Große Traummaschinen und sich selbst bauen

Als Erstes diese Woche eine Geschichte über einen Hersteller der größten Maschinen. Produzent Kevin McLean spricht mit Staff Writer Adrian Cho über Adrians Vater und sein anderes Baby: ein Röntgensynchrotron.

Als nächstes werfen wir in dieser Folge einen Blick auf selbstorganisierende Landschaften. Gastgeberin Sarah Crespi und Chi

Schließlich erörtert Jackie Oberst, stellvertretende Redakteurin für Custom Publishing, in einem gesponserten Beitrag des Science/AAAS Custom Publishing Office die Herausforderungen, mit denen Nachwuchsforscher konfrontiert sind, und wie eine gezielte Finanzierung dieser Gruppe ihren zukünftigen Erfolg ermöglichen kann. Sie spricht mit Gary Michelson, Gründer und Co-Vorsitzender von Michelson Philanthropies, und Aleksandar Obradovic, dem diesjährigen Hauptpreisträger des jährlichen Michelson Philanthropies and Science Prize for Immunology.

Die Folge dieser Woche wurde mit Hilfe von Podigy produziert.

Über den Wissenschaftspodcast

TRANSKRIPT

0:00:05.7 Sarah Crespi: Dies ist der Science-Podcast für den 5. Mai 2023. Ich bin Sarah Crespi. Als Erstes diese Woche eine Geschichte über einen Hersteller der größten Maschinen. Produzent Kevin McLean spricht mit dem Nachrichtenautor Adrian Cho über Adrians Vater und sein anderes Baby und das Röntgen-Synchrotron. Als nächstes werfen wir einen Blick auf selbstorganisierende Landschaften. Chi Schließlich spricht Jackie Oberst in einem von unserem Custom Publishing-Büro gesponserten Beitrag mit Gary Michelson, dem Gründer und Co-Vorsitzenden von Michelson Philanthropies. Und Aleksandar Obradovic, der diesjährige Hauptpreisträger des Michelson Philanthropies and Science Prize for Immunology.

0:01:00.0 Kevin McLean: In der Physik ist die Datenerfassung ein großes Unterfangen. Forscher bauen riesige Maschinen wie Teilchenbeschleuniger, ebnen damit oft neue Wege und erschaffen Dinge zum ersten Mal überhaupt. Tausende Wissenschaftler nutzen diese Einrichtungen, um neue Entdeckungen zu machen, doch mit der Zeit veralten sie und müssen modernisiert werden. Der Mitarbeiterautor Adrian Cho ist heute hier mit einer Geschichte, die sowohl ein Bericht über den Wiederaufbau der fortschrittlichen Photonenquelle im Argonne National Laboratory als auch ein persönlicher Aufsatz über die Arbeit seines verstorbenen Vaters ist, der diese riesige wissenschaftliche Maschine entwarf und baute in seiner ursprünglichen Form. Adrian, willkommen zurück zum Science-Podcast.

0:01:39.0 Adrian Cho: Danke, Kevin. Es ist schön, hier zu sein.

0:01:41,2 KM: Großartig. Lassen Sie uns zunächst über die Advanced Photon Source oder APS sprechen, wie sie wohl genannt wird. Dabei handelt es sich um einen Teilchenbeschleuniger im Argonne National Lab in Illinois. Aber was genau macht diese Maschine?

0:01:55,5 AC: Die sehr kurze Antwort, die Antwort in einem Satz ist, dass es sich um eine Röntgenquelle handelt, die sehr, sehr intensive, sehr stabile, sehr reine Röntgenstrahlen für die gesamte Wissenschaft erzeugt. So können Sie die Strukturen von Proteinen entschlüsseln, Sie können die atomaren Strukturen von Materialien, Risse in Baumaterialien und Motoren, Turbinenschaufeln und vieles mehr betrachten. Wenn es sich um Materie auf atomarer Ebene handelt, gibt es wahrscheinlich eine Möglichkeit, sie mit Röntgenstrahlen zu untersuchen. Sie sind nach wie vor die beste Möglichkeit, die atomare Struktur der Materie zu betrachten. Aber etwas genauer gesagt, das APS ist ein 1,1 Kilometer langer ringförmiger Beschleuniger, der technisch als Speicherring bekannt ist. Es ist eine Art Synchrotron, falls die Leute dieses Wort vielleicht schon einmal gehört haben. Was im Wesentlichen geschieht, ist, dass ein Elektronenstrahl aufgenommen wird, dieser auf hohe Energie beschleunigt und um diesen Ring geschickt wird. Dabei umkreisen sie den Ring etwa 300.000 Mal pro Sekunde, weil sie sich im Wesentlichen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

0:03:05.1 AC: Und es ist ein sehr grundlegender Teil der Physik, dass ein geladenes Teilchen wie ein Elektron, dessen Weg gebogen wird, strahlt. Wenn diese Elektronen also um den Ring flitzen, strahlen sie Röntgenstrahlen aus, und auf diese Weise kann man eine sehr intensive Röntgenquelle herstellen. Und eine Art, darüber nachzudenken, was eigentlich gar nicht so schlecht ist, ist, wenn man einen nassen Waschlappen nimmt und ihn an einer Ecke herumwirbelt, würde er Wasserperlen abwerfen. Und etwas Ähnliches passiert, wenn die Elektronen herumlaufen. Sie strahlen diese Röntgenstrahlen aus, die tangential vom Ring ausgehen, und sie gelangen in diese Röntgenstrahlrohre und werden dorthin geleitet. Ich glaube, sie haben rundherum 68 Experimentierstationen der Ring. Und so ist dieser Ring in den letzten 27 Jahren in Betrieb gewesen, um einige der hellsten Röntgenstrahlen der Welt zu erzeugen, und sie haben alles damit gemacht.

0:04:02,3 KM: Und diese Röntgenstrahlen, die sie jetzt verwenden, diese Röntgenstrahlen machen sozusagen das, was Sie sich vorstellen, mit... Eine Röntgenaufnahme würde tun, wo sie anders abgebildet wird Arten von Dingen und herauszufinden, wie Dinge aussehen oder was, wie wird das verwendet?

