die Mikrozustände ständig. Dennoch gibt es eine Beziehung zwischen den Mikro- und Makrozuständen.

Boltzmanns Entropie kann man sich als Gradmesser für das Chaos innerhalb der Flasche vorstellen, oder als Maß für die Anzahl verschiedener Möglichkeiten, in der sich die Moleküle in der Luft selbst anordnen können, um das gleiche Volumen, den gleichen Druck und die gleiche Temperatur zu erzielen.

Nehmen Sie als Beispiel einmal an, Sie ließen einen Stapel mit 52 Spielkarten auf den Boden fallen und der Makrozustand in diesem Beispiel wäre die Anzahl der Karten, deren Bildseite oben liegt. Dieser kann dann, genau wie das Volumen, die Temperatur und der Druck, ganz einfach gemessen werden. Doch für jede Anzahl mit der Bildseite oben liegender Karten gibt es viele Möglichkeiten, welche individuellen Bildseiten zu sehen sind, d.h. für jeden Makrozustand gibt es viele mögliche Mikrozustände (jede Karte hat ihren eigenen Mikrozustand, der angibt, ob die Bildseite oben liegt oder nicht).

Wenn alle Bildseiten oben liegen, herrscht nur wenig Chaos, da der Mikrozustand jeder Karte bekannt ist. Das gleiche gilt, wenn alle Bildseiten unten liegen. Das größte Chaos herrscht in der Mitte dieser beiden Extreme: wenn 26 Bildseiten zu sehen sind, und 26 nicht. Dann gibt es 495.918.532.948.104 mögliche Mikrozustände.

In Boltzmanns berühmter Gleichung (wie sie Max Planck interpretiert) wird die Anzahl möglicher Mikrozustände, W, für eine gegebene Menge von Makrozuständen verwendet. Die Konstante k ist als Boltzmannsche Konstante bekannt. Der resultierende Wert S, die Entropie, ist ein Mikrozustand wie Volumen, Temperatur oder Druck, und kann für ein ideales Gas berechnet werden (mehr zu idealen Gasen finden Sie in Boyle und die Gasgesetze).

Für jedes gegebene Volumen, jede Temperatur und jeden Druck ist die Entropie S ein Maß dafür, wie unsicher wir uns im Bezug auf den internen Zustand des Gases sind.

Boltzmanns Gleichung ist in seinen Grabstein gemeißelt, weil sie die fundamentale Beziehung zwischen der mikroskopischen Welt sich bewegender und kollidierender Atome und der makroskopischen Welt von Temperatur, Druck und Volumen darstellt.

Zusammen mit James Clerk Maxwell (siehe Kapitel 35) und Josiah Willard Gibbs war Boltzmann einer der wichtigsten Physiker des 19. Jahrhunderts. Sein Grab (Abbildung 2.1) mit der berühmten Gleichung in Stein gemeißelt und der imponierenden Büste des Wissenschaftlers ist ein Zeugnis seiner Bedeutung. Er ruht hier zwischen anderen Mitgliedern seiner Familie.

Abbildung 2.2 Boltzmanns Grab; zur Verfügung gestellt von Martin Röll (martinroell)

Der Friedhof selbst ist riesig: Auf 2,4 Quadratkilometern haben etwa drei Millionen Menschen ihre letzte Ruhe gefunden. Damit ist er einer der größten Europas. Ein Bereich ist namhaften Persönlichkeiten vorbehalten, von denen Boltzmann der einzige Wissenschaftler ist.

Wenn Sie in Wien sind, lohnt es sich auch, das kleine Museum in Freuds früherem Haus zu besuchen.

Praktische Informationen

Die Bahnlinie 71 hat mehrere Haltestellen am Zentralfriedhof. Boltzmanns Grab befindet sich im Abschnitt 14C des Friedhofs. Die Haltestelle Zentralfriedhof Tor 2 liegt hier am nächsten.

Kapitel 3. Atomium, Brüssel, Belgien

50° 53′41″N, 4° 20′28″E

Ein Eisenkristall

Das Atomium in Brüssel wurde anlässlich der Weltausstellung 1958 gebaut. Es repräsentiert die Kristallstruktur von Eisen (tatsächlich nur eines der Allotrope von Eisen, siehe Kasten) und besteht aus einer Stahlkonstruktion mit einer Außenhaut aus Aluminium. Wie der Eiffelturm war auch das Atomium nicht als ständige Konstruktion geplant, hat aber aufgrund seiner Popularität überlebt.

