Emmy Noether-Programm
der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Inhalt : ❙ „Exzellenz-Initiative“ für den wissenschaftlichen Nachwuchs ❙ Auf der Überholspur❙ Winzlinge mit Wirkung ❙ Beziehungsanalyse in Datenbergen ❙ Stöberer im Sternenstaub ❙Wenn Arbeit unter die Haut geht ❙ Vom Labor ans Krankenbett ❙ Des Tropfens
Kern ❙ Der Flaschen­hals-Effekt ❙ Wie sicher ist sicher? ❙ Nachwuchsförderung

Edi tor ial

Das Emmy Noether-Programm der DFG„Exzellenz-Initiative“
für denwissenschaftlichen
Nachwuchs
Von Ernst-Ludwig Winnacker

M

it dem Emmy Noether-Programm (ENP) fördert die
DFG seit 1999 besonders qualifizierte junge Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler. Ziel des Programms ist es, den Geförderten
frühe wissenschaftliche Selbstständigkeit und die zügige Qualifizierung für wissenschaftliche
Leitungspositionen in Deutschland zu ermöglichen. Seit Einführung des ENP leiteten insgesamt
330 Geförderte für bis zu fünf
Jahre eine Nachwuchsgruppe aneiner deutschen Hochschule ihrer
Wahl. Damit stellt das Emmy Noether-Programm eine attraktive
Alternative sowohl zur gängigen
Qualifizierung über eine Mitarbeiter- oder Assistentenstelle alsauch zur Juniorprofessur dar.

Für die große Akzeptanz desnoch jungen Programms unddie hohe Qualität der Teilnehmerinnen und Teilnehmer spricht,
dass mittlerweile schon rund 70
von ihnen einen oder mehrere
Rufe auf eine Professur erhalten
haben, viele davon ohne Habilitation (Stand Herbst 2005). Dassknapp 40 der Geförderten Angebote aus dem Ausland erhielten,
zeigt darüber hinaus die hohe
Anerkennung des Emmy Noether-Programms auch außerhalb
Deutschlands und die Notwendigkeit, diesen exzellenten Forschern in Deutschland eine vielversprechende Berufsperspektive zu geben. Immerhin etwa die
Hälfte lehnten den Ruf ins Ausland zugunsten einer Position in
Deutschland ab.

Im Austausch mit
den Geförderten
weiterentwickelt
Die Einführung des Emmy Noether-Programms war Teil einer
Runderneuerung unserer Nachwuchsstrategie Ende der 1990er
Jahre, die ein zentrales Anliegen hatte: den Strom der besten
Talente in die USA umzukehrenund eine wissenschaftliche Karriere in Deutschland auch im Wettbewerb mit anderen interessanten
Berufsfeldern attraktiv zu machen.
Mit Anreizen wie früher wissenschaftlicher Selbstständig­keit, derfreien Wahl des Forschungsthemas
und des Standorts möchten wir

junge Wissenschaftler gewinnen,
eine entscheidende Phase ihrer
Karriere in Deutschland zu verbringen. Die DFG verfolgt damit
zugleich das Ziel, zur Entwicklung
flexibler und „nachwuchsfreundlicher“ Strukturen innerhalb desdeutschen
Wissenschaftssystems beizutragen. Der 2003 erstmals ausgeschriebene European Young Investigator (EURYI)
Award, der nach dem Vorbild desENP von den Chefs europäischer
Forschungsförderorganisationen(EUROHORCs) geschaffen wurde,überträgt diesen Gedanken auf
die europäische Ebene.

Bewerber verfügen in der Regelüber zwei bis vier Jahre Forschungserfahrung nach der Promotion und über substantielle
internationale
Forschungserfahrung, die etwa durch einenzweijährigen Auslandsaufenthalt
während der Postdoktorandenzeit oder durch gleichwertige
wissenschaftliche Kooperationen
mit Forschern im Ausland erworben werden kann. Gegenstand
der Förderung im Emmy Noether-Programm ist die Leitung
einer Nachwuchsgruppe, derenmaximale Förderdauer fünf Jahre
beträgt. Dies soll den Forschern
ermöglichen, ihre umfangreichen
Projekte tatsächlich abzuschließen und die Ergebnisse international sichtbar zu publizieren. In
Ausnahmefällen kann – insbesondere für besonders komplexe
experimentelle Projekte – sogar
ein sechstes Jahr beantragt werden. Um den unterschiedlichen
wissenschaftlichen Werdegängen
noch besser gerecht zu werden,
haben wir neben der schriftlichen
Begutachtung persönliche Auswahlgespräche eingeführt.

Fachliche und persönliche
Vernetzung
Die DFG hat von Anfang an die
Vernetzung unter den „Emmys“
gefördert. Seit 2002 veranstalten wir nun schon traditionell im
Sommer in Potsdam das Emmy
Noether-Jahrestreffen, an dem
regelmäßig bis zu 200 Geförderte und Ehemalige teilnehmen.
Diese Treffen sind für die DFG ein
wichtiges Forum, um Rückmeldungen zum Programm zu erhalten. Den Nachwuchswissenschaft-lern bieten sie eine gern genutzte
Gelegenheit, sich untereinander
auszutauschen und Kontakte zu
schmieden. In fachlichen und themenorientierten Work­shops sowie
bei den so wichtigen Gesprächen
am Rande diskutieren die Nachwuchsgruppenleiter über spezifische Probleme und Chancen im
eigenen Fach, über ihre weitere
Karriereplanung und aktuelle
forschungspolitische Entwicklungen in Deutschland und Europa.
In Workshops werden eine Reihe
konkreter Themen behandelt,wie etwa das Hochschulrecht undFragen zur Mitarbeiterführung,zur Qualitätssicherung und zumÜbergang von der Emmy Noether-Phase zur Professur. Nicht
nur bei den Frauen, auch bei den
anwesenden Männern ist außerdem die Vereinbarkeit von Familie
und Beruf ein wichtiges Thema.
Zum Programm der Jahrestreffen gehört auch stets der Politische Abend, der jeweils untereinem bestimmten Thema steht,
etwa „Wissenschaftliche Elite in
Deutschland – Entwicklung derNachwuchskette“ (2004) oder
„Forschung – Freiheit – Föderalismus“ (2005).

D

ie Vernetzungsbestrebungengehen auch außerhalb derJahrestreffen weiter. Die Chemiker
treffen sich beispielsweise einmal
im Jahr, um sich gemeinsam auf
einen wichtigen Kongress vorzubereiten. Die Ehemaligen sind dabei,
neben einem Alumniclub ein Mentoring-Programm zu organisieren,um ihre Erfahrungen an die „Neulinge“ weiterzugeben und ihnen
Karrierehilfe zu leisten. Das jüngst
eingerichtete geschlossene Emmy
Noether-Forum auf der DFG-Website ist eine weitere Plattform fürden Austausch. Um die Geförderten optimal zu unterstützen, bietet die DFG ihnen zusätzlich Weiterbildungsmöglichkeiten zu den
Themen Personal‑, Projekt- undFinanzmanagement sowie Kommunikation an.

Auf dem richtigen Weg
Die Stimmen zum Emmy NoetherProgramm zeigen der DFG, dasssie offensichtlich auf dem richtigen
Weg ist: Beim Emmy Noether-Jahrestreffen 2003 bezeichnete die
ehemalige Forschungsministerin
Bulmahn das Programm als einenwichtigen Baustein, um ein nachwuchsfreundliches Klima zu schaffen, da es auf einzigartige Weise
Exzellenzförderung mit früher
Selbstständigkeit verbinde. Auchdie in Potsdam versammelten
Nachwuchswissenschaftler äußern
sich durchweg positiv bis enthusiastisch über das Programm. Sie
bezeichnen es als das Beste, wasihnen passieren konnte, als Karrierebeschleuniger oder auch als„Ferrari unter den Forschungsprogrammen“. Besonders schätzen
sie die frühe Selbstständigkeit, die
das Programm charakterisiert. Fürviele von ihnen war es der wesentliche Grund für ihre Rückkehr
nach Deutschland oder die einzige
Alternative zu einer Forschungstätigkeit in den USA.
Während die Geförderten der
DFG bescheinigen, mit dem Programm ihrer Zeit voraus zu sein,sind die Strukturen an den Hochschulen oft noch nicht so weit. In
vielen Fällen ist der Status derEmmy Noether-Geförderten noch
ungeregelt, es fehlen eindeutig
definierte Rechte und Pflichten.
Im Gespräch mit den Universitäten wirkt die DFG darauf hin,klare Bedingungen zu schaffen:
So sollen die Nachwuchsgruppenleiter das Recht erhalten, ihre
Doktoranden zur Promotion zu
führen und Lehraufgaben wahrzunehmen. Auf der DFG-Website
steht ein Mustervertrag für die
Geförderten bereit, der sie mit
Juniorprofessoren
gleichstellt.
Rückmeldungen der Geförderten zeigen, dass weiterhin einige
Institutionen diese Anerkennung
verweigern. Dadurch wird die
Selbstständigkeit dieser handverlesenen Wissenschaftler ganz
entscheidend eingeschränkt. Die

DFG arbeitet daran, gemeinsam
mit ihren Mitgliedseinrichtungenhier schnellstmöglich zu Lösungenzu kommen.
Die jungen Forscher fordern
neben der Anerkennung ihres Status ein transparentes Berufungsverfahren sowie die Einführungeines verlässlichen Karrierewegs,
orientiert am amerikanischen Tenure-Track-System. Das Thema Tenure Track, also die Option auf eine
Festanstellung nach der Leitung
der Nachwuchsgruppe, durchzog
bisher die Workshops und Diskussionen auf den Jahrestreffen wie
ein roter Faden. Mit der bevorstehenden Einführung von Heisenberg-Professuren werden wir indieser Hinsicht künftig neue Wegeebnen.
Prof. Dr. Ernst-Ludwig Winnacker
ist Präsident der DFG

Wer war Emmy Noether?
Der Mathematikerin Emmy Noether(1882 – 1935) verdanken wir grundlegende Arbeiten zur abstrakten Algebra und Invariantentheorie. Von großer
Bedeutung für die mathematische Physik
sind die Noether-Theoreme, welche die
Erhaltungssätze für Energie, Impuls undDrehimpuls beschreiben.
Emmy Noether immatrikulierte sich
1904/05 in Erlangen für Mathematik; nuran bayerischen Universitäten durften seit
1903 Frauen mit Abitur regulär studieren.
Ihre Promotion mit einem Thema aus derInvariantentheorie schloss sie 1907 mitsumma cum laude ab. Bereits ein Jahr
später wurde sie zum Mitglied des Circulo matematico di Palermo gewählt und1909 in die angesehene Deutsche Mathematikervereinigung aufgenommen. 1915
siedelte sie nach Göttingen um. Sie
war eine der ersten deutschen Wissenschaftlerinnen, denen es gestattet war,sich zu habilitieren. Doch hatte es dreier
Anträge auf das Habilitationsverfahren
bedurft und des warmherzigen Einsatzes
ihrer Göttinger Kollegen Felix Klein undDavid Hilbert. Nach dem Ersten Weltkriegänderte sich das politische Klima, undFrauen wurden mehr Rechte zugestanden; schon ein Jahr vor dem offiziellen

Erlass vom Februar 1920 wurde ihr die
Lehrbefugnis, die venia legendi, erteilt.
Auch Albert Einstein, der Emmy Noether
durch ihre Zusammenarbeit mit Hilbert
und Klein kennen gelernt hatte, unterstützte sie. 1918 schrieb er in einem Briefan David Hilbert: „Gestern erhielt ich vonFrl. Noether eine sehr interessante Arbeitüber Invariantenbildung. Es imponiertmir, dass man diese Dinge von so allgemeinem Standpunkt übersehen kann. Es
hätte den Göttinger Feldgrauen nichts
geschadet, wenn sie zu Frl. Noether in
die Schule geschickt worden wären. Sie
scheint ihr Handwerk zu verstehen.“ Alssie schließlich Lehrveranstaltungen in
ihrem eigenen Namen durchführen durfte, musste sie dies ohne Besoldung tun.
Erst ab 1923 bekam sie eine geringfügige Vergütung. Emmy Noether begründete als erste deutsche Mathematikerineine wissenschaftliche Schule. Zahlreiche
ihrer Schüler schlugen die wissenschaftliche Laufbahn ein und trugen dazu bei,eine Noether-Enkelgeneration heranzuziehen.
Wegen ihrer jüdischen Abstammung
wurde Emmy Noether 1933 die Lehrerlaubnis entzogen, und sie emigrierte indie USA. Sie bekam am Women’s College
Bryn Mawr, Pennsylvania, eine Gastprofessur und hielt in Princeton, New Jersey, Vorlesungen. Dort verband sie eine
Freundschaft mit Albert Einstein. Nacheiner Operation starb sie im Frühjahr
1935. In einem Leserbrief an die New
York Times schrieb Einstein, dass „Fräulein Noether, das kreativste mathematische Genie, das seit Beginn der höheren
Erziehung für Mädchen geboren worden
ist“, nicht mehr am Leben sei.
Bildquelle: Reid, C.: Richard Courant 1888-1972, Foto S.87.

Interview

Auf der Überholspur
Michael Rübhausen, Jahrgang
1971, ist seit 2004 C4-Professor am Institut für Angewandte
Physik der Universität Hamburg.
Nach dem Physikstudium in Kiel,
Hamburg und London, das er am
Imperial College mit einem internationalen Diplom, in Hamburg
mit dem Diplom und der Promotion abschloss, forschte er als Postdoc an der Chalmers Universität in
Göteborg, Schweden, sowie an derUniversität von Illinois in UrbanaChampaign, USA. Danach kehrte
er nach Hamburg zurück, um die
Emmy Noether-Nachwuchsgruppe„Optische Spektroskopie an Systemen mit kurzen Kohärenzlängen“
zu leiten. Er ist Sprecher des Helmholtz-Forschungszentrums „Nanostrukturforschung an funktionalen
Materialien mit kurzen Kohärenzlängen am VUV-FEL“ sowie Leiterdes BMBF-Projekts „Aufbau eineshochauflösenden Doppel-Monochromators für Raman-Streuung im
VUV“. Seit kurzem ist er Mitglied
des Science Advisory Committee fürdas Direktorium CCLRC Rutherford
Appleton Laboratory in Großbritannien für die ISIS-Anlage. Einen Rufin die USA lehnte er zugunsten der
C4-Professur in Hamburg ab.

? Sie haben Universitäten in

England, Schweden und den
USA kennen gelernt. Wie
unterscheidet sich die Forschung dort vom deutschen
Wissenschaftssystem?
! Die Systeme dort sind flexibler. In den USA etwa gelten fürunterschiedliche Disziplinen auchunterschiedliche Regelungen.
Die einzelnen Projekte und ihre
Erfolgsaussichten stehen im Vordergrund, und die Forschungwird nicht in die starren Korsetts
gezwängt, die wir hier kennen.
Jede Disziplin benötigt doch Autonomie, um ihre Stärken entfalten
zu können. Woanders zählt auch
Leistung mehr als bei uns. Zudem
ist die Organisation besser, dasWissenschaftsmanagement ist professioneller. Mein größter Wunschfür Deutschland wäre, den wissenschaftlichen Nachwuchs
noch mehr zu stärken. Unser
Problem ist ja, dass die Fachbereiche überaltern und junge
exzellente Forscher kaum eine
Chance haben nachzurücken.

