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Pflanzen und Roboter sollen im Projekt „flora robotica“ künftig untereinander und mit dem Menschen kommunizieren können.

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Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen an 3,6 Mio. Euro-Projekt beteiligt
Die Kommunikation zwischen Menschen, Pflanzen und Maschinen ermöglichen und dabei Städte neugestalten: Seit 2015 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Nationen unter der Leitung der Universität Paderborn im Projekt „flora robotica“ an intelligenten Pflanzen. An dem von der EU geförderten Forschungsprojekt sind Informatiker, Robotiker, Zoologen, Zellbiologen, Mechatroniker und Architekten aus Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen beteiligt. Insgesamt wird das Projekt mit rund 3,6 Mio. Euro gefördert.

„Diese „intelligenten“ Pflanzen sollen künftig – von Roboterschwärmen angeleitet – unsere Städte architektonisch beleben: Von der kontrolliert begrünten Wand bis hin zu ganzen Häusern aus lebender Biomasse“, erläutert Prof. Dr. Heiko Hamann vom Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn das Projekt. Um dies zu erreichen, entwickelt das internationale Forscherteam sogenannte „biohybride Gesellschaften“ aus Roboterschwärmen und Pflanzen. Neuartige im Projekt entwickelte Technologien machen es erstmals möglich, dass Menschen, Pflanzen und Roboter miteinander auf hohem Niveau kommunizieren und gemeinsame Ziele erreichen können.

Eine der großen Herausforderungen im Forschungsprojekt „flora robotica” ist der Aufbau eines Kommunikationsnetzwerkes zwischen Pflanzen, Menschen und Robotern. Dazu haben die Wissenschaftler völlig neuartige Kommunikationskanäle entwickelt, die sowohl das kurzfristige wie auch das langfristige Wachstum der Pflanzen beeinflussen können: „Die Roboter können den Pflanzen mitteilen, in welche Richtung sie wachsen sollen und die Pflanzen können den Robotern bekannt geben, was sie dafür brauchen, z. B. Wasser oder Licht“, so Hamann.

Pflanzen und Roboter sollen im Projekt „flora robotica“ künftig untereinander und mit dem Menschen kommunizieren können. Foto:Universität PaderbornPflanzen und Roboter sollen im Projekt „flora robotica“ künftig untereinander und mit dem Menschen kommunizieren können. Foto:Universität PaderbornRoboter als Dolmetscher zwischen Mensch- und Pflanzenwelt
Die Roboter kommunizieren aber nicht nur mit den Pflanzen, sie werden auch zu Vermittlern und Dolmetschern zwischen der Menschen- und der Pflanzenwelt. „Wir Menschen können somit erstmals strukturiert, gezielt und geplant an einer völlig neuartigen Pflanzenarchitektur arbeiten“, verdeutlicht Prof. Dr. Heiko Hamann. Forscher erhalten erstmals durch die Roboter in „Echtzeit” Informationen über den Zustand der Pflanzen, wie z. B. Nährstoffmangel. Sie können so darauf reagieren, bevor negative Auswirkungen auf die Pflanze entstehen können. Umgekehrt können auch die Forscher über die Roboter Pflanzen Informationen zukommen lassen. Etwa ob die Pflanze gerade die jeweilige gewünschte architektonische Form bildet oder ihr Wachstum anders ausrichten muss.

Intelligente Pflanzen bauen nachhaltige lebenswerte Umwelten
Bereits jetzt werden Roboter immer wieder eingesetzt, um Pflanzenwachstum zu beeinflussen, etwa in automatisierten Gewächshäusern. In flora robotica gehen die Wissenschaftler einen entscheidenden Schritt weiter: Ihr Ziel ist es, das Pflanzenwachstum durchgehend zu beeinflussen und auf diese Weise innovative neue architektonische Gebilde entstehen zu lassen. Die Roboter werden zu einer Art „Baumeister“ einer völlig neuartigen Pflanzenarchitektur. Die intelligenten Pflanzen sollen künftig dabei helfen, nachhaltige Städte und Lebenswelten aufzubauen, von “lebendigen Mauern” über Möbel bis hin zu ganzen Häusern. Im Projekt flora robotica nimmt aber auch architektonische Ästhetik einen wichtigen Platz ein und es entstehen neue, sich permanent ändernde, ressourcenschonende, architektonische Systeme.

