Untersuche, überlege, forsche: Entschlüsselung der DNA 50.1 S1 Die Geschichte der Entschlüsselung des Aufbaus der DNA gehört zu den spannendsten Kapiteln der Wissenschaftsgeschichte (50.2). Informiere dich über die handelnden Personen, ihre Entdeckungen und die verwendeten Methoden. 4.4 Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen Die technische Entwicklung auf dem Gebiet der Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Informationen hat im Laufe des 20. Jahrhunderts das menschliche Leben grundlegend verändert. Ein wesentliches Ziel dabei war und ist es, die Übertragungskapazität zu erhöhen, d. h. immer größere Informationsmengen in immer kürzerer Zeit zu übertragen. Bis zur Mitte des 20. Jh. wurden Nachrichten (z. B. für Nachrichtenagenturen), Börsenkurse und militärische Informationen mit dem elektrischen Telegrafen übertragen. Die Kodierung erfolgte mittels des von Samuel Morse erfundenen Morse-Alphabets. Das um 1880 von Alexander Graham Bell erfundene Telefon löste den Telegrafen zunächst nur im Nahbereich ab. Erst als es gelang, die Stromsignale zu verstärken, wurden Fernverbindungen möglich. Die erste drahtlose Nachrichtenübermittlung gelang dem Italiener Guglielmo Marconi (50.3), der 1901 erstmals Radiosignale von England in die USA senden konnte. 1920 begann in den USA die erste Radiostation, ein regelmäßiges Programm auszustrahlen. Seit den Anfängen der Informationsübertragung hat sich die dazugehörige Technik stark verändert. Statt analoger gibt es nun digitale Übertragungstechnik, d. h. die Daten für die Übertragung (bzw. auch Speicherung) werden binär kodiert. Die Übertragung erfolgt entweder über Glasfaser- und Kupferkabel oder über Richtfunk (Gigahertz-Bereich). Die Datenmengen, die so übertragen werden können, sind sehr groß. Damit haben sich die Möglichkeiten der Übertragung von Radio, Fernsehen und Internet wesentlich verbessert. Strukturforschung Am 8. November 1895 fand Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) durch Zufall die später nach ihm benannten Strahlen mit besonders großem Durchdringungsvermögen. Die Frage ihrer Natur, ob Röntgenstrahlung Wellen oder Teilchen sind, konnte er jedoch nicht klären. Die Wellennatur der Röntgenstrahlen wurde 1912 durch Max Von Laue (1879–1960) in einem der wichtigsten Experimente in der Geschichte der Physik nachgewiesen. Die entscheidende Frage war: Sind Röntgenstrahlen Wellen und zeigen sie daher Beugungserscheinungen oder sind sie Teilchen und gibt es bei ihnen keine Beugung? Wären sie Wellen, müssten sie extrem kleine Wellenlängen besitzen, für die mit mechanischen Mitteln keine geeigneten Beugungsgitter herzustellen waren. Laue erkannte, dass sich dünne Kristallplättchen als natürliche Beugungsgitter eignen müssten, da die Abstände zwischen den Atomen von der gleichen Größenordnung wie die von ihm vermutete Wellenlänge der Röntgenstrahlen sind. (Allerdings war bis dahin auch der Gitteraufbau von Kristallen nur eine Hypothese.) Bereits das erste Experiment führte zu den gesuchten Beugungserscheinungen. Die Durchstrahlung eines Kupfersulfatkristalls lieferte regelmäßig angeordnete Schwärzungspunkte auf einer fotografischen Platte. Man nennt dies das Laue-Verfahren. Damit war sowohl die Wellennatur der Röntgenstrahlen als auch der atomare Aufbau der Kristalle nachgewiesen (50.1). Das Laue-Verfahren ist heute eines der wichtigsten Mittel zur Bestimmung der Anordnung der Atome in Festkörpern. Aus dem Beugungsmuster, das sich bei der Durchstrahlung ergibt, kann man die Lage der Atome auch in sehr komplizierten Kristallen bestimmen (Röntgen-Strukturanalyse), wodurch seither für Physik, Chemie und vor allem für die Biologie sehr wichtige Aufschlüsse gewonnen werden. 50.1 Da die Wellenlänge der Röntgenstrahlen im atomaren Bereich liegt, werden sie an den regelmäßig angeordneten Gitterebenen eines Kristalls gebeugt. Man erhält dadurch ein „Bild“ des Kristallaufbaus. Röntgenstrahl Kristall Fotoplatte mit Beugungsbild 50.2 Die Röntgenbeugungsaufnahme eines DNA-Kristalls durch Rosalind Franklin (1920– 1958, britische Chemikerin) ermöglichte die Entschlüsselung der DNA-Struktur. Auf diese Weise haben Watson und Crick herausgefunden, wie die DNA aufgebaut ist. 50.3 Guglielmo Marconi (1874–1937) konnte bereits 1896 elektromagnetische Wellen über eine Entfernung von einigen hundert Kilometern übertragen und schuf damit die Grundlagen des modernen Nachrichtenwesens. Sein Empfänger bestand aus einer mit Metallpulver gefüllten Röhre. Ihr Widerstand änderte sich beim Auftreffen elektromagnetischer Wellen. 50.4 Eine Lampe dient als Messinstrument. Die Ladungen im Empfangsdipol werden durch das Wechselfeld des Sendedipols beschleunigt und zum Schwingen angeregt. Der Empfangsdipol verhält sich wie eine Antenne. Sender Empfänger 50 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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