500 Naturwissenschaften und Mathematik
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Mathematik und Materialwissenschaften - Multiskalenprobleme und die Suche nach dem Wesentlichen
(2006)
Der Vortrag über den im Titel „Naturwissenschaft und Menschenbild“ umschriebenen Problemkreis, der natur- und kulturwissenschaftliche Aspekte betrifft, bildete den Abschluss des Symposiums über das Thema „Wie entstehen neue Qualitäten in komplexen Systemen“ am 18. Dezember 1998 in Berlin zum 50-jährigen Gründungsjubiläum der Max-Planck-Gesellschaft. Schwerpunkte sind Reichweite und Grenzen naturwissenschaftlicher Erklärung von Bewusstsein, evolutionsbiologische Grundlagen von Kooperativität und Empathie, sowie die kulturellen Verallgemeinerungs- und Gestaltungsmöglichkeiten biologisch angelegter Fähigkeiten, insbesondere was die Aktivierung der fragilen und begrenzten, aber durchaus realen und wichtigen Ressource „Gemeinsinn“ angeht.
Physical principles underlying biological pattern formation are discussed. In particular, the combination of local self-enhancement and long-range (“lateral”) inhibition (Gierer and Meinhardt, 1972) accounts for de-novo pattern formation, and for striking features of developmental regulation such as induction, spacing and proportion regulation of centers of activation in tissues and cells. Part I explains physical principles of spatial organisation in biological development. Part II demonstrates in mathematical terms that and how short-range activation and long-range inhibition are conditions for the generation of spatial concentration patterns. The conditions can be expressed in terms of ranges, rates and orders of reactions. These conditions, in turn, can also be derived by analysis of dynamic instabilities by means of Fourier waves, showing the neither obvious nor trivial relation between the latter approach and the theory based primarily on autocatalysis and lateral inhibition.
Aggregates of previously isolated cells of Hydra are capable, under suitable solvant conditions, of regeneration forming complete animals. In a first stage, ecto- and endodermal cells sort out, producing the bilayered hollow structure characteristic of Hydra tissue; thereafter, heads are formed (even if the original cell preparation contained no head cells), eventually leading to the separation of normal animals with head, body column and foot. Hydra appears to be the highest type of organism that allows for regeneration of the entire structure from random cell aggregates. The system is particularly useful for studying cell interactions, tissue polarity, pattern formation, and cell differentiation.
The generation of viral mutants in vitro was demonstrated by treatment of the isolated RNA of Tobacco Mosaic Virus by nitrous acid. This agent causes deaminations converting cytosine into uracil, and adenine into hypoxanthine. Our assay for mutagenesis was the production of local lesions on a tobacco variety on which the untreated strain produces systemic infections only. A variety of different mutants are generated in this way. Quantitative analysis of the kinetics of mutagenesis leads to the conclusion that alteration of a single out of the 6000 nucleotides of the viral RNA is sufficient for causing a mutation.
Within the sedimentation diagram of infective RNA preparations isolated from Tobacco Mosaic Virus, undegraded molecules form a sharp peak with a molecular weight corresponding to the total RNA content of the virus particle. Degradation kinetics by ribonuclease is of the linear, single-target type, indicating that the RNA is single-stranded. The intact RNA of a virus particle thus forms one big single-stranded molecule. Quantitative evaluation of the effect degradation by RNA-ase on the infectivity of the RNA shows that the integrity of the entire molecule is required for its biological activity.
Aside from the increasing, impressive evidence on chemical identification of graded molecules involved, it is the capability of axons for approaching the target position from different aspects in a two-dimensional field which is per se a strong indication for the involvement of gradients. Targeting requires, in the target field, counter-graded effects, either by antagonistic gradients, or by a single gradient in each dimension exerting attractive effects at low, reverting to inhibitory (repulsive) effects at high concentrations. A further requirement for mapping is the modulation of the counter-graded effects by components of the growth cone itself which depends on the origin of the corresponding axon.Transduction and processing of graded signals in the navigating growth cones are proposed to be strongly enhanced by intra-growth-cone pattern formation. The concept also encompasses regulatory and branching processes including the formation of the terminal arbors.
In diesem Buch zeigt der Physiker und Biologe Alfred Gierer - er ist Direktor am Max-Planck- Institut für Entwicklungsbiologie - die Reichweite, aber auch die prinzipiellen Grenzen naturwissenschaftlichen Denkens auf. Beides wird nirgends so deutlich wie im Verhältnis der Biologie zur Physik: Hier stellen sich die Fragen, was Leben ist, wie es entstand und sich bis zur Höhe des Menschen entwickelte, wie der Reichtum der Formen zu verstehen ist und in welcher Beziehung das Bewußtsein, die “Seele”, zu einem wissenschaftlichen Verständnis der Lebensvorgänge steht. “Die Physik, das Leben und die Seele” informiert über diese wichtigen Zusammenhänge in allgemeinverständlicher Form und regt in besonderem Maße die Freude am kritischen Mitdenken an. Das Buch schlägt einen weiten Bogen von der Grundlagen der Physik und Logik über die neuen Erkenntnisse der Biologie bis zu der Frage, was uns die Naturwissenschaften über den Menschen und sein Bewußtsein lehren können - und was nicht.