? Warum sind Sie nach

­ eutschland zurückgekehrt?
D! Ohne das Emmy Noether-Programm wäre ich wahrscheinlich inden USA geblieben. Mit dieser Förderung aber konnte ich eigenständig forschen und eine eigene Gruppe aufbauen – und das in Hamburg! Für mein Fachgebiet gibt eszurzeit weltweit keinen besseren
Standort: Die Universität zusammen mit der Großforschungseinrichtung DESY, dem Deutschen
Elektronen-Synchrotron, bietet
ein so exzellentes Umfeld, dasses ein Physiker nicht ausschlagenkann. Und die Entscheidung der
Bundesregierung, hier den „FreieElektronen-Laser“ und Petra III
aufzubauen, die leistungsstärksten
Quellen für Synchrotronstrahlung, macht Hamburg jetzt noch
zusätzlich zu einem einzigartigen,zukunftsträchtigen Standort.

? Dann würden Sie das

Emmy Noether-Programm
jedem ambitionierten undbegabten Nachwuchswissenschaftler empfehlen?
! Unbedingt! Für meine Karriere war das Programm ein ganz
zentraler Baustein, ohne den ich
mich nicht in die Weiterentwicklung des Forschungsstandorts
Hamburg hätte einbringen können. Die Förderung durch einsolches Exzellenzprogramm der
DFG hat auch die Basis geschaffen, mir internationales Ansehenzu erwerben, denn ich konnte
unabhängig forschen und michdamit international durchsetzen.

Entscheidend für eine wissenschaftliche Karriere ist ja internationale Sichtbarkeit. Jüngeren
Wissenschaftlern sage ich immer,wie wichtig schon frühzeitig
mindestens zwei Auslandsaufenthalte an fachlich herausragenden
Orten sind. Einziger Nachteil
des Emmy Noether-Programms
ist die naturgemäß fehlendeTenure-Track-Option, welche
die für Berufungen zuständigen
Universitäten bei guter Leistungeigentlich bieten müssten.

? Auch die Universität Ham-

burg hat Ihnen nicht sofort
das Angebot gemacht zu
bleiben. Musste dafür erst ein
Ruf aus den USA kommen?
! Ohne diesen Ruf wäre ich hiernicht C4-Professor geworden.
Das Angebot aus den USA war
sehr attraktiv, denn es lockten
nicht nur eine hervorragende
Universität und ein National
Laboratory, sondern auch eine
deutlich bessere Besoldung. FürHamburg sprach aber die exzellente Synchrotronforschung;auf diesem Gebiet wird Amerika nicht so bald nachziehen
können. Deshalb bin ich froh,
dass die Universität Hamburg
so flexibel war und so rasch mit
einem Gegenangebot reagierte.

? Wäre eine Habilitation

nicht üblich gewesen?
! Das hängt sicher vom Fachbereich ab. Für mich persönlichgilt, dass ich dafür ein zu unabhängiger Mensch bin. Warumsollte ich mich als ehemaliger
Emmy Noether-Gruppenleiter mit
einem Ruf nach Amerika noch
habilitieren? Für mich war die
fehlende Habilitation kein Nachteil. Ich halte sie in der Physik
für ein überaltertes Verfahren.
Mit Michael Rübhausen sprachen
Marion Kälke und Dieter BesteMikrobielle Bildung reaktiver Eisen- und Huminstoffphasen

Winzlinge mit Wirkungu seinen ohnehin zahlreichen
Problemen hat Bangladesh ein
weiteres dazubekommen: Schätzungsweise 70 Millionen Menschen müssen täglich arsenhaltiges Wasser trinken. Experten
befürchten, dass Arsen dort bald
die häufigste Todesursache werden
könnte. Es mutet wie eine traurige
Ironie an, dass der Grund hierfürausgerechnet in der Beseitigung
einer anderen tödlichen Plage zu
finden ist. Vor gut 30 Jahren lebte
die Bevölkerung noch von Oberflächenwasser, das mit Kolibakterienverseucht war, und die Todesfälle,vor allem unter Kindern, nahmen
dramatisch zu. Die Weltgesundheitsorganisation WHO und die
UNICEF unterstützten daraufhin
den Bau von Brunnen, um eine Versorgung mit sauberem Grundwasser zu gewährleisten. Zunächst mit
Erfolg. Weil jedoch die Bauern mit
dem Grundwasser auch die Felder
bewässerten, veränderte sich derUntergrund: Sauerstoff und organisches Material drangen in die
Tiefe. So gedieh ein nahrhaftes
Umfeld für Bakterien, die Arsen
ins Grundwasser gelangen ließen,
indem sie über ihren Stoffwechsel
Eisenminerale veränderten.
Wie aber geht das vor sich? Die­
ser Frage widmen sich Andreas
Kappler und seine Emmy Noether-­Nachwuchsgruppe „Mikrobielle Bildung reaktiver Eisen- und
Huminstoffphasen“ an der Universität Tübingen. Der studierte
Chemiker stellt sich heute stets als
Geomikrobiologe vor: „Ich fühle
mich sehr wohl zwischen den Disziplinen“, sagt er. „Die Geologen
schauen sich die Gesteine an, die
Mikrobiologen machen ihre Untersuchungen in wässrigen Systemen.
Wir bilden die Brücke und möchten verstehen, welche Rolle Bakte-

In Südafrika entnimmt Andreas
Kappler Proben aus präkambrischen
Eisenformationen.
rien bei der Bildung und Auflösung
von Gesteinen spielen.“ Die Wissenschaftler und Studenten seines
Teams sind bunt gemischt: Mikrobiologen, Geochemiker, Geologen,Umweltchemiker aus aller Welt
arbeiten Hand in Hand. Ihre Spezialität sind „Eisenbakterien“.
Wir atmen Sauerstoff, und viele
Mikroorganismen tun das auch.
Andere nutzen Licht zur Energiegewinnung, manche sogar
anorganische Verbindungen wie
Schwefelwasserstoff oder Eisen.
Wenn Bakterien Eisen verwerten,
verändern sie dieses. Eisen kommt
in der Natur in zweierlei Form vor:
als reduziertes Eisen, Fe(II), und
als oxidiertes Eisen, Fe(III). So
beschreibt man den Redoxzustand,
der besagt, wie viele oder wenige
Elektronen das Eisen enthält. Eisen
III hat am wenigsten Elektronen.
Wenn es eines dazu bekommt, wird
es zu Eisen II reduziert. Umgekehrt
wird Eisen II zu Eisen III oxidiert,
wenn es Elektronen abgibt. Diesen
Elektronentransfer, Redoxreaktion
genannt, können Bakterien katalysieren und zur Energiegewinnung
nutzen.
Die beiden Eisensorten unterscheiden sich gravierend: Bei neutralem pH-Wert und bei Abwesenheit von Sauerstoff ist Eisen
II löslich, Eisen III hingegen ein
nicht lösliches Mineral. Diese Tatsache lässt Geologen zum Beispiel
rätseln, wie Eisenablagerungenin der frühen Erdgeschichte entstanden sein können. Hundertevon Metern dicke Schichten, so
genannte gebänderte Eisenerze,
die bis zu 3,8 Milliarden Jahre alt
sind, erstrecken sich etwa in Südafrika über eine Fläche von 100.000
Quadratkilometern. Auf der jungen Erde konnte Eisen jedoch nur
in reduzierter, gelöster Form im
Ozean existieren, denn es gab vermutlich nicht genug Sauerstoff, um
es zu Eisenerz zu oxidieren. Wieaber wurde dann das gelöste Eisen
II zu Eisen III ausgefällt? „Wir wollen beweisen, dass Eisenbakterien, die das Eisen II mit Hilfe vonLicht zu Eisen III oxidieren, dafürverantwortlich waren.“ Andreas
Kappler hat von einer Exkursion
nach Südafrika Gesteinsproben
mitgebracht, die er nun im Labor
untersucht. Bestimmte Mikroorganismen leben ganz bescheiden
nur von Licht, gelöstem Eisen undKohlendioxid – alles ausreichend
im frühen Ozean vorhanden. Und
bei diesem Stoffwechselprozess,so die Hypothese, wandelten sie
in einem frühen Ozean das gelöste
Eisen in Eisenminerale um.
Die Geomikrobiologie ist nochein recht junges Feld und fasst erst
allmählich in Deutschland Fuß.
In den USA ist sie schon länger
etabliert. Andreas Kappler weißes zu schätzen, dass er schon bei
zwei Aufenthalten am Marine
Biological Laboratory in Woods
Hole, Massachusetts, erste internationale Erfahrungen sammeln
konnte. An der EAWAG, einem
Wasserforschungsinstitut der ETH
Andreas Kappler

ZAndreas Kappler / Naturwissenschaftlich-medizinisches Institut der
Universität Tübingen in Reutlingen

Auf dem elektronenmikroskopischen
Schnittbild zeigen die Hohlräume an,dass in einem Eisenmineral-Aggregat
Eisen oxidierende Bakterien aktiv waren.

1 µm

Zürich, hat er zudem zwei Jahre
lang als Postdoc seine Kenntnissein Umweltchemie vertieft, zwei
weitere Jahre forschte er in einem
Team von Geomikrobiologen am
California Institute of Technology (Caltech) in Kalifornien. „Dort
habe ich gelernt, wie toll es ist,
interdisziplinäre Forschung auf
hohem Niveau zu betreiben. Heutebin ich glücklich, hier in Tübingen die Geomikrobiologie vertreten zu dürfen.“ Erst in den letzten
Jahren konnten Wissenschaftler
bestätigen, dass die Bildung undAuflösung von Mineralen nicht ein
rein chemischer, sondern in vielen
Fällen ein mikrobiell katalysierter Vorgang ist. „Es ist schön, die
Grundlagen dieses mikrobiellen
Metabolismus zu erforschen“,überlegt er. „Aber noch schöner ist
es, wenn unsere Arbeit die Menschen direkt berührt.“ Deshalb
konzentriert er sich besonders auf
Umweltprobleme wie die Freisetzung von Arsen ins Trinkwasser.
Arsen war schon lange in den
Sedimenten von Bangladesh vorhanden, doch stabil an Eisenminerale gebunden und damit harmlos.
Das Unheil brachten Bakterien,
die Eisen III zu Eisen II reduzieren, es also auflösen und damit das
Arsen freisetzen. Allerdings, unddas macht die Sache noch komplizierter, kann auch Arsen – wie
Eisen – verschiedene Oxidationsstufen haben. So gibt es Arsen III
und Arsen V. Das dreiwertige Arsen
ist nicht nur deutlich toxischer als
Arsen V, es ist auch mobiler, das
heißt es adsorbiert weniger gut an
Minerale. Wenn daher Arsen V zu
Arsen III reduziert wird, kann ein
gewaltiges Umweltproblem entste-

hen. Ob solche Redoxvorgänge an
Eisenoberflächen ablaufen, wollen
Andreas Kappler und sein Teamherausfinden. Freigesetztes Eisen
II bindet nämlich – wie das Arsen– ebenfalls gerne an Eisen-IIIMinerale. „Man weiß, dass diesegebundene Eisen-II-Sorte Metall­
ionen reduzieren kann. Wir wollen
untersuchen, ob sie auch Arsen V
in Arsen III umwandeln kann und
es dadurch toxischer und mobiler
macht“.
Bisher gibt es nur eine relativ
teure Möglichkeit, die ArsenGefahr zu bannen: Man macht die
mikrobielle Auflösung von Eisen
III gewissermaßen rückgängig,
indem man das Trinkwasser mit
Eisenmineralen filtriert, um das
Arsen an diese zu binden. „Wir
beginnen gerade eine Zusammenarbeit mit einer Forschergruppe in
China, um herauszufinden, ob wir
Bakterien gezielt für die Bildung
dieser Eisenminerale einsetzen
können“, sagt Andreas Kappler.
Es freut ihn, wenn seine Forschungkonkret dazu beiträgt, die Umwelt
zu sanieren. Bedeutsam könnten
dabei Huminstoffe sein, eine chemisch uneinheitliche Stoffklasse
aus organischen Verbindungen,die etwa bei der Zersetzung vonPflanzen entstehen. Auf sie war
man gestoßen durch die Frage,
wie Bakterien überhaupt Eisenminerale atmen können. „Sauerstoff diffundiert einfach in die
Zelle, aber bei Eisenmineralen ist
das offensichtlich nicht so leicht,“
erklärt Andreas Kappler. Zumindest für manche Bakterien fand ereine Antwort: Sie reduzieren Eisen
nicht direkt, sondern benutzen
dazu dieses natürliche organische

Material als Elektronenfähre. Die
Mikroorganismen übertragen dem
Huminstoff Elektronen, reduzieren ihn also. Weil dieser nun die
erworbenen Elektronen unbedingt
wieder abgeben will, reagiert er
mit Eisen III – aber auch mit Schadstoffen. „Wir vermuten, dass reduzierte Huminstoffe vielleicht Arsen
V in die giftigere Form umwandeln“, erläutert Andreas Kappler.
Beweisen indes konnte er bereitseinen positiven Effekt: Sie bauen
Schadstoffe wie zum Beispiel chlorierte Lösemittel ab.
Die Expertise von Andreas
Kappler und seinem Team ist schon
direkt vor der Haustür gefragt.
Den Auftrag für ein Gutachten
bekamen sie zusammen mit einer
anderen Forschergruppe der Universität Tübingen vom Umweltministerium Baden-Württemberg,
das derzeit ein Geothermie-Projekt
unterstützt. Bei der Nutzung deroberflächennahen Erdwärme wird
eine Lösung, die Substanzen wie
Glykol enthält, in den Untergrund
gepumpt, dort erwärmt und wieder
an die Oberfläche gebracht, um
dort Gebäude zu heizen. Was abergeschieht, wenn organische Verbindungen über ein Leck austretenund Bakterien stimulieren?
Es gibt also stets und überall
Bedarf zu wissen, was Bakterien
im steinigen Untergrund bewirken.
Andreas Kappler hat ein klares
Ziel: einen Lehrstuhl mit einer
großen, internationalen Arbeitsgruppe einzurichten, die dasganze interdisziplinäre Spektrum
abdeckt. „Zurzeit gibt es das nochnicht in Deutschland.“ Das Emmy
Noether-Programm betrachtet er
als entscheidenden Schritt auf diesem Weg. „Es hat mir alle Türen
geöffnet. Junge Wissenschaftler
bekommen auf diese Weise nicht
nur die Mittel, um sofort eine eigene Gruppe aufzubauen und Labore
einzurichten, sondern tragen damit
auch früh Verantwortung. Das muss
ihnen später zugute kommen!“mk

