Archiv der Kategorie: Biologie

Technion-Forscher entdecken effiziente Methode zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff

Technion-Forscher haben ein neues System entwickelt, um mit wenig Energie und kostengünstigen Materialien Wasserstoff aus Wasser herzustellen

Die Wasserelektrolyse ist eine einfache Möglichkeit, Wasserstoffgas zu erzeugen. Während Wasserstoff als sauberer, erneuerbarer Kraftstoff gilt, erfordert eine effiziente Elektrolyse ein hohes elektrisches Potenzial, einen hohen pH-Wert und in den meisten Fällen Katalysatoren auf Basis von Ruthenium und anderen teuren Metallen. Aufgrund des inhärenten Versprechens von Wasserstoff streben viele Forschungsgruppen an, Elektrolysetechnologien zu entwickeln, die es ermöglichen, Wasserstoffkraftstoff bei einem niedrigen elektrischen Potenzial, bei einem pH-Wert zwischen 7-9 und mit Katalysatoren auf Basis verfügbarer und kostengünstiger Metalle wie z Kupfer, Mangan und Kobalt herzustellen.

Aktuell haben Technion-Forscher ein einzigartiges System zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit wenig Energie und kostengünstigen Materialien entwickelt, wie das Journal of the American Chemical Society kürzlich berichtete. Es ist das schnellste bisher beschriebene System seiner Art, das mit verfügbaren Metall-(Kupfer-)Katalysatoren arbeitet. Die Forschung wurde von Professor Galia Maayan, Leiterin des Labors für biomimetische Chemie an der Fakultät für Chemie in Schulich, zusammen mit dem Doktoranden Guilin Ruan geleitet.

Die Forscher entwarfen und entwickelten ein homogenes Elektrolysesystem, also ein System, bei dem der Katalysator in Wasser löslich ist, sodass sich alle Komponenten des Systems im gleichen Medium befinden. Das innovative und originelle System basiert auf (1) Kupferionen; (2) ein peptidähnliches Oligomer (kleines Molekül), das das Kupfer bindet und seine Stabilität beibehält; und (3) eine Borat genannte Verbindung, deren Funktion es ist, den pH-Wert innerhalb eines begrenzten Bereiches zu halten. Die wichtigste Entdeckung in dieser Studie ist der einzigartige Mechanismus, den die Forscher entdeckten und demonstrierten: Die Boratverbindung hilft, das Metallzentrum zu stabilisieren und beteiligt sich an dem Prozess, sodass es katalysiert.

In früheren Studien zeigte die Forschungsgruppe die Wirksamkeit der Verwendung peptidähnlicher Oligomere zur Stabilisierung von Metallionen, die Sauerstoff ausgesetzt sind – eine Exposition, die sie in Abwesenheit des Oligomers oxidieren und den Katalysator abbauen kann. Jüngst berichten die Forscher über den Erfolg, ein sehr effizientes und schnelles Elektrolysesystem zu schaffen. Das stabile System oxidiert das Wasser unter den gleichen gewünschten Bedingungen zu Wasserstoff und Sauerstoff: niedriges elektrisches Potenzial, pH-Wert nahe 9 und kostengünstige Katalysatoren.

Inspiriert wurde das System laut Prof. Maayan von Enzymen (biologischen Katalysatoren), die die Peptidkette des Proteins nutzen, um das metallische Zentrum zu stabilisieren, und von natürlichen energetischen Prozessen wie der Photosynthese, die von Einheiten angetrieben werden, die Sonnenenergie nutzen, um Elektronen und Protonen zu transportieren .

Die Forschung wurde von der Israel Science Foundation (ISF) und dem Nancy and Stephen Grand Technion Energy Program unterstützt.

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Forschungsbericht

Frühe Landpflanzen entwickelten sich aus Süßwasseralgen, zeigen Fossilien

Die Ergebnisse schließen eine 25 Millionen Jahre lange Lücke zwischen der „molekularen Uhr“ und dem Fossilienbestand von Pflanzen

Chestnut Hill, Massachusetts (12.08.2021) — Laut eines neuen Berichts von Forschern in der Zeitschrift „Science“, die sporenähnliche Mikrofossilien mit Eigenschaften, die unser konventionelles Verständnis der Evolution von Landpflanzen in Frage stellen und neu untersucht haben, muß die Welt möglicherweise anders über Pflanzen nachdenken.