Das Atomium besteht aus 9 Sphären, die die Eisenatome darstellen. Diese sind durch 20 Röhren miteinander verbunden, die die Bindung zwischen den Eisenatomen repräsentieren. Zusammen bilden sie einen Würfel mit Eisenatomen an den Eckpunkten und einem einzelnen Eisenatom in der Mitte. Die Würfelstruktur sitzt aus ästhetischen Gründen auf einem Eckpunkt und wird durch zusätzliche Pfeiler gestützt, die mit den erdnahen Sphären verbunden sind. Das gesamte Gebilde ist über 100 Meter hoch.

Zwischen 2004 und 2006 wurde das Atomium umfassend renoviert. Das korrodierte Aluminium wurde entfernt und durch rostfreien Stahl (der nicht aus dem Allotrop besteht, das durch das Atomium selbst repräsentiert wird) ersetzt.

Innerhalb des Atomiums geschieht so einiges. In der Sphäre am Boden gibt es eine Ausstellung zu den 1950ern und zur Weltausstellung 1958. Eine der anderen Sphären beherbergt temporäre Ausstellungen. In der obersten Sphäre befindet sich ein Restaurant mit Panoramablick über Brüssel. Es gibt sogar eine Sphäre, die ausschließlich für Schulausflüge genutzt wird – die Kinder können darin übernachten.

Eisen-Allotrope

Das Eisenkristall, dass durch das Atomium dargestellt wird, ist tatsächlich nur eine von drei möglichen Strukturen (oder Allotropen) des Eisens: Alpha, Beta und Delta. Allotropie (das Bilden verschiedener Strukturen aus einem einzelnen Element) ist nicht auf Eisen beschränkt. Andere Elemente (wie Kohlenstoff und Sauerstoff) besitzen ebenfalls Allotrope.

Wenn geschmolzenes Eisen abzukühlen beginnt, formt es zuerst das Delta-Allotrop, das ein Eisenatom an jeder Ecke sowie ein einzelnes Eisenatom in der Mitte des Würfels besitzt. Jedes Atom ist mit vier anderen Atomen verbunden (den direkten Nachbarn an den Seiten des Würfels sowie dem zentralen Atom). Diese Struktur wird »kubisch-raumzentriert« genannt und ist die Struktur, die das Atomium darstellt (siehe Abbildung 3.1).

Abbildung 3.1 Kubisch-raumzentriert

Das Eisen-Delta-Allotrop

Wenn sich Eisen weiter abkühlt (unter 1394°C), wird das Gamma-Allotrop, das eine andere Struktur besitzt, gebildet. Gamma-Eisen ist kubisch-flächenzentriert (siehe Abbildung 3.2). Es besitzt eine Würfelstruktur mit Atomen an den Ecken, und zusätzlich ein einzelnes Atom in der Mitte jeder Fläche des Würfels. Gamma-Eisen wird zur Herstellung rostfreien Stahls verwendet und dazu mit Chrom vermischt. (Das Chrom bildet eine unsichtbare Oxidschicht auf der Außenseite des rostfreien Stahls, die es vor Korrosion schützt.)

Abbildung 3.2 Kubisch-flächenzentriert

Bei weniger als 912°C bildet Eisen das letzte Allotrop, die Alpha-Form. Sie hat die gleiche Struktur wie das Delta-Allotrop, weist aber die wichtige Eigenschaft auf, ferromagnetisch zu werden, sobald die Temperatur unter 770°C fällt. (770°C ist die sogenannte Curie-Temperatur. Wird diese Temperatur überschritten, dann verliert ein ferromagnetisches Material seinen Magnetismus). Das Alpha-Allotrop wird bei Gusseisen und der Stahlherstellung verwendet.

Kohlenstoff-Allotrope

Die wohl interessantesten Allotrope sind die aus Kohlenstoff. Kohlenstoff besitzt viele verschiedene Allotrope wie Diamant, Graphit und Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Diamanten bilden eine komplexe Struktur mit Tetraedern aus vier Kohlenstoffatomen, die so miteinander verbunden sind, dass sie in einen Würfel passen. Diese Struktur wird als Diamantwürfel bezeichnet (siehe Abbildung 3.3).

Abbildung 3.3 Diamant-Struktur

Falls Sie keine Diamanten Ihr Eigen nennen, besitzen Sie wahrscheinlich ein anderes Kohlenstoff-Allotrop: Graphit, das man in Bleistift-Spitzen findet. Graphit ist vom ersten Eindruck her das völlige Gegenteil vom Diamant – weich, schwarz und undurchsichtig. Der Kohlenstoff im Graphit besteht aus hexagonalen Einheiten, die sich zu flachen Lagen miteinander verbinden (Abbildung 3.4). Diese Lagen liegen übereinander. Wenn Luft vorhanden ist, können sie »herumrutschen«, was Graphit zu einem nützlichen Gleitmittel macht.

