Wissenschaft

Wissenschaftliche Erkenntnisse sind heute oft schon überholt, bevor sie publiziert werden. Doch es gibt wichtige Projekte, die von Natur aus ihre Zeit brauchen – manchmal sogar über Generationen hinweg. Acht spektakuläre Beispiele.

Am 1. Januar des Jahres 1781 stand der Augustinerchorherr Cajetan Fischer früh auf wie immer, sprach seine Morgengebete wie jeden Tag und frühstückte. Die Aussicht vom Hohenpeißenberg war grandios wie sonst auch; zum Greifen nah lag die Kette der weiß überzuckerten Alpengipfel und zeugte von der herrlichen Allmacht des Schöpfers. Doch etwas war anders.

Der fromme Mann arbeitete an diesem Tag zum ersten Mal als Wissenschaftler. Sorgfältig las er an dem nagelneuen Barometer den Luftdruck ab, am Hygrometer die Luftfeuchtigkeit und an zwei verschiedenen Thermometern die Temperatur; er registrierte die Elektrizität in der Luft, kontrollierte den Niederschlags- und den Verdunstungsmesser, maß das Magnetfeld, notierte Stärke und Richtung des Windes, registrierte die Bewölkung und den allgemeinen Zustand des Himmels. Schließlich trug er alles in die dafür vorgesehenen Formulare ein. Dass er damit einmal Wissenschaftsgeschichte schreiben würde, hat er sich wohl nicht träumen lassen.

Die Reihe der meteorologischen Daten, die Bruder Cajetan an jenem Tag vor fast 230 Jahren unter der Förderung des pfälzisch-bayerischen Kurfürsten Karl Theodor begann, ist die längste kontinuierliche Messreihe der Welt. Heute arbeiten die Meteorologen auf dem Hohenpeißenberg und anderswo zwar mit ungleich komplexeren Methoden, doch für die Beurteilung langfristiger Klimatrends dienen ihnen die alten Daten immer wieder als Referenz. Ein Beispiel von vielen, wie unverzichtbar Langzeitbeobachtungen für die Wissenschaft sind.

Forschungsprojekte leiden heute nicht selten unter einer Kurzatmigkeit. Der Druck, Ergebnisse zu produzieren und zu veröffentlichen, ist groß. »Least publishable unit«, kleinste publizierbare Einheit, nennen Forscher halb spöttisch, halb resigniert jene Ergebnis-Häppchen, die oft zu einer ganzen Veröffentlichung aufgeblasen werden. Zudem müssen sich viele Wissenschaftler von Forschungsantrag zu Forschungsantrag hangeln, Zeitpläne und Kostenkalkulationen aufstellen, Projekte immer neu rechtfertigen. Einfach wie Cajetan Fischer losforschen, ohne zu wissen, was dabei herauskommt, erlauben sich die Wenigsten.

Dabei ist Zeit auf vielen Wissenschaftsgebieten ein Erfolgsfaktor. Langzeitbeobachtungen ermöglichen eine zusätzliche Dimension der Erkenntnis. Sie machen Entwicklungen sichtbar, die sonst verborgen geblieben wären. Um Bestand zu haben, müssen sich die Ergebnisse eines Experiments beliebig oft unter standardisierten Bedingungen wiederholen lassen. Erst wenn möglichst viele Faktoren kontrolliert sind, kann Forschung die Komplexität der Welt auf ein überschaubares Maß reduzieren.

So pedantisch, wie Cajetan sein Messprotokoll einhielt, untersuchten zwei Menschenalter später die Engländer John Lawes und Joseph Gilbert als Erste systematisch die Wirkung von Kunstdünger. Der US-Mikrobiologe Richard Lenski führt bereits seit über 20 Jahren ein Evolutionsexperiment mit genetisch identischen Bakterienstämmen durch, und am kalifornischen SETI-Institut werfen Forscher seit einem halben Jahrhundert den wohl spektakulärsten Blick auf die Ewigkeit: Sie suchen nach intelligentem außerirdischem Leben. Obwohl sie ihrem Ziel noch nicht viel näher gekommen sind, haben sie Dinge über unseren Kosmos herausgefunden, die nur durch ein großzügiges Zeitbudget möglich werden.

