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Quarks & Co | Unsichtbare Welten | Sendung vom 20.09.11
http://www.quarks.de
Quarks & Co
Quarks & Co Unsichtbare Welten
Autoren:
Axel Bach, Daniel Münter, Max Ostendorf, Ismeni Walter
Redaktion: Monika Grebe
Assistenz: Uta Reeb
Die spektakulärsten Bilder der Wissenschaft
Mit bloßen Augen nehmen wir nur einen Bruchteil der Welt wahr. Aber mit speziellen Kameras, aufwändigen Röntgengeräten,
Mikroskopen oder Teleskopen gelingt es Wissenschaftlern, das Unsichtbare sichtbar zu machen. Quarks & Co lüftet Geheimnisse der
Natur und zeigt die spektakulärsten Bilder.
Schönheit im Allerkleinsten 4 Mit dem Rasterelektronenmikroskop in den Mikrokosmos
Rasterelektronenmikroskope geben faszinierende Einblicke in den Mikrokosmos. Quarks & Co zeigt Details von Pflanzen, Tieren und dem menschlichen Körper in bis zu 500.000facher Vergrößerung.
Live-Bilder aus der Leber 4 Mit dem Mikroskop den Zellen bei der Arbeit zusehen
Wissenschaftler aus Hamburg haben ein altes Mikroskopierverfahren revolutioniert: Mit der Fluoreszenz-Mikroskopie können sie nun erstmals in bislang ungeahnter Qualität
den Zellen von Organen bei der Arbeit zusehen.
Heiße Bienen 4 Mit der Wärmebildkamera der Bienenheizung auf der Spur
Bienen sind faszinierende Insekten. Sie leben in perfekt organisierten Staaten mit Zehntausenden von Tieren. Und gemeinsam schaffen Bienen eine unglaubliche Leistung: Sie
heizen ihr Nest auf bis zu 36 Grad Celsius auf – und sie können die Temperatur auf ein zehntel Grad genau einstellen. Doch wie das genau funktioniert, weiß man erst, seitdem Würzburger Wissenschaftler ein Bienenvolk mit einer Wärmebildkamera beobachtet haben.
Tiere in Bewegung 4 Mit Röntgen- und Zeitlupenkamera gelingt eine neue Sicht auf das Laufen
Mit einer weltweit einzigartigen Tierröntgenanlage schaut Professor Martin Fischer aus Jena Tieren beim Laufen zu. Röntgenblick und Zeitlupenkamera eröffnen eine völlig neue
Sichtweise auf die verborgene Mechanik des Laufens. Die Forschungsergebnisse sind auch Grundlage für neue Kletter- und Laufroboter.
Wer ist der schnellste im ganzen Land? 4 Mit der Zeitlupenkamera im Geschwindigkeitsrausch
Der Mensch kann ganz schön schnell sein. So schnell, dass das eigene Auge die Bewegung nicht mehr wahrnehmen kann. Doch wie schnell ist "schnell"? Und welche
Bewegung ist die schnellste? Quarks & Co lässt vier Profis in ihren Disziplinen antreten: Becherstapeln, Elfmeterschuss, Karateschlag und Stepptanz.
Geschwindigkeitsrekorde im Tierreich 4 Die Top 6 der schnellsten Bewegungen
Anglerfisch, Kolibri, Chamäleon, Fangschreckenkrebs, Schnappkiefer-Ameise und Panama-Termite haben eine Gemeinsamkeit: Sie können Teile ihres Körpers sehr schnell
bewegen. Meist geht es um Beutefang oder Verteidigung: Schnelle Zungen, Mäuler oder Fangscheren. Doch erst mit der Zeitlupenkamera werden die faszinierenden Leistungen
der Tiere sichtbar.
Von schwarzen Löchern und entfernten Galaxien 4 Mit Teleskopen auf der Spur nach dem Ursprung der Welt
Wer heutzutage Sterne am Himmel sehen will, hat es schwer. Das Licht der Zivilisation trübt den Blick ins Universum. Um unbekannte Regionen im Weltall zu erforschen,
treibt es die Astronomen in die entlegensten Winkel der Erde. Dabei blicken die Forscher immer tiefer ins Weltall – auf der Suche nach schwarzen Löchern und fremden
Galaxien.
