Hier zum Einstimmen ein paar Bilder. Ichthyostega sah wohl etwa so aus:

Hier noch ein Bild von Tiktaalik:

Ihr seht hier schon, dass die ersten Vierfüßer eher Wasser- als Landtiere waren. Man kennt aus dem Devon zwar Fußspuren, die wohl von landlebenden Tieren stammten, doch Fossilien gibt es dazu bisher nicht. Erst im späteren Karbonzeitalter kennt man eine ganze Reihe von Landwirbeltieren, aber dazwischen klafft eine Lücke.

Bei den Wirbeltieren wird diese Lücke in den bekannten Fossilien als "Romers Lücke" (Romer's gap) bezeichnet, benannt nach dem berühmten Paläontologen Alfred S. Romer. Sie erstreckt sich über etwa 15 Millionen Jahre, von 360-345 Millionen Jahren vor der Gegenwart, im frühen Karbon (der "Kohlezeit"). Danach dann kennt man einige Fossilien, die unterschiedlichen Gruppen angehören, aber wie sich die Entwicklung von den ersten Vierfüßern (Tetrapoden, eine geeignetere Bezeichnung als "Landwirbeltiere", weil die ersten Tetrapoden ja im Wasser lebten) zu den späteren vollzog und wie sich die Tetrapoden an unterschiedliche ökologische Nischen anpassten, darüber weiß man wegen der Lücke sehr wenig.

Bei den Insekten sieht die Lage ähnlich aus. Man kennt die urtümliche Rhyniella (von der ich leider kein hübsches Bild gefunden habe), dann allerdings, gerade als die Evolution spannend wird und sich die Insekten weiterentwickelten, kennen wir ... nichts. Hier gibt es eine Lücke, die sich aber sogar über 60 Millionen Jahre erstreckt, von vor 385-325 Millionen Jahren.

Hier ein Überblick über die Lücken:

Eine wichtige Frage der Paläontologie besteht darin, ob diese Lücken "echt" sind - also eine Zeit repräsentieren, in der es nur wenige Insekten und Vierfüßer gab - oder ob es sich um Artefakte handelt, die einfach daher rühren, dass wir noch nicht an den richtigen Stellen gesucht haben. Eine Hypothese besagt, dass im frühen Kohlezeitalter, also genau zur Zeit der Romer-Lücke, der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre vergleichsweise niedrig war. Dies könnte die Entwicklung beeinträchtigt haben, weil früher Tetrapoden noch nicht so gute Atmer waren (und weil Insekten wegen ihres Tracheen-Atmungssystems mit niedrigem Sauerstoffgehalt oft auch nicht sooo gut klarkommen). So wurden Tetrapoden und Insekten in wenige Nischen gedrängt, und die Tetrapoden waren möglicherweise vor allem auf das Wasser als Lebensraum beschränkt.

Neue Fossilienfunde machen diese Annahme etwas unwahrscheinlicher. Für frühe Tetrapoden ist Schottland eine der besten Fundstellen. Damals lag Schottland noch südlich des Äquators und war Teil des "Alten Roten Kontinents" (auch Euramerika genannt). Insbesondere aus dem Karbon-Zeitalter kennt man viele Fossilien aus Schottland.

Eine Veröffentlichung vom Frühjahr dieses Jahres (ja, ich weiß, die Pressemeldungen zu den Ur-Tetrapoden aus Schottland ging schon vor Monaten durch die Medien - bisher bin ich aber nicht zum Bloggen gekommen) präsentiert nun gleich ein ganzes Sammelsurium von Fossilien direkt aus der Mitte der Romer-Lücke. Vier Fundstellen liegen in Südschottland, eine weitere im Westen Schottlands. Einige davon kennt man schon länger, aber die meisten sind vollkommen neu. Hier ein kleiner Überblick über die Fundstellen:

Die erste Fundstelle in Burnmouth hat gleich etwas ganz besonderes aufzuweisen:

Was ihr hier seht, ist ein Stück eines Fußes (wobei nicht klar ist, ob es sich um den Vorder- oder Hinterfuß handelt). Er hat deutlich erkennbar 5 Zehen. Das ist deswegen interessant, weil alle älteren Tetrapoden aus dem Devon, die man bisher kennt, 7 oder 8 Zehen hatten. Dieses Fossil ist also das älteste, bei dem man den heutigen typischen Tetrapoden-Bauplan gefunden hat. Der Fuß ist vergleichsweise klein, ähnelt von seiner Struktur her aber sehr stark dem späterer landlebender Tetrapoden. Das spricht dafür, dass dieses Tier ebenfalls landlebend war.

Ein weiteres Fossil aus Burnmouth ist ein Unterkiefer (oben und Mitte im Bild):

Dieser ähnelt in seiner Form und Struktur dem des bekannten Crassigyrinus (unten bei E dargestellt), den man allerdings bisher nur aus der Zeit vor 325 Millionen Jahren kannte.

Crassigyrinus, von Wikipedia

Tatsächlich ist der Unterkiefer dem von Crassigyrinus so ähnlich, dass er ebenfalls in diese Gattung einsortiert werden kann. Das zeigt, dass sich diese Gattung anscheinend innerhalb der Romer-Lücke entwickeln konnte.

Ein ziemlich kleiner Tetrapode stammt aus der Fundstelle Willie's Hole: Der Schädel ist nur etwa 75mm lang, während die meisten der ersten Tetrapoden deutlich größer waren.

Das neue Fossil ähnelt Arten, die man aus dem späteren Karbon kennt. Auch dies also ein Indiz dafür, dass sich innerhalb der Romer-Lücke die Tetrapoden weiterentwickelten. Weitere Funde von hier lassen sich nicht klar einordnen, einer davon könnte zur Gruppe der Temnospondylen gehören, die man bisher erst von 15 Millionen Jahre jüngeren Fundstellen kennt.

Auch die beiden anderen Fundstellen aus Südschottland stammen aus der Zeit der Romer-Lücke (eine davon wurde kürzlich neu datiert, vorher hielt man sie für jünger). Die Fossilien von hier sind nicht so gut erhalten, aber auch hier sind klar Tetrapoden dabei.

Ein Fossil, das man schon etwas länger kennt, ist Pederpes aus dem Westen Schottlands:

Auch Pederpes stammt aus der Romer-Lücke und ist mit ziemlicher Sicherheit ein echter Landbewohner gewesen.

Insgesamt zeigt sich also, dass Romer's Lücke nicht so leer war, wie man dachte. Einige der neuen Formen sind vergleichsweise klein - vielleicht ist ein Grund dafür, dass man bisher wenige Tetrapoden-Fossilien aus dieser Zeit kannte, darin zu suchen, dass viele der sich entwickelnden Arten zunächst sehr klein waren und deswegen als Fossilien schwerer zu finden sind. Da am Ende des Devon viele Tierarten ausstarben (es gab ein kleines Massensterben, falls das kein Widerspruch in sich ist), hatte man schon früher spekuliert, dass die Wirbeltiere des frühen Karbon vielleicht alle sehr klein waren. Der neu entdeckte Crassigyrinus-Schädel und einige der anderen Funde zeigen allerdings, dass zumindest einige Gattung ziemlich schnell wieder eine respektable Größe im Meterbereich erreichten.

Insgesamt zeigen die neuen Fossilien, dass sich in der Romer-Lücke viele neue Arten entwickelt hatten, was gegen die These des niedrigen Sauerstoffgehalts und einer damit verbundenen Artenarmut spricht. Sie lassen es vielversprechend erscheinen, nach weiteren Fossilien aus dieser Zeit zu suchen, um die Lücke noch weiter auszufüllen.

Das neue Insekten-Fossil, Strudiella devonica, stammt aus einer etwas früheren Zeit, nämlich dem Ende des Devon, also kurz vor der Romer-Lücke. So sieht das neue Krabbeltier aus:

Die weißen Pfeile kennzeichnen die Beine, man erkennt auf der rechten Seite deutlich, dass es drei sind. Vorn erkennt man die langen Antennen (ant) und die Überreste der Mundwerkzeuge (md=mandible). Der Körper selbst hat drei Teile, einen Kopf (h), einen Brustbereich, an dem die Beine sitzen und dann einen Endbereich. Dieser hintere Bereich des Körpers ist selbst auch noch in 10 Teile segmentiert, was man auch von heutigen Insekten kennt.

Auch die Form der Mundwerkzeuge ähnelt der heutiger Insekten. Wobei ich ehrlich zugeben muss, dass ich an den leicht verfärbten Klecksen eher wenig erkennen kann:

Flügel hatte Strudiella nicht, die langen und eher dünnen Beine sprechen dafür, dass es sich um einen Landbewohner handelt. Die Form der Mundwerkzeuge spricht dafür, dass es kein reiner Fleischfresser war, sondern eher ein Allesfresser.

Insgesamt ist Strudiella ein Beleg dafür, dass die Insekten sich schon vor der Romer-Lücke in verschiedene Gruppen aufspalteten. Sowohl Romers Lücke als auch die Insekten Lücke sind also vermutlich eher darauf zurückzuführen, dass wir noch nicht die richtigen Fossilien gefunden haben, und nicht auf eine echte Lücke in der Artenvielfalt. Insofern dürften die neuen Funde auch Anlass geben, entsprechende geologische Formationen intensiver zu erforschen. Man darf gespannt sein, welche Funde die Zukunft noch bringt.

Timothy R. Smithsona, Stanley P. Wood, John E. A. Marshallb, and Jennifer A. Clack
Earliest Carboniferous tetrapod and arthropod faunas from Scotland populate Romer's Gap
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1117332109

Alles begann an einem Sommerabend im Juni 2011. (Ja, die Geschichte ist schon etwas her...) Draußen war es schon ziemlich dunkel, und Blogger Martin B. aus Braunschweig lag bereits im Bett und versuchte zu schlafen. Das hätte vielleicht auch geklappt, wenn da draußen nicht dieses nervige Kläffen gewesen wäre - ungefähr so wie ein Zwerg-Pinscher-Dackel-Chihuahua oder etwas ähnliches. Martin B. schüttelt den Kopf über Leute, die ihre Hunde spät abends stundenlang herumlärmen lassen, schläft aber schließlich doch ein.

Am nächsten Morgen beim Blick aus dem Terassenfenster sieht Familie B. seltsame Schatten im Kirschbaum im Garten. Bei näherem Hinsehen entpuppen sich die Schatten als drei junge Eulen, die den Kirschbaum offensichtlich als Ruheplatz für den Tag auserkoren hatten. Die drei wurden natürlich sofort adoptiert und bekamen die Namen Eulalia, Eusebia und Eumel (wobei keiner von uns wirklich wusste, welche der Eulen nun männlich oder weiblich war).

Eulalia, Eusebia und Eumel verbrachten den ganzen Tag in unserem Kirschbaum und dösten dort anscheinend vor sich hin. Am Abend wurden sie dann aktiv und streiften ein wenig in der Gegend herum. Dabei entstand folgende sensationelle Aufnahme:

Als es dunkel wurde, flogen die drei dann davon.

Zu unserer großen Freude waren sie am nächsten Morgen aber wieder brav in unserem Kirschbaum, wo sie auch diesen Tag verbrachten, ab und zu durch den Baum hüpfend und ansonsten schlafend. Die drei waren erstaunlich wenig ängstlich - man konnte in den Garten bis unter den Kirschbaum gehen, und sie einigermaßen aus der Nähe betrachten. Und so gelangen einem todesmutigen Familienmitglied schließlich die folgenden Aufnahmen:

Auch an diesem Abend machten die drei sich auf den Weg, um die Gegend zu erkunden oder was immer junge Eulen abends so machen:

Und hier noch ein letztes Eulenporträt.

Am Tag danach regnete es leider in Strömen und war auch ziemlich stürmisch. Das schien den Eulen im Kirschbaum nicht so gut zu gefallen - abends machten sie sich auf den Weg und wurden seitdem nie mehr gesehen.

Leider habe ich von Eulen keine große Ahnung - aber vielleicht weiß ja einer der Scienceblogs-Leser, um welche Eulenart es sich hier handelte. Die drei hatten noch ein ziemlich fluffiges Gefieder. Sie sahen auf jeden Fall wie Jung-Eulen aus und benahmen sich auch so - eine von ihnen hatte beispielsweise etwas Schwierigkeiten, auf einem Johannisbeerbusch zu landen, dessen Tragfähigkeit deutlich kleiner war als das Bruttogewicht der Eule und der entsprechend bis an die elastische Grenze belastet wurde.

Das nie verwirklichte Hippie-Ideal "Make love not war" wird im Garten Eden zwischen dem Kongo-Strom und den Flüssen Lomami und Kasai also völlig selbstverständlich in die Tat umgesetzt

Nun, ganz so ideal ist die Bonobo-Gesellschaft nicht, und aggressionsfrei sind sie auch nicht. Obwohl Bonobos Artgenossen wesentlich seltener angreifen, verletzen oder töten als Schimpansen das tun, kommt es durchaus vor. Ihre Gesellschaft zu idealisieren ist wohl wenig hilfreich, zumal wir Menschen nun mal keine Bonobos sind.

Interessant ist aber die Frage, warum Bonobos so viel weniger aggressiv sind als Schimpansen. (Auch wenn Bonobos zur Schimpansen-Gattung (Pan) gehören, verwende ich in diesem Text die einfache begriffliche Trennung Bonobo (Pan panisces) - Schimpanse (Pan troglodytes).) Ist die verringerte Aggression eine Frage der Kultur oder gibt es dafür einen evolutionären und genetisch verankerten Grund? Und wie hat sich die Entwicklung vom Ur-Schimpansen zum weniger aggressiven Bonobo abgespielt?

Schauen wir zunächst, wie sich Bonobos von Schimpansen unterscheiden: Sie haben etwas kleinere Schädel (mit entsprechend verkleinertem Hirnvolumen) und kleinere Eckzähne, so dass ihr Schädelbereich auch bei erwachsenen Tieren eher jugendlich bleibt (Pädomorphose - ein anderes Beispiel dafür habe ich ja erst vor kurzen beschrieben). Außerdem haben sie depigmentierte Lippen.

Quelle: Wikimedia

Im Sozialverhalten sind sie wesentlich verspielter, sind eher bereit Futter zu teilen und - davon hat ja vermutlich jeder schon mal gehört - haben wesentlich häufiger Sex, nicht nur zur Fortpflanzung, sondern auch als Strategie, um Aggressionen abzubauen. Damit einher geht auch, dass die Weibchen für einen größeren Zeitraum ihrer Periode empfängnisbereit sind.

Anders als bei den Schimpansen haben Bonobos Sozialverbände, die von stabilen Weibchentrupps dominiert werden. (Schimpansen und auch Bonobos leben ja generell in größeren Gruppen, die sich aber meist in kleinere Trupps aufteilen, die dann tage- oder auch wochenlang umherstreifen. Mitglieder einer Gruppe kennen sich aber gegenseitig gut und haben eine klare Rangordnung.¹) Das Aggressionsniveau der Bonobos ist insgesamt deutlich niedriger und es fällt Bonobos leichter, in Experimenten mit anderen zusammenzuarbeiten, um Aufgaben zu bewältigen. Bringt man Bonobos mit Menschen zusammen, so sind sie deutlich besser darin, das Verhalten der Menschen zu deuten als Schimpansen das können - beispielsweise gelingt es ihnen leichter, der Blickrichtung eines Menschen zu folgen, um einen Hinweis zu finden. Umgekehrt sind Schimpansen dafür geschickter, wenn es darum geht, allein Probleme zu lösen, die mit Futter belohnt werden. Freilebende Schimpansen verwenden verschiedene Werkzeuge, um an Nahrung zu kommen (zum Beispiel Grashalme zum Termitenangeln oder zerkaute Blätter als Schwämme), während Bonobos das nicht tun.

¹Wer mehr über Schimpansen wissen will, sollte unbedingt das - wissenschaftlich leicht veraltete, aber trotzdem hervorragende - Buch "Wilde Schimpansen" von Jane Goodall lesen (das war eine zeit lang mein Lieblingsbuch, ich habe es sicherlich mindestens 10 mal verschlungen).

Wer die Liste oben liest und diesen Blog aufmerksam verfolgt, dem dürfte eins aufgefallen sein: Viele der angeführten Merkmale finden sich auch bei gezähmten Tieren, wie in meinem Text über das Farm-Fuchs-Experiment beschrieben. Dazu gehört der eher jugendliche Schädel, die Änderung der Pigmentierung (auch wenn sie bei den Bonobos nur an den Lippen stattfindet), das ausgeprägtere Spielverhalten, die verlängerte Empfängnisbereitschaft der Weibchen (viele Haustiere sind ja mehrfach im Jahr empfängnisbereit). All das deutet darauf hin, dass hier vielleicht ähnliche evolutionäre Mechanismen am Werk sind.

Interessant ist natürlich die Frage, ob sich bei den Bonobos - wie bei vielen Haustieren - der Hormonspiegel entsprechend geändert hat. Experimente haben gezeigt, dass bei Schimpansen der Testosteron-Spiegel ansteigt, wenn sie Futter erwarten (was darauf hin deutet, dass sie die Nahrungsaufnahme mit aggressivem Verhalten verbinden), während das bei Bonobos nicht der Fall ist. Außerdem zeigt diese Veröffentlichung zumindest, dass der Testosteron-Spiegel bei Bonobos (anders als bei Schimpansen) nicht mit dem sozialen Rang korrelliert, was dafür spricht, dass ein erhöhter Testosteron-Spiegel (und entsprechend erhöhte Aggressivität) keinen evolutionären Vorteil bringt (denn höherer Rang ist ja evolutionär günstig).