Seit 1781:
Dem Klimawandel auf der Spur

Der oberbayerische Hohenpeißenberg ist für Meteorologen ein legendärer Ort, der einzige auf der Welt, wo seit über 200 Jahren das Wetter kontinuierlich und nach wissenschaftlichen Kriterien aufgezeichnet wird. Die jährliche Durchschnittstemperatur ist dort seit dem achtzehnten Jahrhundert mit gewissen Schwankungen zunächst unmerklich gestiegen, seit den achtziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts deutlich – im Einklang mit dem weltweiten Trend. Noch immer spielt die Wetterstation auf dem knapp 1000 Meter hohen Berg in der ersten Liga: Sie bildet (gemeinsam mit dem Schneefernerhaus auf der Zugspitze, das einen Teil des aufwendigen Messprogramms übernimmt) die einzige deutsche Station des internationalen »Global Atmosphere Watch«-Programms (GAW). Dieses beobachtet und erforscht weltweite Klimaveränderungen anhand der Entwicklungen in der Atmosphäre. Die Stationen messen unter anderem die atmosphärische Strahlung verschiedener Wellenlängen (wie UV- und Infrarotstrahlung), den Gehalt an Ozon und atmosphärischen Spurengasen (z. T. in verschiedenen Höhen mittels Ballons), die chemische Zusammensetzung der Niederschläge und menschengemachte Einflüsse wie den CO2-Gehalt oder die Schwefelsäure in der Luft.

Seit 1843:
Das Fruchtbarkeitsexperiment

Normalerweise wechselt ein Bauer die Feldfrüchte, die er anbaut, um den Boden nicht zu erschöpfen. Die beiden Engländer John Lawes und Joseph Gilbert entschieden sich 1843 für das Gegenteil. Sie beschlossen, auf einem der Felder ihres Gutes Rothamsted nur noch Winterweizen anzubauen – mit einem entscheidenden Zusatz: Sie teilten das Feld in Parzellen auf, die sie unterschiedlich behandelten. Einige düngten sie mit Stickstoffsalzen, andere mit Natriumnitrat, sie gaben Phosphat, Magnesium und Kalium, alles kontrolliert und dokumentiert. Die Idee, mineralischen Dünger einzusetzen, war damals noch brandneu, und die Briten wollten es genau wissen. Bis 1856 kamen noch acht ähnliche Langzeitversuche hinzu, etwa das »Park Grass Experiment«, bei dem es darum geht, wie eine Wiese auf unterschiedliche Behandlung reagiert. Wie verändert sich der Heu-Ertrag, wie die Artenzusammensetzung je nach Düngergabe oder Schnitthäufigkeit? Mit einer Ausnahme laufen alle Versuche bis heute. Von besonderem Wert für die Agrarforschung ist das lückenlose Archiv der Bodenproben, das Vergleiche und Rückschlüsse auf die Wirkung bestimmter Stoffe zulässt.

Seit 1901:
Vermessung eines
geistigen Gebirgsmassivs

Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) war
Philosoph, Mathematiker, Naturforscher, politischer Denker und einer der gebildetsten
Menschen seiner Zeit. Sein Nachlass ist schier unübersehbar: 80 000 Handschriften, vorwiegend auf Deutsch, Lateinisch und Französisch, zum Teil aber auch auf Englisch, Niederländisch, Italienisch oder Russisch, von kurzen Briefen bis zu umfänglichen Manuskripten. Seit über
100 Jahren arbeiten Forscher an einer historisch-kritischen Edition der Schriften; zurzeit sind es vier Institute in Berlin und Potsdam, Münster und Hannover. Für die präzise Vermessung solch eines geistigen Gebirgsmassivs braucht man nicht nur profunde Fachkenntnis, sondern auch ausgeklügelte Regeln für Kommentierungen sowie Querverweise und für den Umgang mit den zahlreichen Textvarianten. Das Ergebnis bisher: 49 Bände mit je rund 870 Seiten Umfang – davon wurden allein 30 in den letzten 25 Jahren veröffentlicht.