Abbildung 3.4 Graphit-Struktur

Wieder andere Allotrope des Kohlenstoffs formen Röhrchen (sog. Nanoröhrchen). Ein Nanoröhrchen besteht aus einer Lage von Kohlenstoff-Atomen in einer hexagonalen Struktur wie bei Graphit, die zu einem Röhrchen gedreht wurde (Abbildung 3.5).

Abbildung 3.5 Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Nanoröhrchen sind extrem fest und starr, sehr gute Hitzeleiter, und können sowohl Halbleiter als auch gute Leiter bilden. Sie sind aber eine noch relativ junge Entdeckung und werden nur langsam kommerziell eingesetzt. Wahrscheinlich werden sie für das 21. Jahrhundert so bedeutend werden wie Stahl für das 19. Jahrhundert.

Wenn Sie sich fragen, warum sie hier kein Foto sehen, dass Ihnen zeigt, wie cool das Atomium ist, dann liegt das daran, dass man diese nicht einfach veröffentlichen darf. Aufgrund des belgischen Urheberrechts besteht das Atomium darauf, dass es das Copyright an den betreffenden Fotografien erhält, auch wenn diese von anderen aufgenommen wurden. Für jede Reproduktion müssen hohe Summen gezahlt werden. Glücklicherweise gibt es das Web. Um sich das unglaubliche Gebilde anzusehen, suchen Sie auf Google-Bilder einfach nach »Atomium«.

Das Innere des Atomiums ist zwar recht interessant, beherbergt jedoch nichts von wirklich wissenschaftlichem Interesse. Sie können sich also den Eintritt sparen und die Struktur von außen betrachten. Schließlich gilt das Urheberrecht nicht für Bilder auf der Retina.

Praktische Informationen

Informationen zum Atomium und Details zu einem Besuch finden Sie auf http://www.atomium.be/.

Kapitel 4. Baddeck, Nova Scotia, Kanada

46° 6′0″N, 60° 45′15″W

Alexander Graham Bells Sommerresidenz

Den Spuren Alexander Graham Bells zu folgen ist nicht leicht. Er ist oft umgezogen und hat an einer Vielzahl von Erfindungen gearbeitet. Bell wurde 1847 in der South Charlotte Street 16 in Edinburgh, Schottland, geboren und bis zur Highschool zu Hause unterrichtet. Er zog dann als junger Mann nach England und half seinem Vater dabei, Gehörlosen das Sprechen beizubringen. 1870 emigrierte er mit seiner Familie nach Kanada. Er verbrachte einige Jahre in den Vereinigten Staaten (hauptsächlich in der Umgebung von Boston) und wurde amerikanischer Staatsbürger. Seine Eltern blieben in Kanada in Brantford, Ontario. Bell besuchte sie oft und hatte dort auch eine Werkstatt.

Doch der beste Ort, um Bells Leben und Werk zu verstehen, liegt in Nova Scotia, wo Bell von 1889 bis zu seinem Tod im Jahr 1922 lebte.

Bell ist (natürlich) für die Erfindung des Telefons bekannt, doch zu Beginn wollte er eine Methode entwickeln, mehrere Telegraphensignale über dieselbe Leitung senden zu können. Er arbeitete an seinem harmonischen Telegraphen, der mehrere Signale – jedes mit einer eigenen Tonlage – zur gleichen Zeit über die gleiche Leitung senden konnte. Gleichzeitig zu seiner Forschung unterrichtete er weiterhin Gehörlose in Boston.

Weil er Angst davor hatte, dass man seine Ideen stehlen könnte, arbeitete er im Geheimen mit seinem Assistenten Thomas Watson daran, Sprache über ein Kabel zu übertragen. Am 10. März 1876 zeichnete Bell ein Diagramm eines funktionierenden Telefons in sein Notizbuch (Abbildung 4.1).

Abbildung 4.1 Bells Telefon: 10. März 1876

Ein Teil des Textes liest sich wie folgt:

Mr Watson was stationed in one room with the Receiving Instrument. He pressed one ear closely against S and closed his other ear with his hand. The Transmitting Instrument was placed in another room and the doors of both rooms were closed.

I then shouted into M the following sentence: »Mr Watson – Come here – I want to see you.« To my delight he came and declared that he had heard and understood what I said.

Sie tauschten die Plätze und Watson sprach nun ins Mikrofon. Bells weitere Eintragungen lauten:

and finally the sentence »Mr Bell. Do you understand what I say? DO-YOU-UNDERSTAND-WHAT-I-SAY« came quite clearly and intelligibly.

Bell ließ sich das Telefon schnell patentieren und gründete die Bell Telephone Company. Mit dem Geld aus seiner Erfindung konnte Bell die Forschung an anderen Ideen fortsetzen. Er heiratete und baute ein großes Haus auf Cape Breton Island. Dieses Haus in der Nähe der Ortschaft Baddeck gehört immer noch der Familie Bell.

