Achtmal rütteln am Fundament

Illustration: Iris Weidmann

Ein Gespür für Träume

Vor rund 14 Jahren wacht Benjamin Stucky aus einem intensiven Schlafzustand auf – und fühlt sich ungewöhnlich entspannt und zufrieden. Seither möchte er wissen, was wir alles empfinden können, wenn wir träumen. Die Neugier des Schlafforschers an der Universität Zürich teilen wohl viele Menschen, schliesslich gibt es unzählige Bücher und Theorien zu Traumdeutungen, Traumbeeinflussung und psychoanalytischer Traumanalyse.

Bereits seit den 1920er-Jahren lässt sich die Aktivität des schlafenden Gehirns mittels EEG aufzeichnen. «Damit konnten Forschende die subjektiven Erlebnisse mit körperlichen Messungen verbinden», sagt Stucky. Unter anderem erkannte man so, dass die meisten ausführlichen Traumberichte aus der REM-Phase stammen. Nun will Stucky genauer verstehen, was die Menschen während der Nachtruhe erleben – auch dann, wenn sie sagen, sie hätten nichts geträumt.

Die Schwierigkeit dieser Forschung liegt darin, wie fragil Schlaferinnerungen sind. Wird man gezielt aufgeweckt, erinnert man sich besser. Allerdings geschah dies in bisherigen Studien mit einem relativ unsanften Alarm. Dagegen werden die Teilnehmenden von Stuckys nun anlaufender Studie im Schlaflabor mit einem harmonischen an- und abschwellenden Klang in den Wachzustand geholt. «So können sie näher an ihren Empfindungen bleiben», hofft der Forscher.

Auch die Art der Befragung beeinflusse die Studienergebnisse. Bisher wurden die Teilnehmenden meist gefragt: «Was ging Ihnen durch den Kopf?» Das ist Stucky aber zu intellektuell. «Das regt zum Nachdenken an, dadurch können subtile Gefühlszustände verloren gehen.» Er interessiert sich für die Empfindungen. Etwa: «War da ein Gefühl der Ruhe?» Zudem lernen die Testpersonen zu Beginn in einer Meditation, wie sie ihre inneren Zustände beobachten können.

Illustration: Iris Weidmann

Die Sensibelchen im Knochenmark

Für ihre Arbeit hat sich Olaia Naveiras, Ärztin und Forscherin an der Universität Lausanne, schwierige Gesellen ausgesucht: Fettvorläuferzellen. Diese machen 70 Prozent unseres Knochenmarks aus. Trotzdem weiss man über sie kaum mehr, als dass sie Teil des Systems sind, das jeden Tag ganze 600 Milliarden neue Blutzellen produziert.

Für diese Wissenslücke gibt es Gründe. «Sie sind unglaublich fragil und lassen sich im Labor nur schwer handhaben und untersuchen», sagt Naveiras. Versucht man, sie aus der Wabenstruktur des Knochenmarks zu isolieren, zerstört man sie fast zwangsläufig. Wenn man sie zentrifugiert, wie man das üblicherweise mit Zellen macht, um sie von anderem Gewebe abzutrennen, zerplatzen sie. Wenn man sie auf Eis stellt, ebenfalls. Nun arbeitet Naveiras’ Team Schritt für Schritt daran, Wege zu finden, um mit Fettvorläuferzellen umzugehen und ihre Funktionsmechanismen zu klären.

Denn das wenige, was man über sie weiss, zeigt, dass sie medizinisch wichtig sind: An Stellen im menschlichen Knochenmark, wo die Bildung neuer Blutzellen gut funktioniert, gibt es wenige davon; wo die Blutbildung gehemmt ist, dagegen viele. Kürzlich hat Naveiras mit ihrem Team herausgefunden, dass die Fettvorläuferzellen tatsächlich mitentscheiden, ob Blutstammzellen zu Blutzellen heranreifen – oder stattdessen in eine Art Starre verfallen. «Nun wollen wir das genauer untersuchen und auch Wege finden, mit Medikamenten kontrollierend einzugreifen», sagt Naveiras. Medizinisch relevant wäre dies für Personen mit Blutkrebs und für solche mit weiteren Krebsarten, die durch die Therapien an Blutarmut leiden.