Alexander von Humboldt widmete einen Teil seiner Forschungsarbeit Erscheinungen, die mit dem Phänomen „Farbe“ zusammenhängen. So erforschte er das Blau des Himmels, interessierte sich für gefärbte Stäube, roten Hagel sowie die Farben von Pflanzen. Mit vielen Wissenschaftler korrespondierte er über damit zusammenhängende Themen - beispielsweise über die Beziehung zwischen Sonnenlicht und der Farbe von Pflanzen, über farbige Schatten, die Blaue Grotte auf Capri, die Farbe von Sternen usw. Interessiert verfolgte Humboldt die Entwicklung von Modellen zur wissenschaftlichen Erklärung der Entstehung von Farben - so beispielsweise für die von Claude-Louis Berthollet entwickelte chemische Vorstellung über die Entstehung des Indigoblaus auf Textilien. Dieser Prozess war für die Textilindustrie von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Humboldts Interesse am Blau des Himmels, das er mit Künstlern, Schriftstellern und Wissenschaftlern wie Johann Wolfgang von Goethe, Christian Gottfried Lichtenberg, Caspar David Friedrich and Horace Bénédict de Saussure teilte. Während seiner Reisen durch Südamerika benutzte er Saussure´s Cyanometer, um die Intensität des Blaus des Himmels zu bestimmen. Später korrespondierte er mit seinem Freund François Arago, der ein Cyanometer entwickelt hatte, das auf chromatischer Polarisation basierte, über dieses Instrument. Während seiner Arbeit am Werk „Kosmos. Entwurf einer physischen Weltbeschreibung“ erklärte ihm Arago die neuesten Fortschritte der Physik, speziell der Polarographie. Gegen Ende seines Lebens korrespondierte Humboldt mit dem Maler J. G. Schall und räumte ein, irgendwie das Interesse an der physikalischen Aufklärung des Himmelsblaus verloren zu haben.
Humboldts "Kosmos" oder "physische Weltbeschreibung" zielte gleichzeitig auf die äußere und die innere Welt. Entsprechend dem berühmten Wort von Horaz sollte sie zugleich nützen und erfreuen. Solch eine Beschreibung war durch zwei Begriffe charakterisiert, durch Kraft und Freiheit. Der Aufsatz beschäftigt sich mit Humboldts Konzeption seines Werkes, mit seinem von Plinius dem Älteren übernommenen Naturbegriff. Immer wieder nannte Humboldt sein berühmtes Vorbild Laplace, dessen methodologische Prinzipien mit seinen eigenen Überzeugungen übereinstimmten. Der Aufsatz zeigt, dass und wie Humboldt von Herder beeinflusst war, ohne dass er Goethes Freund beim Namen nannte, und erklärt Kants Rolle in diesem Kontext. Die letzten Ziele der Humboldtschen Konzeption von Naturwissenschaft waren die Naturgesetze, die die Naturphänomene miteinander verknüpfen. Schließlich wird Humboldts Hochachtung für die Mathematik analysiert.
Als Humboldt sein 1804 geschriebenes Tagebuch seiner Reise von Mexico City nach Veracruz 1853 nochmals sichtete, schrieb er an den Rand einer Passage die kritischen Worte "Alte neptunistische Verrücktheiten!" Dieser Text und seine spätere Randbemerkung beweisen nun endgültig, daß Humboldt noch gegen Ende seiner Amerikareise Neptunist war, was von Forschern oft bezweifelt worden war. Seltsamerweise hat Humboldt dieses Manuskript nicht mit in die Tagebücher aufgenommen, als er sie gegen Ende seines Lebens in 9 Hefte neu binden ließ. Der Nachlaß Humboldts galt zusammen mit der Autographensammlung der Staatsbibliothek Berlin seit der Auslagerung im zweiten Weltkrieg als verschollen. Er befindet sich heute in Krakau, wo ich diesen Tagebuchteil vor einiger Zeit entdeckte, das nun eine wertvolle Ergänzung zur Edition der Tagebücher durch Margot Faak (http://www.bbaw.de/vh/humboldt/pub.html#Schriftenreihe_Beitraege) bildet. Der nachfolgende Text stellt diesen Tagebuchteil vor und zeigt die Entwicklung einzelner Ansichten Humboldts in naturwissenschaftlichen Disziplinen, die z.T. paradigmatische Wandel von Theorien - beispielsweise in der Geologie - anzeigen.