Die nahegelegene Alexander Graham Bell National Historic Site betreibt ein Museum zu Bells Leben und Wirken. Hier wird seine Arbeit mit Gehörlosen gewürdigt, seine Erfindung des Telefons veranschaulicht und seine Begeisterung für Tragflügelboote, die er neben seinen vielen anderen Interessen auch noch hatte, dokumentiert. 1919 erreichte Bells Tragflügelboot, die HD-4, die Welt-rekordgeschwindigkeit von fast 71 mph (ca. 114 km/h). Eine Rekonstruktion der HD-4 ist im Museum ausgestellt.

Das Photophone

Bell betrachtete das Telefon nicht als seine größte Erfindung. Diese Ehre blieb dem Photophone vorbehalten, einem Telefon, das Licht zur Übertragung von Sprache verwendete. (Bells Zeichnung des Gerätes ist in Abbildung 4.2 zu sehen). Im Entwurf des Photophones ist die Verwendung von Licht (in Form von Lasern und Glasfaserkabeln) zur Telekommunikation sowie der Einsatz parabolischer Reflektoren als Empfänger (siehe Kapitel 48) vorweggenommen.

Abbildung 4.2 Das Photophone

Bell hat in Washington, DC, das Volta Laboratory gegründet (aus dem später die berühmten Bell Labs wurden). Am 3. Juni 1880 übertrug Bell dort mit Hilfe seines Photophones Sprache über eine Straße hinweg. Er war sich so sicher, dass das Photophone seine größte Erfindung war, das er sogar ein Muster des Gerätes in versiegelten Blechkisten bei der Smithsonian Institution hinterlegte, um sicherzustellen, das er als Erfinder anerkannt werden würde. Die Kisten wurden schließlich 1937 geöffnet.

Das Photophone funktionierte durch die Fokussierung von Sonnenlicht auf einen Spiegel. Der Spiegel vibrierte durch die Stimme des Sprechers und reflektierte das Licht auf einen parabolischen Spiegel im Empfänger. Im Mittelpunkt des Parabolspiegels war eine Photozelle angebracht. Der Widerstand der Photozelle änderte sich mit der Menge des einfallenden Lichts, d.h. Bell hat den sich verändernden Widerstand genutzt, um den durch das Licht übertragenen Ton zu reproduzieren.

Bell half auch beim Aufbau der Aerial Experiment Association von Baddeck. Die AEA wurde 1907 mit Hilfe des Maschinenbau-Experten Glenn Curtiss (Informationen zum Glenn H. Curtiss-Museum finden Sie in Kapitel 112) gegründet. Eines der AEA-Flugzeuge, die June Bug, gewann den ersten Luftfahrtpreis für einen Flug von einem Kilometer.

Praktische Informationen

Parks Canada stellen Informationen zu einem Besuch der Alexander Graham Bell National Historic Site unter http://www.pc.gc.ca/lhn-nhs/ns/grahambell/index_e.asp bereit.

Kapitel 5. Mendel-Museum für Genetik, Brünn, Tschechische Republik

49° 11′27.46″N, 16° 35′34.85″E

10 Jahre Erbsen beobachten

Im Jahre 1865 schrieb und veröffentlichte ein in Brünn (das heute zur Tschechischen Republik gehört) lebender Mönch eine wissenschaftliche Arbeit, die heute als Grundlage der modernen Genetik gilt. In seiner Arbeit, Versuche mit Pflanzenhybriden, fasste Gregor Mendel die Ergebnisse von Experimenten zusammen, die er über eine Dekade lang mit 30.000 Pflanzen der Sorte Pisum sativum (uns als gemeine Erbse bekannt) durchgeführt hatte.

Mendel beschrieb, wie sieben Schlüsselmerkmale von Generation zu Generation weitergegeben wurden. Er beobachtete sorgfältig Form und Farbe der Saat, die Farbe der Blüten sowie Größe und Form des Pflanzenstiels.

Durch sorgfältige Versuche mit Kreuzungen verschiedener Pflanzenstämme entdeckte er, dass einige Merkmale dominant waren, andere hingegen rezessiv. Aus seinen Beobachtungen schlussfolgerte er, dass jede Erbse zwei Kopien jedes Merkmals enthielt und das bestimmte Formen individueller Merkmale andere Merkmale dominieren könnten. Er zeigte beispielsweise, dass violette Pflanzen die weißen Pflanzen dominierten, und identifizierte die dominanten Formen jeder der sieben untersuchten Sorten. Nur wenn für beide Kopien das rezessive Merkmal galt, würde diese Version auch tatsächlich herauskommen (was beispielsweise zu einer weißen Blume führen würde).

