Physik Journal 10 / 2012

Fast ein Jahr lang haben sich die Schülerinnen und Schüler auf diesen Moment vorbereitet. Sie haben an zahllosen Nachmittagen und Wochenenden versucht, 17 Aufgaben aus der Physik zu knacken.+) Aus 28 Ländern, darunter Australien und Brasilien, Nigeria und Südkorea, China und Russland, sind sie Ende Juli nach Bad Saulgau gekommen, um beim 25. International Young Physicists’ Tournament (IYPT) ihre Lösungen zu präsentieren und gegenüber kritischen Nachfragen zu verteidigen, auf Englisch natürlich. Fünf Runden („Fights“) tragen die Teams in den nächsten Tagen aus. Dabei besteht jeder „Fight“ aus drei einstündigen Abschnitten mit wechselnden Rollen: Jedes Team präsentiert einmal seine Lösung einer Aufgabe („Reporter“), hinterfragt kritisch die Präsentation eines anderen Teams („Opponent“) und beurteilt die Rolle von Reporter und Opponent („Reviewer“).
Das deutsche Team eröffnet als „Opponent“ die erste Runde. „Wir fordern Euch heraus zur Aufgabe 6“, wendet sich der deutsche Kapitän Michael Kern vom Schülerforschungszentrum Südwürttemberg (SFZ) an das neuseeländische Team, das nach kurzer Beratung akzeptiert – dreimal darf jede Mannschaft während des gesamten Turniers ohne Punktabzug passen. Genau fünf Minuten haben die Neuseeländer jetzt Zeit, ihre Präsentation vorzubereiten. Dann tritt Oliver Hughes vor mit einem Spielzeug in der Hand: Ein hölzerner Specht ist mit einer Spiralfeder an einem Holzring befestigt, der auf einer Stahlstange gleiten kann. Die Aufgabe dazu lautet kurz und knapp: „Der Specht führt eine oszillierende Bewegung aus. Untersuche und erkläre die Bewegung.“ Hughes hebt den Specht an und zeigt, wie dieser klopfend an der Stange herabrutscht. Dann erläutert er, wie durch das Verkanten des Holzrings auf der Stange der periodische Wechsel zwischen Rutschen und Klopfen zustande kommt, präsentiert Messdiagramme, betrachtet die elastische Energie der Feder sowie die Gravitationsenergie, diskutiert die Frage, ob das Hookesche Gesetz auch gilt, wenn die Feder nicht gestreckt, sondern gebogen wird und analysiert verschiedene Parameter. Auf einem großen Monitor läuft eine Uhr, nach neun Minuten wechselt ihre Farbe von Grün auf Orange, nach zwölf Minuten auf Rot. Auf die Sekunde genau kommt Hughes mit seiner Präsentation zum Ende. ...

Im Jahr 1826 berichtete der französische Kapitän Dumont d’Urville, ein erfahrener Expeditionsleiter und Wissenschaftler, von 30 Meter hohen Meereswellen, die seine Mannschaft und er mit eigenen Augen erblickt hatten. Doch niemand wollte ihren Beobachtungen Glauben schenken. Stattdessen sah sich der Kapitätn öffentlichem Spott ausgesetzt. Daran änderte auch nicht die Tatsache, dass bereits seit der Antike Tsunamis, große zerstörerische Wellen in Küstennähe, bekannt waren. Das überraschende Auftreten besonders großer Wellen fern der Küste erschien dagegen wenig glaubhaft. Dennoch ist die Liste der Seefahrer lang, die Erlebnisse mit besonders großen Wellen auf offener See schilderten. Oft war die Rede von „Kaventsmännern“ bei einzelnen großen Wellen, vom Herannahen einer „Weißen Wand“ oder von den „Drei Schwestern“, mehreren (meist drei) besonders großen Wellen in Folge. Manchmal schien sich gar ein besonders markantes Wellental als „Loch im Ozean“ aufzutun. Es liegt in der Natur dieser Phänomene, dass nur selten Seefahrer wohlbehalten an Land kamen, um darüber zu berichten.
Ein Umdenken setzte erst Mitte der 1990er-Jahre ein, ausgelöst durch eine spektakuläre Beobachtung: Am 1. Januar 1995 passierte eine riesige Welle die Offshore-Plattform Draupner in der Nordsee. Die gemessene Höhe von rund 25 Metern dieser später so genannten Neujahrswelle brachte die Welt der Wissenschaft in Bewegung. Forscher untersuchten nun auch frühere Messdaten. In der Tat ließen sich rasch weitere solcher Riesenwellen identifizieren. Bei einer ganzen Reihe mysteriös erscheinender Schiffsunglücke schien es nun plausibel, dass riesige Wellen dabei eine Rolle gespielt haben könnten. In den heutigen Zeiten globaler Container- und Kreuzschifffahrt sind Fälle des Zusammentreffens von Schiffen mit riesigen Wellen gut dokumentiert. Daher besteht mittlerweile Konsens, dass bis zu 30 Meter hohe Meereswellen Realität sind. Phänomenologisch spricht man heute von einer Monsterwelle – im englischen Sprachraum hat sich der Begriff „Rogue Wave“ durchgesetzt –, wenn die auftretende Wellenhöhe mehr als doppelt so groß ist wie die „signifikante Wellenhöhe“ des umgebenden Seegangs. Viele Eigenschaften von Monsterwellen sind aber nach wie vor schlecht oder gar nicht verstanden. Strittig sind etwa Fragen nach Entstehungsmechanismen, Ausprägungsformen, Auftrittswahrscheinlichkeiten und Möglichkeiten zur Vorwarnung. Hier soll im Vordergrund stehen, wie sich Entstehung und Eigenschaften von Monsterwellen physikalisch erklären lassen. Ausgangspunkt ist zunächst die lineare Wellentheorie. ...

