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Kopie

Kopie

Der Ausdruck Kopie (v. lat.: copia Vorrat) bezeichnet ein neu angefertigtes (materielles oder immaterielles) Objekt, das in seinen wesentlichen Eigenschaften mit dem Ursprungsobjekt (Original) übereinstimmt. Wichtigste Methoden der Kopie:
- Nachbildung
- Fotokopie
- Faksimile
- Xerographie
- Kopie digitaler Daten Bestimmte Objekte dürfen nicht oder nur eingeschränkt kopiert werden. Zum Beispiel ist das Kopieren von Geld (Falschgeld) prinzipiell verboten, auch ist es verboten, eine Kopie eines Kunstwerks herzustellen, die nicht als Kopie kenntlich ist (Fälschung). Das Kopieren von immateriellen Gütern wird durch das Urheber-, das Marken- sowie das Patentrecht geregelt. Die Kopie von Erbinformation ist das Grundprinzip der Vermehrung von Lebewesen. Fehler bei der Kopie sind eine der Grundlagen der Evolution. Das künstliche Kopieren von Erbsubstanz mittels der Polymerase-Kettenreaktion ist Grundlage vieler genetischer Verfahren wie z.B. dem genetischen Fingerabdruck. Fehler, die beim Kopieren einer Kopie entstehen, die evtl. selbst schon eine Kopie ist, nennt man Generationsverluste. Eine besondere Eigenschaft der Quanteninformation ist, dass sie nicht kopiert werden kann, ohne das Original zu zerstören. Diese Tatsache ist Grundlage der Quantenkryptographie.

Siehe auch

Siehe auch: bootleg, Lichtpausverfahren, Kopierer

Rechtliche Bedeutung


- Das Herstellen einer Kopie (Fälschung) von Geld und Wertzeichen ist eine Straftat (§146-152b StGB).
- Das Herstellen einer Kopie von urheberrechtlich geschützten Werken ist grundsätzlich im UrhG geregelt.

Weblinks


- [http://www.hgkk.bfh.ch/user/dobrusskin/Projekte/copy/index.htm Nichtphotographische Kopiertechniken] Kategorie:Drucktechnik Kategorie:Fototechnik Kategorie:Urheberrecht ja:コピー

Original

Der Begriff Original (v. lat.: origo Ursprung) bezeichnet # die erste Fassung eines Textes, Buches, Bildes, Kunstwerks etc. #die Vorlage, das Modell (für ein Gemälde) # das vom Künstler selbst geschaffene, unveränderte, nicht reproduzierte Exemplar, (Ggs.: Kopie) # einen eigenartigen oder durch bestimmte Charaktereigenschaften auffallenden Menschen.

Fotokopie

Eine Fotokopie ist das Produkt eines fotografischen Verfahrens zur Erstellung von Faksimiles von Schriftstücken. Bei diesem Verfahren wird ein wenig empfindliches und stark kontrastiertes schwarz-weiß Fotopapier mit der empfindlichen Seite auf das zu kopierende Schriftstück gelegt und die beiden werden von der Fotopapierseite aus belichtet. Durch die Rückstrahlung des Originals wird auf dem Fotopapier nach seiner Entwicklung ein Negativbild des Schriftstücks erzeugt. Im zweiten Schritt wird von dem Negativ auf die gleiche Weise ein Positivbild des Schriftstücks erzeugt. Fotokopien sind nicht archivfest: im Lauf der Jahre vergilben sie. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde der Begriff Fotokopie auch für die elektrisch erzeugte Kopien üblich, siehe Elektrofotografie. Siehe auch: Kopie, Druck Kategorie:Fototechnik Kategorie:Drucktechnik

Faksimile

(Schluss der Vorrede zur zweiten Auflage von Menschliches Allzumenschliches, zweiter Band).]] Als Faksimile (lat. "mache es ähnlich!") bezeichnet man eine originalgetreue Kopie bzw. Reproduktion einer Vorlage, häufig eines historisch wertvollen Dokumentes. Der Begriff "Fax" für eine Fax-Übermittlung leitet sich ebenfalls von Faksimile ab. Der Begriff Faksimile wird auch als Bezeichnung für die elektronischen Abbilder von Dokumenten benutzt, die in Dokumentenmanagement-, Archiv- oder Enterprise-Content-Management-Systemen eingescannt worden sind. Ein gutes Faksimile entspricht der Vorlage meist in Größe und Farbe.

Historische Dokumente

Falls das Original zu wertvoll ist, um ausgestellt zu werden, oder gar verloren ist, bietet ein Faksimile die Möglichkeit, ein historisch bedeutendes Dokument der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Dabei streben die darauf spezialisierten Buchdruckereien den maximal möglichen Perfektionsgrad an, um das Faksimile dem Original so ähnlich wie möglich zu machen. Nicht nur der Einsatz von alten Handwerkszeug und Techniken sorgen für eine möglichst originalgetreue Nachbildung, sondern auch modernste Scan- und Fototechnik wird dafür eingesetzt. So stellen diese Bücher damals wie heute ein Zeichen der Fertigungskünste ihrer Zeit dar.

Postwertzeichen

In der Philatelie bezeichnet man Nachahmungen seltener Briefmarken von privater Seite als Faksimile. Diese Nachahmung muss jedoch vom Original abweichen, da es sich sonst um illegale Fälschungen handeln würde. Eine einfache rückseitige Kennzeichnung als Faksimile reicht dafür nicht aus. Die Abweichung kann beim verwendeten Briefmarkenpapier, in der Farbe, in der Perforierung oder beim Druckverfahren stattfinden. Ein Faksimile ist daher nur eine dem Original ähnliche Briefmarke. Findet die Herstellung von Faksimiles von Briefmarken unter staatlichem Auftrag statt nennt man dies Nachdruck. Diese werden nicht mit dem Originaldruckstock hergestellt. Briefmarken, die nämlich nach ihrer Frankaturgültigkeit mit den Originaldruckstöcken oder Druckplatten hergestellt werden, bezeichnet der Philatelist als Neudrucke.