Technologie, die „das Sprechen“ mit Pflanzen möglich macht
Technisch ermöglicht die Kombination einer Vielzahl von Sensoren die Kommunikation zwischen Robotern und Pflanzen. Diese Sensoren funktionieren auf der Basis von verfügbarer Technologie, wie einfachen Abstandssensoren und anderen optischen Sensoren. Zusätzlich hat das Forscherteam aber auch neue Technologien entwickelt: wie Biomassesensoren, die auf der Verzerrung von elektromagnetischen Feldern basieren, oder auch Transpirationssensoren und Sensoren, die den Saftfluss (Xylemsaftfluss) messen.
Manche der symbiotischen Roboter sind stationär, andere wiederum bewegen sich langsam fort, um mit dem Pflanzenwachstum Schritt zu halten. Schnell hingegen funktionieren die Kontrollmechanismen der Roboter, welche die Pflanzen durch Hochintensitäts-LEDs und Vibrationsmotoren beeinflussen. Weiterhin benutzen die Forscher blaues Licht, um die Pflanzen über sogenannten „Phototropismus” zu steuern, indem ihre Wachstumsspitze von der Lichtquelle angelockt wird. Eingesetzt wird aber auch Licht im sogenannten „far-red”-Bereich (zwischen dem Spektrum von sichtbarem und infrarotem Licht), um auf Pflanzen gezielt abstoßend zu wirken. Gleichzeitig werden Vibrationsmotoren eingesetzt, um das Wachstum auf bestimmte Teilbereiche zu beschränken.

In den bisherigen Experimenten wurde das Zusammenspiel zwischen Robotern und einer Vielzahl von verschiedenen Pflanzenarten, wie zum Beispiel Bambus, Bohnen, Bananen oder Tomaten bereits erfolgreich getestet.

Text: Vanessa Dreibrodt Stabsstelle Presse und Kommunikation Universität Paderborn, unbennante Bilder:pixaby,   big merci

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Plastik-Stühle  im Lernzimmer

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Herkömmliche Kunststoffe werden auf Erdölbasis hergestellt und stellen für die Umwelt ein Problem dar, da sie nicht abbaubar sind. Die Arbeitsgruppe um den Konstanzer Chemiker Prof. Dr. Helmut Cölfen hat nun einen völlig neuartigen „Mineral-Kunststoff“ hergestellt, der sich strukturell an Biomaterialien anlehnt. Der Kunststoff ist ein so genanntes Hydrogel, das bei Raumtemperatur aus Kalk (amorphem Calciumcarbonat) und Polyacrylsäure in Wasser hergestellt werden kann. Er kann direkt recycelt oder auch umgeformt werden und ist im gelartigen Zustand „selbstheilend“. In getrocknetem Zustand hat das Hydrogel die Konsistenz einer Krabbenschale und ist biegsam. Das nicht-toxische plastische Material könnte in Zukunft klassische Kunststoffe teilweise ersetzen und dadurch zur Lösung von Umweltproblemen beitragen. Veröffentlicht wurde die Arbeit soeben in der Zeitschrift Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201606536).

Völlig neue Kunststoff-Klasse ist von der Natur inspiriert und leicht abbaubar
Konventionelle Kunststoffe sind in der Regel biologisch nicht abbaubar, und auch der Prozess des Recyclings erfordert wieder Energie. Die Herstellung des Mineral-Kunststoffes durch die Konstanzer Arbeitsgruppe entspricht dem Leitbild der „Grünen Chemie“ und wurde inspiriert durch Mineralisationsprozesse in der Natur, die auf Basis von Calciumcarbonat ablaufen. Das Hydrogel, das Kunststoffe ersetzen könnte, besteht aus Nano-Partikeln von Calciumcarbonat, die durch Polyacrylsäure vernetzt werden. Das ohne Energiezufuhr bei Raumtemperatur entstehende Hydrogel ist formbar und selbstheilend, da sich etwa Risse durch die Zugabe eines Tropfen Wassers von selbst verschließen. Auch das Zusammenfügen zweier (Bau-)Teile ist auf dieselbe Weise möglich. Die Eigenschaft, bei Erhitzen die Farbe zu ändern, ermöglicht zudem einen Einsatz des Gels als Temperatursensor. Dadurch, dass das Material durch Wasserzugabe leicht und ohne Energieaufwand umgeformt werden kann, ist das Recycling problemlos. Durch Zugabe einer schwachen Säure, etwa von Essig- oder Zitronensäure, löst es sich sprudelnd durch Freisetzung von Kohlendioxid auf. Die zurückbleibende Polyacrylsäure ist ungiftig.