Die Idee, dass Bonobos sich "selbst gezähmt" haben - in dem Sinne, dass sie evolutionär auf verringerte Aggressivität hin selektiert wurde - ist zur Zeit eine Hypothese. Man könnte sie dadurch stützen, dass man die Genexpression der Gene untersucht, die für aggressives Verhalten zuständig sind, oder dass man nachweist, dass die morphologischen Veränderungen bei den Bonobos tatsächlich an die verringerte Aggressivität gekoppelt sind, so wie es ja anscheinend bei den Haustieren und gezähmten Füchsen der Fall ist.

Aber auch wenn es zur Zeit nur eine - plausible - Hypothese ist, so kann man natürlich doch überlegen, wie die Evolution hin zum weniger aggressiven Bonobo verlaufen ist. (Theoretisch ist auch ein umgekehrtes Szenario denkbar, bei dem der Ur-Schimpanse friedlich war und dann die Schimpansen auf aggressiveres Verhalten hin selektiert wurden, dies ist aber unwahrscheinlich, weil die veränderte Schädelform des Bonobos eine Eigenart dieses Spezies (Synapomorphie) ist, die von der der Schimpansen und Gorillas abweicht. Entsprechend kann man annehmen, dass der gemeinsame Vorfahr von Gorilla, Schimpanse und Bonobo einen schimpansen-artigen Schädel hatte.)

Einen Hinweis darauf gibt die Tatsache, dass Bonobos auch in freier Wildbahn weniger stark um Futter konkurrieren und dass gerade Bonobo-Weibchen häufig gemeinsam auf Nahrungssuche gehen, während Schimpansen-Weibchen oft allein unterwegs sind. Das könnte bedeuten, dass im Lebensraum der Bonobos südlich des Kongo mehr Nahrung für die Bonobos zur Verfügung steht, beispielsweise weil sie nicht in Futterkonkurrenz mit Gorillas stehen und so mehr bodenwachsende Pflanzen zur Verfügung haben.

Man kann sich damit folgendes Szenario ausmalen: Durch das bessere Nahrungsangebot ist es für Bonobo-Weibchen günstig, sich in innerhalb einer Gruppe zu Trupps zusammenzuschließen, die über längere Zeit stabil bleiben (während Schimpansen oft nur für kurze Zeit Trupps bilden, die auch meist kleiner sind). Dadurch konnten sich Bonobo-Weibchen gegenseitig besser unterstützen, wenn beispielsweise eines von ihnen von einem Männchen angegriffen oder bedrängt wurde. Für die Männchen war es deshalb evolutionär günstiger, nicht zu aggressiv gegenüber den Weibchen zu sein. Man hat Bonobo-Weibchen beobachtet, die in der Gruppe ein Männchen getötet haben, das dürfte der evolutionären Fitness des Männchens sicher geschadet haben. (Soviel dann auch zur absolut friedlichen Bonobo-Gesellschaft - Tiere zu idealisieren ist selten hilfreich.)

Umgekehrt wurden Männchen, die weniger aggressiv und eher spielerisch waren, von den Bonobo-Weibchen eher geduldet und konnten so ihre Fitness steigern. Insgesamt könnte das zu einer Selektion auf weniger Aggression bei den Männchen geführt haben. (Bei Säugetieren sind es ja meist die Männchen, an denen die Selektion stärker zuschlägt - nahezu jedes erwachsene Weibchen bekommt eine Chance auf Nachwuchs (ja, es gibt Ausnahmen), aber bei weitem nicht jedes erwachsene Männchen.) Der Effekt könnte sich dann selbst verstärkt haben - in einer weniger aggressiven Gesellschaft fällt auch leicht aggressives Verhalten stark auf und kann zu einem Nachteil werden. Diese Rückkopplung könnte dann zu einer sehr aggressionsarmen Kultur geführt haben.

Zugegebenermaßen ist das natürlich nur ein Szenario, keine bewiesene Theorie. Trotzdem ist es durchaus plausibel und gerade wegen seiner Analogie zur Haustierwerdung interessant - auch da dürfte es ja so gewesen sein, dass zunächst Wölfe dann in der Nähe von Menschengesellschaften geduldet wurden, wenn sie sich möglichst friedlich verhielten, und dass Wölfe, die weniger Angst vor Menschen hatten, mehr Möglichkeiten hatten, sich von Nahrungsresten der Menschen zu ernähren.

So weit, so interessant. Ob es jetzt aber sinnvoll ist, daraus Lektionen für unsere Gesellschaft abzuleiten (sei es jetzt über die Überlegenheit eines Matriarchats oder den positiven Einfluss von "freier Liebe"), scheint mir sehr fraglich. Zunächst sind diese Bilder der Bonobo-Gesellschaft ja meist etwas arg idealisiert. Wichtiger ist aber, dass das Szenario evolutionär ist und auf echten physiologischen Veränderungen beruht. Bonobos sind nicht einfach Schimpansen, die eines Tages beschlossen haben, firedlich zusammenzuleben. Wenn wir uns (oder unsere Kinder) nicht alle gen-manipulieren lassen wollen, haben wir wohl schlechte Karten, das einfach nachzuvollziehen (mal ganz davon abgesehen, dass ein verringertes Volumen des Gehirns auch nicht soo erstrebenswert erscheint). Die Tatsache, dass wir trotz der Vielzahl menschlicher Gesellschaften keine kennen, die der der Bonobos wirklich ähnelt, spricht auch nicht gerade dafür, dass die Bonobo-Gesellschaft wirklich für uns geeignet ist.

Und schließlich sind wir Menschen evolutionär Experten für Kultur geworden - wir müssen nicht mehr auf Gen-Veränderungen warten, wenn wir unsere Gesellschaft ändern wollen, sondern können das direkt entscheiden. Die Frauenbewegung oder die Abschaffung der Sklaverei verdanken wir nicht der biologischen, sondern der kulturellen Evolution. Und wenn jeder von uns sich bemüht, dann können wir vielleicht direkt eine Gesellschaft schaffen, die die der Bonobos an Friedfertigkeit noch in den Schatten stellt, ohne dass wir auf die Evolution warten müssen.

Schon Charles Darwin hat sich über die Haustiere gewundert, die wir Menschen halten. Wölfe, Schweine, Katzen und Pferde sind alle nicht besonders eng miteinander verwandt. Doch als Haustiere haben sie viele gemeinsame Merkmale: Sie können gescheckt sein (was es in der Natur so nicht gibt), haben oft verkürzte, kindhafte Schädel; sowohl Hunde als auch Schweine können gerollte Schwänze haben; auch verkürzte Schwänze kommen bei verschiedenen Haustierarten vor, ebenso herabhängende Ohren oder ein gewelltes oder lockiges Fell. Ist das nur Zufall? Oder gibt es dafür einen tieferen Grund?

Der beste Weg, um dies herauszufinden, besteht vermutlich darin, eine andere Tierart zu zähmen, um zu sehen, was in diesem Fall passiert.

Ein solches Experiment läuft seit mehr als 50 Jahren in Russland (bzw. damals der Sowjetunion). 1959 begann Dmitrij Belyaev damit, Füchse zu Haustieren zu machen. Hier seht ihr ihn zusammen mit seinen Füchsen:

Seine Methode war allerdings weniger poetisch als die des Kleinen Prinzen. Er begann mit 30 männlichen und 100 weiblichen Silberfüchsen, die von einer Fuchsfarm stammten und deswegen schon ein wenig zahmer waren als ihre wilden Verwandten - beispielsweise waren sie, da sie von einer Farm kamen, in der sie wegen ihres Fells gezüchtet wurden, bereits an Käfighaltung gewöhnt und auch weniger aggressiv als wildlebende Füchse.

Diese Füchse wurden nun einem aufwändigen Selektionsprozess unterzogen. Dazu wurde ihre Aggressivität getestet. Die Füchse werden in drei Klassen unterteilt: Füchse der Klasse III lassen sich nicht streicheln oder berühren, sondern wehren sich durch Bisse oder laufen weg, siehe das Bild rechts.

Füchse der Klasse II lassen sich zwar streicheln, reagieren aber nicht (wie beispielsweise Hunde) freundlich auf den Experimentator, sondern sind eher ängstlich:

Füchse der Klasse I reagieren freundlich, winseln oder wedeln mit dem Schwanz und lassen sich streicheln:

Im Laufe der Zeit wurde, weil die Füchse immer zahmer wurden, noch eine vierte Klasse IE eingeführt - diese Füchse suchen aktiv den Kontakt zum Menschen und versuchen, Aufmerksamkeit durch Winseln zu erregen.

In jeder Generation wurden nur die freundlichsten Füchse zur Fortpflanzung in die nächste Generation zugelassen - nur etwa 5% der Männchen und 20% der Weibchen dürfen ihre Gene an die nächste Generation weitergeben.

Anfangs gehörte kein einziger Fuchs der Klasse IE an, nach 10 Generationen waren es bereits 18%, nach 20 Generationen 35%. Heute sind einige der Füchse so zahm, dass sie als Haustiere gehalten werden können, und die meisten Füchse suchen aktiv den Kontakt zum Menschen.

Da die Füchse außer während der kurzen Experimentierphasen keinen Kontakt zu Menschen hatten, sondern in Käfigen gehalten wurden, kann man daraus bereits schließen, dass die Zahmheit der Füchse vererbt werden kann. Erstaunlich ist aber, wie schnell diese Veränderung vor sich ging - 50 Jahre sind auf der evolutionären Zeitskala ja nahezu nichts. (Dazu muss man aber natürlich sagen, dass der Selektionsdruck auch enorm hoch war.)

Auch physisch haben sich die Füchse deutlich verändert - bereits nach 10 Generationen zeigten sich Varianten in der Fellfärbung. Hier zum Beispiel ein Fuchs mit einem hellen Fleck und einem Muster auf dem Rücken:

(Diese und andere Veränderungen sind nicht einfach auf den fehlenden Selektionsdruck für die Fellfarbe zurückzuführen, denn sie zeigen sich nicht - bzw. wesentlich seltener - bei einer Kontrollgruppe, die nicht auf Zahmheit selektiert wurde.) Kurz darauf zeigten sich hängende Ohren und gerollte Schwänze, wie man sie auch bei vielen Hunden findet. Hier ein Welpe mit Hängeohren:

Nach 20 Generationen fanden sich Füchse mit verkürzten Schwänzen und auch einige mit einem Über- oder Unterbiss; ebenfalls Merkmale, die man von vielen Haustieren kennt. Alle diese Veränderungen sind zwar selten, aber eben doch signifikant häufiger als bei der Kontrollgruppe.

Auch im Verhalten gibt es deutliche Unterschiede - die Füchse reagieren früher auf Geräusche als es die Welpen der Kontrollgruppe tun und sie reagieren erst nach 9 statt 6 Wochen mit typischen Angstreflexen auf ungewohnte Einflüsse. Insgesamt wird so das Zeitfenster, in dem die Füchse als Jungtiere für soziale Kontakte offen sind, deutlich vergrößert.

Diese Veränderungen korrelieren mit einer Änderung des Hormonhaushalts. Wenn Fuchswelpen älter werden, dann steigt ihr Corticosteroidspiegel - diese Hormone sind für aggressives Verhalten mitverantwortlich. Bei den gezähmten Füchsen findet dieser Anstieg deutlich verzögert statt. Auch bei erwachsenen Füchsen ist der Gehalt an diesen Hormonen kleiner als bei den nicht gezähmten Verwandten.

Die Selektion auf zahmes Verhalten hat also vermutlich zunächst einmal den Hormonhaushalt verändert. Die Tatsache, dass damit ähnliche physische Veränderungen einher gehen, wie wir sie auch an unseren gewöhnlichen Haustieren beobachten, spricht dafür, dass entweder diese Hormone direkt für diese Entwicklungen verantwortlich sind oder dass sie genetisch aneinander gekoppelt sind (beispielsweise über Steuergene). Es ist also kein Zufall, dass unsere Haustiere einander ähneln, sondern hat biologische Ursachen.

Auch wenn wir natürlich nie genau wissen werden, wie der Wolf zum Hund wurde, so geben diese Experimente doch eine gute Idee davon, wie sich Säugetiere verändern, wenn sie einem Selektionsdruck hin zu weniger Aggression unterliegen.

Es ist sogar möglich, dass ähnliche Evolutionsprozesse auch bei Wildtieren auftreten, die nie in Kontakt mit Menschen stehen. Aber dazu schreibe ich demnächst etwas mehr - solange könnt ihr ja fröhlich spekulieren, welche Tierart hier gemeint ist.

Schöne Bilder und schlecht aufgelöste Videos gibt es auch hier.

Roger Penrose ist einer der brillantesten Physiker unserer Zeit - daran besteht sicher kein Zweifel. Sein Buch "Road to Reality", in dem er die gesamte theoretische Physik (auf sehr hohem mathematischen Niveau - lasst euch bloß nicht von der Einleitung täuschen, in der er behauptet, jeder, der Bruchrechnung verstehen könne, könne die Mathematik in seinem Buch nachvollziehen) abhandelt, ist inzwischen wohl schon ein Klassiker, der insbesondere von Physik-Studis gern gelesen wird. (Falls jemand eine funktionierende Zeitmaschine hat, kann er oder sie mir bitte eine Kopie ins Jahr 1987 zurückschicken?)

Seine Ideen sind immer originell, allerdings auch oft sehr spekulativ. Auf jeden Fall lohnt es sich, mal einen Blick in sein neues Werk "Cycles of Time" zu werfen - und das habe ich in meinem Urlaub getan.

Der Ausgangspunkt des Buches ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: Die Entropie im Universum nimmt immer weiter zu. Die Entropie ist eine zentrale Größe der Physik - grob gesagt gibt sie an, wie viele Möglichkeiten es gibt, einen bestimmten Zustand eines Systems zu relaisieren. Beispielsweise ist die Entropie in einem idealen Gas, in dem die Moleküle nicht miteinander wechselwirken, dann am höchsten, wenn die Gasmolekül sich möglichst gleichmäßig ausbreiten. Das ist letztlich eine Frage der Statistik: Wenn die Gasmoleküle alle zufällig durcheinanderfliegen, dann gibt es eben viel mehr Möglichkeiten dafür, dass sie sich gleichmäßig verteilen als dafür, dass sie sich zum Beispiel alle in einer Ecke ansammeln. (Eine ausführliche Erklärung der Entropie findet ihr übrigens, wenn ihr oben auf Artikelserien klickt.)

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt genau das: Die Entropie in einem abgeschlossenen System (wie dem Universum) nimmt immer weiter zu, weil es von einem unwahrscheinlichen Anfangszustand zu einem wahrscheinlicheren Endzustand getrieben wird.

Penrose sieht hier allerdings ein Problem: Direkt nach dem Urknall war das gesamte Universum sehr gleichmäßig von Teilchen bzw. Strahlung erfüllt. Eigentlich sollte das dann doch ein Zustand mit sehr hoher Entropie sein, weil er eben sehr gleichmäßig ist. Wenn das so ist, wie kommt es dann, dass die Entropie im Universum noch weiter steigen konnte und sich dabei Strukturen wie Sterne bilden konnten, die den Raum ungleichmäßig ausfüllen?

Penrose argumentiert, dass der Grund dafür die Gravitation ist - wenn Materie sich verklumpt, dann steigt dabei die Entropie wegen der Gravitation. Penrose nimmt an, dass das Gravitationsfeld (besser gesagt, die Raumkrümmung (ratet mal, wo ihr klicken müsst, wenn ihr eine Serie über die Raumkrümmung lesen wollt...)) selbst eine gewisse Entropie enthält. Er macht dies an dem bekannten Phänomen der Entropie schwarzer Löcher fest.

Schwarze Löcher sind vermutlich jedem irgendwie ein Begriff: Sie entstehen, wenn man Materie so stark zusammenballt, dass das Schwerefeld an der Oberfläche des Materieklumpens so stark wird, dass nicht mal Licht mehr diesem Schwerefeld entkommen kann. In der Nähe des Schwarzen Loches ist deshalb das Schwerefeld typischerweise sehr stark (aber trotzdem sind Schwarze Löcher keine Staubsauger). Dank der Überlegungen von Steven Hawking (und vor ihm Jakob Bekenstein) weiß man, dass Schwarze Löcher trotzdem nicht vollkommen schwarz sind - sie strahlen auf Grund eines komplizierten Quanteneffekts Licht aus, allerdings typischerweise extrem wenig (je größer das Schwarze Loch, desto weniger Licht sendet es aus). Man kann ihnen deswegen eine Temperatur und damit auch eine Entropie zuordnen, und die Entropie eines Schwarzen Lochs ist extrem groß.

Penrose argumentiert deshalb, dass bei der Verklumpung der Materie nach dem Urknall (wo sich ja zum Beispiel die Galaxienkerne mit ihren riesigen Schwarzen Löcher gebildet haben) die Entropie zugenommen hat und dass dies letztlich der Grund dafür ist, dass wir im Universum überall eine Zunahme der Entropie beobachten.

Bereits an dieser Stelle bin ich nicht überzeugt - vielleicht habe ich das Argument nicht gut genug verstanden und es gibt noch einen subtilen Aspekt, den ich nicht sehe. Ich habe jedenfalls hier folgendes Problem: Nehmen wir wieder unser Gas in einem Behälter. Jetzt fügen wir irgendeine beliebige Anziehungskraft zwischen den Molekülen hinzu. Das muss nicht die Gravitation sein sondern kann zum Beispiel auch die aus der Chemie bekannte van-der-Waals-Kraft sein. Wenn die Temperatur unseres Gases niedrig genug ist, dann werden sich die Gasmoleküle jetzt ebenfalls verklumpen und zu einem Festkörper (oder einer Flüssigkeit) werden. Dabei wird Energie freigesetzt, die beispielsweise in Form von Wärmestrahlung abgegeben wird.

