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Jahresversammlung 2019

Kurzfassungen der Vorträge

Samstag, 21. September 2019

Kurzfassungen der Vorträge

Foto: Markus Scholz für die Leopoldina

Zur Jahresversammlung 2019 widmet sich die Leopoldina dem Thema „Zeit in Natur und Kultur“. Vom 20. bis 21. September diskutieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Halle (Saale) zu technologischen Entwicklungen und gesellschaftlichen Veränderungen. Am Samstag, 21. September wird es um vier große Themenkomplexe gehen: Philosophie und Psychologie, Zeitliche Entwicklungsprozesse, Chronobiologie und Chronomedizin sowie Zeit im Leben. Zu jeder Sitzung wird es mehrere Vorträge von Leopoldina-Mitgliedern und Nichtmitgliedern geben.

9:00 – 10:30 Uhr | Sitzung III – Philosophie und Psychologie

Zeit im Kopf: Sprachrhythmen und Hirnrhythmen

David Poeppel, Frankfurt am Main

Musik ist rhythmisch (das ist jedem klar), Sprache ist rhythmisch (etwas weniger transparent) – und so auch das Gehirn (fast niemandem bekannt). Neue neurobiologische und psychologische Forschungen zeigen, dass die zeitliche Struktur von Sprache und Musik sowie die zeitliche Organisation verschiedener Hirnstrukturen und Prozesse systematisch aufeinander abgestimmt sind. Die Rolle, die Gehirnrhythmen - neuronale Oszillationen - für die Wahrnehmung und das Erkennen spielen, wird durch experimentelle Studien mit verschiedenen Methoden erklärt. Eine Auswahl von intuitiv einfachen, unterhaltsamen und überraschenden Ergebnissen zeigt, wie die zeitliche Struktur solchen Wahrnehmungserlebnissen zugrunde liegt. Vom Erkennen von Sprache und Melodien bis zum Aufbau abstrakter mentaler Repräsentationen enthüllen die kognitiven Neurowissenschaften, wie neurobiologische Mechanismen verschiedene zeitliche Bausteine für Kognition zur Verfügung stellen.

Philosophie der Zeit

Norman Sieroka, Bremen

Zeit ist eine grundlegende Dimension für den Menschen – egal, ob man ihn als ein biologisch-physikalisches oder als ein geistiges Wesen betrachtet. Entsprechend beschäftigt sich eine Vielzahl akademischer Disziplinen mit Fragen zum Thema Zeit in jeweils unterschiedlichen Erscheinungsformen: als physikalische Zeit, als geologische Tiefenzeit, als individuell erlebte oder psychologische Zeit, als gesellschaftlich-intersubjektive Zeit, als historische Zeit usw. Allerdings werden selten die Gemeinsamkeiten, Unterschiede und Verbindungen dieser Diskussionen aufgezeigt. An dieser Stelle kann die Philosophie eine wichtige Koordinationsaufgabe übernehmen. Und genau dies exemplarisch aufzuzeigen, ist Anliegen dieses Vortrags. Ausgehend von einigen wenigen begrifflichen Unterscheidungen, die insbesondere die allgemeinen Grundtypen von Zeitordnungen betreffen, werden einzelne Aspekte aus den Themenbereichen der anderen Vorträge herausgegriffen und zueinander in Beziehung gesetzt. Daraus ergeben sich auch Einblicke in das Verhältnis von eher wissenschaftsphilosophisch-theoretischen Fragestellungen, die beispielsweise den physikalischen Zeitpfeil oder die Chronobiologie betreffen, zu solchen aus einem eher gesellschaftlich-ethischen Kontext, in dem es beispielsweise um historische Gerechtigkeit oder eine bestimmte Form der Chronopolitik geht. Dabei zeigt sich, dass gewichtige Unterschiede in den Positionen und Disziplinen oftmals mit einem Unterschied darin einhergehen, wie über die Existenz der drei Zeitmodalitäten gedacht wird – also ob oder inwiefern man annimmt, dass neben der Gegenwart auch die Vergangenheit und die Zukunft existiert.

 

11:00 – 12:30 Uhr | Sitzung IV – Zeitliche Entwicklungsprozesse

Time and the Origins of Biological Complexity

Paul B. Rainey, Plön

Life is hierarchically structured, with replicating entities nested within higher order self-replicating structures.  Take, for example, multicellular life: the multicellular entity replicates, as do the cells that comprise the organism.  Inside cells are mitochondria that also have capacity for autonomous replication; the same is true of chromosomes within the nucleus, and of genes that comprise chromosomes.  Such hierarchical structure reflects a series of major evolutionary transitions in which lower order self-replicating entities became subsumed within higher order structures.  Crucial for each transition was the establishment of conditions that allowed selection to operate over timescales longer than the replication rate of lower level particles.  Giving prominence to often overlooked ecological factors, I will discuss how timescales of relevance to evolution arise, and the impacts of multiple timescales on the evolution of life’s complexity, including its hierarchical structure.

