Da ein weiteres Jahr zu Ende geht, scheint es an der Zeit zu sein, sich wieder hinzusetzen, die Arme zu verschränken, tief durchzuatmen und einige der Schlagzeilen wissenschaftlicher Artikel zu lesen, auf die wir vorher vielleicht nicht geachtet haben. Wissenschaftler entwickeln ständig neue Entwicklungen in verschiedenen Bereichen wie Nanotechnologie, Gentherapie oder Quantenphysik, und dies eröffnet immer neue Horizonte.
Die Titel wissenschaftlicher Artikel ähneln immer mehr den Titeln von Geschichten aus Science-Fiction-Magazinen. In Anbetracht dessen, was uns 2017 gebracht hat, bleibt nur zu erwarten, was uns 2018 bringen wird …
Wissenschaftler haben zeitliche Kristalle geschaffen, für die die Gesetze der Zeitsymmetrie nicht gelten
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist es unmöglich, eine Perpetual-Motion-Maschine zu schaffen, die ohne zusätzliche Energiequelle funktioniert. Anfang dieses Jahres gelang es den Physikern jedoch, Strukturen zu schaffen, die als zeitliche Kristalle bezeichnet werden, was diese These zweifellos in Frage stellt.
Zeitliche Kristalle sind die ersten realen Beispiele für einen neuen Materiezustand, der als "Nichtgleichgewicht" bezeichnet wird und in dem Atome eine variable Temperatur haben und niemals im thermischen Gleichgewicht miteinander stehen. Zeitliche Kristalle haben eine atomare Struktur, die sich nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit wiederholt, wodurch sie konstante Schwingungen aufrechterhalten können, ohne Energie zu erhalten. Dies geschieht sogar in einem stationären Zustand, dem Zustand mit der niedrigsten Energie, in dem Bewegung theoretisch unmöglich ist, da dies erforderlich ist Energiekosten.
Verstoßen Zeitkristalle also gegen die Gesetze der Physik? Genau genommen nein. Das Gesetz der Energieerhaltung funktioniert nur in Systemen mit zeitlicher Symmetrie, was impliziert, dass die Gesetze der Physik überall und immer gleich sind. Zeitliche Kristalle verletzen jedoch die Gesetze der Symmetrie von Zeit und Raum. Und nicht nur sie. Auch Magnete werden manchmal als natürliche asymmetrische Objekte angesehen, da sie Nord- und Südpole haben.
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Ein weiterer Grund, warum zeitliche Kristalle nicht gegen die Gesetze der Thermodynamik verstoßen, ist, dass sie nicht vollständig isoliert sind. Manchmal müssen sie "gedrängt" werden - das heißt, um einen externen Impuls zu geben, nach dem Empfang beginnen sie bereits, ihren Zustand immer wieder zu ändern. Es ist möglich, dass diese Kristalle in Zukunft eine breite Anwendung auf dem Gebiet der Informationsübertragung und -speicherung in Quantensystemen finden werden. Sie können eine entscheidende Rolle im Quantencomputer spielen.
"Lebende" Libellenflügel
Die Merriam-Webster-Enzyklopädie besagt, dass ein Flügel ein beweglicher Anhang von Federn oder Membranen ist, die von Vögeln, Insekten und Fledermäusen zum Fliegen verwendet werden. Es sollte nicht am Leben sein, aber Entomologen an der Universität Keele in Deutschland haben einige überraschende Entdeckungen gemacht, die etwas anderes nahelegen - zumindest für einige Libellen.
Insekten atmen durch das Trachealsystem. Luft tritt durch Öffnungen, sogenannte Spirakel, in den Körper ein. Es wandert dann durch ein komplexes Netzwerk von Luftröhren, die Luft zu allen Zellen im Körper transportieren. Die Flügel selbst bestehen jedoch fast ausschließlich aus totem Gewebe, das austrocknet und entweder durchscheinend wird oder mit farbigen Mustern bedeckt wird. Bereiche toten Gewebes sind von Venen durchdrungen, und dies sind die einzigen Flügelkomponenten, die Teil des Atmungssystems sind.
Als der Entomologe Rainer Guillermo Ferreira jedoch den Flügel einer männlichen Libelle Zenithoptera durch ein Elektronenmikroskop betrachtete, sah er winzige verzweigte Trachealtuben. Dies war das erste Mal, dass so etwas in einem Insektenflügel gesehen wurde. Es sind umfangreiche Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob dieses physiologische Merkmal für diese Art einzigartig ist oder möglicherweise auch bei anderen Libellen oder sogar bei anderen Insekten auftritt. Es ist sogar möglich, dass dies eine einzelne Mutation ist. Die reichliche Sauerstoffversorgung könnte die hellen, komplexen blauen Muster in den Flügeln der Libelle Zenithoptera erklären, die kein blaues Pigment enthalten.
