Sonderforschungsbereiche mit RUB-Beteiligung

Der Sonderforschungsbereich befasst sich mit der Frage, wie sich die Informationsverarbeitung in biologischen Nervensystemen mit neuartigen elektrischen Schaltungen realisieren lässt.

Ziel ist es, einen Dymorph-Prozessor zu entwickeln, dessen Topologie sich selbstorganisierend an externe Reize anpasst. Erkenntnisse über solch evolutionäre Grundprinzipien könnten einerseits für die Entwicklung dynamischer technischer und hochleistungsfähiger Netzwerke Impulse liefern und andererseits klären, wie sich das Nervensystem trotz unterschiedlicher Umwelteinflüsse zu einem immer komplexer werdenden leistungsfähigen Netzwerk entwickeln konnte.

Flüsse und Bäche sind Zentren der Biodiversität und für den Menschen lebenswichtig. Durch Zutun des Menschen werden Gewässer auf vielfältige Weise beeinträchtigt, was nicht spurlos an Tieren und Pflanzen vorbeigeht. Der Sonderforschungsbereich „Degradation und Erholung von Fließgewässerökosystemen unter multiplen Belastungen – Resist“ will verstehen, wie verschiedene Belastungen einzeln und in Kombination auf die Biodiversität und die Funktionen von Fließgewässern wirken, und wie sich vormals gestresste Ökosysteme wieder erholen. Außerdem sollen Modelle entwickelt werden, um die Effekte vorherzusagen. Fachleute für verschiedenste Stressoren sowie für ein breites Spektrum an Organismengruppen kooperieren im SFB 1439, der den Kurztitel „RESIST“ trägt.

Auf ihren Wanderungen legen Tiere oft weite Strecken zurück. Vor allem Vögel fliegen teilweise mehr als zehntausend Kilometer und landen mit einer Präzision von wenigen Dutzend Metern an ihrem Zielort. Wie ihnen diese unglaublichen Leistungen gelingen, ist nicht im Detail geklärt. Das will das Team des Sonderforschungsbereichs 1372 ändern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessieren sich speziell für den Magnetsinn und die Navigationsfähigkeiten von Wirbeltieren, die sie von den biophysikalischen Grundlagen bis hin zum Verhalten erforschen wollen. So möchten sie unter anderem herausfinden, wie Tiere magnetische Signale wahrnehmen, auf welchem Weg diese Informationen ins Gehirn gelangen und wie sie dort verarbeitet und mit anderen für die Navigation wichtigen Informationen zusammengebracht werden. Auch für die genetische Basis der Tierwanderungen interessieren sich die Forscherinnen und Forscher.

Das Team um Prof. Dr. Dr. h. c. Onur Güntürkün an der RUB wendet sich dabei in zwei Projekten unterschiedlichen Teilaspekten dieser übergeordneten Fragestellung zu. Im ersten Projekt sollen die visuellen, magnetischen, olfaktorischen und auditiven Sinne bezüglich ihrer anatomischen Strukturen, ihrer Projektionen innerhalb des Vogelvorderhirns und ihrer synaptischen Kontakte identifiziert werden. Somit soll eine anatomische Landkarte der Verarbeitung von Stimuli entstehen, die für das Navigieren wichtig sind. Dabei stehen vor allem Hirnareale im Vordergrund, in denen das Gedächtnis für den Raum sowie die Entscheidung, in die eine oder andere Richtung zu fliegen, verarbeitet werden.

Im zweiten Projekt geht es um die Codierung verschiedener Aspekte des Raums durch einzelne Nervenzellen im Hippokampus von Tauben. Hierzu sollen diese Vögel in einem großen Zimmer nach Futter suchen und sich dabei ständig bewegen oder fliegen, während zeitgleich von vielen Nervenzellen aus dem Hippokampus abgeleitet wird. Beide Projekte zusammen sollen somit Erkenntnisse liefern, die zum ersten Mal die neuronale Innenansicht der Fähigkeit offenlegen, mit der Vögel Tausende Kilometer über Berge, Meere, Städte und Wüsten fliegen, um zu der Wiese zu gelangen, auf der sie im vergangenen Jahr bereits erfolgreich gebrütet haben.