Gefunden in Gesteinsproben, die vor mehr als 60 Jahren in Australien gefunden wurden, füllen die Mikrofossilien aus dem unteren Ordovizium vor etwa 480 Millionen Jahren eine Wissenslücke von etwa 25 Millionen Jahren, indem sie die molekulare Uhr – oder das Tempo der Evolution – mit dem fossilen Sporennachweis – den physischen Beweisen für das frühe Pflanzenleben, die Wissenschaftler im Laufe der Jahre gesammelt haben in Einklang bringen.

Diese Versöhnung unterstützt ein evolutionäres Entwicklungsmodell, das den Ursprung von Pflanzen mit Süßwassergrünalgen oder Charophytenalgen verbindet, sagte Paul Strother, Paläobotaniker des Boston College, ein Co-Autor des neuen Berichts. Das „evo-devo“-Modell postuliert ein differenzierteres Verständnis der Pflanzenevolution im Laufe der Zeit, von der einfachen Zellteilung bis zu den ersten embryonalen Stadien, anstatt große Sprünge von einer Art zur anderen.

„Wir fanden eine Mischung aus Fossilien, die ältere, problematischere sporenähnliche Mikrofossilien mit jüngeren Sporen verbinden, die eindeutig von Landpflanzen stammen“, sagte Strother. „Dies hilft, den fossilen Sporenbestand mit den Daten der molekularen Uhr in Einklang zu bringen, wenn wir die Entstehung von Landpflanzen als einen langfristigen Prozess betrachten, der die Evolution der Embryonalentwicklung beinhaltet.“

Der Fossilienbestand bewahrt direkte Beweise für den evolutionären Zusammenbau des regulatorischen und Entwicklungsgenoms der Pflanze, fügte Strother hinzu. Dieser Prozess beginnt mit der Evolution der Pflanzenspore und führt zur Entstehung von Pflanzengeweben, Organen und schließlich makroskopischen, vollständigen Pflanzen – vielleicht ein bisschen ähnlich wie heute lebende Moose.

„Wenn wir Sporen als einen wichtigen Bestandteil der Evolution von Landpflanzen betrachten, gibt es keine Lücke mehr im Fossilienbestand zwischen molekularer Datierung und fossiler Gewinnung“, sagte Strother. Ohne diese Lücke „haben wir ein viel klareres Bild von einem ganz neuen Evolutionsschritt: von der einfachen Zellularität zur komplexen Vielzelligkeit.“

Infolgedessen müssen Forscher und die Öffentlichkeit möglicherweise überdenken, wie sie den Ursprung von Landpflanzen sehen – diesen entscheidenden Schritt des Lebens vom Wasser zum Land, sagte Strother.

„Wir müssen uns davon lösen, den Ursprung von Landpflanzen als eine Singularität in der Zeit zu betrachten, und stattdessen den Fossilienbestand in ein Evo-Devo-Modell der Genommontage über Millionen von Jahren während des Paläozoikums integrieren – insbesondere zwischen dem Kambrium und dem Devon Spaltungen innerhalb dieser Ära“, sagte Strother. „Dies erfordert eine ernsthafte Neuinterpretation problematischer Fossilien, die zuvor als Pilze und nicht als Pflanzen interpretiert wurden.“

Strother und Co-Autor Clinton Foster von der Australian National University wollten einfach eine Ansammlung sporenähnlicher Mikrofossilien aus einer Ablagerung aus dem frühen Ordovizium vor etwa 480 Millionen Jahren beschreiben. Dieses Material füllt eine Lücke von etwa 25 Millionen Jahren im fossilen Sporenbestand und verbindet gut akzeptierte jüngere Pflanzensporen mit älteren, problematischeren Formen, sagte Strother.

