Die animierte Fruchtfliege

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he Wenn du die beiden Forsc oder mehr t tes ch noch etwas fragen mö willst, ren ah erf über das IST Austria dazu: it he en leg dann hast du hier Ge ww w.ist.ac.at sterneuburg Am Campus 1, 34 00 Klo neugier@ist.ac.at

Die

animierte Fruchtfliege

Daria Siekhaus

erforscht, wie sich Zellen in der Fruchtfliege bewegen

Chris Wojtan

erforscht, wie Computer die Natur realistisch darstellen

Ein Besuch am IST Au stria

Daria Siekhaus und Chris Wojtan arbeiten am Forschungsinstitut IST Austria

IST AUSTRIA

I mpressum Institute of Science and Technology Austria Am Campus 1, 3400 Klosterneuburg, Telefon +43 (0)2243–9000, office@ist.ac.at, www.ist.ac.at Editor: Sophie Cate Text: IST Austria (Sophie Cate) Grafikdesign: Pölleritzer, Büro für Werbung und Design, www.poelleritzer.at Illustrationen: Eva Sixt Druck: Druckerei Berger Papier: Munken Polar 300g, 150g Copyright: Institute of Science and Technology Austria, 2012

Du trittst nun ein in das

IST Austria ) ia r t s u a ie t s e i (e

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Experimentelle Forscherinnen und Forscher testen ihre Ideen, indem sie sie ausprobieren und Versuche machen, also experimentieren.

Sie arbeiten auch viel am Computer, um Ergebnisse zu berechnen und zu verstehen.

Wo? Was? Wie heiSSt das?

Das bedeutet nicht etwa EI wie Eis, ES wie Espresso und TIE wie Tiergarten, sondern es ist die Abkürzung für den Namen Institute of Science and Technology Austria.

Das IST Austria ist ein Forschungsinstitut in Klosterneuburg, in Niederösterreich. Hier treffen sich Menschen aus aller Welt und arbeiten an verschiedenen fesselnden Fragen in der Naturwissenschaft und in der Mathematik. Auf den nächsten Seiten erfährst du, was die Zellbiologin Daria Siekhaus und der Computerwissenschaftler Chris Wojtan erforschen. Du lernst Spannendes über ihre Arbeit, ihre Forschung und ihr Leben, und sie verraten dir, weshalb sie so gerne forschen.

Hinter jeder Forschung steht eine Frage: Wie funktioniert das? Wieso passiert das?

Oft entwickeln sich solche Fragen in Gesprächen mit Kolleginnen und Kollegen.

Theoretische Wissenschaft wird oft am Computer betrieben, oder einfach mit Stift und Papier – oder an einer Tafel!

FORSCHERIN AM IST AUSTRIA

Siekhaus Name: Daria e ifornien, USA Alter: 45 Jahr Berkeley, Kal : in en hs ac Aufgew USA rvard University, ologie an der Ha A US , > Studium der Bi ity rs Unive m an der Stanford > Doktoratsstudiu y, USA fenthalt in Berkele , USA > Forschungsau w York University Ne r de an lt ha stria. nt fe au > Forschungs gruppe am IST Au haus eine Arbeits ek Si ria Da t te lei > Seit 2012

Daria Siekhaus

Abenteuer mit Fliegen Ich wollte Wissenschaftlerin werden, weil … mein Vater, selbst ein Wissenschaftler, mir die Welt als etwas zeigte, das man erkundet. Er weckte in mir den Wunsch zu verstehen, wieso die Welt so ist, wie sie ist.

Zur Person

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Mondspaziergang mit Schokolade Kindheitstraum

als Ritterin für die Gerechtigkeit zu kämpfen

Ich kann nicht sein ohne Schokolade

Auf eine einsame Insel würde ich mitnehmen

einen Gedichtband, ein Messer und eine Lupe um Feuer zu entfachen

sch tra um M ein Wun

ist

dass meine Arbeit etwas Nützliches für die Behandlung von Krebs liefert

Was ich an meiner Arbeit liebe ist, … dass sie jeden Tag anders ist, dass ich neue Fragen stellen und in einen Dialog mit der Welt treten kann. Ich liebe es, mit Leuten aus aller Welt zusammenzuarbeiten.

gen Könnte ich auf den Mond flie

IST Austria ist für mich … ein wunderbarer Ort um ausgezeichnete Wissenschaft zu betreiben. Es ist eine Ansammlung von abenteuerlustigen Menschen, die zusammenarbeiten und gemeinsam neue Dinge schaffen.