Womöglich gelingt es sogar, künstliche Knochenmarkstrukturen zu entwickeln. Die Idee entstand aus der Not im Labor. Denn am stabilsten sind die heiklen Fettvorläuferzellen offenbar, wenn man ihre natürliche Umgebung so gut wie möglich nachbaut. Wahrscheinlich wird es noch Jahre dauern, bis Naveiras’ aufwendige Grundlagenforschung Früchte trägt, doch ihr Antrieb ist klar: Eines Tages soll die Arbeit den Menschen helfen.

Illustration: Iris Weidmann

Wie die Biene, so der Server

11. September 2001, Sunil Nakrani erhält eine E-Mail von einem Kollegen: «America is under attack.» Der Computerwissenschaftler will sich online informieren. Doch: Zu viele Menschen weltweit wollen dasselbe, eine News-Website nach der anderen bricht zusammen, schliesslich auch jene der BBC. Die Server kommen mit der Masse an Anfragen nicht zurecht. Dafür muss es doch eine Lösung geben, denkt sich Nakrani, damals Doktorand an der Oxford University.

Er beginnt zunächst erfolglos daran zu tüfteln, wie Webserver besser organisiert werden könnten. Dann lernt er 2002 Craig Tovey kennen. Dieser holt eine wissenschaftliche Arbeit aus der Schublade, die 14 Jahre lang brachlag. Sie stammt aus einem ganz anderen Fach: der Biologie. Darin beschreiben Tovey und Bienenforscher Tom Seeley in mathematischen Formeln, wie Honigbienen Nektar sammeln.

Demnach schätzt jede zurückkehrende Sammelbiene ein, wie dringend die Kolonie die Nahrung braucht. Findet sie nur schwer eine Stockbiene, die ihr den Nektar abnimmt und ihn einlagert, sind alle beschäftigt, weil genügend davon da ist. Findet sich aber leicht eine, ist der Nektar knapp. Dann rekrutiert die Sammlerin weitere Kolleginnen, sofern sie ein rentables Vorkommen kennt. «Auf diese Weise verteilen sich die Sammlerinnen optimal auf das Blütenvorkommen», sagt Nakrani.

Für die Zuteilung von Webservern funktioniert diese Selbstorganisation auch, wie Nakranis Arbeit zeigt. Dabei entsprechen die Server den Bienen. Ihre Kapazität wird optimal auf Anfragen verschiedener Webdienste verteilt. Ganz der Forscher, verkaufte Nakrani den Honey Bee Algorithm nicht etwa, sondern stellte ihn öffentlich zur Verfügung. Dafür erhielt er Jahre später den sogenannten Golden Goose Award, der seit 2012 Forschung würdigt, die mit zunächst kurios anmutenden Ideen die Gesellschaft weiterbringt. Dieser wiederum ist eine Reaktion auf die Golden-Fleece-Verleihungen des demokratischen Politikers William Proxmire. Damit übte er 1975 bis 1988 Kritik unter anderem an seiner Meinung nach «unnötiger, absurder Forschung». Gut möglich, dass er auch die Bienenforschung abgeurteilt hätte, die heute hilft, Website-Crashes zu verhindern.

Illustration: Iris Weidmann

Mit dem Terror auf und ab

Die Anschläge von 9/11 brachten auch einem gesamten Forschungszweig einen Wendepunkt: der Islamwissenschaft. Lange galt sie als Nischenfach, das sich mit arabischer Sprache und Literatur befasste – und mit dem Hier und Jetzt wenig zu tun hatte. Entsprechend schwierig war es, an den Universitäten Vorlesungen und Professuren durchzusetzen, erinnert sich Reinhard Schulze, ehemaliger Leiter des Instituts für Islamwissenschaften an der Universität Bern.