Das veranlasste ihn zur Entwicklung von drei Gesetzen zur Vererbung (siehe Kasten), die die Zeit überdauert haben. Mit unserem modernen Wissen über Chromosome und DNA können wir den der Mendelschen Vererbung zugrunde liegenden Mechanismus verstehen. Doch Mendel wusste davon nichts. Er theoretisierte einfach anhand der ihm vorliegenden Daten.

Der Schlüssel zu Mendels Erfolg war die sorgfältige Dokumentation dessen, was er sah, und die Tatsache, dass er mit Pflanzen anfing, die sich in genau einem Merkmal unterschieden, dass er dann untersuchen konnte, z. B. die Pflanzenfarbe. Wenn diese Pflanzen dann immer nur Nachkommen mit der gleichen Farbe hatten, waren sie reinerbig, was ein guter Ausgangspunkt für seine Experimente war.

Zur gleichen Zeit, als Darwin (siehe Kapitel 6) den Prozess der Evolution beschrieb, entschlüsselte Mendel den Mechanismus, mittels dessen die Evolution funktionierte.

Das Mendel Museum für Genetik findet sich heute in der Abtei St. Thomas, dem Augustinerkloster, in dem Mendel lebte und arbeitete. Das Museum deckt von Mendels Versuchen bis zum aktuellen Stand der Enträtselung der Geheimnisse der DNA alles ab. Auf dem zum Museum führenden Flur finden Sie einen Pfad mit DNA-Buchstaben.

Außen findet man die Fundamente der von Mendel verwendeten Gewächshäuser sowie einen wiederhergestellten Garten voller Erbsen. Hier zeigt sich noch einmal deutlich, dass violett die dominierende Farbe ist. Es gibt auch eine Sammlung von Bienenstöcken. Mendel beschäftigte sich mit vielen anderen Projekten: Er züchtete Bienen, notierte die Wetterlage, studierte Mathematik und lehrte an einer lokalen Schule. Schließlich wurde er Abt des Klosters.

Das Kloster liegt im malerischen alten Brünn in der Nähe des Zentrums. Man kann das Museum und die Stadt bequem an einem Tag besuchen. Wien, Prag und Bratislava sind jeweils zwei Autostunden entfernt.

Wenn Sie Brünn besuchen (oder eine andere tschechische Stadt), dann ist es unverzichtbar, das tschechische Bier zu probieren. In der Nähe des Klosters finden Sie die Brauerei Starobrno, die ihr Bier schon seit Mendels Zeit braut. Doch trinken Sie nicht zuviel: Im Museum finden regelmäßig Vorträge über Genetik statt. Hierzu werden Gelehrte aus der ganzen Welt eingeladen (einen Kalender finden Sie auf der Website). Wenn Sie den Vorträgen folgen möchten, brauchen Sie dazu schon einen klaren Kopf.

Praktische Informationen

Besucherinformationen zum Mendel-Museum finden Sie unter http://www.mendelmuseum.muni.cz/de/. Alle Informationen sind im Museum auch auf Deutsch verfügbar, und geführte Touren in deutscher Sprache sind ebenfalls möglich.

Die Mendelschen Regeln

Bei den drei von Mendel formulieren »Gesetzen« (heute Regeln) handelt es sich um die Uniformitätsregel, die Spaltungsregel und die Unabhängigkeitsregel. Sie beschreiben die Regeln der Vererbung.