Auch wenn wir Materie mit Hilfe der Schwerkraft verklumpen, passiert ähnliches: Wenn ein Meteor auf die Erde stört, wird dabei Energie freigesetzt, die zum Teil als Wärme abgestrahlt wird und zum Teil das Material der Erde aufheizt. Dabei steigt die Entropie ebenfalls, ohne dass wir eine zusätzliche Entropiezunahme durch die Raumkrümmung brauchen. Mir ist deshalb nicht so recht klar, warum Penrose die Entropiezunahme in diesem Fall unbedingt auf die Schwerkraft zurückführen will.

Was aber unbestritten ist (und deswegen ist dieses Problem auch nicht zentral für Penroses Thesen) ist, dass schwarze Löcher eine sehr hohe Entropie haben. Tatsächlich rechnet Penrose vor, dass gegenwärtig der größte Teil der Entropie des Universums in schwarzen Löchern steckt.

Und jetzt denken wir uns einen kleinen Sprung in die Zukunft des Universums, so in etwa 10³⁰ Jahre oder so (ja, das ist eine seeeehr lange Zeit in der Zukunft). Zu dieser Zeit wird vermutlich der größte Teil der Materie des Universums in Schwarzen Löchern konzentriert sein - einfach weil jedes Teilchen früher oder später mal "Pech" hat und in ein schwarzes Loch stürzt. (Ich merke gerade, dass ich mich nie einigen kann, ob man Schwarzes Loch nun groß oder klein schreibt, ich hoffe, das stört niemanden.) Entsprechend wird dann die Entropie sehr hoch sein, passend zum 2. Hauptsatz.

Der Einfachheit halber nehmen wir erst mal an, dass alle Materie zu irgendeiner Zeit in Schwarzen Löchern konzentriert ist. Das Universum ist dann nur noch mit Strahlung und mit schwarzen Löchern ausgefüllt. Jetzt warten wir noch eine Weile, vielleicht so 10¹⁰⁰ Jahre. (Und ja, das ist noch unglaublich gigantisch viel länger als die 10³⁰ Jahre von eben.) Weil schwarze Löcher ja Energie abstrahlen, werden sie irgendwann zerfallen - das dauert bei großen schwarzen Löchern seeehr lange, deswegen der Exponent 100 bei der Jahreszahl. Die schwarzen Löcher strahlen ihre Masse aber schließlich in Form von Photonen (also elektromagnetischer Strahlung) ab.

Hier sieht Penrose ein Problem in der gegenwärtigen Physik: Es geht um die berühmte Frage, was passiert, wenn man Information in ein schwarzes Loch wirft. Nach den normalen Regeln der Quantenmechanik kann diese Information nicht verloren gehen, sondern muss in irgendeiner Form erhalten bleiben. Sie müsste deshalb auch in der Strahlung des Schwarzen Lochs wiederzufinden sein. (Zu dieser Frage gibt es das schöne Buch "The Black Hole War" von Leonhard Susskind - auch sehr empfehlenswert, auch wenn es für meinen Geschmack zu viel Stringtheorie enthält, die mag ich ja nicht so.) Dass das so ist, wird inzwischen wohl von den meisten PhysikerInnen so gesehen.

Allerdings gibt es ein kleines Problem dabei: Hawkings Beweis, dass Schwarze Löcher strahlen, zeigt, dass sie thermisch strahlen, das Spektrum ihrer Strahlungsverteilung ist also das eines normalen heißen Körpers. Deswegen hat diese Strahlung dann auch eine hohe Entropie (da das schwarze Loch vorher eine hohe Entropie hatte, muss das auch für die Strahlung gelten, sonst wäre der zweite Hauptsatz wieder verletzt). Auf der anderen Seite muss die thermische Strahlung aber die in das schwarze Loch gefallene Information enthalten. Da das Informationsproblem wie gesagt durch die Quantenmechanik zu Stande kommt, kann man postulieren, dass es subtile Quantenverschränkungen zwischen den Photonen gibt, die die Information enthalten und dass die Photonen trotzdem noch eine hohe Entropie haben. Ein bisschen unbefriedigend und künstlich wirkt diese Erklärung aber schon.

Penrose löst das Problem auf eine ganz einfache Weise: Er geht davon aus, dass tatsächlich Information verloren geht, wenn Materie in ein schwarzes Loch fällt. Die Information, die in dem Quantenzustand steckt, wird reduziert, weil das Fallen in ein schwarzes Loch einen echten quantenmechanischen Messprozess darstellt. Das ist eine von Penroses Lieblingsideen, mit der er schon vor knapp 25 Jahren in seinem Buch "The Emperors New Mind" argumentiert hat: Ein quantenmechanischer Messprozess findet statt, wenn ein Quantenzustand mit einem Gravitationsfeld wechselwirkt. (Eine Erklärung dieses Messproblems findet ihr in diesem Text oder auch im letzten Teil meiner Artikelserie über die Schrödingergleichung (und inzwischen wisst ihr ja, wo ihr meine Artikelserien findet, oder?))

Experimentell ist diese Idee, dass die Wechselwirkung mit einem Schwerefeld einen Messprozess darstellt, bisher nicht bestätigt worden - in ihrer ersten und einfachsten Form ist sie inzwischen sogar widerlegt, aber es gibt hier sehr viele Freiheiten, so dass man die Idee nicht abschreiben sollte.

Wenn Penrose also recht hat und beim Fall von Materie in ein schwarzes Loch tatsächlich Information verloren geht, dann ist die Strahlung, die das schwarze Loch hinterher aussendet, echte thermische Strahlung. Wir haben dann in ferner Zukunft des Universums wieder einen Zustand ähnlich wie am Anfang - das Universum ist wieder gleichmäßig mit Strahlung erfüllt.

In sehr ferner Zukunft sieht das Universum also so aus, dass es mit elektromagnetischer Strahlung erfüllt ist und sich ansonsten immer noch (wegen der dunklen Energie, die ja die Expansion des Universums vorantreibt) ausdehnt.

Und jetzt greift Penrose ganz tief in die Trickkiste der Mathematik und Physik. Ein anderes seiner Lieblingsthemen ist die sogenannte "konforme Geometrie". Die Details dieser Geometrie sind für die Grundidee nicht so wichtig. Wichtig ist hier nur eins: Ein Universum, in dem es nur Strahlung gibt und sonst gar nichts, hat keine wohldefinierte Längen- oder Zeitskala. Denn um den Abstand zweier Ereignisse in der Raumzeit zu messen, bräuchte man entweder eine Uhr (dann kann man Lichtsignale austauschen und deren Laufzeit messen) oder einen festen Maßstab - der müsste aber aus Materie sein. Wenn es nur Strahlung gibt, dann gibt es letztlich keine Möglichkeit, eine Längenskala in der Raumzeit festzulegen; würde jemand das Universum in jeder Richtung um einen Faktor 2 vergrößern (und auch den Zeitablauf entsprechend verändern) wäre das nicht nachweisbar. Mathematisch lässt sich das eben über eine "konforme Geometrie" beschreiben, aber ich gebe zu dass ich hier nicht tief genug drin stecke, um das in allen Einzelheiten erklären zu können. Ich hoffe, die Erklärung hier stimmt halbwegs.

Aber jetzt kommt der ziemlich raffinierte Kunstgriff: Wir haben jetzt ein Universum, dass mit Strahlung erfüllt ist und sich ausdehnt - und dieses Universum sieht jetzt auf jeder Längenskala gleich aus. Erinnert euch das an etwas? Ein rein mit Strahlung erfülltes Universum hatten wir schon einmal - nämlich beim Urknall. Wäre es also möglich, dass am Ende unseres Universums die seltsame Skaleninvarianz der Raumzeit dazu führt, dass wir einen neuen Urknall bekommen?

Genau das ist die Idee des zyklischen Universums. Am Ende eines Universums beginnt ein neuer Urknall. Das Universum wäre dann ewig, würde sich aber immer wieder zyklisch von einem Urknall zum nächsten erneuern.

Dieses Modell hat zumindest einen großen Charme: Es erklärt das Horizontproblem.

Das Horizontproblem ist eins der Grundprobleme der Kosmologie: Beobachtet man die kosmische Hintergrundstrahlung, die ja ein Überbleibsel der Zeit kurz nach dem Urknall ist, dann sieht man so ein Bild:

Was ihr hier seht sind die Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung - es gibt Bereiche, die geringfügig wärmer oder kälter sind als der Durchschnitt. Diese Bereiche sind zum Teil recht groß, und das ist ein Problem, denn die Strahlung von zwei Punkten in so einem großen Bereich wurde zu einer Zeit ausgesandt, die so kurz nach dem Urknall lag, dass die entsprechende Punkte im Universum überhaupt keine Signale miteinander hätten austauschen können - es ist also eigentlich unmöglich, dass solche Punkte miteinander korreliert sind.

Die Standarderklärung der Kosmologie hierfür ist die Inflation - kurz nach dem Urknall hat sich das Universum für einen kurzen Zeitraum extrem schnell ausgedehnt, so schnell, dass Korrelationen auch zwischen weiter entfernten Punkten möglich wurden.

In Penroses Modell aber wird die Inflation nicht gebraucht - hier können die Korrelationen einfach Überbleibsel aus dem "vorigen" Universum, also aus der Zeit vor dem Urknall sein. (Wobei ich - vermutlich mangels Verständnisses der konformen Struktur - nicht so ganz verstehe, was beim Übergang von einem Universum zum nächsten nun die Größe dieser Korrelationen bestimmt, wenn das Universum skaleninvariant ist.) Penrose überlegt sogar, ob man nicht in den Daten der Hintergrundstrahlung Hinweise auf sein Modell finden kann - beispielsweise auf Korrelationen, die durch die Kollision von schwarzen Löchern im Vorgängeruniversum zu Stande kamen. Erste Untersuchungen haben solche Effekte allerdings nicht nachweisen können (es gibt Hinweise, aber keine, die wirklich überzeugend sind), aber hier stehen genauere Analysen wohl noch aus.

Das Modell des zyklischen Universums (kurz CCC=conformal cyclic cosmology) hat allerdings einen Haken: Damit das mit der konformen Geometrie klappt, muss die gesamte Energie des Universums in Form von Strahlung vorliegen - ein einziges massives Teilchen würde quasi als "Uhr" wirken können (weil die Ruhemasse des Teilchens einer Energie und die wiederum einer Frequenz entspricht) und würde damit die konforme Struktur zerstören.

Penrose argumentiert, dass es möglich sein könnte, dass massive Teilchen wie Elektronen ihre Masse verlieren - vielleicht, weil die Kopplung an das Higgsfeld, die den Teilchen ihre Masse verleiht, in ferner Zukunft verschwindet. Ich finde das allerdings ehrlich gesagt wenig überzeugend. Zum einen gibt es darauf keinen Hinweis. Zum zweiten bräuchte man dann, wenn ich es richtig sehe, einen Mechanismus, der es dem nächsten Zyklus wieder ermöglicht, mit massiven Teilchen zu starten. Und zum dritten beziehen Teilchen wie Protonen ihre Masse größtenteils nicht direkt aus den Quarks, sondern aus der Bindungsenergie zwischen den Quarks. Wir brauchen also zusätzlich auch noch einen Mechanismus, der das Proton instabil macht und es dauerhaft verhindert, dass Quarks (auch masselose) sich wieder verbinden.

Dieses Problem ist sicher der größte Schwachpunkt der Idee, so interessant sie ansonsten auch sein mag.

Für mich hat die Idee aber noch ein anderes Problem - das allerdings eher psychologischer Natur ist und deswegen nicht zu ernst genommen werden sollte. Wenn man mich (nach Lektüre von Penroses anderen Büchern) gefragt hätte, welche Ideen in Physik und Mathematik meiner Ansicht nach Penrose besonders faszinierend findet, dann hätte meine Liste vermutlich so ausgesehen:
1. Die komplexen Zahlen und die Riemannsche Zahlenkugel;
2. Die konforme Geometrie:
3. Der mögliche Zusammenhang zwischen Entropie und Gravitation;
4. Die Wechselwirkung mit einem Gravitationsfeld als quantenmechanischen Messprozess.

Abgesehen von Punkt 1 (der in jeder physikalischen Theorie irgendwie drinsteckt, komplexe Zahlen sind in der Quantenmechanik überall) sind die anderen drei Ideen alle direkt zentrale Bestandteile von Penroses CCC-Modell. Und das kann einen schon ein wenig stutzig machen - das Modell ist sozusagen genau auf Penrose und seine Denkwelt zugeschnitten und ist vermutlich eins, das wirklich nur jemand mit genau dieser Kombination von Faszinosa erstellen konnte. Natürlich ist das kein echtes Argument gegen das Modell (das sollte bitte aus der Physik kommen), aber es erklärt vielleicht schon, warum das Modell gerade so aussieht und nicht anders. Das wirft dann nebenbei die Frage auf, ob es tatsächlich - genügend Genialität (die wird Penrose niemand absprechen wollen) vorausgesetzt - möglich ist, zwei oder drei beliebige Ideen aus dem Bereich der Physik und Mathematik zu verbinden, um damit ein Modell des Universums vor dem Urknall zu erhalten. Am Ende ist die Physik eben doch eine empirische Wissenschaft, und die Zeit vor dem Urknall ist verdammt schwer zu untersuchen, so dass viele Spekulationen möglich sind.

Trotzdem ist es schon eine raffinierte und faszinierende Idee - ein unendliches Universum, das sich durch periodische Urknälle (Urknalls? Urknaller??) immer wieder selbst erneuert.

Falls ihr nun wissen wollt, ob sich das Buch zu lesen lohnt - mein Fazit ist gemischt. Einige Abschnitte sind brillant (beispielsweise die Erklärungen zur Entropie, die man aber so ähnlich auch in Penroses anderen Büchern findet), andere Teile des Buches sind aber schwer zu verstehen (auch nach mehrmaligem Lesen habe ich nicht wirklich verstanden, wie diese vertrackten konformen Raumzeitdiagramm zu lesen sind). Der Haupttext ist - mit einigen Ausnahmen - nicht so schrecklich mathematisch, enthält aber schon einige Formeln (auch wenn der Klappentext etwas anderes behauptet). Generell ist das Buch aber gut zu lesen und sicherlich interessant - ich glaube aber, dass man schon eine gewisse physikalische Vorbildung braucht, um die zentralen Ideen zu verstehen (und bin mir nicht mal 100% sicher, dass meine Erklärungen hier alle korrekt waren und ich nicht irgendetwas missverstanden habe).

Kalmare gehören ja zur Gruppe der Tintenfische. Hier ein Bild von Sthenoteutis pteropus (gefunden auf der hilfreichen tree-of-life-Seite)

Hier noch ein Bild eines Sthenotheutis, wobei allerdings die Art nicht angegeben ist:

S. pteropus (ich kürze den Gattungsnamen mal wieder ab, machen die schreibfaulen BiologInnen ja auch so) ist ein ziemlich kleiner Kalmar mit einer Körperlänge von nur 10-15 Zentimeter. Wie alle Kalmare schwimmt er, wenn er es eilig hat, mit einem "Düsenantrieb": Er saugt Wasser ein und stößt es dann wieder aus - das ist ja genau die Definition einer Düse. Auf diese Weise erreichen Kalmare dieser Größe eine Schwimm-Geschwindigkeit von etwa 1-2 Metern pro Sekunde (die Daten in der Veröffentlichung, die ich herangezogen habe, sind für die etwas größere Art Loligo opalescens), was schon ganz ordentlich ist.

Manchmal reicht diese Geschwindigkeit aber nicht - beispielsweise, wenn ein Fressfeind naht. Und dann können sich Kalmare wie S. pteropus dank eines gezielten Wasserstrahls aus dem Wasser herauskatapultieren und durch die Luft fliegen:

Diese fantastische Aufnahme gelang dem Amateurfotografen Bob Hulse in der Nähe von Brasilien. Er machte insgesamt 16 Aufnahmen mit seiner Spiegelreflexkamera (gut, dass er keine Kompaktknipse dabei hatte...) und stellte sie der Wissenschaft zur Verfügung.

Dass Kalmare fliegen können, weiß man schon länger - selbst Thor Heyerdahl hat auf dem Deck seiner Kon-Tiki fliegende Kalmare einsammeln können und er berichtete auch, dass Kalmare bis zu 50 Meter weit fliegen können. Aufnahmen sind aber sehr selten, und so bot sich hier die Gelegenheit, mehr über den Raketenflug der Kalmare herauszufinden.

Auf dem Bild oben könnt ihr deutlich sehen, dass die Kalmare auch in der Luft noch Wasser ausstoßen. Damit erzeugen sie entspechend zusätzlichen Vor- und Auftrieb. Die Flossen an der Seite wirken in der Luft wie Tragflächen und vergrößern so die Flugstrecke noch weiter.

Leider hatten die Kalmare keine Maßstabsbalken auf dem Rücken, so dass man nicht genau sagen kann, wie groß sie waren und wie weit sie geflogen sind, jedenfalls in absoluten Einheiten. Sie legten während des Fluges aber mehr als 10 Körperlängen zurück; bei einer geschätzten Größe von 10 Zentimetern also etwas mehr als einen Meter. Ihre Höchstgeschwindigkeit war mit etwa 3,5m/s ungefähr doppelt so hoch wie die Maximalgeschwindigkeit, die sie beim Schwimmen erzielen können - auf jeden Fall nützlich, um einem Räuber zu entkommen. Größere Kalmare erreichen sogar bis zu 7m/s Fluggeschwindigkeit.

Interessant ist die Frage, ob es wirklich nur die Flucht vor Räubern ist, die die Kalmare zum Fliegen veranlasst. Wegen des geringeren Widerstandes ist das Fliegen energetisch durchaus effizient - Delphine beispielsweise springen nicht nur zum Spaß ständig aus dem Wasser, sondern auch, weil sie so Energie sparen, denn gerade das Schwimmen dicht an der Wasseroberfläche verbraucht sehr viel Energie. Allerdings verbrauchen die Kalmare sehr viel Energie, um überhaupt in die Luft zu kommen, so dass diese Fortbewegungsart vermutlich insgesamt nicht hinreichend effizient ist.