Strother und Foster untersuchten Populationen fossiler Sporen, die aus einem 1958 im Norden Westaustraliens gebohrten Gesteinskern gewonnen wurden. Diese Mikrofossilien bestehen aus hochresistenten organischen Verbindungen in ihren Zellwänden, die strukturell Vergraben und Versteinerung überleben können. Sie wurden am Boston College und an der Research School of Earth Sciences der ANU unter Verwendung von Standardlichtmikroskopie untersucht.

„Wir verwenden fossile Sporen, die aus Gesteinsbohrkernen gewonnen wurden, um eine Evolutionsgeschichte von Pflanzen zu konstruieren, die bis zum Ursprung der Pflanzen von ihren Algenvorfahren zurückreicht“, sagte Strother. „Wir haben eine unabhängige Alterskontrolle dieser Gesteinsproben, also untersuchen wir die Evolution, indem wir die Veränderungen der Sporenarten untersuchen, die im Laufe der Zeit auftreten.“

Molekularbiologen betrachten auch die Evolutionsgeschichte im Laufe der Zeit, indem sie Gene aus lebenden Pflanzen verwenden, um den Zeitpunkt des Pflanzenursprungs mithilfe von „molekularen Uhren“ abzuschätzen – eine Messung der evolutionären Divergenz basierend auf der durchschnittlichen Rate, mit der sich Mutationen im Genom einer Art ansammeln.

Es gibt jedoch riesige zeitliche Diskrepanzen, die bis zu zig Millionen Jahre betragen können, zwischen direkten fossilen Daten und molekularen Uhrendaten, sagte Strother. Darüber hinaus gibt es ähnliche Zeitabstände zwischen den ältesten Sporen und dem ersten Auftreten tatsächlicher ganzer Pflanzen.

Diese Lücken führten zu Hypothesen über einen „fehlenden Fossilienbestand“ der frühesten Landpflanzen, sagte Strother.

„Unsere Arbeit versucht, einige dieser Fragen zu lösen, indem wir den fossilen Sporenbestand in ein evolutionäres Entwicklungsmodell der pflanzlichen Herkunft von Algenvorfahren integrieren“, sagte Strother.

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Aufstrebendes Vibrionen-Risiko in hohen Breiten als Reaktion auf die Erwärmung der Meere

Es herrscht zunehmend Besorgnis in Bezug auf die Rolle des Klimawandels bei der Beschleunigung der Verbreitung wasserbasierter bakterieller Infektionskrankheiten. Hier sehen Forscher Zusammenhänge zwischen beobachteten Veränderungen der Umwelt im Ostseeraum und dem jüngsten Auftreten von Vibrio-Infektionen und auch Prognosen zukünftiger Szenarien der Gefahr von Infektionen in Korrespondenz mit prognostizierten Erwärmungstrendstrends.

Bei der Untersuchung von Datensätzen der langfristigen Temperatur der Meeresoberfläche fanden die Wissenschaftler heraus, daß die Ostsee sich mit einer beispiellosen Geschwindigkeit erwärmt. Die Wassertemperaturtrends von 1982 bis 2010 zeigen ein Erwärmungsmuster von 0,063-0,078° C jährlich (6,3 bis 7,8° C pro Jahrhundert), die zusammen mit den jüngsten Spitzenwerten in der Geschichte der Messungen für diese Region ihresgleichen suchen. Diese Erwärmungsmuster treten in Zusammenhang mit dem unerwartet häufigen Auftreten von Vibrio-Infektionen im Norden Europas, in vielen Schwerpunktenn im gesamten Ostseeraum auf. Die Anzahl und Verteilung der Fälle korrespondiert eng mit den zeitlichen und räumlichen Spitzen der Oberflächentemperaturen der Meeresoberfläche. Dies ist einer der ersten empirischen Beweise dafür, daß der anthropogene (menschengemachte) Klimawandel die Entstehung von vibrionenbasierten Krankheiten in den gemäßigten Zonen durch die Auswirkungen auf die ansäßigen bakteriellen Gemeinschaften erhöht, was mit sich bringt, daß dieser Prozess eine Neugestaltung der Verbreitung von Infektionskrankheiten in globalem Maßstab zur Folge hat.

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In Anbetracht dieses seltsamen „Sommers“, man beachte das Wetter hierzulande, im Mittelmeerraum und jüngst in China, ist eine Leugnung des Klimawandels wissenschaftlich unhaltbar.

