Auf die Größe kommt es an (1/2): Riesen

Interviews mit Dr. David Labonte und Prof. Volker Bromm

• "Größe ist allgegenwärtig"

  

  Dr. David Labonte forscht am Ingenieurs-Department an der Universität Cambridge zu dem Einfluss physikalischer Gesetze und mechanischer Anforderungen auf biologische Systeme und insbesondere dazu, wie sich diese mit zunehmender Körpergröße verändern.
  
  Warum ist es aus wissenschaftlicher Sicht so interessant, sich mit dem Thema Größe zu beschäftigen?
  Wir sind von einer umwerfenden Formenvielfalt umgeben. Diese Vielfalt zu verstehen und zu erklären, ist eine der Kernaufgaben der Naturwissenschaft. Form steht im direkten Zusammenhang mit Größe: Das verbindende Element ist die Physik, deren Gesetzen sich weder die Chemie noch die Biologie entziehen kann. Eine Milbe lebt zwar in einer anderen Welt als ein Blauwal, aber beide sind denselben physikalischen Gesetzen unterworfen. Hinter der scheinbar banalen Eigenschaft der Größe verbirgt sich also ein Element, welches alle Lebensformen verbindet.
  
  Unsere Faszination für Größe ist darüber hinaus nicht nur von wissenschaftlichem Interesse geprägt, sondern schlicht menschlich. In unserem Alltag messen und vergleichen wir nahezu alles. Größe ist allgegenwärtig.
  
  Inwieweit hat das Gedankenspiel, theoretisch die Größe von Elementen unserer realen Welt zu verändern, die Naturwissenschaft beeinflusst beziehungsweise vorangetrieben?
  Dieses Gedankenexperiment hat Wissenschaftler spätestens seit Galileo fasziniert und unser Verständnis der realen Welt substantiell verändert. Durch unser Verständnis des Einflusses von Größe können wir zum Beispiel die Luftströmung um Lkws und Flugzeugflügel in wesentlich kleineren und somit handhabbaren Modellversuchen detailgetreu nachbilden, oder wir können erklären, wieso große Tiere länger und bevorzugt im Wasser leben – dies sind nur zwei von zahlreichen Beispielen.
  
  Inwieweit spielt das Thema Größe in Ihrem Forschungsbereich eine Rolle?
  Mein Kernforschungsgebiet sind die Haftorgane, welche Insekten, Spinnen, Baumfröschen und Eidechsen erlauben, kopfüber auf glatten Oberflächen umherzulaufen. Kleben ist eng mit Größe verbunden. Um festzukleben braucht man eine Klebefläche. Genau diese Fläche stellt größere Tiere vor ein zunehmendes Problem: Eine kleine Ameise hat sehr viel Körperoberfläche im Vergleich zu ihrem Volumen, während ein Blauwal fast nur noch aus Volumen besteht. Das Volumen und somit das Gewicht wächst also schneller als die Körperoberfläche. Deswegen müssen größere Tiere einen zunehmend größeren Anteil ihrer Körperoberfläche für Haftorgane zur Verfügung stellen, um eine vergleichbare Kletterleistung zu erbringen. Bei Geckos ist der Anteil bereits bei zirka fünf Prozent, was vermutlich auch der Grund ist, warum Geckos die größten Tiere sind, die mit Haftorganen klettern können. Biologische Haftorgane ohne Berücksichtigung ihrer Größe zu untersuchen, ist somit nicht zielführend.
  
  Welche Voraussetzungen muss ein Lebewesen mitbringen, damit es senkrecht an der Wand entlanglaufen kann?
  Es braucht Haftorgane, welche innerhalb von kürzester Zeit von einem klebrigen in einen nicht klebrigen Zustand übergehen können. Unbeladene Ameisen und Geckos bringen ihre Füße nur Bruchteile einer Sekunde in Kontakt mit der Oberfläche. Dies erlaubt eine Fortbewegung, die schnell genug ist, um sowohl Nahrung zu verfolgen, als auch vor der Gefahr davonzulaufen, selbst zur Nahrung zu werden. Die Kontrollierbarkeit der Haftorgane ist eine Grundvoraussetzung, um eine steile Fläche erklimmen zu können.
  
  Warum können Ameisen extrem hohe Beschleunigungskräfte von bis zu 1000 G (Kraft pro Masse) aushalten?
  Hierfür gibt es vermutlich eine Reihe von Gründen. Wir Menschen werden ab einem gewissen Punkt ohnmächtig, weil kein Sauerstoff mehr in unser Gehirn gelangt, was langfristig dann auch lebensgefährlich wird. Dieses Problem haben Insekten nicht, da sie keinen Blutkreislauf haben. Sie sind stattdessen durch die mechanische Stabilität ihres Körpers limitiert. Da Insekten um ein Vielfaches leichter sind als wir Menschen, sind die Kräfte, die für uns bereits schwindelerregend hohe Gs (Kraft pro Masse) erzeugen, zu klein, um den Insektenkörper mechanisch zu beschädigen. Die Kraft, die eine springende Schaumzikade 400 G erreichen lässt, würde bei einem erwachsenen Menschen eine Beschleunigung von weniger als einem Zehntausendstel G erzeugen.
  