0:04:16,1 AC: Das ist mehr oder weniger alles, eine Maschine in einer Zahnarztpraxis oder in einer Arztpraxis, die einfach eine elektrische Ladung, einen Haufen Elektronen, in ein Stück Metall schlägt. Und wenn sie aufhören, strahlen sie Röntgenstrahlen aus. Und auf diese Weise kann man viele Röntgenaufnahmen machen, aber nichts ... [Gelächter] Die Röntgenaufnahmen, die man von einem dieser Geräte bekommt, richtig, die kommen in winzigen, winzigen kleinen Strahlen die sind unglaublich intensiv. Wenn Sie an eine medizinische Röntgenaufnahme denken, bekommen Sie doch nur ein Bild, oder? Wenn Sie Ihre Hand unter das Gerät legen, sehen Sie im Wesentlichen das, was Sie sehen, da die Röntgenstrahlen den Knochen nicht so gut durchdringen und das Bild nur den Schatten der Knochen darstellt. Aber Röntgenstrahlen können noch viel subtilere und kompliziertere Dinge bewirken. Wenn die Röntgenwellenlänge kurz genug ist, wie es bei der fortgeschrittenen Photonenquelle der Fall ist, kommt es dazu, dass die Röntgenstrahlen an verschiedenen Atomebenen in einem Kristall gestreut werden.

0:05:09,2 AC: Kristalle kann man sich als gestapelte Ebenen aus Atomen vorstellen. Und die Röntgenstrahlen werden an diesen Ebenen auf eine Weise gestreut, die es ermöglicht, die Kristallstruktur zu erkennen, und das nennt man Beugung. Und das ist ein unglaublich mächtiges Werkzeug. Und überraschenderweise hat es sich als wirklich großartig erwiesen, nämlich die Struktur von Proteinen und Biomolekülen zu bestimmen. Beispielsweise half die APS dabei, die Struktur von COVID-19 zu entschlüsseln, dem Virus, das COVID-19 verursacht. Es half bei der Entwicklung von Paxlovid und war an der Bestimmung von 35.000 Proteinstrukturen beteiligt. Also, ja, es ist mehr als nur eine Bildgebung, aber ja, das sind wahnsinnig intensive Röntgenstrahlen.

0:05:51,6 KM: Okay. Jetzt sind sie dabei, das System zu aktualisieren. Was genau wird das bedeuten und wie lange wird das dauern?

0:06:00,7 AC: Es wird einen kompletten Umbau der Maschine erfordern, die das Baby meines Vaters war. Daran hat mein Vater lange gearbeitet. Im Grunde genommen wird der gesamte Beschleuniger, bis auf einige Schlüsselteile, der gesamte Ring herauskommen und durch ein neues Design ersetzt, das diesen winzig kleinen Elektronenstrahl noch kleiner macht. Und das wird zu einer 500-fachen Steigerung der Helligkeit dieser Röntgenstrahlen führen, was alle möglichen neuen Dinge ermöglichen wird. Rechts? Um noch einmal auf das Beispiel zurückzukommen, über das wir gesprochen haben, die Struktur von Proteinen. Man kann bereits wirklich kleine Kristalle verwenden und eine Struktur aus einer Maschine wie dem APS herausholen, aber man kann noch kleiner werden, weil die Röntgenstrahlen 500-mal intensiver sein werden. Das ist es also, was sie tun. Sie nehmen im Grunde diese Maschine, die mein Vater gebaut hat, und werden sie rausholen. Viele Teile werden eingeschmolzen und durch ein ganz neues Design ersetzt, das sie tatsächlich in einem Lager haben, und es ist einsatzbereit, und das Ganze wird in einem Jahr passieren.

0:07:05,6 KM: Oh mein Gott. Okay. Sie haben also ... Sie haben es angesprochen, die Aufrüstung der Maschine und eigentlich ist es diese ganze Demontage, aber Sie haben darüber auch aus einem sehr persönlichen Blickwinkel geschrieben, weil es, wie Sie es ausdrückten, das Baby Ihres Vaters war. Welche Rolle spielte er wirklich beim Aufbau des ursprünglichen APS-Systems?

0:07:28,1 AC: Mein Vater, Yanglai Cho, war Beschleunigerphysiker in Argonne. Er verbrachte seine gesamte Karriere dort und leitete diese kleine Gruppe, die den Konzeptentwurfsbericht verfasste, aus dem schließlich die APS hervorging. Er war also im Erdgeschoss. Mein Vater, ein Mann namens Gopal Shenoy, war ein Materialwissenschaftler, der sich mit der Frage beschäftigte, was die Maschine leisten könnte, und wissenschaftliche Argumente entwickelte. Und etwa ein Dutzend Leute begannen ab 1983, das Labor zum Bau dieser Maschine voranzutreiben. Und das Interessante daran war, dass es diesen Bericht gab, eine Art hochrangigen Bericht, der besagte, dass die Vereinigten Staaten auf diese Maschine drängen sollten. Ich glaube, ich war 18, als er ernsthaft damit begann. Argonne hatte so etwas... War irgendwie in einer Flaute, weil sie 1979 ihren Hauptteilchenbeschleuniger abgeschaltet hatten, weil sich die ganze Action auf die Straße zum Fermilab verlagert hatte.

0:08:24,5 AC: Aber mein Vater war ein sehr zielstrebiger Typ, und er erkannte diese Chance, stellte diese Gruppe zusammen und begann, das Labor dazu zu drängen, zu versuchen, diese Maschine zu bauen, um DOE dazu zu bringen, sie Argonne zu geben. Und so arbeitete er am Konzeptentwurf, der das ursprüngliche Layout darstellte, spezifizierte mehr oder weniger die Parameter des Beschleunigers, die Parameter des Gebäudes und alles Mögliche. Und er war definitiv nicht der Einzige, der daran beteiligt war [Gelächter], aber er war vor Ort dabei. Mein Vater ist also im Jahr 2015 verstorben. In den späteren Jahren seines Lebens war er ziemlich krank. Er hatte ein paar Schlaganfälle erlitten. Aber ich muss zugeben, dass ich diese Maschine nach dem Tod meines Vaters gewissermaßen als sein Vermächtnis betrachtete, und es war ein tröstlicher Gedanke, dass die Maschine weiterlebte, auch wenn er nicht mehr da war. Und wie es jetzt mit diesen Dingen geschieht, wird die Maschine selbst verschwinden. Rechts? Die Anlage wird also immer noch da sein, aber dieser Beschleuniger, über den er so viel nachgedacht hat und den er so viel Zeit in Anspruch genommen hat, den werden sie auseinandernehmen und dann ersetzen.