Herstellung

Bevorzugte Faksimile-Techniken sind Holzstich, Lichtdruck oder fotomechanischer Nachdruck. Mittels Retrodigitalisierung werden zunehmend Faksimiles in elektronischer Form erstellt.

Weblinks


- [http://www.skriptorium.at Skriptorium.at: Weltweiter Überblick über Faksimile-Ausgaben mittelalterlicher Handschriften] Kategorie:Buch Kategorie:Philatelie Kategorie:Handschrift Kategorie:Drucktechnik Kategorie:Retrodigitalisierung __NOTOC__

Xerographie

Die Elektrofotografie (manchmal auch Xerografie genannt) ist ein Verfahren zur Trockenkopie (siehe auch Nassabzugverfahren) von meist einfarbigen Papiervorlagen (z.B. Akten), das in allen heute gängigen Kopiergeräten und Laserdruckern eingesetzt wird. Ähnliche Ergebnisse können mit Geräten erzielt werden, deren Druckwerke denen der Tintenstrahldrucker gleichen oder die ihre Ausgaben auf Thermopapier bringen.

Geschichte

Einer der Vorgänger des Kopiergeräts ist der aus den Zwanziger Jahren stammende Schapyrograph. Die Elektrofotografie jedoch ist ein von dem Amerikaner Chester F. Carlson (
- 1906; † 1968) zusammen mit seinem Assistenten Otto Kornei erfundenes Kopierverfahren. Das Patent wurde am 27. Oktober 1937 angemeldet. Der erste erfolgreiche Versuch fand am 22. Oktober 1938 unter Zuhilfenahme einer mit einem Tuch elektrisch aufgeladenen Metallplatte, Schwefelpuder, staubfeinem Bärlappsamen und einer Wachsplatte statt. Auf der ersten Fotokopie (Trockenkopie) stand ASTORIA 1938-10-28. Das war das Tagesdatum der ersten Fotokopie, der 28. Oktober 1938. Dennoch kaufte die Haloid Company das Patent erst 1947 und brachte 1949 den ersten kommerziellen Kopierer auf den Markt. 1961 wurde die Haloid Company auf den Namen Xerox umbenannt. In Deutschland wurde die Lizenz an die Englische Rank Group gegeben, daraus wurde die Firma Rank Xerox. Der Name Xerox Machine hat sich zumindest in den englischsprachigen Ländern als Begriffsmonopol durchgesetzt. Die Anfänge des Kopierens (mit aktuellen Informationen) sind auch sehr gut auf der Xerox-Website unter [http://www.xerox.com/go/xrx/template/009.jsp?view=Feature&ed_name=Chester_Carlson&Xcntry=DEU&Xlang=de_DE [1]] erklärt.