SFB 1372

Sprache dient der sozialen Interaktion und Kommunikation in unterschiedlichsten Situationen, in die verschiedene Kommunikationspartner involviert sind. Die Sprachfähigkeit als Teil des kognitiven Systems eines Individuums muss daher flexible und effektive Mechanismen bereithalten, die eine erfolgreiche Kommunikation mit verschiedenen Gesprächspartnern in unterschiedlichen Kontexten ermöglichen. Trotz der beobachtbaren Variabilität sind einige linguistische Merkmale stabiler oder robuster als andere. Die Variabilität der Sprache, die sich auf sämtlichen linguistischen Beschreibungsebenen findet, unterliegt somit gewissen Grenzen. Der SFB beschreibt Variabilität als einen Raum möglicher (unbewusster) sprachlicher Entscheidungen, die einem Individuum oder einer Sprachgemeinschaft zur Verfügung stehen.

Die Prozesse, die heute unter dem Stichwort „Globalisierung“ zusammengefasst werden, lassen sich nicht verstehen, wenn man nicht zuvor die überkommenen politisch-gesellschaftlichen Organisationsformen analysiert.

Die Mitglieder des SFB 1167 widmen sich daher vormodernen Ausprägungen von Macht und Herrschaft in Asien, Europa und dem nördlichen Afrika in transkultureller Perspektive. Integraler Bestandteil der Beschreibung ist das Offenlegen der Abhängigkeiten von gelebter, etablierter Ordnung auf der einen und ihrer Wahrnehmung, Darstellung und Kommentierung auf der anderen Seite. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen dabei den üblichen Fokus auf Europa überwinden und einen transkulturellen Ansatz erarbeiten.

Die untersuchten Kulturräume werden dabei als hybride Gebilde betrachtet, die stets vielseitigen Einflüssen unterworfen sind und selbst Impulse zu Veränderungen geben. Das Ziel des SFB ist es, zu einer möglichst umfassenden Phänomenologie von vormoderner Macht und Herrschaft zu gelangen.

SFB 1167

Weltweit arbeiten Forscher daran, quantenphysikalische Effekte für energiesparende und schnellere Informationstechnologien einsetzbar zu machen. Grundlage dafür könnten Halbleiter sein. Ziel ist es, nicht nur die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitern manipulieren zu können, sondern auch ihre magnetischen Eigenschaften. Möglich ist das, indem man den Spin der Elektronen im Halbleiter kontrolliert, eine Art Eigendrehimpuls, über dessen Richtung sich Informationen in einem System codieren lassen.

Quanteneffekte treten normalerweise nur auf atomarer Ebene auf. Unter bestimmten Bedingungen können sie jedoch auch Auswirkungen auf makroskopischer Ebene haben, nämlich wenn es zu einer kohärenten Überlagerung mehrerer Zustände kommt. In einem kohärenten System stehen die Phasen verschiedener Spinwellen in einer festen Beziehung zueinander. Äußere Einflüsse können jedoch die Phasen verschieben und die Kohärenz zerstören, die den gespeicherten Informationen ihren Sinn verleiht.

Die Forscherinnen und Forscher im SFB/Transregio 160 arbeiten daran, nicht nur einzelne kohärente Spins manipulieren zu können, sondern auch interagierende Spins. Um das zu erreichen, sind zum einen Halbleitermaterialien von höchster Reinheit erforderlich; im SFB entstehen dafür neue Materialkonzepte. Außerdem entwickeln die Kooperationspartner ausgefeilte theoretische Modelle für die Interaktionen der Spins.

Die Interaktionen zwischen den Spins werden maßgeschneidert, entweder um schädliche Umweltinteraktionen zu unterdrücken und die Spin-Kohärenz aufrechtzuerhalten oder um Interaktionen zwischen den Spins zu untermauern. So haben die Wissenschaftler bereits Überlagerung und Verschränkung von Quantenzuständen etabliert, um Funktionalitäten zu erreichen, die in inkohärenten Systemen nicht realisierbar wären.

SFB/TR 160

In den vergangenen Jahren wurden in pflanzlichen Organismen viele Schlüsselproteine identifiziert, die wesentlich zur pflanzlichen Physiologie, Entwicklung und Anpassung an Umweltfaktoren beitragen. Der nächste Schritt muss die Aufklärung der molekular-mechanistischen Funktionsweise dieser Faktoren sein. Eine wichtige, oft ungeklärte Frage ist, wie diese Schlüsselproteine durch ihre Aktivität im Kern, im Cytoplasma, an der Zellmembran oder in der Zell-Zell-Kommunikation spezifische Prozesse und Leistungen beeinflussen.