Noch nicht. Denn man kann sich natürlich - mit einem Schuss Fantasie - ausmalen, dass sich das im Laufe der Evolution ändern könnte. Kalmare mit größeren Seitenflossen könnten mehr Auftrieb bekommen und könnten vielleicht sogar kurze Strecken dynamisch segeln, indem sie ähnlich wie ein Albatros den Wind an Wellenkämmen ausnutzen. Und mit etwas mehr Fantasie könnte man sich vorstellen, dass sie einen Saugmechanismus entwickeln, der es ihnen erlaubt, Wasser aufzunehmen, während sie über den Wellen dahingleiten. Und ein paar Dutzend Millionen Jahre später fliegen ihre Nachfolger dann durch Regenwolken, um sich dort mit Wasser zu versorgen und so ihre Raketen mit neuer Stützmasse zu laden, bevor sie weiter über die Kontinente fliegen und nichtsahnende Beutetiere mit ihren Tentakeln in die Luft zerren und sie mit ihrem scharfen Schnabel zerreißen. Wer weiß - vielleicht hält die Zukunft wirklich einen "Angriff der Raketenkalmare" bereit, die Evolution hat schließlich schon viele merkwürdige Lebewesen hervorgebracht.

"Jurisphagous" bedeutet genau das, was ihr nach dem Titel dieses Eintrags schon vermutet (naja, "to feed a T. rex" ist schon etwas doppeldeutig...). Und tatsächlich beginnt der kleine Artikel mit dem Satz

It is agreed by all living humans that the highlight of the movie Jurassic Park (Universal Studios, 1993) was the consumption of the lawyer by the true hero of the movie, Tyrannosaurus rex.
Alle lebenden Menschen stimmen darin überein, dass der Höhepunkt des Films Jurasic Park der Verzehr des Rechtsanwalts durch den wahren Helden des Films, Tyrannosaurus rex, war.

Witze über Rechtsanwälte haben in den USA ja Tradition (und dem Satz nach zu urteilen gehören sie auch nicht zur Gruppe der Menschen). Und so machen sich die Autoren jetzt auf, um zu berechnen, mit wie vielen Rechtsanwälten man einen Tyrannosaurus füttern müsste. Die Rechnung selbst verwendet Abschätzungen über den Energieverbrauch von Tieren - der steigt mit der Körpermasse, allerdings nicht ganz so stark, wie man vielleicht erwarten würde, sondern etwa mit einem Exponenten von 0.75 - ein Tier, das 1000mal schwerer ist als ein anderes, hat nur einen etwa 180mal höheren Energieverbrauch. Diesen Zusammenhang versucht man seit Jahrzehnten zu verstehen - so ganz klar ist aber nicht, woher er kommt (bei Gelegenheit schreibe ich mal was drüber).

Wesentlicher Einflussfaktor ist natürlich, ob T. rex "kalt-" oder (was wahrscheinlicher ist) "warmblütig" war - also seine Körperwärme selbst produzierte, denn das erhöht natürlich den Energieverbrauch. Ein kaltblütiger T. rex verbraucht etwa 73 Rechtsanwälte pro Jahr, ein warmblütiger immerhin 292, also etwa einen pro Tag. Entsprechend schließt der Artikel mit dem Satz

This is perhaps a good reason for hoping that dinosaurs will turn out to have been endotherms.
Das ist vermutlich ein guter Grund um zu hoffen, dass sich herausstellen wird, dass Dinosaurier warmblütig waren.

Auch wenn das Ganze ein bisschen albern ist, ist die Rechnung selbst eigentlich ganz interessant. Falls ihr euch die Details angucken wollt, findet ihr sie hier.

Werfen wir erst mal einen ganz kurzen Blick darauf, wie Muskeln überhaupt funktionieren. Muskeln (ich rede hier nur von Skelettmuskeln - es gibt auch andere, beispielsweise in unseren Blutgefäßen) bestehen aus langen Muskelzellen. Jede dieser Zellen wiederum besteht aus vielen hintereinandergeschalteten Bausteinen, den Sarkomeren. Hier mal ein Bild eines solchen Sarkomers:

Es hat an den beiden Enden Z-Linien, von denen die so genannten dünnen Filamente ausgehen. Zwischen den dünnen Filamenten liegen die (oh, Überraschung) dicken Filamente. Diese Filamente können sich gegeneinander verschieben, damit der Muskel kontrahiert. (Muskeln können ja nur Zugkräfte aufbringen und kontrahieren. Deswegen gibt es für fast jeden Muskel einen Gegenspieler, der für die Gegenbewegung zuständig ist - zu (fast) jedem Beugemuskel gehört ein Streckmuskel. (20 Hier-Wohnen-Drachen-Taler für jeden, der eine Ausnahme im Tierreich kennt, mir fallen zwei ein.))

Schaut man etwas genauer hin, dann sieht man die Hauptbestandteile des Sarkomers:

Die dünnen Filamente bestehen vor allem aus Actin, die dicken aus Myosin. Myosin ist der eigentliche Motor des Muskels: Die Myosin-Moleküle haben kleine Köpfe, die sich mit dem Actin verbinden können. (Dazu wird Kalzium benötigt) Dann wird ein ATP-Molekül (Adenosin-Triphosphat, gewissermaßen die Batterie der Zellen) zerlegt; dabei wird Energie frei, die den Bindungswinkel am Myosin umklappen lässt - es ruckt nach hinten und wie beim Tauziehen zieht es das Actin-Filament mit:

Zufuhr von neuem ATP löst die Bindung wieder und dann kann der Zyklus von neuem beginnen. Auch wenn ihr einen Muskel angespannt haltet, verbraucht er dennoch ständig Energie, weil sich die Bindungen eben immer wieder lösen und neu knüpfen müssen - ein bisschen so, als würde man beim Tauziehen verbieten, das Tau länger als für ein paar Sekunden festzuhalten, es muss immer wieder neu zugepackt und gezogen werden. (Wenn kein ATP mehr zugeführt wird, dann bleiben die Myosinköpfe im Eingriff - das passiert bei der Leichenstarre.)

Nach diesem kurzen Ausflug in die Funktion der Muskeln zurück zu ihrer Evolution. Hier seht ihr die Muskeln eines Fisches und einer Qualle im Mikroskop - so angefärbt, dass das Actin fluoresziert (ihr seht sehr schön die Bänder im Sarkomer):

Die Ähnlichkeit der beiden Bilder ist sehr groß, die Muskeln sind anscheinend ganz ähnlich aufgebaut. Schaut man sich an, wie Quallen und Fische evolutionär verbunden sind, dann wird deutlich, warum es plausibel erscheint, dass beide über evolutionär identische Muskeln verfügen:

Man sollte nach dieser Grafik annehmen, dass Muskeln sich beim gemeinsamen Vorfahren von Quallen und den "symmetrischen Tieren" (Bilateria) entwickelten. (Zu den Viechern rechts sage ich später noch etwas, die ignorieren wir mal kurz...)

Doch eine detaillierte Analyse der Gene, die für die einzelnen Moleküle im Muskel verantwortlich sind, zeigt ein anderes Bild. Wichtige Gene, wie etwa das für Titin (an das sind die Myosin-Moleküle gebunden, siehe das Bild oben), fehlen bei den Quallen völlig, und das Gen-Repertoir unterscheidet sich auch sonst drastisch zwischen Quallen und den Bilateria. Obwohl sich die Muskeln also sehr ähnlich sind, haben sie sich also vermutlich unabhängig entwickelt - markiert durch die Sternchen. (Ich muss hier leider gestehen, dass die Feinheiten des Nature-Papers an mir vorbeigegangen sind - es enthält ein bisschen zu viel genetischen Fachjargon.)

Diese unabhängige Entwicklung ist anscheinend ein besonders eindrucksvolles Beispiel für konvergente Evolution. Und wie es aussieht, ist das nicht nur zweimal, sondern sogar dreimal passiert, denn bei den (eben noch ignorierten) Kammquallen (Ctenophora) gibt es auch eine Art, die quergestreifte Skelettmuskeln hat. Eine solche Dreifach-Entwicklung erscheint schon ein bisschen unwahrscheinlich, oder?

Um diese Unwahrscheinlichkeit näher unter die Lupe zu nehmen, wurden auch andere Tiergruppen aus der Grafik oben, beispielsweise Schwämme, untersucht. Es zeigt sich, dass viele der Bestandteile von Skelettmuskeln (beispielsweise auch Actin und Myosin) auch zum Beispiel bei den Schwämmen und bei den "Choanozoa" (für die Gruppe kennt nicht mal Wikipedia nen deutschen Namen...) vorkommen.

Tiere waren also dadurch, dass viele der für den Muskelaufbau notwendigen Proteine schon existierten, sozusagen vorangepasst für die Entwicklung von Skelettmuskeln. Die Details unterschieden sich dann allerdings je nach Evolutionsprozess. Das macht zum einen plausibel, wie sich so ähnliche Strukturen mehrfach entwickeln konnten, zum anderen sollte man es letztlich auch erwarten - der Aufbau eines Muskels ist ziemlich komplex, wie ihr oben gesehen habt, und nach der Evolutionstheorie sollte es dann auch Vorstufen dazu geben, in denen zumindest einige der Bestandteile auftreten.

Noch etwas anderes ist bemerkenswert: Extrem ähnliche Strukturen, die man bisher auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgeführt hat, haben sich mehrfach unabhängig entwickelt. Wer weiß, für welche anderen Strukturen das noch zutreffen mag? Die Evolution mag noch einige Überraschungen bereithalten.

Andreas Hejnol
Muscle's dual origins
Nature, 487 (2012) S. 181

O.k., als typischer Scienceblog-Leser steht ihr vermutlich Büchern aus dem Bereich "Religion" oder "Spiritualität" mit viel Skepsis gegenüber. Und religiöse Autoritäten machen auf euch vermutlich wenig Eindruck. Dass der Autor Brad Warner "Dharma Transmission" erhalten hat, ihm also von einem buddhistischen Meister bestätigt wurde, dass er erleuchtet ist, findet ihr vermutlich eher albern als sinnvoll. Gut so - Brad Warner sieht das ähnlich:

For the record, I'll tell you I'm an ordained Buddhist priest who received Shiho, "Dharma Transmission," in an ancient line of Buddhist teachers. This is supposedly the symbolic recognition that I have "attained" the same enlightenment as the Buddha did some 2,500 years ago-- but if I were you I wouldn't put too much stock in that kind of thing. Guys who've received Dharma Transmission are a dime a dozen here in Japan these days, and there are hundreds of them in America and Europe as well. Big deal.

Und auch auf Religionen ist er nicht wirklich gut zu sprechen:

Religions... have never offered anything more to me than sophisticated methods of avoiding the truth, of building elaborate fantasies in place of reality. ... They serve up vapid platitudes in place of answers to the genuine and crucial questions that burn in our guts.

Selbst der Buddhismus bekommt in gewisser Weise sein Fett weg:

The fact is, it's hard to find a group of people who misunderstand Buddhism more thoroughly than Buddhist scholars.

Aha - es gibt also nur einen Guru, der den Durchblick hat, und der heißt Brad Warner? Eher nicht:

Question what you read and hear. ... And by all means, question this, too.

Gut, Brad Warner ist anscheinend nicht der Ansicht, er habe die Weisheit gepachtet (erleuchtet ist er nach eigenem Bekunden übrigens auch nicht, dazu gleich noch mehr). Trotzdem ist das Buch für jeden, der die Ideenwelt des zen kennenlernen will, auf jeden Fall empfehlenswert.

Warner erzählt aus seiner Lebensgeschichte - angefangen bei seiner Zeit als Punk-Rocker, seinem Weg nach Japan, wo er seinen Traumberuf antrat (als Mitarbeiter einer Firma, die Monster-Filme produziert) und seinen Erfahrungen mit dem Zen-Buddhismus.

Der Zen-Buddhismus zerfällt gewissermaßen in zwei Richtungen - es gibt den Rinzai-Zen, in dem beim Meditieren die berühmten "Koans" gelöst werden müssen. Ihr wisst schon: "Was ist der Klang einer klatschenden Hand?" "Zeige mir das Gesicht, das du hattest, bevor du geboren wurdest." - die bekannten seltsamen Zen-Sprüche eben. Wenn ihr euren Meister davon überzeugen könnt, dass ihr ein Koan "gelöst" habt (was immer das genau bedeuten soll), dann zeigt das, dass ihr ein Erleuchtungserlebnis hattet.

Einige Rinzai-Sekten gehen so weit, dass die Mönche sich für jedes gelöste Koan ein Symbol auf ihre Kleidung sticken dürfen, damit man gleich weiß, wer den Durchblick hat, aber das ist eher unüblich. Auch im Rinzai-Zen misst man Koans eigentlich nicht zuu viel Bedeutung bei - in einem der Bücher von Janwillem van de Wetering (der 18 Monate in einem Rinzai-Kloster lebte) heißt es "Koans sind wie Papiertaschentücher" - man nimmt sie, um den Kopf frei zu bekommen, dann wirft man sie weg. Trotzdem - im Rinzai macht man schon einiges Aufhebens um die "Erleuchtung", die durch das Lösen des Koans demonstriert wird.

Im Gegensatz dazu steht Soto-Zen (oder eben "Hardcore Zen"). Im Soto-Zen geht es beim Meditieren nur um eins: Richtig sitzen (Shikantaza). Man konzentriert sich nicht auf ein Koan oder auf sonst irgendetwas, sondern versucht, sich von allen Gedanken möglichst frei zu machen. Falls ihr mal versucht habt, gar nichts zu denken, merkt ihr, wie schwer das ist. Unser Geist ist ständig in Bewegung und ständig tauchen irgendwelche Gedanken von irgendwoher auf. (Wenn Daniel Dennett recht hat, ist das auch kein Wunder, denn unser Bewusstsein besteht dann aus einer Vielzahl von Agenten, die miteinander interagieren und konkurrieren, einer von denen ist immer aktiv.)

Das Meditieren im Soto-Zen ist der Versuch, den Geist so weit zur Ruhe zu bringen, dass alle diese Gedanken, die sich mit dem Gestern oder Morgen befassen, verschwinden, so dass der Blick auf die Gegenwart frei wird. Das ist die einzige Erleuchtung, die man hier im Angebot hat - und falls ihr erwartet, dass ihr, einmal erleuchtet, von nun an als erhabenes und abgeklärtes Wesen durch die Welt schreitet und Weisheiten aus eurem Mund perlen - vergesst es. Erstens ist auch das wieder nur eine Vorstellung, die sich auf eine Zukunft bezieht, die es nur in eurer Fantasie gibt - und zweitens ist euer "Ich" sowieso nur eine Fiktion.

Aber bevor ich jetzt noch eine endlose Abhandlung darüber schreibe, empfehle ich euch lieber das Buch von Brad Warner - erstens hat der mehr Durchblick als ich, und zweitens schreibt er auch noch wesentlich lustiger (das darf man von einem Buch mit Kapiteltiteln wie "No sex with cantaloupes" wohl auch erwarten). Ihr müsst ja nicht gleich zum Zen-Buddhismus übertreten (tue ich übrigens auch nicht).

Vielleicht nicht ganz so lang wie sonst gelegentlich, aber dafür thematisch abwechslungsreich - es geht um Muskeln, Raketentiere, Dinosaurier, und einen ungewöhnlichen Buchtipp gibt es auch noch.

Und falls ihr euch fragt, was ich im Urlaub so treibe - auch dieses Jahr geht es wieder auf den Ponyhof; aber auch dieses Jahr werde ich nicht reiten, sondern eher joggen, Bogenschießen, vielleicht ein wenig Billard spielen, Zeit mit der Familie verbringen und sicherlich eine Menge lesen. Wer weiß, wozu das führt - nach meinem letzten Sommerurlaub habe ich ja die endlose Quantenfeldtheorie-Serie angefangen (und mit der geht es auch bald weiter, versprochen).

Wundert euch also nicht, wenn ich auf Kommentare nicht immer gleich (oder auch gar nicht) antworte - vermutlich schaue ich alle paar Tage mal nach dem rechten, aber versprechen tue ich nichts, ich habe nämlich Urlaub...

So sieht ein Bild aus, das mit der Gigapixel-Kamera gemacht wurde (zum Vergrößern klicken):

Schon eine ziemlich beeindruckende Auflösung, oder? Normalerweise sieht man so ein unendliches Reinzoomen ja nur in schlechten Krimis, wo der Technik-Experte in der Reflektion der Hand des Schurken an der Glasscheibe des Cafe's gegenüber die Zigarettenmarke erkennen kann.

Um so ein Bild zu machen, braucht ihr allerdings eine etwas größere Kamera. So etwa sieht sie aus:

Etwas mehr erkennt man auf dieser Prinzipskizze:

Die Kamera hat vorn eine Linse (in Blau), die das Licht bündelt, wie sich das für eine Kamera gehört. Das Licht fällt aber nicht wie bei einer normalen Kamera direkt auf einen CCD-Chip, sondern fällt auf eine Ansammlung von 226 kleineren Kameras mit jeweils 14 Megapixel.

Die gesamte Auflösung der Kamera ist allerdings nicht 14 mal 226 Megapixel. Das verhindert die Wellennatur des Lichts - bei einer gegebenen Blendenöffnung gibt es eine minimale Auflösung; Punkte, die zu dicht beieinander liegen, können nicht mehr getrennt werden. Das ist ja auch einer der Gründe (neben der Lichtstärke) warum AstronomInnen immer so riesige Teleskope bauen.