Schimären in Physik und Biologie: Synchronisation und Desynchronisation von Rhythmen

Eckehard Schöll, Berlin

Rhythmen prägen unser Leben auf vielfältige Weise, z.B. durch Herzschlag und Atmung, oszillierende Gehirnströme, Lebenszyklen und Jahreszeiten, Uhren und Metronome, pulsierende Laser, Übertragung von Datenpaketen, und vieles andere. Die Physik komplexer nichtlinearer Systeme hat Methoden entwickelt, wie periodische Schwingungen und deren Synchronisation in komplexen Netzwerken, die aus vielen Bestandteilen zusammengesetzt sind, beschrieben und analysiert werden können. Synchronisierte Oszillationen, aber auch völlig desynchronisierte, chaotische Oszillationen spielen eine große Rolle in vielen Netzwerken in Natur und Technik. Beispielsweise ist das synchronisierte Feuern aller Neuronen im Gehirn ein pathologischer Zustand, etwa bei Epilepsie oder Parkinson, und sollte unterdrückt werden, wie auch synchrone mechanische Schwingungen von Brücken. Andererseits ist die Synchronisation erwünscht beim stabilen Betrieb von Stromnetzen oder bei der verschlüsselten Kommunikation mit chaotischen Signalen. In Netzwerken aus identischen Komponenten können sich überraschenderweise auch spontan Hybrid-Zustände ("Schimären") bilden, die aus räumlich koexistierenden synchronisierten und desynchronisierten Bereichen bestehen, welche scheinbar nicht zusammenpassen. Diese könnten relevant sein bei der Auslösung oder Beendigung epileptischer Anfälle, oder beim halbseitigen Schlaf einer Gehirnhälfte, der bei bestimmten Zugvögeln oder Säugetieren auftritt, oder beim kaskadenartigen Zusammenbruch des Stromnetzes.

 

14:00 – 16:15 Uhr | Sitzung V – Chronobiologie und Chronomedizin

Clocks in Translation: Circadian Rhythms in Health and Disease

Steve A. Kay, Los Angeles, USA

Our laboratory studies the composition and architecture of circadian networks in plants and animals. These networks provide adaptive advantages to organisms, and are now known to be pervasive in their integration with many other regulatory modules in multiple cell types. We employ high throughput genomic and chemical biology pipelines to identify network components and apply mechanistic approaches to understand their detailed function and interactions.  In both plant and animal systems we have found that circadian networks are hierarchical and composed of regulatory layers that act at the transcriptional and post-transcriptional levels. Increasingly we are finding that circadian regulation is tightly integrated with metabolic networks and operate with reciprocal regulatory interactions.

Now that we have a reasonably robust knowledge base at hand, we can exploit our understanding of the composition and dynamics of clock proteins for specific translational use in agricultural biotechnology in crop species and drug discovery in humans.  Specific examples of such knowledge translation will be presented.

Light, Sleep and Circadian Interactions: Biology to New Therapeutic Targets

Russell G. Foster, London, UK

By studying how circadian rhythms and sleep are regulated (entrained) by the dawn/dusk cycle we demonstrated the existence of a “3rd class” of photoreceptor within the eye and showed that these new photoreceptors comprise a small number of photosensitive retinal ganglion cells (pRGCs) that utilise the blue light sensitive photopigment melanopsin (OPN4). Whilst there has been remarkable progress in understanding the complex intracellular mechanisms that generate circadian rhythms, the molecular pathways whereby the pRGCs entrain circadian biology has remained poorly understood.

The suprachiasmatic nuclei (SCN) are the site of the primary circadian pacemakers within the mammalian brain, and until recently, the model for entrainment involved a simple linear pathway whereby glutamate release from the pRGCs resulted in Ca2+ influx and raised intracellular cAMP in SCN neurones. This in-turn resulted in CREB phosphorylation leading to increased transcription of two key clock genes, Per1 and Per2, which either advanced or delayed the molecular clockwork. However, an important feature of entrainment is that circadian responses to light are limited – as typified by jet lag. Full recovery from jet lag requires a day for every time-zone crossed. We addressed this issue and have identified and characterized a key role for Salt Inducible Kinase 1 (SIK1) and the CREB-regulated transcription co-activator 1 (CRTC1) in clock re-setting. In addition, our more recent and unpublished findings have shown that light entrainment also involves the parallel activation of a Ca2+-ERK1/2-AP-1 signalling pathway. Thus, both CRE and AP-1 regulatory elements drive light-induced clock gene expression.