Synthese eines „Mineral-Kunststoffes“ (hier: eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels) durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumcarbonat und Polyacrylsäure in Wasser.Synthese eines „Mineral-Kunststoffes“ (hier: eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels) durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumcarbonat und Polyacrylsäure in Wasser.Das "grüne Plastik" ist kostengünstig und lässt sich in großen Mengen problemlos herstellen
„Das Verfahren der Herstellung des Hydrogels ist unmittelbar für die Industrie adaptierbar, zumal die Ausgangsmaterialien kostengünstig großtechnisch hergestellt werden“, erläutert Helmut Cölfen. Nach Trocknung erhält man ein Material wie Plastik, das nicht leicht zerbricht und biegsam ist. Dadurch ist es als Ersatz für herkömmliches Plastikmaterial für Anwendungen in Trockenheit geeignet, etwa für Elektonikbauteile. Als Weiterentwicklung wäre an Überzugsmaterialien zu denken, die dann aber das Recycling möglichst nicht beeinflussen sollten. Die besondere Quellfähigkeit und gleichzeitige Härte nach Trocknung macht das Material für Bauanwendungen interessant, um Risse aufzufüllen.
Im Vergleich zu Biomineralien ist das Hydrogel formbar, während etwa Knochen oder Zähne hart sind, sobald das Biomineral fertig ausgebildet wurde.

Nicht nur im Hinblick auf diese in der Natur ablaufenden Prozesse ist es für die Arbeitsgruppe um Helmut Cölfen an der Universität Konstanz daher interessant, wie die Eigenschaften solcher Gele systematisch verändert und damit noch weitere „Mineral-Kunststoffe“ für spezielle Anwendungen hergestellt werden können. Künftige Forschungsvorhaben werden die neue Substanzklasse auch daraufhin unter die Lupe nehmen, welche medizinischen Anwendungen denkbar sind. Unter anderem sollen weitere Mineralien als Ausgangsstoff getestet werden, und es ist daran gedacht, Polyasparaginsäure als Vernetzungsmittel einzusetzen. Diese ist vollständig biologisch abbaubar.
Originalpublikation: „Hydrogele aus amorphem Calciumcarbonat und Polyacrylsäure: Bioinspirierte Materialien für ‚Mineral-Kunststoffe‘“. Shengtong Sun, Li-Bo Mao, Zhouyue Lei, Shu-Hong Yu und Helmut Cölfen. Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201606536).

Text: Julia Wandt Stabsstelle Kommunikation und Marketing Universität Konstanz, Einleitungs- und Beitragsbild pixabay    

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 Chicorée-Salat-Abfälle bald schon der Rohstoff für Flaschen

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Qualitätsprodukte aus Abfall der Lebensmittelproduktion: Wissenschaftler der Universität Hohenheim gewinnen Basis-Chemikalien für Chemie-Industrie aus Wurzelrübe des Chicorée
Rund 800.000 Tonnen: diese Mengen an Chicorée-Wurzelrüben fallen jährlich europaweit bei der Produktion von Chicorée-Salat als Abfallprodukt an. Die Wurzelrüben werden bisher nach der Ernte des Chicorée-Salats auf der Kompostierungsanlage oder in der Biogasanlage entsorgt. Viel zu schade, so die Ansicht zweier Forscherinnen der Universität Hohenheim. Denn aus diesen Wurzelrüben lässt sich Hydroxymethylfurfural (HMF) gewinnen, eines der Basisstoffe in der Kunststoffindustrie von morgen.         

