Wissenschaftsjahr 2012: Ein Hoch auf Higgs

Alljährlich kürt das amerikanische Wissenschaftsmagazin „Science“ die zehn wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche. 2012 fiel die Wahl auf die Entdeckung des Higgs-Bosons, im Volksmund „Gottesteilchen“ genannt. Hier die Top Ten der Wissenschaft, entnommen der heutigen Ausgabe von „Science“:

Die (wahrscheinliche) Entdeckung des Higgs-Teilchens

Beim ersten Platz der Liste waren sich die „Science“-Redakteure sofort einig: Die Entdeckung des Higgs-Bosons ist der größte Erfolg des Jahres. Strenggenommen haben die Forscher am Large Hadron Collider (LHC) in Genf am 4. Juli lediglich die Existenz eines neuen Partikels verkündet, das einem vor fast 50 Jahren von Peter Higgs und anderen Theoretikern vorgeschlagenen Teilchen zumindest sehr ähnlich ist. Ein Beweis, mit dem auch Physiker zufrieden sind, könnte im Frühjahr vorliegen. Folgt man Rolf Heuer, dem Direktor des europäischen Kernforschungszentrums Cern, wo der LHC läuft, dürfen Nicht-Physiker getrost vom Higgs-Teilchen sprechen.

Es war der letzte fehlende Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik. Das Higgs-Teilchen ist eine Art Bote für einen Mechanismus, der Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Demnach ist der gesamte Kosmos von einem Feld durchzogen – dem Higgs-Feld. Es bremst die Partikel (sonst würden sie alle mit Lichtgeschwindigkeit umherrasen) und „lädt“ sie dabei mit Masse auf.

Der mutmaßliche Nachweis des lang gesuchten Teilchens ist über die gewaltige Bedeutung für die Physik hinaus ein „intellektueller, technologischer und organisatorischer Triumph“, schreibt das „Science“-Team. Um das Higgs zu finden, wurden hausgroße Detektoren entlang des 27 Kilometer langen, unterirdischen Beschleunigerrings gebaut. An den für die Suche wichtigen Detektoren „Atlas“ und „CMS“ arbeiten je 3000 Forscher.

Mit dem Fund des Higgs-Teilchens ist die Arbeit nicht getan. Offensichtlich hat das Standardmodell Schwächen: Die Gravitationskraft kann es nicht erklären. Ob der LHC stark genug ist, jene „neue Physik“ zu erschließen, die den Widerspruch lösen kann, steht in den Sternen.

Enzyklopädie der Erbgutelemente

Als die „Enzyklopädie der DNS-Elemente“ („Encode“) am 6. September veröffentlicht wurde, überschlug sich die Presse: „Ein erstaunliches Nachschlagewerk“, befand selbst die „New York Times“. Das sei ein bisschen zu viel Lob, urteilte nun die Redaktion von „Science“. Wichtig sei „Encode“ aber allemal.

Vergleicht man das Erforschen des Erbguts mit dem Erkunden einer Millionenstadt, so haben Forscher 2001 mit den Daten des Humangenomprojekts lediglich ein Straßenverzeichnis in die Hand bekommen. Vollständig, aber in einer Fremdsprache verfasst. Auch wenn Wissenschaftler diese Sprache lernen, die Aufzählung allein bringt wenig. Was fehlt, ist eine verlässliche Karte. Sonst ahnt man nicht einmal, wie die Einzelteile des Genoms zusammenspielen, damit daraus ein Organismus wird.

Encode hat begonnen, diese Wissenslücke zu füllen. Zehn Jahre lang haben 442 Wissenschaftler 142 Zelltypen 24 Arten von Experimenten unterzogen. Die Ergebnisse veröffentlichten sie in 30 Studien. Demnach kommt es nicht nur auf die 1,5 Prozent der Buchstaben im Erbgut an, die Baupläne für Eiweiße sind. Mindestens 80 Prozent der restlichen Sequenz tut auch etwas, „schaltet“ Gene an oder faltet den Erbgutfaden. Wissenschaftler nutzen die Enzyklopädie nun, um Krankheitsursachen aufzuspüren.