Dann stürzten die Türme ein. «Zum ersten Mal nahm die breite Öffentlichkeit wahr, dass ein gravierender Terrorakt im Namen des Islam verübt wurde», erzählt der emeritierte Professor. Plötzlich wird Islamwissenschaft eine wichtige Informationsquelle. Und Schulze selbst ein gefragter Experte, um die aktuellen Ereignisse einzuordnen.

Ihn braucht es nun, um zu erklären, dass terroristische Handlungen auch anders motiviert sein können, als man es bis dahin etwa von den linksextremen Roten Brigaden kannte. «Das Bedürfnis, zu verstehen, wie genau die Motive mit dem Religiösen verknüpft waren, war gross», sagt Schulze. Zunehmend wurde Islamwissenschaft als Fach gesehen, das dabei helfen kann. So avanciert die Universität Bern unter der Leitung Schulzes zum anerkannten Zentrum für Islamwissenschaft.

Bis am 7. Oktober 2023. Die Hamas verübt das Massaker in Israel, das den Krieg im Gazastreifen auslöst, der noch heute schwelt. Und ein Forscher am Nahost-Institut, wie das Zentrum inzwischen genannt wird, setzt einen Tweet ab, der den Terrorakt verherrlicht. Der Forscher ist zudem der Ehemann der neuen Institutsleiterin. Die nachfolgende Untersuchung stellt am Institut unter anderem fehlende Abgrenzung zwischen Wissenschaft und Meinung fest, und es wird vorübergehend aufgelöst. «Zur Aufgabe des Instituts hätte es gehört, den Anschlag fachlich fundiert einzuordnen», findet Schulze. So aber kam es zu einem immensen Vertrauensverlust in die Islamforschung. Bis heute ist es nicht gelungen, diesen auszugleichen, bedauert Schulze. Hoch relevant und wichtig ist die Islamforschung noch immer. Was auch durch den Terror an Bedeutsamkeit gewonnen hat, wackelt nun aber wegen ihm.

Illustration: Iris Weidmann

Weiter als Newton und Einstein

Sie hat eben ein Projekt gestartet, in dem sie das kosmologische Standardmodell herausfordern will – und damit Theorien, die von Newton und Einstein stammen. Ganz schön mutig von Camille Bonvin, Kosmologin an der Universität Genf, möchte man meinen. «Vielleicht ein bisschen», räumt Bonvin etwas verlegen ein. Aber, fügt sie an, das liege auch im Wesen der Physik. «Wir müssen die physikalischen Modelle testen, und dazu müssen wir über sie hinausdenken. Wenn wir dann Signale finden, die darin nicht vorhergesagt werden, verlieren wir zwar ein Modell, aber wir gewinnen Erkenntnis.»

Das Universum dehnt sich aus, und zwar immer schneller. Das sehen die Forschenden konkret in Messungen, und das sagt auch das kosmologische Standardmodell Lambda-CDM aus. Es kombiniert die Gravitationstheorie, die allgemeine Relativitätstheorie, sichtbare und dunkle Materie sowie dunkle Energie.

Nur: Durch jüngste Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) am Mayall-Teleskop in Arizona offenbarten sich Mängel. Die Daten ziehen eine konstante dunkle Energie, wie sie Lambda-CDM postuliert, in Zweifel. Vielleicht hat die dunkle Energie also doch eine andere Form als bisher angenommen. «Oder vielleicht gibt es gar keine», sagt die Kosmologin.

Schliesslich würden auch weitere Ansätze die beschleunigte Ausdehnung des Universums erklären. «Es könnte auch sein, dass die Gravitation in sehr grossen Dimensionen anders funktioniert und die allgemeine Relativitätstheorie da schlicht nicht mehr gilt.» Wie sie nun mit ihrem Team die Gravitation und die allgemeine Relativitätstheorie in der Grössenordnung von Millionen Galaxien testen will, ist kompliziert. Es geht um Verzerrungen der Geometrie von Raum und Zeit und darum, wie diese zunehmend sichtbar und messbar werden – durch moderne Observatorien wie das DESI, das Euclid-Weltraumteleskop oder das Square Kilometre Array, das zurzeit in Australien gebaut wird. Mit deren Hilfe will Bonvin unter anderem modifizierte Gravitationstheorien erkunden. Einstein würde wohl seinen Segen geben.