Die zentrale Fragestellung des SFB 1101 ist deshalb, wie die Spezifität biologischer Vorgänge kausal-mechanistisch auf molekularem Niveau realisiert wird. Die Kodierung kann dabei auf ganz unterschiedlichen Ebenen erfolgen, die von strukturellen Veränderungen einzelner Moleküle und Proteine über die spezifische Zusammenlagerung mehrerer Moleküle zu Komplexen und intrazelluläre Sortierung von Molekülen bis hin zur systemischen Ausbreitung von spezifitätsvermittelnden Faktoren über Zellgrenzen reichen.

Voraussetzung für den Erfolg dieses Forschungsansatzes ist dabei eine multidisziplinäre Herangehensweise auf der Grundlage eines breiten wissenschaftlichen Verständnisses und einer diversifizierten methodischen Basis.

SFB 1101

Sprache bietet nicht nur die Ausdruckskraft, die für die Kommunikation notwendig ist, sondern gibt dem Sprecher auch eine Vielzahl von Möglichkeiten, eine Botschaften zu kodieren – von der Wortwahl über die Strukturierung syntaktischer Elemente bis hin zur Anordnung von Sätzen.

Der Sonderforschungsbereich befasst sich mit der Hypothese, dass Sprachvariation und Sprachgebrauch besser verstanden werden können, wenn es darum geht, die Menge der in einer Äußerung vermittelten Informationen zu modulieren. Während man sich früher bemüht hat, Sprachsysteme und ihre Verwendung in Bezug auf die Komplexität zu verstehen, ist die Definition dieses Begriffs oft ungenau und spezifisch für bestimmte Sprachniveaus.

In jüngster Zeit gibt es jedoch Hinweise darauf, dass die einfache Verarbeitung von Sprachmaterial mit seiner kontextabhängigen Vorhersagbarkeit korreliert ist. Dies hat zu der Hypothese geführt, dass Komplexität angemessen durch Shannons Begriff der Information indiziert werden kann, der in der jüngsten Spracharbeit als Überraschung bezeichnet wird.

SFB 1102

Wie kommt es zu Multipler Sklerose (MS)? Dieser Frage gehen die Mitglieder des Sonderforschungsbereichs/Transregio 128 nach, der an Instituten in München, Münster und Mainz beheimatet ist.

Trotz enormer Fortschritte der Forschung bleiben viele Fragen zu den Ursachen der MS offen. Während die Genetik eher eine untergeordnete Rolle spielt, tragen Risikofaktoren aus der Umwelt entsprechend mehr zum MS-Risiko bei. Um solche MS-Risikofaktoren genauer zu untersuchen, haben sich Medizinerinnen und Mediziner der Neurologie der RUB im St. Josef-Hospital intensiv mit dem Darm und der Ernährung beschäftigt und sind mit ihrem Projekt am SFB/TR 128 beteiligt.

Im Darm kommen Nahrung, die Darmbakterien – das sogenannte Mikrobiom –, deren Stoffwechselprodukte und das Immunsystem zusammen. Die Forscherinnen und Forscher gingen zunächst der Frage nach, wie das Fett aus der Nahrung, das ein Gemisch aus unterschiedlichen Fettsäuren ist, die Autoimmunerkrankung des Gehirns beeinflussen kann. Das Ergebnis: Je länger die Fettsäuren, umso mehr entstehen pro-entzündliche Immunzellen in der Darmwand, die zu einem schwereren Krankheitsverlauf führen können. Das Gegenteil verursachen kurzkettige Fettsäuren, wie das Propionat, das mit bakterieller Hilfe aus ballaststoffreicher Nahrung im Darm entsteht. Das Propionat führt zu einem deutlichen Anstieg der regulatorischen Immunzellen und zu einem Rückgang der Entzündungszellen.

SFB/TR 128

Im Zentrum des Sonderforschungsbereichs 1044 steht die Hadronenphysik. Hadronen sind subatomare Teilchen, die aus Quarks aufgebaut sind und durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. Viele Fragen der Teilchen- und Atomphysik und auch der Astrophysik können aktuell noch nicht beantwortet werden, weil es an quantitativem Wissen über die starke Wechselwirkung im Bereich leichter Quarks fehlt. Dieser Bereich ist in der Quantenchromodynamik (QCD), welche die starke Wechselwirkung als eine Feldtheorie beschreibt, nicht störungstheoretisch zugänglich. Die Störungstheorie stellt eine Strategie dar, nach der komplizierte Probleme zunächst idealisiert und auf Probleme mit bekannter Lösung reduziert werden. Die zuvor weggelassenen Einflüsse werden später als kleine Störungen wieder hinzugefügt. Auf diesem Weg lassen sich jedoch nicht alle Probleme lösen. Das Team im Sonderforschungsbereich 1044 arbeitet daran, diese Wissenslücke zu schließen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen an der Niedrigenergie-Grenze des Standardmodells der Teilchenphysik. Das bedeutet, dass sie zum einen mit extrem niederenergetischen Elektronenstrahlen experimentieren, um Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik direkt zu vermessen. Zum anderen wollen sie tiefe Einblicke in die Struktur und Dynamik von Hadronen gewinnen und die Frage klären, wie sich diese Teilchen aus ihren Bausteinen, den Quarks und Gluonen, zusammensetzen. Dazu werten sie Daten aus, die mit dem BESIII-Detektor in Peking und dem A2-Detektor am Beschleuniger MAMI in Mainz aufgezeichnet werden.