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Schönheit im Allerkleinsten
Mit dem Rasterelektronenmikroskop in den Mikrokosmos
Rasterelektronenmikroskope gewähren faszinierende Einblicke in den Mikrokosmos. Schon bei
30-facher Vergrößerung erkennt man Details unserer Haut, die man mit einer Lupe nicht mehr
wahrnehmen kann. Quarks & Co zeigt atemberaubende Bilder von ganz alltäglichen Dingen: Egal
ob Fruchtfliege oder Zecke, Schimmel oder Moos, Schweißporen oder Nylonstrumpfhosen: Die
Bilder des Fotografen Oliver Meckes und der Biologin Nicole Ottawa eröffnen eine neue Sicht.
Diese fantastischen Bilder verdanken wir der Rasterelektronenmikroskopie. Das Objekt im
Mikroskop wird dabei mit einem Elektronenstrahl abgetastet und daraus wird das Bild per
Computer errechnet. Zuerst muss den Objekten das Wasser entzogen werden; ebenfalls Fett und
andere Flüssigkeiten. Dann wird das Objekt mit einer hauchdünnen Goldschicht bedampft, denn
nur stromleitende und absolut trockene Objekte können im Vakuum eines gewöhnlichen
Rasterelektronen-Mikroskops betrachtet werden. So entstehen erstmal Schwarz-Weiß-Bilder, die
am Computer von Hand nachkoloriert werden. Tauchen Sie ein in die Welt des Allerkleinsten –
jetzt anschauen!
Autor: Max Ostendorf
Live-Bilder aus der Leber
Mit dem Mikroskop den Zellen bei der Arbeit zusehen
Ein gewöhnliches Lichtmikroskop reicht, um einzelne Zellen – zum Beispiel von der Leber – sichtbar zu machen. Noch viel mehr Details erkennt man mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM): Es
eröffnet sich eine bizarre dreidimensionale Welt. Doch die Bilder haben einen Nachteil: Die Zellen
sind tot. Dr. Heinrich Hohenberg ist das zu wenig: „Was wir möchten, ist, die lebendige Leber im
Organismus zu sehen und dort die Zellen im lebenden Zustand zu untersuchen.“
Auf der REM-Aufnahme erkennt man
links eine leergespülte Ader sowie
Ganz nah dran
weitere Kapillaren des Blutsystems, rote
Blutkörperchen und einzelne Zellen der
Heinrich Hohenberg leitet eine Forschungsgruppe am Hamburger Heinrich-Pette-Institut.
Leber.
Zusammen mit anderen Wissenschaftlern kann er mikroskopisch kleine Zellen im lebenden
Rechte: WDR/HPI
Organismus sichtbar machen; zum Beispiel mit einem speziellen Fluoreszenz-Mikroskop einer
Mäuseleber live bei der Arbeit zusehen.
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Bei der Untersuchung ist die Maus unter Narkose. Ein schwacher Laser strahlt von außen auf ihre
freipräparierte Leber und man sieht im Mikroskop zunächst die äußeren Zellen der Leber. Wenn der
Laserstrahl etwas tiefer tastet, erscheinen die darunterliegenden Zellen. Auf dem Live-Bild des
Mikroskops sieht man das grün eingefärbte, fließende Blut und blau gefärbte Zellkerne.
Mikroskopische Vergrößerung von
Leuchtende Nanopartikeln als Marker
Leberzellen; das fließende Blut ist grün
eingefärbt – die Zellkerne erscheinen
Eine Spezialität der Hamburger: Sie schleusen Nanopartikel in die Blutbahn, die dort bestimmte
blau.
Zellen markieren. Diese Nanopartikel sollen den Blick ins lebende Gewebe deutlich verbessern. Sie
Rechte: WDR/HPI
strahlen viel heller als gewöhnliche Farbstoffe, die man beim Mikroskopieren nutzt. Die Hoffnung
der Wissenschaftler: Die leuchtenden Nanoteilchen könnten in Zukunft helfen, Krebszellen zu erkennen, noch bevor sie einen Tumor bilden. Aber können die Nanoteilchen mikroskopisch kleine Zellen
wirklich im lebenden Organismus sichtbar machen? Das haben die Forscher an Fresszellen der
Leber getestet: Grundsätzlich funktioniert die Methode und Heinrich Hohenberg sieht bereits weitere Anwendungen: „Als nächstes werden wir Viren mit Nanopartikeln markieren, um uns anschauen zu können – zum ersten Mal im Übrigen – wie Viren in den Körper eindringen, wie sie in
die Zellen eindringen und wie sie den Menschen krankmachen, um dann danach entsprechende
Bildunterschrift: Mikroskopischer Blick in
Medikamente zu entwickeln.“
die Leber: Rot eingefärbt erscheinen die
mit Nanopartikeln markierten
Mit dieser Methode lassen sich nicht nur einmalige Live-Mikroskop-Aufnahmen aus dem Inneren
Fresszellen. Das fließende Blut ist grün,
eines lebenden Körpers machen. Die Bilder sollen auch helfen, bisher unbekannte Vorgänge im
die Zellkerne sind blau eingefärbt.