Funktionsweise

Xerox Xerox Xerox Das zentrale Element bei der Elektofotografie ist die Trommel oder das flexible Band (auch Masterband genannt), das mit einer lichtempfindlichen Beschichtung versehen ist, im Folgenden aktive Schicht oder Photoleiter genannt. Sie besitzt die Eigenschaft, im Dunkeln elektrisch nichtleitend zu sein, bei Lichteinfall dagegen Stromleitung zuzulassen. Bis ca. 1975 verwendete man amorphes Selen, heute werden amorphe organische Halbleiter, amorphes Silizium oder ArsenTriSelenid (As_2 Se_3 ) verwendet. Der Prozess funktioniert wie folgt: ;1. Corona-Aufladung der aktiven Schicht: Eine Serie von dünnen Edelstahl- oder Wolframdrähten wird mittels einer Spannung von in der Regel 5 kV positiv gegenüber der aktiven Schicht aufgeladen. Durch die hohe Spannung wird die Umgebungsluft ionisiert, positive Ionen (z.B. (H_2O)_nH^+) werden zur aktiven Schicht (negativ geladen) gezogen, setzen sich dort ab und laden diese positiv auf, da sie im Dunkeln nicht leitfähig ist. ;2. Belichtung: Die aktive Schicht auf der Walze bzw. dem flexiblen Band wird belichtet: :
- Beim Fotokopierer (bzw. Analogkopierer) wird mittels einer starken Lichtquelle (z.B. Halogenlampe) beleuchtet. Dieses Bild wird über ein Linsensystem auf die aktive Schicht fokussiert. :
- Beim Laserdrucker bzw. digitalen Kopierer wird das reflektierte Licht durch elektronische Bauelemente registriert, vergleichbar mit einem Scanner. Nach einer möglichen Bildbearbeitung wird das digitalisierte Druckbild mit einem Laser oder einer LED-Zeile auf den Photohalbleiter geschrieben (siehe Laserdrucker). :Durch den Lichteinfall werden in der aktiven Halbleiterschicht Elektron-Loch-Paare, also Ladungsträger erzeugt (innerer fotoelektrischer Effekt). Die Elektronen neutralisieren dabei die positiven Oberflächenladungen, die Löcher (=Defektelektronen) werden über einen rückseitigen Kontakt abgeführt (bzw. Elektronen zugeführt). Insgesamt wird also die Oberflächenladung an den belichteten Stellen neutralisiert. ;3. Entwicklung: Eine der großen Schwierigkeiten ist, den Toner möglichst gleichmäßig auf die belichtete und geladene Walze zu verteilen. Dies geschieht mittels einer sogenannten Bürste und wird als Entwicklung bezeichnet. Die Bürste selbst ist eine magnetische Walze, auf welcher der Entwickler (meistens Eisenpartikel) haften bleibt und sich aufstellt. Die Tonerpartikel selbst sind nicht magnetisch, bleiben jedoch auf dem Entwickler haften. Diese elektrostatisch geladene Toner-Partikel (Durchmesser 3-15 \mum) werden mit der magnetischen Bürste in Kontakt mit der Trommel gebracht, sie lagern sich je nach ihrer elektrischen Ladung und der Richtung der externen elektrischen Felder entweder an den unbelichteten, also geladenen Stellen ab (Schwarzschreiben oder Charged Area Development) oder an den zuvor belichteten, also entladenen Stellen ab (Weissschreiben oder Discharged Area Development). Eine andere Möglichkeit als die Bürstenentwicklung ist die sogenannte Jumpentwicklung. Dabei wird der geladene Toner mit Hilfe einer Walze in die Nähe des Photoleiters transportiert. Den verbleibenden Luftspalt überspringt (engl. 'jumped') der Toner dann aufgrund der Anregung durch äußere elektrische Felder. Der Vorteil dieser Methode gegenüber der Bürstenentwicklung ist, dass die Bürste dazu neigt, den schon entwickelten Toner noch zu verschleifen und damit die Druckqualität zu verschlechtern. Zwei weitere Prozessvarianten entstehen durch die verschiedenen Möglichkeiten, den Entwickler im Prozess zu führen: Bei Zweikomponententoner wird nur der Toner aufgetragen und der Entwickler verbleibt im Drucker. Bei Einkomponententoner (nahezu alle günstigen Kartuschensysteme) wird der Entwickler ebenfalls aufgetragen. Toner ;4. Toner-Transfer: Nun muss das so entstandene Tonerbild auf das zu bedruckende Medium (meistens Papier oder Overheadfolien) übertragen werden. Dazu wird eine zweite Ladungsquelle (Trommel oder Band) verwendet, die stärker (i.d.R. mit 15 kV) geladen ist als die Trommel und entsprechend den Toner anzieht. Wird in diesem Moment der Bedruckstoff zwischen beiden Trommeln hindurchgeführt, bleibt der Toner darauf haften. Eine gegensätzliche Ladung beim Tonertransfer, wie einigen Quellen zu entnehmen ist, schließt sich aus, da gegensätzliche Ladungspoteniale durch den sehr dünnen Spalt zuerst zu einem Potentialausgleich und somit zu einem Kurzschluß führen würden. ;5. Fixierung: Um das Bild haltbar zu machen, wird es zum Schluss noch fixiert, d. h. üblicherweise durch zwei geheizte Walzen (bei manchen Geräten auch durch eine Heizkammer ohne Druck) geführt, wodurch die Tonerteilchen schmelzen und sich fest mit dem Bedruckstoff verbinden. Um zu verhindern das der Toner an den Fixierwalzen haften bleibt, sind diese entweder auf einem speziellen Material (z.B. Teflon) oder werden mit einer hauchdünnen Ölschicht aus Fixieröl (i.d.R. Silikonöl) überzogen. Letzteres Verfahren wurde vor allem bei Vollfarbsystemen eingesetzt, da es bei diesen Geräten zu einem Farbauftrag von bis zu 400% kommen kann und man auf elastische Walzen (Gummi) angewiesen war. Zudem war der Glanz, den das Fixieröl hinterließ bei einigen Druckerzeugnissen durchaus erwünscht. Bei neuern Geräten wird ein neuentwickelter elastischer Kunststoff verwendet, der das Fixieröl überflüssig macht. ;6. Vollentladung: Der Toner wurde auf das Medium übertragen, die Ladung verbleibt jedoch auf der Trommel und muss vor dem nächsten Aufladen entfernt werden. Dies geschieht durch Vollbelichtung und dem elektrischen Abstreifen der Ladungen. ;7. Reinigung: Zum Schluss muss die Trommel noch von etwaigen Tonerrückständen befreit werden. Dies geschieht durch einen Abstreifer oder eine Bürste. Der Resttoner wird in ein im Gerät eingebautes und dafür vorgesehenes Behältnis entsorgt. Die Anforderungen an die aktive Schicht der Trommel sind recht hoch: Sie muss eine geringe Dunkelleitfähigkeit zusammen mit einer hohen Lichtempfindlichkeit aufweisen. Bei der Belichtung muss sie kurzzeitig über kurze Entfernungen eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, sonst ginge die Auflösung bzw. Schärfe verloren. Schließlich darf sie weder ihre mechanischen oder chemischen Eigenschaften im Laufe vieler Kopierzyklen ändern, so dass ihre Funktion beeinträchtigt wäre. Die Lebensdauer einer solchen Trommel ist begrenzt. Die Hersteller bemühen sich jedoch, Angaben für die ungefähre Anzahl der möglichen Abzüge zu machen. Die Werte liegen zwischen 15.000 und 25.000 Abzügen für preisgünstige, und bei mehreren 100.000 für hochwertige Bürogeräte. Bei Produktionsanlagen wie sie zum Beispiel Telekommunikationsfirmen zum Drucken ihrer Rechnungen verwenden, bei denen die Drucker im 24 h Betrieb eingesetzt werden, werden Wechselintervalle für die Photoleiter von bis zu 2 Millionen Abzügen erreicht. Die Anzahl der Abzüge ist jedoch nur ein Faktor - das Alter und vor allem die Nutzungsart sind viel entscheidender. Wird ein Kopierer/Laserdrucker nur bei Bedarf eingeschaltet und werden dabei nur wenige Drucke getätigt, so schadet dies der Trommel mehr als es sie schont. Auch längere Standzeiten sind der Lebenserwartung abträglich.