Ein fensterloser Raum auf der Versuchsstation des Hohenheimer Universitätsgeländes. An den Wänden stehen Regal-Türme mit 3 Etagen voll Wannen, ausgekleidet mit Teichfolie. Darin stehen in Kunststoffkörben aufrecht die 15-20 cm langen Wurzelrüben, aus denen verkaufsfähige Chicorée-Salatknospe innerhalb von 3 Wochen wachsen. Eine Aquariumpumpe umspült die Pflanzen mit einer Nährlösung. Es ist dunkel, damit die Salatblätter in einem gelben Pastellton verbleiben und keine der Chicorée-typischen Bitterstoffe bilden, die den Verzehr beeinträchtigen könnten. Ähnlich wie in dieser Versuchsanlage – nur um ein Vielfaches größer – sieht es bei der kommerziellen Produktion von Chicorée-Salat in so genannten Wasser-Treibereien aus: Denn die zweijährige Chicorée-Pflanze verbringt nur die ersten fünf Monate auf dem Acker. Mitte Oktober werden die Blätter abgemulcht, die Wurzelrüben geerntet, kühl gelagert und dann in die Treibräume gebracht. Erst dort treiben neue Blattknospen aus, die als Chicorée-Salat genutzt werden.
Doch anders als in der Lebensmittelproduktion interessiert sich die Universität Hohenheim vor allem für den nicht-essbaren Rübenanteil. „Die Wurzelrübe macht ca. 30 % der Pflanze aus. Die eingelagerten Reservekohlenhydrate werden für die Bildung der Salatknospen nicht vollständig aufgebraucht, so dass wertvolle Reservestoffe verbleiben. Die Wurzelrüben können jedoch nur einmal für die Chicorée-Treiberei genutzt werden, fallen nach der Knospenernte als Abfallstoff an und müssen entsorgt werden.“, erklärt Agrarbiologin Dr. Judit Pfenning.

Nylon, Polyester, Perlon oder Kunststoffflaschen
Wie wertvoll diese Wurzelrübe tatsächlich ist, zeigt Prof. Dr. Andrea Kruse wenige Schritte entfernt in einem Labor des Instituts für Agrartechnik. Im Hintergrund stehen Bleistift-große Rohrreaktoren aus Edelstahl, die mit Häckseln der Chicorée-Wurzelrübe und Wasser befüllt werden. Die ultrastabilen Druckbehälter werden mit verdünnter Säure versetzt und bis zu 200 Grad erhitzt. Das wässrige Produkt wird anschließend in weiteren Schritten aufbereitet, die der Geheimhaltung unterliegen. Am Ende erhält ihr wissenschaftlicher Mitarbeiter Dominik Wüst ein gelb bis braun gefärbtes kristallines Pulver: ungereinigtes Hydroxymethylfurfural (HMF). Es ist eine von 12 Basischemikalien, die zukünftig in der Kunststoffindustrie verwendet werden. Es dient als Ausgangsstoff für Nylon, Perlon, Polyester oder Kunststoffflaschen – sogenannten PEF-Flaschen im Gegensatz zu den PET-Flaschen. Der Wert im Chemikalien-Großhandel liegt aktuell bei 2000 Euro das Kilo.

HMF aus Chicorée als Teil der Bioökonomie
Bisher werden solche Chemikalien aus Erdöl gewonnen. Wie sie sich nachhaltig produzieren lassen, ist eine Fragestellung der Bioökonomie. Denn diese setzt auf Energie und Rohstoffe aus Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen statt weiterhin auf fossile Rohstoffe. In einem früheren Forschungsprojekt gelang es Prof. Dr. Kruse bereits, die Basischemikalie HMF aus Fruchtzucker – sog. Fructose – zu gewinnen. Die Gewinnung aus Chicorée-Wurzelrüben findet sie eleganter. Denn: „Fructose ist essbar. Es gibt bessere Verwendungszwecke als HMF daraus zu gewinnen.“ Anders die Chicorée-Wurzelrübe. „Sie ist bislang nur ein Abfallprodukt.“