Körper endlich zu verstehen. Sehen Sie sich die spektakulären Mikroskop-Videos aus der Leber an.
Rechte: WDR/HPI
Den Beitrag starten Sie per Mausklick auf www.quarks.de.
Autor: Axel Bach
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Heiße Bienen
Mit der Wärmebildkamera der Bienenheizung auf der Spur
Bienen sind faszinierende Insekten. Sie leben in perfekt organisierten Staaten mit Zehntausenden
von Tieren. Sie kommunizieren miteinander und kümmern sich intensiv um ihren Nachwuchs. Und
gemeinsam schaffen Bienen eine unglaubliche Leistung: Sie heizen ihr Nest auf bis zu 36 Grad
Celsius auf. Damit verblüffen sie auch den Bienenforscher Professor Jürgen Tautz von der
Universität Würzburg: „Die Temperaturen werden von den Bienen sehr konstant gehalten – bis auf
ein Zehntel Grad Celsius genau.“ Er vermutet, dass die Bienen die Temperatur ganz gezielt regeln.
Doch wie das genau funktioniert, war auch Bienenforschern lange unklar. Der Einsatz einer
Wärmebildkamera brachte des Rätsels Lösung zu Tage. Dabei wurden sogenannte Heizerbienen
entdeckt: Die Insekten können ihre Flugmuskulatur auf fast 43 Grad aufheizen und somit gezielt
die Bruttemperatur im Bienenstock steuern. Mit der Temperatur werden verschiedene
Eigenschaften der Arbeiterinnen für Gehirnentwicklung, Lernverhalten, Immunsystem und
Lebensspanne beeinflusst: Kühler bebrütete Bienen arbeiten häufiger und ausdauernder im Stock,
wärmer bebrüteter Nachwuchs hingegen ist intelligenter und kommunikativer.
Wie die Forscher das alles mit einer Wärmebildkamera herausfinden konnten, sehen Sie im QuarksFilm auf www.quarks.de. Darin wird auch das Rätsel gelöst, warum eine Bienenkönigin nicht in
alle Zellen einer Brutwabe Eier legt, sondern immer wieder Lücken lässt.
Autor: Daniel Münter
Linktipp
Webseite der Bienenforschungsgruppe an der Universität Würzburg
http://www.bienenforschung.biozentrum.uni-wuerzburg.de/
Umfassende Informationen zu den Forschungsprojekten der Würzburger Bienenforscher; unter
anderem zu einem Bienenstock, der rund um die Uhr von Kameras und Messfühlern beobachtet
und vermessen wird.
Lesetipp
Phänomen Honigbiene
Autor:
Jürgen Tautz, Helga R. Heilmann
Verlagsangaben:
Spektrum Akademischer Verlag; 2007
ISBN-10:
3827418453
ISBN-13:
978-3827418456
Sonstiges:
288 Seiten, 24,95 Euro
Umfangreiches, informatives Buch rund um die Honigbiene mit vielen faszinierenden Bildern.
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Tiere in Bewegung
Mit Röntgen- und Zeitlupenkamera gelingt eine neue Sicht auf das Laufen
Professor Martin Fischer ist Zoologe aus ganzem Herzen. Lange Zeit konnten er und seine Kollegen
entweder lebendige Tiere von außen beobachten oder sie erforschten das Innere – an toten
Exemplaren. Doch der Jenaer Forscher hat sich einen Traum erfüllt: Mit einer einzigartigen
Röntgenanlage schaut er Tieren beim Laufen zu. Röntgenblick und Zeitlupenkamera eröffnen eine
völlig neue Sichtweise auf die verborgene Mechanik des Laufens – zum Beispiel bei einer Wachtel.