Die Uniformitätsregel (auch Reziprozitätsregel genannt) gilt, wenn zwei Individuen gekreuzt werden, die sich in einem Merkmal unterscheiden, für das sie beide jeweils reinerbig (homozygot) sind. Die Nachkommen der ersten Generation sind dann uniform, d. h. bezogen auf das untersuchte Merkmal untereinander gleich. Beim dominant-rezessiven Erbbang ist dann bei allen Nachfahren das betreffende Merkmal eines Elternteils ausgeprägt, beim intermediären Erbgang haben alle Nachfahren dieselbe Mischform aus den Merkmalen beider Eltern. Die Spaltungsregel (auch Segregationsregel genannt) gilt, wenn zwei Individuen gekreuzt werden, die beide gleichartig mischerbig (heterozygot) sind, also z. B. zwei Pflanzen, die beide für die Blütenfarbe die Erbanlagen »weiß« und »violett« gleichermaßen aufweisen. Die Nachkommen einer solchen Heterozygoten-Kreuzung sind untereinander nicht mehr uniform, sondern spalten sich bezüglich der Merkmalsausprägung auf. Handelt es sich um eine dominant-rezessive Vererbung, so sind ein Viertel der Nachkommen reinerbig mit zwei rezessiven Erbanlagen und zeigen eine entsprechende Merkmalsausprägung (im Falle der Erbsen weiße Blüten). Die anderen drei Viertel zeigen eine Ausprägung wie reinerbige Individuen mit zwei dominanten Erbanlagen. Bei der Ausprägung des Merkmals besteht somit ein Verhältnis von 3:1. Die drei Viertel der Nachfahren, für die die Ausprägung des dominanten Merkmals gilt (bei den Erbsen sind das dann die violetten Blüten) setzen sich zusammen aus einem Viertel reinerbigen und zwei Viertel mischerbigen Individuen. Beim intermediärer Vererbung weist je ein Viertel der Nachkommen eine der beiden reinerbigen Varianten und die Hälfte der Individuen die Mischform der 1. Generation auf (Verhältnis von 1:2:1). Wenn wir also beispielsweise eine rote und eine weiße Rose kreuzen, und die Vererbung der Farbe dem intermediären Erbgang folgt, ist ein Viertel der Nachkommen rot, ein Viertel weiß und die übrige Hälfte eine Mischform. Sie könnten zum Beispiel rosa sein. Mendel schloss daraus, dass bei der Züchtung von Nachkommen nur ein Gen jedes Vorläufers ausgewählt wird. (Heute wissen wir, dass der Grund darin liegt, dass nur die Hälfte der Eltern-DNA für die Nachfahren verwendet wird). Die dritte Regel, die Unabhängigkeits-regel oder auch Neukombinationsregel, beschreibt das Vererbungsverhalten von zwei Merkmalen (z. B. Samenfarbe und Samenform) bei der Kreuzung reinerbiger Individuen und deren Nachkommen. Beide Merkmale werden unabhängig (daher der Name der Regel) voneinander vererbt, wobei ab der Enkelgeneration neue, reinerbige Kombinationen auftreten.

Mendel vertrat die These, dass jedes Merkmal einer Erbse (wie etwa die Pflanzenfarbe) tatsächlich durch zwei charakteristische Einheiten (die er Faktoren nannte) bestimmt wird. Heute bezeichnen wir diese Faktoren als Gene. Durch Versuche hat Mendel entdeckt, dass einige Gene dominant und andere rezessiv sind. Bei der Erbse ist das Gen die Farbe Violett dominant und das Gen für die weiße Farbe rezessiv.

Bezeichnet man das Violett-Gen als V und das Weiß-Gen als w, dann kann eine Erbsen-Pflanze jede Kombination dieser beiden Gene enthalten (VV, Vw, wV, oder ww), doch wenn eines dieser Gene ein V ist, werden die Pflanzen violett. (Die Kombination der Gene wird als Genotyp, ihr physikalischer Ausdruck als Phänotyp bezeichnet.) Weil das V-Gen dominant ist, haben nur Pflanzen mit dem ww-Gentyp einen weißen Phänotyp.

Bei seinen Versuchen begann Mendel mit zwei Gruppen von Pflanzen, die homogene Nachfahren für ein bestimmtes Merkmal produzierten (z. B. nur weiße, oder nur violette Nachfahren). Damit war sichergestellt, dass beide Gene für dieses Merkmal in den Ausgangspflanzen identisch waren. Die weißen Pflanzen enthielten also den ww-Genotyp und die violetten den VV-Genotyp.

Dann kreuzte er diese beiden Gruppen. Bei der Beobachtung zweier Generationen von Pflanzen (zu sehen in Abbildung 5.1), die von diesen »reinen« Vorfahren abstammten, bemerkte er ein Verhältnis von 1:3 (für einen weißen Nachkommen gab es drei violette), und durch sein Wissen um die Kombinatorik konnte er die Aufteilung in dominant und rezessiv herleiten.

Er mischte auch die Merkmale, um zu sehen, ob diese irgendwie verbunden waren. Er konnte dann das Fehlen dieser Verbindungen erkennen, indem er sich einfach die entsprechenden Mengenverhältnisse ansah. Diese Erkenntnisse basierten allein auf Beobachtungen, ohne dass der zugrundeliegende Mechanismus bekannt gewesen wäre. Dennoch waren alle Vermutungen korrekt (zumindest für die von ihm betrachteten Merkmale).

Die Merkmale, die bei der Vererbung den Mendelschen Regeln folgen, werden als Mendelsche Merkmale bezeichnet. Der oben beschriebene Prozess wird Mendelsche Vererbung genannt. Beim Menschen folgen Merkmale wie die Blutgruppe, der von ihnen produzierte Ohrenschmalz, oder ein gespaltenes Kinn den Mendelschen Regeln.

Einige Merkmale werden nicht durch ein einzelnes Gen bestimmt – die einzelnen Gene folgen zwar Mendels Regeln, ihr physikalischer Ausdruck aber nicht. Beim Menschen wird beispielsweise die Augenfarbe durch mindestens zwei Gene festgelegt (eines legt braun oder blau fest, das andere grün oder nussbraun).