Nichtautonome Dynamische Systeme

Beziehungsanalyse
in Datenbergen
Ü

Jan Jacob Hofmann

ber die Frage, wie er zur
Mathematik gekommen sei,muss Stefan Siegmund nicht lange
nachdenken: „Die Suche nach
Wahrheit und Weisheit ist definitiv die treibende Kraft in meinem
Leben“, sagt er und berichtet, dassdiese Suche in seiner Jugend sehr
unspezifische Ausdrucksformen
fand. Er testete sein Talent als
Musiker in einer Band und gewann
mit dieser Gruppe sogar einen
Wettbewerb. Tibet faszinierte ihnsehr, und er überlegte, ob er nicht
auswandern und Mönch werden
sollte. Nach dem Abitur fand die
Philosophie seine Zuneigung, aber
Stefan Siegmund entschloss sichdann sehr bewusst für das Studium der Mathematik: „Es war
das Künstlerische, das Musische
und das Philosophische, das michreizte, und dies alles finde ich inder Mathematik.“ Er erinnert andie Maler Kandinski oder Miro,die zunächst sehr konkret, später aber immer abstraktere Bilder
gemalt hätten: „Farbige Flächen,geometrische Figuren, dahin zu
kommen war für sie ein langer,
anstrengender Prozess“, sagt er
und zieht eine Parallele zur Abstraktion durch Mathematik: „Wir
Mathematiker haben das Glück,
dass die abstrakten Wahrheiten,
die wir zu finden und zu verstehensuchen, tatsächlich die Grundlagen unseres Universums sind.“

Stefan Siegmund interessiert das
Prinzipielle. Obwohl eine exakte
Wissenschaft, gelinge es mit Hilfeder Mathematik dennoch häufig
nicht, natürliche Prozesse vollständig quantitativ zu beschreiben, sagt er: „Das liegt zum einendaran, dass wir oft nur vereinfachteoder genäherte Modelle für solche
Prozesse kennen, und zum anderen sind diese Modelle immer
noch zu kompliziert, um exakte
Lösungen bestimmen zu können.“ Der berühmte französische
Mathematiker Henri Poincaré hatdies erkannt und bereits in seiner
Dissertation 1879 die Grundlagenfür eine qualitative mathematische
Diskussion natürlicher Vorgänge
geschaffen, und zwar „für das, was
wir heute die ‚Qualitative Theorie
Dynamischer Systeme’ nennen.“
Dabei werden mit mathematischen
Methoden die qualitativen Aspektedynamischer Prozesse untersucht– unter Vernachlässigung der
exakten quantitativen Größen.
Was dies konkret bedeutet?
„Nun“, sagt Siegmund, „nehmen Sie zum Beispiel einmal an,
dass ein vereinfachtes mathematisches Modell das Verhalten einer
Waschmaschine in Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit undder Wäschemenge in der Trommel beschreibt. Dann fördert einequalitative Analyse dieses Modells
etwa zu Tage, ab welcher Drehge-

schwindigkeit und Wäschemenge
die Maschine von einer ruhigen
Gangart – wir Mathematiker sprechen hier von einer stabilen Ruhelage – zu einem unerwünschten
Rütteln – also mathematisch zu
einem stabilen periodischen Orbit– übergeht.“
Das Beispiel zeigt, dass es gar
nicht so wichtig ist, quantitativ
exakt die genaue Richtung zu
bestimmen, in der die Maschine rüttelt. Viel wichtiger ist das
Ergebnis der qualitativen Betrachtung: Zu wissen, wann genau derqualitative Übergang von ruhiger
Gangart zu dem unerwünschten
Rütteln stattfindet. „Übergänge
dieser Art, von einer Ruhelage zu
periodischer Bewegung, kommenübrigens recht häufig in der Naturvor“, sagt Stefan Siegmund, „wir
Mathematiker sprechen von der
Hopf-Verzweigung, benannt nacheinem der Entdecker.“
Schon nach dem Vordiplom an
der Universität Augsburg hatte
Siegmund ein Begabtenstipendium erhalten. Nach dem Studium
folgte dann ebenfalls in Augsburg
die Promotion in dem DFG-Graduiertenkolleg „Nichtlineare Probleme in Analysis, Geometrie und
Physik“. Wöchentlich trafen sichdie Mitglieder zu einem Vortrageines Stipendiaten, „man erhielt
Einblick in die Fragestellungen
und Probleme der anderen – eine
Stefan Siegmund (zweiter von rechts)
entwickelt mit seiner Nachwuchsgruppe
an der Universität Frankfurt unter
anderem mathematische Methoden,
um Beobachtungsdaten von Wirbeln– seien es Strudel im Meer oder Winde
wie Tornados oder Hurrikane – zu
analysieren. Zur Zeit befasst er sichmit Vortex Merger. Damit wird derProzess des Verschmelzens kleiner
Wirbel zu einem großen bezeichnet.

NOAA

Hurrikane „Emily“ (rechts über der
Karibik) und „Eugene“ am 19. Juli
2005: Kommen sich zwei Wirbelstürmenahe, besteht die Gefahr, dasssie miteinander verschmelzen undeinen Superhurrikan bilden.

sehr positive Erfahrung“, erinnert
er sich. Er blieb anschließend in
Augsburg, wo ihm der Sprecher
des Graduiertenkollegs, Professor
Bernd Aulbach, eine Postdoktorandenstelle angeboten hatte. Stefan
Siegmund folgte dann dem Rat
Aulbachs und bewarb sich bei der
DFG um den Eintritt in das Emmy
Noether-Programm.
In vier, jeweils sechsmonatigen
Aufenthalten startete er nun seine
Forscherkarriere in den USA, undzwar am Georgia Institute of Technology in Atlanta, am Institute forMathematics and its Applicationsin Minneapolis, an der Universityof California in Berkeley und an
der Boston University. Siegmund
erfuhr, wie eng und verblüffend
theoretische Arbeit und praktischer
Nutzen beieinander liegen können:
In seiner Dissertation hatte er, „einfach nur der Schönheit der Mathematik folgend“, ein Resultat Henri
Poincarés verallgemeinert. Als er
nun in Amerika auf einer Tagung
darüber berichtete, machte ihn ein
Zuhörer darauf aufmerksam, dassdie alte Arbeit Poincarés Grundlage für die mathematische Behandlung der Stromübertragung vonden Kraftwerken zu den Endabnehmern sei und wies ihn darauf
hin, dass nun mit den Resultaten
seiner Doktorarbeit dieser Transferüber die Leitungsnetze wohl weiter optimiert werden könne.
„Wir Mathematiker sind frei“,sagt Stefan Siegmund, „wir lassen uns in der reinen Mathematik
von unseren Intuitionen treiben
und folgen unseren Gefühlen.“

Aber so funktioniere Grundlagenforschung: „Am Anfang istüberhaupt keine Anwendung in
Sicht, und dann kommt plötzlich
ein Physiker oder Ingenieur, fragtnach einer speziellen mathematischen Methode, und wir stellen verblüfft fest, genau das hat
ja schon einer von uns vor vielen
Jahren entwickelt!“ Für Siegmund
ein weiterer, motivierender Beleg
dafür, dass „wir mit der Mathematik nahe an der Seele der Natursind.“„Wir wollen direkt aus
den Beobachtungsdaten auf
die Prozesse schließen.“Nach den zwei USA-Jahren
genehmigte die DFG Stefan Siegmund im Rahmen des Emmy Noether-Programms eine eigene Nachwuchsgruppe an der Universität
Frankfurt. Zurück in Deutschland
hat er sich nun vorgenommen,
zusammen mit seinen Doktoranden und wissenschaftlichen Mitarbeitern der Frage nachzugehen,
wie es gelingen kann, ohne vorherige mathematische Modellbildung
direkt aus sich verändernden Daten
Aussagen über das Verhalten eines
physikalischen Prozesses machen
zu können. „Für dynamische physikalische Systeme ist eine Modellbildung von begrenztem Nutzen“,
sagt Siegmund, „denn die Dingeändern sich mit der Zeit.“ Im Beispiel der Waschmaschine wäre

das etwa die Wassermenge in derTrommel. Mathematiker greifen
deshalb zu Tricks, führen etwa
Parameter ein, um mit solchen zeitlichen Veränderungen im Modell
zurechtzukommen.
Aber was, wenn das einem physikalischen Prozess zugrunde liegende Modell und die entsprechenden
Parameter gar nicht bekannt sind
– aber Beobachtungsdaten vorliegen? „In meinem Emmy NoetherProjekt ‚Nichtautonome Dynamische Systeme’ entwickeln wir
Methoden, um diese immer größer
werdenden Datenberge analysieren zu können“, sagt Stefan Siegmund. Er verweist auf die stündlich aktuellen Satellitendaten vonStrömungen in den Ozeanen oderdie tagtäglich auch von kleinsten
Beben aufgezeichneten seismologischen Messwerte. „Wir untersuchen derzeit einen Prozess, den die
Klimaforscher Vortex Merger nennen“, berichtet er und erklärt, dasses dabei um das Problem geht,
möglichst frühzeitig erkennen zu
können, ob zwei Wirbel – seien es
Strudel im Meer oder Winde wie
Tornados oder Hurrikane – sichzu einer Superstruktur verbinden
werden oder getrennt bleiben.
„Wie sich ein einzelner Hurrikan entwickelt, können die Meteorologen schon ganz gut beantworten“, sagt Siegmund, „in den letzten Monaten waren wir Zeugen,wie genau sie etwa die künftigen
Wanderungsbewegungenderverheerenden karibischen Wirbelstürme voraussagen konnten.
Aber wäre es nicht schön“, fragt
er, „wenn wir beim gleichzeitigen
Auftreten von zwei Hurrikanen
wissen könnten, ob sie zu einem
Superhurrikan verschmelzen odernicht?“ Siegmund hofft, dass seine
mathematische
Grundlagenforschung „mittelfristig“ zur Heraus­
bildung von automatisierten Vortex-Merger-Analysemethoden beiträgt. dbDie Entwicklung zirkumstellarer Staubscheiben zu Planetensystemen

Stöberer im Sternenstaub
enn Sebastian Wolf von Sternen, Staub und Planeten
erzählt, gerät er schnell ins Plaudern. Dass ihn die Astronomie, die„ja nicht gerade die sicherste Disziplin für eine berufliche Karriere ist“, begeistert, muss er daher
eigentlich kaum noch erklären:„Mehr als andere Gebiete der Physik hat sie noch den Reiz des Unbekannten.“ Dies versucht er auchan seine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe weiterzugeben, mit
der er die Geburt und das Heranreifen von Planeten erforscht: hieroben am Max-Planck-Institut für
Astronomie, das abgehoben vom
irdischen Treiben am Königstuhl
hoch über Heidelberg liegt.
Wie ist unser Sonnensystem
entstanden? Gibt es vergleichbare
Systeme in unserer Milchstraßeund anderen Galaxien? Warum
unterscheiden sich erdähnliche
Planeten wie Merkur, Venus undMars so sehr von den äußeren Gasgiganten Jupiter oder Saturn? Diese
Fragen beschäftigen die Menschen
schon seit hunderten von Jahren.
Heute haben sich Vermutungen zu
einer handfesten Theorie gemausert, weil zum einen Computer
recht gute Vorhersagen erlauben
und weil zum anderen moderne
Teleskope einen schärferen Blick
gewähren und die Forscher mit
Daten versorgen. Entscheidende
Bilder verdanken sie schon dem
guten alten Hubble-Weltraumteleskop: Es schickte uns die ersten
hochaufgelösten Aufnahmen vonsonnenähnlichen Baby-Sternen im
Sternbild Stier und im Orionnebel,
und es zeigte, dass sich während
ihrer Entstehung eine sie umgebende Gas- und Staubscheibe bildet – der Stoff, aus dem Planeten
stammen. Den ersten ausgewach-Sebastian Wolf auf seinem
Heimatplaneten: Der Astronom
erforscht, wie Sterne und ihre
Trabanten entstehen.
10senen, extrasolaren Riesenplaneten
konnten Forscher 1995 nachweisen; heute sind mehr als 160 solche
fremden Trabanten bekannt. Diese
Erkenntnisse gewannen die Planetenjäger indirekt: Weil zwischen
Planet und Stern Gravitationskräfte wirken, gerät der Stern leicht
ins Torkeln; durch den Dopplereffekt macht sich diese Bewegung ineiner periodischen Verschiebung
der Spektrallinien bemerkbar.
Wie sich Sterne bilden, istseit etwa 25 Jahren eines derSchlüsselthemen der Astrophysiker. Auch Sebastian Wolf hat
zuerst nach den Sternen gegriffen und in seiner Doktorarbeit an
der Thüringer Landessternwarte
eine Simulationssoftware für den
Strahlungstransport in den Staubscheiben junger Sterne entwickelt.
„Planeten entstehen zusammen
mit Sternen“, sagt er und skizziert
im Zeitraffer, wie sich dies wahrscheinlich zuträgt. In Regionen,
wo Gas und Staub besonders dicht
sind, weil sie beispielsweise durch
die Stoßwelle einer nahen Supernova komprimiert wurden, fällt
bei tiefen Temperaturen das Material aufgrund der eigenen Schwerkraft in sich zusammen, bis sichim Zentrum ein Protostern bildet,
auf den weiteres Material aus derihn umgebenden Wolke hinabreg-

net. „Wenn dieses Gebilde auch
nur eine winzige Anfangsdrehung
hat, wird durch das Gesetz von derErhaltung des Drehimpulses die
Rotation verstärkt, und der Staub
sammelt sich zu einer Scheibe,
welche die Protosonne umgibt“.
Nach einigen Millionen Jahren,nach der so genannten T-TauriPhase bei sonnenähnlichen Sternen, sind Temperatur und Druck
im Kern der Protosonne so hoch,dass ihr Fusionsreaktor anlaufenkann.
In der zirkumstellaren oder protoplanetaren Scheibe aber wuseln
derweil unendlich viele dunkle,
mikroskopisch winzige Staubteilchen umher, und nach dem Prinzip
der Brownschen Bewegung stoßen immer wieder Partikel zufällig zusammen, bleiben aneinander kleben und wachsen zu tennis- oder fußballgroßen Gebilden
heran. „Den nächsten Schritt zu
beschreiben, fällt den Astrophysikern noch schwer“, sagt Sebastian
Wolf. Aber offenbar gibt es nochweitere Prozesse im dichteren
Inneren der Scheibe, welche die
Bälle zu so genannten Planetesimalen mit einem Durchmesser vonein paar Kilometern heranreifen
lassen. Jetzt ist ihre Gravitation
so groß, dass sie sogar kleinere
Geschwister an sich ziehen könSebastian Wolf