Martin Fischer ist von den Aufnahmen begeistert: „Es ist tatsächlich so, dass wir mit diesen
Filmaufnahmen zum ersten Mal in den sichtbaren Bereich von schnellen Knochenbewegungen vorgedrungen sind. Wir sehen bei den Vögeln sogar, wie sich die einzelnen Zehen bewegen. Das war
bisher nicht möglich.“
Mit der hochauflösenden Röntgenanlage eröffnen sich den Forschern ganz neue Möglichkeiten,
Tiere zu untersuchen. Auf einem Laufband können sie zum Beispiel die Laufgeschwindigkeit variieren und beobachten, wie die Wachtel ihre Knochenbewegungen und damit den Laufstil anpasst.
Das Ziel der Biologen: Stück für Stück wollen sie das Geheimnis des Laufens entschlüsseln.
Doch es werden nicht nur Vögel durchleuchtet. Auch die Klettertechnik einer Ratte verrät viel über
das Geheimnis der effizienten Fortbewegung. Das sind Erkenntnisse, die auch Forscher aus anderen Disziplinen sehr interessieren: Sie sind Grundlage für neue Kletter- und Laufroboter. Noch ist
das Auswerten der Röntgenbilder mühsame Handarbeit, denn in jeder Sekunde Röntgenfilm entstehen 500 bis 2000 Bilder, die einzeln bearbeitet werden müssen.
Viele verschiedene Tierarten haben die Wissenschaftler schon durchleuchtet; darunter 32
Hunderassen, Eichhörnchen, Affen, Katzen, Leguane, Hühner, Ratten und sogar ein Faultier. Und mit
fast jeder Aufnahme betreten die Forscher aus Jena biologisches Neuland. Schauen Sie den
Forschern über die Schulter und sehen Sie die einmaligen Röntgenbilder – auf www.quarks.de
Autor: Daniel Münter
Seite 5
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Wer ist der schnellste im ganzen Land?
Mit der Zeitlupenkamera im Geschwindigkeitsrausch
Der Mensch kann ganz schön schnell sein. So schnell, dass das eigene Auge die Bewegung nicht
mehr wahrnehmen kann. Doch wie schnell ist „schnell“? Und welche Bewegung ist die schnellste? Quarks & Co lässt vier Profis in ihren Disziplinen antreten: Becherstapeln, Elfmeterschießen,
Karate und Stepptanzen.
Unparteiischer Beobachter ist eine Zeitlupenkamera. Sie nimmt 4000 Bilder pro Sekunde auf – statt
der üblichen 25. Damit wird jede reale Sekunde auf über zweieinhalb Minuten gestreckt. Der
Bionikprofessor Tobias Seidl von der Fachhochschule Gelsenkirchen bestimmt mit diesen SuperZeitlupen die Geschwindigkeit der Bewegung. Beim Karateschlag misst er die Strecke aus, die die
Hand in den 0,25 Millisekunden von einem Einzelbild zum nächsten zurückgelegt hat und berechnet daraus die Geschwindigkeit: (im Filmtext sind wir weniger konkret: sinngemäß: „Er misst die
Strecke, die die Hand in einer bestimmten Zeit zurrücklegt.“ War auf die Bilder anders nicht zu verstehen.)beachtliche 53 Kilometer pro Stunde! Doch wer ist der schnellste im ganzen Land? Und
warum fliegt der Fußball schneller als der Fuß tritt? Wie präzise ist ein Stepptänzer? Und wie sieht
Becherstapeln in Zeitlupe aus? Ganz nebenbei sehen Sie auch, wie stark sich die Hand verformt,
die mit einem Karateschlag ein Brett durchhaut. Sehen Sie die faszinierenden Zeitlupenaufnahmen
auf www.quarks.de
Autor: Ismeni Walter
Geschwindigkeitsrekorde im Tierreich
Die Top 6 der schnellsten Bewegungen
Anglerfisch, Kolibri, Chamäleon, Fangschreckenkrebs, Schnappkiefer-Ameise und Panama-Termite
haben eine Gemeinsamkeit: Sie können Teile ihres Körpers sehr schnell bewegen. Meist geht es
um Beutefang oder Verteidigung: Schnelle Zungen, Mäuler oder Fangscheren. Doch erst mit der
Zeitlupenkamera werden die faszinierenden Leistungen der Tiere sichtbar.
Sehen Sie mehr über die schnellsten Bewegungen im Tierreich auf www.quarks.de: Die Top 6 der
schnellsten Bewegungen im Tierreich – von flotten 21 km/h bis zu unglaublichen 250 km/h.
