Biochemie

Biochemie, auch physiologische Chemie genannt, ist die Lehre von den chemischen Prozessen in lebenden Organismen und deckt die Überschneidung zwischen Chemie, Biologie und Physiologie ab. Die Biochemie steuert alle lebenden Organismen und Lebensprozesse. Durch die Steuerung des Informationsflusses mittels biochemischer Signalübertragung und des Flusses chemischer Energie durch den Stoffwechsel führen biochemische Prozesse zu der hohen Komplexität des Lebens. Ein Großteil der Biochemie befasst sich mit den Strukturen und Funktionen von Zellbestandteilen wie Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden, Nukleinsäuren und anderen Biomolekülen, wobei zunehmend Prozesse und nicht einzelne Moleküle im Mittelpunkt stehen. In den letzten 40 Jahren ist die Biochemie bei der Erklärung von Vorgängen in Lebewesen so erfolgreich geworden, dass sich heute fast alle Bereiche der Biowissenschaften von der Botanik bis zur Medizin mit biochemischer Forschung beschäftigen. Heute liegt der Schwerpunkt der reinen Biochemie auf dem Verständnis, wie biologische Moleküle zu den Prozessen führen, die in lebenden Zellen ablaufen, was wiederum in hohem Maße mit der Untersuchung und dem Verständnis ganzer Organismen zusammenhängt.

Unter der großen Zahl verschiedener Biomoleküle sind viele komplexe und große Moleküle (sogenannte Biopolymere), die aus ähnlichen, sich wiederholenden Untereinheiten (Monomeren) zusammengesetzt sind. Jede Klasse von polymeren Biomolekülen hat einen anderen Satz von Untereinheitstypen, z. B. ist ein Protein ein Polymer, dessen Untereinheiten aus einem Satz von 20 oder mehr Aminosäuren ausgewählt sind. Die Biochemie befasst sich mit den chemischen Eigenschaften wichtiger biologischer Moleküle wie Proteine und insbesondere mit der Chemie von enzymkatalysierten Reaktionen.

Die Biochemie des Zellstoffwechsels und des endokrinen Systems ist weitestgehend erforscht und mit vielen Details beschrieben worden. Weitere Bereiche der Biochemie sind der genetische Code (DNS, RNS), die Proteinsynthese, der Transport durch die Zellmembranen und die Signaltransduktion.

Chemie

Die Chemie ist die Wissenschaft von der Materie und den Veränderungen, denen sie unterliegt. Die Wissenschaft von der Materie wird auch von der Physik behandelt, aber während die Physik einen allgemeineren und grundlegenderen Ansatz verfolgt, ist die Chemie spezieller und befasst sich mit der Zusammensetzung, dem Verhalten (oder der Reaktion), der Struktur und den Eigenschaften der Materie sowie mit den Veränderungen, denen sie bei chemischen Reaktionen unterliegt. Es handelt sich um eine physikalische Wissenschaft, die verschiedene Stoffe, Atome, Moleküle, Kristalle und andere Materieaggregate einzeln oder in Kombination untersucht und die Konzepte von Energie und Entropie in Bezug auf die Spontanität chemischer Prozesse einbezieht.

Die Disziplinen innerhalb der Chemie werden traditionell nach der Art der untersuchten Materie oder der Art des Studiums gruppiert. Dazu gehören die anorganische Chemie, die sich mit anorganischen Stoffen befasst, die organische Chemie, die sich mit organischen (kohlenstoffhaltigen) Stoffen befasst, die Biochemie, die sich mit Stoffen befasst, die in biologischen Organismen vorkommen, die physikalische Chemie, die sich mit chemischen Prozessen befasst und dabei physikalische Konzepte wie Thermodynamik und Quantenmechanik anwendet, und die analytische Chemie, die sich mit der Analyse von Materialproben befasst, um deren chemische Zusammensetzung und Struktur zu verstehen. In den letzten Jahren sind viele weitere Spezialdisziplinen entstanden, z. B. die Neurochemie, die sich mit der chemischen Untersuchung des Nervensystems befasst.

