Durchbruch. Ein gewagtes Wort, selbst angesichts der größten Errungenschaften. Zu oft schon wurde, was jahrhundertelang als sicher galt, widerlegt. So ist das Wesen der Wissenschaft. Das renommierte Magazin Science traut sich trotzdem. Eine Jury hat den Breakthrough of the Year gekürt: Wenig überraschend ist es die Entdeckung der Gravitationswellen (ZEIT ONLINE berichtete). Im Rennen waren weitere spannende Themen – hier die Top Ten:

1. Wellen aus dem Weltall entdeckt

Alles über die Entdeckung der Gravitationswellen und Albert Einsteins Theorie lesen Sie auf dieser Seite.

Am 11. Februar konnten Forscher des US-Observatoriums Ligo etwas bekannt gegeben, was in Fachkreisen sofort als Sensation gehandelt wurde: Ihr gigantisches Messgerät hatte Wellen aus dem Weltall eingefangen, wie es sie laut Albert Einstein geben müsse. Der hatte diese Gravitationswellen schon im Jahr 1916 beschrieben – nur nachweisen konnte sie bis zum Jahr 2016 niemand. Zufällig gelang das genau 100 Jahre später.

Laut Einstein verzerren massereiche Körper Raum und Zeit. Zum Beispiel können, wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen, beschleunigte massereiche Körper die Raumzeit in Schwingungen versetzen, so die Theorie. Dabei entstehen Gravitationswellen, Kräuselungen der Raumzeit also, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Mit dem Nachweis dieser Wellen beginnt ein neues Forschungsfeld: Ab jetzt kann man sie genau untersuchen. Die Hoffnung ist, dass diese Wellen verraten werden, wie unser Universum genau entstand.

2. Eizellen kann man jetzt züchten

Ohne gesunde Eizellen bekommt keine Frau ein Kind. Es sei denn, sie erhält eine Eizellspende, doch dann hat der Nachwuchs nicht ihre Gene. Das galt jedenfalls bisher. Seit diesem Jahr schürt der Erfolg einer Arbeitsgruppe aus Japan die Hoffnung auf hundertprozentig leiblichen Nachwuchs – selbst dann, wenn eine Frau unfruchtbar ist: Könnte man Eizellen aus den eigenen Körperzellen der Frau im Labor züchten? Ein Experiment an Mäusen (ZEIT ONLINE berichtete) legt nahe, dass das geht.

Aus Stammzellen ließen die Wissenschaftler komplett funktionsfähige Eizellen (Nature: Hikabe, Hayashi et al., November 2016) heranreifen. Die Experimente klappten sowohl mit embryonalen Stammzellen als auch mit Hautzellen aus der Schwanzspitze der Mäuse, die zu Alleskönnerzellen umprogrammiert worden waren (iPS-Zellen). Als sie die Eizellen künstlich befruchteten und in Mäuse-Leihmütter einsetzten, entwickelten sich elf von 316 Embryonen normal und wurden geboren. Die jungen Mäuse waren gesund und fruchtbar.

Affen ahnen, was wir denken

Dieser Erfolg ist das Ergebnis von mehr als einem Jahrzehnt Fleißarbeit. Die Forscher haben den Zyklus der Mäuse-Keimzellen Schritt für Schritt im Labor rekapituliert. Ihr Ziel ist in erster Linie aber nicht die Nachzucht von Eizellen für unfruchtbare Frauen – sie selbst betonten, es werde noch ein halbes Jahrhundert dauern, bis so etwas vielleicht machbar werde. Diesen Vorgang in der Petrischale an Mäusen zu beobachten, könne aber zu neuen Einsichten führen und in der Klinik helfen, heißt es in Science – und zwar lange bevor ein Baby mit einer so geschaffenen Eizelle gezeugt wird (DIE ZEIT berichtete).

Leser, die das Magazin abstimmen ließ, was ihrer Ansicht nach den Titel Breakthrough of the Year verdient hätte, sahen die Entwicklungen in der Embryonenforschung sogar noch vor der Entdeckung der Gravitationswellen.

3. Den DNA-Test gibt's nun für unterwegs

Das Gerät ist kaum größer als ein Mobiltelefon, wiegt knapp 90 Gramm und kann etwas, das bisher riesigen, sehr teuren Maschinen vorbehalten war: Es entziffert Erbgut. Die Methode hat die britische Firma Oxford Nanopore Technologies seit Jahren perfektioniert. Der Erbgutfaden aus DNA muss nicht mehr zerstückelt, vervielfältigt und dann neu geordnet werden. Stattdessen läuft er Base für Base durch eine Pore und verändert damit einen Ionenstrom. Das macht die Sequenz lesbar (Nature methods: Loose et al., September 2016).