0:09:30,7 KM: Sie haben im Laufe Ihrer Karriere viel über Physik geschrieben und sind mit dieser Einrichtung sowohl beruflich als auch persönlich auf unterschiedliche Weise vertraut. Es muss eine interessante Erfahrung gewesen sein, über diese Geschichte zu berichten, aber was hat Sie überrascht? Gibt es etwas, worüber Sie vorher noch nicht nachgedacht haben?

0:09:47,8 AC: Ich arbeite jetzt seit mehr als 20 Jahren als Wissenschaftsautor und habe über viele große Projekte geschrieben, weil es in der Physik viele große Projekte gibt. Ich hoffe wirklich, dass dieser kleine Aufsatz die ganz besondere Natur des Maschinenbauers vermittelt, denn es ist etwas ganz anderes, als Benutzer einer dieser Einrichtungen zu sein. Rechts? Und die APS betreut jedes Jahr etwa 5700 einzelne Wissenschaftler, oder? Es gibt also buchstäblich Tausende von Menschen, die für alle möglichen Dinge auf diese Röntgenquelle angewiesen sind. Es gibt eine viel kleinere Gruppe von Leuten, die diese Dinge entwerfen und bauen. Und es ist wirklich irgendwie ... Ich meine, ich habe noch nie etwas gebaut, daher kann ich nichts davon aus eigener Erfahrung sagen, aber es gibt diese Art von besonderen Fähigkeiten, oder? Dabei geht es darum, eine große wissenschaftliche Maschine zu konzipieren und dann auszuführen.

0:10:46,8 AC: Und es gibt diese Fähigkeiten, die man haben muss, die nicht genau die gleichen sind wie die Fähigkeiten, die man haben muss, um Benutzer einer dieser Einrichtungen zu sein. Eines der Dinge, die mir im Laufe der Jahre zum Beispiel bewusst geworden sind, ist, dass man, wenn man eine dieser Einrichtungen bauen möchte und der Designer ist, eines dieser Dinge vorschlagen wird Auf einer bestimmten Ebene konkretisiert der Konzeptentwurfsbericht eine allgemeine Idee und sagt: „Okay, hier ist etwas, das wir bauen können.“ Rechts? Es handelt sich nicht um einen detaillierten technischen Entwurf, aber er reicht aus, um das Projekt wirklich beurteilen zu können. Wenn Sie dies tun, können Sie natürlich nicht etwas entwerfen, das so unglaublich ehrgeizig ist, dass Sie keine Hoffnung haben, es zu bauen. Rechts? Ich meine, und man muss es für einen festen Geldbetrag und in einem festen Zeitrahmen bauen.

0:11:36.1 AC: Du kannst also nicht... Du kannst deiner Fantasie nicht einfach freien Lauf lassen. Aber die Kehrseite davon ist, dass man auch nicht zu konservativ sein darf. Denn wenn Sie zu konservativ sind, wird niemand es bauen, weil Sie im Wesentlichen etwas reproduzieren, was Sie bereits haben. Rechts? Ich meine, wenn Sie beim Entwerfen des Konzeptentwurfs mit 100-prozentiger Sicherheit wissen, dass es funktionieren wird, gehen Sie wahrscheinlich nicht weit genug, denn der einzige Weg, 100-prozentig sicher zu sein, ist, wenn Sie es bereits getan haben so etwas gebaut. Die Leute, die diese Maschinen bauen, arbeiten also immer an diesem Gleichgewicht, indem sie versuchen, etwas vorzuschlagen, das etwas Neues bewirkt, aber nicht so ausgefallen ist, dass es nicht rechtzeitig und im Rahmen des Budgets erreicht werden kann.

0:12:17,6 KM: Ja. Es scheint eine unglaubliche Balance zwischen einer Menge Wissen, aber auch einer Menge Optimismus zu sein, über den Sie geschrieben haben ... Und einfach auch Praktikabilität und Realismus. Es fühlt sich wirklich wie eine erstaunliche Balance an, die eine Person haben muss, um diese Rolle zu übernehmen.

0:12:34.1 AC: Ich denke, es ist eine andere Art von Fähigkeiten, als nur ein Wissenschaftler zu sein. Ich meine, es spricht nichts dagegen, Nutzer einer dieser Einrichtungen zu sein, aber etwas zu bauen ist eine ganz andere Denkweise. Das ist wirklich interessant, denn mein Vater war ein Einwanderer und kam mit 24 Jahren in die Vereinigten Staaten. Mein Vater hatte eine Behinderung. Als Kind hatte er Polio. Deshalb hinkte er sehr stark und konnte nicht rennen. Er hatte ein wirklich hitziges Temperament, [Gelächter]

0:13:05,3 AC: Mein Vater war dieser Typ, der meiner Meinung nach im Laufe des normalen Lebens in vielerlei Hinsicht ein Außenseiter war. Da es kulturelle Barrieren gab, gab es dieses Problem mit der offensichtlichen Behinderung. Meistens schien er ein bisschen wie ein quadratischer Pflock in einem runden Loch zu sein. Aber was mich fasziniert hat, als ich älter wurde, habe ich gelernt, wie Menschen diese Maschinen bauen und was dazu gehört. Rückblickend ist es wirklich interessant, dass in dieser Welt, in der Dinge einfach gemacht werden müssen Wenn es also pünktlich und im Rahmen des Budgets erledigt werden muss, könnte ein Mann mit der herrischen Einstellung meines Vaters nicht nur einen Platz finden, sondern teilweise aufgrund dieser Einstellung sogar erfolgreich sein. Ich meine, die Leute, die Maschinen bauen, haben, soweit ich das beurteilen kann, eine echte Haltung zum Schweigen oder Schweigen, weil diese Dinge erledigt werden müssen, und zwar pünktlich, und sie muss mit einem begrenzten Budget erledigt werden. Und wenn Sie also eine schlechte Idee haben, sagen sie es Ihnen offenbar einfach direkt weiter. Es ist also ein bisschen... Soweit ich das beurteilen kann, ein bisschen ein reiner Beruf, aber irgendwie war es einfach perfekt für ihn. Er hat es geschafft, in diesen ungewöhnlichen Bereichen der Wissenschaft wirklich erfolgreich zu sein, und das ist ein unglaublich wichtiger Teil der Wissenschaft. Als diese Maschine, als dieser Umbau begann, habe ich viel an meinen Vater gedacht, aber auch darüber, was es mit dem Bau dieser großen Maschinen auf sich hat.