Elektronik

Die Elektronik ist der Zweig der Wissenschaft und Technik, der sich mit elektrischen Schaltungen befasst, die aktive elektrische Komponenten wie Transistoren, Dioden, integrierte Schaltkreise und dergleichen umfassen. Das nichtlineare Verhalten dieser Komponenten und ihre Fähigkeit, den Elektronenfluss zu steuern, ermöglicht beispielsweise die Verstärkung schwacher Signale und wird in der Regel in der Informations- und Signalverarbeitung eingesetzt. Die Elektronik unterscheidet sich von den elektrischen und elektromechanischen Wissenschaften und Technologien, die sich mit der Erzeugung, Verteilung, Schaltung, Speicherung und Umwandlung von elektrischer Energie in und aus anderen Energieformen unter Verwendung von Drähten, Motoren, Generatoren, Batterien, Schaltern, Relais, Transformatoren, Widerständen und anderen passiven Komponenten befassen. Diese Unterscheidung begann um 1906 mit der Erfindung der Triode durch Lee De Forest, die die elektrische Verstärkung schwacher Radio- und Audiosignale mit einem nichtmechanischen Gerät ermöglichte. Bis 1950 wurde dieser Bereich als „Radiotechnik“ bezeichnet, da seine Hauptanwendung die Konstruktion und Theorie von Radiosendern, Empfängern und Vakuumröhren war.

Heutzutage werden in den meisten elektronischen Geräten Halbleiterkomponenten zur Steuerung von Elektronen verwendet. Die Erforschung von Halbleiterbauelementen und der zugehörigen Technologie wird als Teilgebiet der Festkörperphysik betrachtet, während der Entwurf und die Konstruktion elektronischer Schaltungen zur Lösung praktischer Probleme in den Bereich der Elektrotechnik fällt.

Genetik

Die Genetik (von altgriechisch γενετικός genetikos) ist ein Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Genen, der Vererbung und der Variation in lebenden Organismen befasst.

Die Genetik befasst sich mit der molekularen Struktur und Funktion von Genen, mit dem Verhalten von Genen im Kontext einer Zelle oder eines Organismus (z. B. Dominanz und Epigenetik), mit den Mustern der Vererbung von Eltern auf Nachkommen und mit der Verteilung, Variation und Veränderung von Genen in Populationen. Da Gene für lebende Organismen universell sind, kann die Genetik auf die Untersuchung aller lebenden Systeme angewendet werden, von Viren und Bakterien über Pflanzen (insbesondere Nutzpflanzen) und Haustiere bis hin zum Menschen (wie in der medizinischen Genetik).

Die Tatsache, dass Lebewesen Eigenschaften von ihren Vorfahren erben, wird seit prähistorischen Zeiten genutzt, um Nutzpflanzen und Tieren durch selektive Züchtung gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Die moderne Wissenschaft der Genetik, die versucht, den Prozess der Vererbung zu verstehen, begann jedoch erst mit den Arbeiten von Gregor Mendel in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Obwohl er die physikalischen Grundlagen der Vererbung nicht kannte, stellte Mendel fest, dass Organismen Merkmale über diskrete Vererbungseinheiten, die heute als Gene bezeichnet werden, vererben.

Gene entsprechen Regionen innerhalb der Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. im Englischen DNA), einem Molekül, das aus einer Kette von vier verschiedenen Arten von Nukleotiden besteht – die Sequenz dieser Nukleotide ist die genetische Information, die Organismen erben. Die DNS kommt in der Natur als Doppelstrang vor, wobei die Nukleotide auf jedem Strang komplementär zueinander sind. Jeder Strang kann als Vorlage für die Erstellung eines neuen Partnerstrangs dienen. Dies ist die physikalische Methode zur Herstellung von Kopien von Genen, die vererbt werden können.