These findings then led to a new understanding of how sleep/wake behaviour modulates the effects of light upon the molecular clockwork. Adenosine builds within the brain during wake and dissipates during sleep, effectively encoding sleep/wake history. Pharmacological and genetic approaches demonstrated that adenosine also acts upon the circadian clockwork via A1/A2A signalling through the activation of the Ca2+-ERK1/2-AP1 and CREB/CRTC1-CRE signalling pathways to regulate the clock genes Per1 and Per2. We show that these signalling pathways converge upon and effectively inhibit the same pathways activated by light. Thus, the resulting phase shift of the circadian clock is the integrated product of sleep/wake history (via adenosine) and light.

Finally, the presentation will explore how such signalling mechanisms provide a potentially new and exciting target for the regulation of circadian rhythms and the “pharmacological” replacement of light for sleep/wake re-setting in individuals lacking eyes or in individuals with severe circadian rhythm disruption as seen in schizophrenia and dementia.

 

16:45 – 19:00 Uhr | Sitzung VI – Zeit im Leben

Global Environmental History of the Industrial Revolution, 1780 – now

John McNeill, Washington, D.C., USA

This lecture explores the ecological impacts upon Asia, Africa and the Americas of mobilizing ever larger quantities of ores, fibers, and lubricants, among other materials required in industrialization.  It introduces the concept of 'ecological teleconnections' as a way to understand the relationship between industrialization in Britain, Europe, and eastern North America and the lands and peoples that supplied lead, tin, copper, wool, cotton, leather, whale oil, palm oil, gutta percha, ivory, and dozens of other materials taken more or less directly from the natural world.  It also suggests the concept of ecological teleconnections in time as well as in space, using the example of carbon dioxide concentrations in the atmosphere and climate change.

How We Use Time, and Why

Daniel Hamermesh, Austin (Texas), USA

Economists have done immense amounts of research on work time; but they have done very little research on how time is spent outside of paid work. With non-work time accounting for 20 hours each day for the average adult in Western economies, this neglect is remarkable. Using data from the US, France, Germany and the UK, this lecture examines how time is divided among various activities, including sleep and television-watching, the first and third most important uses of time. It shows how all of these uses differ among demographic groups and studies the effects of economic incentives--income and wage rates--on them. It examines how time zones affect our spending of time; it demonstrates how the stress that people feel about time is affected by their economic circumstances. It concludes by considering how changes in economic policy can lead people to alter their activities in order to generate a less stressful life in which time is balanced more evenly over their lives.

Zeit zu leben, Zeit zu sterben. Der Zusammenhang von Jahreszeiten mit Geburt, Gesundheit und Tod

Gabriele Doblhammer, Rostock

Gesundheit und Sterblichkeit sind ein Produkt des Zusammenspiels von Natur und Kultur. In den letzten 150 Jahren hat dieses Zusammenspiel dazu geführt, dass wir nicht nur immer länger leben, sondern dabei auch immer länger gesund und aktiv sind. Wie kann man sich dieses Zusammenspiel vorstellen? Saisonale Zyklen haben sowohl einen Einfluss auf den Zeitpunkt der Geburt, die körperliche Konstitution von Geburt an, und den Zeitpunkt des Todes. Die Anzahl der Geburten unterscheidet sich nach Jahreszeiten, wobei sich in Deutschland das saisonale Muster über die Jahrzehnte gewandelt hat. Inwieweit dafür kulturelle Muster und biologische Ursachen verantwortlich sind, ist nach wie vor unklar. Das Risiko an Diabetes und den daraus resultierenden chronischen kardio-vaskulären Erkrankungen und Demenzen zu leiden, divergiert nach Geburtsmonat, genauso wir die Lebenserwartung im Alter. Das Muster unterscheidet sich auf der Nord- und Südhalbkugel und ist selbst unter Hundertjährigen noch nachzuweisen. Saisonale Infektionen und Ernährungsmuster werden als Ursache diskutiert. Die Sterblichkeit schwankt in Abhängigkeit von der Außentemperatur, zusätzlich führen extreme Wettersituationen zu Sterblichkeitsspitzen. Die Förderung der allgemeinen Gesundheit der Bevölkerung, eine verbesserte medizinische und pflegerische Versorgung und ein gesundheitsbewusster Lebensstil sind in der Lage, externe „naturgegebene“ Einflussfaktoren zu verändern und zu kompensieren. Dennoch beeinflussen sie nach wie vor unsere Gesundheit und Lebenserwartung.

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