W„Die Balance vonTheorie und Beobachtung
gefällt mir.“nitz-Preis 2005. Die Modellierung
ist für ihn aber nur die Hälfte desReizes. „Mir gefällt es, am Computer Vorhersagen zu machen. Aber
ich wollte auch ans große Teleskop,
nicht nur zu Hause im Garten.“
Ein Gastspiel an der Europäischen
Südsternwarte ESO in Chile war
ihm daher kurz nach der Promotionsphase willkommen. Als Postdoc hat er dann am Jet Propulsion
Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena sowie am dortigen California
Institute of Technology (Caltech)geforscht. „Dort hatte ich Glück:
Die Leute waren so sehr in ihre
Satellitenmissionen involviert, dasssie es mir überließen, die Beobachtungsdaten auszuwerten.“
Am Caltech, das gerade das
Spitzer-Infrarot-Weltraumteleskop
auf den Weg brachte, untersuchte
er die Trümmerscheiben, die entstehen, wenn Planetesimale kollidieren und dabei Brocken wegschleudern. Vergleichbare Szenarien finden wir auch in unserem
Sonnensystem: im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter undam äußeren Rand, im Kuipergürtel.
Dem ursprünglichen Sternenstaub
widmete er sich am JPL: Dort nahm
er sich den „Butterfly-Star“ imTaurus vor. Der nebulöse Staub, an
dem sich das Sternenlicht streut,erscheint auf einer Hubble-Aufnahme wie Schmetterlingsflügel,die zirkumstellare Scheibe, von der
Seite fotografiert, wie ein langer

schwarzer Körper, der die Flügel
trennt. Weil die Dichte des Staubnebels nach außen hin abnimmt,
vermutete man den Geburtsort derPlaneten im inneren Milieu. „Am
Butterfly-Star konnten wir tatsächlich zeigen, dass im Inneren der
Akkretionsscheibe Staubkörner
anwachsen, im äußeren Bereich
hingegen nicht.“
Heute, am Max-Planck-Institut für Astronomie, führt er seine
Arbeiten fort. „Kalifornien war sehrschön“, sagt er. „Aber im Vergleich
mit dem Emmy Noether-Programm
war eine Postdoc-Stelle in Amerikakeine Alternative mehr.“ Er schätzt
die personelle und die wissenschaftliche Verantwortung, die er
nun tragen darf. „Es ist sehr attraktiv, nicht erst nach einer Berufung
lernen zu müssen, mit einem größeren Team selbstständig zu arbeiten.“ Dies ist nicht selbstverständlich im deutschen Wissenschaftssystem, weil, so Sebastian Wolf, derMittelbau in der Forschungshierarchie zu sehr vernachlässigt werde.
„Es ist absurd, dass Deutschlandriesige Summen in Großprojekteder ESA oder ESO investiert, aberzulässt, dass die wissenschaftlichen
Arbeiten woanders veröffentlicht
werden.“In Heidelberg sucht er nun mit
seinem Team die Balance zwischen neuesten Beobachtungstechniken und Computermodellierung. Aus gutem Grund warten
sie gespannt auf die kommenden
Jahre. Ein optisches Teleskop wie
Hubble, das nur bis in den nahen
Infrarot-Bereich sieht, kann heißen Staub registrieren, der vom
Stern angestrahlt wird. „Bei längeren Wellenlängen aber, wie sie
etwa der Hubble-Nachfolger, dasJames-Webb-Weltraumteleskop,
nutzen wird, können wir auchden kälteren Staub wahrnehmen,
ja irgendwann die ganze Scheibe.“ Aus der Form des Spektrums,
den Emissions- und Absorptionsbanden, lassen sich Rückschlüsse
auf Beschaffenheit und Größe desStaubmaterials ziehen. Noch tiefe­
re Einsichten aber soll eine Anlage gewähren, in der geplante 64
Radio­teleskope zu einem Interferometer zusammengeschaltet sein
werden: das Atacama Large Millimeter Array ALMA in Chile.

„Das Verrückte ist, dass Planetesimale oder Protoplaneten sehr vielschwerer zu beobachten sind alsder Staub“, sagt Sebastian Wolf.
Zur Veranschaulichung bedient ersich eines Vergleichs: „Ein Kohlebrikett in einem Kilometer Entfernung ist nicht zu erkennen; zertrümmern wir es aber, dann sehen
wir die große schwarze Staubwolke sehr wohl.“
Ein Trick kann aber beim Aufspüren von großen Körpern behilflich sein. Nimmt man die InfrarotStrahlung der Staubpartikel übergroße Wellenlängen auf, so lässt
sich die Ausdehnung der Scheibe
ermitteln, und in ihr werden Lücken
erkennbar, die ein junger Riesentrabant in die Scheibe gerissen hat.
„Wir müssen also nur nach einersolchen Lücke fahnden, um indirekt den Körper nachzuweisen.“ Erhat eine Vorhersage berechnet, wie
der pubertierende Planet, während
er die Lücke in die Scheibe fräst,
noch Material aufsammelt. Bevor

Sebastian Wolf

nen: Sie akkumulieren zu Protoplaneten und Planeten. Wenn sie
dann aus der Scheibe Gas aufsammeln, können sich sogar riesige
Gasplaneten bilden.
Der Schwerpunkt von Sebastian Wolfs Forschung lag zunächst
bei der Theorie, und dabei war er
außerordentlich erfolgreich. Nicht
nur zeichnete ihn schon die Universität Jena mit dem Examensund Promotionspreis aus, auchdie DFG würdigte die „Originalität und das hohe Niveau“ seiner
Arbeit mit dem Heinz-Maier-Leib-

Die Simulation zeigt einen fastausgewachsenen Riesenplanetenin einer Scheibe um einen
jungen, sonnenähnlichen Stern.
ALMA, ein Arrangement aus 64
Radioteleskopen, könnte bald
Bilder aus dieser Phase zeigen.

dieses auf den Körper trudelt, wird
es sehr heiß. „Mit ALMA hoffen
wir, in ein paar Jahren die warme
Umgebung des Trabanten selbst in
der Lücke registrieren zu können.
Ein junger Planet, der noch Material einsammelt, wird dann als heller
Punkt in einem dunklen Ring zu
sehen sein – ganz so, wie wir es
simuliert haben.“mk11Stressbelastung und Burnout

Wenn Arbeit unter die Haut geht
Jeder meint zu wissen, wasStress ist. Doch Stress hat viele
Gesichter. „Es gibt eine Unmenge von Definitionen“, sagt Brigitte
Kudielka, „und je schärfer man das
Phänomen zu betrachten sucht,
umso undeutlicher wird es.“ Sozeigen sich Stresssymptome möglicherweise bei psychologischmedizinischen Tests anders, als die
Menschen selbst empfinden. Die
Psychologin berichtet, dass Hans
Selye, ein kanadischer Mediziner
ungarischer Herkunft, den Begriff
1936 aus der Materialwissenschaft
entlehnte, in der mit Stress die auf
einen Werkstoff einwirkende Zugoder Druckspannung umschrieben
wurde. Selye führte das Wort indie Medizin und Psychologie ein,indem er damit zunächst das Verhalten von Tieren in lebensbedrohlichen Situationen umschrieb
und später Stress als eine „unspezifische Reaktion des Körpers auf
jede Art von Stressor“ definierte.
Seither hat sich die Wissenschaft
dem Phänomen auf vielfältige
Weise genähert und in den 60er

Jahren des vorigen Jahrhundertserkannt, dass die endokrine
Reaktion des Körpers auf Stressje nach Erleben einer Situation – anders als Selye annahm –durchaus spezifisch ausfällt.

Ein inzwischen vielfach aufgegriffenes Modell zu Belastungen am
Arbeitsplatz stammt aus den 90er

„Warum empfinden manche
Stress, andere hingegen nicht?“

Jahren: Robert Karasek, University of Massachusetts in Lowell, undTores Theorell, Karolinska-Institut
Stockholm, setzten das Ausmaß anAnforderungen mit dem individuellen Grad der Kontrolle über den
Prozess in Beziehung: „Nur wenn
die Anforderungen hoch und die
Kontrollmöglichkeiten gering sind,
ist bei dieser Betrachtung Stress12

gegeben“, sagt Brigitte Kudielka, „wenn hingegen die Anforderungen und auch die Kontrollmöglichkeiten hoch sind, wie etwa
bei mir im Emmy Noether-Projekt,dann hat man einen sehr aktiven
und befriedigenden Job.“
Brigitte Kudielka leitet an der Universität Trier eine Emmy ­ NoetherNachwuchsgruppe zum Thema„Stressbelastung und Burnout“,
wobei sie arbeitspsychologische
Ansätze zur Belastungsanalyse undpsychobiologische
Forschungsmethoden der Stressdiagnostik zu
integrieren sucht. Ihr Ziel ist es, differenzierte Muster bei chronischem
Arbeitsstress zu erfassen: „Psychologen suchen etwa mit Fragetechniken und Beobachtungsmethodenzu ermitteln, während Biologen
und Mediziner eher körperliche
Ereignisse beziehungsweise pathologische Veränderungen messen“,sagt sie. „Ich sehe mich da genau
in der Mitte und möchte die Kluft
zwischen beiden Disziplinen überbrücken, denn schließlich handelt
es sich um denselben Forschungsgegenstand.“
Kudielka ging nach ihrer Promotion an der Universität Trier
zunächst als Wissenschaftliche
Mitarbeiterin an die Abteilung fürExperimentelle Psychologie derUniversität Düsseldorf. Es folgten
Postdoc-Aufenthalte am Institute for
Mind and Biology an der Universityof Chicago – gefördert von der DFG– sowie am Institut für Verhaltenswissenschaften der ETH Zürich.
2004 ergriff sie beherzt „die Emmy
Noether-Option“ und kehrte nachTrier zurück. Für Stress, sagt sie,
hat sie sich „schon immer interessiert.“ Während des Studiums dachte sie, dass die Betriebs­psychologieeine Perspektive sein könnte, undqualifizierte sich nebenher an derörtlichen Industrie- und Handelskammer für das betriebliche Bildungswesen, war Trainerin am
Berufsförderungswerk des Saarlandes in Saarbrücken. Schließlich
überwog jedoch die Forscherneu-

gierde: Kudielka wollte ergründen,
wo letztlich das Phänomen Stress in
dem Spannungsfeld von Medizin,
Biologie und Psychologie genau zu
verorten sei.
Aus medizinisch-soziologischer
Perspektive hat jüngst Johannes
Siegrist, Universität Düsseldorf,
den Begriff der Gratifikationskrise (Effort-Reward-Imbalance) zur
Beschreibung des Phänomens
Stress am Arbeitsplatz herangezogen: Eine Situation ist demnachbelastend, wenn jemand meint,besonders viel einzubringen, sichaber nicht angemessen mit Lohn,
Gehalt, Anerkennung, Status, Karrierechancen oder Arbeitsplatzsicherheit honoriert fühlt. Eine solche
Betrachtung kann möglicherweise
erklären, warum einige Menschen
sich in einer bestimmten Arbeitssituation belastet fühlen, andere
hingegen nicht. „Wir interessieren uns im Emmy Noether-Projekt
besonders für die Berufsgruppe
der Lehrer“, sagt Brigitte Kudi­
elka. Obwohl sich in vielen Köpfen hartnäckig das Klischee vom
Lehrerberuf als entspanntem Halbtagsjob halte, hätten Studien ein
ganz anderes Bild ans Tageslicht
gebracht: Sowohl die zeitliche alsauch die physische und vor allem
psychische Belastung von Lehrernsei überdurchschnittlich hoch. „An
unserem aktuellen Projekt nehmenrund 200 Lehrer teil, um in einer
ersten Studie die biologischen Veränderungen zu analysieren, diebei der Entstehung von psychosomatischen Beschwerden beteiligt
sind“, sagt Kudielka. Eingebunden
in diese Bestandsaufnahme sind
sowohl Lehrer, die sich chronischbelastet fühlen, als auch solche,
die ihr Berufsleben nicht übermäßig stressreich empfinden. Ziel
des Projektes ist es, „Parameter zu
identifizieren, die zu einer Früherkennung von Burnout-Symptomen,also Erschöpfungszuständen, herangezogen werden können.“
Kreischende Kinder auf dem
Schulhof, ständige, hohe Präsenz

gen. In der Stressanalyse erfasst
Brigitte Kudielka zusammen mit
ihrem Forscherteam den individuellen Belastungsgrad via Fragebogen und bestimmt parallel dazu
anhand von Urin- und Blutproben
die Ausschüttung von Stresshormonen, Blutfettwerte, Parameterdes Immunsystems, des kardiovaskulären Systems und der Blutgerinnung. Mit Hilfe von Speichelproben vergleicht sie anschließend die Stresshormonprofile vonArbeits- und Ruhetagen, wobei sie
insbesondere den Hormonspiegel
des Cortisols ermittelt, das neben
Adrenalin das wichtigste Stresshormon des Körpers ist und dessen
Ausschüttung sich in Abhängigkeit von sozialen und biologischen
Stressreizen verändert.
Unter Stress kommt es zur Ausschüttung verschiedener Hormone,die dem Körper helfen, angemessen auf eine Situation zu raegieren.
„Eine zentrale Rolle spielt hierbei
die Hypothalamus-HypophysenNebennierenrinden-Achse, kurz
HHNA-Achse oder im Englischen
HPA-Achse“, sagt Kudielka. Bei
Stress wird im Gehirn der Hypothalamus stimuliert, der CRH,
das Corticotropin-Releasing-Hormon ausschüttet. Dies wiederum
bewirkt die Ausschüttung desadrenocorticotropen
Hormons,
kurz ACTH, aus der Hirnanhangdrüse. Schließlich erfolgt daraufhin
die Ausschüttung von Cortisol aus
der Nebennierenrinde, das Energiereserven mobilisiert.
Aus anderen Studien, bei denen
nach dem standardisierten Belastungsprotokoll TSST (Trierer Sozial-Stress Test) die Hormonfreisetzung dokumentiert wurde, weiß
Brigitte Kudielka, dass die ACTH
und Cortisolwerte in neuen, unvorhersehbaren, unkontrollierbaren
Situationen relativ zu den Ausgangswerten rasch ansteigen: Bei
Frauen um 50 bis 150 Prozent, bei
Männern in der Regel sogar um
200 bis 400 Prozent. Rund 20 Prozent aller TSST-Studienteilnehmer
reagieren aber auch gar nicht mit
einem Hormonanstieg.
Tritt dieselbe Belastungssituation wiederholt auf, kommt es bei
den meisten Menschen zu einem
Gewöhnungseffekt, wobei der
Hormonspiegel bei jeder Wiederholung weniger ansteigt, bis
schließlich keine Veränderung
mehr messbar ist. „Ganz anders ist
dies in der Regel bei Personen, diesich chronisch erschöpft fühlen“,sagt Brigitte Kudielka, „schon bei
der ersten Konfrontation mit derStandardstresssituation reagierensie mit einer auffallend niedrigen
Cortisolreaktion. Möglicherweise
ist hier der Grund für ihre erhöhte
Krankheitsanfälligkeit zu suchen.“
Am Beispiel der Berufsgruppe derLehrer, die einem potenziell hohenchronischen Stress ausgesetzt sind,möchte sie nun herausfinden, obsolche biologischen Maße zur Früherkennung von Stresskrankheiten
genutzt werden können. db