  Wenn Sie eine Größe beziehungsweise Dimension unserer realen Welt verändern könnten, welche würden Sie wählen?
  Die Zeit – entweder man hat nicht genug, oder sie will einfach nicht vergehen.
  
  Welches kleine Lebewesen bewundern Sie am meisten?
  Bewundern ist vielleicht das falsche Wort, aber alle Insekten, Spinnen und Milben sind faszinierend. Wir nehmen sie nur selten wahr und wenn, dann meistens negativ. Tatsächlich hängt aber fast alles Leben auf der Erde von diesen Tieren ab. Sie sind interessanter als ihr Ruf.
  
  Die Fragen stellte Sonja Trimbuch

  Bildquelle: ZDF

• "Gedankenexperimente spielen wichtige Rolle in der Naturw...

  

  Prof. Volker Bromm lehrt Astrophysik an der University of Texas, Austin, USA. In seiner Forschung hat Volker Bromm theoretisch vorhergesagt, dass die ersten Sterne, die sich im frühen Universum aus der Urmaterie gebildet haben, viel schwerer waren als die heutigen Sterne. Solche massiven Sterne sind extrem leuchtkräftig, und das James Webb Space Telescope, der Nachfolger des "Hubble"-Teleskops, wird ab dem kommenden Jahr nach diesen Ursternen suchen.
  
  Warum ist es aus wissenschaftlicher Sicht so interessant, sich mit dem Thema "Größe" zu beschäftigen?
  Im Universum haben wir es mit einem faszinierenden Wechselspiel von verschiedenen Kräften zu tun, der Schwerkraft, dem Elektromagnetismus und den Kernkräften. Wie nun verschiedene Objekte auf diese Kräfte reagieren, hängt entscheidend von deren Größe ab, also deren Masse und Ausdehnung. Der Einfluss von Größe in der Wissenschaft geht aber noch viel tiefer. Auf einem ganz fundamentalen Level versucht die Wissenschaft, Prozesse zu finden, wo man frei ist, die Größenordnungen auf und ab zu skalieren, ohne dass sich etwas ändert. Zu solchen "skalenfreien" Phänomenen gehören zum Beispiel die Fraktale, die aus der Geometrie bekannt sind. Dazu gehören aber auch die turbulenten Luftbewegungen, die wir alle von unseren Flugreisen her kennen, und sogar die großräumige Verteilung von Galaxien (Milchstraßen) im Weltall. Dann gibt es aber auch viele wichtige Phänomene, wo diese Freiheit nicht besteht, wo es also fundamental auf die Größe ankommt. In der Astronomie zum Beispiel gehören dazu die Entstehung von Sternen und Planeten, wo es jeweils typische Größen gibt. Im Rahmen der Naturgesetze gibt es in solchen Fällen nur eine eng begrenzte, "typische" Größe, weil sonst die beteiligten Kräfte nicht ins Gleichgewicht kommen können. Wir haben es hier also mit dem Dualismus von Freiheit und Notwendigkeit zu tun.
  
  Inwieweit hat das Gedankenspiel, theoretisch die Größe von Elementen unserer realen Welt zu verändern, die Naturwissenschaft beeinflusst bzw. vorangetrieben?
  Gedankenexperimente haben immer schon eine wichtige Rolle in der Naturwissenschaft gespielt. Da gibt es zunächst den ganz praktischen Aspekt, dass man schnell ein ungefähres Gefühl für das Verhalten der Natur gewinnen möchte, wenn man Forschungsprojekte plant. Bevor man sich auf lange Rechnungen mit Supercomputern einlässt oder auf aufwendige Experimental- und Beobachtungsreihen, ist es wichtig herauszufinden, ob man auf dem richtigen Weg ist. Dann aber geht es um viel tiefergehende Fragestellungen, letztlich darum, was die "Natur im Innersten zusammenhält". Das war der Ansatz von Albert Einstein, mit dem er die Grundprinzipien seiner Relativitätstheorie per Gedankenspiel gefunden hat. Das vielleicht berühmteste Gedankenexperiment in der Wissenschaftsgeschichte gehört in diesen
  Zusammenhang: Einsteins "Fahrstuhl-Experiment", wo er argumentiert hat, dass der Einfluss der Schwerkraft einer beschleunigten Bewegung, von uns allen im Fahrstuhl direkt erfahrbar, äquivalent ist. Das wurde dann schließlich zum "Äquivalenz-Prinzip" in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Gedankenspiele können einem auch Einsichten vermitteln in Situationen, wo man experimentell oder sogar per Supercomputer, an die Grenzen der Machbarkeit gelangt. Zum Beispiel ist das der Fall, wenn man sich vorstellt, was bei einer Reise ins Innere eines Schwarzen Loches passiert.
  