Autor: Max Ostendorf
Linktipps:
Fische in Zeitlupe
http://www.youtube.com/user/Wainwrightlab
Hier gibt es weitere Zeitlupenvideos verschiedener Fische zu sehen, die eine ähnlich rasante
Fangtechnik wie der Anglerfisch haben.
Seite 6
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Fangschreckenkrebs und Schnappkiefer-Ameise
http://www.bio.umass.edu/biology/pateklab/video
Der Internet-Auftritt des Forschungslabors um die Biologin Sheila Patek bietet weitere Videos von
zuschlagenden Fangschreckenkrebsen und fliegenden Schnappkiefer-Ameisen.
Von schwarzen Löchern und entfernten Galaxien
Mit Teleskopen auf der Spur nach dem Ursprung der Welt
Wer heutzutage Sterne am Himmel sehen will, hat es schwer. Das Licht der Zivilisation trübt den
Blick ins Universum. Um unbekannte Regionen im Weltall zu erforschen, treibt es die Astronomen
daher in die entlegensten Winkel der Erde: zum Beispiel in die Atacamawüste in Chile. Forscher
aus 15 europäischen Staaten halten dort in über zweieinhalbtausend Metern Höhe nach etwas
Spektakulärem Ausschau: Sie wollen ein schwarzes Loch im Zentrum unserer eigenen Milchstraße
nachweisen – in einer der größten Sternwarten der Welt. Sie haben vier identische Teleskope mit
über acht Meter großen Spiegeln zu einem einzigen Teleskop zusammengeschaltet. Doch selbst
hier, in der saubersten Luft der Welt, lässt die Atmosphäre die Sterne flackern. Das Flackern verschlechtert die Bilder enorm. Doch die Forscher nutzen einen Trick: Mit einem Laser erzeugen sie
einen genau definierten künstlichen Stern. So können sie das Flackern der Sterne herausrechnen.
Werden sie das Schwarze Loch finden? Und was werden andere Astronomen entdecken, die in
über 5000 Metern Höhe auf dem Chajnantor-Hochplateau in Chile mehr als 50 mobile Teleskope
miteinander zu einem Riesen-Teleskop verbinden? An Höhe übertroffen wird das nur noch vom
Weltraumteleskop Hubble, das die Erde in über 500 Kilometern Höhe umkreist und sagenhafte
Bilder aus der Milchstraße schießt. Diese Bilder sollten Sie nicht verpassen: Sehen Sie den QuarksFilm „Astronomie XXL“ auf www.quarks.de.
Autor: Heinz Greuling
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Lesetipp
Phänomen Honigbiene
Autor:
Jürgen Tautz, Helga R. Heilmann
Verlagsangaben:
Spektrum Akademischer Verlag; 2007
ISBN-10:
3827418453
ISBN-13:
978-3827418456
Sonstiges:
288 Seiten, 24,95 Euro
Umfangreiches, informatives Buch rund um die Honigbiene mit vielen faszinierenden Bildern.
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Linktipps
Forschungsgruppe Elektronenmikroskopie am Heinrich-Pette-Institut (HPI)
http://www.hpi-hamburg.de/forschung/abteilungen-forschungsgruppen/
elektronenmikroskopie.html
Webseite der Bienenforschungsgruppe an der Universität Würzburg
http://www.bienenforschung.biozentrum.uni-wuerzburg.de/
Umfassende Informationen zu den Forschungsprojekten der Würzburger Bienenforscher; unter
anderem zu einem Bienenstock, der rund um die Uhr von Kameras und Messfühlern beobachtet
und vermessen wird.
Fische in Zeitlupe
http://www.youtube.com/user/Wainwrightlab
Hier gibt es weitere Zeitlupenvideos verschiedener Fische zu sehen, die eine ähnlich rasante
Fangtechnik wie der Anglerfisch haben.
Fangschreckenkrebs und Schnappkiefer-Ameise
http://www.bio.umass.edu/biology/pateklab/video
Der Internet-Auftritt des Forschungslabors um die Biologin Sheila Patek bietet weitere Videos
von zuschlagenden Fangschreckenkrebsen und fliegenden Schnappkiefer-Ameisen.
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Impressum:
Herausgegeben
vom Westdeutschen Rundfunk Köln
Verantwortlich:
Quarks & Co
Claudia Heiss
Redaktion:
Monika Grebe
Gestaltung:
Designbureau Kremer & Mahler
Bildrechte:
Alle: © WDR
© WDR 2011
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