Alte Zecke mit Dinosaurierblut im Inneren
Wir finden oft erstaunliche Dinge in Bernstein erhalten, aber dieses Jahr hat uns einen super Preis gegeben. Wissenschaftler aus Myanmar haben 99 Millionen Jahre alte Bernsteinstücke entdeckt, die Parasiten wie moderne Zecken enthalten. Einer von ihnen verfing sich in einer Dinosaurierfeder, zwei weitere wurden in einem Stück eines Dinosauriernestes gefunden, und der vierte war mit Dinosaurierblut gefüllt.
Dies ließ die Leute natürlich an das Jurassic Park-Szenario und die Möglichkeit denken, Blut zu verwenden, um Dinosaurier sofort nachzubilden. Leider wird dies in naher Zukunft nicht passieren, da es unmöglich ist, DNA-Proben aus den gefundenen Bernsteinstücken zu extrahieren. Die Debatte darüber, wie lange ein DNA-Molekül halten kann, ist noch nicht vorbei, aber selbst nach optimistischsten Schätzungen und unter optimalsten Bedingungen beträgt ihre Lebensdauer nicht mehr als mehrere Millionen Jahre.
Obwohl die Zecke mit dem Namen Deinocrotondraculi ("Schrecklicher Dracula") nicht zur Wiederherstellung der Dinosaurier beitrug, ist sie immer noch ein sehr ungewöhnlicher Fund, der uns neues Wissen verschaffte. Jetzt wissen wir nicht nur, dass alte Zecken unter gefiederten Dinosauriern gefunden wurden, sondern auch, dass sie sogar Dinosauriernester infizierten.
Modifikation adulter Gene
Heutzutage ist der Höhepunkt der Gentherapie „Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats“oder CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats). Die Familie der DNA-Sequenzen, die derzeit die Grundlage der CRISPR-Cas9-Technologie bilden, könnte die menschliche DNA theoretisch für immer verändern.
2017 hat die Gentechnik einen entscheidenden Schritt nach vorne gemacht - nachdem ein Team des Proteomic Research Center in Peking bekannt gegeben hatte, dass es CRISPR-Cas9 erfolgreich eingesetzt hat, um krankheitsverursachende Mutationen in lebensfähigen menschlichen Embryonen zu eliminieren. Ein anderes Team vom Francis Crick Institute in London ging den umgekehrten Weg und verwendete diese Technologie zum ersten Mal, um absichtlich Mutationen in menschlichen Embryonen zu erzeugen. (Insbesondere haben sie ein Gen ausgeschaltet, das die Entwicklung von Embryonen zu Blastozysten fördert.)
Untersuchungen haben gezeigt, dass die CRISPR-Cas9-Technologie funktioniert - und das ziemlich erfolgreich. Dies hat jedoch eine intensive ethische Debatte darüber ausgelöst, inwieweit diese Technologie eingesetzt werden kann. Theoretisch könnte dies zu "Designerkindern" führen, die intellektuelle, sportliche und körperliche Eigenschaften gemäß den von den Eltern festgelegten Eigenschaften aufweisen können.
Abgesehen von der Ethik ging die Forschung im November noch weiter, als CRISPR-Cas9 erstmals an einem Erwachsenen getestet wurde. Brad Maddu, 44, aus Kalifornien, leidet am Hunter-Syndrom, einer unheilbaren Krankheit, die ihn schließlich zu einem Rollstuhl führen könnte. Ihm wurden Milliarden Kopien des korrigierenden Gens injiziert. Es wird einige Monate dauern, bis wir feststellen können, ob das Verfahren erfolgreich war.
Was war vorher - Schwamm oder Kammgelee?
Ein neuer wissenschaftlicher Bericht, der dieses Jahr veröffentlicht wurde, sollte die langjährige Debatte über die Herkunft von Tieren ein für alle Mal beenden. Laut der Studie sind Schwämme die "Schwestern" aller Tiere auf der Welt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Schwämme die erste Gruppe waren, die sich während der Evolution vom primitiven gemeinsamen Vorfahren aller Tiere trennte. Dies geschah vor etwa 750 Millionen Jahren.
Zuvor gab es eine hitzige Debatte, die sich auf zwei Hauptkandidaten beschränkte: die oben genannten Schwämme und ein wirbelloses Meerestier namens Ctenophoren. Während Schwämme die einfachsten Kreaturen sind, die auf dem Meeresboden sitzen und sich ernähren, indem sie Wasser durch ihren Körper leiten und filtern, sind Kammgelees komplexer. Sie ähneln einer Qualle, können sich im Wasser bewegen, können Lichtmuster erzeugen und haben ein einfaches Nervensystem. Die Frage, welcher von ihnen der erste war, bedeutet die Frage, wie unser gemeinsamer Vorfahr aussah. Dies wird als der wichtigste Moment angesehen, um die Geschichte unserer Evolution zu verfolgen.
