Vom Urknall zum Leben: Wie die Natur Strukturen schafft

Die Welt, wie wir sie wahrnehmen, wirkt geordnet: Galaxien zeigen klare Muster, Wasser fließt, Magneten ziehen an, Leben organisiert sich in Zellen. Doch auf der Ebene der Teilchen herrschen chaotische Bewegungen, ständige Zusammenstöße, eine kaum erkennbare Ordnung. Wie kann daraus etwas entstehen, das Struktur hat?

Im neuen Fokusbereich ANBauEn widmen sich Forschende diesem Phänomen über Disziplingrenzen hinweg. „Oft hat eine übergeordnete Struktur ganz andere Eigenschaften als ihre Einzelteile“, sagt der Teilchenphysiker Professor Dr. Sören Schlichting, der dabei von Emergenz spricht: Wenn Wasser etwa vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, ändern sich plötzlich Dichte, Volumen und Fließverhalten, obwohl die Moleküle dieselben bleiben. An einem bestimmten Punkt ist Wasser sogar zugleich flüssig und gasförmig.

In der Hochenergiephysik finden sich ähnliche Phänomene bei extremer Dichte und Temperatur im Atomkern – allerdings laufen diese Übergänge so schnell ab, dass sie kaum direkt messbar sind. „Deshalb fragen wir uns, wie sich bestimmte Eigenschaften des Wassers auf Prozesse im Atomkern übertragen lassen“, sagt Schlichting, Sprecher des Fokusbereichs.

© Stefan Sättele

Prof. Dr. Sören Schlichting untersucht, wie aus winzigen chaotischen Systemen geordnete Strukturen entstehen.

Vom Magneten zur Galaxie: Strukturen überall. Eine zentrale Frage treibt die Beteiligten an: Gibt es universelle Prinzipien, die bei allen Messgrößen gelten, vom subatomaren Bereich bis zu galaktischen Strukturen? Lassen sich Vorgänge in kleinsten Strukturen bis auf allergrößte Strukturen übertragen – und umgekehrt?

Vom winzigen Magneten, dem Aufbau des Nervensystems bis hin zur Galaxie scheint die Natur sich nach gewissen wiederkehrenden Mustern zu organisieren. In Magneten zum Beispiel richten sich mikroskopisch kleine Bereiche, sogenannte Domänen, in eine bestimmte Richtung aus, was sich auf das gesamte Material auswirkt. Ähnlich lässt sich in der Astrophysik beobachten, wie schwarze Löcher Energie nicht nur verschlingen, sondern über energiereiche Jets auch wieder abgeben, was ihre Umgebung beeinflusst: Die Entstehung von Sternen wird gebremst, Temperaturverteilungen ändern sich, Galaxien ordnen sich neu.

© Universität Bielefeld/Sarah Jonek

Prof. Dr. Dominik Schwarz sucht die universellen Regeln, die aus dem Chaos von Atomen, Wasser und Sternen Strukturen formen.

Umgang mit Daten

Dabei stellt sich immer wieder auch die Frage: Wie detailliert muss man messen, um komplexe Systeme zu verstehen? „Was beeinflusst, wie eine Galaxie aussieht? Und reicht es, zu wissen, dass sich dort ein schwarzes Loch befindet – oder muss man wissen, ob es zehn sind?“, fragt Professor Dr. Dominik Schwarz, ebenfalls Sprecher von ANBauEn.

Solche Überlegungen gelten auch für die Erde: In der Meteorologie etwa kann ein Luftdruckwert für ganz Nordrhein-Westfalen ausreichen – oder eben nicht, je nach Wetterlage. Ähnliche Herausforderungen gelten in der Astrophysik und Teilchenforschung: Häufig geht es um die richtige Balance zwischen Datenfülle und Aussagekraft.

Auch der Umgang mit riesigen Datenmengen ist ein Thema im Fokusbereich. „Oft liegen uns so viele Daten vor, dass klassische Methoden an ihre Grenzen stoßen“, sagt Schwarz. Deshalb entwickelt das Team eigene Tools, die auch für Forschende ohne IT-Expertise zugänglich sind, um sie bei der Auswertung zu unterstützen.