Ulrich Zillmann

vor der Klasse, Schülerstreiche – damag vielleicht der Gesichtspunkt„mangelnde Anerkennung“ ausSiegrists Kosten-Gewinn-Betrachtung nur das kleinere Übel sein,aber vielleicht der Tropfen, dersprichwörtlich das Fass der Gesamtbelastung eines Lehrertages zumÜberlaufen bringt. Aus dem Beamtenversorgungsbericht des Landes
Rheinland-Pfalz geht hervor, dassim Jahr 2000 der Anlass für Ruhestandsversetzungen bei Lehrern
in drei von vier Fällen Dienstunfähigkeit war, „weitaus mehr als bei
anderen Beamten etwa aus Hochschule oder Verwaltung“, sagt
Brigitte Kudielka. Die Bedeutung
ihrer Arbeit unterstreicht sie auchmit den volkswirtschaftlichen Kosten, die stressbezogene Gesundheitsprobleme verursachen: „In
Deutschland nach Angaben derEuropäischen Agentur für Sicherheit und Gesundheitsschutz am
Arbeitsplatz jährlich rund 45 Milliarden Euro.“Lange bevor die Grenzen derBelastbarkeit erreicht sind, kannsich der Schulalltag in vielfältiger
Weise im Körper niederschlagen:Schlaflosigkeit, ständige Gereiztheit,
Magen-Darm-Probleme,
Kopf­schmerzen, Infektanfälligkeit
oder gar Herzrhythmusstörun-Beim Trierer Sozial-Stress Test(TSST) setzt Brigitte Kudielka
die Versuchsteilnehmer einer
standardisierten psychosozialen
Stresssituation (ähnlich einem
Bewerbungsgespräch bestehend
aus einer freien Rede und einer
Kopfrechenaufgabe vor einem
Auswahlgremium und laufender
Kamera) aus, um Messergebnisse
auf der Stresshormonachse unddes kardiovaskulären Systems
vergleichen zu können.
13Die TGF-beta-Signaltransduktion im kardiopulmonalen Gefäßsystem

Vom Labor ans KrankenbettA

n der Wand in Oliver Eickelbergs Büro steht ein Fahrrad,
schräg darüber hängt ein vergrößertes Foto, das ihn und seine
Arbeitsgruppe neben einem Gipfelkreuz zeigt. „Nein“, korrigiert
der sportliche Mediziner jedoch
gleich die spontane Vermutung,er sei 2003 an der Höhenstudie
des Lungenzentrums Gießen am
Mount Everest beteiligt gewesen.
Es waren einige seiner Kollegenaus dem Sonderforschungsbereich (SFB) „Kardiopulmonales
Gefäßsystem“ der DFG (Sprecher
Prof. Dr. Werner Seeger). Mit derUnterstützung von professionellen
Bergsteigern konnten sie dort in
extremer Höhe nachweisen, dassder Viagra-Wirkstoff Sildenafil den
durch Sauerstoffmangel hervorgerufenen Lungenhochdruck senkt.
Lungenhochdruck, die pulmonale Hypertonie, ist indes auch das
Thema von Oliver Eickelberg undseiner Nachwuchsgruppe im SFB.
Die Krankheit ist relativ selten, abersehr schwer. Heilen lässt sie sichso gut wie gar nicht, und sobald
eine medikamentöse Behandlung
der Symptome versagt, ist eine
Lungentransplantation der letzte Ausweg. Menschen, die an ihr
leiden und nicht behandelt werden, haben meist nur noch zwei
bis drei Jahre zu leben. Der Name
der Erkrankung deutet schon an,
dass es sich um einen erhöhten
Blutdruck handelt, der auf die
Lunge beschränkt ist, genauer: die
Lungengefäße. Deren Aufgabe ist
es, über die Zwischenstation derLungenbläschen, wo der Gasaustausch stattfindet, sauerstoffarmes
Blut zur Lunge zu transportieren
und sauerstoffreiches Blut wieder
zurück zum Herzen zu führen. Die
Lungengefäße gesunder Menschensind dünn und elastisch, die Gefäßwände kranker Personen hingegenextrem verdickt, weil die Zellen
dort beginnen, unkontrolliert zu
wuchern. Auslösen können den so
genannten sekundären Lungenhochdruck andere Leiden wie Lun14

genfibrose oder Autoimmunkrankheiten; sehr häufig aber ist er idiopathisch, das heißt niemand kennt
eine Ursache. Die primäre pulmonale Hypertonie bereitet Forschern
seit langem Kopfzerbrechen.
In den 80er Jahren jedoch entdeckten Ärzte, dass zahlreiche
Patienten mit Lungenhochdruckmiteinander verwandt waren; dies
bekräftigte die bis dahin noch vage
Vermutung, dass genetische Ursachen dahinter stecken könnten.
„Erst in den letzten Jahren“, soOliver Eickelberg, „konnten Forscher mit neuen Methoden wie
DNA-Datenbanken das Gen identifizieren, das die Krankheit auslöst“. Dieses Gen enthält die Bau-„Ich fühle mich als
Hybrid, als angewandter
Grundlagenforscher.“anleitung für ein Protein auf der
Zelloberfläche, den so genannten Bone Morphogenic Protein
Receptor Typ II oder kurz BMPRII. Rezeptoren sind Schaltstellen
der Zelle, über die biochemische
Botschaften ausgetauscht werden. BMPRII nun ist ein Membranrezeptor, der das Zellwachstum
reguliert, indem er Signale einer
Familie von Wachstumsfaktoren
in die Zielzellen vermittelt, der so
genannten Transforming Growth
Factor (TGF)-beta-Superfamilie.
Die Bezeichnung „Superfamilie“
ist nicht übertrieben, denn immerhin gehören ihr mehr als 40 zurzeit
bekannte Faktoren an, die ermöglichen, dass eine Zelle wachsen
und sich ausdifferenzieren, also auf
eine bestimmte Aufgabe spezialisieren kann. Die Bone Morphogenic Proteins (BMP) gehören dazu;
sie docken als Liganden an ihre
Schaltstelle an, den BMP Rezeptor
Typ II.
BMPs sorgen dafür, dass sichEmbryonen
entwickeln
undKnochen bilden können. Recht
undurchsichtig ist jedoch ihre
Rolle in erwachsenen Organen. So
können sie, je nach Gewebeart,ungezügeltes Zellwachstum, eineso genannte Proliferation, einmalverhindern, ein andermal befördern. Die glatten Muskelzellen,
welche die Wände der Lungengefäße bilden, halten BMPs normalerweise im Zaum. Wenn jedoch
die DNA einen Programmierfehler
macht und eine Mutation hervorruft, wird die Signalübertragung
gestört. Genau dies passiert offenbar bei der primären pulmonalen
Hypertonie: Statt auf die Bremse
zu treten, begünstigt der mutierte
BMP Rezeptor II das Bestreben der
glatten Muskelzellen, sich ungehemmt zu vergrößern und zu vermehren; ja selbst die Matrix zwischen den Zellen, der Kitt, ­schwillt
nun an. Der Fehler im BMPRII
könnte erklären, warum die Lungengefäße dick und ungeschmeidig werden, so dass der Blutdrucksteigt und die Sauerstoffzufuhr
behindert wird. Die Kenntnis desGenorts erlaubt es heute schon,
den Defekt in einem frühen Stadium der Erkrankung zu diagnostizieren, so dass Patienten entsprechend frühzeitig behandelt werden
können. Wie aber die Wege der
Signalübertragung genau verlaufen, versteht man noch wenig, undso genießt dieses Forschungsgebiet
derzeit weltweit besonders große
Aufmerksamkeit.
Der Mediziner Oliver Eickelberg
ist bereits so lange fasziniert vonden immer noch rätselhaften molekulargenetischen Vorgängen in der
Familie der Wachstumsfaktoren,
dass er früh der Grundlagenforschung gegenüber einer klinischen
Laufbahn den Vorzug gab. Nachdem er daran als Postdoc in derForschungsabteilung der medizinischen Fakultät an der Universität
Basel gearbeitet hatte, widmete ersich weitere vier Jahre lang an der
US-Elite-Universität Yale in New
Haven, Connecticut, dem Signal-Oliver Eickelberg erforscht
die molekularen Grundlagendes Lungenhochdrucks.

cisco, Hamilton (Kanada), Thessaloniki und Sidney gewährleisten einen Austausch von Gedanken und Ergebnissen auf hohem
Niveau. Von Mitgliedern seiner
Gruppe erwartet er die gleiche Leidenschaft für die Erforschung der
TGF-beta-Signalkette, die er selbst
empfindet. Die meisten der jungenWissenschaftler sind Biologen, ein
Drittel hat Medizin studiert, so dasssich beide Welten schon im Teamgegenseitig inspirieren. Ihr Forschungsmaterial liefert unter anderem das Transplantationszentrum
in Wien: Aus den dort explantierten
geschädigten Lungen, die Kurierenach Gießen bringen, entnehmen
sie Gewebeproben, um Zellen,
Proteine und RNA zu untersuchen
und mit jenen gesunder Menschen
zu vergleichen. „Es ist ein großes
Glück“, so Oliver Eickelberg, „dasswir mit genau den primären glatten
Muskelzellen arbeiten können, die
für die Hypertonie verantwortlich
sind.“„From bench to bedside“, vom
Labor ans Krankenbett: Dieses
Motto treibt die Arbeit an Zellkulturen, Proteomics- oder GenomicsStudien an. Ein viel versprechendes
Beispiel ist eine groß angelegte
Untersuchung, wie sich der Effekt
von „small interfering ribonucleic
acids“, siRNA, nutzen ließe. Diesekleinen, doppelsträngigen RNAMoleküle versetzen seit ihrer Entdeckung vor wenigen Jahren Forscher und Pharmakonzerne geradezu in Euphorie, weil sie langfristig
für eine Vielzahl von Erkrankungenneue Therapien erhoffen lassen. Die
Interferenz-Ribonukleinsäure kannnämlich gezielt ganz bestimmte Gene ausschalten, indem sie
deren Boten-RNA zerstört; dieseist ein Zwischenspeicher, der eine
Kopie der DNA-Information für die
Eiweißmaschine der Zelle übersetzt. Wenn die Boten-RNA verstummt, ist auch der genetische
Code für den Bau eines Proteinszum Schweigen gebracht – eine
verlockende Vorstellung, wenn essich dabei um ein krank machendes
Molekül handelt. Die Gießener Forscher versuchen nun, mit Hilfe derInterferenz-RNA zunächst in Zellkultur ein solches schädigendes
Eiweißmolekül herunterzuregulieren. Sollte dies gelingen, wäre dieerste Hürde auf dem langen Weg zu
einem Heilmittel genommen. Die
nächsten Schritte wären dann Tests
im Tiermodell und schließlich klinische Studien, die eben auch das
Gießener Lungenzentrum durchführt. „Ziel unserer Forschung muss
ja sein, Erkrankungen wie den Lungenhochdruck irgendwann ursächlich behandeln zu können.“  mk

Oliver Eickelberg

molekül TGF-beta. Doch fühlt ersich als „Hybrid, als angewandter
Grundlagenforscher. Der Clou
besteht ja darin, dass Wissenschaftler, die an einem isolierten molekularen Problem tüfteln, am anderen
Ende den Patienten sehen“. Ganz
wörtlich kann er das im Universitätsklinikum Gießen und Marburg,in dessen Medizinischen Kliniken II
und V viele Patienten mit primärer
pulmonaler Hypertonie behandelt
werden. Weil im Lungenzentrum
Gießen (UGLC) biomedizinische
Forschung und Klinik so nah beieinander liegen, fiel ihm die Entscheidung, nach Deutschland zurückzukehren, nicht schwer – zumal diesauch im Sinne seiner Familie war.
Auch auf die Frage nach seiner
Perspektive kennt Oliver Eickelberg nur eine Antwort: die Forschung an einem Universitätsin­
stitut. „Ich empfinde meine Arbeit
als Privileg“, sagt er und meint
damit auch die Möglichkeiten, mit
Unterstützung der DFG eigene
Forschung mit einer Nachwuchsgruppe betreiben zu können. Seine
Kritik gilt den Universitäten: „Leiter der Nachwuchsgruppen sindhäufig besser ausgerüstet als viele
C3-Professoren, sind aber in derFakultät unsichtbar, weil sie ihr formal nicht angehören.“ Eine Gleichstellung von Gruppenleitern undProfessoren betrachtet er daher als
dringend notwendig. Ein fehlender
Professorentitel dürfe dabei kein
Hindernis sein. „Ich habilitieremich aus Prinzip nicht“, sagt er,
denn zahlreiche Publikationen undlange Lehrerfahrung sollten Qualifikation genug darstellen. „Es ist
Zeit, dass sich die deutsche Hochschulszene hier reformiert.“
In seiner Abteilung fühlt sich
Oliver Eickelberg fachlich undmenschlich wohl. Da er auch Leiterdes internationalen Graduiertenkollegs „Signaling Mechanisms ofLung Physiology and Disease“ derDFG ist, ergeben sich weitere motivierende Synergie-Effekte. Kooperationen mit Forschergruppen in
New York, New Haven, San Fran-15

Chemie der Atmosphäre und Klima: Bedeutung der maritimen Troposphäre und der Halogenchemie

Des Tropfens Kern
D

Roland von Glasow

er Himmel über Heidelberg ist
heiter. „Wie ein Haufen verzettelter Wolle“ erschienen dem
griechischen Dichter Aristophanesin seiner gleichnamigen Komödie „die Wolken“, die „blitzdonnerundhagelgewaltig“ auch kommenden Sturm verkünden können.
Roland von Glasow interessiert
sich allerdings für mehr als das
Schauspiel hoch droben oder die
Wettervorhersage. „Was uns Herr
Kachelmann und seine Kollegenim Fernsehen erzählen, ist ja nur
ein kleiner Bestandteil der Meteorologie“, erklärt er. Er erforscht
die Photochemie der Troposphäre,
jener Luftschicht, die in 10 bis 15
Kilometer Höhe reicht, untersucht
die Beschaffenheit von Wolken,
wie sie entstehen und wie sie auf
das Klima wirken.
Der Meteorologe, der am Institut
für Umweltphysik der Universität
Heidelberg eine Emmy NoetherNachwuchsgruppe leitet, hat ein
Satellitenbild vor sich, das graue
Bewölkung vor der Küste Kaliforniens zeigt. Neben der diffusen
Stratokumulus-Decke
zeichnensich helle Streifen ab: „Darunter
fährt ein Schiff“, erklärt er. „Weil
der Treibstoff Schwefel enthält,
emittiert es vorwiegend viele kleine Sulfatpartikel, die löslich sind
und an denen Wolkentropfen
kondensieren.“ Da Wasserdampf
sich in der Troposphäre nicht vonallein verflüssigen kann, braucht
er Kondensationskerne, an denen