Forscher entwickeln neues Verfahren zur Gewinnung von Zahnseide

Einem Forscherteam unter Federführung des Biologen Dr. Lepidoptera, Uni Jesteborough, ist unter Verwendung genmanipulierter Seidenraupen, Bombyx mori, die Herstellung von PTFE-ummantelten Spinnfäden gelungen. Um zu den gewünschten Materialeigeschaften zu gelangen war zunächst eine Nährlösung auf der Basis halogenierter anorganischer Salze synthetisiert worden. Da Seidenraupen üblicher Weise ausschließlich die Blätter des Maulbeerbaumes konsumieren, war die Suche nach einem Ersatzfutter aufwendig und zeitintensiv.

Es gelang schließlich, ausgewählte Pflanzen der Birkenfeige (Ficus benjamina) zur Aufnahme der fluorierten Nährlösung anzuregen. Hierzu erfolgte eine Begasung der Pflanzen mit dem aus der Ananasreifung bekannten Ethin. Die so vorbereiteten Birkenfeigen bildeten Blätter, die zum einen von den Seidenraupen als Nahrung akzeptiert wurden, und zum anderen die notwendigen Moleküle zur späteren Seidenfadenummantelung enthielten.

Nach dem Verzehr adäquater Mengen an Ficus-Blättern begannen sich die Seidenraupen einzuspinnen und zu verpuppen. Während dieses Vorgangers war ein leichter Fluorgeruch wahrzunehmen. Nach Abkochen der Raupen konnte der Zahnseidefaden abgehaspelt werden. Die Forscher waren von der Leichtgängigkeit der Fäden in den Zahnzwischenräumen und der Zugfestigkeit des Filaments angenehm überrascht.

Offenbar führte die Genmanipulation der Spinndrüsen an Bombyx mori zu einer vollkommen unüblichen Struktur der Seidenfäden. Die Fluorierung der Nährsalzlösung zur Düngung der Birkenfeigen bewirkte beim Verspinnen die charakteristische PTFE-Ummantelung der Fäden.

Die kompletten Forschungsergebnisse sind im Wissenschaftsmagazin „Floss“ nachzulesen.

Klebende Füße der Baumfrösche verfügen über einen Selbstreinigungsmechanismus

Baumfrösche (Litoria caerulea) verfügen über speziell ausgerüstete selbstreinigende klebrige Füße, die praktische Anwendungen im medizinischen Bereich ermöglichen könnten. Die Füße von Baumfröschen weisen ein Design auf, daß sich für die selbsttätige Reinigung von klebrigen Oberflächen in der Praxis als nützlich erweisen und zu einer ganzen Palette von Produkten vor allem in verschmutzenden Umgebungen führen könnte – medizinische Bandagen, leistungsfähige Reifen und sogar dauerhafter Klebstoff“, sagt Forscher Niall Crawford von der Universität von Glasgow, die diese Arbeit bei der jährlich stattfindenden Konferenz der Gesellschaft für Experimentelle Biologie in Glasgow am 3. Juli 2011 präsentierte.

Baumfrösche haben Haftpads auf ihren Zehen, die sie verwenden, um sich in schwierigen Situationen anzuklammern, aber bis jetzt war es unklar, wie diese Pads vor dem Anheften von Schmutz schützen. „Interessanterweise sind es die gleichen Faktoren, die den Baumfröschen das festklammern ermöglichen und auch für die Reinigung der klebrigen Oberfläche sorgen. Um ihre Füße kleben die Frösche Schleim, sie können dann ihre Haftung erhöhen, indem sie ihre Füße gegen die Oberfläche pressen, um die Reibung zu erhöhen. Wir haben nun gezeigt, daß der Schleim in Verbindung mit der Bewegung den Fröschen ermöglicht, die Füße während des Laufens zu reinigen.“, sagte Crawford.