Im Jahr 1928 machte Frederick Griffith eine erstaunliche Beobachtung: Er isolierte und kultivierte das Bakterium Streptococcus pneumoniae, einen häufigen Erreger von Lungenentzündung. Dabei fand er heraus, dass die Bakterien entweder in virulenter oder in avirulenter Form vorkommen. Virulente Bakterien sind von einer Kapsel umhüllt, die dazu führt, dass die Bakterien dem Immunsystem ihres Wirts entkommen. Griffith mischte abgetötete virulente und lebende avirulente Bakterien und infizierte damit Mäuse, die wenige Tage nach der Infektion starben. Die nähere Untersuchung ergab, dass die ursprünglich unbekapselten Bakterien eine Kapsel entwickelt hatten. Heute wissen wir, dass diese Bakterien die DNA der toten virulenten Bakterien aufgenommen und dadurch das Gen für die Kapselbildung akquiriert haben. Dieser Prozess heißt Transformation. Der Versuch von Griffith ebnete den Weg, DNA als Träger der Erb­information zu identifizieren.
Bakterien bestehen aus einer einzigen Zelle und vermehren sich durch Zellteilung, d. h. die Mutterzelle wird einfach dupliziert. Daher haben die Tochterzellen das gleiche Genom (Infokasten) wie ihre Mutterzelle. Durch spontane Mutation und anschließende Selektion verändert sich das Genom von Bakterien langsam. Eine solche Veränderung kann einen Selektionsvorteil mit sich bringen, zum Beispiel bei der Adaptation an wechselnde Umweltbedingungen. Schneller können sich Bakterien beim sog. horizontalen Gentransfer adaptieren, bei dem sich ein Gen mit Selektionsvorteil direkt auf ein anderes Bakterium überträgt. Ein medizinisch besonders wichtiger Selektionsvorteil ist Resistenz gegen Antibiotika, welche ebenfalls durch spontane Mutation von Genen entsteht. Wenn verschiedene Bakterien diese Resistenz­gene untereinander austauschen, können schnell multiresistente Stämme entstehen. Weiterhin werden wie eben beschrieben Virulenzgene ausgetauscht. Statistische Analysen der Genome von verschiedenen Bakterienarten weisen darauf hin, dass sie einen großen Teil ihres gesamten Genoms durch horizontalen Gentransfer akquiriert haben, z. B. etwa 18 % im Darmbakterium Escherichia coli. ...

Bei der Migräne treten fast immer Kopfschmerzen, aber auch vielfältige andere Symptome auf. Die komplexe Ursache dieser Volkskrankheit, von der je nach Diagnostik bis zu 20 Unterformen bekannt sind, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Eine Migräne­attacke verläuft in bis zu vier Phasen: Einer etwa eintägigen Vorlaufphase folgt in einem Drittel der Fälle die Auraphase, die mit Fehlleistungen der Sinneswahrnehmung, häufig Sehstörungen, einhergeht. Diese Symptome dauern meist zwischen fünf und sechzig Minuten, sie können aber auch unbemerkt bleiben, wenn das Gehirn den Ausfall geschickt kompensiert oder sie nur sehr kurz anhalten. Danach setzt ein meist pochender Kopfschmerz ein, der 4 bis 72 Stunden andauert und sich bei körperlicher Anstrengung ver­stärkt. Eine eintägige Nachlaufphase beendet die Attacke. Das ist der Regelfall, die Phasen können aber auch isoliert auftreten, die Kopfschmerzphase kann fehlen, und Komplikationen, wie eine über eine Woche persis­tierende Migräneaura, existieren ebenfalls.
Bei den am besten beschriebenen visuellen Auren sehen Betroffene etwas, was nicht in ihrem Gesichtsfeld vorhanden ist, ein halluzinatives Muster, oft ähnlich wie bei Drogenmissbrauch. Im Gegensatz zu solch einem positiven neurologischen Symptom haben Betroffene bei einem negativen neurologischen Symptom einen blinden Fleck, das heißt, sie sehen etwas nicht, was in ihrem Gesichtsfeld liegt. Diese Reiz- und Ausfallerscheinungen verlaufen progressiv, sie beginnen oft klein im Zentrum, kaum merklich in den ersten Minuten, und laufen dann etwa 20 bis 40 Minuten durch Bereiche des Gesichtsfelds nach außen in die Peripherie, wobei sie anwachsen. Typisch ist zuerst eine Reizerscheinung in Form eines charakteristischen Zickzack-Musters, gefolgt von einer Ausfallerscheinung.
Neben den Sehstörungen treten somatosensorische Auren auf, bei denen Betroffene z. B. ein Kribbeln spüren, das entlang ihres Arms wandert, gefolgt von einem Taubheitsgefühl. Störungen der Sprache oder anderer Sinne kommen ebenfalls vor. Die US-Fernsehreporterin Serene Branson zum Beispiel verfiel letztes Jahr während einer Live-Übertragung in ein völlig unverständliches Kauderwelsch – es ist fraglich, ob dieser Migräne­anfall unter anderen Umständen überhaupt diagnostiziert worden wäre. ...