Die Nukleotidsequenz eines Gens wird von den Zellen übersetzt, um eine Kette von Aminosäuren zu erzeugen, aus der Proteine entstehen – die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein entspricht der Reihenfolge der Nukleotide im Gen. Diese Beziehung zwischen Nukleotidsequenz und Aminosäuresequenz wird als genetischer Code bezeichnet. Die Aminosäuren in einem Protein bestimmen, wie es sich in eine dreidimensionale Form faltet; diese Struktur ist wiederum für die Funktion des Proteins verantwortlich. Proteine erfüllen fast alle Funktionen, die eine Zelle zum Leben braucht. Eine Veränderung der DNS in einem Gen kann die Aminosäuren eines Proteins verändern, wodurch sich seine Form und Funktion ändert: Dies kann dramatische Auswirkungen auf die Zelle und den gesamten Organismus haben.

Obwohl die Genetik eine große Rolle für das Aussehen und das Verhalten von Organismen spielt, ist es die Kombination aus Genetik und den Erfahrungen, die ein Organismus macht, die das Endergebnis bestimmt. So spielen die Gene zwar eine Rolle bei der Bestimmung der Größe eines Organismus, aber auch die Ernährung und die Gesundheit, die er nach seiner Geburt erfährt, haben einen großen Einfluss.

Die klassischen Zuchtverfahren, die oft ungenau und langwierig sind, werden heutzutage durch moderne Genome Editing Verfahren ersetzt. Als bekanntestes Beispiel ist hier die CRISPR/Cas-Methode zu erwähnen (von englisch Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats –CRISPR-associated), eine molekularbiologische Methode, um DNS gezielt zu schneiden und zu verändern. Gene können mit dem CRISPR/Cas-System eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden, auch Nukleotide in einem Gen können geändert werden. Aufgrund der einfachen Durchführung, der Skalierbarkeit hinsichtlich unterschiedlicher Zielsequenzen und der geringen Kosten wird die CRISPR/Cas-Methode zunehmend in der Forschung eingesetzt. Für die Entwicklung der CRISPR/Cas-Methode wurde 2020 der Nobelpreis für Chemie verliehen.

Maschinenbau

Der Maschinenbau ist eine Disziplin des Ingenieurwesens, die die Grundsätze der Physik und der Werkstoffkunde für die Analyse, Konstruktion, Herstellung und Wartung mechanischer Systeme anwendet. Es ist der Zweig der Ingenieurwissenschaften, der sich mit der Erzeugung und Nutzung von Wärme und mechanischer Energie für die Konstruktion, Herstellung und den Betrieb von Maschinen und Werkzeugen befasst. Es handelt sich um eine der ältesten und umfangreichsten Ingenieurdisziplinen.

Das Ingenieurwesen erfordert das Verständnis von Kernkonzepten wie Mechanik, Kinematik, Thermodynamik, Werkstoffkunde und Strukturanalyse. Maschinenbauingenieure nutzen diese Grundprinzipien zusammen mit Werkzeugen wie computergestütztem Engineering und Produktlebenszyklusmanagement, um Fertigungsanlagen, Industrieanlagen und Maschinen, Heiz- und Kühlsysteme, Transportsysteme, Flugzeuge, Wasserfahrzeuge, Roboter, medizinische Geräte und vieles mehr zu entwerfen und zu analysieren.

Der Maschinenbau entstand während der industriellen Revolution in Europa im 18. Jahrhundert, seine Entwicklung lässt sich jedoch weltweit mehrere tausend Jahre zurückverfolgen. Die Wissenschaft des Maschinenbaus entstand im 19. Jahrhundert als Ergebnis der Entwicklungen auf dem Gebiet der Physik. Das Fachgebiet hat sich ständig weiterentwickelt, um dem technischen Fortschritt Rechnung zu tragen, und Maschinenbauingenieure beschäftigen sich heute mit Entwicklungen in Bereichen wie Verbundwerkstoffen, Mechatronik und Nanotechnologie. Der Maschinenbau überschneidet sich in unterschiedlichem Maße mit der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Bauingenieurwesen, der Elektrotechnik, der Erdöltechnik und der Chemietechnik.

Mobile Geräte

Mobile Geräte wie Mobiltelefone, Tablet-Computer, Laptops und dergleichen haben einen enormen Einfluss auf unser tägliches Leben. Mobiltelefone, beispielsweise, stellen neben dem klassischen Telefonieren mittlerweile zahlreiche Softwareanwendungen (Apps) bereit, die unser Alltagsleben hinsichtlich Internetzugriff, Navigation, Kommunikation, Steuerung von Geräten, Sicherheit und Social Media bereichern. Das Leben in der westlichen Gesellschaft ist ohne mobile Geräte kaum noch vorstellbar. 