Galaxien als kosmische Spurenträger

Wie ordnet sich das Universum? Warum sind manche Bereiche des Kosmos von Galaxien durchzogen – und andere fast leer? Diese Fragen stehen im Zentrum der Arbeit von Professorin Dr. Cora Uhlemann. Die Kosmologin untersucht mit einem ERC-geförderten Projekt die großräumige Verteilung von Milliarden Galaxien, beeinflusst durch Dunkle Materie und Dunkle Energie. Die Forschung gehört zum Fokusbereich ANBauEn.

Mit dem Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) werden Nachwuchswissenschaftler*innen gefördert, die durch hervorragende Arbeiten aufgefallen sind. „Meine Forschung beschreibt die Verteilung von Milliarden von Galaxien jenseits des Mittels, um das Beste aus den Beobachtungen des Euclid-Teleskops herauszuholen“, sagt Uhlemann. Ziel ist es, Rückschlüsse auf die Bausteine und die Entwicklung des frühen Universums zu ziehen.

© ESA

Das Euclid-Teleskop sammelt Daten von Milliarden Galaxien, die aus Gas- und Staubnebeln entstanden sind. Ein Ziel ist es, damit die großräumige Struktur des Universums zu verstehen.

Viele Methoden sind übertragbar

Die beteiligten Forschenden aus Physik, Biologie, Chemie, Mathematik, der Medizinischen Fakultät OWL und der Technischen Fakultät arbeiten mit unterschiedlichen Werkzeugen. So vielfältig wie die Fragestellungen sind auch die Methoden: Während in der Chemie meist reale Stoffwerte gemessen werden, simulieren Physiker*innen oft Strukturen und Dynamiken, Biolog*innen wiederum untersuchen meist lebende Systeme.

Im Bielefelder Ursuppen-Experiment simulieren die Forschenden gemeinsam die Bedingungen, die auf der frühen Erde herrschten. Sie erforschen, wie Aminosäuren als Bausteine des Lebens entstehen könnten. „Dabei geht es nicht nur darum, wie Leben entstanden, sondern auch wie es ins Universum gelangt sein könnte“, sagt Schwarz.

Das zentrale Verbundprojekt im Fokusbereich ANBauEn ist der Transregio-Sonderforschungsbereich 211, der seit 2017 die extremen Zustände von Materie erforscht und jetzt verlängert wurde. In der Veranstaltungsreihe „Physik am Samstag“ am 17. Januar geht es darum, was die Wissenschaftler*innen in dem Verbund den nächsten Jahren erforschen wollen.

Trotz unterschiedlichster Herangehensweisen sprechen die Beteiligten des Fokusbereichs eine gemeinsame Sprache. „Wir stellen Hypothesen auf, testen sie und passen sie an“, sagt Dominik Schwarz. Der Fokusbereich umfasst derzeit rund 30 Forschende – Tendenz steigend. Besonders Nachwuchswissenschaftler*innen sollen in Zukunft stärker eingebunden werden. Seminare zu Querschnittsthemen wie Phasenübergängen oder emergenten Systemen sind bereits in Planung.

Der Fokusbereich ANBauEn

Vollständiger Name:
Architektur der Natur: Elementare Bausteine und
Entstehung neuer Strukturen (ANBauEn)

Sprecher:
Prof. Dr. Sören Schlichting, Prof. Dr. Dominik Schwarz

Koordination:
Dr. Bastian Brandt.

Fakultäten:
Biologie, Chemie, Mathematik, Physik, Technische Fakultät,
Medizinische Fakultät OWL

Institution:
Centrum für Biotechnologie (CeBiTec)

Website:
uni-bielefeld.de/forschung/profil/
fokusbereiche/anbauen

Hintergrund:
Fokusbereiche sind fakultätsübergreifende Forschungsnetzwerke der Universität. Jeder der 13 Fokusbereiche vertieft erfolgreiche Forschungsansätze und extern begutachtete Forschungsvorhaben – eine starke Grundlage für wissenschaftliche Exzellenz.