Die kleineren Kameras haben auch noch einmal eine Linse. Ähnlich wie bei einem Fernrohr erzeugt die erste Linse ein Zwischenbild, das dann von den Linsen der Kameras aufgenommen wird:

(Bild von Wikipedia)

Links seht ihr die erste Linse, die bei Position (5) ein Bild erzeugt, das dann von der zweiten Linse noch einmal abgebildet wird (da wo das Auge ist, müsst ihr euch die Kamera-Sensoren dazudenken). Diese Anordnung ist für die Gigapixel-Kamera deswegen notwendig, weil sonst ja Lücken im Bild entstehen würden.

Falls ihr euch jetzt so eine Kamera zulegen wollt - sie ist leider etwas unhandlich mit einer Größe von 75cm x 75cm x 50cm. Den größten Teil davon nimmt allerdings die Kühlung ein, denn die Kamera produziert satte 430 Watt. Das optische System selbst ist dagegen vergleichsweise klein, die Linsenöffnung beträgt nur 16mm, die Kugelschale oben im Bild hat einen Radius von etwa 7cm. Es ist also denkbar, dass wir eines Tages alle mit solchen Kameras herumlaufen. Im paper steht dazu der schöne Satz

Ubiquitous gigapixel cameras may transform the central challenge of photography from the question of where to point the camera to that of how to mine the data.
Allgegenwärtige Gigapixel-Kameras transformieren die größte Herausforderung des Fotografierens von der Frage, worauf man die Kamera richtet, zu der Frage, wie man die Daten prozessiert.

So oder so - auf jeden Fall eine coole Erfindung.

Zugegeben, dieser Satz ist etwas plakativ, er beschreibt die Sache aber ganz gut. Vögel haben vergleichsweise kurze Schnauzen (moderne Vögel haben Schnäbel dran, aber viele Vögel der Kreidezeit hatten noch echte zahnbewehrte Schnauzen), einen relativ großen Hirnschädel und große Augen. Dinosaurier dagegen haben längere Schnauzen, kleinere Hirnschädel und Augen. Schaut man sich dagegen die Embryos oder Jungtiere von Dinos oder auch heutigen Krokodilen (die auch zur Gruppe der Archosaurier zählen) an, dann sehen die wesentlich vogelähnlicher aus. Dieses Bild hier zeigt das sehr schön:

In der linken Spalte seht ihr jeweils die Schädel von Embryos (oben) oder Jungtieren (mitte und unten), in der rechten Spalte die von erwachsenen Tieren. Oben seht ihr einen Alligator (und wer diesen Blog gaaanz aufmerksam liest, wird den Schädel rechts sicher wiedererkennen), in der Mitte Coelophysis, einen vergleichsweise urtümlichen Dinosaurier, und unten Archaeopteryx.

Gerade der Schädel des Alligator-Embryos sieht überhaupt nicht aus wie der eines Krokodils, sondern viel eher wie der eines Vogels. Das spricht schon sehr stark dafür, dass Vögel tatsächlich die Schädelform von Jungtieren auch als Erwachsene beibehalten.

So etwas (dass erwachsene Tiere die Eigenschaften von Jungtieren behalten) kommt im Tierreich öfters vor. Ein prominentes Beispiel ist der Axolotl, ein Amphibium, das das Larvenstadium nie beendet und einfach als Larve geschlechtsreif wird:

Ein anderes Beispiel ist (höchstwahrscheinlich jedenfalls) die Säugetierart Homo sapiens (im Volksmund auch "Mensch" genannt). Dieses schöne Bild hier

zeigt den Kopf eines jungen und eines erwachsenen Schimpansen - man erkennt deutlich, dass der junge Schimpanse sehr menschenähnlich aussieht. (Das Bild habe ich auf der Seite der AG Evolutionsbiologie gefunden - wie es aussieht eine gute Quelle zum Thema Evolution und Abwehr von kreationistischem Unfug.)

Dieses Phänomen, dass jugendliche Merkmale im erwachsenen Tier erhatlen bleiben, nennt man Neotenie oder Pädomorphose. (Frage an mitlesende BiologInnen: Gibt es eigentlich einen Unterschied zwischen Neotenie und Paedomorphose? Wikipedia behauptet, beides sei dasselbe.)

Auch bei den Vögeln scheint es also ähnlich zu sein. Um das ganze aber etwas genauer (und möglichst quantitativ) zu untersuchen, braucht man ein paar mehr Daten. Ein Team von Paläontologen hat deshalb Schädel von mehr als 30 unterschiedlichen Arten untersucht und detailliert vermessen. Dabei wurden auf den Schädeln Markierungspunkte festgelegt, die sich möglichst an allen Schädeln identifizieren ließen (Hier am Beispiel des Herrerasaurus):

Punkt 1 ist beispielsweise die Spitze des Oberkiefers (oder, wenn ihr's im Fachjargon hören wollt "Anterior end of premaxillary dental margin"), Punkt 21 ist der vorderste Punkt, an dem der Postorbitalknochen an der Augenhöhle sitzt ("Anterior margin of postorbital along orbital rim") und so weiter.

Diese Markierungspunkte würden für alle Schädel vermessen (ich schätze, dafür hat man Doktoranden eingespannt, für solche langweilig-nervigen Arbeiten sind die ja da (ich hoffe, hier liest keiner von meinen Doktoranden mit...)), so dass man für jeden Punkt jetzt Koordinaten hatte. Diese Koordinaten wurden dann verwendet, um herauszufinden, wie sich die einzelnen Schädel unterscheiden.

Dazu hat man die Methode der Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis) verwendet. Das ist ein Werkzeug aus der Statistik, mit dem man herausfinden kann, welche Größe die Streuung in einer Verteilung dominiert. Stellt euch beispielsweise vor, ihr habt zwei Größen gemessen, beispielsweise die Länge und das Gewicht unterschiedlicher Dinosaurier (das ist jetzt eine seeehr einfaches Beispiel). Ihr tragt diese Daten in einem Koordinatensystem auf:

Offensichtlich hängen Länge und Masse irgendwie zusammen (da wärt ihr jetzt ohne statistische Analyse sicher niemals drauf gekommen), aber es gibt Dinosaurier, die für ihre Länge vergleichsweise schwer sind (zum Beispiel ist Brachiosaurus mit fast 50 Tonnen etwas "zu kurz" ), umgekehrt sind einige Dinos für ihre Länge zu leicht (für Megalosaurus sind bei knapp 8Meter Länge nur 900kg Masse angegeben.). Nehmt die Werte hier nicht zu ernst, das ist hier kein wissenschaftliches Projekt zur Masse von Dinos sondern nur eine Illustration der Hauptkomponentenanalyse, die Massenwerte hier sind ohnehin eher fragwürdig, und sinnvoll wäre bei der Masse auch eine logarithmische Auftragung - es war einfach das erste Bespiel, das mir einfiel...

Ihr sucht jetzt in diesem Koordinatensystem eine Linie, die so verläuft, dass die Datenpunkte möglichst dicht an dieser Linie dran sind. Diese Linie verläuft dann schräg im Koordinatensystem, etwa so:

Hinweis: Ich hatte kein Statistikprogramm mit passender Funktion zur Verfügung und habe deswegen einen handelsübliche least-square-fit gemacht. Ich denke, da sollte in diesem Fall dasselbe rauskommen, aber es ist hier ja ohnehin nur eine Illustration des Verfahrens.

Länge und Masse sind beide Variablen, die die "Größe" eines Dinos beschreiben. Die beste Beschreibung der "Größe" eines Dinos bekommt man durch die schräg verlaufende Linie. Man könnte ein neues Koordinatensystem definieren, in dem die grüne Linie eine Achse kennzeichnet, die man "Größe" nennen würde. Die senkrecht dazu stehende Achse würde dann etwas über die Dino-Form aussagen - ein Diplodocus zum Beispiel ist sehr langhalsig und langschwänzig und liegt deswegen unterhalb der Achse, ein Apatosaurus ist kürzer als ein Diplodocus, aber deutlich massiver gebaut und liegt deshalb oberhalb; die zweite Achse wäre also vielleicht so etwas wie eine "Leichtbau"-Achse.

Das Verfahren funktioniert genau so, wenn ihr mehrere Messgrößen (und damit mehrere Achsen) habt, dann kann man es nur nicht mehr so leicht grafisch darstellen. In jedem Fall bekommt ihr die Hauptachsen heraus, und die erste Hauptachse ist diejenige, entlang derer die Werte am breitesten verteilt sind (die Datenpunkte liegen ja möglichst dicht an dieser Achse), sie ist also diejenige, die den größten Teil der Datenvariation erklärt.

Zurück zu unseren Dino- und Vogelschädeln. Für die vermessenen Schädel haben die Forscher auch eine Hauptkomponenten-Analyse gemacht. (Leider steht in der Arbeit nicht genau (oder ich habe es überlesen), wie die Daten eingefüttert wurden.) Mit 45 Messwerten ergeben sich natürlich auch 45 Komponenten, aber zwei dieser Komponenten sind die wichtigsten (die beiden Hauptkomponenten eben, deswegen heißt das Verfahren ja so). Diese beiden geben die Variation der Schädelform am besten wieder:

Wie es sich für eine Grafik in Nature gehört (viel Prestige, wenig Platz), ist die Grafik mit Informationen vollgepfropft (zum Vergrößern anklicken). Ihr könnt euch übrigens auf der Nature-Seite auch (frei verfügbar) eine zip-Datei herunterladen, in der eine Shockwave-Animation enthalten ist, die die Ergebnisse exzellent darstellt

Die beiden Achsen zeigen die Hauptkomponenten (PC1 und PC2). Die erste Hauptkomponente (horizontale Achse) gibt über 40% der Variationsbreite der Daten wieder. Links seht ihr langgestreckte Schädel mit kleinen, eher weit hinten liegenden Augen, rechts kurzschnäuzige Schädel mit großen Augen. Diese Achse ist damit charakteristisch für die ontogenetische Entwicklung, also die vom Jungtier zum Erwachsenen. Das erkennt man auch an den eingezeichneten Pfeilen, die jeweils von einem Jungtier zum ausgewachsenen Tier zeigen. (Die Pfeile verlaufen allerdings schräg, so dass PC1 nicht ganz exakt der Entwicklung entspricht.) Außerdem erkennt ihr, dass weiter links entlang dieser Achse die "echten" Dinosaurier sitzen, je weiter man nach rechts geht, um so weiter kommt man zu den Vögeln.

Besonders spannend ist der blaue Pfeil, der genau durch die Mitte des Koordinatensystems geht: Er verbindet den Alligatorembryo (in blau eingezeichnet) mit dem ausgewachsenen Alligator. Ihr seht, dass der Embryo in der Gruppe der urtümlichen Vögel wie Archaeopteryx und Confuciusornis liegt. Das spiegelt genau die Beobachtung wieder, die wir schon an dem Foto oben gemacht haben.

Eine Ausnahmeerscheinung sind übrigens die Oviraptoren - Dinosaurier mit ganz seltsamen Schädeln wie diesem hier:

Eine schöne Übersicht über die skurrilen Schädel der Oviraptoren findet ihr hier.
Die Oviraptoren-Schädel liegen ganz unten auf der PC2-Achse. Die PC2-Achse hängt mit der "Höhe" des Gesichts ("dorsoventral narrowing of the face") und auch mit der Größe des Hirnschädels zusammen (deswegen verlaufen die Pfeile für die ontogenetische Entwicklung auch nach links oben - Jungtiere haben vergleichsweise größere Hirnschädel).

Obwohl die Oviraptoren so seltsame Schädel haben, verzerrt ihre Anwesenheit die Analyse nur wenig - auch wenn man sie herauslässt, ergibt sich ein ähnliches Bild wie zuvor.

Um das Ergebnis der Analyse ganz deutlich zu machen, haben die Autoren dieses Bild hier gezeigt, das auch häufig im Internet zu sehen war:

Laut Bildunterschrift sieht man in grün den Schädel eines Alligatorembryos, links überlagert mit dem eines erwachsenen Alligators, rechts mit dem eines Confuciusornis. Das ist allerdings irreführend. Was ihr tatsächlich seht, sind nicht die Original-Schädel selbst (den Original-Alligator-Embryo-Schädel (tolles Wortungetüm) hatten wir ja oben auf dem Foto), sondern die Schädelformen, die sich ergeben, wenn man den Schädel nur an Hand der zwei Hauptkomponenten vergleicht. Man erzeugt also sozusagen erst einen "platonischen Idealschädel" (der in der Mitte des Hauptkomponentendiagramms liegt) und verzerrt diesen dann entsprechend. Die wahren Schädel von Alligator und Confuciusornis sehen schon anders aus, wie ihr auch oben sehen könnt. Das wurde leider häufig falsch dargestellt, konnte aber dank eines Blogposts von Mickey Mortimer mit Antwort der Autoren schließlich geklärt werden.

Wie genau die Evolution des Vogelschädels sich abspielte, zeigt diese Grafik:

Hier seht ihr die Entwicklung vom urtümlichen Archosaurier Euparkeria (der vermutlich dem Vorfahren aller Dinos einigermaßen ähnlich war) über die ersten Dinos wie Herrerasaurus und die ersten Vögel (Archaeopteryx) bis hin zu einem modernen Vogel (dem Emu Dromaius), wieder aufgetragen anhand der über die Markierungspunkte rekonstruierten Schädel. Das dahinterliegende Gitter zeigt, wie sich unterschiedliche Bereiche des Schädels verformt haben - diese Technik geht zurück auf den berühmten Biologen D'Arcy Wentworth Thompson, dessen Buch "On growth and form" ein echter Klassiker ist, der sich auch heute noch zu lesen lohnt, obwohl die erste Auflage schon knapp 100 Jahre alt ist.

Die in die Grafik eingezeichneten römischen Ziffern kennzeichnen jeweils Entwicklungsschritte, bei denen eine Neotenie beobachtet wird - im Diagramm passiert das immer dann, wenn der Pfeil nach rechts läuft.

Insgesamt zeigt sich also, dass Vogelschädel tatsächlich denen von jungen Dinosauriern ähneln. Ein wichtiger Grund dafür ist vermutlich (ähnlich wie eventuell auch beim Menschen) die Vergrößerung des Gehirns und auch des Auges.

Allerdings gibt es bei modernen Vögeln an einigen Stellen auch einen gegenteiligen Trend, eine Peramorphose, bei der ein vorhandener Trend in der Entwicklung vom jungen zu erwachsenen Tier verstärkt wird. (Das interessanteste - wenn auch fiktive - Beispiel dafür sind sicher die Pak-Protektoren aus dem Ringwelt-Universum.) Der Schnabel moderner Vögel ist beispielsweise wieder länger geworden (in der Grafik bei Schritt III zu sehen), was dem vorigen Trend widerspricht.

Obwohl die Schädel von Vögeln also viel mit Dinobabies gemeinsam haben, ist die tatsächliche Entwicklung natürlich komplizierter, als es der plakative Titel dieses Blogtextes (und des Originalpapers) vermuten lässt - das ist aber sicher nicht überraschend, die Evolution ist eben ein ziemlich komplexes Phänomen.

Um zu sehen, warum der Begriff problematisch ist, schauen wir als erstes mal auf den Quell allen Wissens

Dort lesen wir über die Masse:

"Zugleich bestimmt sie die Trägheit eines Körpers. Das heißt, sie ist als träge Masse ein Maß für seinen Widerstand gegen Änderungen seines Bewegungszustands."

Aha. Die Masse bestimmt also die Trägheit eines Körpers. Logischerweise sollte man erwarten, dass große Masse zu großer Trägheit führt (jedenfalls wenn die Beziehung monoton steigend ist, nur falls hier jemand gerade mathematische Haare spalten will...), kleine Masse zu kleiner Trägheit. Wenn etwas gar keine Masse hat, dann sollte es wohl auch gar keine Trägheit haben.

So weit so gut. Dumm nur, dass wir kurz danach das hier lesen:

"Allerdings sind auch masselose Teilchen, wie das Photon, träge."

Äh - wie jetzt? Die Masse bestimmt die Trägheit, aber masselose Teilchen sind auch träge?

Und dann lesen wir noch

"Als schwere Masse bezeichnet man die Quelle der Gravitationskraft."

"Ein heute noch in der Experimentalphysik und der populären Literatur häufig verwendeter Begriff ist die relativistische Masse."

Wenn alle diese unterschiedlichen Konzepte immer dasselbe wären, dann wäre ja alles in Ordnung, aber so ist es leider nicht. Deshalb lohnt es sich, die unterschiedlichen Aspekte des Massenbegriffs einmal in Ruhe auseinanderzudröseln.

Die Masse in der newtonschen Physik
Fangen wir mit der newtonschen Physik an. Eigentlich ist die natürlich "falsch", aber bei sehr kleinen Geschwindigkeiten (und Schwerefeldern) ist sie so genau, dass alle Abweichungen vollkommen in jeder Messungenauigkeit untergehen. Außerdem versteht man so vielleicht am besten, wo die unterschiedlichen Masse-Konzepte eigentlich herkommen.

In der newtonschen Physik hat jeder Körper eine Masse. (Masselose Teilchen ergeben in der newtonschen Physik keinen Sinn.) Diese Masse ist eine feste und unveränderliche Größe. Sie taucht im Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung auf: F=ma, Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Weil die Masse sagt, wieviel Kraft ich brauche, um etwas zu beschleunigen, bestimmt sie die Trägheit. Diese Masse hier kann man also die träge Masse nennen.

Die träge Masse können wir messen, indem wir mit bekannter Kraft gegen einen Körper treten und die Änderung der Geschwindigkeit (eben die Beschleunigung) messen.