0:14:37,4 KM: Haben Sie eine Vorstellung davon, was Ihr Vater über dieses Upgrade denken würde und was als nächstes passiert und so weiter?

0:14:45,2 AC: Er würde als erster sagen: „Okay, die Maschine gibt es schon seit 27 Jahren und die Technologie hat sich weiterentwickelt. Also müssen wir uns ändern.“ Er war kein sentimentaler Typ. Wenn eine Maschine ihren Zweck erfüllt hätte und es Zeit für ein Upgrade wäre, wäre er voll dabei. Ich meine, diese Maschinenbauer-Typen sind kein sentimentaler Haufen. Ich meine, sie werden sich eine Maschine ansehen und sagen: Ja, diese Maschine hat das großartig gemacht, aber diese Sache hat sie nicht sehr gut gemacht. Und das hätten sie besser machen sollen.

0:15:11,0 KM: Es hört sich also so an, als würde er auch sagen, dass es Zeit ist.

0:15:13,9 AC: Oh ja, absolut. Er blickte nicht zurück. Er war kein Typ, der ... Besonders wenn es um seine Arbeit ging, würde er nicht sentimental werden, was die Maschine betrifft. Er würde genau dort sein und es so gut wie möglich machen wollen.

0:15:27,3 KM: Großartig. Vielen Dank, Adrian.

0:15:29,4 AC: Oh, es ist mir ein Vergnügen, Kevin. Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben.

0:15:31,8 KM: Absolut. Adrian Cho ist Mitarbeiter für Nachrichten bei Science. Einen Link zu der Geschichte, die wir besprochen haben, finden Sie unter science.org/podcast.

0:15:40,1 SC: Seien Sie gespannt auf mein Gespräch mit Chi

[Musik]

0:16:00.4 SC: In der Natur gibt es viele Muster, von Streifen auf einer Katze bis hin zu Spiralen im Kopf eines wachsenden Farns. Und diese Muster können oft mithilfe von Modellierung und Mathematik beschrieben werden. Auf einer größeren Ebene können wir Muster in der Landschaft erkennen, wie Feenkreise und Grasland oder Risse in der Baumkrone eines Waldes, wenn die Baumkronen sich weigern, sich zu berühren. Diese Manipulation des Raums durch die Interaktion biologischer Dinge und des Landes selbst wird räumliche Selbstorganisation genannt. Es kann auch durch Modellierung beschrieben werden und uns dabei helfen, Veränderungen in Ökosystemen im Laufe der Zeit zu erkennen. Diese Woche schrieben Chi Xu und Kollegen in Science Advances über die räumliche Selbstorganisation in einem Küstensalzsumpf im Norden Chinas namens Red Beach. Willkommen beim Science-Podcast, Chi Xu.

0:16:46,9 Chi Xu: Danke, dass du mich hast.

0:16:48,5 SC: Warum beginnen Sie nicht einfach mit einer Beschreibung dieser Landschaft dieses Ortes?

0:16:53,8 CX: Wir haben die Küstensalzwiesenlandschaft im Delta des Gelben Flusses im Norden Chinas untersucht. Dies ist ein typisches Salzwiesen-Ökosystem in Nordchina und man findet es an vielen Orten auf der ganzen Welt.

0:17:08,7 SC: Wie sieht es aus, was macht es besonders?

0:17:11.2 CX: Diese Landschaft wird von einer Pflanze namens Suaeda Salsa dominiert. Nennen wir es einfach Suaeda oder Seegras. Es handelt sich um eine salztolerante Sukkulentenart, die in vielen Küstenregionen auf der ganzen Welt vorkommt. Diese Sukkulentenart kann riesige Salzwiesenlandschaften dominieren. Von Herbst bis Winter verfärben sie sich rot wie Ahornblätter. Sie können sich also vorstellen, dass sich in dieser Zeit die gesamte Küstenlandschaft rötlich verfärbt, was wir in China als roten Strand bezeichnen. Es ist nicht nur eine Touristenattraktion, sondern auch ein Hotspot der Artenvielfalt. Jedes Jahr nutzen Zehntausende Zugvögel, die zwischen Sibirien und Australien reisen, rote Strände als wichtigen Zwischenstopp für ihre Rast oder Nahrungsversorgung. Es ist ein ziemlich wichtiges Ökosystem.

0:18:05,7 SC: Der Rote Strand ist also eigentlich ein Salzsumpf und die Seegraspflanze, ich sage Seegraspflanze, nicht Seegraspflanze, Seegraspflanze ist diese saftige Landpflanze, die das gesamte Ökosystem zu bestimmten Zeiten des Jahres in dieses wunderschöne leuchtende Rot verwandelt Jahr. Worauf Sie sich hier konzentrieren, ist die Wechselwirkung zwischen Seegras, diesen roten Pflanzen und dem Boden in Trockenzeiten. Wie bereits erwähnt, handelt es sich hier um eine Salzwiese, daher gibt es in der Regel viel salziges Salzwasser, aber wenn es austrocknet, sieht die Landschaft ganz anders aus.