Max und Moritz und Bücher von Dr. Seuss

würde ich auf die Erde zurückblicken und realisieren, wie klein doch die Welt ist

Mein liebstes Kin derbu ch

Ich habe meine besten Ideen, wenn … ich Gedanken in meinem Kopf wälze und lese. Plötzlich kommt ein Geistesblitz und alles erklärt sich wie von selbst. Manchmal habe ich meine besten Ideen unter der Dusche.

Ich kann am besten arbeiten, wenn … ich von Leuten umgeben bin, die anders denken als ich, aber mit denen ich über die Fragen, die mich interessieren, reden kann.

Ich würde jungen WissenschaftlerInnen raten, dass … WissenschaftlerIn sein ein toller Beruf ist. Es ist nicht einfach, aber es ist ein Leben voll Abenteuer, das dich überallhin auf der Welt bringen kann. Du musst arbeiten und lernen können, aber auch immer neugierig bleiben.

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FORSCHERIN AM IST AUSTRIA

Zellen – Bausteine des Lebens Daria Siekhaus

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Alle Lebewesen so verschieden sie auch aussehen sind aus Zellen aufgebaut. Du kannst dir Zellen wie kleine Bausteine vorstellen aus denen alles in deinem Körper gebastelt ist dein Herz deine Muskeln deine Haut. Auch Blumen Bäume und Pilze sind aus Zellen aufgebaut.

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Es gibt sogar Lebewesen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen! Eine Zelle enthält daher alles, was für das Überleben wichtig und notwendig ist. Die größten Zellen im menschlichen Körper sind so groß wie der Punkt am Satzende, die kleinsten so klein, dass wir sie nur unter einem sehr starken Mikroskop sehen können. Unsere Zellen sind wie eine kleine Stadt aufgebaut: Der Zellkern, das Rathaus , steuert, was in der Zelle passiert. Er enthält die Steuer­information in Form von Genen, die an Tochterzellen vererbt werden. Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle und liefern die Energie, die die Zelle für ihre Aufgaben benötigt. Die Zelle besitzt auch ein Postsystem: Wichtige Zellbausteine, wie Proteine, nehmen im sogenannten Endoplasmatischen Retikulum ihre richtige Form an. In der Verteilerstelle namens Golgi-Apparat werden Proteine verpackt und sortiert, und von dort zu den einzelnen Strukturen der Zelle oder zum Zellrand geliefert. Abfallprodukte werden in den Lysosomen, den Mülldeponien , gelagert und abgebaut. Wie eine Stadtmauer umgibt die Zellmembran die Zelle, sie grenzt die Zelle von anderen Zellen ab und kontrolliert, was in die Zelle hineinkommt und was sie verlässt. Zellen sind aber nicht voneinander abgeschottet, sondern können Information austauschen und aufeinander reagieren. Das ist wichtig, damit Zellen zusammenarbeiten können und ihre Funktion im Körper erfüllen.

BLICK in d Zukunft ie

Nicht nur Im m manche K re unzellen bewegen s ich, auch bszellen k önnen sich und sich s b eweg e n o im Körpe r verbreite Zellen bew n. Diese egen sich auf dieselb Immunzell e Art fort w en. Daher h ie offen wir, d von Daria S ass die Arb iekhaus un eit s auch helf Fortbeweg e n kann , d ung von Kre ie b s Das könnte zellen zu ve bei der En rstehen. tw Möglichke iten der K re icklung von neuen bstherapie helfen.

Auch Ze llen bewe gen sich

Die meiste nZ Es gibt abe ellen in deinem Körp er bewege rZ n sich nich Diese Imm ellen, die durch den t un d b a u e Körper wa unzellen ve n stabile O ndern müs rwenden d bewegen u rgan sen, denn ie Blutbah nd zu den si n e bekämpfe e wie deine Lunge. a E ls rre sie durch d ihre Schne nK ie Wand vo gern vorzudringen. llstraße, u m sich durc rankheitserreger.

Um diesen nB zellen Barr P fad zu be h den Körp ieren überw lutgefäßen dringen. tre er Daria Siek in wenn Imm haus erfors ten und zu verlassen zu unzellen si den können. Sie fan , müssen cht in der d heraus, ch durch e wahrschein F d ruchtfliege in Hindern lic is quetsch ass Zellen unterschie , wie Immu viele Gene h um so an der Barr en möchte n­ dlich „kleb iere anzuh entdeck t, n , rig“ sein k m achen sie aften und die zum Üb was die Ge önnen: sich klebri ihr mitzute erwinden ne tun, da ger als son ilen, dass von H mit sich die st, sie durc Zelle durch indernissen wichtig sind, und ve h möchten. Sie hat die Barriere rs bewegen k ucht herau ann. szufinden,