Die Herausforderung: Lagerung und Qualität der Wurzelrüben Eine Herausforderung bei dem Projekt: „Nur wenn wir es schaffen, eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, ist die Wurzel für die Industrie interessant“, erklärt Prof. Dr. Kruse. Deshalb kooperiert die technische Chemikerin mit der Pflanzenwissenschaftlerin Dr. Judit Pfenning vom Fachgebiet Allgemeiner Pflanzenbau. „Die Voraussetzungen sind an sich gut“, erklärt Dr. Pfenning. „auch der Verbraucher, der Chicorée essen will, stellt hohe und einheitliche Qualitätsansprüche an die Chicorée-Salatknospen. Deshalb gelangen nur vergleichsweise einheitliche, höherwertige Wurzelrüben vom Acker in die kommerzielle Wasser-Treiberei.“ Ein weiterer Forschungsaspekt: Wie lassen sich die Wurzelrüben lagern, ohne dass sie an Qualität verlieren. Denn die Chicorée-Produktion ist Saisongeschäft. Die Zulieferer der chemischen Industrie wünschen sich aber eine gleichbleibende Lieferung, um ihre Anlagen kontinuierlich auszulasten. „Es ist ein Projekt, das sich nur durch interdisziplinäre Zusammenarbeit umsetzen lässt“, betonen die Wissenschaftlerinnen. Zum einen die Qualitätskontrollen, Anbau- und Lagerungsversuche im Pflanzenbau, zum anderen die Laborexperimente in der Konversionstechnologie.

HMF aus Chicorée-Wurzelrüben ist hochwertiger als die Chemikalie aus Erdöl
Ein weiterer Aspekt macht das Projekt noch aussichtsreicher: „Die Chicorée-Wurzelrübe eignet sich nicht nur deshalb so gut zur Gewinnung von HMF, weil sie ein Abfallprodukt ist“, betont Prof. Dr. Kruse. „Sie produziert auch eine höherwertige Chemikalie als das Äquivalent aus Erdöl.“ Dadurch könnten PEF-Flaschen aus Chicorée-HMF beispielsweise dünner gezogen werden, als solche aus Erdöl-PET. Das spart Transportkosten und verbessert die Umweltbilanz noch weiter. Ein Teil des Aufkommens an Chicorée-Wurzelrüben wird heute verwendet, um daraus Biogas zu erzeugen. Doch diese Verwendung sei ökonomisch gesehen unterlegen: „Aus ca. 220.000 Wurzelrüben pro Hektar können theoretisch 8,14 Tonnen Inulin gewonnen werden. Das kann nach aktuellem Forschungsstand zu 2,87 Tonnen HMF umgewandelt werden. Über den Verkauf dieser Menge können ca. 5,74 Millionen Euro erzielt werden. Strom aus Biogas dieser Menge Wurzelrüben würde nach EEG jedoch nur rund 21.000 Euro generieren.“

Text: Florian Klebs Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Universität Hohenheim    Bilder: pixabay

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Mammuts Eiszeit Säbelzahntiger

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Bereits vor 20.000 Jahren haben Jäger und Sammler möglicherweise gezielt Feuer eingesetzt und damit zur Entstehung des lichten Charakters der eiszeitlichen europäischen Landschaft beigetragen. Das legt eine kürzlich im Fachjournal "PLOS ONE" veröffentlichte Studie nahe, zu deren Autoren auch eine Senckenberg-Wissenschaftlerin gehört. Es wäre einer der frühesten Hinweise auf einen großflächigen Eingriff des Menschen in die natürliche Vegetation seiner Umgebung. Der Befund erklärt, warum Analysen von Sedimenten belegen, dass in der Eiszeit in Europa eine offene Steppenlandschaft vorherrschte, während Vegetationsmodelle ergeben, dass Teile Europas damals dichter bewaldet gewesen sein müssten.  

Rekonstruktion der letzten Kaltzeit Copyright: Mauricio Antón [CC BY 2.5], via Wikimedia CommonsRekonstruktion der letzten Kaltzeit Copyright: Mauricio Antón [CC BY 2.5], via Wikimedia Commons

Jäger und Sammler spielten mit dem Feuer
Mit der Eiszeit verbindet man vor allem ein Bild: Eine Landschaft aus klirrender Kälte und glitzerndem Schnee durch die Mammuts, Bisons und Wollnashörner streifen. Eine neue Studie legt nahe, dass es bisweilen aber recht hitzig zugegangen sein dürfte. „Wahrscheinlich haben Jäger und Sammler in der Eiszeit vorsätzlich Feuer gelegt und so dazu beigetragen, den offenen Charakter eiszeitlicher Steppenlandschaften in Europa zu schaffen und zu erhalten. Wo das Klima dichte Wälder zugelassen hätte, wurden durch den Einfluss der eiszeitlichen Menschen Steppenlandschaften und lichte, park-ähnliche Wälder geschaffen“, so Dr. Mirjam Pfeiffer, eine Ko-Autorin der Studie vom Senckenberg Biodiversiät und Klima Forschungszentrum.