Die Masse taucht auch im Gravitationsgesetz auf. Die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern ist proportional zu ihren Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes. Wenn ihr auf der Erdoberfläche steht, ist die zweite Masse die der Erde und der Abstand ist der zum Erdmittelpunkt. Weil diese Masse etwas mit der Schwerkraft zu tun hat, nennen wir sie die schwere Masse.

Wir können die schwere Masse messen, indem wir einen Körper zum Beispiel auf eine Waage stellen. Dabei wirkt die Federkraft der Waage der Schwerkraft entgegen. Weil wir wissen, wie stark die Federkraft ist, wenn die Feder mehr oder weniger stark verformt wird, können wir über die Kraft die Masse bestimmen. (Diese Kraft nennt man auch Gewichtskraft. Gewicht (eine Kurzfassung für Gewichtskraft) und Masse sind nicht dasselbe, weil die Gewichtskraft davon abhängt, wo wir den Körper auf die Waage stellen; auf dem Mond oder der Venus ist die Gewichtskraft entsprechend eine andere, die Masse ist aber dieselbe.)

Umgekehrt ist die schwere Masse auch ein Maß dafür, wie stark das Gravitationsfeld ist, das ein Körper hervorruft.

Die Tatsache, dass alle Körper im Schwerefeld gleich schnell fallen, zeigt, dass träge und schwere Masse dasselbe sind. Warum? Die Gravitationskraft ist proportional zur schweren Masse. Wenn ich die schwere Masse verdopple, dann verdoppelt sich also die Kraft. Wenn ich trotzdem dieselbe Beschleunigung bekomme (weil schwere und leichte Körper gleich schnell fallen), dann muss die träge Masse sich auch verdoppeln. (Würde sie zum Beispiel gleich bleiben, dann würde der schwerere Körper eben doppelt so schnell fallen.)

Dass träge und schwere Masse immer gleich sind, dafür hat die newtonsche Physik keine Begründung, es ist einfach eine Beobachtungstatsache. Man könnte sich genau so eine Kraft vorstellen, die nicht proportional zur trägen Masse ist, sondern zu irgendeiner anderen Größe. So etwas gibt es auch tatsächlich - die elektrische Anziehungskraft zwischen zwei Ladungen hat mit der Masse nichts zu tun, deswegen spricht man auch nicht von "elektrischer Masse", sondern lieber von "elektrischer Ladung", sonst wäre das zu verwirrend.

Also: In der newtonschen Physik gibt es zwei Massekonzepte: Die träge Masse sagt uns, wie viel Kraft wir brauchen, um einen Körper zu beschleunigen, die schwere Masse sagt uns, welche Kraft ein Körper in einem Gravitationsfeld erfährt. Beide Massen sind gleich - das ist aber keine Notwendigkeit der Theorie, sondern einfach eine Beobachtungstatsache. Prinzipiell spricht bei Newton nichts dagegen, dass es einen Körper gibt, bei dem träge und schwere Masse sich unterscheiden, wir beobachten das nur nicht.

Außerdem ist die Masse eines Körpers unveränderlich - wir können ihn natürlich in Stücke hauen, aber wenn wir die Masse der Stücke messen, dann ergibt sich in der Summe genau die Masse des ursprünglichen Körpers. Es gilt also Massenerhaltung, die Gesamtmasse aller Objekte im Universum ist konstant.

Die Masse in der speziellen Relativitätstheorie
Soviel zu Herrn Newton. Einstein erkannte, dass die newtonsche Physik zwar ganz prima ist, wenn man sich mit niedrigen Geschwindigkeiten herumschlägt, dass sie aber nicht mehr stimmt, wenn sich Körper sehr schnell bewegen. (Und sehr schnell heißt nicht, dass ihr mit eurem neuen Turboschlitten Blinker-links auf der Autobahn unterwegs seid, sondern schnell heißt hier wirklich schnell - Geschwindigkeiten, die ein nennenswerter Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit sind, und die beträgt immerhin 299792,458 Kilometer in der Sekunde.)

Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie bewegt sich nichts schneller als das Licht. Ansonsten gibt es zwei Arten von Dingen im Universum: Diejenigen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (wie zum Beispiel - wer hätte das gedacht - Licht) bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn ein Lichtstrahl an euch vorbeisaust und ihr Fähnrich Ro an der Steuerkonsole eurer Enterprise-D befehlt, mit einem halben Impuls (also 50% der Lichtgeschwindigkeit) hinter dem Lichtstrahl herzufliegen, dann entfernt sich der Lichtstrahl immer noch mit Lichtgeschwindigkeit von euch und nicht, wie man erwarten würde, mit der Hälfte. Licht könnt ihr nicht bremsen und nicht neben ihm so herfliegen, dass es relativ zu euch ruht. (Ja, das klingt verrückt. Man braucht eine Weile, um sich daran zu gewöhnen, dass die Welt so ist. Ist sie aber. Dharma.)

Diese immer-lichtschnellen Dinge stellen wir in der Betrachtung mal einen Moment (o.k., einen langen Moment) zurück und schauen auf die "normale" Materie - wie Atome, Elektronen, Snookerkugeln. Wenn eine Snookerkugel mit einer Geschwindigkeit von 2m/s über das Tuch rollt, dann ist es für euch kein Problem, so neben dem Tisch herzugehen, dass die Kugel relativ zu euch ruht (wir ignorieren mal gerade die Drehung der Kugel). Solche Objekte können die Lichtgeschwindigkeit niemals erreichen, sondern sich ihr nur immer weiter annähern.

Wenn ihr die Kugel in die Hand nehmt, dann könnt ihr sie wegwerfen. Dabei erfährt sie eine Beschleunigung, und wenn die Kugel relativ zu euch ruht, dann gilt zunächst mal die gute alte newtonsche Beziehung F=ma, Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Wenn die Kugel aber bereits mit nahezu Lichtgeschwindigkeit an euch vorbeifliegt, dann kann diese Beziehung so nicht mehr gelten, denn dann könntet ihr sie mit genügend Kraft immer weiter beschleunigen, bis sie die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Bei hohen Geschwindigkeiten bekommt ihr für dieselbe Kraft immer weniger Beschleunigung. (Und ganz streng genommen gilt das einfache F=ma deshalb nur im aller-aller-aller-ersten Moment des Wegwerfens.)

Aus der Gleichung F=ma wird die Gleichung F=γma. Dabei ist γ ein Faktor (der Lorentzfaktor), der um so größer wird, je größer die Geschwindigkeit ist; bei Geschwindigkeiten, die sehr klein gegen die Lichtgeschwindigkeit sind, ist er praktisch 1. Die Formel spare ich mir hier - ihr könnt ja den Link anklicken, wenn ihr sie sehen wollt.

Es gibt zwei Möglichkeiten, mit dieser Erkenntnis umzugehen. Entweder ihr sagt "Gut, dann gilt die Gleichung F=ma nicht mehr, da kommt jetzt ein Extra-Faktor γ dazu", dann habt ihr auch kein Problem. Oder ihr sagt "Hmm, ich bekomme für dieselbe Kraft jetzt weniger Beschleunigung. Für mich sieht es so aus, als wäre die Kugel schwerer geworden, und je näher sie der Lichtgeschwindigkeit kommt, desto schwerer wird sie". Ihr könnt die Gleichung also einfach uminterpretieren:
F = γ m a = m' a, wobei m'=mγ ist. Das m' ist jetzt die relativistische Masse der Kugel, die um so größer wird (die relativistische Masse, nicht die Kugel), je schneller die Kugel sich bewegt.

Bei hohen Geschwindigkeiten sieht es also so aus, als würde die Masse zunehmen, es gibt den viel zitierten "relativistischen Massezuwachs". Weil dieser hier etwas mit der Trägheit zu tun hat, könnt ihr also auch sagen "die träge Masse hat zugenommen". In modernen Lehrbüchern werdet ihr das selten so lesen, denn dieser Begriff der "relativistischen Masse" ist ein bisschen in Ungnade gefallen, weil er zu viel Verwirrung führt. Dort stellt man sich eher auf den Standpunkt, dass es nur eine Masse gibt (die Ruhemasse m) und dass man eben einen Zusatzfaktor γ in die Gleichungen einbauen muss.

Um die Angelegenheit weiter zu verkomplizieren, hat Einstein zusätzlich noch einen neuen Aspekt ins Spiel gebracht, nämlich mit der berühmten Gleichung
E=mc².

Die kennt vermutlich jeder: "Energie ist Masse mal Lichtgeschwindigkeit ins Quadrat". Oft wird das so übersetzt, dass jede Masse einer Energie "äquivalent" ist. Das ist aber zumindest irreführend. Eigentlich sagt die Gleichung "Masse ist Energie" (oder auch "Energie ist Masse", ganz wie ihr wollt) - das dazwischen noch ein Faktor c² steht, liegt nur daran, dass wir ein komisches Einheitensystem verwenden.

Wenn wir einen Körper betrachten, der zu uns in Ruhe ist, dann hat dieser Körper eine bestimmte Masse oder - anders gesagt - einen bestimmten Energiegehalt. Den könnte ich prinzipiell messen, beispielsweise indem ich den Körper mit Antimaterie beschieße, bis sich Materie und Antimaterie vernichtet haben, und die Energie der entstehenden Strahlung messe. (O.k., nicht besonders praktikabel, aber ich bin ja auch theoretischer Physiker...) Diese Masse nennen wir die Ruhemasse des Körpers. Sie ist eine Eigenschaft des Körpers selbst und offensichtlich unabhängig von seinem Bewegungszustand (denn so habe ich sie definiert).

In der speziellen Relativitätstheorie gibt es deshalb keine Massenerhaltung, jedenfalls nicht, wenn man von der Ruhemasse spricht. Ein Teilchen und sein Antiteilchen mit einer Ruhemasse können sich vernichten und zu zwei Photonen (mit Ruhemasse Null) werden. Es gilt aber die Energieerhaltung, die beiden Photonen haben zusammengenommen mindestens die Energie, die der Ruhemasse der beiden Teilchen entspricht (mehr, falls die Teilchen noch zusätzlich Bewegungsenergie hatten).

In der speziellen Relativitätstheorie haben wir also die relativistische Masse - die misst die Reaktion auf Beschleunigungen und entspricht deswegen der trägen Masse von Newton. Zusätzlich haben wir noch die Ruhemasse - die entspricht dem Energiegehalt des Körpers, wenn wir relativ zu ihm in Ruhe sind.

E=mc²,
wenn wir nicht relativ zum Körper ruhen? Dann hat der Körper ja zusätzlich eine Bewegungsenergie. Gilt die Gleichung dann nicht mehr?

Nun, das ist Geschmackssache. Wenn ihr für m die Ruhemasse einsetzt, dann gilt die Gleichung so nicht mehr, und ihr solltet stattdessen die Gesamtenergie nach folgender Formel berechnen:
E² = γ²m²v²c² + m²c⁴
Das ist die "moderne" Sicht der Dinge ohne relativistische Masse.

Alternativ könnt ihr aber auch die "relativistische Masse" m' verwenden und einfach schreiben
E=m' c².
(Wenn ihr die Formel für den Lorentzfaktor γ einsetzt, könnt ihr euch davon überzeugen, dass beide Gleichungen dasselbe aussagen.)

Beide Formen der Gleichung sind gültig und letztlich gleich gut. In der modernen Physik verwendet man meist die erste Form, auch wenn sie komplizierter aussieht, weil man den Begriff der relativistischen Masse eben lieber vermeidet. Letztlich kann man sagen, dass die "relativistische Masse" wirklich nur ein anderes Wort für den Energiegehalt eines Körpers ist und vom Bewegungszustand abhängt, die "Ruhemasse" (oder Ruheenergie) dagegen ist eine inhärente Eigenschaft des Körpers. Weil das so ist, ist der Begriff "relativistische Masse" ziemlich überflüssig.

Und was ist mit der schweren Masse? Zu der hat die spezielle Relativitätstheorie nichts zu sagen, dafür ist die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) zuständig.

Masse in der ART
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine Theorie der Gravitation, die die Erkenntnisse der Speziellen Relativitätstheorie berücksichtigt. Ausführlich habe ich darüber in meiner kleinen Serie über die Raumkrümmung geschrieben. Kurz gesagt krümmen Massen die Raumzeit, und die gekrümmte Raumzeit wiederum beeinflusst, wie sich Massen bewegen.

Hier soll mich nur interessieren, was die Rolle der Masse in der ART ist. Zunächst einmal gilt das Äquivalenzprinzip: Schwere und träge Masse sind immer identisch.
Was bei Newton eine reine unerklärte Beobachtung war, ist in der ART ein fundamentales Prinzip - denn letztlich gibt es in der ART gar keine Schwerkraft als Kraft, sondern eben nur die Raumkrümmung. (Auch das könnt ihr ausführlich in meiner Serie nachlesen, um mal wieder etwas Eigenwerbung zu machen.)

Aber welche Masse ist es denn nun, die für die Raumkrümmung verantwortlich ist - die Ruhemasse oder die relativistische Masse, sprich, der gesamte Energiegehalt?

Dazu können wir uns ein kleines Experiment vorstellen: Ich tue das, was ich nachmittags immer tue, wenn ich zu Hause bin, und koche mir einen Tee. ich fülle also kaltes Wasser in meinen Wasserkocher und schalte ihn an. Wenn das Wasser kocht, dann ist es deutlich heißer - schaut man sich die Wassermoleküle an, dann ist diese zusätzliche Wärme ja nichts als Bewegungsenergie, die Moleküle flitzen schneller durch den Kocher als vorher.

Der Wasserkocher enthält jetzt also mehr Energie als vorher. Ist er damit auch schwerer geworden (dann ist es die aktuelle Energie und damit letztlich die relativistische Masse, die für die Raumkrümmung verantwortlich ist) oder ist er genau so schwer wie vorher?

Die Antwort der Relativitätstheorie ist eindeutig: Ja, der Wasserkocher ist jetzt schwerer, die zusätzliche Energie erhöht die Raumkrümmung und wenn ich den Kocher hochhebe, muss ich mehr Arbeit leisten als vorher. Wenn euch das noch nicht aufgefallen ist, dann liegt das nur daran, dass die Wärmeenergie - verglichen mit der, die in der Ruhemasse steckt - sehr klein ist, der Massezuwachs beträgt (wenn ich mich nicht verechnet habe) für einen Liter Wasser etwa 5 Milliardstel Gramm.

Was die Schwerkraft (oder die Raumkrümmung) angeht, ist zunächst mal nur die Energie relevant, es ist egal, wo diese Energie herkommt. Man kann sich mit einem kleinen Gedankenexperiment überlegen, dass das auch so sein muss: Betrachtet ein Elektron und ein Positron, die umeinander kreisen (als so genanntes Positronium). Beide haben eine Masse und krümmen so die Raumzeit. Positronium ist aber nicht stabil - die beiden Teilchen stürzen aufeinander zu und vernichten sich gegenseitig, denn das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons. Heraus kommen zwei Photonen der Röntgenstrahlung, deren Energie genau der Energie der beiden Teilchen vorher entspricht. Wenn diese beiden Photonen, die ja keine Ruhemasse haben, die Raumzeit nicht krümmen würden, dann hätten wir von einem Moment auf den anderen eine sprunghafte Änderung der Raumkrümmung an diesem Punkt. (Sagte ich nicht oben, dass ich noch mal was zu den masselosen Teilchen schreiben würde? Teilchen ohne Ruhemasse krümmen die Raumzeit, weil sie Energie enthalten.)

Die "schwere Masse" ist also eigentlich die Energie. Dasselbe gilt wegen des Äquivalenzprinzips auch für die träge Masse. Schnelle Moleküle (wie in unserem Wasserkocher) haben mehr Energie und sind deswegen schwerer als langsame Moleküle.

Auch das umgekehrte Phänomen kann man beobachten. Ein Heliumkern besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Seine Masse ist aber knapp 1% geringer als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Warum? Weil bei der Bindung der vier Teilchen aneinander Energie frei wird, diese Energie (die beispielsweise in Form von Photonen abgestrahlt wird) ist dem Kern sozusagen "verloren" gegangen. (Dass Bindungsenergien normalerweise negativ gerechnet werden, habe ich hier erklärt.)

In unserer Sonne wird ständig Wasserstoff zu Helium verbrannt. Dabei entsteht viel Energie, die von der Sonne als Licht abgestrahlt wird. Diese entspricht einer Masse von 4 Millionen Tonnen pro Sekunde. Die Sonne wird also in jeder Sekunde um satte 4 Millionen Tonnen leichter, das entspricht etwa der Masse von 6 bis 7 voll beladenen Supertankern. (Wir merken davon trotzdem nichts, weil die Masse der Sonne 2 Milliarden Milliarden Milliarden Tonnen beträgt.)

Nebenbemerkung: Ein Widerspruch?
Schwere Masse ist also immer Energie. Das ist aber nicht ganz richtig. In meinen Beispielen eben war ich sehr vorsichtig, sie so zu konstruieren, dass zwar die einzelnen Teilchen (wie die Wassermoleküle) eine Geschwindigkeit haben, dass aber das betrachtete System als Ganzes relativ zu uns in Ruhe ist. Was passiert aber, wenn ein einzelnes Teilchen mit relativistischer Geschwindigkeit an uns vorbeifliegt? Man könnte jetzt auf die Idee kommen, dass es dann natürlich ebenfalls die relativistische Geschwindigkeit sein muss, die die schwere Masse bestimmt. Und wenn ich dann nur schnell genug an dem Teilchen vorbeifliege, dann ist seine relativistische Masse riesig hoch. Dann müsste es aber doch zu einem schwarzen Loch werden, denn ein unglaublich massives Teilchen mit kleinem Durchmesser kollabiert doch zu einem schwarzen Loch. Und das wäre dann ein absurder Widerspruch, denn ob ein Teilchen ein schwarzes Loch wird oder nicht kann ja wohl nicht davon abhängen, wie schnell ich an ihm vorbeifliege.