Seit 1927:
Pech tropft durch den Trichter

Der Erkenntniswert für die Grundlagenforschung hält sich in Grenzen, trotzdem ist das »Pitch Drop Experiment« der University of Queensland in Australien einer der bekanntesten Langzeitversuche: Es demonstriert, dass auch vermeintlich feste, spröde Materialien in Wahrheit fließen. 1927 füllte der Physikprofessor Thomas Parnell zähflüssiges Pech in einen Trichter, ließ es drei Jahre lang erkalten und öffnete dann die Spitze des Trichters. Bereits nach acht Jahren »fiel« der erste Tropfen, nach 17 der zweite; zurzeit ist der neunte am Entstehen. Im Verhältnis von finanziellem Aufwand und Bekanntheitsgrad gilt das Experiment als für alle Zeiten unschlagbar; den berühmt-berüchtigten IgNobel-Preis der Harvard University für »wissenschaftliche Leistungen, die nicht wiederholt werden können und sollten«, erhielt es natürlich auch schon. Und es ist noch ziemlich viel Pech drin im Trichter.

Seit 1958:
Die ehrliche CO2-Kurve aus Hawaii

Das Observatorium am Nordhang des Vulkans Mauna Loa auf Hawaii ist das pazifische Pendant zur Wetterstation auf dem bayerischen Hohenpeißenberg: Hier läuft die weltweit längste kontinuierliche Messreihe des CO2-Gehalts der Luft, unverzichtbarer Referenzpunkt für alle Studien zu Treibhauseffekt und Klimawandel. Die Bedingungen für Hintergrundmessungen sind perfekt: Auf 3400 Meter Höhe (der höchste Probennahme-Turm ist dazu noch 27 Meter hoch) mitten im Pazifik ist die Luft denkbar rein, größere Luftverschmutzer sind weit entfernt, und auf dem kahlen Lavahang beeinflusst noch nicht einmal Vegetation die CO2-Bilanz (Einflüsse des Vulkans selber werden durch Abgleich mit anderen Messstationen ausgeschlossen). Das Mauna-Loa-Observatorium ist in der Atmosphärenforschung eines der produktivsten weltweit. Die Kurve, die die unverminderte Zunahme des Treibhausgases CO2 belegt, wird nach dem US- Klimaforscher Charles David Keeling, dem Initiator der Messreihe, auch Keeling-
Kurve genannt.

Seit 1960:
Auf der Suche nach Außerirdischen

Die Astronomin Jill Tarter, Direktorin des amerikanischen SETI-Programms (»Search for Extraterrestrial Intelligence«) bemüht bei Nachforschungen über den Erfolg ihrer Arbeit gern einen Vergleich: Das sei so, als wolle man die Frage beantworten, ob es in den Ozeanen Fische gebe, und habe erst einen einzigen Becher Wasser aus dem Meer geschöpft. Man muss sich das einmal vorstellen: In einer Entfernung von bis zu 100 Lichtjahren um uns herum gibt es etwa 1000 sonnenähnliche Sterne; deren Planeten, sofern es solche gibt, hätten nach allgemeiner Einschätzung die höchsten Chancen auf lebensähnliche Formen.