0:18:39,7 CX: Wir arbeiten seit Jahren und Jahrzehnten an diesen Websites. Was wir untersuchen, läuft auf die Frage oder das Phänomen der sogenannten räumlichen Selbstorganisation hinaus. In der Natur können wir oft andere räumliche Muster finden, es können Punkte sein, es können Streifen, Kreise, Labyrinthe oder andere unregelmäßige Formen sein. Beispielsweise haben Menschen in afrikanischen und australischen Trockengebieten Tigersträucher gefunden, eine Strauchvegetation mit besonderen Mustern, die den Streifen von Tigern ähneln. Und obwohl diese Muster faszinierend sind, stellt sich natürlich die Frage, wie regelmäßige Muster entstehen. Nun, sie werden nicht von Menschen oder Außerirdischen hergestellt. [Lachen]

0:19:23.0 CX: Stattdessen können sie spontan entstehen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Wir nennen diesen spontanen Prozess räumliche Selbstorganisation. Manchmal sind räumliche Selbstorganisationsmuster so einzigartig, dass sie wichtige Signale übertragen können. So können wir die beobachteten Muster mit den aus Computermodellen abgeleiteten Gegenstücken vergleichen, um zu verstehen, wie sich das Ökosystem entwickelt, wie es funktioniert oder wie es auf den Klimawandel reagiert. Jetzt haben Wissenschaftler den Mechanismus untersucht, der vielen, vielen räumlichen selbstorganisierten Systemen zugrunde liegt. In vielen Fällen wird die räumliche Selbstorganisation durch biologische Prozesse wie die Konkurrenz und Erleichterung zwischen Pflanzen ausgelöst. Aber manchmal scheint es, dass Selbstorganisationsmuster auch ohne die Beteiligung von Organismen entstehen können. Beispiele, die den meisten Menschen bekannt sind, sind Sandkräuselungen, Dünen oder Schlammrisse. Mudcracks ist das, was wir jetzt studieren. [Kichern]

0:20:33,3 SC: Ja.

0:20:34.6 CX: Wir nennen sie also physische Selbstorganisation.

0:20:38,5 SC: Es gibt also nicht dieses Zusammenspiel, bei dem etwas mit der Pflanze passiert, es wirkt sich auf das Land aus, das Land reagiert, die Pflanze treibt es voran.

0:20:47,1 CX: Genau.

0:20:47,8 SC: Im Gegensatz dazu passiert zuerst das Physische.

0:20:51.4 CX: Diese Art der physischen Selbstorganisation wird normalerweise von Geologen oder Geographen untersucht, aber jetzt interessieren wir uns Ökologen auch für sie. Wir wollen verstehen, wie physische Selbstorganisation mit Ökosystemen verknüpft ist. Werden solche Prozesse die Struktur, Dynamik und Funktionsweise von Ökosystemen beeinflussen, insbesondere wenn es um große Fragen wie den Klimawandel geht? Das sind also noch offene Fragen, das sind neue Fragen und das ist die wesentliche Motivation dieser Arbeit.

0:21:28,9 SC: Wenn man sich eine Luftaufnahme dieser Region ansieht, ist das einfach unglaublich. Sie sehen diese roten Pflanzenbänke, durchzogen von Flussmündungen, kleinen Bächen, es ist Meer und März und rot. Es sieht einfach fantastisch und sehr üppig aus. Was genau verursacht also den knackenden Schlamm, von dem wir hier am Roten Strand sprechen?

0:21:50,2 CX: Intensive Dürre im Frühling oder Sommer. Besonders wenn wir in den letzten Jahren wissen, dass die Hitzewellen die gesamte Nordhalbkugel häufig heimsuchen, treten diese Schlammrisse immer häufiger auf.

0:22:06,5 SC: In welcher Beziehung stehen sie zum Seegras und den roten Pflanzen?

0:22:10,7 CX: Oh ja. Das ist...

[Lachen]

0:22:13.3 CX: Das ist eine interessante Frage. Grundsätzlich haben wir gesehen, dass nach Dürreperioden überall im Watt Risse entstehen und sich regelmäßige, vieleckige Formen bilden, was ein typisches Zeichen räumlicher Selbstorganisation ist. Während diese Dürre... In der Zwischenzeit können sie die meisten Pflanzen in der gesamten Landschaft töten. Aber nach ein paar Wochen, wenn die Schlammrisse entstehen, kommen die Pflanzen zurück. Sie wachsen aus den Ritzen heraus und in der Folge kann sich die Salzwiesenvegetation in der gesamten Landschaft sehr schnell erholen. In der ersten Phase dieses Prozesses können wir also sehen, dass die Seegraspflanzen aus den Rissen wachsen und fast vollständig mit den Rissen verbunden sind. Es ist also eine recht interessante Frage. Wir fangen an zu überlegen, ob dieses selbstorganisierte Schlammaufbrechen vielleicht eine wichtige Rolle bei der Erhaltung des Ökosystems spielen kann.

0:23:19,1 SC: Ich habe in der Zeitung gesehen, dass es eine Reihe von Bildern gibt, und man sieht die Schlammrisse und dann sieht man diese wie kleine... Die kleinen Anfänge der Pflanzen, die auftauchen, und dann sieht man, wie sich das Muster verfestigt versteckt. Aber das war schon früh für die Besiedlung durch die Pflanzen sehr wichtig. Was haben Sie mit Ihrer Recherche irgendwie auseinander zu bringen versucht?

0:23:37,5 CX: Wir haben ein paar Feldexperimente entworfen. Die allgemeine Idee ist, dass das manipulative Feldexperiment es uns ermöglichte, die Wechselwirkung zwischen Pflanzen und Rissen zu untersuchen. Ich kann ein paar Beispiele nennen, wenn es Ihnen nichts ausmacht. [Kichern]

0:23:52,9 SC: Das wäre großartig. Ja.

0:23:54,0 CX: Okay. Beispielsweise haben wir Seetang in Bereiche mit oder ohne Risse verpflanzt, um zu untersuchen, wie sich Risse auf das Überleben und das Wachstum der Pflanzen auswirken. Und Sie können sich vorstellen, dass die verpflanzten Algen besser wachsen können, wenn in den Bereichen mit Rissen die Risse gut für die Pflanze sind. [lacht] Außerdem haben wir die Böden innerhalb und außerhalb der Risse zurück ins Labor gebracht. Und nach ein paar Wochen haben wir gezählt, wie viele Setzlinge daraus entstehen können. Grundsätzlich haben wir auf diese Weise überprüft, ob die Risse mehr Samen aufnehmen können. Sie wirken wie Fallen. Und wenn die Risse vorhanden sind, fängt es viele Samen ein und lässt sie keimen. Aber vor Ort können wir es nicht sagen. Wir müssen die Erde zurück ins Labor bringen und warten. [Kichern]

0:24:46,9 SC: Was war am Boden in den Rissen anders? Ist er reicher an einigen Nährstoffen? Ist es feuchter?