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Wusstes

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rG find Viele unsere tfliegen zu en ch in Fruch au gäbe es kein d t n si ns n, so Zelle gleich – e. u g ie na tfl ge t ch ch ru F Gene sind ni ensch und die zwischen M sagen, dass an m nn Unterschied ka en de er ie lli ch ro rs nt te Un nn sie ko Trotz dieser andt sind, de twicklung des rw ve r de an En Gene mitein Beispiel die nd tivität, zum diesem Gru s u A . g n u dieselbe Ak g e det, ew n e lb el rw Z ve die ern oft ch rs o A uge s o der F n en vo ie chtfliege . Fruchtfl g wird die Fru Vorgänge zu studieren n e b a h che nn sie um biologis nismus, de el Modellorga r te gen nicht vi u ti g ö n n e ei sind auf d klein, b n en si g e ie si tfl : le ch u einige Vortei und man kann viele Fr en d er or w ben iekhaus’ Lab gehalten, zum Überle . In Daria S n er re et ie m d u ik st ub K einmal einem tfliegen auf Maismehl, ch s u u a Fr g 0 n 0 u ‘0 60 Misch cht­ en nur eine ilfe von Fru und sie ess Hefe. Mit H d n d u n p u u n ir aiss rinne Agarose, M senschaftle is Zelle W n en e g ch zi n rs ei fliegen erfo r etwa, wie aus einer se ftle r wie un r Wissenscha s wird, ode u m is n a rg rO . ein gesamte thmus gesteuert wird y h R t ch a -N Tag

Versuch doch mal……

… den Bauplan von Insekten zu erforschen! Sieh dir die vielen Insekten im Wald, auf der Wiese oder im Garten an. Bienen, Ameisen, Libellen, Schmetterlinge, Fliegen – sie alle sehen sehr verschieden aus. Aber sie sind sich auch ähnlich: sie haben sechs Beine, ihre Augen sind aus einzelnen, kleinen Facetten aufgebaut und sie besitzen ein hartes Außenskelett. Insekten ähneln sich, weil sie nach demselben Bauplan aufgebaut sind. Unterschiede entstehen dadurch, dass Gene, die den Bauplan ausführen, zu anderen Zeiten oder an unterschiedlichen Orten aktiv werden, oder durch Veränderungen in den Genen selbst.

Beobachte die Insekten: Wie unterscheiden sich die Flügel? Wie können solche Unterschiede entstehen?

Entdeckst du noch weitere Gemeinsamkeiten und Unterschiede?

Ein TAG IM LEBEN VON Der Tag beginnt mit einem ausgiebigen Frühstück, natürlich verlangt auch die Katze eine Leckerei.

7:00

Daria Siekhaus radelt gerne an zum IST Austria Bus, der sie das Institut bringt.

9:00

Am Mikroskop arbeitet Daria Siekhaus mit Fruchtfliegen. Sie sor­ tiert die Fliegen nach ihren Genen, damit sie sie für die entsprechenden Experimente verwenden kann.

Mit einer Jungwissenschaftlerin in ihrer Forschungsgruppe bespricht Daria Siekhaus, welche Versuche heute durchgeführt werden.

15:00

11:00

Daria Siekhaus & Chris Wojtan

Daria Siekhaus besucht ein Seminar, und hört einem anderen Wissenschaftler zu, wie er über seine Arbeit berichtet. Es ist spannend zu erfahren, was andere ForscherInnen herausfinden!

17:00

Freunde kommen zum Abend­­essen – es wird gekocht, geplaudert und gegessen.

Die richtige Entspannung nach einem langen Arbeitstag!

20:00

13:00

Mittsaegspau r

Chris Wojtan schläft noch.

Manchmal schleicht sich die Mathematik sogar in seine Träume ein!

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Gemeinsam mit StudentInnen wird programmiert, um eine Animation fertig zu stellen.

Rechnen, rechnen, rechnen.

Chris Wojtan löst mathematische Probleme, die ihm bei seiner Animation helfen.

Zeit fü Mittagessen: ria Da e. us Pa eine Chris Siekhaus und über rn Wojtan plaude Sommer im it, be Ar re ih e im sitzen sie gern eßen ni ge d Freien un e. dabei die Sonn

Schnell noch KollegInnen in den USA anrufen und gemeinsame Projekte besprechen.

Für die Konferenz muss noch ein Film geschnitten werden, er soll ja gut aussehen.

Zeit ein Buch zu lesen, die Gitarre oder Videospiele zu spielen.

Oft kommen Chris Wojtan so noch Ideen zu Problemen, an denen er gerade arbeitet.