Zu diesem Ergebnis kamen die Wissenschaftler, indem sie archäologische Funde zu menschlichen Aktivitäten und dem Einsatz von Feuer sowie eiszeitliche Sedimente und Aschereste, die im Boden überdauert haben, auswerteten und mit Vegetationssimulationen verglichen. Eine Erklärung, warum die Jäger mit dem Feuer spielten, hat das Team auch: Einerseits hätten lichtere Landschaften die Jagd erleichtert und es wäre einfacher gewesen, Nahrung in vergleichsweise offenen Landschaften zu sammeln. Andererseits hätten sich die Jäger durch lichtere Vegetation besser fortbewegen können. 
„Einer der entscheidenden Faktoren menschlicher Evolution ist seine Fähigkeit, die Umgebung zu verändern, um darin besser zu überleben. Eiszeitjäger haben vermutlich genau das getan. Sie waren quer durch Europa - von Spanien bis nach Russland - in der Lage, Landschaft und Vegetation entscheidend zu ihren Gunsten zu verändern“, erklärt Pfeiffer und fährt fort „Der erste große Eingriff des Menschen in seine natürliche Umgebung hätte damit mehr als 20.000 Jahre vor der Industriellen Revolution stattgefunden.“ 

Vegetation wurde 20.000 vor Christus massiv beeinflusst
Der Einfluss der Eiszeitjäger erklärt, warum es bisher bei der Rekonstruktion der letzten Kaltzeit, die ihren Höhepunkt zwischen 24.500 bis 18.000 v. Chr erreichte, Widersprüche gibt. Analysiert man Sedimente aus Seen und Mooren, zeigt sich, dass Europa während der Eiszeit eher wenig bewaldet war. Vegetationssimulationen auf Basis acht möglicher Klimaszenarien hingegen ergaben, dass zu dieser Zeit Europa unter natürlichen Bedingungen dichter bewaldet gewesen sein müsste. Wenn aber vom Menschen verursachtes Feuer in den Vegetationssimulationen berücksichtigt wird, ergibt sich plötzlich ein Vegetationsmuster, das deutlich besser mit den Vegetationsrekonstruktionen aus Umweltdaten übereinstimmt. „Wir gehen daher davon aus, dass der eiszeitliche Mensch verantwortlich für diesen Unterschied gewesen sein könnte", resümiert Pfeiffer.

Text: Sabine Wendler Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum Pressestelle Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen, Bild unten: pixabay

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Puls EKG Herzschläge

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Wie Luftverschmutzung zu Herzkrankheiten führen kann, erforscht Dr. Dennis Wolf, Klinik für Kardiologie und Angiologie I des Universitäts-Herzzentrums Freiburg - Bad Krozingen und wurde dafür von der Europäischen Gesellschaft für Kardiologie ausgezeichnet. Dr. Wolf wies bei Mäusen nach, dass Feinstaub entzündungsfördernde Zellen aktiviert und damit zu größeren und folgenreicheren Herzinfarkten führt. Der Preis, der Ende letzten Jahres in Wien übergeben wurde, gilt als höchste wissenschaftliche Auszeichnung für unveröffentlichte Arbeiten auf dem Gebiet der akuten kardiovaskulären Medizin.         

Mehr als sieben Millionen Todesfälle jährlich werden auf Luftverschmutzung zurückgeführt. Als häufigste Folgen der Verschmutzung gelten Herzinfarkt und Schlaganfall. Zwar ist bereits bekannt, dass Feinstaub das Herzinfarkt-Risiko und die Sterblichkeit erhöht. Die Ursachen dafür waren bislang aber nicht klar.