Illustration: Iris Weidmann

Der grosse Duft der Schweiz

Welche Düfte verbinden Sie mit der Schweiz? Das scheint zunächst eine kuriose Forschungsfrage. Wem soll das etwas bringen? Wohl uns allen, stellt sich heraus. Denn Gerüche sind mächtig. «Wir speichern sie lange, und sie sind stark mit Gefühlen verbunden», erklärt Dorothée King, Professorin für Kunst- und Designvermittlung an der FHNW. Sie befasst sich seit 20 Jahren mit olfaktorischen Wahrnehmungen. Zurzeit untersucht sie, wie diese verbunden sind mit dem Gefühl von Zugehörigkeit zu Gesellschaftsstrukturen.

So durchforstete King etwa Zeitungsartikel aus den 1970er-Jahren bis heute auf Aussagen über Fahrende. «Dabei wurde häufig das Geruchsempfinden genutzt, um eine Abneigung auszudrücken und zu begründen », sagt King. Zitate aus der Bevölkerung gingen in die Richtung: Sie stinken, darum wollen wir sie nicht in unserer Nähe haben. «Dahinter verbergen sich Ausgrenzungsmechanismen, verbalisiert wurde aber der Geruch.» Ähnliches spielte sich laut King auch bei den ersten Gastarbeitenden aus Italien und Spanien und dem Duft nach Knoblauch ab – den man damals in der Schweiz noch kaum kannte.

King befragte rund 100 Personen. Diejenigen, die schon lange in der Schweiz wohnen, nannten häufig Heu, Bergwiese, Käse, Kuhmist. «Ich kann mir vorstellen, dass dies Gerüche aus der Kindheit sind, die durch wiederkehrende stereotypische Darstellungen verstärkt wurden», sagt King. Dagegen riecht die Schweiz für Menschen, die eingewandert sind, fast gar nicht. Sauber, neutral, nach nichts – so lauten die häufigsten Antworten.

Urteil oder Vorurteil? Schwer zu sagen. Kings Befragungen zeigten aber auch: Wer für die eigenen Geruchserinnerungen und -vorurteile sensibilisiert ist und sich mit ihnen auseinandersetzt, kann diese quasi neu kodieren – und sich von ihnen lösen. Ähnlich wie es beim Knoblauch passiert ist: Die mediterrane Küche mit ihren typischen Düften ist inzwischen positiv konnotiert.

Illustration: Iris Weidmann

DNA-Werkzeug für alles

In den 2000er-Jahren ist Emmanuelle Charpentier eine noch unbekannte Bakterienforscherin. Sie untersucht in Streptokokken ein Abwehrsystem, das mithilfe von sich wiederholenden DNA-Abschnitten, Crispr genannt, fremde Viren-DNA erkennen, zerschneiden und damit unschädlich machen kann. Zusammen mit der US-amerikanischen Biochemikerin Jennifer Doudna untersucht Charpentier den ausgeklügelten Mechanismus der Bakterien in schrittweiser, langwieriger Grundlagenforschung.

2011 und 2012 publizieren die beiden Forscherinnen ihre Resultate und erregen damit weltweit Aufmerksamkeit. Denn sie zeigen nicht nur, wie die sogenannte Crispr-Genschere funktioniert und welche Komponenten es dazu braucht, sondern liefern das Rezept, wie man diese künftig als fast allmächtiges DNA-Werkzeug nutzen kann. Doch Crispr löst zunächst auch Kontroversen aus. Frühere Verfahren zur Veränderung von DNA hatten Spuren hinterlassen: Sie fügten Basenpaare mit ein, an denen man gentechnisch veränderte Genabschnitte erkannte.