Aus alten Knochen lesen

Von dem Denisova-Mädchen, das vor mindestens 74 000 Jahren in Sibirien starb, war nur ein Bruchstück ihres kleinen Fingers übrig. Die uralte Erbinformation, die Forscher des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig aus dem Knochen isolieren konnten, war zwar sehr sauber, aber auch empfindlich. Normale Sequenziermaschinen konnten daraus nicht allzu viel lesen.

Die Leipziger entwickelten daher eine neue Methode, mit der sie fossile DNS ähnlich genau analysieren können wie das Erbgut heutiger Lebewesen. Sie entdeckten nicht nur, dass das Mädchen braune Haare, braune Augen und braune Haut hatte. Sie konnten die archaischen Denisova-Menschen, die mit den Neandertalern eng verwandt waren, auch mit heute lebenden Menschen vergleichen: Ihre DNS unterschied sich an einhunderttausend Stellen von unserer. Die neue Technik konnte der Erforschung fossiler Funde neuen Auftrieb geben.

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Landung auf dem Mars

Am 6. August landete der Nasa-Forschungsroboter „Curiosity“ (Neugier) auf dem Mars. Um die 900 Kilogramm Hightech sanft und punktgenau abzusetzen, ersannen die Techniker der Nasa ein gewagtes Verfahren. Verborgen hinter einem Hitzeschutzschild drang Curiosity zuerst in die dünne Marsatmosphäre ein und wurde dabei stark gebremst, zusätzlich wurde ein Bremsfallschirm geöffnet. Ein Radarsensor überwachte den Abstand zum Marsboden, nach unten gerichtete Bremsraketen verzögerten die Reisegesellschaft weiter, bis sie wenige Meter über Grund schwebte. Dann wurde das „Sky-Crane“-Verfahren gestartet: An mehreren Seilen ließ das Abstiegsmodul den Roboter hinab, kappte die Leinen und zischte noch einmal kurz in die Höhe, bevor es zerschellte. Landung geglückt. Mit dieser Technik könnten vielleicht einmal Proben zur Erde zurückgebracht werden, die ein Roboter auf einem fernen Planeten zuvor eingesammelt hat.

Eizellen aus Stammzellen

Etwa zehn Prozent aller Paare sind unfruchtbar, einige von ihnen können keine überlebensfähigen Ei- oder Spermazellen produzieren. Aber allmählich lernen Forscher, Keimzellen im Labor herzustellen. Bereits 2011 gelang es japanischen Wissenschaftlern, aus embryonalen Stammzellen fruchtbares Sperma zu machen. Nun kamen die Eizellen an die Reihe. Zunächst wurden embryonale Maus-Stammzellen mit einem Cocktail aus Wachstumsfaktoren und Eiweißen behandelt, so dass sie sich zu Keimzellvorläufern entwickelten. Diese Vorläuferzellen mischten sie mit Eierstockzellen. Sobald sich in der Petrischale Zellhaufen bildeten, verpflanzten die Forscher diese in Mäuseweibchen. Einige Wochen später reiften dort Eizellen heran. Die ersten Mäuse haben bereits Nachwuchs geboren, der mit solchen Eizellen gezeugt wurde. Für den Menschen sei die Technik ungeeignet, betont die „Science“-Redaktion. Doch bereits durch diese Experimente verstehe man besser, was hinter der Unfruchtbarkeit einiger Paare steckt.

Sei Dein Antiteilchen

Seit Jahrzehnten suchen Elementarteilchenphysiker nach „Majorana-Fermionen“. Das sind Teilchen, die zugleich ihre eigenen Antiteilchen sind. Theoretisch kann es diese geben, der experimentelle Nachweis fehlt aber. Im Frühjahr berichteten niederländische Forscher, sie hätten diese exotische Form von Materie gefunden: in Gestalt eines „Quasiteilchens“. Physiker verstehen darunter einen kollektiven Zustand mehrerer Teilchen, wie etwa die Schwingungen eines Kristallgitters, der sich im Prinzip wie einzelne Partikel verhält. Konkret beruht das Experiment auf einem Nanodraht im engen Kontakt mit einem Supraleiter. An den Enden des Nanodrahts fanden die Forscher Zustände, die auf die Beschreibung der Majorana-Fermionen passten. Da diese nicht von elektromagnetischen Feldern gestört werden, könnten sie die Basis für Quantencomputer sein.