16

er sich niederschlägt; so bilden
sich Tröpfchen und daraus Wolken,oder bereits bestehende Tröpfchen
wachsen. Diese Aufgabe erfüllen
Schwebeteilchen in der Luft, diemikroskopisch kleinen Aerosole.
Durch die Sulfatpartikel des Schiffs
verteilt sich das Wasser auf viele
kleine Teilchen, und die Wolke
wird heller.
Wolken sind ein entscheidender
Hebel für das globale Klima, unddas nicht allein deshalb, weil aus
ihnen zum Beispiel Regen fällt.
Besonders wichtig ist ihre Eigenschaft, rund ein Drittel des Sonnenlichts in den Weltraum zurückzustrahlen. Dieses Albedo genannte Phänomen wirkt wie ein heller
Schirm, der eine zu starke Erwärmung der Erde verhindert. Dunkle
Wolken aus großen Tropfen lassennoch einen Teil des Sonnenlichts
passieren, helle hingegen, die aus
vielen kleinen Partikeln bestehen, reflektieren es stärker. „Alle
Prozesse, welche die Größe undMenge der Wolkenteilchen beeinflussen, sind daher von erheblicher
Bedeutung“, sagt Roland von Glasow. Seine wissenschaftliche Neugier gilt deshalb den Aerosolen,
die auf den Strahlungshaushalt derErde nicht nur direkt einwirken,
weil sie Licht- und Wärmestrahlung
streuen oder absorbieren, sondern
auch indirekt als Wolkenkeime.
Ihre chemischen EigenschaftenundProduktionsmechanismensowie meteorologische Parame-

ter wie Lufttemperatur oder Luftfeuchtigkeit bilden ein komplexes
Wechselspiel, das er am Computer
simuliert.
Durch Emissionen reichert der
Mensch die Atmosphäre noch
zusätzlich mit Schwebeteilchenan; weil sie die Albedo erhöhen,dämpfen sie vielleicht den Treibhauseffekt. Die genauen Impulse, die Aerosole der Klimaküche
geben, sind sehr komplex undkönnen bisher nur mit starken Vereinfachungen in globalen Klimamodellen berücksichtigt werden.
An dieser Wissenslücke tüftelt
Roland von Glasow schon lange.
Weil der Meteorologe, der sich im
Studium mit der Physik der Atmosphäre beschäftigt hatte, die Chemie näher kennen lernen wollte,
promovierte er am Max-PlanckInstitut für Chemie in Mainz überdie natürliche Atmosphärenchemie der maritimen Grenzschicht,
die sich 500 bis 1000 Meter hochüber den Meeresspiegel erstreckt.
Als Postdoc am Scripps-Institut fürOzeanographie der Universität
von Kalifornien in San Diego spezialisierte er sich weiter auf diesem Gebiet. Heute ist einer seiner
Schwerpunkte, physikalische undchemische Vorgänge von natürlichen Aerosolen am Computer zu
modellieren.
Eine der Hauptquellen dernatürlichen Schwebeteilchen sinddie Ozeane. Die maritime Grenzschicht über dem Südpazifik etwa
ist eine ideale Forschungsregion,
weil Emissionsherde wie Autos,
Kraftwerke oder Fabriken weit
weg sind. Auch die Wolkentropfen
dort enthalten vorwiegend Sulfataerosole als Kondensationskerne.
Ihr Vorläufer-Molekül ist dasorganische Dimethylsulfid-Gas,

Roland von Glasow vor seinem
Forschungsgegenstand: Chemie
der Troposphäre und Werden
und Vergehen von Wolken.

Roland von Glasow

Vergleich zwischen Modell­berech­
nungen für die Ozonkonzentration
im Jahres- und Breitenmittel mit
und ohne Halogenchemie. Die
Zahl „0.8“ bedeutet, dass Ozon
auf 80 Prozent reduziert ist, wenn
Halogene anwesend sind.

das marine Organismen wie Phytoplankton produzieren und das
aus dem Meer in die Luft ausgast.
Erst chemische Reaktionen in derAtmosphäre sorgen dann dafür,dass Kondensationskeime entstehen können. „Die Methylgruppen
werden quasi abgeknabbert“,
erläutert Roland von Glasow, „undüber Zwischenstationen werden
die Schwefelatome zu Schwefeldioxid und schließlich zu Schwefelsäure aufoxidiert“. Dies geschieht
vorwiegend durch die äußerst
reaktionsfreudigen Hydroxyl-Radikale; weil sie sich rasch mit fast
allen Stoffen einlassen und die Luftdabei reinigen, nennt man sie auch
Waschmittel der Atmosphäre. Am
Ende der Wirkungskette entsteht
Schwefelsäuredampf, der winzige
Aerosolpartikel bildet; auf diesen
kondensiert Wasserdampf zu kleinen Wolkentröpfchen.
Einen anderen Reaktionspfad
stoßen Halogene wie Bromoxid an.
Dieses Radikal gibt dem Di­methyl­
sulfid ein Sauerstoffatom ab, unddie daraus entstandene Verbindung reagiert dann zu weiteren
Produkten aus Schwefel, einer
Methylgruppe und anderen Sub­stanzen. Diese können – anders als
die Schwefelsäure – keine neuen
Kondensationskerne bilden, sondern nur an bereits bestehende
Aerosolpartikel andocken undsie vergrößern; dabei erhöhen
sie deren Hygroskopizität, ihre
Fähigkeit, Wasser anzuziehen. Die
Wolke wird also dunkler, die Albedo sinkt, und schließlich fällt Niederschlag.

Halogene sind im Seesalz enthalten. Insbesondere bei starkem
Wind zerplatzen an der Wasseroberfläche Luftblasen, aus denen
sich Tröpfchen lösen und als Spritzer in die Luft gelangen. Solche
Seesalzaerosole, die der Windüber weite Strecken transportieren kann, haben vielfältige Auswirkungen. So nehmen sie gerne
Schwefelsubstanzen auf, und weil
die meisten Seesalztropfen relativ
groß sind und daher schnell wieder
ins Meer fallen, gehen die Sulfat­
partikel für weitere Wolkenbildung
verloren. Zum anderen setzen sie
photochemisch aktive Halogenverbindungen frei: aus Chlor, Bromund ein wenig Iod. Diese verändern nicht nur die Wolken, sie zerstören auch Ozon.
Das Molekül aus drei Sauerstoffatomen ist eine zwiespältige
Substanz. Manche Wissenschaftler nennen sie gern „the good,the bad and the ugly“. Als gutes
Gas in der Stratosphäre verhindertsie, dass gefährliche ultraviolette
Strahlung tiefer in die Atmosphäre dringt, doch direkt über dem
Boden, hervorgerufen durch Emissionen, wirkt sie als schädlicher
Photosmog. In der Troposphäre ist
Ozon zum einen ein natürliches
und anthropogenes Treibhausgas,
zum anderen der einzige Vorläufer
von Hydroxyl, das unter anderem
die organischen Dimethylsulfide
aufoxidiert, damit am Ende Wolken
entstehen. So wirkt es einerseits
wie das Glasdach eines Gewächshauses, zugleich aber hilft es auch,den Schirm aufzuspannen, der die
Sonnenstrahlung reflektiert. „Ozon
ist die wichtigste Substanz für
unser Verständnis von der Atmosphäre“, sagt Roland von Glasow.
Ebenso wichtig ist deshalb der
Vernichtungskrieg, den Halogene
gegen das Molekül führen: Lautseinen Berechnungen zerschlagensie im untersten Kilometer bis zu 30

Prozent des Gases und global bis
zu 20 Prozent. Messungen haben
gezeigt, dass im arktischen Frühling etwa, wenn Meerwasser zu
frischem Eis gefroren ist und das
Salz nach oben gedrückt wurde,das daraus freigesetzte Bromoxid
ein regelrechtes troposphärisches
Ozonloch verursacht, das bis zu 2
Kilometer mächtig werden kann.
Halogenoxide zu messen ist ausgesprochen schwer. Solche Messungen aber sind für Computermodelle unverzichtbar. Sie liefern die
Daten, und an ihnen muss sich die
Tragfähigkeit der Modelle beweisen. „Nur so sehen wir, was wir
verstehen und was nicht, um später Vorhersagen machen zu können“. Roland von Glasow wollte
daher am Heidelberger Institut für
Umweltphysik arbeiten, das weltweit führend ist auf dem Gebiet
des Nachweises von Halogenoxiden. Dass er mit Hilfe des Emmy
Noether-Programms aus den USA
zurückkehren konnte, betrachtet

Wissenschaftler nennen
Ozon „the good,the bad and the ugly“.
er als großes Glück. „Wer eine wissenschaftliche Karriere ins Auge
fasst, hat mit diesem Programm
gute Voraussetzungen“. Einziger
Nachteil sei der notgedrungen fehlende Tenure Track. „Es ist schade,dass es beinah ausgeschlossen ist,
mit der neu aufgebauten Gruppe
am selben Institut bleiben zu können. So muss das Team fast zwangsläufig nach wenigen Jahren wieder
aufgelöst werden.“ Noch hat er
allerdings Zeit, um seine weiteren
Wege zu planen, und zu erforschen
gibt es genug.
Goethes Erkenntnis in seinem„Versuch einer Witterungslehre“
lässt sich im übertragenen Sinneauch für die Atmosphärenchemie
lesen, wie wir sie heute verstehen:dass „alles, was ist oder erscheint,
dauert oder vorübergeht, nichtganz isoliert, nicht ganz nackt
gedacht werden dürfe; eines wird
immer noch von einem anderen
durchdrungen, begleitet, umkleidet, umhüllt“.mk
17

Crossmodale Aufmerksamkeitseffekte

Der Flaschenhals-EffektG

rit Hein hat an der HumboldtUniversität in Berlin Psychologie studiert, weil sie zu den
Menschen gehört, die sich „einfach für Naturwissenschaft undGeisteswissenschaft gleichermaßen interessieren“, wie sie sagt.
Von der Psychologie erhoffte siesich beides. Den Umgang mit
Menschen fand sie von Anfang
an spannend. Ihr Studium verlief
lange Zeit mehrgleisig, „mich hat
die Kinderpsychologie interessiert,
und in den Ferien arbeitete ich bei
einem Seminaranbieter“.
Bei einem der ersten „offiziellen“ Praktika in einer neurologischen Rehabilitationsklinik fandsie schließlich ihr Thema: Anhand
der Hirnleistungsdiagnostik bei
neurologischen Patienten wurde
ihr klar, dass es eine faszinierende
Brücke zwischen kognitiven Vorgängen einerseits und den neurologischen bzw. neuroanatomischen
Grundlagen andererseits gab.
Hein ging für ein Semester nach
New York, um am dortigen City
College gezielt einen Kurs „cognitive neuroscience“ zu besuchen,von dem sie „völlig hingerissen
war“. Zurück in Berlin, suchte sie
das interdisziplinäre Thema weiter zu vertiefen und promovierte
nach Abschluss ihres Studiums am
Max-Planck-Institut für neuropsychologische Forschung in Leipzig
mit einer Arbeit zu MultitaskingDefiziten bei gesunden älteren
Personen und neurologischen Patienten.
Dabei stieß sie auf einen Effekt,
der bislang in der Literatur so nochnicht beschrieben war: „Das klassische Paradigma der Experimentalpsychologie geht davon aus,
dass die gleichzeitige Verarbeitung
mehrerer sensorischer Eindrücke
im Gehirn umso schlechter gelingt,
je ähnlicher diese Eindrücke sind“,sagt Hein. „Wenn ich also beispielsweise etwas Bestimmtes seheund gleich darauf etwas Ähnliches,
kommt es nach diesem Paradigma
zu einer Limitation der Verarbei18

tungskapazität im modalitätsspezifischen, also hier dem dafür zuständigen visuellen Kortex.“ In ihren
Experimenten zeigte sich aberetwas anderes, nämlich dass auchganz verschiedene Sinneseindrücke, zum Beispiel Gesehenes undGehörtes, gravierend miteinander
konkurrieren können.
Grit Hein hatte sich in ihrer
Doktorarbeit vorgenommen, den
Aufmerksamkeitsproblemen auf
den Grund zu gehen, die ältere
Menschen, Parkinson-Patienten
oder Patienten nach einem Schädelhirntrauma in komplexen Situation haben. Dafür hatte sie eine
Testvariante kreiert, in der sie
zwei unterschiedliche – also vermeintlich nicht miteinander konkurrierende – sensorische Stimuli
anbot. Im Experiment, das in die
aktuelle Fachdiskussion zur Aufmerksamkeitsverteilung bei Multitasking-Anforderungen eingebettet war, mussten die Versuchspersonen zwei verschieden Töne undzwei unterschiedliche Buchstabenerkennen. Dabei variierte Heinden zeitlichen Abstand zwischen„Die Sinneseindrücke störten
sich, obwohl dies theoretischnicht sein sollte.“
Auslösung des Tonsignals undDarbietung des Buchstabenbildes.
Die Buchstaben waren manchmalhell und gut lesbar, ein anderes
Mal dunkel und somit nur schlecht
zu sehen. Zu ihrer Verblüffung
reagierten die Versuchspersonen
signifikant schlechter auf Ton undBuchstaben, wenn die Buchstaben
hell und gut lesbar waren. „Das
ergab keinen Sinn“, erinnert sich
Grit Hein, denn es musste bedeuten, „dass sich die Stimuli gegenseitig in ihrer sensorischen Verarbeitung störten, obwohl sie invöllig unterschiedlichen Teilen desGehirns verarbeitet werden.“Dabei war die klassische Annahme,
dass sich Sinneseindrücke gegenseitig umso mehr stören, je ähnlicher sie sind, eigentlich plausibel,
weil ja ähnliche neuronale Strukturen beansprucht werden. Töne
werden im auditorischen Kortex
verarbeitet, also irgendwo in derMitte des Gehirns. Bilder im visuellen Kortex, also im Temporallappen. In den Modellen von Psychologie und Neurowissenschaft fandHein für diesen Effekt keine Erklärung. „Was haben diese Bereichemiteinander zu tun?“, fragte sie,
„wo ist da das Problem?“ Bald
wurde ihr klar, dass sie es hier mit„etwas Neuem“ zu tun hatte.
Inzwischen arbeiten weltweit
mehrere Forschergruppen an der
Aufklärung dieser Phänomene.
„In der Literatur hat sich schon
der Begriff der ‚crossmodalen Aufmerksamkeitskonkurrenz’
eingebürgert“, sagt Hein, „der dannbenutzt wird, wenn es um Konflikte
zwischen unterschiedlichen Sinneseindrücken geht. Demgegenüber steht ‚multisensorisch’ häufig
für die gelungene Integration derWahrnehmung unterschiedlicher
Sinneseindrücke.“
Nach Abschluss der Promotion ging Hein nach England, blieb
aber auch in Cambridge dem inLeipzig gefundenen Effekt auf derSpur und suchte nach einer Möglichkeit, sich ihm ganz mit einem
eigenen Forschungsprojekt zu
widmen. Dabei entdeckte sie das
Emmy Noether-Programm der
DFG und forscht nun an der Universität Frankfurt über crossmodale Aufmerksamkeitseffekte. „Ich
möchte mehr über die neuronalen
Grundlagen von multisensorischer
Integration und Aufmerksamkeitsverteilung beziehungsweise
Aufmerksamkeitskonkurrenz herausfinden“, sagt sie und arbeitet
methodisch mit bildgebenden Verfahren, meist der Kernspintomographie. „Generell formuliere ich
die Projekte zunächst im Verhaltensmodell aus und passe sie dannJan Jacob Hofmann