Das erste Gerät ist nun offiziell auf dem Markt. Forscher haben damit in wenigen Stunden einen Mix von Darmmikroben analysiert, Ebola (Nature: Quick et al., Februar 2016) oder Hepatitis C diagnostiziert und das 53 Millionen Basenpaare lange Genom eines Maisschädlings entziffert. Mit der Technik könne das Auslesen von Erbgut allgegenwärtig werden, schreibt Science.

4. Affen ahnen, was wir denken

Menschen lesen ständig Gedanken. Selbst kleine Kinder realisieren ab einem bestimmten Entwicklungsstand, dass nicht jeder so fühlt und denkt wie sie. Psychologen testen das mit einem Puppenspiel: Ein Kasper legt einen Schokoladenriegel in eine Schublade und geht dann aus dem Raum. Eine andere Puppe kommt herein, findet den Riegel, versteckt ihn an einer anderen Stelle und geht. Wo wird der Kasper die Schokolade suchen, wenn er zurück ist? Seine falsche Annahme zu erkennen, galt lange Zeit als typisch menschlich. Aber können Affen selbst ebenso kombinieren?

Ein amerikanisch-japanisches Team testete das und fand heraus: Eine Variante des Tests funktioniert auch bei Schimpansen, Bonobos und Orang-Utans (Science: De Waal et al., Oktober 2016). Für den Versuch ließ man die Affen einen Film schauen: Ein Forscher im Affenkostüm stiehlt darin einem Menschen einen Stein und legt ihn in eine Box. Der Mensch kann das beobachten, hat aber Angst vor dem Affen und rennt weg. Als der Affe allein ist, nimmt er den Stein aus der Schachtel und verschwindet. Zwar konnten die tierischen Kinogänger nicht sagen, wo der Mensch den Stein suchen wird, wenn er sich wieder an den Ort des Überfalls traut. Stattdessen nahmen die Forscher die Blicke der Menschenaffen mit Infrarotkameras auf (Science: Krupenye et al., Oktober 2016). Fast alle schauten im entscheidenden Moment lange auf die Box. Sie wussten also sehr wohl, was der Mensch dachte.

5. Computer besiegt Mensch durch Intuition

Go ist mehr als Spiel. In Asien ist der Kampf zwischen schwarzen und weißen Linsen auf einem simplen Feld aus kleinen Quadraten Teil der Kultur (Nature: Silver et al., Januar 2016). Das Spiel ist leicht zu lernen und schwer zu meistern. AlphaGo schaffte es. Der Computer des Londoner Google-Ablegers DeepMind schlug den zweitbesten Go-Spieler der Welt in fünf Sätzen. AlphaGos künstliche Intelligenz und Lernvermögen sind beachtlich. Das Spiel ermöglicht mehr Züge, als es Atome im Weltall gibt. Es war also nicht nur brutale Rechenpower, die der Maschine zum Sieg verhalf, sondern auch so etwas wie menschliche Intuition. Man darf auf den nächsten Zug gespannt sein.

Was künstliche Intelligenz heute kann und wie sie die Zukunft prägen wird, lesen Sie in der ZEIT ONLINE-Serie Maschinenraum.

6. Länger leben ohne alte Zellen

Auch Zellen gehen in Rente. Wenn sie sich im Laufe des Lebens unzählige Male geteilt haben und ihr Erbgut Schäden angehäuft hat, haben sie drei Optionen: nochmals reparieren, ganz aufgeben oder sich zur Ruhe setzen (Seneszenz). Letzteres verhindert zwar Krebs, lässt das Lebewesen aber altern. Denn ganz untätig sind die Rentnerzellen nicht: Sie geben Moleküle ab, die Entzündungen verursachen.

Grundlagenforschung an Mäusen

Würde man sie entfernen, könnte man altersbedingte Krankheiten wie Arteriosklerose und Arthritis verhindern, vermuten Forscher. Sie gaben Mäusen einen Wirkstoff, der ausrangierte Zellen zerstörte (Nature: Baker et al., Februar 2016). Den Mäusehirnen und -muskeln nützte das nichts, aber ihre Herzen und Nieren waren gesünder, sie wirkten aktiver. Die Tiere lebten bis zu 20 Prozent länger als ihre unbehandelten Artgenossen. In einem zweiten Versuch bildeten die Mäuse bei einer fettreichen Ernährung 60 Prozent weniger Ablagerungen in ihren Blutgefäßen. Ob es beim Menschen funktioniert? Ein erster Versuch ist geplant.

