Physik Journal 5 / 2017

Als ein Meilenstein dieser Bewegung in Deutschland gilt die „Berliner Erklärung über den offenen Zugang zu wissenschaftlichem Wissen“ aus dem Jahr 2003.1) Diese verdeutlicht die Bedeutung des Internets zur Verbreitung von wissenschaftlichem Wissen und kulturellem Erbe und kommt zu dem Schluss, dass die damit verbundenen Entwicklungen das Wesen des wissenschaftlichen Publizierens erheblich verändern werden. Die Berliner Erklärung verfolgt das Ziel, „das Internet als Instrument für eine weltweite Basis wissenschaftlicher Kenntnisse und menschlicher Reflektion zu fördern.“ Denn unsere Aufgabe, Wissen weiterzugeben, sei nur halb erfüllt, wenn diese Informationen für die Gesellschaft nicht in umfassender Weise und einfach zugänglich seien. Zu den ersten Unterzeichnern der Erklärung gehörten in Deutschland die Fraunhofer- und Max-Planck-Gesellschaft, der Wissenschaftsrat, die Hochschulrektorenkonferenz, die Leibniz- und Helmholtz-Ge­mein­schaft sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft. Heutzutage haben bereits über 500 Ins­ti­tu­tionen weltweit die Erklärung unterschrieben.

Doch der Übergang zu Open Access geht langsam voran: Seit der Berliner Erklärung sind Jahre vergangen, und dennoch liegt der Anteil reiner Open-Access-Veröffentlichungen immer noch bei nur 15 Prozent – obwohl fast 90 Prozent der Wissen­schaftler überzeugt sind, dass es vorteilhaft für ihr Forschungsfeld und die Arbeitsweise ihrer Community ist, ihre Artikel frei zugänglich zu publizieren. Zu diesem Ergebnis kam die groß angelegte „Study of Open Access Publishing“ (SOAP), die im Rahmen des siebten Forschungsrahmenprogramms der Europäischen Kommission gefördert und vom CERN koordiniert wurde.2) Darin wurden die Antworten von fast 40 000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aller Disziplinen weltweit ausgewertet, die mindestens eine Publikation in einer Peer-Review-Zeitschrift in den letzten fünf Jahren vor der Umfrage veröffentlicht hatten. Mehr als 3000 Antworten stammten von Forschern aus der Physik oder Astro­nomie...

Was verbindet die sieben Brücken in Königsberg, Schwarze Löcher und Krawatten? All dies sind Beispiele dafür, wie sich grundlegende Fragen mit topologischen Mitteln beantworten lassen. Topologie erklärt, weshalb sich kein Rundweg über die sieben Königsberger Brücken finden lässt, dass Schwarze Löcher im Universum eine Singularität besitzen müssen und wieso es genau 266 682 Möglichkeiten gibt, eine Krawatte zu binden [1].

Die Topologie ist als eigene mathematische Disziplin noch vergleichsweise jung. In einfachen Worten befasst sie sich mit den Eigenschaften geometrischer Gebilde, die bei „elastischen Verformungen“ wie Dehnen, Stauchen, Verbiegen oder Verzerren erhalten bleiben. Man sagt, die betreffenden Gebilde seien topo­logisch äquivalent oder „homöomorph“: Anschaulich gesagt bleiben Randpunkte weiterhin Randpunkte, und Kreuzungen bleiben Kreuzungen, selbst wenn sich Winkel und Abstände ändern (Abb. 1). Außerdem bleibt ein geschlossener Linienzug als solcher erhalten. ,,Auf dem Rand liegend”, ,,innen”, ,,außen”, ,,sich schneidend”, ,,geschlossen” sind topologisch invariante Eigenschaften. Topologie formalisiert den Begriff „Nähe“, ähnlich wie die algebraischen Strukturen die Rechengesetze formalisieren. Ziel ist es dabei, eine Menge von Objekten zu klassifizieren, d. h. topologisch äquivalente Objekte in Klassen zusammenzufassen...

Die meisten mehrzelligen Organismen haben ihren Ursprung in einer einzigen Zelle, der so genannten Eizelle. Nach der Befruchtung teilt sich diese wiederholt, und aus den vielen entstandenen Zellen bildet sich Gewebe aus. Zwei verschiedene Prozesse sind dafür von Bedeutung: Einerseits sorgen Mus­terbildungsprozesse dafür, dass sich Signal­­proteine innerhalb des Embryos asymmetrisch verteilen, und etablieren dadurch ein „embryonales Koordinaten­system“ (Abb. 1). Andererseits verformt sich Gewebe im Embryo kontinuierlich mittels autonom erzeugter mechanischer Kräfte und Spannungen, um die eigent­liche Struktur und Form zu erreichen. Dieser Prozess der Entstehung von biologischer Form heißt Morpho­genese (Abb. 2). Musterbildung und Morphogenese lassen sich bis zu einem gewissen Grad in der Entwicklungsbiologie getrennt untersuchen [1, 2]. Eine Reihe neuer Studien deutet jedoch darauf hin, dass beide Prozesse im Wachstum lebender Organismen häufig untrennbar verwoben und nur gemeinsam zu betrachten sind [3].

Systeme, in denen regulative und mechanische Prozesse der Muster- und Formgebung verwoben sind, werden als mechanochemisch bezeichnet. Ein Beispiel hierfür sind mechanochemische Selbstorganisationsprozesse in Kolonien von Escherichia Coli-Bakterien (Abb. 3). Diese Bakterien sind mobil und bewegen sich mittels eines Bündels rotierender Flagella gerichtet vorwärts. Außer­dem können sie sich aktiv entlang eines Konzentrationsgradienten von Nährstoffen und in Richtung erhöhter Konzentrationen spezieller Boten­stoffe bewegen – eine Eigenschaft, die Chemotaxis genannt wird [4]. Dabei scheiden die E. Coli-Bakterien einen dieser Botenstoffe selbst aus. Als Folge davon bewegen sich mehr Bakterien auf Regionen zu, in denen die Konzentration der Botenstoffe erhöht ist. Gleichzeitig steigt aber die Botenstoffkonzentration in Regionen erhöhter Bakteriendichte an, sodass sich spontan eine räumlich inhomogene Konzentration von Bakterien und Botenstoffen einstellt. Verlieren die Bakterien die Fähigkeit, sich aktiv fortzubewegen oder Botenstoffe zu produzieren, verschwinden diese Muster: Ihre Bildung hängt sowohl von einem regulativen Prozess – der Produktion und Ausscheidung des Botenstoffs – als auch von einem mechanischen Prozess – dem aktiven Fortbewegen in Richtung erhöhter Botenstoffkonzentration – ab und wird deshalb als „mechanochemisch“ bezeichnet [3, 5]...