Die Zukunft hat gestern angefangen

Autoren und Science-Fiction-Begeisterte haben immer wieder ihren Gedanken über die Zukunft freien Lauf gelassen. Forscher haben auch Zukunftsvisionen – denn Wissenschaft beschäftigt sich mit dem Unbekannte und ist zukunftsorientiert. So bleibt es auch in den Natur- und Lebenswissenschaften künftig spannend.

Wir alle blicken in die Zukunft, sei es auch nur, um zu planen, was wir heute Abend essen oder wo wir nächstes Jahr den Sommerurlaub verbringen werden. Während einige private Zukunftspläne eher banal wirken, beschäftigen sich Wissenschaftler mit interessanten Zukunftsszenarien, die viele Menschen betreffen. Um dringende Herausforderung zu adressieren, eine nachhaltige Entwicklung zu gewährleisten und die Gesundheit der Menschen zu fördern, sind sowohl neue Erkenntnisse und Technologien als auch ein breiter gesellschaftlicher Diskurs notwendig.

Wissenschaft und Technik als Basis

Womit kann man die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung sichern? Wie können (knappe) Ressourcen gerecht verteilt werden? Wo und wie kann nachhaltige Energie gewonnen werden? Wie werden sich Städte, Lebensräume, Ökosysteme und sogar das Klima ändern? Und welche Krankheiten werden die Menschen in der Zukunft (noch) plagen?

Um solche Fragen zu beantworten, sind Forschung und Entwicklung unabdingbar. Eine neue Studie zum Beispiel liefert Argumente für die „Teller oder Tank“-Diskussion.

Pflanzen als Stromquelle

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Unabhängig davon, dass man Holz und andere Biomasse verbrennen und so Energie gewinnen kann, könnten Pflanzen zunehmend als erneuerbare Energieressource dienen. Gemäß neuen Erkenntnissen können Pflanzen (zum Beispiel auf Dachgärten oder in Gewächshäusern) und deren Biomasse als alternative Stromquelle benutzt werden ohne dass die Lebensmittelerzeugung leidet.

Anhand von Modellen haben Wissenschaftler kürzlich gezeigt, wie sogenannte CAM-Pflanzen Bioenergie liefern können. Das sind Pflanzen, die in der Lage sind die CO2-Fixierung und den Calvin-Zyklus zeitlich zu trennen. Pflanzliche Biomasse ist der Ausgangsstoff für die mikrobielle Fermentation, wobei das resultierende Biogas (in diesem Fall Methan) dann in Strom umgewandelt wird. Insbesondere Opuntia ficus-indica und Euphorbia tirucalli seien aufgrund ihrer Wachstumsraten und Wassergehaltes sowie der Fähigkeit, Stockausschläge zu bilden, hervorragende Kandidaten. Außerdem können sie leicht geerntet werden und der Ligningehalt ist moderat. Lignin beeinträchtigt den Fermentationsprozess, die enzymatische Umwandlung der organischen Stoffe, erheblich.

CAM-Pflanzen wachsen in trockenen Regionen, die landwirtschaftlich weitgehend unbenutzt bleiben. Nicht nur ist der Wasserbedarf von CAM-Pflanzen schätzungsweise zehnfach niedriger als der von C3- und C4-Pflanzen, sie können auch das Wasser effektiv speichern und nach dem Fermentationsprozess wieder zur Verfügung stellen.

Den Autoren der Studie zufolge seien zwischen 4 % und 15 % der ca. 2.5 Milliarden Hektar semiariden Gebiete weltweit ausreichend, um mit der Methode 5 Petawattstunden (PWh) Strom jährlich zu erzeugen, und somit den gesamten Erdgasverbrauch ersetzten zu können. Gleichzeitig bleiben die für die Landwirtschaft benötigten wertwollen fruchtbaren Landflächen unberührt.

Neue Technologien können also eine mögliche Lösung für die Problematik der Flächenkonkurrenz bieten: aus „Teller oder Tank“ wird „Teller und Tank“.

Der Haken ist, die Züchtung von CAM-Pflanzen wurde, im Vergleich zu Getreiden, Zuckerrübe oder Zuckerrohr – den heutigen Hauptrohstoffen für Bioenergie – weitgehend vernachlässigt. Das Forschungspotential ist also groß. Kakteen hatten beispielsweise bisher eher eine Karriere als Zierpflanze, als eine als Versuchsobjekt im Labor.

Mit dem heutigen Big Data-Ansatz könnte man allerdings die Züchtung von CAM-Pflanzen in den nächsten Jahrzehnten zu dem Niveau der Nutzpflanzen vorantreiben - was bei dem landwirtschaftlichen Pflanzenbau mehrere Jahrtausende in Anspruch genommen hat. Dafür ist die umstrittene GVO-Technologie nicht notwendig.

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Big Data, Soziomikrobiologie und genetischer Code

Weitere interessante Zukunftsvisionen finden wir in der Ökologie und Genetik. In zwei unabhängigen Artikeln geben Experten Auskünfte über mögliche Entwicklungen in der ökologischen und genetischen Forschung.

Ökologen sind der Ansicht, dass interdisziplinäre Ansätze von zunehmender Bedeutung sein werden – sogar in Gebieten wo ein Zusammenhang eher nicht vorhersebar ist. So ist beispielsweise in den letzten Jahren das Gebiet der „Soziomikrobiologie“ aus Soziologie, Ökologie und Mikrobiologie entstanden, was die Interaktionen zwischen Mikroorganismen sowie zwischen Pflanzen oder Tieren und deren Mikrobiom beschreibt.