Aber keine Sorge, die Theorie ist in Ordnung. Wenn sich nämlich ein Teilchen an euch vorbeibewegt, dann dürft ihr die ganz einfache Beziehung "Energiegehalt bestimmt Schwerefeld" nicht mehr anwenden. Bei einem System, dass eine Nettogeschwindigkeit hat, hat auch diese Geschwindigkeit - genauer gesagt, der Impuls - einen Einfluss auf die entstehende Raumkrümmung, und diese beiden Einflüsse tendieren dazu, sich gegenseitig aufzuheben. Es gibt hier also keinen Widerspruch. Kurz erklärt findet Ihr das auch hier.

ExpertInnenhinweis:Wenn ihr es genau wissen wollt: Die einsteinschen Feldgleichungen setzen die Raumzeitkrümmung in Beziehung mit dem Energie-Impuls-Tensor. Wenn das betrachtete System relativ zu euch ruht und der Druck nicht zu hoch ist, dann ist es nur eine Komponente des EITs, die relevant ist, nämlich die 00-Komponente (nein, die hat nichts mit dem stillen Örtchen zu tun), und das ist gerade die Energie. Bewegt sich das System relativ zu euch, dann sind auch die anderen Komponenten relevant, und die einfache Gleichsetzung "Raumkrümmung=Energiegehalt" funktioniert nicht mehr. Die Formel für den Radius eines Schwarzen Lochs (Schwarzschildradius) funktioniert übrigens auch nur, wenn ihr relativ zur betrachteten Masse in Ruhe seid.

Ende von Nebenbemerkung und ExpertInnenhinweis

Wir halten also fest: Nimmt man die SRT und ART zusammen, so gibt es zum einen die Ruhemasse eines Körpers. Diese entspricht dem Energiegehalt, wenn ich relativ zum Körper in Ruhe bin. Sie entspricht in diesem Fall auch der trägen und der schweren Masse.

Wenn sich der Körper bewegt (so wie die Moleküle im Wasserkocher), dann nimmt die Energie zu. Damit erhöht sich auch die "schwere Masse" - die Raumzeit wird stärker gekrümmt. (Dabei ist etwas Vorsicht geboten, siehe die Nebenbemerkung oben). Für die so gemessene "schwere Masse" ist vollkommen unerheblich, wodurch diese Energieerhöhung zu Stande kommt.

Nehmen wir wieder die Wassermoleküle im Wasserkocher als Beispiel. Wenn ich etwas Wärme zuführe und die Moleküle eine Winzigkeit beschleunige, dann steigt die Energie im Kocher. Wenn ich stattdessen aber z.B. Strom in das Wasser einleite und so einige Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalte, dann steigt die Energie im Kocher ebenfalls (weil ich Bindungen aufknacken muss, das kostet auch Energie). Und wenn ich schließlich ein paar weitere Wassermoleküle dazutue, dann steigt der Energiegehalt auch. An der Schwerewirkung des Kochers oder seiner Trägheit könnt ihr das nicht unterscheiden - in allen drei Fällen gilt E=mc². Habt ihr die Energie also um 1 Joule erhöht, dann ist die Masse des Kochers um etwa ein Billionstel Gramm zehn Billiardstel (Dank an Chemiker für die Korrektur) gestiegen, vollkommen egal, woher die Energieerhöhung kommt.

Higgsfeld und Masse

Und das beantwortet nebenbei eine Frage, die im Zusammenhang mit dem Higgsfeld oft gestellt wird: Hat das Higgsfeld etwas mit der Gravitation und der ART zu tun, weil doch das Higgsfeld allen Elementarteilchen ihre Masse verleiht? Die Antwort könnt ihr euch jetzt hoffentlich denken: Das Higgsfeld sorgt dafür, dass ein ruhendes Elementarteilchen eine bestimmte Energie hat. Diese Energie bestimmt dann die schwere Masse des (ruhenden) Teilchens. Der Schwerkraft ist aber vollkommen egal, ob die Energie vom Higgsfeld oder von etwas anderem kommt.

Protonen beispielsweise, die ja in jedem Atomkern drinstecken, bestehen aus drei Elementarteilchen, drei Quarks. Diese Quarks beziehen ihre Masse aus dem Higgsfeld. Das Proton aber hat eine höhere Ruhemasse als der Summe der drei Quarkmassen entspricht - der größte Teil seiner Ruhemasse kommt aus der Bindungsenergie zwischen den Quarks. (Falls ihr euch wundert, wieso die Masse durch die Bindungsenergie größer wird und nicht kleiner, wie oben beim Heliumkern - das ist eine Besonderheit der starken Kernkraft, die die Quarks zusammenhält.) Trotzdem hat das Proton als Ganzes eine eindeutige Masse, und wir müssen - was die Schwerkraftwirkung oder auch die Trägheit angeht - nicht zwischen dem Anteil der Quarkmassen und dem der Bindungsenergie unterscheiden.

Fazit

Betrachten wir noch einmal den Wasserkocher und schauen uns seine Ruhemasse an:
Die Ruhemasse des Kochers (der relativ zu euch ruht) ist höher als die Summe der Ruhemassen aller Moleküle, aus denen er besteht, weil die Moleküle zusätzlich noch eine Bewegungsenergie haben. Die Ruhemasse eines Wassermoleküls wiederum ist kleiner als die Summe der Ruhemassen der einzelnen Atome, weil diese aneinander gebunden sind. Die Ruhemasse eines Atoms ist wiederum kleiner als die Summe der Ruhemasse seiner Elektronen und seines Kerns, ebenfalls wegen der Bindungsenergie. Auch die Ruhemasse des Kerns ist (wieder wegen der Bindungsenergie) kleiner als die Ruhemasse der einzelnen Protonen und Neutronen (das haben wir oben am Beispiel des Heliumatoms gesehen). Aber die Ruhemasse eines Protons ist größer als die Summe der Ruhemassen seiner drei Quark-Bestandteile, weil in diesem Fall die Bindungsenergie positiv gezählt werden muss. Alles klar?

Wie ihr seht, ist der Massebegriff tatsächlich etwas überladen - mit etwas Nachdenken kann man aus dem Zusammenhang aber normalerweise herausbekommen, welche Masse nun gemeint ist.

Der berühmteste Fund aus Deutschland ist sicher der Archaeopteryx, der in Bayern in der Gegend um Eichstätt gefunden wurde (übrigens eine hervorragende Gegend, um dort auch mal Urlaub zu machen - ihr könnt die vielen Museen angucken oder auch mal selbst in einem Steinbruch nach einem Archaeopteryx suchen (bei mir hat's seinerzeit leider nicht geklappt...)).

Ein Stück weit weg von Eichstätt (in Painten) wurde vor einigen Jahren ein kleiner gefiederter Dinosaurier entdeckt, der jetzt detailliert beschrieben wurde. Das neue Mitglied der Dinosaurier-Familie (nicht im zoologischen Sinne zu verstehen) trägt den hübschen Namen Sciurumimus albersdoerfi, zu Deutsch "Albersdörfers Eichhörnchen-Nachahmer". Raimund Albersdörfer hat das Fossil laut der Veröffentlichung "für Studien verfügbar gemacht", und was es mit dem Eichhörnchen auf sich hat, das sehen wir gleich noch.

Werfen wir erst einmal einen Gesamtblick auf Sciurumimus:

Ihr seht, dass das Skelett außergewöhnlich gut erhalten ist - es ist praktisch vollständig erhalten, selbst der kleine Knochen unter der Zunge, das Zungenbein oder Hyoid, ist unter dem Schädel deutlich zu erkennen. Das macht es einfach, eine Idee zu bekommen, um was es sich handelt. Die kurzen Vorderbeine, langen kräftigen Hinterbeine und die spitzen Zähne sowie die allgemeine Kopfform zeigen, dass es sich um einen Raubdinosaurier handelt, in der Fachsprache einen "Theropoden".

Was macht man nun wissenschaftlich mit so einem Fossil? Zuerst mal wird es natürlich präpariert. Die PräparatorInnen (die oft nicht die PaläontologInnen sind, die das Fossil am Ende wissenschaftlich beschreiben) sind die leider meist unbesungenen HeldInnen der Paläontologie. Es gehört unglaublich viel Fachkenntnis, Fingerspitzengefühl und handwerkliches Geschick dazu, um ein Fossil so wunderschön aus dem Gestein zu befreien, wie ihr das oben auf dem Bild sehen könnt. An dieser Stelle also einmal ein virtueller Applaus für diese guten Geister, ohne die wir viel weniger über Dinosaurier und andere Fossilien wüssten.

Nachdem das Fossil dann freigelegt ist, wird es genau analysiert. Jeder Knochen wird angeguckt und mit dem anderer Fossilien verglichen. Um den Fund einordnen zu können ("In der Biologie ergibt nichts einen Sinn, außer im Licht der Evolution") muss man natürlich herausfinden, wie das neue Tier mit bereits bekannten verwandt ist. Bei so einem wundervollen Fund wie diesem hier können ExpertInnen schnell herausfinden, in welche Gruppe er gehört, aber damit alles wissenschaftlich seine Ordnung hat und nachvollziehbar bleibt, verwendet man meistens die Methoden der Kladistik, die ich letztes Jahr ausführlich erklärt habe. Kurz gesagt beruht das Verfahren darauf, die Merkmale unterschiedlicher Tiere zu vergleichen und dann daraus den wahrscheinlichsten Ablauf der Evolution zu rekonstruieren - das ist der, bei dem am wenigsten evolutionäre Schritte notwendig sind. Wenn beispielsweise Saurier A nur zwei Finger hat, Saurier B vier, Saurier C wieder nur zwei, dann ist es wahrscheinlicher, dass A und C eng verwandt sind. (Weil sich das natürlich nicht an einem einzelnen Merkmal festmachen lässt, untersucht man sehr viele davon. Details findet ihr wie gesagt in dem alten Artikel zum Thema.)

Damit kann man dann die Informationen aus dem neuen Fund dem bekannten Wissen hinzufügen und so einen "Stammbaum" (genauer gesagt, ein Kladogramm) erstellen, das einem sagt, wie dieser neue Dino mit den bereits bekannten verwandt ist. Wie sieht das für Sciurumimus aus?

Die Anordnung und Form der Schädelknochen platzieren Sciurumimus in die Gruppe der Megalosaurier, deren bekanntester Vertreter Megalosaurus selbst ist (zusammen mit Iguanodon einer der ersten Dinosaurier, die überhaupt beschrieben wurden), zu der aber auch zum Beispiel Afrovenator gehört:

Fügt man die Informationen von Sciurumimus den bereits bekannten Daten hinzu, dann entsteht dieses Kladogramm:

Man liest dieses Kladogramm von oben nach unten - oben sind die urtümlichen (basalen) Dinos, nach unten hin die weiter entwickelten. Ganz oben steht Syntarsus (der wohl korrekterweise "Megapnosaurus" heißen müsste, aber das ist eine andere unschöne Geschichte), ein enger Verwandter des bekannten Coelophysis (der in der ersten Folge von "Dinosaurier - im Reich der Giganten" eine wichtige Rolle spielte). Wenn ihr das Kladogramm nach unten verfolgt, könnt ihr sehen, wer wie mit wem verwandt ist. Die kleinen Ziffern sind die Namen der jeweiligen Dinosaurier-Gruppen. Die 8 beispielsweise steht für die Gruppe der Megalosaurier, zu der eben auch Sciurumimus gehört.

Interessant ist, dass die Megalosaurier, die Spinosaurier (Nummer 7) und die Allosaurier (Nummer 5) alle einen gemeinsamen Vorfahren haben (an dem Knoten, wo die 3 sitzt). Bisher hatte man angenommen, dass diese beiden Gruppen sich nacheinander aus anderen Raubsaurier entwickelt haben. Das würde etwa so aussehen:

Das bedeutet also, dass Megalosaurier, Spinosaurier und Allosaurier alle eng miteinander verwandt sind und eine gemeinsame evolutionäre Gruppe bilden, die Carnosaurier. (Dieser Gruppenname ist schon sehr alt - früher dachte man sogar, dass auch Tyrannosaurus dazuzählt und eng mit Allosaurus verwandt ist. Zwischenzeitig sah es aber so aus, als ob die Gruppe der Carnosaurier (die also Allo- und Megalosaurier umfasst) keine natürliche evolutionäre Gruppierung (keine monophyletische Gruppe, um es vornehm zu sagen)ist.)

Aus dieser Eingruppierung kann man auch noch weitere Dinge lernen: Die Vorderbeine von Sciurumimus tragen drei Finger, nicht vier. Das ist interessant, denn viele Raubsaurier haben typischerweise vier Finger, selbst bei Guanlong, einem der ersten Tyrannosaurier, findet man noch einen rudimentären vierten Fingerknochen. Das spricht dafür, dass die Megalosaurier (bei denen man ansonsten keine vollständigen Hände kennt) irgendwann den vierten Finger verloren haben, so wie andere Raubsaurier auch. (Tyrannosaurus ist ja bekannt dafür, dass er nur zwei Finger hatte.) Unklar ist, ob der Fingerverlust unabhängig bei unterschiedlichen Gruppen passierte oder ob einer der Vorfahren (bei der 2 im korrekten oberen Kladogramm) den vierten Finger verlor und einige Arten wie Guanlong ihn dann wiederentwickelten (vielleicht sogar als Atavismus - so wie manchmal Pferde mit drei Zehen an einem Bein geboren werden).

Der große Kopf und andere Details (beispielsweise noch nicht verwachsene Knochen und die sehr regelmäßig angeordneten Zähne (Dinos wechseln ihre Zähne ja häufig, bei erwachsenen Raubsauriern sieht man deshalb oft ein Muster aus abwechselnd großen und kleinen Zähnen im Kiefer) sprechen dafür, dass unser Sciurumimus noch nicht ausgewachsen, sondern ein Jungtier war. Generell ähnelt die Zahnanordnung eher der von "primitiveren" Raubsauriern (wie dem Syntarsus in unserem Kladogramm). Das kann entweder daran liegen, dass Sciurumimus ein Jungtier war (bei Jungtieren findet man ja oft noch eher urtümliche Merkmale) oder es kann eine besondere Entwicklung aufzeigen, weil sich z.B. Syntarsus Sciurimimus ähnlich ernährte wie Syntarsus und deswegen ähnliche Zähne entwickelte.

Falls ihr trotz aller Dino-Erbsenzählerei zu den Details der Raubsaurier-Entwicklung bis hierhin durchgehalten habt - herzlichen Glückwunsch. Denn das beste und faszinierendste habe ich mir bis zum Schluss aufgespart. Nämlich das hier:

"Boah wie aufregend! Eine Detailaufnahme von ein paar Knochen unten mit ein paar komischen Kratzern darüber! Welch Sensation!" Falls ihr das gerade denkt und kurz davor seid, böse Kommentare zu hinterlassen - nein, das hier sind keine "komischen Kratzer".

Es sind die Überreste von einer Art Flaum, der den Körper von Sciurumimus bedeckte. Sciurumimus war kein schuppiges Reptil, sondern ein Dinosaurier, der mit einer Art Fell bedeckt war. Bei diesem "Fell" handelt es sich nicht um Fell wie bei Säugetieren (mit denen ist Sciurumimus ja auch nur sehr entfernt verwandt), sondern um die Vorläufer von Federn - je nach Geschmack "Protofedern", "Typ-I-Federn" oder auch etwas salopp "Dino-Fuzz" genannt. Deswegen hat Sciurumimus auch seinen Namen bekommen - weil er so "puschelig" ist wie ein Eichhörnchen. (Naja, vielleicht etwas übertrieben - so wahnsinnig eichhörnchenähnlich dürfte er trotzdem nicht ausgesehen haben.)

Dass einige Dinosaurier Federn hatten, ist ja schon lange bekannt. Bisher hat man Federn allerdings nur an Raubsauriern gefunden, die im Stammbaum deutlich dichter an den Vögeln dran waren (unten bei der 4 im Kladogramm - den Coelurosauriern). Wenn aber auch Sciurumimus Protofedern hatte, dann sind diese offensichtlich früher entstanden und auch andere Carnosaurier (wie Allosaurus) dürften sie gehabt haben.

Seit einiger Zeit kennt man ähnliche Proto-Federn auch von einer ganz anderen Dinogruppe, den pflanzenfressenden Ornithischiern (zu denen der bekannte Triceratops mit den drei Hörnern oder die Entenschnabelsaurier zählen). Hier der urtümliche Horndinosaurier Psittacosaurus, der am Schwanz seltsame Puschel herumtrug:

Auch beim Ornithischer Tianyulong hat man solche Strukturen gefunden - hier eine Rekonstruktion

Es stellt sich natürlich die Frage, ob die Ornithischier und die Raubsaurier diese Protofedern unabhängig voneinander entwickelt haben oder ob sie auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Weil Sciurumimus weiter unten am Stammbaum angesiedelt ist als die anderen gefiederten Raubsaurier, macht er es etwas wahrscheinlicher, dass bereits der gemeinsame Vorfahr von Ornithischiern und Raubsauriern Protofedern hatte. Das würde bedeuten, dass alle Dinosaurier von Tieren abstammten, die selbst Protofedern hatten. (Dem widerspricht nicht, dass wir von einigen Dinos wissen, dass sie Schuppen trugen. Zum einen können sie ihr Protofederkleid wieder verloren haben - so wie auch Flusspferde oder Wale kein Fell mehr haben - zum anderen können einige Teile des Körpers geschuppt, andere gefiedert gewesen sein. Auch Hühner haben ja Schuppen an den Beinen.)

