Wissenschaft und Forschung 2012 – das Jahr der Marsforscher und Teilchenphysiker

Als Elementarteilchen werden all jene Bausteine bezeichnet, die (soweit Physiker wissen) nicht weiter zerlegbar sind.

Das bekannteste Elementarteilchen ist das Elektron, das gemeinsam mit den selteneren Myonen und Tauonen zu den Leptonen zählt. Neben diesen drei Leptonen gibt es noch drei unterschiedliche Neutrinos, die ebenfalls zu den Elementarteilchen zählen. Neutrinos entstehen etwa bei der Kernspaltung in Atomkraftwerken oder bei der Kernfusion in der Sonne.

Darüber hinaus gibt es sechs weitere Elementarteilchen, die sogenannten Quarks. Aus ihnen bestehen etwa Protonen und Neutronen, aus denen der Kern eines Atoms aufgebaut ist.

Zusammen bilden diese insgesamt 12 Elementarteilchen die Grundbausteine der Materie. Entsprechend gibt es 12 Antiteilchen, die die Antimaterie bilden.

Nicht alle Elementarteilchen sind Bestandteil der Materie. Es gibt fünf weitere Elementarteilchen, die als Austauschteilchen Kräfte übertragen.

Das Gluon klebt Quarks im Atomkern zusammen, das Photon vermittelt die elektromagnetische Kraft. W^-- und W⁺- Teilchen sowie Z-Teilchen spielen beim radioaktiven Zerfall eine Rolle.

Insgesamt gibt es daher also derzeit 29 Elementarteilchen, die im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik die Zusammensetzung der Welt erklären.

Ein möglicher Kandidat für das 30. Elementarteilchen ist das Higgs-Boson, das Forscher mithilfe des Teilchenbeschleunigers LHC im Forschungszentrum Cern nachweisen wollen. Denn das ist bislang noch nicht gelungen.

Nach einer Theorie des britischen Physikers Peter Higgs aus den sechziger Jahren muss ein bislang unbekanntes Feld (Higgs-Feld) alles durchdringen und sämtlichen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleihen.

Physiker vergleichen den Higgs-Mechanismus gerne mit einer Cocktailparty unter Politikern: Zu Anfang sind die Anwesenden gleichmäßig verteilt, doch sobald der Premierminister den Raum betritt, zieht er andere Politiker stark an und sammelt sie haufenartig um sich herum. Bewegt er sich im Laufe der Party durch den Raum, wenden sich ihm ständig neue Zuhörer zu, während andere die Menschentraube verlassen.

So erhält der Premierminister ein größeres Gewicht – und auf ähnliche Weise erzeugt das hypothetische Higgs-Feld die Masse der Elementarteilchen. Eine einst als unveränderlich angesehene Eigenschaft wie die Masse wäre demnach nur das Ergebnis einer Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld – eine seltsame Vorstellung, die aber für Physiker nichts Ungewöhnliches ist.

Mit demselben Bild lässt sich auch eine weitere Folgerung aus der Theorie erklären: Der Cocktailparty-Mechanismus funktioniert nämlich auch, wenn ein Gerücht den Raum durchquert. Darum scharen sich ebenfalls Zuhörer und verleihen ihm so eine (wenn auch flüchtige) Masse. Auf ähnliche Weise soll das Higgs-Feld ein Higgs-Teilchen hervorbringen. Dessen Nachweis wäre somit der beste Beleg für die ganze Theorie.

In den ersten Tagen seiner Entwicklung ist ein Embryo noch nicht ausdifferenziert – das heißt, aus seinen Zellen können sich noch alle möglichen Organe entwickeln. Diese Tatsache will die Forschung sich zu nutze machen, und aus solchen embryonalen Stammzellen Ersatzgewebe züchten. Erstmals wurden 1981 embryonale Stammzellen aus Mäusen isoliert. Im Jahr 1998 gelang es dem amerikanischen Forscher James Thomson von der Universität Wisconsin die ersten Zell-Linien aus menschlichen Embryonen zu züchten.

Doch auch Erwachsene können noch Stammzellen bilden, zum Beispiel im Knochenmark, wo daraus immer neue Blutzellen entstehen. Diese adulten Stammzellen, auf die Gegner der Forschung an embryonalen Zellen hoffen, können ebenfalls Gewebe nachbilden. Allerdings sind sie nicht so wandlungs- und vermehrungsfähig. Bei Querschnittgelähmten, die sich in den USA freiwillig einer Stammzelltherapie unterziehen wollen, hofft man, zerstörtes Nervengewebe regenerieren zu können.

Ob Alzheimer, Parkinson, Diabetes, Querschnittlähmung oder Herzinfarkt – bei diesen Krankheiten stirbt Gewebe ab oder wird geschädigt, sodass die Organe nicht mehr richtig funktionieren. Forscher hoffen, aus embryonalen Stammzellen Ersatzgewebe zu züchten. Zudem könnte man an so hergestelltem Gewebe Medikamente testen.