Eigenschaften

Kopien sind nicht archivfest und nicht dokumentenecht. Der Toner kann rückstandsfrei wieder vom Träger entfernt werden bzw. es geschieht automatisch im Lauf der Jahre. Insbesondere leiden sie unter Druck (in einem Papierstapel) oder in Klarsichthüllen: Der Toner kann sich, ebenso wie an einer Knickstelle, ablösen und übrig bleiben lediglich Rest von Schrift oder Bild. Verschiedene Gutachten bescheinigen den gewöhnlichen Kopien zwar eine Archivfestigkeit über 50 Jahre, aber alle Erfahrungen belehren den Nutzer, dass die Gutachten von der Praxis als nicht zutreffend abqualifiziert werden. Diese widersprüchlichen Aussagen haben ihre Ursache im Alter dieser Studien. Als man Mitte der achtziger Jahre feststellen wollte wie lange eine Kopie hält, testete man die damals üblichen Flüssigkopierer und nicht die kurze Zeit später erschienenen Trockentonersysteme. In der Tat haben die inzwischen vom Markt verschwundenen Flüssigsysteme keine Beinträchtigung der Lebenserwartung einer Kopie. Es gibt jedoch seit einigen Jahren den s.g. Polymertoner, welcher feinere und gleichmäßiger geformte Partikel besitzt. Dieser Toner platzt an den Falzkanten nicht mehr ab.

Grenzen des Verfahrens

Bedingt durch die optische Abtastung des Original steht und fällt das Verfahren mit der Scannereinheit, die bei heutigen Geräten verwendet werden. Auch im Bereich der Farbtönungen unter 10% Farbdeckung zeigen selbst hochwertige Geräte Schwächen in Form von Rauschen oder sogenannten Schmutzeffekten. Die Homogenität, die Graduierung sowie die Farbtreue sind in den letzten Jahren sehr gut geworden, anderen Reproduktionsverfahren jedoch unterlegen. Eine umgangsprachliche Fotokopie ist auch bei Topgeräten noch als solche zu erkennen. Vor allem bei Farbsystemen setzen die verwendeten Farbpigmente Grenzen, da der Toner einigen technischen Anforderungen genügen muss, die nicht unbedingt mit einem guten Druckergebnis vereinbar sind. So ist dieser zwar sehr fein, für hochqualitative Abzüge dennoch zu grob.

Gesundheitsgefährdung

Technisch funktionieren Kopiergeräte genau wie ein Laserdrucker auf der Basis von Trockentoner, der als schwarzes Farbpigment Ruß und bei bestimmten Sorten Schwermetalle wie Blei und Cadmium enthält, mithin also gesundheitsschädlich sein kann. Das Problem besteht hierbei nicht nur in der Tonerzusammensetzung, sondern gerade in seiner wichtigsten Eigenschaft: seiner Feinheit. Er ist letztendlich Feinstaub, lagert sich in den Lungen ab, kann jedoch nicht so einfach wieder durch Abhusten entfernt werden. Tonerschadstoffe können damit dauerhaft und direkt auf die Schleimhäute, insbesondere der Atemwege oder auf die Haut wirken. Toner werden aber nicht nur eingeatmet, sondern auch geschluckt. Dies geschieht nahezu täglich und über lange Zeit. Servicetechniker und Beschäftigte im Bereich Refill und Recycling sind naturgemäß den Schadstoffen im besonderen ausgesetzt. Außerdem wird technologisch bedingt Ozon freigesetzt (das Aufbringen elektrischer Ladungen auf die Bildtrommel geschieht mit sehr hohen elektrischen Feldstärken durch auf Hochspannung gelegte feine Drähte, die sog. Corona. Im Bereich solch hoher Feldstärken wird die Umgebungsluft ionisiert, wobei dann teilweise Ozon entsteht). Die meisten Geräte besitzen allerdings bereits Ozonfilter, welche zumindest einen Teil des Ozons entfernen.

Kopieren von Urkunden oder Geldscheinen

Das Anfertigen von Kopien bestimmter Urkunden oder gültiger Geldscheine ist bei Strafandrohung verboten. Die Hersteller haben teilweise Features implementiert, die solche Kopien unterbinden oder erschweren. Nachdem die Bilddaten für den Druck aufbereitet wurden (RIP), werden diese noch einmal auf bestimmte Muster hin untersucht, wie sie nur auf Geldscheinen oder bestimmten Urkunden verwendet werden. Wird ein solches Muster entdeckt, dann gibt es verschiedene Möglichkeiten zu reagieren. Viele Geräte drucken anstatt der Kopie eine schwarze Fläche, verfälschen die Farben oder überziehen das Dokument mit dem deutlichen Aufdruck "Kopie". Andere Geräte täuschen einen Gerätefehler vor und verlangen nach dem Kundendienst.

Eindeutige Identifizierbarkeit (Zuordnung jeder Kopie zum benutzten Kopiergerät)

Es ist bei einigen Herstellern Fakt und bei den restlichen nicht auszuschließen, dass Kopiergeräte elektronische Fingerabdrücke (z.B. den Machine Identification Code) auf den Kopien hinterlegen. Dies geschieht indem ein definiertes Bitmuster weiträumig verteilt in der Farbe Gelb bei Farbgeräten und eine schwache Tönung bei Schwarz-Weiß-Systemen auf den Träger aufgebracht wird. Bei einem Hersteller ist die Seriennummer des Gerätes auf der Rückseite der Glasplatte nahezu unsichtbar eingeätzt und wird bei jedem Kopiervorgang mit erfaßt. Dies macht es Herstellern aber auch Ermittlungsbehörden leicht möglich, auf das Kopiergerät selbst, den Standort und evtl. sogar auf die die Kopie anfertigende Person schließen. Datenschützer und Aktivisten sehen darin demokratisch zugesicherte Bürgerrechte gefährdet (z.B durch die einfache Möglichkeit zur Aufdeckung von Presseinformanten).