Mit dem Kernspintomographen kannGrit Hein während eines Tests die
Hirnaktivitäten der Versuchsteilnehmer
erfassen und signifikant aktivierte
Hirnareale lokalisieren.

an die Anforderungen der Versuchs- und Messbedingungen im
Kernspintomographen an.“Mit dem Kernspintomographen
kann Hein während eines Tests die
Hirnaktivitäten der Versuchsteilnehmer erfassen und signifikant
aktivierte Hirnareale lokalisieren.
„Inzwischen habe ich einige Erfahrungen im Umgang mit dem Effekt
sammeln können“, berichtet sie.
Das Testverfahren mit der Wiedergabe eines Tons und der visuellen
Darbietung von Buchstaben hat
sie weiterentwickelt: „Wir stellenfest, dass die Versuchspersonen
wunderbar dazu in der Lage sind,den Buchstaben zu identifizieren,solange Tonsignal und Bildeindruck zeitlich weit genug auseinander liegen. Wenn der Abstandsehr kurz ist, wird der Buchstabe
plötzlich nicht mehr gesehen.“

Natürlich hat sie den Test auchselbst gemacht: „Der Effekt ist einfach faszinierend, auch ich habeden Buchstaben nicht gesehen,obwohl ich wusste, dass er da sein
musste – aber auch dieses Wissen
hat nicht geholfen.“
Kürzlich hat Grit Hein einen
Vortrag mit der Überschrift „Überleben im Datendschungel“ versehen. „Das fasst meinen Schwerpunkt ganz gut zusammen“, sagt
sie, „denn unser Alltag ist häufig
stressig und hektisch. Wir sindeiner ständig zunehmenden Reizüberflutung ausgesetzt, und unser
Hirn muss im Millisekundentakt
Eindrücke verschiedener Sinnesmodalitäten integrieren. Doch einesolchermaßen ununterbrochene
multisensorische Integration allein
ist noch nicht genug. Wir müssen
darüber hinaus aus der Vielzahl
der Sinneseindrücke diejenigen
auswählen, die für die bestimmte
Situation relevant sind und zwischen denen wir unsere Aufmerksamkeit verteilen. Da klingelt das
Handy in der Jackentasche, während gleichzeitig die Fußgängerampel umspringt.“

Hein ist inzwischen davon überzeugt, dass die Grenzen der multisensorischen Integration auf neuronaler Ebene zu finden sind: „Der
Effekt ist so stabil, dass es wohl soetwas wie einen neuronalen Flaschenhals geben muss, einen Engpass, den zwei Sinneseindrücke
einfach nicht gleichzeitig passieren können. Und zwar auch dannnicht, wenn sie modalitätsspezifisch in völlig unterschiedlichen
Hirnarealen verarbeitet werden.“Es stellen sich viele Fragen neu
und auch viele neue Fragen: Häufig gelingt es uns mit Leichtigkeit,
Dinge parallel zu erledigen. Andererseits gibt es aber auch ganz
offensichtlich Situationen, in denen
dies unmöglich ist. „Aber was
unterscheidet die Situation A von
der Situation B“, fragt Grit Hein,„und wenn wir es eines Tages herausfinden – gibt es Möglichkeiten,den Flaschenhals im Hirn zu überlisten, ihn etwa zu umgehen? Oder:
Können wir uns eines Tages dazu
in die Lage versetzen, zu entscheiden, welchen der konkurrierenden
Sinneseindrücke wir auf jeden Fallwahrnehmen möchten?“ db19Aktionsplan Informatik

Wie sicher ist sicher?
M

an hatte bei den Vorbereitungen zur öffentlichen Vorführung des bahnbrechenden
Experiments am 21. April 2004 um
11.30 Uhr an alles gedacht. Auchdas 1500 Meter lange Glasfaserkabel zwischen dem Wiener Rathaus
und der Filiale der Bank Austria
Creditanstalt in der Schottengasse war startklar für die weltweit
erste quantenkryptographisch verschlüsselte Geldüberweisung.
Quantenphysikalische Methoden der Nachrichtenverschlüsselung gelten als absolut sicher, dadie erzeugten Schlüssel nicht mehr
wie bisher auf schwer lösbaren
mathematischen Problemen beruhen, sondern auf Naturgesetzen,
und zwar der Fernwirkung verschränkter Lichtteilchen – einem
Phänomen der Quantenphysik, dasnoch Albert Einstein ungläubig als„spukhafte Fernwirkung“ abtat.
Die Überweisung von 3000 Euro
gelang: Ein Laserstrahl erzeugte ineinem Kristall die miteinander verschränkten Lichtteilchen, wobei
jeweils eines davon durch das
Glasfaserkabel verschickt wurde.
Erst durch ihre Messung an den
zwei unterschiedlichen Orten nahmen die Teilchen gemäß Quantentheorie ihre Eigenschaften an,
und sie produzierten sowohl inder Bank als auch im Rathaus eine
identische Folge von Zufallszahlen– den Schlüssel zur Nachrichtenkodierung. Hätte ein Lauscher
die Übertragung der Lichtteilchen„abhören“, sie also messen wollen,
hätte er sie beeinflusst und wäre
durch einen einfachen Vergleicheines Teils der Zufallszahlen – dieja an beiden Orten durch die Verschränkung identisch sein müssen –aufgefallen.
„Alle in dem Versuch verwendeten Grundbausteine funktioniertenkorrekt“, sagt Jörn Müller-Quade,„trotzdem konnten wir dieseAnwendung brechen.“ Obwohl
die Wissenschaftler in Wien nur als
sicher geltende Elemente für ihren
Versuch kombiniert hatten, erwies
20

sich das Gesamtsystem letztlich
als unsicher: Ihr Augenmerk hatten sie nur darauf gerichtet, denzu überweisenden Geldbetraggeheim zu halten. Aber sie hatten nicht bedacht, dass es einem
Angreifer gelingen konnte, zwar
nicht den Überweisungsbetrag zu
erkennen, aber ihn zu verändern.
„Wir konnten das Wiener Protokoll angreifen. Ein Türöffner war
das gewählte Verschlüsselungssystem auf Basis des sogenannten
One Time Pad-Verfahrens“, kommentiert Müller-Quade, der an derUniversität Karlsruhe im Rahmen
des Emmy Noether-Programms die
langfristige Sicherheit kryptographischer Lösungen erforscht.
Kryptographie – das Wort ruft
Assoziationen wie Geheimschrift,
Geheimdienst oder Spionage wach.
Schon der römische Kaiser Cäsar
entwickelte eine Geheimschrift
zur Übermittlung vertraulicher
Botschaften. In den letzten Jahr-„Zunächst gilt es, die
Schutzziele umfassend undklar zu formulieren.“zehnten hat allerdings das Aufkommen leistungsstarker Rechner
und Computernetzwerke die klassischen Handverschlüsselungsverfahren obsolet gemacht. Überaus
komplexe Algorithmen und Protokolle sichern vertrauliche E-Mail,den Handel im Internet und bald
wohl auch elektronische Wahlen.
„Sichere Anwendungen zu entwerfen, ist schwierig“, sagt Jörn
Müller-Quade, und unterstreicht
dies mit dem Beispiel der gepatzten
quantenkryptographischen Übertragung. Es reiche auf keinen Fallaus, einfach nur bessere Werkzeuge miteinander zu kombinieren, und die alleinige Zielsetzung
der Geheimhaltung, wie im Falle
Wiens, sei ebenfalls häufig nicht
ausreichend: „Um bei kryptogra-

phischen Lösungen Sicherheit zu
erreichen, müssen zunächst einmal
die Schutzziele umfassend und klar
definiert sein“, sagt er und macht
so deutlich, wie wichtig es ist, im
Emmy Noether-Projekt zusammen
mit seiner Nachwuchsgruppe dem
Problem der „langfristigen Sicherheit“ nachzugehen. In diesem
Zusammenhang interessieren ihn
auch die „unerwünschten Nebenwirkungen“, die bei der Verwendung kryptographischer Protokolle
auftreten können.
Jörn Müller-Quade fand als
Schüler das 1985 erstmals auf
Deutsch erschienene Buch „Gödel,Escher, Bach“ des dafür mit dem
Pulitzer-Preisausgezeichneten
amerikanischen Informatikers undPhilosophen Douglas R. Hofstadterfaszinierend, und er erinnert sich,dass ihn unter anderem diese Lektüre motivierte, nach dem Abitur
zunächst in Erlangen, später in
Karlsruhe Informatik zu studieren. Dort promovierte er mit einer
Arbeit im Bereich des symbolischen
Rechnens und ging anschließend
für zwei Jahre nach Japan, um sicham Imai Laboratory der Universityof Tokyo ganz in die Quantenkryptographie zu vertiefen. „Kurz bevor
ich nach Japan ging, hatte ich vondem Emmy Noether-Programm der
DFG erfahren und bedauert, dassdas für mich zu spät kam.“Es war nicht zu spät, denn gerade als Müller-Quade zurück in
Deutschland an der Universität
Karlsruhe ein Forschungsprojekt
zur Quantenkryptographie übernommen hatte, wurde der „Aktionsplan Informatik“ im Emmy
Noether-Programm ausgeschrieben, in dem er nun seit Januar
2003 als Nachwuchsgruppenleiter
mit einer eigenen Arbeitsgruppe
Grundlagen der Sicherheit kryptographischer Lösungen und Systeme erforscht. „Sicherheit“, sagt
er, „ist immer eine Definitionsfrage, ist ein Balanceakt zwischen
notwendiger Abstraktion, die ein
Modell handhabbar macht, undder Einbeziehung möglichst vieler
Details, die Ergebnisse innerhalb
eines Sicherheitsmodells anwendungsrelevant werden lassen.“Eine aktuelle Definition vonkryptographischer Sicherheit folgt
dem so genannten Simulationsansatz: Ein reales Protokoll wird

„Sicherheit definieren wirüber die Ununterscheidbarkeit
realer und idealer Protokolle.“dabei mit einem idealen Protokoll,das offensichtlich sicher ist, ver­glichen. In dem idealen Protokoll
erledigt eine für alle Teilnehmer
vertrauenswürdige Instanz den
Berechnungsprozess, etwa einensicheren Informationsaustauschoder eine elektronische Auktion,
so dass nur eigene Eingaben verändert werden können – was auchfür einen Angreifer gilt. Ist nun das
Ein- und Ausgabeverhalten derProtokollteilnehmer im realen undidealen Modell ununterscheidbar,
so nennen die Informatiker das
reale Protokoll eine „sichere Realisierung“ des idealen Protokolls.
Eine solche Definition der Sicherheit „ist sehr überzeugend“, sagt
Jörn Müller-Quade, da ja jeder
Angriff, der im realen Modell möglich sei, per Definition harmlos sein
müsse, wenn er im idealen simuliert werden könne.
Vor einigen Jahren hat die
Informatikerzunft dann allerdings
erschreckt feststellen müssen,dass solchermaßen sichere Protokolle, modular im Zusammenspiel
verwendet, unsicher werden kön-

nen, und sie haben deshalb dem
simulationsbasierten Sicherheitsmodell eine zusätzliche Maschine hinzugefügt, die jederzeit mit
dem Protokoll interagieren undeinem möglichen Angreifer Hinweise geben kann. Die zusätzliche
Maschine kann somit auch solche
Unsicherheiten finden, die sonst
erst in größeren Anwendungensichtbar werden. Seither gilt ein
Protokoll als sicher, wenn dieseneu hinzugefügte Maschine dasreale und das ideale Modell nicht
unterscheiden kann.
Aber damit nicht genug: „Ein
Sicherheitsmodell darf nicht zu
abstrakt sein und muss daher
auch das die Teilnehmer verbindende Kommunikationsnetzwerk
beschreiben“, sagt Jörn Müller-Quade. Zusammen mit seiner
Gruppe hat er in einem etablierten Sicherheitsmodell die Definition des zugrunde liegenden
Netzwerks variiert und konnte
beweisen, dass die erreichbare

Sicherheit auf unerwartete Weisevom zugrunde liegenden Netzwerk
abhängt: „Je verlässlicher die Auslieferung einer Nachricht ist, umso
weniger Protokollaufgaben lassen sich sicher realisieren.“ Dies
ist eine interessante Konsequenz
aus simulationsbasierten Sicherheitsmodellen, und „sogar eine inder Kryptographie sehr bekannte
Vollständigkeitsaussage, nach der
mit dem Grundbaustein Oblivious
Transfer alle Protokollaufgaben
sicher realisiert werden können,
wird falsch, wenn man ein realistischeres Netzwerkmodell zugrunde
legt“, kommentiert Müller-Quade.
Zusammen mit seiner Gruppe hat
er im Emmy Noether-Projekt Protokoll-Grundbausteine entwickelt,
die auch in größeren Anwendungensicher bleiben: Zum Beispiel füreinen sicheren Schlüsselaustausch,
das sichere und geheime Hinterlegen eines Dokuments (Bit Commitment) oder für Verfahren, die es
erlauben, den Besitz eines Geheim-