In Deutschland ist die Herstellung von Embryonen zur Stammzellgewinnung verboten. Damit soll das ungeborene Leben geschützt werden. Zwar befinden sich die Embryonen bei der Zellentnahme in einem frühen Entwicklungsstadium und bestehen erst aus wenigen Zellen, doch theoretisch könnte aus ihnen ein Mensch heranwachsen, würden sie in die Gebärmutter einer Frau eingepflanzt.

In anderen Ländern, zum Beispiel in den USA, werden Embryonen für die Forschung genutzt, die bei der künstlichen Befruchtung "übrig" geblieben sind. Bis April 2008 war in Deutschland nur die Forschung an embryonalen Stammzellen erlaubt, die aus dem Ausland stammen und vor dem 1. Januar 2002 gewonnen wurden. Da diese alten Zelllinien durch die häufige Vervielfältigung verunreinigt und genetisch verändert sind, wurde dieser Stichtag im April 2008 auf den 1. Mai 2007 vorverlegt.

Viele Wissenschaftler fordern eine weitere Lockerung der Gesetzgebung in Deutschland, um international konkurrenzfähig zu sein. Einige Gegner wollen ein generelles Verbot der Forschung an embryonalen Stammzellen.

Das Kürzel steht für induzierte pluripotente Stammzelle. Sie entstehen, wenn man die ausgereiften Körperzellen eines Erwachsenen mit Hilfe der Biochemie auf einen sehr frühen, quasiembryonalen Zustand zurückprogrammiert. Dann entwickeln etwa Hautzellen Eigenschaften von Embryozellen: Aus ihnen kann praktisch jeder Zelltyp des Körpers entstehen.

Die iPS sind genetisch identisch mit den ursprünglichen Hautzellen. Ein entscheidender Vorteil: Daraus gezüchtetes Gewebe würde nach einer Transplantation vom Immunsystem des Zellspenders nicht abgestoßen werden. Die iPS könnten zudem in Zukunft ein ethisches Problem lösen: Um sie zu gewinnen, muss kein Embryo sterben.

Erstmals gelang die Reprogrammierung 2006 dem Team des japanischen Stammzellforschers Shinya Yamanaka mit Mauszellen. 2008 verwandelte Kevin Eggan von der Universität in Harvard menschliche Hautzellen zunächst in Stammzellen und anschließend in Nervenzellen. 

Möglich wurden die iPS, weil die Forschung an echten embryonalen Stammzellen zuvor vier Erbfaktoren identifiziert hatte, die für den jungfräulichen Status der Zelle entscheidend sind.

Der Mars gilt zwar als erdähnlich. Doch der Rote Planet ist bei Weitem nicht so einladend wie unser Heimatplanet. Die dünne Atmosphäre des Himmelskörpers besteht zu etwa 95 Prozent aus CO₂, dazu kommen Stickstoff, Sauerstoff und Argon.

Seine Oberfläche ist trocken, felsig, kalt, die Durchschnittstemperatur liegt bei minus 63 Grad Celsius. Zudem schwankt die Temperatur stark und beeinflusst das Wetter. So treten im Frühjahr oft heftige Staubstürme auf, die große Teile der Marsoberfläche verhüllen.

Aufgrund der längeren Umlaufdauer um die Sonne – der Planet ist im Durchschnitt rund 230 Millionen Kilometer von ihr entfernt, die Erde im Vergleich rund 150 Millionen Kilometer – dauert ein Marsjahr 687 Erdentage. Ein Marstag wiederum dauert 24 Stunden und 37 Minuten.

Das Mars Science Laboratory (MSL) ist die erste astrobiologische Mission seit Viking in den 1970er Jahren. Mit ihr soll der Marsrover Curiosity zwischen November und Dezember 2011 auf den Roten Planeten gebracht werden.

Gut drei Meter misst das Geländefahrzeug in Länge und Breite, zwei in der Höhe – damit ist er etwas größer als ein Mini Cooper. 900 Kilogramm bringt der Rover auf die Waage. Damit ist er doppelt so lang und fünf Mal so schwer wie seine Kollegen Spirit und Opportunity aus dem Jahr 2003.

Zudem ist das fahrende Labor weitaus besser ausgestattet: Zehn wissenschaftliche Instrumente hat Curiosity an Bord, darunter das Probenanalyse-Modul SAM und das Chemielabor CheMin.

Via einer UHF-Antenne werden Daten an die Erde übertragen. Auch kann die Mars-Odyssey-Sonde der Nasa als Relais verwendet werden.

Die Energie zum Fahren und Forschen liefert wie schon bei Viking ein Radioisotopen-Generator. So ist der Rover auch ohne Sonne funktionstüchtig.