Zuverlässigkeit

Zwar wurden Fotokopiergeräte in den letzten Jahren sehr zuverlässig, dennoch sind sie von Wartungsfreiheit noch weit entfernt. Durch die Verwendung des feinen Tonerpulvers ist auch heute noch ein Großteil der Ausfälle auf Verschmutzungen zurückzuführen. Technisch bedingt sind die Geräte nicht vollständig hermetisch abgeschlossen, so dass sich immer wieder Tonerpulver auf der Belichtereinheit niederschlagen kann. Interessanterweise betrifft der häufigste, nicht verschleißbedingte Defekt, die Glasplatte für die Vorlage. Immer wieder wird anscheinend versucht, bestimmte Körperpartien abzulichten. Für die daraus resultierenden Belastungen ist das System jedoch nicht ausgelegt.

Analoge und digitale Kopiertechnologie

Kopierer können in analoge und digitale Kopierer eingeteilt werden. Bis ungefähr Mitte der 1980er Jahre wurden ausschließlich analoge Kopierer hergestellt. In analogen Kopierern erfolgt die Entwicklung der Trommel über ein System aus Linsen und Spiegeln, das Abbild der Vorlage wird über einen optischen Weg auf die Trommel übertragen. Die Belichtung und die Entwicklung müssen daher in einem Gerät installiert werden. Seit Mitte der 1980er Jahre werden immer mehr digitale Kopierer entwickelt, der analoge Kopierer wird seit ca. 2000 von dem digitalen Kopierer verdrängt und nicht mehr hergestellt. Der Hauptunterschied von digitalen zu analogen Kopierern besteht darin, dass der digitale Kopierer aus zwei logischen Einheiten, dem Scanner und dem Druckwerk, besteht. In der Regel werden diese Einheiten jedoch auch wie bei einem analogen Kopierer in einem Gerät untergebracht. Bei einem digitalen Kopierer wird die Vorlage mit dem Scanner digitalisiert und in einem Speicher (RAM oder auch Festplatte) zwischengespeichert. Das hier gespeicherte Bild der Vorlage wird anschließend elektronisch an das Druckwerk übertragen und dort in der Regel von einem Laserdruckwerk ausgedruckt. Der Vorteil der digitalen Technologie liegt darin, dass mehrere Kopien aus dem Zwischenspeicher erstellt werden können und die Vorlage nicht immer wieder belichtet werden muss. Die digitale Technologie bietet weitere Vorteile: neben der reinen Kopierfunktion werden oftmals Funktionen wie Drucken, Faxen, Scannen und das elektonische Versenden der Vorlagen per E-Mail oder in Netzwerkverzeichnisse angeboten.

Komponenten von Kopierern

Kopierer bestehen aus mehreren Komponenten die spezielle Aufgaben im Einlese-, Kopier- und Endverarbeitungsprozess übernehmen. Je leistungsfähiger ein Kopierer ist, desto mehr Komponenten sind in der Regel im Standardlieferumfang enthalten. Bei kleineren Modellen können diese oftmals als eine Option erworben werden.
- Originaleinzug. Der Originaleinzug ermöglicht das automatische Kopieren von Vorlagen mit mehreren Seiten. Der Originaleinzug positioniert eine Seite auf dem Vorlagenglas wo sie belichtet wird. Anschließend wird die Seite vom Vorlagenglas entfernt und die nächste Seite der Vorlage vom Originaleinzug auf dem Vorlagenglas positioniert. Originaleinzüge mit Originalwendung können auch die Rückseite einer Seite der Vorlage automatisch auf das Vorlagenglas positionieren.
- Duplexeinheit, automatische. Die automatische Duplexeinheit ermöglicht das automatische Bedrucken der Rückseite der Kopien. Mit Nutzung dieser Funktion kann der Papierverbrauch gegenüber dem einseitigen Kopieren halbiert werden.
- Papiervorrat. Der Papiervorrat eines Kopierers wird in Kassetten und Magazinen vorgehalten. In Kassetten können normalerweise Papiergrößen von DIN A5 bis DIN A3 oder auch A3+ (Überformat) vorgehalten werden. Diese Kassetten werden als Universalkassetten bezeichnet, da sie sich auf die verschiedenen Papierformate einstellen lassen. Die Kapazität einer Kassette liegt bei ca. 500-550 Blatt Papier. Papiermagazine sind normalerweise für das Format DIN A4 vorgesehen. Bei Produktionssystemen sind auch Papiermagazine für DIN A3 verfügbar. Papiermagazine lassen sich in der Regel nicht auf ein anderes Papierformat einstellen. Die Kapazität eines Magazins liegt bei ca. 2.500 bis zu 4.000 Seiten.
- Finisher und Sorter. Finisher und Sorter dienen zur Aufnahme der fertigen Kopien oder Drucke. Bei digitalen Kopierern wird die Ausgabeeinheit als Finisher bezeichnet, bei analogen Kopierern als Sorter. In Finishern und Sortern können die Kopien exemplarweise abgelegt werden. Auf Wunsch des Bedieners können bei vielen Finishern und Sortern die Exemplare geheftet werden, die Kopiensätze dürfen hierbei bis zu 50 oder gar 100 Seiten umfassen.
- Lochereinheit. Die Lochereinheit ermöglicht das Lochen der Kopien. Die Kopien werden einzeln gelocht, so dass es keine Beschränkung bei der Seitenzahl (bzw. Stärke) eines Kopiensatzes gibt.
- Druckfunktion. Die Druckfunktion ermöglicht das Ausdrucken von Dokumenten die von einem Anwender an einem Rechner erstellt wurden. Die Druckerfunktion nimmt die Druckdaten (die Dokumente) vom Rechner über das Netzwerk entgegen und bereitet diese für den Druck auf. Dabei werden die Druckdaten wie Texte und Bilder gerastet und zu einer Bitmap aufbereitet. Diese Bitmap wird anschließend vom Druckwerk ausgegeben. Die Druckfunktion ist nur für digitale Kopierer verfügbar.
- Faxfunktion. Die Faxfunktion arbeitet wie ein herkömmliches Fax. Dokumente können über das Vorlagenglas eingelesen und an ein Fax als Gegenstelle übertragen werden. Ebenso kann die Faxfunktion eines Kopierers ein Fax von einem anderen Fax empfangen und ausdrucken. Die Faxfunktion kann als analoges G3-Fax oder als digitales ISDN verfügbar sein. Die Faxfunktion ist nur für digitale Kopierer verfügbar.
- Sendefunktion. Die Sendefunktion ermöglicht das elektronische Versenden von Dokumenten ähnlich wie ein Fax, jedoch wird das Dokument als E-Mail übertragen oder kann in Netzwerkverzeichnissen abgespeichert werden. Bei dem Versand als E-Mail wird das Dokument als Anhang übertragen. Als Dateiformate bei dem Versand per E-Mail wie auch bei dem Speichern in Netzwerkverzeichnissen sind PDF, TIFF oder JPEG üblich.

