Publikationsserver der Leopoldina
Not a member yet
1046 research outputs found
Sort by
Schimären in Physik und Biologie: Synchronisation und Desynchronisation von Rhythmen
No full textRhythmen prägen unser Leben auf vielfältige Weise, z. B. durch Herzschlag und Atmung, oszillierende Gehirnströme, Lebenszyklen und Jahreszeiten, Uhren und Metronome, pulsierende Laser, Übertragung von Datenpaketen, und vieles andere. Die Physik komplexer nichtlinearer Systeme hat Methoden entwickelt, wie periodische Schwingungen und deren Synchronisation in komplexen Netzwerken, die aus vielen Bestandteilen zusammengesetzt sind, beschrieben und analysiert werden können. Synchronisierte Oszillationen, aber auch völlig desynchronisierte, chaotische Oszillationen spielen eine große Rolle in vielen Netzwerken in Natur und Technik. Beispielsweise ist das synchronisierte Feuern aller Neuronen im Gehirn ein pathologischer Zustand, etwa bei Epilepsie oder Parkinson-Erkrankung, und sollte unterdrückt werden, wie auch synchrone mechanische Schwingungen von Brücken. Andererseits ist die Synchronisation erwünscht beim stabilen Betrieb von Stromnetzen oder bei der verschlüsselten Kommunikation mit chaotischen Signalen. In Netzwerken aus identischen Komponenten können sich überraschenderweise auch spontan Hybrid-Zustände („Schimären“) bilden, die aus räumlich koexistierenden synchronisierten und desynchronisierten Bereichen bestehen, welche scheinbar nicht zusammen passen. Diese könnten relevant sein bei der Auslösung oder Beendigung epileptischer Anfälle, oder beim halbseitigen Schlaf einer Gehirnhälfte, der bei bestimmten Zugvögeln oder Säugetieren auftritt, oder beim kaskadenartigen Zusammenbruch des Stromnetzes.Rhythms influence our life in various ways, e.g., through heart beat and respiration, oscillating brain currents, life cycles and seasons, clocks and metronomes, pulsating lasers, transmission of data packets, and many others. The physics of complex nonlinear systems has developed methods to describe and analyze periodic oscillations and their synchronization in complex networks, which are composed of many components. Synchronized oscillations as well as completely asynchronous chaotic oscillations play a major role in many networks in nature and technology. For instance, the synchronous firing of all neurons in the brain represents a pathological state, like in epilepsy or Parkinson’s disease, and should be suppressed, as well as the synchronous mechanical vibration of bridges. On the other hand, synchronization is desirable for the stable operation of power grids or in encrypted communication with chaotic signals. In networks composed of identical components, intriguing hybrid states (“chimeras”) may form spontaneously, which consist of spatially coexisting synchronized and desynchronized domains, i.e., seemingly incongruous parts. This might be of relevance in inducing and terminating epileptic seizures, or in unihemispheric sleep which is found in certain migratory birds and mammals, or in cascading failures of the power grid
Der Pfeil der Zeit
No full textViele fundamentale Gleichungen der Physik, wie z. B. das Newtonsche Gesetz der klassischen Mechanik oder die Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik, sind zeitinvariant. Dies bedeutet, dass wenn man einen Film, der ein Phänomen der Mechanik beschreibt, rückwärtslaufen lassen würde, so würde die gezeigte Handlung mit den Gesetzen der Natur in Einklang stehen. Andererseits spüren wir im täglichen Leben, dass die Zeit dennoch nur in einer Richtung fortschreitet und die Vergangenheit uns nicht zugänglich ist. Diese Tatsache ist in dem Begriff Pfeil der Zeit zusammengefasst. Im Rahmen dieses Vortrags werden einige Vorschläge für den Pfeil der Zeit diskutiert und Besonderheiten wie das Gödel-Universum vorgestellt. Angeregt durch Diskussionen mit Albert Einstein hat der Mathematiker Kurt Gödel 1949 eine exakte kosmologische Lösung der Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie mit geschlossenen Weltlinien gefunden. Somit sind Zeitreisen nicht mehr ausgeschlossen, und man kann in seine eigene Vergangenheit reisen. Anhand von Computeranimationen werden wir dieses Universum näher illustrieren. Many fundamental equations of physics such as Newton’s law of classical mechanics or Maxwell’s equations of electrodynamics are time invariant. Indeed, a movie showing a phenomenon from these fields when run backwards will also be consistent with these laws. However, in daily life time always progresses forward and we cannot travel back into the past. This fact is summarized by the phrase arrow of time. In this talk we present several suggestions for arrows of time and then turn to the Gödel universe. Stimulated by discussions with Albert Einstein the mathematician Kurt Gödel discovered in 1949 an exact cosmological solution of Einstein’s field equations of gravitation with closed world lines. Therefore, general relativity does not exclude time travel and one could in principle go back into one’s own past. We use computer animations to illustrate this unusual universe
Offener Brief an den ungarischen Ministerpräsidenten Orbán