0:24:52,5 CX: Das erste ist, dass es weicher ist, mehr Wasser enthält und weniger salzig ist. Es ist besser für das Pflanzenwachstum geeignet. Die Seetang ist auch salztolerant, weniger Salz ist... Es ist besser.

0:25:05,1 SC: Es wird bevorzugt. Ja. Sie haben in dieser Studie auch einige Modelle erstellt. Welche Variablen haben Sie dort untersucht?

0:25:12.4 CX: Wir haben also die Intuition dieser zugrunde liegenden Mechanismen, dass die Pflanzen und die Risse ein positives Feedback haben können. Die Pflanze mag Risse und die Risse mögen auch die Pflanzen.

[Kichern]

0:25:26,2 CX: Im Grunde ist es das. Und wir fügen diese Interaktionsmechanismen in unser Modell ein, damit wir die Parameter der Modelle aus den Feldbeobachtungen oder dem zuvor erwähnten Feldexperiment erhalten können. Wir wollen sehen, ob dieses Modell sozusagen die gesamte räumliche Struktur neu erfinden kann. Und was uns überrascht hat, ist, dass es sich zwar um ein sehr einfaches Modell handelt, das aber die räumliche Musterung sehr gut widerspiegelt, die regelmäßigen räumlichen Muster, die weichen Schlammrisse und die Vegetation nahezu perfekt neu erfindet. Wir denken also, es ist möglich, dass wir ... Vielleicht sind wir der Wahrheit nahe.

0:26:14,9 SC: Ja. Die Pflanzen mögen also die Risse, weil sie einen besseren Boden oder einen geringeren Salzgehalt und mehr Feuchtigkeit haben. Sie helfen den Pflanzen beim Wachsen, und die Risse [kichern] mögen die Pflanzen, weil sie die Risse verstärken und sie an Ort und Stelle halten. Wie wird das System, das Sie hier beschrieben haben, auf den Klimawandel reagieren? Ich gehe davon aus, dass das Klima in der Region stärker schwanken wird, also vielleicht mehr Dürren oder stärkere Dürren, es stehen einfach große Veränderungen an.

0:26:44.0 CX: Ja, das ist eine schwierige Frage. Wir betrachten insbesondere großräumige Systeme und auch die Dynamik, die Reaktion des Systems auf den Klimawandel, die sozusagen auf längerer Zeitskala abläuft. Es ist also nicht wie bei dem Feldexperiment, das wir durchgeführt haben, aber es ist gut, dass wir dieses Modellwerkzeug haben und dieses Modell verwenden, um zu untersuchen, wie dieser physikalisch selbstorganisierte Schlammriss die Widerstandsfähigkeit des Ökosystems gegen Dürre beeinflussen kann. Grundsätzlich können wir im Modell die Dürren Schritt für Schritt verstärken. Und wir haben festgestellt, dass das gesamte Ökosystem zusammenbricht, wenn ein bestimmter kritischer Schwellenwert erreicht wird.

0:27:33,3 SC: Ja.

0:27:34,7 CX: Aber das Vorhandensein von Schlammrissen kann dem Ökosystem helfen, Dürre zu überstehen. Mit anderen Worten, wenn die Dürre zunimmt, kommt es zum Zusammenbruch dieses Ökosystems, aber die Schlammrisse können dazu führen, dass der Zusammenbruch nur bei höheren Dürreniveaus, also bei stärkeren Dürren, auftritt.

0:27:51,0 SC: Die Schlammrisse sorgen also für diesen Puffer. Dadurch werden die Risse stärker und die Pflanzen haben etwas mehr Halt.

0:27:58,4 CX: Genau.

0:28:00,4 SC: Und das hilft der Landschaft zumindest bis zu einem bestimmten kritischen Punkt, und dann ist es zu weit und zu schlecht. Es ist eine komplexe Geschichte. Es ist ein großer Raum. Es gibt sehr viele Ebenen der Interaktion. Es ist sehr interessant.

0:28:13.1 CX: Genau. Das ist es, was wir Ökologen tun. [Kichern]

0:28:19,6 SC: Ja. [Gelächter] So wahr. Vielen Dank, Chi.

0:28:23,4 CX: Ja, danke.

0:28:23,9 SC: Chi Xu ist Professorin für Ökologie an der Universität Nanjing. Sie finden unseren Link zum Science Advances-Artikel, den wir besprochen haben, unter science.org/podcast. Als nächstes folgt ein gesponserter Abschnitt unseres Custom Publishing-Büros, der Ihnen vom Michelson Philanthropies & Science Prize for Immunology präsentiert wird.

[Musik]

0:28:48,4 Jackie Oberst: Hallo an unsere Podcast-Hörer und willkommen zu diesem individuell gesponserten Interview des Science AAAS Custom Publishing Office, präsentiert von Michelson Philanthropies. Mein Name ist Jackie Oberst und ich bin stellvertretende Redakteurin für Custom Publishing and Science. Heute sprechen wir über Immunologie, Krankheiten und darüber, wie die Finanzierung des wissenschaftlichen Nachwuchses einen Unterschied machen kann. Das Immunsystem ist die Schnittstelle zwischen guter und schlechter Gesundheit. Es ist Teil des körpereigenen Abwehrmechanismus, bei dem es schädliche und fremde Reize wie Trauma, mikrobielle Invasion oder schädliche Verbindungen erkennt und beseitigt und den Heilungsprozess einleitet. Wenn es jedoch chronologisch aktiviert und aufrechterhalten wird, kann es zu einer fortschreitenden Gewebeschädigung führen und die Überlebensrate verringern. Chronische Entzündungen können schädliche Auswirkungen auf den Körper haben und sind ein Schlüsselfaktor für fast alle chronisch degenerativen Erkrankungen. Die Weltgesundheitsorganisation stuft chronisch entzündliche Erkrankungen als die größte Bedrohung für die menschliche Gesundheit weltweit ein. Drei von fünf Menschen sterben an chronisch entzündlichen Erkrankungen wie Schlaganfall, chronischen Atemwegserkrankungen, Herzerkrankungen, Krebs, Fettleibigkeit, Diabetes und Arthritis sowie Gelenkerkrankungen. Die Verbesserung dieser Ergebnisse hängt von transformativer Forschung in der Humanimmunologie ab. Im Jahr 2021 haben sich die Michelson Philanthropies mit Science zusammengetan, um einen jährlichen Preis zu schaffen, um Nachwuchsforscher in der Immunologie zu fördern und zu unterstützen.