Literatur


- R. Schaffert: Electrophotography. Focal Press, 1975
- R. Hoffmann: Modeling and Simulation of an Electrostatic Image Transfer. Shaker-Verlag, 2004. ISBN 3-8322-3427-6

Web-Links


- [http://tumb1.biblio.tu-muenchen.de/publ/diss/ei/2004/hoffmann_r.pdf Detaillierte Beschreibung, mathematische Modellierung und numerische Simulation des elektrofotografischen Druckprozesses (englisch)]
- [http://www.xerox.com/go/xrx/template/009.jsp?view=Feature&ed_name=Chester_Carlson&Xcntry=DEU&Xlang=de_DE Xerox-Website: Geschichte der Elektrofotografie]
- [http://www.eff.org/deeplinks/archives/003835.php Electronic Frontier Foundation (EFF): Is Your Printer Spying On You? (englisch)] Kategorie:Drucktechnik Kategorie:Bürotechnik ja:複写機

Fälschung

Eine Fälschung (auch als Falsifikat bezeichnet) liegt vor, wenn einer eigenen Leistung die Autorenschaft eines anderen unterstellt wird. In der Regel wird bei der Fälschung versucht, ein Original oder ein rechtlich geschütztes Produkt in allen Eigenschaften, Materialien, Signaturen und Markenzeichen so zu kopieren, dass es als Original oder als Markenprodukt erscheint. Es kann aber auch vorkommen, dass zu einer Fälschung gar kein Original des in der Fälschung angegebenen Herstellers, Künstlers, Politikers oder Schriftstellers existiert oder keine der angegebenen wissenschaftlichen Quellen, Urkunden, Gesetzeswerke oder Fundorte bestehen. Eine besondere Form der Fälschung ist die Verfälschung. Fälschungen sind aus den folgenden Bereichen bekannt:
- Geschichtsfälschung siehe auch Geschichtsklitterung
- Antiquitäten (z. B. Möbel)
- Computer (gefälschte Hard-, und Software)
- Dokumente (z.B. Urkunden, Konstantinische Schenkung, pseudoisidorische Dekretalen)
- Markenartikel (z.B. Uhren, Bekleidung) in der Produktfälschung
- Ersatzteile (z.B. Automobil, Flugzeug)
- Kunst vergleiche Kunstfälschung (Bilder, Skulpturen, Zeichnungen etc.)
- Literatur (z.B. J. Macphersons "Fragments of ancient poetry, collected in the highlands of Scotland", 1760 als angebliches Werk Ossians)
- Reliquien (vor allem im Mittelalter)
- Sammlerstücke (siehe Sammeln)
  - im Bereich der Philatelie (vergleiche Briefmarkenfälschung)
- Zahlungsmittel (z.B. gefälschte Geldscheine, sog. Blüten) Siehe: Falschgeld
- Falschaussage, Meineid
- Fälschung von UFO-Fotos oder Fälschung von Fotos vermeintlicher Seeungeheuer

Berühmte Fälschungen


- Hitler-Tagebücher, gefälscht von Konrad Kujau, bekannt geworden durch die Veröffentlichung im Stern. Die Geschichte dieser Fälschung wurde unter dem Titel Schtonk! verfilmt.
- Konstantinische Schenkung: Angebliche Begründung des Kirchenstaates
- Privilegium Maius: Umfangreiche Urkundenfälschung des 14. Jahrhunderts, der den Herzögen von Österreich besondere Rechte verschaffte.
- Hamburgs Stadturkunde von 1189, angeblich Freibrief von Barbarossa, tatsächlich von interessierten Kaufleuten
- Der Santilli-Film wird heute von Experten überwiegend als eine gutgemachte Fälschung bewertet, solange Ray Santilli nicht bereit ist das gesamte Original-Filmaterial zur Überprüfung auf Authentizität und Zeitpunkt der Entwicklung an einen unabhängigen Untersuchungsausschuß herauszugeben.