Andrea Fabry

Jörn Müller-Quade zeigt gerne
seinen Schatz vor: Ein Exemplar
der berühmten Chiffriermaschine„Enigma“. Im zweiten Weltkrieg
glaubten die deutschen Kryptologen
fest daran, dass diese Maschine
unentzifferbare Geheimtexte
produziere. Aber den Alliierten gelang
es, Regelmäßigkeiten aufzuspüren – sokonnte zum Beispiel aufgrund ihrer
Konstruktion ein Klarbuchstabe nie
in sich selbst überführt werden – undrund 300 000 Meldungen zu entziffern.
21

nisses zu beweisen, ohne dieses
zu lüften (Zero Knowledge). Undangeregt durch die falsche Verwendung des One Time Pad-Verfahrens
bei der ersten quantenkryptographischen Banküberweisung in Wien
hat die Karlsruher Forschergruppe
zusammen mit anderen Kryptologen ein universell verwendbares
Verfahren zur sicheren Nachrichtenübermittlung auf Basis eben
dieses Verschlüsselungsverfahrens
vorgestellt und publiziert.
Bei der Verschlüsselung mit dem
One Time Pad, 1917 von dem amerikanischen Ingenieur Gilbert S.
Vernam erfunden, ist der Schlüssel
immer genauso lang wie die Nachricht selbst, beruht auf Zufallszahlen
und wird nur ein einziges Mal verwendet. „Eine solche Verschlüsselung bietet zwar langfristige Sicherheit, da sie auch durch beliebig viel
Rechenleistung nicht gebrochen
werden kann“, sagt Müller-Quade,„aber das One Time Pad-Verfahren alleine stellt nicht sicher, dassdie Nachricht von einem Angreifer
nicht verfälscht werden könnte, wie
wir es für das Wiener Experiment
zeigen konnten.“
Um universelle Verwendbarkeit
von sicheren Anwendungen zu
erreichen, muss häufig ein hoher
Preis gezahlt werden: Die Protokolle werden meist sehr aufwändig und sind darum nicht sehr effizient, und zudem werden häufig
noch zusätzliche Sicherheitsannahmen benötigt. „Man muss also

abwägen, ob man in den zusätzlichnötigen Sicherheitsannahmen oderin der nicht universellen Verwendbarkeit des Protokolls das größere Sicherheitsproblem sieht“, sagt
Müller-Quade, „und wir müssen
uns auch fragen, welche negativen
Nebenwirkungen möglicherweise
mit einem Plus an Sicherheit verbunden sind.“Hierbei geht es zum Beispiel um
das Problem, dass elektronische
Dokumente – etwa Pass oder Führerschein – in der Signatur versteckte Zusatzinformationen enthalten
könnten: Versteckte Hinweise fürKontrolleure wie Verdächtigungen,die der Staat zu speichern nicht
berechtigt ist. „Um diese Befürchtungen auszuräumen, haben wir
in unserer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe in Zusammenarbeit
mit anderen Wissenschaftlern ein
Signaturverfahren entwickelt, daseinem Angreifer keine Freiheit
lässt, zusätzliche Informationen zu
verstecken“, berichtet Jörn MüllerQuade.
Ein weiteres Beispiel: Bei Wahlen mit Papier und Urne kann ein
Wähler nach der Wahl beliebig
abstreiten, irgendeine spezielle
Partei gewählt zu haben, und er
kann sogar bestreiten, überhaupt
eine gültige Stimme abgegebenzu haben. Für elektronische Wahlen stellt sich dies leider nicht soeindeutig dar: Daten, die während
des Wahlprotokolls ausgetauscht
werden, können als Beweis füreine bestimmte Stimmabgabe
dienen. „Anders als bei der Wahl
mit Papier und Urne ist nun einüberprüfbarer Stimmenkauf möglich“, beschreibt Müller-Quade
die Bedrohung: „Der Käufer einer
Stimme zahlt aber möglicherweisenur, wenn der Wähler seine Protokolldaten offen legt und damit
beweist, dass er wie vereinbart
abgestimmt hat.“ Möglich wird
ihm dies dann gerade durch die im
Protokoll verwendeten kryptographischen Verfahren wie digitale
Signaturen.
Müller-Quade erweitert zurzeit mit seinem Team das simulationsbasierte Sicherheitsmodell
der real/ideal-Vergleichsdefinition auf diese neuartige Bedrohung
der Nichtabstreitbarkeit: „Um
Abstreitbarkeit für allgemeine Protokolle in einem Sicherheitsmodell
fassen zu können, haben wir dassimulationsbasierte Sicherheitsmodell um einen zweiten Angreifer erweitert“, sagt er, „und das hat
zur Folge, dass der erste Angreifer seinem korrumpierten Wähler
nicht mehr trauen kann, da dieser
unter der Kontrolle des zweiten
Angreifers stehen könnte.“
In Vorträgen auf wissenschaftlichen Tagungen hat Müller-Quadeschon angedeutet, wie das Modell
aufgebaut sein könnte. Die Veröffentlichung steht noch aus: „Esfehlen noch gut ausgearbeitete
Beispiele, aber ich hoffe, dass wir
es bald geschafft haben.“db

Aktionsplan Informatik im Emmy Noether-Programm
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG) will mit dem Aktionsplan Informatik im Emmy Noether-Programm, fürden es von 2002 bis 2004 drei Ausschreibungen gab, dem akuten Nachwuchsmangel an Hochschullehrern im Fach
Informatik entgegenwirken, indem erbesonders qualifizierten jungen Informatikerinnen und Informatikern einen Wegzu früher wissenschaftlicher Selbstständigkeit eröffnet.
Nach Schätzungen des Fakultätentags
Informatik werden kurzfristig an den
deutschen Universitäten viele Lehrstühle in diesem Fachgebiet frei, die in den
Jahren 1970 bis 1975 eingerichtet wur-

22

den. Im Gegensatz zu anderen Fächern
herrscht jedoch in der Informatik ein Mangel an Nachwuchswissenschaftlern fürdiese Positionen. Ein Grund dafür ist, dassInformatiker nach der Promotion häufig
attraktive Stellenangebote aus der Wirtschaft erhalten, mit denen die Wissenschaft nicht konkurrieren kann.
Insgesamt werden im Aktionsplan Informatik 32 junge Nachwuchswissenschaftler
gefördert. In Karlsruhe neben Jörn Müller-Quade auch Alexander Wolff, dessen
Nachwuchsgruppe sich systematisch mit
der Visualisierung geometrischer Netzwerke auseinandersetzt. „Bislang ist zum
Beispiel die Visualisierung eines U-Bahn-

Netzes ein handwerklich-künstlerischer
Prozess“, sagt er, „hier geht es uns zum
Beispiel darum, solche kreativen Visualisierungen mit Hilfe der Informatik einer
Automatisierung zugänglich zu machen.“Ebenfalls in Karlsruhe forscht Thomas Fuhrmann, der zusammen mit seiner Gruppe
das Verhalten von selbstorganisierenden
Netzen besser zu verstehen sucht. Fuhrmann möchte aus den Projektergebnissen
Empfehlungen für den Entwurf von effizienten und skalierbaren Computernetzen
der Zukunft ableiten. Seine Vision ist eine
Welt, in der sich viele kleine elektronische
Geräte selbst zu einer „intelligenten“
Umgebung zusammenschließen.

Interview

NachwuchsförderungG

erhart von Graevenitz lehrt ander Universität Konstanz Neuere deutsche Literatur und allgemeine Literaturwissenschaft und
ist seit April 2000 Rektor der Universität. Er ist Mitherausgeber der
renommierten Deutschen Vierteljahresschrift für Literaturwissenschaft und Geistesgeschichte undsetzt sich seit vielen Jahren für die
Förderung des wissenschaftlichen
Nachwuchses in Deutschland ein,unter anderem engagierte er sichim Bewilligungsausschuss für Graduiertenkollegs der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG).
An der Universität Konstanz hat er
ein eigenes Forschungszentrum fürden wissenschaftlichen Nachwuchs
errichtet, das den interdisziplinären
Dialog pflegt und auch den Nachwuchswissenschaftlern im Emmy
Noether-Programm Rückenwind
für ihre Karriere geben will.

? Wie steht es um denwissen­schaftlichen Nachwuchs in Deutschland?
! Der wissenschaftliche Nachwuchs in deutschen Universitäten
gehört zu dem am besten ausgebildeten weltweit. Sonst wäre er invielen Ländern nicht so begehrt.

? Das klingt, als hätten Sie
keinen Wunsch offen?

! Doch, das habe ich: Die arbeitsrechtlichen Regeln sind für Wissenschaftsstrukturen nach wie
vor ungeeignet. Ein spezieller
Tarif für Wissenschaftler erscheint
mir zum Beispiel dringlich undunerlässlich. Und ich finde, dassdie von uns angestrebte frühe
Selbstständigkeit der Nachwuchswissenschaftler insgesamt nochzu stark auf einzelne Fach- und
Hochschulkulturen beschränkt ist.

? Leisten die Programme zur Förderung des wissenschaftlichen
Nachwuchses hier Abhilfe?

! Die existierenden Programme

für junge Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler sind absolut notwendig und leisten eine
Menge, allerdings müssen sie
ständig weiterentwickelt werden:
Bei der weiteren Ausgestaltung
der Programme sollten wir trotz
vieler Rechtsfragen und Ressourcenprobleme versuchen, die
Rahmenbedingungen für eine
Tenure-Track-Option zu schaffen,
nach der ein Nachwuchswissenschaftler gezielt in eine Professur
hineinwachsen kann. Allerdings
müssen wir uns gleichzeitig davor
hüten, mit solchen Konstrukten
an den Universitäten einen leistungshemmenden Automatismus
einzuführen. In Baden-Württemberg gab es einmal das sehr sinnvolle Fiebiger-Programm, nachdem Professorenstellen vorzeitig
neubesetzt werden konnten; hiermöchte ich gerne eine aktualisierte Neuauflage anregen.

? Welche Erfahrungen haben

Sie mit dem Emmy NoetherProgramm der DFG gemacht?
! Ausnahmslos sehr gute. Die
Emmy Noether-Nachwuchsgruppenleiter sind gut in die
Fachbereiche integriert. Sie
haben ebenso wie Juniorprofessoren direkten Zugang zur
Universitätsleitung, um bei Einzelproblemen Unterstützung zu
bekommen. Eine Gleichstellung
von beiden beim Promotionsrecht steht leider noch aus.

? Wie beurteilen Sie in diesem

Zusammenhang das Spannungsfeld zwischen den Polen„Juniorprofessur“, „Emmy
Noether-Programm“, „Habilitation“, „Tenure Track“?
! Der „Königsweg“ zur Berufung auf eine Professur ist
zumindest in den Geistes- undSozialwissenschaften unverändert die Habilitation. Das

muss man realistischerweise
hinnehmen. Die Fachbereicheversuchen, damit konstruktiv
umzugehen. Ich finde, dass die
Tenure-Track-Option auch Habilitanden auf allgemeinen Postdoc-Stellen offen stehen muss,
und wir sollten gemeinsam daranarbeiten, dass deren Arbeitsbedingungen im Hinblick auf
Exzellenz denen der Juniorprofessoren und Nachwuchsgruppenleiter angeglichen werden.

? Und was lehren die Erfahrungenan der Universität Konstanz?
! Die Universität Konstanz hat
von Anfang an konsequent auf
die Berufung von Juniorprofessorinnen und -professoren gesetzt,
im Verfahren analog zur Besetzung aller Professuren und mit
durchschlagendem Qualitätserfolg. Sie hat zudem selbstständige
Nachwuchsgruppen eingerichtet
und Emmy Noether-Anträge
nachdrücklich unterstützt. Fürdrei Juniorprofessuren hat sie
Tenure-Track-ähnliche Konstellationen geschaffen. Durch die
Drittmitteleinwerbungen ist die
Zahl der Nachwuchsstellen aus
dem Staatshaushalt mehr als verdoppelt worden. Grundlage alldessen ist natürlich eine intensive
Promotionsphase. Die Universität
hat früh schon ein eigenes Graduiertenprogramm eingerichtet, war
bei den ersten Graduiertenkollegs
dabei, hat im Rahmen der konsequenten Umstellung auf die neuen
Studiengänge auch Doktorandenstudiengänge geplant und eingerichtet. Sie plant jetzt die Einrichtung einer International Graduate
School für die ganze Universität.
Kurzum: Die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses
wird auch künftig ein komplexes Unterfangen bleiben.
Mit Gerhart von Graevenitz sprachen Marion Kälke und Dieter
Beste
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Emmy Noether-Programm

Daten und Fakten
Das Emmy Noether-Programm
wurde von der DFG 1999 gestartet und verfolgt das Ziel, herausragenden Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern die Möglichkeit
zu geben, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer
Nachwuchsgruppe verbunden mit
qualifikationsspezifischen Lehraufgaben zügig für eine wissenschaftliche Leitungsaufgabe, insbesondere als Hochschullehrer zu
qualifizieren. Ein weiteres Ziel desEmmy Noether-Programms ist es,
exzellente junge Postdocs aus dem
Ausland zu gewinnen bzw. deutschen Nachwuchswissenschaftlern, die sich im Ausland befinden, den Karriereweg zurück nach
Deutschland zu ebnen.
Bewerben können sich junge
Nachwuchswissenschaftler/innen
aller Fachrichtungen, die folgendeVo­raussetzungen mitbringen sollten:➜ in der Regel mindestens zwei
bis maximal vier Jahre PostdocErfahrung,➜ substantielle internationale Forschungserfahrung, in der Regel
nachgewiesen durch mindestens zwölfmonatige wissenschaftliche Auslandserfahrung
während der Promotion oder inder Postdoc-Phase oder durch
gleichwertige wissenschaftliche
Kooperationen mit Forschern im
Ausland (die Kooperation kannbeispielsweise durch einschlägige Publikationen nachgewiesen werden),➜ eine insgesamt zügig abgeschlossene
wissenschaftliche
Ausbildung.
Interessenten am Emmy NoetherProgramm der DFG finden weiterführende Informationen im Internet unter der Adresse:➜ Insgesamt 330 Nachwuchswissenschaftler wurden seit
1999 gefördert.
➜ Darunter 72 Frauen und insgesamt 20 Wissenschaftler/
innen aus dem Ausland.
➜ Das Durchschnittsalter der Geförderten bei Bewilligung
betrug 32,5 Jahre.

SCHLESWIGHOLSTEINMECKLENBURGVORPOMMERNHAMBURG
BREMENBERLINNIEDERSACHSEN

BRANDENBURGSACHSENANHALTNORDRHEINWESTFALENSACHSENHESSENTHÜRINGEN

RHEINLANDPFALZSAARLANDBAYERNBADENWÜRTTEMBERG

Verteilung auf
Bundesländer
unter 1010 bis 20
20 bis 30
30 bis 40
40 bis 50
50 bis 60über 60

Verteilung auf Wissenschaftsgebiete
Prozent
Biologie
19,3Medizin
19,3
Physik19,3Chemie13,6Elektrotechnik, Informatik und Systemtechnik
10,2
Geisteswissenschaften
4,4
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
3,7
Geowissenschaften (einschl. Geographie)
3,1Mathematik
2,7Agrar-, Forstwissenschaften, Gartenbau u. Tiermedizin
2,0Werkstoffwissenschaften
1,0Maschinenbau und Produktionstechnik
0,7
Wärmetechnik / Verfahrenstechnik
0,7

http://www.dfg.de/emmy_noether

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Impressum: Herausgegeben von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Bonn ❙ Verantwortlich: Dr. Anjana Buckow, Referentin,
Gruppe Graduiertenkollegs & Nachwuchsförderung ❙ Konzept und Redaktion: Mediakonzept (www.mediakonzept.com),Düsseldorf ❙ Text: Dieter Beste (db), Marion Kälke (mk) ❙ Titelbild: Andreas Rzadkowsky ❙ Gestaltung: Lutz Stolz