0:30:06.0 JO: Der Gewinner des Hauptpreises erhält 30.000 US-Dollar und zwei Finalisten erhalten jeweils 10.000 US-Dollar auf der Grundlage eines Aufsatzes, in dem die Arbeit beschrieben wird, die sie in den letzten drei Jahren geleistet haben. Zusätzlich zum Preisgeld wird der Essay des Hauptpreisträgers online und in gedruckter Form im Science Magazine veröffentlicht. Ich freue mich sehr, Dr. Gary Michelson, Gründer und Co-Vorsitzender von Michelson Philanthropies, und Dr. Aleksandar Obradovic, den diesjährigen Hauptpreisträger des Michelson Philanthropies & Science Prize for Immunology, bei mir zu haben. Gary und Aleksandar, vielen Dank, dass Sie sich heute die Zeit genommen haben, mit mir zu sprechen. Beginnen wir mit Dr. Obradovic. Vor welchen Herausforderungen stehen junge Nachwuchswissenschaftler?

0:30:44,3 Dr. Aleksandar Obradovic: Ein Labor einzurichten ist nicht einfach. Die Rekrutierung von Postdocs, die Rekrutierung von Doktoranden und Studenten, der Aufbau einer Infrastruktur, all das kostet viel Zeit, viel Arbeit und viel Mühe. Es ist immer schwieriger, Zuschüsse zu bekommen, bis Sie Ihr erstes Paar bekommen haben. Deshalb bin ich dankbar und sehr glücklich, dass ich viel institutionelle Unterstützung von meiner Abteilung, von meinen Mentoren und auch viel gemeinsamer Infrastruktur erhalten habe, was mir irgendwie geholfen hat, diese spezifischen Herausforderungen zu meistern. Andere Herausforderungen betreffen eher mich, da ich viele Aufgaben trage. Ich bin nicht nur ein junger Arzt und Wissenschaftler, sondern befinde mich mitten in meiner medizinischen Ausbildung, während ich gleichzeitig dieses Labor aufbaue. Im späteren Berufsleben sind Sie tendenziell flexibler bei der Gestaltung Ihres eigenen Zeitplans. Es war eine Herausforderung, sich an einen klinischen Zeitplan halten zu müssen, der weitgehend außerhalb meiner Kontrolle liegt, aber ich konnte sie meistern.

0:31:46.0 JO: Kommen wir nun zu Dr. Michelson. Michelson?

0:31:49,3 Dr. Gary Michelson: In einem Essay von Francis Collins aus dem Jahr 2010 wies er darauf hin, dass das Durchschnittsalter eines Forschers, der in den 1980er Jahren zum ersten Mal ein RO1-Stipendium erhielt, 34 Jahre betrug Alter. Heute ist es 44 Jahre alt, und was passiert? Wohin führen diese 10 Jahre? Sie können kein R01 erhalten, es sei denn, Sie verfügen über fundierte Forschungsergebnisse, die dies belegen. Es ist ein Haken. Wenn Sie im Labor eines anderen arbeiten, haben Sie dazu keine Gelegenheit. Wenn Sie das nicht können, arbeiten Sie im Labor eines anderen. Was wir machen, ist diese Sache mit der verzögerten Pubertät. Es ist wirklich mit enormen Kosten verbunden, denn wenn man sich die Menschen ansieht, die vor diesem modernen Zeitalter der Forschung die Nobelpreise in den Naturwissenschaften gewonnen haben, war die große, große Mehrheit von ihnen unter 35 Jahre alt, als sie ihre bahnbrechende Arbeit ablegten arbeiten. Unsere Preise haben auf verschiedene Weise versucht, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen. Wir wissen also, dass das NIH nur inkrementelle Forschung finanziert. Und es gibt ein tolles Sprichwort: Man kann einen Abgrund nicht in mehreren kleinen Schritten überwinden. Was sie also nicht tun, ist, dass sie keine bahnbrechende Forschung finanzieren, das wäre bahnbrechende Forschung. Und das ist von Natur aus mit hohem Risiko, hoher Rendite und hoher Ausfallquote verbunden. Was wir jedoch versuchen, ist vor allem, jungen Forschern unter 35 Jahren Chancen zu bieten. Und wir suchen bewusst nach Forschungsarten mit hohem Risiko und hoher Rendite.

0:33:21,8 JO: War eine dieser risikoreichen und renditestarken Forschungsarten erfolgreich?

0:33:26,4 DM: Jeder von ihnen hat es geschafft. Nicht in der Art und Weise, wie wir ursprünglich erwartet hatten, sondern in der Tatsache, dass es die Studiengänge und Karrierewege dieser Menschen begünstigte. Jeder einzelne von ihnen konnte durch die Zuschüsse, die wir ihnen gewährten, eine unabhängige Finanzierung erhalten.

0:33:43,7 JO: Gary, was für junge Forscher suchen Sie?

0:33:47,0 DM: Wir möchten Menschen, die keine Immunologen sind, dazu bewegen, sich für diese Preise zu bewerben. Ich möchte Menschen in die Informatik einbinden. Und dieses Jahr haben wir es geschafft. Ich würde gerne jemanden finden, der sich mit Protein-Engineering und synthetischer Biologie beschäftigt. Ich würde gerne jemanden finden, der im Mikrobiom ist. Wir möchten wirklich, dass Leute, die sich nicht für Immunologen halten, uns sagen: „Das mache ich hier“, aber ich denke, es bezieht sich auf das, woran Sie interessiert sind. Das ist unser Ansatz.

0:34:13.0 JO: Aleksandar, könnten Sie mir bitte den Aufsatz erklären, den Sie über Ihre Forschung eingereicht haben, die zum Hauptpreis geführt hat?