No full textIn einem offenen Brief an den ungarischen Ministerpräsidenten Viktor Orbán, in der ZEIT veröffentlicht, protestiert die Allianz der deutschen Wissenschaftsorganisationen gegen die Umgestaltung der Ungarischen Akademie der Wissenschaften. Die ungarische Regierung wolle künftig direkten Einfluss auf die wissenschaftliche Ausrichtung des neuen Forschungsnetzwerkes nehmen, kritisieren die Unterzeichnerinnen und Unterzeichner, zu denen auch Prof. Dr. Jörg Hacker, Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, gehört
Fortpflanzungsmedizin in Deutschland – für eine zeitgemäße Gesetzgebung : [Kurzfassung der Stellungnahme]
Get PDFKinder zu haben und eine Familie zu gründen gehört für viele Menschen zu den wesentlichen Lebensinhalten und ist tragende Bedingung für die Gestaltung der gesellschaftlichen Zukunft. Manche Personen sind jedoch für die Gründung einer Familie auf die Hilfe der Fortpflanzungsmedizin angewiesen. Die Rechtslage ist in Deutschland seit Langem unzureichend: Das Embryonenschutzgesetz stammt von 1990 und erfasst viele neue reproduktionsmedizinische Entwicklungen nicht. In der heute veröffentlichten Stellungnahme „Fortpflanzungsmedizin in Deutschland – für eine zeitgemäße Gesetzgebung“ sprechen sich die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina und die Union der deutschen Akademien der Wissenschaften deswegen für ein neues Fortpflanzungsmedizingesetz aus
Partizipation und Kommunikation in der Energiewende
Get PDFProteste gegen den Ausbau von Stromtrassen und Windparks zeigen: Technische Lösungen allein reichen nicht aus, um den Umbau des Energiesystems voranzubringen. Bürgerinnen und Bürger wollen die Energiewende mitgestalten und sich in Planungs- und Entscheidungsprozesse einbringen. Doch welche Kommunikations- und Partizipationsverfahren tragen dazu bei, die Energiewende effektiv, fair und sozialverträglich zu gestalten? Das Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft“ (ESYS) hat in seiner Analyse „Partizipation und Kommunikation in der Energiewende“ verschiedene Instrumente untersucht. Die Autorinnen und Autoren empfehlen, bei Entscheidungen über neue Technologien, Anlagen oder Netzen einen frühzeitigen und transparenten Dialog mit allen Beteiligten zu führen. Nur so kann die Politik Lösungen finden, die sachorientiert, nachvollziehbar und angemessen sind
Clean air: Nitrogen oxides and particulate matter in ambient air: Basic principles and recommendations : Ad hoc statement
No full textThe German National Academy of Sciences Leopoldina requests additional efforts to further reduce the concentration of pollutants in the air. More emphasis should be placed on particulate matter rather than nitrogen oxides. No significant relief is to be expected from short-term or small-scale measures, such as traffic bans. Rather, a nationwide cross-departmental strategy for air pollution control is required, according to the statement published in April 2019 entitled "Clean Air - Nitrogen oxides and particulate matter in the ambient air: Basic principles and recommendations". In the paper, the scientists point out that the emission of greenhouse gases is particularly problematic with regard to transportation and therefore call for a sustainable transport policy
Decarbonisation of transport: options and challenges
Get PDFThe gap between the GHG emissions projected in the EU Reference Scenario 2016 and the level of emissions needed to limit global warming to less than 2°C or even further to 1.5°C (Paris Agreement) is huge. The EU has already adopted a strategy for low-emission mobility to promote the decarbonisation of transport and has strengthened the EU Emission Trading System (ETS) by increasing the pace of annual reductions in allowances and adding a market stability reserve. The ETS does not directly address the transport sector, but doing so will become increasingly important as transport is electrified. The EU has also committed a growing fraction of its future budget to investments in infrastructure, and to research and innovation for a more sustainable economy. Nevertheless, much more needs to be done to deliver the target set in the European Commission’s White Paper on transport of 2011 to reduce emissions from the transport sector by 60% by 2050 (compared with 1990 levels) and to ensure that EU emissions are firmly on the way to zero by that date. EASAC has developed advice for policy-makers by building on the initiatives that the EU has already taken to tackle transport emissions, and by prioritising policy options that could be adopted at EU, national and local levels both during the transition to low-carbon transport and in the long term
Zeit im Kopf: Sprachrhythmen und Hirnrhythmen