Crispr bleibt aber unsichtbar: Mit der neuen Methode lassen sich Gene so verändern, dass sie genau so aussehen, als kämen sie aus der Natur – ob bei Bakterien oder beim Menschen. Zudem lassen sich Genabschnitte deutlich schneller, günstiger und präziser aus DNA entfernen oder einsetzen. Längst verwenden Forschende Crispr, um Nutztiere und Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Krankheiten zu machen oder um Gentherapien gegen Krebs zu entwickeln.

Ursprünglich wollte Charpentier, heute Direktorin des Max-Planck- Instituts in Berlin, mit ihrer Forschung schlicht grundlegende Lebensvorgänge verstehen. «Aber mir war auch klar: Solche Mechanismen lassen sich in neuen Technologien und Therapien nutzen.» Dass es so rasant geht, hat sie gemäss Deutschlandfunk allerdings überrascht. «Man startet mit einer vagen Idee und denkt, das dauert 30 Jahre, bis daraus etwas Nützliches entsteht.» 2020 erhalten Doudna und Charpentier den Nobelpreis für Chemie – das wiederum hat niemanden in der Branche überrascht.

Illustration: Iris Weidmann

Endlich einzelne Atome hochheben

«Als wir zum ersten Mal ein Atom unter dem Mikroskop sahen, war das ein überwältigender Moment», erinnert sich Physiker und Nobelpreisträger Gerd Binnig in einem Videointerview von DW News im Jahr 2013. Die Frage, wie sich die Teilchen sichtbar machen lassen, hatte ihn und seinen Kollegen und Mentor Heinrich Rohrer am IBM Research Lab in Rüschlikon bei Zürich seit den 1970er-Jahren umgetrieben. Denn obwohl längst klar war, dass alles aus Atomen besteht, hatten auch die stärksten Elektronenmikroskope noch eine viel zu kleine Auflösung.

Binnigs Idee ist es, die Oberflächen von Materialien abzutasten. Im Labor entwickeln er und Rohrer dafür ein Gerät, das sie Rastertunnelmikroskop (STM) nennen. Es fühlt eine Oberfläche mit einer extrem feinen Spitze ab und misst den Tunnelstrom zwischen ihr und der Probe. Dieser entsteht, weil Elektronen manchmal einen schmalen Abstand zwischen zwei leitenden Substanzen überspringen können. So misst das STM den Abstand zur Probe und zeichnet die Konturen aufs Atom genau nach.

So konnte Binnigs STM Fragen beantworten, die zuvor keine andere Methode angehen konnte. «Beispielsweise war Silizium schon damals ein technologisch wichtiges Material, doch niemand wusste, wie dessen Oberfläche räumlich aussah», erklärt Leo Gross, heute Spezialist für STM am Rüschliker IBM-Labor. Mehr noch: Mit dem neuen Mikroskop lassen sich Atome sogar hochheben und anderswo wieder absetzen. «So entstand eine völlig neue Methode, um chemische Materialien zu synthetisieren», sagt Gross. Und das STM wird zur Basis der Nanotechnologie.

Heute erforscht Gross damit physikalische Grundlagen für IBM, etwa neue Materialien, «mit verrückten elektronischen und magnetischen Eigenschaften», wie er erzählt. Diese stellt er im Labor her, charakterisiert sie und kann sie auf dem Quantencomputer des Unternehmens in den USA modellrechnen. Gross profitiert noch heute von Rohrers und Binnigs Arbeit im selben Labor. Wie an Universitäten gelte auch in der Industrie: In der Grundlagenforschung lässt sich selten ein direkter Nutzen oder finanzieller Erfolg voraussehen. Indessen trägt der Physiknobelpreis, den Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im Jahr 1986 für ihre Erfindung erhielten, noch heute zur Strahlkraft des Rüschliker IBM-Labors bei.