Schwerpunkt der Arbeiten in Bochum ist die Spektroskopie der Hadronen, wobei hier die Suche und Charakterisierung von sogenannten Exotischen Zuständen im Zentrum der Forschung steht.

SFB 1044

Im Sonderforschungsbereich/Transregio 88 untersuchen Forscherinnen und Forscher aus Chemie und Physik die Wechselwirkungen von Metallzentren in großen Molekülkomplexen sowohl innerhalb der Moleküle als auch mit ihrer Umgebung. Ziel ist es, Moleküle mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen und sie in die Anwendung zu überführen.

Durch die Wechselwirkung mehrerer Metallzentren untereinander können neue Eigenschaften entstehen. Im Bereich Magnetismus können durch die Kopplung der Metallzentren gigantische Informationsdichten generiert werden, die für das Quantencomputing wichtig sind. Neuartige Leuchtstoffe könnten die Grundlage für eine zukünftige Generation hochbrillanter Displays sein, die ohne Seltene Erden auskommen. Darüber hinaus ermöglichen multimetallische Komplexe neue chemische Reaktionen, zum Beispiel für die Energiegewinnung. Mit diesen Katalysatoren ließe sich etwa die Effizienz und Selektivität der Reaktionen verbessern.

An der RUB entwickelt Prof. Dr. Lukas Gooßen im Rahmen des Forschungsverbunds neue Katalysatoren, die zwei oder drei verschiedene Metallzentren enthalten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Aktivierung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, die normalerweise nicht reagieren. Indem eines der Metalle mit dem Kohlenstoff, das andere mit dem Wasserstoff interagiert, sollen diese stabilen Bindungen gebrochen werden. Der Wasserstoff soll dann durch eine funktionelle Gruppe ersetzt werden, beispielsweise durch einen Arylrest, einen Alkohol oder Aminrest. Die Metallkatalysatoren sollen sich in dem Prozess regenerieren und somit immer wieder neue Moleküle in der gleichen Weise umsetzen.

SFB/TR 88

Die statistische Modellbildung in den Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaften sieht sich mit vielfältigen intervenierenden Variablen und komplexen Prozessen mit zum Teil unübersichtlichen Abhängigkeiten konfrontiert, die sich mit konventionellen Modellen nicht beschreiben lassen.

Ein Beispiel: In der letzten Finanzkrise haben fast alle ökonomischen Modelle bei Diagnose und Prognose versagt. Während in ruhigeren Börsenzeiten die Aktienmärkte unterschiedliche Entwicklungen und Trends zeigen, ist das Verhalten in Krisenzeiten sehr ähnlich, mit nahezu prozentual gleichen Verlusten. Wieso nehmen internationale Kapitalmarktabhängigkeiten in wirtschaftlichen Abschwungphasen drastisch zu? Und wie ist zu erklären, dass die jeweiligen Märkte in Aufschwungphasen nicht diese simultanen Kursausschläge zeigen? Die abrupten und/oder graduellen Änderungen – die sogenannten Strukturbrüche – zu finden und zu quantifizieren, ist das wichtigste Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich 823.

Und diese Probleme beschränken sich keineswegs auf die Wirtschaft. Ähnliche Probleme existieren auch in den Ingenieurwissenschaften. So ist beispielsweise bei der Betonverarbeitung nicht davon auszugehen, dass Variablen im Prozess immer konstant ihren Einfluss ausüben, sondern es auch hier zu Strukturbrüchen kommt, die in die statistische Modellbildung einfließen müssen.

Entsprechend interdisziplinär ist auch die Zusammensetzung des Sonderforschungsbereichs mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, Maschinenbau, Statistik, Mathematik sowie Elektrotechnik und Informationstechnik.

SFB 823