Die Forscher platzierten die Frösche auf einer rotierenden Plattform und maßen den Winkel, von dem an die Frösche den Halt verloren. Als das Experiment mit Fröschen, deren Füße mit Staub verunreinigt waren, wiederholt wurde, verloren sie zunächst den Grip, aber wenn sie ein paar Schritte machten, nahmen ihre Haftkräfte wieder zu. „Wenn sich die Frösche nicht bewegen, werden die Haftkräfte wieder viel geringer.“, sagt Crawford. Dies zeigt, daß nur ein Schritt den Fröschen ermöglicht, ihre Füße zu säubern und die Wiederherstellung ihrer Haftfähigkeit zu ermöglichen.“

Baumfrösche haben winzige sechseckige Muster auf ihren Füßen, von denen einige Teile der Sohle in Kontakt mit der Oberfläche bleiben und Reibung erzeugen, während die Kanäle zwischen den Waben ermöglichen, daß sich der Schleim in der gesamten Sohle ausbreiten kann. Dieser Schleim erlaubt den Fröschen, sowohl an der Oberfläche kleben zu bleiben, als auch den Schmutz fort zu führen. Wenn dies in ein von Menschen gemachtes Design umgesetzt werden kann, könnte es zu der Herstellung eines wieder verwendbaren, effizienten Klebstoffes führen.

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Ameisenkolonien mit Arbeiterinnen selektiver Aggressivität sind erfolgreicher

Eine Studie an der Ameisenart Temnothorax longispinosus hat ergeben, daß sie ihren schlimmsten Feind erkennen und mit entsprechender Aggression reagieren kann. Die Ameisenkolonien werden oft von sozialparasitären Ameisen, die ihre Puppen stehlen , überfallen. Wenn also die Ameisen einen sie verslaven wollenden Angreifer wahrnehmen,  versuchen sie, ihn durch Beißen und Stechen zu töten.

Die Insekten setzen ihre Abwehr jedoch selektiv ein und verschwenden keine Energie für weniger bedrohliche Eindringlinge. Diese Erkenntnisse wurden in der Zeitschrift Ethologie veröffentlicht. Das Forscherteam das unter der Federführung von Inon Scharf und Susanne Foitzik an der Mainzer Johannes Gutenberg-Universität in Deutschland gearbeitet hat, wollte herausfinden, wie diese sozial komplexen Insekten auf das Eindringlinge von verschiedenen Arten reagieren würden. Dazu brachten sie Ameisenkolonien in ihr Labor. In freier Wildbahn bewohnt T. longispinosus gemischte Laubwälder im Nordosten der USA, und nistet in Hohlräumen von Eicheln oder klebt sich an Laubdetritus an.

„Wir stellten Arbeiter aus vier verschiedenen Ameisenarten in den Ameisenkolonien auf“, so Dr. Scharf gegenüber BBC Nature. „Die erste war eine nicht weit verbreitete Art, die sich nicht diesen Lebensraum mit den anderen Ameisenarten teilt. Die zweite war eine Ameise aus der gleichen Spezies und die dritte war ein verbreiteter Konkurrent – Eine verwandte Spezies, die den gleichen Bereich bewohnt.“Schließlich stießen die Ameisen auf den gefährlichen Eindringling, die versklavende Art. Sklavenmacher dringen in andere Ameisenkolonien ein und stehlen ihre Brut und Töten häufig die Königin des Stammes und die Arbeiterinnen in einem Aufwasch. Die versklavten Arbeiter schlüpfen aus den gestohlenen Puppen im Inneren des Sklavenmacher Nestes. Anschließend führen sie Routineaufgaben für die Puppenräuber aus – Pflege der Königin, Aufzucht der Jungen und Nahrungssuche.Wenn die kleine Art T. longispinosus von Beute machenden Ameisen angegriffen wird, greifen sie diese an – durch Beißen und Stechen.Wenn sie auf weniger bedrohliche Gegner trafen, versuchten sie einfach, diese aus dem Nest zu ziehen. Es ist überraschend – sie machen einen klaren Unterschied“, sagte Dr. Scharf. „Aber es macht Sinn in Bezug auf die Evolution.“. „Sie verschwenden ihre Energie nicht, indem sie auf jeden Eindringling mit aller Härte reagieren. Es ist vielmehr logisch, ihre Reaktion auf die Bedrohung jeweils anzupassen.“

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