Während die Ergebnisse der Studie mutig verkünden, dass das Problem gelöst wurde, wurde nur wenige Monate zuvor eine weitere Studie veröffentlicht, in der festgestellt wurde, dass unsere evolutionären "Schwestern" Ctenophore waren. Daher ist es noch zu früh zu sagen, dass die neuesten Ergebnisse als zuverlässig genug angesehen werden können, um Zweifel zu unterdrücken.
Waschbären haben einen alten Intelligenztest bestanden
Im sechsten Jahrhundert v. Chr. Schrieb oder sammelte der antike griechische Schriftsteller Aesop viele Fabeln, die heute als "Aesops Fabeln" bekannt sind. Unter ihnen war eine Fabel namens "Die Krähe und der Krug", die beschreibt, wie eine durstige Krähe Kieselsteine in einen Krug warf, um den Wasserstand zu erhöhen und trinken zu können.
Einige tausend Jahre später erkannten Wissenschaftler, dass diese Fabel einen guten Weg beschreibt, die Intelligenz von Tieren zu testen. Experimente zeigten, dass die Versuchstiere Ursache und Wirkung verstanden. Die Krähen bestätigten wie ihre Verwandten, Türme und Eichelhäher die Wahrheit der Fabel. Die Affen haben diesen Test ebenfalls bestanden, und dieses Jahr wurden Waschbären in die Liste aufgenommen.
Während des auf Aesops Fabel basierenden Tests erhielten acht Waschbären Wasserbehälter, auf deren Oberfläche Marshmallows schwammen. Der Wasserstand war zu niedrig, um erreicht zu werden. Zwei der Probanden warfen erfolgreich Steine in den Behälter, um den Wasserstand zu erhöhen und das zu bekommen, was sie wollten.
Andere Testpersonen fanden ihre eigenen kreativen Lösungen, die die Forscher nie erwartet hatten. Anstatt Steine in den Container zu werfen, kletterte einer der Waschbären auf den Container und begann, von einer Seite zur anderen zu schwingen, bis er umkippte. In einem anderen Test, bei dem schwimmende und sinkende Bälle anstelle von Steinen verwendet wurden, hofften Experten, dass Waschbären sinkende Bälle verwenden und schwimmende Bälle wegwerfen würden. Stattdessen tauchten einige Tiere den schwimmenden Ball wiederholt ins Wasser, bis die aufsteigende Welle die Marshmallow-Stücke zur Seite nagelte, wodurch sie leichter wiedergefunden werden konnten.
Physiker stellen den ersten topologischen Laser her
Physiker der University of California in San Diego behaupten, sie hätten einen neuen Lasertyp entwickelt - "topologisch", dessen Strahl ohne Lichtstreuung jede komplexe Form annehmen kann. Das Gerät basiert auf dem Konzept topologischer Isolatoren (Materialien, die innerhalb ihres Volumens Dielektrika sind, aber Strom entlang der Oberfläche leiten), die 2016 den Nobelpreis für Physik erhalten haben.
Normalerweise werden Ringresonatoren verwendet, um Licht in Lasern zu verstärken. Sie sind effizienter als scharfe Eckresonatoren. Dieses Mal schuf das Forscherteam jedoch einen topologischen Hohlraum unter Verwendung eines photonischen Kristalls als Spiegel. Insbesondere wurden zwei photonische Kristalle mit unterschiedlichen Topologien verwendet, von denen einer eine sternförmige Zelle in einem quadratischen Gitter und der andere ein dreieckiges Gitter mit zylindrischen Luftlöchern war. Teammitglied Boubacar Kante verglich sie mit Bagel und Brezel: Obwohl beide Brot mit Löchern sind, unterscheiden sie sich durch die unterschiedliche Anzahl von Löchern.
Sobald sich die Kristalle an der richtigen Stelle befinden, nimmt der Strahl die gewünschte Form an. Dieses System wird durch ein Magnetfeld gesteuert. Sie können die Richtung ändern, in die Licht emittiert wird, wodurch ein Lichtstrom erzeugt wird. Die direkte praktische Anwendung kann die Geschwindigkeit der optischen Kommunikation erhöhen. In Zukunft wird dies jedoch als Fortschritt bei der Schaffung optischer Computer angesehen.