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FORSCHER AM IST AUSTRIA

CHRIS WOJTAN

Die Natur im Computer Ich wollte Wissenschaftler werden, weil … ich die Idee mochte, die Wirklichkeit mit Mathematik darzustellen und die Natur mit Animationen im Computer nachzubilden.

Wojtan Name: Chris e hr Ja Alter: 30 n, in: Homer Gle en hs ac w Aufge A S U , von Chicago einem Vorort schaften Computerwissen > S tudium der USA is, no t von Illi an der Universitä gia or Ge m am > Doktoratsstudiu nology, USA ch Te of e ut Instit r einer Chris Wojtan Leite > Seit 2011 ist IST Austria.

Arbeitsgruppe am

on Zur Pers

Kindheitstraum

Jackie Chan zu sein

Ich kann nicht sein ohne

meine morgendliche Schüssel Cornflakes und Milch

Auf eine einsame Insel würde ich mitnehmen meine Gitarre, einen Stift und Papier

sch tra um M ein Wun

Was ich an meiner Arbeit liebe ist … das Gefühl etwas zu verstehen, Verbindungen herzustellen zwischen Dingen, von denen man vorher gar nicht wusste, dass sie verbunden sind. Ich mag es auch, mit StudentInnen und KollegInnen zusammenzuarbeiten.

IST Austria ist für mich … ein Ort, an dem mir vertraut wird und ich das Gefühl habe, dass ich gute Arbeit leisten kann.

Von Karate und denkender Knete

ist

dass alle, die ich kenne, glücklich sind

Kn

se etmas

gen Könnte ich auf den Mond flie würde ich ein Trampolin mitnehmen und Gymnastik machen

Mein liebstes Kin derbu ch

Ich habe gerade Harry Potter gelesen und sehr gemocht

Ich habe meine besten Ideen, wenn … ich schwimme oder bei Wasserfällen wandere, wenn ich also einfach die Natur beobachten kann.

Ich kann am besten arbeiten, wenn … niemand sonst wach ist.

Ich würde jungen WissenschaftlerInnen raten … immer weiter Fragen zu stellen und die Neugier nie versiegen zu lassen.

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FORSCHER AM IST AUSTRIA

CHRIS WOJTAN

Wie animiert Math ematik die Wirklichkeit?

Ph ysik – was ist Alles im Unive rsum wirk t au das? f alles andere kerinnen und , und die Phys Physiker stelle ik er n

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Viele Filme die du im Kino siehst werden nicht mit echten Schauspielern in der wirklichen Welt gedreht sondern am Computer geschaffen. Aber was glaubst du müssen Filmemacher bedenken um animierte Filme realistisch zu gestalten?

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Kannst du immer einen animierten von einem „wirklichen“ Film unterscheiden? Die Welt im Computer sieht oft der Welt rund um uns sehr ähnlich. Um so realistische Szenen zu drehen, müssen FilmemacherInnen die Natur im Computer nachahmen. Dafür müssen sie eine ganze Reihe an Dingen bedenken, die wir für selbstverständlich halten: wie das Licht strahlt, wie Wasser fließt oder wie der Wind weht. Wenn ein Blatt zu Boden fällt, muss die Animation nicht nur das Blatt zeigen, sondern auch das Sonnenlicht, die Bewegung des Blatts, die Veränderungen seiner Form und seinen Schatten. Um ein physikalisches Phänomen darzustellen, müssen wir also zuerst verstehen, wie es in der Natur wirklich funktioniert. Dafür benötigen wir die Wissenschaft. Physik hilft uns, Vorgänge in der Natur zu verstehen und Mathematik erlaubt es uns, sie zu beschreiben und zu berechnen. Berechnungen sind die Grundlage für Animationen: Als Chris Wojtan „denkende Knete“ animierte, beobachtete er erst, wie sie sich verhält, beschrieb dann ihre Eigenschaften in Gleichungen und animierte sie schlussendlich am Computer. Chris Wojtan hat Gleichungen entwickelt, die Flüssigkeiten wie Wassertropfen, Spritzer und Wellen realistisch animieren. Das macht es möglich, Wasserfälle, Bäche und das Meer darzustellen.

BLICK in d Zukunft ie

S chon heu te si Handy, dein nd Computer überall – in deinem e m Z u h au s e, im Auto, In Zukunft im Flugzeu werden Co g. mp no ch s chn eller werde uter noch kleiner un d n. Sie werd schneller re en dann vi chn en und el no ch m ehr heute: Vide Dinge tun a ospiele we ls rden von d nicht zu un er Wirklich terscheide k e it n s werden re alistischere ein, animierte Filme Details zeig Computer können no ch komplizi en, und nu ng e n du erte rchführen und uns ein re BerechVerständn besseres is der Welt geb en.