Viele Apps erfordern Internetzugriff. Dieser wird durch Empfangen von Funksignalen über eine beliebige Anzahl von Mobilfunk-Basisstationen erreicht, die mit Mikrowellenantennen ausgestattet sind. Diese Standorte sind in der Regel auf einem Turm, einem Mast oder einem Gebäude montiert, die sich in bewohnten Gebieten befinden, und dann an ein kabelgebundenes Kommunikationsnetz und Vermittlungssystem angeschlossen. Mobiltelefone, als Beispiel, verfügen über ein Sende-/Empfangsgerät mit geringer Leistung, das Sprache und Daten an die nächstgelegenen Mobilfunkstandorte überträgt, die in der Regel nicht weiter als 8 bis 13 km (etwa 5 bis 8 Meilen) entfernt sind. In Gebieten mit geringer Netzabdeckung kann ein Mobilfunk-Repeater eingesetzt werden, der mit einer hochempfindlichen Parabolantenne oder Yagi-Antenne über große Entfernungen mit einem Mobilfunkmast weit außerhalb der normalen Reichweite kommuniziert und einen Repeater für die erneute Übertragung auf eine kleine lokale Antenne mit geringer Reichweite verwendet, die es jedem Mobiltelefon im Umkreis von einigen Metern ermöglicht, ordnungsgemäß zu funktionieren.

Wenn das Mobiltelefon oder mobile Gerät eingeschaltet wird, registriert es sich mit seiner eindeutigen Kennung bei der Mobilfunkzentrale und kann dann von der Vermittlungsstelle benachrichtigt werden, wenn ein Telefonanruf eingeht oder eine Netzverbindung aufgebaut werden soll. Das mobile Gerät sucht ständig nach dem stärksten Signal, das von den umliegenden Basisstationen empfangen wird, und kann nahtlos zwischen den Standorten wechseln. Wenn sich der Benutzer im Netz bewegt, werden die „Handoffs“ durchgeführt, damit das Gerät den Standort wechseln kann, ohne dass die Verbindung unterbrochen wird.

Zellstandorte verfügen über Funksender mit relativ geringer Leistung (oft nur ein oder zwei Watt), die ihre Anwesenheit ausstrahlen und die Kommunikation zwischen den mobilen Endgeräten und der Vermittlungsstelle weiterleiten. Die Vermittlungsstelle wiederum verbindet etwa einen Anruf mit einem anderen Teilnehmer desselben Mobilfunkanbieters oder mit dem öffentlichen Telefonnetz, zu dem auch die Netze anderer Mobilfunkanbieter gehören. Viele dieser Standorte sind getarnt, um sich in die bestehende Umgebung einzufügen, insbesondere in landschaftlich reizvollen Gegenden.

Der Dialog zwischen dem Mobiltelefon und der Funkzelle ist ein digitaler Datenstrom, der auch digitalisierte Audiodaten enthält (außer bei den analogen Netzen der ersten Generation). Die Technologie, mit der dies erreicht wird, hängt von dem System ab, das der Mobilfunkbetreiber eingeführt hat. Die Technologien werden nach Generationen eingeteilt. Die Systeme der ersten Generation, die 1979 in Japan eingeführt wurden, sind alle analog und umfassen AMPS und NMT. Die Systeme der zweiten Generation, die 1991 in Finnland eingeführt wurden, sind alle digital und umfassen GSM, CDMA und TDMA. Moderne Funkstandards umfassen die dritte (3G), vierte (4G oder LTE) und fünfte (5G) Generation.