Wissenschaftler haben Excitonium entdeckt
Physiker auf der ganzen Welt sind sehr begeistert von der Entdeckung einer neuen Form von Materie namens Excitonium. Diese Form ist ein Kondensat aus Quasiteilchen, Exzitonen, die ein gebundener Zustand eines freien Elektrons und eines Elektronenlochs sind, das durch die Tatsache entsteht, dass das Molekül ein Elektron verloren hat. Darüber hinaus sagte der theoretische Physiker Bert Halperin aus Harvard bereits in den 1960er Jahren die Existenz von Excitonium voraus, und seitdem haben Wissenschaftler versucht, zu beweisen, dass es richtig (oder falsch) ist.
Wie bei vielen großen wissenschaftlichen Entdeckungen gab es auch bei dieser Entdeckung einiges an Zufall. Das Forscherteam der Universität von Illinois, das das Exzitonium entdeckte, beherrschte tatsächlich eine neue Technologie namens Elektronenstrahl-Energieverlustspektroskopie (M-EELS), die speziell zur Identifizierung von Exzitonen entwickelt wurde. Die Entdeckung fand jedoch statt, als die Forscher nur Kalibrierungstests durchführten. Ein Teammitglied betrat den Raum, während alle anderen auf die Bildschirme schauten. Sie sagten, sie hätten ein "leichtes Plasmon" entdeckt, den Vorläufer der Exzitonen-Kondensation.
Studienleiter Professor Peter Abbamont verglich diese Entdeckung mit dem Higgs-Boson - es wird im wirklichen Leben keinen direkten Nutzen haben, aber es zeigt, dass unser derzeitiges Verständnis der Quantenmechanik auf dem richtigen Weg ist.
Wissenschaftler haben Nanoroboter entwickelt, die Krebs töten
Forscher der University of Durham behaupten, Nanoroboter entwickelt zu haben, mit denen Krebszellen in nur 60 Sekunden erkannt und abgetötet werden können. In einem erfolgreichen Universitätsversuch brauchten die winzigen Roboter ein bis drei Minuten, um die äußere Membran in eine krebsartige Prostatazelle einzudringen und sie sofort zu zerstören.
Nanoroboter sind 50.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie werden durch Licht aktiviert und drehen sich mit einer Geschwindigkeit von zwei bis drei Millionen Umdrehungen pro Sekunde, um in die Zellmembran eindringen zu können. Wenn sie ihr Ziel erreichen, können sie es entweder zerstören oder ein nützliches therapeutisches Mittel injizieren.
Bisher wurden Nanoroboter nur an einzelnen Zellen getestet, aber ermutigende Ergebnisse haben Wissenschaftler dazu veranlasst, Experimente mit Mikroorganismen und kleinen Fischen durchzuführen. Das weitere Ziel ist es, zu Nagetieren und dann zu Menschen überzugehen.
Ein interstellarer Asteroid könnte ein außerirdisches Raumschiff sein
Es ist erst ein paar Monate her, seit Astronomen glücklich die Entdeckung des ersten interstellaren Objekts angekündigt haben, das durch das Sonnensystem fliegt, eines Asteroiden namens Oumuamua. Seitdem haben sie viele seltsame Dinge beobachtet, die mit diesem Himmelskörper geschehen. Manchmal verhielt es sich so ungewöhnlich, dass Wissenschaftler glauben, dass sich das Objekt als außerirdisches Raumschiff herausstellen könnte.
Erstens ist seine Form alarmierend. Oumuamua hat die Form einer Zigarre mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zehn zu eins, was bei keinem der beobachteten Asteroiden beobachtet wurde. Zuerst dachten Wissenschaftler, es sei ein Komet, stellten dann aber fest, dass dies nicht der Fall war, da das Objekt keinen Schwanz zurückließ, als es sich der Sonne näherte. Darüber hinaus argumentieren einige Experten, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Objekts jeden normalen Asteroiden hätte zerstören müssen. Man hat den Eindruck, dass es speziell für interstellare Reisen geschaffen wurde.
Aber wenn es künstlich geschaffen wurde, was könnte es dann sein? Einige sagen, dass dies eine außerirdische Sonde ist, andere glauben, dass es sich möglicherweise um ein Raumschiff handelt, dessen Triebwerke versagt haben, und jetzt schwebt es durch den Weltraum. In jedem Fall glauben Teilnehmer an Programmen wie SETI und BreakthroughListen, dass Oumuamua weitere Untersuchungen erfordert. Deshalb richten sie ihre Teleskope auf ihn und hören auf Funksignale.
Während die Alien-Hypothese in keiner Weise bestätigt wurde, haben die ersten SETI-Beobachtungen zu nichts geführt. Viele Forscher sind immer noch pessimistisch in Bezug auf die Chancen, dass das Objekt von Außerirdischen erstellt werden könnte, aber auf jeden Fall wird die Forschung fortgesetzt.