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die Com­ besitzt als g n tu is le n steuerten?

Re c h e zum Mond Auto mehr n in te e e m k s a s a -R d o …

Apoll lo-Rakete zu me, die die ord der Apol ter B u p an al om C M puter­syste m ersten em ersten d zu it en m h g sc eu d en Als M mfahrz rn und as , war ihr Rau ationen in Echtzeit liefe te elekn te is re d de Mon form te. Er verwen , der Flugin steuern konn ie die Mikrochips in ausgestattet ch is at m to ug au mat w Raumfahrze und einen Miniaturfor ne Tastatur altkreise in ei ch S te e at h ch is er tron , ab r einfache putern heute ährend diese den wir unseren Com ein Taschenrechner. W euern, fin wie rzeuge zu st h fa m Bildschirm en bis zu 50 au R ügte, um seren Straß n en u g f r bag, au te u to p u Com hen A ngen von Air rchschnit tlic alles, angefa n. n er er ss eu lö st ch se in einem du den Türs puter. Die zu s om C bi s ne or de ot verschie ng des M Über wachu Klimaanlage,

forscht diese große Fragen Was sind die Wirkungen. Ph , et wa: Wie be Bausteine de r Materie? Ph ysi­ gann das Uni versuchen da ys versum? Was ik erInnen fragen s durch Beoba is t Li chten und Ve si cht? ch selbst: Isaac , w ie die Welt fu rsuche zu bean New ton bega nk tionier t, un twor ten. Idee nn angeblich Schatten eine d n dazu bietet über s Baumes ausr of t die Natur uhte und ein Ap die Schwerkraf t nachzude zu formuliere nk fel auf seinen n, wie die Erde en, als er sich Kopf fiel. Das im Dinge durch führen Physik brachte ihn da die Schwerkr erInnen Expe zu Theorien af rimente durch, t anzieht. Um passiert. Wen ihre Ideen zu bei denen sie n du einen Ap testen, et was veränd fel schnell un passiert, wen ern und beob d hoch in die n du ihn imm achten, was Luft wir fst, fli er kräf tiger w beschleunigs egt er ins All? ir fst? Wenn du t und beobac Und was die Geschwin htest, ein kleines Ex digkeit, mit de periment. Phys wie sich der Flug des Apfe r du wir fst, ls ik erInnen versuc veränder t, m PhysikerInnen ac hen sich der würden dein Welt mit Mathe hst du bereits Experiment be digkeit zu be obachten und matik anzunä rechnen, mit hern. dann versuche der du den A Tatsächlich ha pfel wer fen m n, die exak te ben Physiker Geschwin­ üsstest, dam Innen bereits wer fen musst it er errechnet, da ins All fliegen – da ss du den Ap kann. ihre Berechnun s ist 3600 Mal schneller, fel mit 11,2 km als ein Mensc gen nicht einf pro Sekunde h laufen kann ach mit Stift, den sie einen ! Wenn Physik Papier und vi Com er el Nachdenke benützen. Wen puter, der für sie rechnet n lösen können Innen – ähnlich wie n die Berechn , verwen­ wir manchmal ungen selbst PhysikerInnen einen Tasche für den Compu neue Gleichu nrechner ter zu schwie ngen zu entw rig werden, ve ickeln, die leic rsuchen hter zu lösen sind.

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… deine eige nen Animatio nen zu zeichn Ein Film best en! eht aus einzel nen Bildern.

Wenn viele Bi lder schnell hi ntereinander gezeigt werde n, können wir die einzelnen Bilder nicht m ehr sehen un d nehmen sie als Film w ahr. Zeichne eine Reihe von Bildern au f kleine S tück e Papier.

Wenn du schn ell durchblätt erst, bewegen sich die Bilder ! Versuche de inen Film realistisch zu gestalten und denke an all die Physik, di e im Hintergru nd abläuf t.

Für die Forschung werden manchmal ganz bestimmte Materialien oder Versuchsanordnungen benötigt. Am IST Austria fertigt eine eigene Werkstätte solche Einzelstücke.

NOCH ? t FRAGEN ist.ac.a

@ NEUGIER .ist.ac.at www

Ideen und Ergebnisse werden miteinander diskutiert: im Hörsaal, im Seminar, per E-Mail oder im Cafe.

Die besten Ideen entstehen, wenn man mit Kolleginnen und Kollegen spricht.

Deshalb treffen sich am IST Austria die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler oft zum Mittagessen und plaudern.