No full textMusik ist rhythmisch (das ist jedem klar), Sprache ist rhythmisch (etwas weniger transparent) – und so auch das Gehirn (fast niemandem bekannt). Neue neurobiologische und psychologische Forschungen zeigen, dass die zeitliche Struktur von Sprache und Musik sowie die zeitliche Organisation verschiedener Hirnstrukturen und Prozesse systematisch aufeinander abgestimmt sind. Die Rolle, die Gehirnrhythmen – neuronale Oszillationen – für die Wahrnehmung und das Erkennen spielen, wird durch experimentelle Studien mit verschiedenen Methoden erklärt. Eine Auswahl von intuitiv einfachen, unterhaltsamen und überraschenden Ergebnissen zeigt, wie die zeitliche Struktur solchen Wahrnehmungserlebnissen zugrunde liegt. Vom Erkennen von Sprache und Melodien bis zum Aufbau abstrakter mentaler Repräsentationen enthüllen die kognitiven Neurowissenschaften, wie neurobiologische Mechanismen verschiedene zeitliche Bausteine für Kognition zur Verfügung stellen.Music is rhythmic (this is clear to everyone), speech is rhythmic (a little less apparent) – and the brain is also rhythmic (practically unknown). New neurobiological and psychological research shows that the temporal structure of language and music as well as the temporal organization of different brain structures and processes are systematically coordinated. The role that brain rhythms – neuronal oscillations – play in perception and recognition is explained by experimental studies using various methods. A selection of intuitively simple, entertaining and surprising results shows how the temporal structure underlies such perceptual experiences. From recognizing speech and melodies to building abstract mental representations, cognitive neuroscience reveals how neurobiological mechanisms provide different temporal building blocks for cognition
Zeit und die Ursprünge biologischer Komplexität
No full textDas Leben ist hierarchisch strukturiert, mit replizierenden Einheiten, die in selbstreplizierende Strukturen höherer Ordnung eingebettet sind. Nehmen wir z. B. das multizelluläre Leben: Die multizelluläre Entität repliziert sich, ebenso wie die Zellen, die den Organismus bilden. In den Zellen befinden sich Mitochondrien, die ebenfalls die Fähigkeit zur autonomen Replikation haben; dasselbe gilt für die Chromosomen im Kern und für die Gene, welche die Chromosomen bilden. Eine solche hierarchische Struktur spiegelt eine Reihe von wichtigen evolutionären Übergängen wider, in denen selbstreplizierende Einheiten niederer Ordnung in Strukturen höherer Ordnung zusammengefasst wurden. Entscheidend für jeden Übergang war die Ausbildung von Bedingungen, die es der Selektion erlaubten, über einen längeren Zeitraum zu wirken, als die Replikationsrate von Partikeln mit niedrigerem Niveau ausmacht. Der Vortrag stellt die oft übersehenen ökologischen Faktoren in den Vordergrund und diskutiert das Entstehen von Zeiträumen von Relevanz für die Evolution und die Auswirkungen mehrerer Zeiträume auf die Entwicklung der Komplexität des Lebens, einschließlich seiner hierarchischen Struktur. Life is hierarchically structured, with replicating entities nested within higher order self-replicating structures. Take, for example, multicellular life: the multicellular entity replicates, as do the cells that comprise the organism. Inside cells are mitochondria that also have capacity for autonomous replication; the same is true of chromosomes within the nucleus, and of genes that comprise chromosomes. Such hierarchical structure reflects a series of major evolutionary transitions in which lower order self-replicating entities became subsumed within higher order structures. Crucial for each transition was the establishment of conditions that allowed selection to operate over timescales longer than the replication rate of lower level particles. Giving prominence to often overlooked ecological factors, I will discuss how timescales of relevance to evolution arise, and the impacts of multiple timescales on the evolution of life’s complexity, including its hierarchical structure
Forum Future Europe: Raising Inclusion and Performance of European Research and Innovation: Joint Communiqué
No full textScientists from the new EU Member States (EU13) agreed at the “Forum Future Europe” in Berlin to redefine the contribution of education, research and innovation to the advancement of Europe. The meeting took place at the invitation of the Leibniz Association and the German National Academy of Sciences Leopoldina. In a Joint Communiqué, the signatories from Bulgaria, Croatia, Cyprus, the Czech Republic, Estonia, Hungary, Latvia, Lithuania, Malta, Poland, Romania, Slovakia and Slovenia, argue that decisions on the future of the EU must be evidence-based. The research community should and will provide and better communicate scientific advice for such decisions. The signatories express their firm opposition to a multi-speed Europe. Instead, all Member States need to intensify their efforts for a strong Europe based on clear rights and obligations. The EU must ensure its functional capacity and a modern administration on EU-level. On the further development of the European Research Area, the signatories emphasise that excellence must be the leading evaluation criterion. Scientists, not politicians, should have the last word in R&I funding competitions. In addition, new instruments for the creation of networks should specifically fund the inclusion of less research-strong Member States, so that a Europe-wide networked scientific culture can thrive. The next EU Framework Programme “Horizon Europe” should develop new efficacious measures to counteract swiftly and effectively the persisting gap between East and West, North and South, and the brain drain. For this, the signatories propose new personal funding instruments for brain gain towards and brain circulation within Europe. In order to ensure Europe’s global competitiveness, synergies between state-of-the-art research infrastructures and the stakeholders of the diverse European scientific landscape should be funded systematically