Hundert Lichtjahre sind nach kosmischen Maßstäben wenig, für uns aber unerreichbar fern. Nach was für einem Signal soll man überhaupt suchen, was für eines soll gesendet werden, in welche Richtung? Selbst wenn eine Zivilisation uns von dort ein Signal sendete, wäre es hundert Jahre lang unterwegs. Seit der US-Astronom Frank Drake 1960 das Radioteleskop des Green-Bank-Observatoriums im US-Bundesstaat West Virginia auf die beiden Sterne Tau Ceti und Epsilon Eridani gerichtet hat, läuft das Experiment. Was in diesen 50 Jahren herausgekommen ist, lässt sich mit einem Wort wissenschaftlich präzise und doch allgemein verständlich beschreiben: nichts.

Oder doch? Immerhin hat niemand zuvor so gründlich und systematisch über die Frage nachgedacht, wie Außerirdische mit uns kommunizieren könnten – wenn es sie gäbe; und auf welchen Planeten, unter welchen physikalisch-chemischen Voraussetzungen sich am ehesten so etwas wie Leben entwickeln könnte. Manchmal kommt bei Forschungsprojekten eben etwas anderes heraus als gedacht.

Seit 1969:
Laserreflektoren auf dem Mond

Als Neil Armstrong und Buzz Aldrin 1969 einen Laserreflektor von der Größe eines kleinen Kühlschranks auf dem Mond absetzten, wusste niemand zu sagen, ob die Idee, das Ding von der Erde aus mit Laserstrahlen anzuleuchten, tatsächlich funktionieren würde. Der erste Versuch im Juli 1969 schlug prompt fehl. Die technischen Schwierigkeiten sind atemberaubend: Der Laserstrahl hat sich nach den 380 000 Kilometern bis zum Mond so stark aufgefächert, dass er eine Fläche von 20 km2 bestrahlt. Es trifft also nur ein winziger Bruchteil auf den einen Quadratmeter großen Detektor, und dieser Teil fächert sich beim Rückweg ebenso auf.

Manchmal bleibt von dem starken Laserstrahl, der fünf Sekunden vorher losgeschickt wurde, nur noch ein einziges (!) Photon übrig – für dessen Auftreffen auf den hypersensiblen Detektoren die Forscher, um Störeinflüsse auszuschalten, ein Zeitfenster von einer millionstel Sekunde öffnen. Und das muss das Lichtteilchen erst einmal treffen! Doch seit man weiß, wie es geht, haben Astrophysiker die insgesamt vier Reflektoren (darunter ein russischer) über 10 000 Mal erfolgreich angelasert. Zwei Dutzend Parameter errechnen sie inzwischen und überprüfen ständig neue, komplizierte Voraussagen der Relativitätstheorie. Da ist ihr Resultat, dass der Mond sich jährlich um 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt, fast schon lächerlich simpel.

Seit 1988:
Evolution im Zeitraffer

Jeden Morgen geschieht im Labor von Richard Lenski an der Michigan State University das Gleiche: Der Mitarbeiter vom Dienst beim »E. coli long-term evolution experiment« tritt an den Tisch mit den Bakterienkulturen, kontrolliert die zwölf Flaschen auf Auffälligkeiten, entnimmt jeder Kultur die Menge von 0,1 Millilitern und füllt sie jeweils in eine neue Flasche mit Nährlösung, wo die Darmbakterien wieder neu wachsen und sich teilen dürfen – was sie alle vier Stunden tun. Nach rund 75 Tagen sind 500 neue Generationen entstanden; dann werden Proben für Untersuchungen entnommen und aufbewahrt. Das Ganze ist Evolution im Zeitraffer. Die einst genetisch identischen zwölf Bakterienstämme haben sich inzwischen zum Teil differenziert; einer war plötzlich imstande, das in der Nährlösung anwesende Zitrat (Salz der Zitronensäure) als Energiequelle zu nutzen. Auch die anderen Stämme durchliefen Veränderungen: Bei manchen erhöhte sich die Mutationsrate, bei allen vergrößerte sich das Zellvolumen und verringerte sich die maximale Populationsdichte. Im Februar 2010 brachten die fleißigen Bakterien ihre 50 000ste Generation hervor. Und das Leben geht weiter ...