Berühmte Fälscher


- Kunstfälscher:
  - Alceo Dossena
  - Han van Meegeren
  - Lothar Malskat
  - Eric Hebborn
  - Wolfgang Lämmle
- Briefmarkenfälscher:
  - Jean de Sperati

Rechtliche Bedeutung


- Fälschung von Geld und Wertzeichen ist eine Straftat (§146-152b StGB).
- Fälschung von urheberrechtlich geschützten Werken ist grundsätzlich im UrhG geregelt.
- Fälschung einer Künstlersignatur ist behandelt in §107 UrhG
- Fälschung von Urkunden ist eine Straftat nach §267 StGB
- Fälschung zum Zwecke der Erschleichung von Gewinn ist nach §263 StGB ein Betrugstatbestand

Literatur


- Ausstellungskatalog Essen und Berlin: Fälschung und Forschung. Hrsg.: Museum Folkwang, Essen, und Staatliche Museen Preußischer Kulturbesitz, Berlin. 1976. ISBN 3-7759-0201-5.
- Karl Corino (Hrsg.): Gefälscht! Betrug in Politik, Literatur, Wissenschaft, Kunst und Musik., Frankfurt, 1990
- Klaus Ahrens, Günter Handlögten. [http://www.kunst-faelschung.de Echtes Geld für falsche Kunst] Remchingen 1992
- Joachim Goll: Kunstfälscher. E.A.Seemann Verlag Leipzig, 1. Aufl. 1962 (mit Literaturverzeichnis)
- Werner Fuld: Das Lexikon der Fälschungen. Lügen und Intrigen in Kunst, Geschichte und Literatur. Piper: München, 2000. ISBN 3-492-23011-3
- Peter Haffner, Hania Luczak: Fälschungen in der Forschung. In: Geo 03/März 2003, Seiten 120-138.

Weblinks


- [http://de.wikibooks.org/wiki/F%C3%A4lschen_von_UFO-Fotos Fälschungstechniken für UFO-Fotos]

Siehe auch


- Betrug
- Betrug und Fälschung in der Wissenschaft
- Counterfeit
- Disinfopedia jetzt SourceWatch
- Doppelgänger
- Double
- Dublette (z.B. Herstellung eines identischen Fahrzeuges mit gleichem Nummernschild)
- Fälschung technischer Aufzeichnungen
- Imitation
- Nachbildung
- Trojanisches Pferd
- Täuschung
- Türken (Verb) = etwas türken, einen Türken bauen usw.
- Urkundenfälschung
- Wahlfälschung Kategorie:Fälschung Kategorie:Kriminalität ja:偽札

Markenrecht

Das Markenrecht ist ein Bestandteil des Kennzeichenrechtes, welches Namen im Rechtsverkehr schützt. Das Kennzeichenrecht gehört seinerseits zum gewerblichen Rechtsschutz. Markenrechte können auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene bestehen. Dementsprechend gibt es nationale Marken, EU-Marken und IR-Marken. Um Markenrechte wirksam abzusichern, ist es daher im ersten Schritt erforderlich, den lokalen Wirkungsbereich des künftigen Markeninhabers festzustellen. Dabei kann es schon allein im Hinblick auf Aktivitäten im weltweit zugänglichen Internet sinnvoll sein, den Markenschutz über das eigene Land hinaus zu erstrecken. Im zweiten Schritt ist durch eine Markenrecherche in den einschlägigen Markenregistern der in Betracht kommenden Länder festzustellen, ob bereits ältere Rechte in dem betreffenden Land existieren, die einen neuen Markenschutz ausschließen. Falls dies nicht der Fall ist, muß im dritten Schritt die Marke auf die speziellen Bedürfnisse des künftigen Markeninhabers zugeschnitten werden. Hierbei geht es sowohl um die Auswahl und Gestaltung der Marke selbst als auch um deren korrekte Klassifizierung, damit der Markenanmelder in seinen künftigen Aktivitäten mit der Marke optimal abgesichert ist. Schließlich kann im letzten Schritt für die so ausgewählte Marke eine Markenanmeldung ausgearbeitet und prioritätswahrend bei dem betreffenden Markenamt hinterlegt werden. Mit erfolgreichem Abschluss des Registrierungsverfahrens erhält der Anmelder eine Markenurkunde. Nun muß noch die dreimonatige Widerspruchsfrist abgewartet werden, bevor die Marke formell bestandskräftig wird und im Geschäftsverkehr verwendet werden kann.

Begriff

Mit dem Anfang 1995 in Kraft getretenen Gesetz über den Schutz von Marken und sonstigen Kennzeichnungen (MarkenG) wird der Begriff der Marke gesetzlich wie folgt definiert: Die Hauptfunktion der Marke besteht darin, dem Verbraucher oder Endabnehmer die Ursprungsidentität der gekennzeichneten Waren oder Dienstleistungen zu garantieren, indem sie ihm ermöglicht, diese Ware oder Dienstleistung ohne Verwechslungsgefahr von Waren und Dienstleistungen anderer Herkunft zu unterscheiden.Niemals kann ein Produkt selbst die Marke sein. Was also produktbedingt geformt ist, stellt nicht gleichzeitig die Marke des Produktes dar. "Als Marke können alle Zeichen, insbesondere Wörter einschließlich Personennamen, Abbildungen, Buchstaben, Zahlen, Hörzeichen, dreidimensionale Gestaltungen einschließlich der Form einer Ware oder ihrer Verpackung sowie sonstige Aufmachungen einschließlich Farben und Farbzusammenstellungen geschützt werden, die geeignet sind, Waren oder Dienstleistungen eines Unternehmens von denjenigen anderer Unternehmen zu unterscheiden" (§3, Abs. I, MarkenG). Hiernach sind alle Zeichen schützbar, denen allgemeine Unterscheidungskraft zukommt. Da Marken für konkrete Klassen (Produktgruppen) eingetragen werden, müssen sie zudem in der jeweiligen Produktgruppe unterscheidungskräftig sein. Nach der Markenverordnung müssen sich Marken zudem graphisch darstellen lassen.

