500 Naturwissenschaften und Mathematik
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In diesem Beitrag sollen ausgewählte Aspekte der Entwicklung von Seen in Berlin-Brandenburg im Zusammenhang mit den prognostizierten Klimaänderungen dargestellt werden. Dazu wird zunächst ein Überblick zur Entstehung und Typisierung von Gewässern sowie ihrer Nutzung gegeben. Anhand des aktuellen Wissens wird diskutiert, welche Konsequenzen sich aus den erwarteten Veränderungen der Temperatur und des hydrologischen Regimes auf die Funktion und Nutzung vor allem von Seen in Berlin-Brandenburg ergeben können. Daraus wird abgeleitet, welche zukünftigen Herausforderungen sich für die Wissenschaft, die Politik und den praktischen Gewässerschutz ergeben.
Im Rahmen der interdisziplinären Arbeitsgruppe Globaler Wandel – Regionale Entwicklung an der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften wurde die Albedo aus Satellitendaten (MEDOKADS – Mediterranean Extended Daily One Km AVHRR Data Sets) mit den Daten eines regionalen Klimamodells (CLM-Daten) der Jahre 1989 bis 2009 für Berlin-Brandenburg verglichen. Desweiteren wurde aus dem MEDOKADS-Datensatz eine Analyse der Veränderlichkeit der Vegetation im Raum Berlin-Brandenburg anhand des „Normalized Difference Vegetation Index“ (NDVI) der Jahre 1989 bis 2009 durchgeführt. Der MEDOKADS-Satellitendatensatz entstand am Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin.
On July 17, 1800 Alexander von Humboldt was elected as an extraordinary member of the Académie royale des sciences et belles-lettres at Berlin. The paper first deals with Humboldt’s scientific activities before his election and then goes into detail as far as his integration into the work of the Academy is concerned. Humboldt was elected as a chimiste célèbre, but as a member of the Academy he did not work as a chemist. When Humboldt proposed in 1837 to classify the members of each class in special fields, he chose for himself the field of “mineralogy-geology”. Three sidelights, partly based on newly found archival material, illustrate Humboldt’s activities at the Berlin Academy of Sciences.
Die moderne Naturwissenschaft zeigt eindrucksvoll die große Reichweite des menschlichen Denkens - sie wirft aber auch die Frage nach ihrer menschengerechten Anwendung auf und führt an unüberwindliche Grenzen jeder Erkenntnis. Tragweite und Grenzen der Wissenschaft verweisen uns zurück auf uralte Fragen der Philosophie, zum Beispiel auf die Suche altgriechischer Denker nach den Urprinzipien der Natur oder auf das „Wissen vom Nichtwissen“ des Nikolaus von Kues. Der Blick auf 2500 Jahre Geschichte des Denkens über die Natur soll dabei helfen, die moderne Naturwissenschaft wieder in die großen Sinn- und Wertzusammenhänge menschlichen Lebens zu stellen.
Untersuchung des Theils der planetarischen Störungen, welcher aus der Bewegung der Sonne entsteht
(2008)
Ueber den Saigerhüttenprozeß
(1824)
This is the invited evening lecture of the biannual workshop on hydroid development of 1999. Its topic is the role of hydra as a rather puristic model for the de-novo generation of spatial patterns in development, and our work in this field. Emphasis is placed not only on experimental studies, but also on theoretical analysis, because the understanding of spatial order requires a systems approach involving the combination of knowledge on molecules, cells and tissues with mathematical analysis, laws and facts.
Die Entstehung der modernen Naturwissenschaften beruhte auf sehr spezifischen Merkmalen der daran beteiligten Kulturen, und doch sind ihre Erkenntnisse und Ergebnisse transkulturell und weltweit akzeptiert. So waren die Elektrizitätslehre und die Elektrotechnik spezifische Produkte der europäischen Kultur der Neuzeit, die ihrerseits auf einer bestimmten Sequenz und Kombination kultureller und interkultureller Entwicklungen bis zurück zur altgriechischen Philosophie aufbauten. Sie entstanden nicht in China, wo die Kraft des theoretischen Denkens nicht in gleicher Weise eingeschätzt wurde. Warum wurden dann aber moderne Wissenschaft und Technik transkulturell wirksam? Ein Hauptgrund dafür dürfte darin bestehen, daß die zugrunde liegenden kognitiven Fähigkeiten - Fähigkeiten der Abstraktion, des symbolischen und strategischen Denkens - auf einer biologischen Basis beruhen, die der gesamten heutigen Spezies Mensch gemeinsam ist. Gegenstand wissenschaftlicher Erkenntnis sind aber auch die prinzipiellen Grenzen der Erkenntnis; sie bedingen, daß naturwissenschaftliches Denken, das seine eigenen Grenzen kritisch reflektiert, auf der metatheoretischen Ebene mit verschiedenen philosophischen und kulturellen Interpretationen des Menschen und der Welt vereinbar ist. Dazu gehören auch religiöse Interpretationen, die die Ordnung der Natur mit dem menschlichen Geist verbinden und es dem Menschen aufgeben, diese Ordnung mit Hilfe seines Denkens zu erleben und zu erfahren.
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.