Einmalige Feinstaub-Belastung erhöht Herzinfarkt-Risiko
„Wir konnten bei Mäusen zeigen, dass selbst eine einmalige Feinstaub-Belastung zu größeren und entzündlicheren Herzinfarkten führt“, sagt Dr. Wolf. Als Antreiber der Entzündung konnten der Kardiologe und Kollegen bestimmte Immunzellen der Lunge identifizieren, sogenannte alveoläre Makrophagen.
Nach den Erkenntnissen der Freiburger Forscher geben diese Zellen entzündungsfördernde Faktoren ins Blut ab, welche zu einer Anreicherung von Immunzellen im Herzen führt. Der dort einsetzende Entzündungsprozess führte nicht nur dazu, dass vermehrt Herzmuskelgewebe vom Infarkt betroffen war, sondern auch dazu, dass in der Folge eine ausgeprägtere Herzmuskelschwäche eintrat. „Unsere Ergebnisse und klinische Studien belegen eindrucksvoll, dass Feinstaub einen deutlichen und direkten Einfluss auf unser Herzkreislaufsystem hat, der bisher sicherlich unterschätzt wurde“, so der Kardiologe.

Feinstaub ist nicht gleich Feinstaub
In vielen Regionen Deutschlands werden an manchen Tagen im Jahr hohe Feinstaub-Belastungen gemessen. „Unsere Daten zeigen, dass eine Gefährdung auch dann vorliegt, wenn die Belastung nur kurz anhält“, sagt Dr. Wolf.
Welchen Einfluss Feinstaub auf die Gesundheit hat, ist nicht einfach zu erforschen. Denn anders als im Labor setzt sich Feinstaub in der Luft aus einer Vielzahl unterschiedlicher Partikel zusammen. Auch variiert dessen Zusammensetzung Feinstaub regional und saisonal, was eine Verallgemeinerung von klinischen Studien erschwert. Laborstudien arbeiten in der Regel mit standardisierten Partikeln und an Tieren. Auch hier lassen sich die Ergebnisse nicht direkt übertragen. „Es lässt sich aber eine eindeutige Tendenz der Schädigung sowohl in klinischen wie auch in Laborstudien erkennen“, sagt Dr. Wolf. 

Verliehener Forschungspreis hoch angesehen
Der Forschungspreis ist mit 3.000 Euro dotiert und wird von der Acute Cardiovascular Care Association (ACCA) verliehen, die zur Europäischen Gesellschaft für Kardiologie gehört. „Dr. Wolf leistet mit seiner Forschung einen wesentlichen Beitrag dazu, eine  bislang unterschätzte Gefahrenquelle für Herzinfarkt genauer zu verstehen“, sagt Univ.-Prof. Dr. Christoph Bode, Ärztlicher Direktor der Klinik für Kardiologie und Angiologie I des Universitäts-Herzzentrums Freiburg - Bad Krozingen.

Text: Universitäts-Herzzentrum Freiburg - Bad Krozingen Bilder: Pixabay 

Mehr über die Thematik: Feinstaub

Haussperzling Spatz

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Wien - Als "Spatzenhirn" bezeichnet zu werden, sollte man künftig als Kompliment gelten lassen: Ein internationales Team von Kognitionsbiologen um Tecumseh Fitch von der Universität Wien hat herausgefunden, dass Vögel trotz ihres kleinen Gehirns relativ gesehen signifikant mehr Neuronen aufweisen als jene von Säugetieren. Mehr Neuronen bedeuten auch mehr Gehirnleistung, was insbesondere bei Raben und Papageien, die für ihre Klugheit bekannt sind, überproportional ausgeprägt ist. Ihre Ergebnisse publizieren die ForscherInnen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift PNAS.

Dass Vögel kluge Tiere sind, haben ForscherInnen in den letzten Jahren immer wieder bewiesen: Raben und Häher wissen, wenn sie jemand beim Verstecken von Futter beobachtet hat, und suchen ein neues Versteck, wenn der Beobachter weg ist; Elstern erkennen ihr eigenes Spiegelbild, und Neukaledonische Krähen stellen komplizierte Werkzeuge her und verwenden sie. Papageien sind neben Menschen die einzigen, die ohne Training zu einem Takt tanzen können, einige trommeln sogar mit Stöcken auf Bäume. Graupapageien können hunderte Wörter erlernen und sie sinnvoll einsetzen: Aber wie können Vögel solche geistigen Meisterleistungen mit einem vergleichsweise kleinen Gehirn vollbringen?