  Inwieweit spielt das Thema "Größe" in der Astronomie eine Rolle?
  "Größe" ist für die Astronomie ganz fundamental. Man könnte durchaus sagen, dass die Astronomie die "Wissenschaft von Größenordnungen" ist. In der Astronomie geht es genauer um den Zusammenhang von Mikro- und Makrokosmos. Die mikrophysikalischen Gesetze der Quantenmechanik haben großräumige Auswirkungen auf makroskopische Körper. So bestimmen zum Beispiel die Bewegungen von eng aneinander gedrängten Elektronen, die ja winzig klein sind, die typische Größe eines Weißen-Zwerg-Sternes, in den sich Sterne wie unsere Sonne am Ende ihres Lebens entwickeln. Der berühmte Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar hat für diese Einsicht einen Nobelpreis verliehen bekommen.
  
  Eine andere Größe von fundamentaler Bedeutung für die Astrophysik ist die Idee eines "Horizontes". Der Horizont hier beschreibt die Größe eines Gebietes im Weltraum, innerhalb dessen sich Signale (zum Beispiel Licht) ausbreiten können und so Informationen austauschen. Mit allem, was sich jenseits des Horizontes befindet, kann man keinen "kausalen Kontakt" aufbauen, also nicht physikalisch beeinflussen. Dieser kosmische Horizont war extrem klein kurz nach dem Urknall, einfach weil das Licht noch keine Zeit hatte, weite Strecken zurückzulegen. Im Lauf der Jahrmilliarden hat er sich dann aber immer weiter ausgebreitet. Alle moderne Kosmologie geht letztlich auf diese Unterscheidung zwischen Prozessen innerhalb und außerhalb des Horizontes zurück. Dessen Größe definiert gewissermaßen die Grenze der Kausalität.
  
  Verändern sich die Größen von Planeten und Sternen?
  Sterne verändern ihre Größe während ihres langen Lebens, ein bisschen so wie wir Menschen. Sie werden als Zwergsterne geboren, dehnen sich dann zu Riesensternen aus und sterben als kompakte Objekte, die sehr klein sind, als Weiße Zwerge oder Neutronensterne. Diese Änderung im Durchmesser kann Faktoren von bis zu einer Million umfassen. Die Sternmassen hingegen sind viel konstanter, so dass Sterne mit mehr oder weniger der gleichen Masse durchs Leben gehen, sieht man mal von den Massenverlusten durch Sternwinde ab. Planeten sind ganz anders konstruiert. Bei erdähnlichen Planeten haben wir es mit einem sehr stabilen Gleichgewicht von Schwerkraft und elektrischen Kräften zu tun, das im Prinzip ewig bestehen kann. Die Größen von Planeten, wenn sie erst einmal entstanden sind, ändern sich daher kaum.
  
  Inwieweit hat das Einfluss auf unser Leben auf der Erde?
  Das Leben auf der Erde hängt sehr direkt am Tropf unseres Sternes, der Sonne. Wenn sich die Größe der Sonne aufgrund der Sternentwicklung ändert, was auch den Zustrom von Sonnenenergie beeinflusst, ändern sich die Bedingungen auf der Erde. Schließlich, in vier bis fünf Milliarden Jahren, wenn sich die Sonne in einen Roten Riesen aufbläht, wird die Erde von ihr verschluckt. Und lange davor schon kommt es zum Verdampfen der Erdatmosphäre. Alles im Universum hat also seine Zeit, und nichts währt für immer.
  
  Wenn Sie eine Größe bzw. Dimension unserer realen Welt verändern könnten, welche würden Sie wählen?
  Ich würde eigentlich lieber gar nichts ändern. Wenn man anfängt mit den Größen und Dimensionen der Welt herumzuspielen, wie ja in den Filmen sehr klar gezeigt, kommt man ganz schnell in Schwierigkeiten für das Aufrechterhalten von menschlichem Leben, so wie wir es kennen. Davon einmal abgesehen gäbe es aber zwei Experimente, die ich aus intellektuellem Interesse sehr gerne durchführen würde. Was wäre, wenn es mehr als nur die bekannten drei räumlichen Dimensionen gäbe? Wie wäre es also, durch den "Hyperrraum" zu fliegen? Dann würde ich auch gerne, wieder als Gedankenspiel, ein Universum bauen, in dem die Schwerkraft noch schwächer wäre als in dem unsrigen. Je schwächer die Schwerkraft, desto länger dauert alles. Wie sähe also diese Art von Ewigkeit aus?
  
  Die Fragen stellte Sonja Trimbuch

  Bildquelle: ZDF/David Langan

• Erstausstrahlung ZDF: 8. April 2018, 19.30 Uhr

  Film von Jasper James
  
  Redaktion TV Sonja Trimbuch
  Redaktion Online Michael Büsselberg
  
  Weitere Folge Auf die Größe kommt es an Zwerge