Genetiker sind fest überzeugt, dass die größte Herausforderung die sein wird, aus dem Übermaß der DNA-Sequenzierungsdaten einen Zusammenhang zu finden und proaktive Maßnahmen für die menschliche Gesundheit und für andere Nutzungsrichtungen wie die Züchtung oder industrielle Biotechnologie zu ermöglichen.

Technologische Fortschritte haben zu rasanten Kostensenkungen in der Genomsequenzierung geführt, so dass individuelle Vorhersagen über die Gesundheit und das Krankheitsbild eines Individuums anhand von genetischen Daten bald alltäglich sein werden. Ein digitalisierter Baum des Lebens, um die Evolutionsgeschichte und Verwandtschaft aller Lebewesen zu erfassen, wird künftig nicht nur auf Fossilienfunden basieren, sondern um A-, T-, G- und C-Buchstaben, also den genetischen Code, ergänzt.

Genetische Daten müssen gleichzeitig mit Informationen aus der Umgebung verknüpft werden. Beispielsweise sollen sowohl Essgewohnheiten als auch körperliche Aktivität mit der genetischen Veranlagung z. B. zu Übergewicht, Asthma oder Krebs integriert werden, um aussagekräftigere Daten zu erheben und individuell abgestimmte und wirkungsvolle Maßnahmen zu ergreifen. Bei der Pflanzenzüchtung sind Metadaten über abiotische Faktoren wie Temperatur, Wind, Bewölkung, das (Mikro-)Klima, Bodenzusammensetzung und einer Vielzahl biotischer Faktoren wie die benachbarte Flora, Fauna oder das Mikrobiom wichtig. Darüber hinaus ist es entscheidend, die umweltbeständigsten Pflanzen aus dem verfügbaren und zu erweiternden Genpool auszuwählen.

Dies erfordert sowohl die Zugänglichkeit der Daten als auch eine Kollaboration zwischen Experten aus unterschiedlichen Gebieten. Wer in der Zukunft in der Lage ist, aus komplexen Datensätzen einen anwendungsrelevanten Zusammenhang zu finden, wird die Revolution der Big Data-Ära einleiten.

Zukunft 4.0

Auch in den Naturwissenschaften wird die Arbeit am Computer weiter an Bedeutung gewinnen, obwohl das Experimentieren im Labor bzw. auf dem Feld wohl nie durch Simulationen oder Modelle ersetzt werden kann. Vielleicht kommt sogar der eine oder andere künftige Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin von Unternehmen, wie Apple, Microsoft oder Google. In jedem Fall werden Informatiker und Statistiker wichtige Beiträge liefern.

Popularisierung schafft Akzeptanz

Vergleichbar mit den neuesten IT- und Kommunikationstechnologien, wird eine „user friendly“ Schnittstelle für wissenschaftliche Daten die Popularisierung und Akzeptanz der Wissenschaft steigern. Tragbare „Mini-Labore“ für das Monitoring des eigenen Gesundheitszustandes oder der Umwelt können kostengünstig und frühzeitig die Entstehung einer Krebskrankheit oder Umweltveränderungen diagnostizieren. Technologie- und Wissenschaftsnerds aufgepasst: „Do it yourself“-Laborgeräte wie zum Beispiel ein Mikroskop oder eine PCR Maschine sind heutzutage sehr leicht mit Haushaltsgeräten zu bauen (s. Video).

Nicht nur technologische oder ökonomische, sondern auch moralische und ethische Betrachtungen werden noch wichtiger. Für die Herausforderungen vor denen wir stehen, wird es alternative Lösungsansätze geben. Werden z. B. nachhaltige Technologien in der Lage sein, unseren steigernden Energiebedarf zu decken oder ist ein sparsamer Umgang mit knappen Ressourcen der Königsweg (oder eine Kombination aus beiden)? Wer darf Zugriff auf persönliche und vertrauliche Daten haben? Ist die Vorhersehbarkeit des Verlaufs der eigenen Gesundheit wünschenswert oder eher einen Fluch? Welcher Einfluss hat die Diagnose von genetischen Krankheiten auf die menschliche Populationsstruktur? Wie wird sich die menschliche Selektion von umweltresistenten Pflanzensorten auf die Biodiversität auswirken? Werden wir mehr oder noch weniger Kulturpflanzenarten anbauen, um den steigenden Bedarf zu decken? Was passiert ökonomisch aber auch ökologisch, wenn der globale Populationspeak überwunden wurde? 

Vorgefertigte Antworten gibt es dafür nicht. Einerseits werden technologiegetriebene Themen aufgrund von fortgeschrittener methodischen Ansätzen stets komplexer; andererseits stellen moralisch-ethische Fragestellungen eine Herausforderung für das schwarzweiße Denken dar und erfordern eine nuancierte Antwortfindung.

Was die Wissenschaft spannend macht, sind die Zusammenhänge mit gesellschaftsrelevanten Themen und ihre Zukunftsorientierung. Diese verlangen ein kontinuierliches Umdenken und die Bereitschaft zur Auseinandersetzung mit dem Ungewissen und Neuen.

Eins jedoch steht fest: Unsere von der Wissenschaft geprägte Zukunft hat bereits gestern angefangen.