Ein Team von WissenschafterInnen aus Tschechien, den USA und Österreich um Tecumseh Fitch vom Department für Kognitionsbiologie der Universität Wien hat die Antwort gefunden: Vögel haben eine effizientere neurale Architektur, die es ermöglicht, mehr Neuronen in kleineren Gehirnen unterzubringen als es bei Säugetieren der Fall ist. Neuronen sind individuelle Gehirnzellen, die die kognitiven Berechnungen durchführen. Mehr Neuronen heißt daher höhere "Rechenleistung". Zusätzlich sind bei Gehirnen besonders kluger Vögel wie Raben und Papageien unverhältnismäßig mehr Vorderhirnneuronen an der komplexen Kognition beteiligt.

Ein Team um Pavel Němec von der Karls Universität in Prag setzte eine neue Technik zur Zählung der Neuronen in den Gehirnen von 28 Vogelarten ein. Das verblüffende Ergebnis: Bei Singvögeln und Papageien liegt eine sehr hohe Anzahl an Neuronen in viel höherer Dichte als bei Säugetieren vor. Die neue Technik, die von Suzana Herculano-Houzel von der Vanderbilt Universität in den USA entwickelt wurde, wurde bisher nur an Säugern angewandt und ermöglicht ein schnelles und präzises Zählen der Neuronen.

SpatzenhirnDie Illustration zeigt anschaulich die unterschiedliche Neuronenverteilung von Vögeln (links Spalte) und Säugetieren (rechte Spalte) sowie den Vergleich der Gehirnmasse. Copyright: Tecumseh Fitch, Universität Wien

"Menschliche Gehirne und jene von anderen Säugern lagern ihre Neuronen in den sogenannten Neokortex ein, ähnlich einer Schichttorte", erklärt Co-Autor Tecumseh Fitch vom Department für Kognitionsbiologie der Universität Wien. "Diese Torte kann jedoch maximal sechs Schichten haben. Bei einer Erhöhung der Neuronenzahl kann daher nur zur Seite hin erweitert werden. Dies geht jedoch mit einer Zunahme der Distanzen zwischen den einzelnen Neuronen einher, dessen Verbindungen untereinander sehr viel Platz einnehmen". Beim Menschen benötigen diese Verbindungen (weiße Substanz des Kortex) fast die Hälfte des Platzes.

Vögel haben im Gegensatz dazu eine nukleare Architektur, die eine effizientere Einlagerung der Neuronen ermöglicht. "In Vogelgehirnen sind die Neuronen wie Rosinen im Pudding verteilt und sie können dort eingebaut werden, wo sie nötig sind – ohne viel Platz für lange Verbindungen zu verschwenden", erklärt der Kognitionsbiologe und vergleicht die Architektur des Vogelgehirns mit einem neuartigen Computerchip mit einer höheren Anzahl von Transistoren auf einer kleineren Silikonunterlage. Da evolutionär gesehen auf verbesserte Flugfähigkeiten durch eine Verringerung des Fluggewichtes selektiert wurde, ist es sehr wahrscheinlich, dass hier der Weg eines effizienteren, kompakteren und damit auch leichteren Gehirns eingeschlagen wurde.

Co-Autoren bei dieser Studie sind Seweryn Olkowicz, Martin Kocourek, Radek Lučan und Michal Porteš von der Karls Universität in Prag.
Quelle: Stephan Brodicky Öffentlichkeitsarbeit, Universität Wien / Einl.bild: Pixabay

Publikation in "PNAS":
Birds have primate-like numbers of neurons in the forebrain: Seweryn Olkowicz, Martin Kocourek, Radek Lučan, Michal Porteš, W. Tecumseh Fitch, Suzana Herculano-Houzel, Pavel Němec. 
In PNAS Online Early Edition http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1517131113
Doi: 10.1073/pnas.1517131113

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Der Tofu − auch Bohnenquark oder veraltet Bohnenkäse genannt − ist ein ursprünglich chinesisches und darüber hinaus asiatisches Nahrungsmittel, das zunehmend auch in der westlichen Welt, insbesondere bei vegetarischer und veganer Ernährung verwendet wird.

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Mit einem herrlichen Dessert zelebriert man den krönenden Abschluss eines schönen Essens.
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