Einige ältere Mobilfunktechnologien machen Telefone anfällig für das „Klonen“: Immer wenn ein Mobiltelefon den Empfangsbereich verlässt (z. B. in einem Straßentunnel), sendet es, sobald das Signal wiederhergestellt ist, ein „Re-Connect“-Signal an den nächstgelegenen Mobilfunkmast, um sich zu identifizieren und zu signalisieren, dass es wieder bereit ist zu senden. Mit der richtigen Ausrüstung ist es möglich, das Wiederverbindungssignal abzufangen und die darin enthaltenen Daten in ein „leeres“ Telefon zu kodieren – und zwar in jeder Hinsicht: Das „leere“ Telefon ist dann ein exaktes Duplikat des echten Telefons, und alle Anrufe, die mit dem „Klon“ getätigt werden, werden über das Originalkonto abgerechnet. Dieses Problem war bei der ersten Generation der analogen Technologie weit verbreitet, aber spätere digitale Standards ab GSM verbessern die Sicherheit erheblich und machen das Klonen schwieriger.

In dem Bestreben, die potenzielle Gefährdung durch einen Sender in Körpernähe des Benutzers zu begrenzen, wurden die ersten stationären/mobilen Mobiltelefone, die über einen separaten Sender, eine im Fahrzeug montierte Antenne und einen Handapparat verfügten (bekannt als Autotelefone und Taschentelefone), auf eine maximale effektive Strahlungsleistung von 3 Watt begrenzt. Moderne tragbare Mobiltelefone, bei denen die Sendeantenne nur wenige Zentimeter vom Schädel des Benutzers entfernt gehalten werden muss, sind auf eine maximale Sendeleistung von 0,6 Watt ERP begrenzt.

Molekularbiologie

Die Molekularbiologie ist der Zweig der Biologie, der sich mit den molekularen Grundlagen der biologischen Aktivität befasst. Dieser Bereich überschneidet sich mit anderen Bereichen der Biologie und Chemie, insbesondere mit der Genetik (siehe CRISPR-Cas-Methode (link)) und der Biochemie. Die Molekularbiologie befasst sich in erster Linie mit dem Verständnis und den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systemen einer Zelle, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Arten von DNS, RNS und Proteinbiosynthese, sowie mit der Frage, wie diese Wechselwirkungen reguliert werden. William Astbury beschrieb 1961 in „Nature“ die Molekularbiologie nicht so sehr als eine Technik, sondern als einen Ansatz aus der Sicht der so genannten Grundlagenwissenschaften mit dem Leitgedanken, unterhalb der großen Erscheinungsformen der klassischen Biologie nach dem entsprechenden molekularen Plan zu suchen. Sie befasst sich vor allem mit den Formen der biologischen Moleküle und ist überwiegend dreidimensional und strukturell – was aber nicht bedeutet, dass sie nur eine Verfeinerung der Morphologie ist. Sie muss gleichzeitig nach der Entstehung und der Funktion fragen.

Molekularbiologieforscher verwenden spezifische Techniken aus der Molekularbiologie, kombinieren diese aber zunehmend mit Techniken und Ideen aus der Genetik und Biochemie. Es gibt keine klare Grenze zwischen diesen Disziplinen.

Die Biochemie ist die Lehre von den chemischen Stoffen und lebenswichtigen Prozessen, die in lebenden Organismen ablaufen. Biochemiker beschäftigen sich intensiv mit der Rolle, Funktion und Struktur von Biomolekülen. Die Untersuchung der Chemie hinter biologischen Prozessen und die Synthese biologisch aktiver Moleküle sind Beispiele für die Biochemie.

Genetik ist die Lehre von den Auswirkungen genetischer Unterschiede auf Organismen. Häufig lässt sich dies aus dem Fehlen einer normalen Komponente (z. B. eines Gens) ableiten. Die Untersuchung von „Mutanten“ – Organismen, denen eine oder mehrere funktionelle Komponenten im Vergleich zum sogenannten „Wildtyp“ oder normalen Phänotyp fehlen. Genetische Wechselwirkungen (Epistase) können oft die einfache Interpretation solcher „Knock-out“-Studien verwirren.

Die Molekularbiologie befasst sich mit den molekularen Grundlagen der Prozesse Replikation, Transkription, Translation und Zellfunktion. Das zentrale Dogma der Molekularbiologie, wonach genetisches Material in RNS transkribiert und dann in Proteine übersetzt wird, ist zwar ein stark vereinfachtes Bild der Molekularbiologie, bietet aber immer noch einen guten Ausgangspunkt für das Verständnis des Fachs.