Abbildung 5.1 Vererbung der Pflanzenfarbe

Kapitel 6. Galápagos-Inseln, Ecuador

0° 40′0″S, 90° 33′0″W

Die zweite Reise der Beagle

Die Galápagos-Inseln sind ein Archipel vulkanischer Inseln im pazifischen Ozean, etwa 1.000 Kilometer von der Küste Ecuadors entfernt. Sie wurden 1835 von dem britischen Forschungsschiff HMS Beagle besucht, das von 1831 bis 1836 um Südamerika und weiter nach Australien segelte, bevor es nach Großbritannien zurückkehrte. Auf dieser Reise wurden Informationen über sichere Landeplätze und schiffbare Flüsse gesammelt. Der berühmteste Passagier an Bord war der 22 Jahre alte Charles Darwin.

Darwin verbrachte einen Großteil der Reise an Land, wo er geologische Untersuchungen durchführte und Proben der lokalen Fauna und Flora sowie Fossilien sammelte. Während der Reise führte er ein Tagebuch. Kopien des Tagebuches und die Proben wurden nach Britannien zurückgeschickt. Als Darwin nach Hause zurückkehrte, war er eine kleine wissenschaftliche Berühmtheit.

Seinen Schiffskameraden war er zum Zeitpunkt der Reise noch völlig unbekannt. Die Ideen, die er während dieser Zeit entwickelte, bildeten die Grundlage für seine spätere berühmte Theorie. Ein Jahr nach seiner Rückkehr skizzierte Darwin seinen »Baum des Lebens« in ein Notizbuch und setzte die Arbeit an seiner Theorie der natürlichen Selektion fort.

Während der Reise verbrachte Darwin über einen Monat mit der Untersuchung der Galápagos-Inseln. Weil die Inseln so weit entfernt vom Festland lagen und so zahlreich waren, erfüllten sie die idealen Voraussetzungen für die Beobachtung verschiedener Varianten der gleichen Spezies. Darwin bemerkte, dass Schildkröten, Spottdrosseln und Finken auf verschiedenen Inseln beheimatet waren, dass sie sich aber von Insel zu Insel unterschieden.

Künstliche Speziation

Geographische Isolation ist einer der wichtigsten Voraussetzungen, unter der sich eine einzelne Spezies in zwei aufteilen kann. Wenn eine Spezies, wie etwa Darwins Finken, in zwei separate Gruppen aufgeteilt werden, die durch eine geographische Besonderheit (etwa Berge oder Ozeane) voneinander isoliert werden, dann kann es zu allopatrischer Artbildung (allopatrischer Speziation) kommen – die beiden Gruppen entwickeln sich entsprechend ihrer jeweiligen Umwelt auf unterschiedliche Art und Weise.

Über den Beweis existierender Spezies hinaus wurden Experimente durchgeführt, um die Theorie der allopatrischen Speziation zu überprüfen. Dabei wurde eine Population bewusst in zwei Populationen aufgeteilt und diese beiden Gruppen wurden in unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt. Nach einer Reihe von Generationen ist die Evolution beider Gruppen so weit fortgeschritten, dass sie nicht mehr daran interessiert sind, sich miteinander zu paaren. Wissenschaftler verwenden häufig Fruchtfliegen für Experimente der künstlichen Speziation.

Fruchtfliegen sind ein bevorzugtes Werkzeug von Biologen, da sie nur eine kurze Lebenserwartung haben, sich einfach in Laboratorien züchten lassen und leicht verfügbar sind. 1933 ging der Nobelpreis in Medizin an den amerikanischen Wissenschaftler Thomas Hunt Morgan, für seine Entdeckung, dass Chromosomen (lange, einzelne DNA-Stränge) die Gene enthalten, die für die Vererbung von Merkmalen verantwortlich sind.

Abbildung 6.1 Dodds Experiment zur künstlichen Speziation

Er nutzte die Fruchtfliege Drosophila melanogaster und ihre vielen Mutationen, um seine Theorie zu bestätigen.

1989 berichtete Diane Dodd (vom Department of Biology der Universität Yale) von einem Experiment mit Drosophila pseudoobscura (eine Spezies der Fruchtfliege). Bei diesem Experiment wurde eine Population Fruchtfliegen in zwei isolierte Gruppen aufgeteilt (siehe Abbildung 6.1). Eine Gruppe wurde mit Maltose ernährt, die andere mit Stärke. Das Experiment wurde mit drei weiteren Populationen wiederholt, die wiederum in zwei Gruppen aufgeteilt und mit Maltose bzw. Stärke gefüttert wurden.