0:34:17,5 DO: Der zentrale Schwerpunkt meines Aufsatzes liegt auf der Präzisionsimmuntherapie und der Idee, diese bereitstellen zu können, und ein Paradigma dafür zu entwickeln. Das übergeordnete Ziel meiner Forschungsarbeit bestand darin, neue Instrumente zu nutzen und zu entwickeln, um die Immunmikroumgebung von Tumoren besser zu verstehen und besser zu profilieren und insbesondere die Mechanismen der Resistenz gegen Checkpoint-Immuntherapie zu verstehen. Die wichtigsten Werkzeuge, die ich entwickelt und an denen ich gearbeitet habe, sind Werkzeuge, um Genexpressionsdaten so umzuwandeln, dass man daraus schließen kann, welche regulatorischen Proteine ​​auf der Ebene einzelner Zellen aktiv sind. Dadurch kann ich besser erkennen, welche Zelltypen vorhanden sind. Das gibt mir auch potenzielle Angriffspunkte für eine Therapie. Sobald ich also die Mechanismen und Zellen verstanden habe, die für die Behandlungsresistenz bei verschiedenen Tumortypen und bei verschiedenen Patienten verantwortlich sind, besteht der nächste Schritt, an dem ich bereits gearbeitet habe und an dem ich auch weiterhin arbeite, darin, diese Resistenzmechanismen mit Kombinationsbehandlungen zu kombinieren um diesen Widerstand zu überwinden. Und diese Kombinationsimmuntherapie, diese personalisierte Kombinationsimmuntherapie ist wirklich ein spannendes Konzept. Es ist ein Konzept, von dem ich sehr begeistert bin und das meiner Meinung nach das Potenzial hat, tatsächlich eine erhebliche therapeutische Wirkung zu erzielen. Denn viele dieser Kombinationen sind nicht unbedingt offensichtlich, auch nicht diejenigen, die klinisch erfolgreich waren.

0:35:49,3 JO: Diese Frage stelle ich den Preisträgern immer am liebsten, weil man nie weiß, was sie sagen werden. Aleksandar, wie bist du beim Schreiben dieses Aufsatzes vorgegangen?

0:35:57,4 DO: Ich habe einen Sohn, der eineinhalb Jahre alt ist. Und so war er gerade einmal ein Jahr alt, als ich diesen Aufsatz schrieb. Und so kam ich aus der Klinik nach Hause, um mich um ihn zu kümmern, das Abendessen zu erledigen, zu baden und die Schlafenszeit zu planen. Und dann, nach all dem, war es ab 20:00 Uhr, dass ich wirklich an meiner Forschungsarbeit arbeiten würde. Und so muss ich diesen Aufsatz schreiben. Ich muss mindestens eine Woche im Voraus damit beginnen, das zu schreiben, denn es wird vielleicht eine Stunde pro Nacht dauern. So kam alles zusammen.

0:36:23,6 JO: Oh mein Gott. Wie Sie bereits sagten, tragen Sie viele Aufgaben. Aleksandar, kannst du mir erzählen, wie du über den Gewinn dieses Preises informiert wurdest?

0:36:30,9 DO: Ich habe eine E-Mail bekommen, in der mir gesagt wurde: „Hey psst, streng vertraulich, aber herzlichen Glückwunsch, Sie haben gewonnen.“ Ich war begeistert. Ich habe es zunächst nicht geglaubt. Ich dachte mir, wow, das ist... ich warte besser, bis es nicht mehr vertraulich ist. Was ist, wenn sie ihre Meinung ändern? Ich war also sehr, sehr aufgeregt. Es war wirklich eine Ehre, diese E-Mail zu erhalten. Ich schaute es mir danach noch ein paar Tage lang an, um sicherzustellen, dass es noch in meinem Posteingang war und nicht ungesendet war. Irgendwie. [Kichern]

0:36:55,3 JO: Welchen Rat würden Sie denjenigen geben, die sich für den Preis im nächsten Jahr bewerben möchten?

0:37:00.3 DO: Ich würde sagen, egal in welcher Phase Ihrer Karriere Sie sich befinden, auch wenn Sie noch ganz am Anfang stehen, wie ich es selbst war und bin, es lohnt sich, sich zu bewerben. Wenn Sie mit Ihrer Forschung eine Geschichte zu erzählen haben, wenn Sie spannende Arbeiten zu zeigen haben, und ich bin mir sicher, dass es viele, viele davon gibt, dann würde ich sagen, dass es sich immer lohnt, sich zu bewerben. Es ist immer einen Versuch wert, denn man weiß nie, was erkannt wird.

0:37:18,6 JO: Für Nachwuchsforscher, die darüber nachdenken, sich für den Michelson Philanthropies and Science Prize for Immunology zu bewerben, überlassen wir Dr. Michelson das letzte Wort darüber, was junge Wissenschaftler von der Auszeichnung erwarten können.

0:37:28,9 DM: Nun, zunächst einmal ist es Freiheit. Selbst wenn Sie ein leitender Ermittler wären und etwas tun würden, das nicht inkrementell ist, würden Sie keine Finanzierung erhalten. Wir lassen Sie Ihre großartige Idee nehmen und tun, was Sie wollen, und zwar auf Ihre Art und Weise. Und weisst du was? Wenn es am Ende nicht gelingt, ist niemand unglücklich.

0:37:46,8 JO: Gary und Aleksandar, es war eine wahre Freude, mit euch zu reden. Ich wünsche Ihnen viel Glück bei Ihren Bemühungen. Vielen Dank, dass Sie sich uns angeschlossen haben. Unser Dank geht an Michelson Philanthropies für das Sponsoring dieses Interviews. Weitere Informationen zum Early Research Prize und insbesondere zur Bewerbung finden Sie unter science.org/michelsonprize. Bewerbungen für den Preis 2024 sind ab sofort möglich und werden bis zum 1. Oktober entgegengenommen. Dieser Podcast wurde von Erica Burke, Direktorin und Chefredakteurin von Custom Publishing, und mir, Jackie Oberst, ausführlich bearbeitet und zusammengefasst. Danke fürs Zuhören.

0:38:20,9 SC: Und damit ist diese Ausgabe des Wissenschaftspodcasts abgeschlossen. Wenn Sie Kommentare oder Vorschläge haben, schreiben Sie uns an sciencepodcast unter aaas.org. Sie können die Sendung auf unserer Website unter science.org/podcast anhören oder in einer beliebigen Podcasting-App nach Science Magazine suchen. Diese Show wurde von mir, Sarah Crespi und Kevin McLean mit Produktionshilfe von Podigy geschnitten. Jeffrey Cook komponierte die Musik. Im Namen von Science und seinem Herausgeber AAAS danken wir Ihnen für Ihre Teilnahme.