Und wenn man noch etwas weiterdenkt, dann fällt auf, dass die Dinosaurier ja eng mit den Flugsauriern verwandt sind. Auch die hatten aber eine Art Fell. Möglicherweise entstanden die ersten Protofedern also schon beim gemeinsamen Vorfahren von Dinosauriern und Flugsauriern. Das wiederum wäre ein Indiz dafür, dass auch dieser Vorfahr schon "warmblütig" war, also eine hohe Stoffwechselrate hatte. Zugegeben, das ist noch recht spekulativ, aber durch den Fund von Sciurumimus ist dieses Szenario ein Stück wahrscheinlicher geworden.

Sciurumimus ist also nicht nur als Fossil hübsch anzuschauen, sondern kann uns auch einiges neues über die Entwicklung der Dinosaurier verraten.

(Einige Aspekte habe ich vor langer Zeit schon angesprochen, als ich mir Gedanken gemacht habe, was eigentlich Anschaulichkeit ist.)

Vermutlich hat jeder, der nicht gerade in einer Höhle ohne Stromanschluss wohnt, mitbekommen, dass da etwas entdeckt wurde und dass dieses Etwas zumindest für die PhysikerInnen wichtig ist und ihre Theorien bestätigt. In gewisser Weise ist das wohl schon die erste Stufe des Verstehens:

Erkennen, dass da überhaupt etwas zu verstehen ist.
Auch das ist ja schon nicht ganz selbstverständlich - viele Erkenntnisse der Wissenschaft beruhen ja auch darauf, dass überhaupt erst einmal erkannt wurde, dass es da ein Phänomen gibt, das verstanden werden will.

Gut, es gilt also, das Higgsteilchen zu verstehen. Die nächste Stufe besteht jetzt wohl darin zu

Verstehen, welche Rolle es in der Natur (und der physikalischen Theorie) spielt.
In diese Kategorie gehört meine Kurz-Kurz-Erklärung, aber auch die ganzen Analogien mit Prominenten auf Parties oder mit Kugeln, die durch Honig fliegen. Diese Erklärungen sollen die wichtigste Eigenschaft des Higgsfeldes deutlich machen: Das Higgsfeld verleiht Elementarteilchen ihre Masse.¹
Das Higgsteilchen ist eine messbare Anregung des Higgsfeldes, es ist sozusagen eine Störung in dem vollkommen gleichartigen Higgsfeld, die man deswegen sehen kann.

¹Dabei wird übrigens meist unterschlagen, dass der größte Teil der Masse, die wir beobachten, nicht vom Higgsfeld erzeugt wird (rühmliche Ausnahme ist der ZEIT-Artikel von dieser Woche). Der Großteil der Masse von Atomen steckt im Atomkern und beruht auf der Energie der Bindung der Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen; nur ein relativ kleiner Teil der Masse ist "echte" Masse. Das sollte ich vielleicht bei Gelegenheit auch noch mal ausführlich erklären. Die Aussage, dass unsere Welt ohne Higgsfeld vollkommen anders aussähe, bleibt aber richtig - Atomkerne hätten immer noch eine Masse, Elektronen aber nicht. Chemie wie wir sie kennen wäre dann nicht möglich.

Auch wenn diese Erklärung (ohne die Fußnote) schon ein bisschen Nachdenken erfordert, denke ich, dass sie prinzipiell auch für jemanden nachvollziehbar ist, der nicht Physik studiert hat. In diesem Sinne kann dann eben jeder das Higgsteilchen verstehen.

Dass Menschen wie der Interviewpartner von Lesch sagen, sie würden diese Erklärung selbst nicht verstehen, liegt vermutlich an zwei Dingen: Zum einen ist sie (gerade wenn man Anlogien wie Honig oder Parties verwendet) ganz offensichtlich eher metaphorisch, denn das Universum ist ja nicht wirklich von Honig durchzogen (und Party ist auch nicht überall). Zum anderen - und das ist vermutlich noch wichtiger - ist es eine Erklärung, mit der man wenig anfangen kann.

"Anfangen" ist hier in dem Sinne gemeint, dass man diese Erklärung zwar so schlucken kann, wie sie ist, aber man hat nicht genügend Informationen, um weiterdenken zu können. Wenn ich jemanden, der diese Erklärung bekommen hat, bitte, sich eine Eigenschaft der Higgsfeldes zu überlegen (z.B. bei der Honig-Analogie die Frage: Warum werden dann nicht alle Teilchen so abgebremst, dass sie zur Ruhe kommen?), dann merkt derjenige schnell, dass er darauf keine (oder eine offensichtlich falsche) Antwort hat.

Und hinzu kommt, dass auch immer noch nicht klar ist, warum das so sein soll. Warum können die Teilchen nicht einfach selbst eine Masse haben und brauchen dafür erst ein Higgsfeld? Das bringt uns zur nächsten Stufe des Verstehens:

Verstehen, wozu das Higgsteilchen "erfunden" wurde
Bis in die sechziger Jahre hinein hat niemand ein Higgsfeld gebraucht. Teilchen hatten einfach eine Masse, die als Faktor in der entscheidenden Gleichung der Quantentheorie (der Formel für die Lagrangedichte, falls jemand gern coole Fachausdrücke hört) auftauchte und damit konnte man das Verhalten von Elektronen und anderen Teilchen prima beschreiben.

Dann aber merkte man, dass die Radioaktivität die merkwürdige Eigenschaft hat, dass es Prozesse gibt, die nicht mehr ablaufen können, wenn man das beobachtete System einfach spiegelt. Das ist ungefähr so (Vorsicht, hier kommt wieder eine Analogie) als würden es die Gesetze der Mechanik zwar erlauben, normale Uhren zu bauen, aber solche, die gegen den Uhrzeigensinn drehen, wären einfach unmöglich.

Als man nun versuchte, eine Theorie zu formulieren, die diese Eigenschaft hat und auch ansonsten zu den Beobachtungen passte, merkte man schnell, dass das nur dann funktioniert, wenn alle Teilchen masselos sind. Deswegen erfand man den Higgsmechanismus. (Dieses Erklärungsniveau entspricht ungefähr dem meiner Kurzerklärung. In der Langfassung habe ich auch noch ein bisschen erklärt, warum das so ist, warum also Teilchen in einer solchen Theorie masselos sein müssen.)

Verstehen, wie das Higgsteilchen prinzipiell wirkt
O.k., das Higgsfeld verleiht allen Elementarteilchen Masse. Aber wie funktioniert das? Wie kann die Wechselwirkung mit einem Feld so aussehen wie eine Masse, also für Phänomene wie die Trägheit sorgen?

Das zu verstehen beinhaltet zwei Bestandteile. Zum einen muss man verstehen, wie "Masse" sich überhaupt auf der Ebene der Elementarteilchen äußert.¹ Dazu muss man ein bisschen tiefer in die Quantentheorie einsteigen. Dann sieht man, dass "Masse" sich in diesen Theorien in einer Weise äußert, die man grafisch so darstellen kann:

Hier fliegt links vom Gleichheitszeichen ein Elektron von A nach B. Man kann diesen Prozess auch darstellen wie auf der rechten Seite - dabei ist die gestrichelte Linie ein Elektron ohne Masse, und die kleinen Knubbel mit dem "m" dran sind eine grafische Darstellung dafür, wie die Masse hier eingeht. Eine weniger schwammige Erklärung des Bildchens findet ihr hier

¹Dabei ist hier immer nur der Aspekt der Trägheit gemeint - wie Elementarteilchen mit Gravitationsfeldern wechselwirken, steht auf einem anderen Blatt, das wir leider noch nicht zu lesen bekommen haben, das ist die noch nicht gefundene Theorie der Quantengravitation.

Die Wechselwirkung mit dem Higgsfeld sieht jetzt ganz ähnlich aus (auch das erkläre ich etwas ausführlicher in der Langfassung des Higgs-Textes):

Statt der Knubbel mit dem Massenwert "m" dran haben wir jetzt eine Wechselwirkung mit dem (grün gestrichelten) Higgsfeld. Auf diesem Niveau hat man schon eine ganze Menge verstanden: Man sieht, dass die Wechselwirkung mit dem Higgsfeld wie eine Masse wirken kann und kann daraus folgern, dass die Stärke der Wechselwirkung mit dem Higgsfeld sagt, wie groß die Masse eines Teilchens ist.

Die Erklärung hier ist schon ziemlich involviert, kommt aber immer noch ohne viel Mathematik aus (und wer meine Quantenfeldtheorie-Serie gelesen hat, der sollte sie hoffentlich halbwegs nachvollziehen können). Die meisten PhysikerInnen würden aber sicher sagen, dass ein echtes Verständnis des Higgsfeldes nur auf mathematischer Ebene funktionieren kann.

Der nächste Schritt ist deshalb:

Verstehen, wie genau das Higgsfeld in dieser Weise wirken kann
Warum gerade ein Higgsfeld? Warum gibt es genau eine Anregung des Higgsfeldes, die man als Teilchen sehen kann, also nur eine Sorte Higgsteilchen? Wie passt das Higgsfeld genau in die Theorie und wie genau kann man mit dem Higgsfeld zum Beispiel die Masse von Teilchen berechnen? Wie stark ist das Higgsfeld?

Das sind alles Fragen, die man nur mit Hilfe der mathematischen Formulierung der Theorie beantworten kann. Wer dieses Niveau des Verstehens erreichen will, der muss deshalb mathematisch fit genug sein, um Gleichungen wie diese verstehen zu können:

Lagrangedichte des Standardmodells, von hier geklaut (ich übernehme keine Garantie, dass die Gleichung nicht etwas vereinfacht ist, ich habe nicht alle Terme geprüft).

Diese Stufe des Verständnisses ist sicherlich viel tiefer als die vorhergehenden, oder?

Das sollte zumindest so sein - die Erfahrung (auch meine eigene) zeigt aber, dass das nicht unbedingt so ist. Viele Lehrbücher und viele Profs in ihren Vorlesungen erklären nämlich überhaupt nur die Mathematik hinter solchen Theorien, ohne die Zusammenhänge auch anschaulich zu erklären. Das führt dazu, dass Physikstudis dann zwar die Gleichungen nachrechnen können, aber trotzdem nicht einfach oder anschaulich erklären können, was die Gleichungen aussagen. Das ging mir selbst während des Studiums manchmal auch so - ich konnte komplizierte Gleichungen nachrechnen, hatte aber kein wirkliches Verständnis für das, was die Gleichungen bedeuten, und hätte aus den Gleichungen deswegen Erklärungen wie die oben gegebenen nicht ableiten können. Das ist eins von vielen Beispielen für die oft furchtbar schlechte Didaktik der Physik.

Nehmen wir aber an, jemand hätte all diese Verständnisebenen einigermaßen verinnerlicht - er oder sie kann die Gleichungen nachvollziehen und daraus auch anschauliche Erklärungen ableiten. Nach viel Mühe ist das etwa das Niveau auf dem ich mich befinde (auch wenn ich die Gleichung oben auch nicht ohne nachzuschlagen interpretieren oder damit gut herumrechnen könnte) - das sage ich aber nicht, um anzugeben, denn wie ihr gleich sehen werdet, ist das noch nicht das Ende der Verstehens-Fahnenstange. Nimmt mir nämlich jemand meine Bücher weg, dann bin ich aufgeschmissen. Die Rechnungen sind zu lang, als dass ich sie auswendig könnte (wäre auch wenig hilfreich), und mein Verständnis hat nicht die nächste Stufe erreicht.

Verstehen, wie man das Higgsfeld herleitet
Diese Stufe ist nämlich erst dann erreicht, wenn ihr selbst die Gleichungen nicht bloß nachvollziehen könnt, wenn sie vor euch stehen, sondern wenn ihr sie selbst herleiten könnt, nur an Hand der prinzipiellen Idee, wie das Higgsfeld funktioniert.

Der Physiker Richard Feynman war bekannt dafür, dass er diese Art des Verstehens bevorzugte: Wenn er von einer neuen Theorie hörte, dann versuchte er, nur die Idee aufzuschnappen und sich dann die Theorie selbst noch einmal herzuleiten. (Wenn ihr allerdings kein Genie seid, dann dürfte euch das seeehr viel Zeit kosten oder auch gar nicht klappen.) Auf diese Weise hat er die Theorie natürlich in noch viel fundamentalerer Weise verstanden (ob Feynman das beim Higgsteilchen so gemacht hat, weiß ich nicht, in vielen anderen Fällen aber schon).

Auf der Tafel in Feynmans Büro fand man bei seinem Tod die Sätze (ein Bild und einen Artikel dazu findet ihr hier)

"What I cannot create, I do not understand."
[Was ich nicht erschaffen kann, verstehe ich nicht.]
und
"Know how to solve every problem that has been solved."
[Wissen, wie man jedes jemals gelöste Problem löst.]

Es ist aber immer noch nicht das Höchste der Gefühle.

Das Higgsfeld intuitiv verstehen
Der höchste Grad des Verstehens ist vermutlich erst dann erreicht, wenn man ein intuitives Gefühl dafür hat, wie die Theorie (in diesem Fall das Higgsteilchen) funktioniert. Der Physiker Paul A. M. Dirac hat einmal gesagt

I consider that I understand an equation when I can predict the properties of its solutions, without actually solving it.
[Ich gehe davon aus, dass ich eine Gleichung verstehe, wenn ich die Eigenschaften ihrer Lösungen vorhersagen kann, ohne sie tatsächlich zu lösen.]

Um die Theorie wirklich zu verstehen, muss man sie soweit verinnerlicht haben, dass man die Lösung eines Problems "sieht", dass man schon weiß, was herauskommen wird, bevor man anfängt zu rechnen.

Von Feynman gibt es eine ähnliche Aussage. Als er nach einem wichtigen Satz der der Quantentheorie (dem Spin-Statistik-Theorem) gefragt wurde, versprach er, darüber eine Vorlesung für Studienanfänger zu halten. Einige Tage später sagte er

I couldn't reduce it to the freshman level. That means we really don't understand it.
[Ich konnte es nicht auf Anfängerniveau herunterbrechen. Das bedeutet, dass wir es nicht wirklich verstehen.]

Verstehen und Vorhersagen
Die unterschiedlichen Stufen des Verstehens machen eins in meinen Augen ganz deutlich: Je tiefer das Verständnis ist, um so mehr kann man damit anfangen. Die ganz simple Honig-Analogie ist nahezu nutzlos, weil sie sofort zu Widersprüchen führt, wenn man sie weiterdenkt (Warum stoppen nicht alle Teilchen im Honig?), aber immerhin ermöglicht es einem, eine Idee zu haben, was die PhysikerInnen mit dem Higgs überhaupt bezwecken.

Diesen Aspekt versteht man auf der nächsten Ebene besser, und kann dann zumindest folgern, dass tatsächlich alle Teilchen masselos sein müssen. Auf den weiteren Ebenen versteht man dann auch, dass die Masse direkt mit der Stärke der Wechselwirkung mit dem Higgsfeld zusammenhängt, man versteht dann (mathematisch), wie einzelne Teile des Higgsfeldes von anderen Teilchen "gefressen" werden und so weiter. Auf der letzten Ebene angekommen kann man dann vielleicht sogar neue Theorien ableiten für den Fall, dass das gefundene Teilchen doch nicht die erwarteten Eigenschaften hat.

Was wir im Kopf haben, ist immer ein Modell der Wirklichkeit, ein Abbild dessen, was in der realen Welt passiert. (Ich stelle mich hier der Einfachheit halber auf den Standpunkt, dass es eine solche "reale Welt" wirklich gibt.) Je besser wir etwas verstehen, desto genauer ist dieses Abbild der realen Welt, und desto besser können wir vorhersagen, was in der realen Welt passieren wird, indem wir die Objekte in unserer Vorstellung manipulieren.

"Verstehen" hat deswegen immer etwas mit "vorhersagen" zu tun - je tiefer das Verständnis, desto besser kann ich bestimmte Aspekte der Theorie (und damit der Wirklichkeit) vorhersagen. Das gilt nicht nur in der Physik, sondern auch in anderen Wissenschaften, selbst in solchen, in denen man zunächst erwarten könnte, dass man dort nichts vorhersagen kann, weil sie sich mit der Vergangenheit beschäftigen, beispielsweise der Geschichtswissenschaft oder der Paläontologie. Obwohl die Dinosaurier (bis auf die Vögel natürlich) ausgestorben sind, können wir die Evolution der Dinos verstehen, und das erlaubt uns, gewisse Vorhersagen zu machen. Als die ersten Dinosaurier mit Federn entdeckt wurden, war das zwar eine Sensation, aber für viele auch eine Bestätigung dessen, was sie lange erwartet hatten. Und wir verstehen die Evolution der Dinos gut genug, dass die meisten neuen Fossilienfunde zwar spannend, aber nicht vollkommen überraschend sind, sondern sich gut in unser Wissen einfügen.

Verstehen ist also immer etwas Operatives - ich verstehe etwas, wenn ich mir vorstellen kann, wie dieses etwas sich in gewissen Situationen verhalten wird. Ein oberflächliches Verständnis beschränkt sich auf ein bloßes Nachvollziehen von Gedanken, aber je tiefer das Verständnis wird, desto mehr kann ich damit anfangen und desto besser kann ich vorhersagen, was unter bestimmten Bedingungen passieren wird.

Kann man also das Higgsteilchen verstehen?
Das kommt anscheinend ganz darauf an, auf welchem Niveau sich dieses "Verstehen" abspielen soll - ein gewisses Grundverständnis kann vermutlich fast jeder gewinnen, auf mathematisch tiefer Ebene dürften es tatsächlich nur sehr wenige Menschen sein, die das Higgsteilchen wirklich verstehen. Und angesichts der Komplexität der Theorie ist es nicht ausgeschlossen, das morgen irgend eine schlaue Physikerin eine Konsequenz der Theorie berechnet, an die bisher noch niemand gedacht hat - dann müsste man sagen, dass niemand das Higgsteilchen vollkommen versteht.