Die getrennten Gruppen durften sich über ein Jahr lang ernähren und reproduzieren und sterben irgendwann. Dann wurde die Fliegen wieder zusammengeführt und alle mit der gleichen Mischung aus Maismehl, Melasse und Agar gefüttert. Anschließen erhielten sie in einer Reihe von Tests die Möglichkeit, sich miteinander zu paaren. Dabei wurden mit Maltose und mit Stärke gefütterte Männchen und mit Maltose bzw. mit Stärke gefütterte Weibchen gemischt.

Das Experiment zeigte, dass die beiden Populationen sich instinktiv isoliert hatten – sie paarten sich nur mit Fliegen, die aus einer Population stammten, die mit der gleichen Nahrung gefüttert wurden. Daher kann eine durch die Geographie bedingte Isolation (bei der unterschiedliches Futter verfügbar ist) dazu führen, dass sich die Populationen nicht mehr miteinander paaren.

Die Finken waren der Schlüssel-Hinweis für die Theorie der natürlichen Selektion, obwohl Darwin glaubte, dass die auf verschiedenen Inseln von ihm gesammelten Vögel nichts miteinander zu tun hätten. Doch bei seiner Rückkehr nach London wurde deutlich, dass sich diese 12 Finkenarten von allen anderen Finken auf der Welt unterschieden. Er argumentierte, dass die Finken aufgrund der unterschiedlichen Futterquellen auf den verschiedenen Inseln bestimmte Schnabelgrößen und -Formen entwickelt hätten, Er schrieb dazu:

Seeing this gradation and diversity of structure in one small, intimately related group of birds, one might really fancy that from an original paucity of birds in this archipelago, one species had been taken and modified for different ends.

Heute sind nahezu die gesamten Galápagos-Inseln ein Nationalpark und Meer, das sie umgibt, ist ein maritimes Schutzgebiet.

Die mit Abstand beste Möglichkeit zum Besuch der Inseln bietet eine Bootstour, bei der die einzelnen Inseln angefahren werden (nur so können Sie die verschiedenen Habitate sehen und begreifen, wie diese zur Entwicklung der verschiedenen Spezies geführt haben) und Sie Schlafgelegenheiten an Bord erhalten. Es gibt zwar Hotels auf den Inseln, sich dort aufzuhalten, widerspricht jedoch dem eigentlichen Grund eines Besuches – es ist unerlässlich, hinaus zu gehen und zu sehen, was Darwin sah. Die Inseln eignen sich auch hervorragend zum Tauchen und Schnorcheln.

Die größte Ansiedlung befindet sich auf der Insel Santa Cruz. Hier können Sie die Charles Darwin Research Station besuchen, in der viele der auf den Inseln beheimateten Schildkröten-Spezies betreut und studiert werden. Eine Schildkröte mit dem Spitznamen Lonesome George (siehe Abbildung 6.2) soll an die 90 Jahre alt sein. Leider ist er die letzte bekannte Pinta-Riesenschildkröte (er wiegt 88 Kilogramm und sein Durchmesser beträgt einen Meter) und konnte sich mit jüngeren Weibchen ähnlicher Spezies nicht Paaren. Auf der Insel Santa Cruz befindet sich außerdem das El Chato Tortoise Reserve, in dem man viele Riesenschildkröten an einem einzigen Ort sehen kann.

Jede Galápagos-Tour sollte einen Besuch der Inseln Fernandina (wegen ihrer Meerechsen-Kolonie), Bartolomé (wegen ihrer kargen Landschaft und der Möglichkeit, den dortigen mittlerweile inaktiven Vulkan zu erklimmen) und Espanola (wegen ihrer vielfältigen Wildtiere, darunter einer großen Seelöwen-Kolonie) einschließen.

Abbildung 6.2 Lonesome George; zur Verfügung gestellt von Oliver Lee (o spot)

Praktische Informationen

Allgemeine Informationen zum Galápagos-Nationalpark finden Sie auf der Website http://www.galapagospark.org/. Bei vielen Reiseanbietern gibt es Touren um die Inseln. Ecoventura (http://www.ecoventura.com/) bietet CO2-neutrale, englischsprachige Touren an. Die Touren umfassen sieben Übernachtungen und schließen alle wichtigen Sehenswürdigkeiten und auch Schnorcheln mit ein.

Informationen zur Charles Darwin Research Station finden Sie auf http://www.darwinfoundation.org/.

Kapitel 7. Airbus, Toulouse, Frankreich

43° 39′14.32″N, 1° 21′45.11″ E

Der A380

Passagiere, die auf dem kleinen Flughafen von Toulouse landen, sind häufig überrascht, wie viele Düsenflugzeuge nahe der Hauptlandebahn parken. Zu diesen gehören viele Airbus A380, alle in einer korrosionsresistenten grünen Farbe lackiert, und mit der auffälligen Kennzeichnung A300-600ST versehen (die sie als Beluga, eines der größten Flugzeuge der Welt, identifiziert).

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