7. Nächste Ausfahrt: Proxima Centauri

Astronomen fanden den erdnächsten Planeten jenseits unseres Sternensystems (ZEIT ONLINE berichtete). Er kreist um den Stern Proxima Centauri (Entfernung gut vier Lichtjahre) und heißt Proxima b. Proxima b ist nur etwas massereicher als die Erde, aber heftiger Sonnenwind, Röntgenstrahlung und ultraviolettes Licht machen ihn zu einem eher ungemütlichen Ort (Nature: Anglada-Escudé et al., August 2016).

Das hält die private Initiative Breakthrough Starshot nicht davon ab, an einer ehrgeizigen Mission zu arbeiten: Sie will eine Flotte winziger Raumsonden zum Sternsystem Alpha Centauri schicken, zu dem auch Proxima Centauri gehört. Reisedauer: 20 Jahre.

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8. Proteine aus dem Rechner

Proteine (Eiweiße) sind die Bausteine und Handwerker des Lebens. Sie bestehen aus langen Aminosäureketten, die sich zu räumlichen Gebilden zusammenlagern. Zwar war es bereits möglich, jede erdenkliche Aminosäuresequenz zu erzeugen. Woran es mangelte, war die akkurate Vorhersage, wie sich die Kette "falten" und welche räumliche Gestalt sie annehmen würde. Das ist dank neuer Computerprogramme nun möglich (Nature: Yang et al., Juni 2016) und stößt die Tür für Designerproteine weit auf (Science: Bale et al., Juli 2016). So konstruierten Forscher ein Eiweiß, das als Grippeimpfstoff taugt.

Mit Techniken wie Crispr wird der Mensch sein eigenes Erbgut und das von anderen Lebewesen sehr effizient verändern können. Der Evolution zum Selbermachen hat ZEIT ONLINE eine Serie gewidmet.

9. Alle Menschen sind Migranten

Der moderne Mensch, Homo sapiens, eroberte von Afrika aus die Welt. Aber geschah das in einem oder mehreren Anläufen?

Insgesamt vier Forschergruppen haben im zu Ende gehenden Jahr in vier verschiedenen Studien die Verbreitung der Menschheit untersucht. Drei Gruppen haben sich mit der Genetik beschäftigt und das Erbgut von insgesamt 280 modernen Bevölkerungsgruppen analysiert. Ein weiteres Team hat die Wanderung der Menschen anhand eines Klimamodells erforscht (ZEIT ONLINE berichtete).

Ein erster Blick auf die Ergebnisse der Erbgutanalysen ist frustrierend: Sie scheinen nicht einheitlich zu sein. Zwei Studien kommen zu dem Ergebnis, dass nur eine Menschengruppe aus Afrika ausgewandert ist und sich schließlich auf der Welt verteilt hat. Ein Team hat dazu das Erbgut von 142 Populationen untersucht (Mallick et. al., 2016). Das andere Team hat die Gene von 83 Aborigenes und 25 Menschen aus Papua-Neuguinea sequenziert (Malaspinas et.al., 2016).

Die dritte Untersuchung gibt hingegen Hinweise darauf, dass es mehrere Auswanderungswellen gegeben hat (Pagani et. al., 2016). Hierfür haben die Forscher ebenfalls das Erbgut der Papua untersucht. Sie fanden heraus, dass zwei Prozent der Menschen dort Merkmale in sich tragen, die von Vorfahren stammen, die Afrika früher verlassen hatten als andere Eurasier.

Schaut man sich die Studien genauer an, werde jedoch deutlich, dass sie gar nicht so gegensätzlich sind, kommentierten Serena Tucci und Joshua Akey von der University of Washington (Nature: Tucci & Akey, 2016).

Gemeinsam konnten die Studien vor allem wichtige Erkenntnisse darüber liefern, was die Wanderungen der Frühmenschen beeinflusste (Klima, Nahrung) und wann genau die stärksten Bewegungen auf dem Erdball nachweisbar sind.

10. Eine Linse revolutioniert die Optik

Linsen holen per Fernrohr das Weltall heran, machen unter dem Mikroskop Bakterien sichtbar und verschaffen Millionen von Menschen klare Sicht. Sie sind aus Glas oder anderen durchsichtigen Materialien. Aber nun kommt die Meta-Linse, gefertigt mithilfe der Chiptechnik und aus Titandioxid (Science: Khorasaninejad et al., Juni 2016).

Sie ist dünner als Papier, billig herzustellen, viel leichter als eine Glaslinse und vergrößert ebenso gut wie diese. Möglich wird die Technik durch Meta-Materialien, bei denen die Oberfläche mit 600 Nanometer hohen Säulen oder Noppen versehen ist. Die Optik steht dank ihr vor einer Revolution.

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