Greifbarer Fortschritt

Cathy Hutchinson ist seit einem Schlaganfall im eigenen Körper gefangen. Nun konnte sie zum ersten Mal seit fast 15 Jahren aus eigener Kraft Kaffee trinken – mithilfe eines Roboterarms, den sie mit ihren Gedanken steuerte. Möglich wurde das durch ein tablettengroßes Silikonplättchen mit 96 Mikroelektroden, das amerikanische Forscher unter ihrer Schädeldecke eingepflanzt hatten. Die Elektroden messen die Aktivität von einigen Dutzend Nervenzellen in dem Hirnareal, das für die Bewegungen des rechten Arms zuständig ist. Über ein Kabelbündel werden die Signale zu einer Schnittstelle auf der Kopfhaut geleitet. Ein Computerprogramm wertet die Aktivierungsmuster aus und kann somit praktisch Gedanken lesen. „BrainGate“ nennen das die Forscher: Tor zum Gehirn.

Seit etwa zehn Jahren forschen etliche Teams an solchen Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine. Nun machten sie so große Fortschritte, dass Gelähmte Hoffnung schöpfen können, meint das Team von „Science“. Noch sei die Technik experimentell, aufwendig und teuer. Bevor sie in der Klinik ankommt, werden etliche Jahre vergehen.

Die Wandlungen der Neutrinos

Neutrinos sind schwer zu erforschen. Die Elementarteilchen durchdringen mühelos ganze Planeten und lassen sich nur schwer nachweisen. Man weiß aber, dass es drei Typen von ihnen gibt und dass sie sich, während ihrer fast lichtschnellen Reise durchs All, von einem Typ in einen anderen verwandeln können. Für zwei dieser Übergänge konnten Physiker schon länger sagen, wie häufig das Wechselspiel erfolgt. Dieses Jahr gelang es chinesischen Forschern am „Daya Bay Neutrino Experiment“, auch für den dritten Übergang die Häufigkeit anzugeben. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwandlungen von Neutrinos möglicherweise anders ablaufen als bei Antineutrinos. Wenn das stimmt, könnten Neutrinophysiker vielleicht herausfinden, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Und damit auch, warum es uns überhaupt gibt.

Präzisere Gentechnik

Manchmal ist die Fantasie der Laien der Wissenschaft voraus, etwa wenn sie annehmen, dass Genforscher einfach im Erbgut ändern können, was sie wollen. Tatsächlich brauchten diese bisher vor allem eines: Geduld, denn die Technik war aufwendig und ungenau. In diesem Jahr hat sich ihr Werkzeugkasten um einige Präzisionsinstrumente erweitert. „Talen“ heißt eines der neuen Spielzeuge. Das genetische Skalpell kann einen DNS-Strang an einer bestimmten Stelle zerschneiden. Über den Reparaturdienst der Zelle können Forscher dann punktgenau Erbinformationen verändern. Eine Gruppe zum Beispiel kreirte ein Minischwein, an dem man Herzkrankheiten untersuchen kann.

Eiweiß im Röntgenlicht

Manche Eiweiße sind widerspenstig. Was immer Forscher versuchen, sie lassen sich nicht in eine Kristallform bringen. Bisher war das aber nötig, um mit Röntgenstrahlen die Struktur der Eiweiße aufzuklären und damit die Aufgaben und Funktionsweisen der Moleküle zu verstehen, die für alle Prozesse in der Biologie maßgeblich sind. Nun fanden deutsche und amerikanische Wissenschaftler einen Ausweg. Sie nutzten Röntgenlaserstrahlen, die eine Milliarde mal heller leuchten als Synchrotron-Röntgenstrahlen. Damit konnten sie eine Eiweißstruktur untersuchen – ein Enzym, mit dem der Parasit Trypanosoma brucei die Schlafkrankheit auslöst.