Ein Großteil der Arbeit in der Molekularbiologie ist quantitativ, und in jüngster Zeit wurde viel Arbeit an der Schnittstelle von Molekularbiologie und Informatik in der Bioinformatik und Computerbiologie geleistet. Seit Anfang der 2000er Jahre ist die Untersuchung der Genstruktur und -funktion, die Molekulargenetik, eines der wichtigsten Teilgebiete der Molekularbiologie.

Immer mehr andere Bereiche der Biologie konzentrieren sich auf Moleküle, indem sie entweder direkt ihre Interaktionen untersuchen, wie in der Zellbiologie und der Entwicklungsbiologie, oder indirekt, indem die Techniken der Molekularbiologie genutzt werden, um auf historische Merkmale von Populationen oder Arten zu schließen, wie in Bereichen der Evolutionsbiologie wie der Populationsgenetik und Phylogenetik. Auch in der Biophysik gibt es eine lange Tradition der Untersuchung von Biomolekülen „von Grund auf“.

Telekommunikation

Telekommunikation ist die Übertragung von Informationen über große Entfernungen, um mit anderen zu kommunizieren. In früheren Zeiten wurden zur Telekommunikation visuelle Signale wie Leuchtfeuer, Rauchsignale, Semaphorentelegrafen, Signalflaggen und optische Heliographen oder akustische Botschaften verwendet, die z. B. durch kodierte Trommelschläge, Hupen oder laute Pfiffe übermittelt wurden. Im modernen Zeitalter der Elektrizität und Elektronik umfasst die Telekommunikation nun auch die Verwendung von elektrischen Geräten wie Telegrafen, Telefonen und Fernschreibern, die Verwendung von Funk- und Mikrowellenkommunikation sowie Glasfasern und die damit verbundene Elektronik sowie die Verwendung von Satelliten in der Umlaufbahn und des Internets.

Der erste Durchbruch in der modernen elektrischen Telekommunikation erfolgte mit dem Vorstoß zur vollständigen Entwicklung des Telegrafen ab den 1830er Jahren. Der Einsatz dieser elektrischen Kommunikationsmittel dehnte die Telekommunikation im 19. Jahrhundert auf fast alle Orte der Welt aus und verband so die Kontinente über Kabel auf dem Meeresgrund. Die ersten drei populären Systeme der elektrischen Telekommunikation, d. h. Telegraf, Telefon und Fernschreiber, erforderten alle die Verwendung von leitenden Metalldrähten.

Eine Revolution in der drahtlosen Telekommunikation begann im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts, als Guglielmo Marconi 1909 den Nobelpreis für Physik für seine bahnbrechenden Entwicklungen im Bereich der drahtlosen Funkkommunikation erhielt. Weitere bedeutende Erfinder und Entwickler auf dem Gebiet der elektrischen und elektronischen Telekommunikation sind Charles Wheatstone und Samuel Morse (Telegraf), Alexander Graham Bell (Telefon), Nikola Tesla, Edwin Armstrong und Lee de Forest (Radio) sowie John Logie Baird und Philo Farnsworth (Fernsehen).

Die Telekommunikation umfasst heute den großen Bereich der mobilen und tragbaren Geräte, die eine sofortige Kommunikation mit anderen Nutzern und mit dem Internet ermöglichen.

Die Telekommunikation spielt eine wichtige Rolle in der Weltwirtschaft. Der weltweite Markt für Telekommunikationsdienste wurde im Jahr 2020 auf 1,66 Billionen geschätzt und wird voraussichtlich von 2022 bis 2028 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von über 5 % wachsen. Einer der Schlüsselfaktoren für diese Entwicklung ist insbesondere die Implementierung der 5G-Infrastruktur aufgrund der Verschiebung der Kundenneigung hin zu Technologien der nächsten Generation und Smartphone-Geräten. Eine steigende Zahl von Mobilfunkteilnehmern, die zunehmende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen und die wachsende Nachfrage nach mobilen Managed Services sind weitere Faktoren.