Entstehung

Eine Marke entsteht entweder durch Registrierung (sog. Registermarke), durch Benutzung (sog. Benutzungsmarke) oder durch notorische Bekanntheit (Notoritätsmarke). Wie stets im gewerblichen Rechtsschutz richtet sich die "Stärke" an einem Zeichen nicht nach der Art der Entstehung, sondern nach dem Zeitrang: Wer zuerst kommt, mahlt zuerst.

Weblinks


- [http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/markeng/index.html Volltext des Markengesetzes]
- [http://www.markenlexikon.com/markenrecht1.html Markenrecht (IPR) auf Markenlexikon.com]
- [http://www.dpma.de Deutsches Patent- und Markenamt (DPMA)]
- Madrider Abkommen über die internationale Registrierung von Marken
- [http://aktuell.de.selfhtml.org/talk/rechtundlinks.htm Praxisbeispiel zum Thema Abmahnung im Internet]
- [http://www.copat.de/markenformen/index.htm Archiv der Neuen Markenformen] — Das Archiv der neuen Markenformen von PA Dr. Ralf Sieckmann enthält eine Datenbank von Hörmarken, Farbmarken, Riechmarken, Bewegungsmarken, Hologrammarken Geschmacksmarken und Tastmarken weltweit
- [http://delegibus.org/2005,8.pdf Vom Wildern in fremden Gründen] vom 22. Juli 2005
- [http://www.kanzlei-doehmer.de/webdoc64.htm Leitsatzkommentar zum Markengesetz]
- [http://www.ipwiki.de/markenrecht:inhalt ipwiki.de - offenes Wiki zum Markenrecht] Siehe auch: Marke (Rechtsschutz), Branding, Markenelemente, Markenartikel, Personenmarken Kategorie:Markenrecht

Erbinformation

Die Erbinformation ist die in Form von organischen Basen (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) gespeicherte Information. Sie steuert den Aufbau des Organismus sowie die Stoffwechselprozesse der Zelle. Die Information selbst liegt in Form von so genannten Basentripletts (Dreiergruppen von Nukleotiden) vor, die das Codewort für je eine Aminosäure darstellen. Bei Eukaryoten liegt die Erbinformation auf Chromosomen im Zellkern vor, bei Prokaryonten treibt sie frei im Cytosol der Zelle. Siehe auch: DNA, Genetik, genetischer Code, Epigenetik, Genexpression Kategorie:Genetik

Fehler

Ein Fehler ist eine Abweichung von einem optimalen oder normierten Zustand oder Verfahren. Bei Produkten ist die Abwesenheit von Fehlern ein Qualitätsmerkmal. Bestimmte physiologische Mängel können bei Lebewesen rezeptive Fehler verursachen (Sehfehler, Hörfehler, Lesefehler; siehe Dyskalkulie). Auch im Bereich von Ästhetik und Kunst wird von Fehlern gesprochen. Ein in seiner Originalität einzigartiges neues Kunstwerk kann - da abweichend vom Kanon - als fehlerhaft empfunden werden und in die Kritik geraten. Doch lässt sich in diesem Bereich angemessen eher nur von Unkorrektheiten z.B. einer Aufführung reden. Die Rede vom Fehler stößt in diesem Bereich an ihre Grenze. Geringfügige Fehler bezeichnet man als Lapsus.

Statistischer Fehler

Als statistischen Fehler bezeichnet man die Abweichung des Mittelwerts einer Stichprobe von dem Erwartungswert. Der relative statistische Fehler läßt sich durch Erweiterung der Stichprobe verringern. Er verschwindet im Grenzfall, dass die Stichprobe die Grundgesamtheit umfasst. Ein einfaches Beispiel soll dies erläutern: Hat man in einem uneinsehbaren Kasten sieben schwarze und drei weiße Kugeln und entnimmt blind einzelne Kugeln, dann erhält man ein zuverlässig fehlerfreies Ergebnis nur, wenn man alle Kugeln entnimmt. Entnimmt man weniger (z. B. nur drei Kugeln), dann können drei (100%), zwei (67%), eine (33%) oder keine (0%) schwarze Kugeln in der Stichprobe sein. Die Stichprobe weicht somit mehr oder weniger vom Erwartungswert (70%) ab. Diese Abweichung bezeichnet man als statistischen Fehler. In der Praxis ist aber der Erwartungswert nicht bekannt. Stattdessen muß von den Ergebnissen einer Stichprobe (z. B. Wahlumfrage, Verhaltensuntersuchungen an Kindern, Aufmerksamkeitsstudien bzgl. Werbung usw.) aus abgeschätzt werden, wie groß der statistische Fehler ist, d. h. wie weit der "wirkliche" Wert von dem Ergebnis der Stichprobe unter Berücksichtigung der erwünschten Verlässlichkeit der Aussage abweichen kann. Siehe auch: Irrtumswahrscheinlichkeit, Fehler 1. und 2. Art

Physikalische Fehler

Im Rahmen einer physikalischen/technischen Messung gibt es eine Reihe von möglichen Fehlerquellen:
- Messfehler entstehen durch die begrenzte Genauigkeit bzw. Auflösung (Diskretisierung) der eingesetzten Geräte.
- Modellfehler entstehen durch die Idealisierung des physikalischen Zusammenhangs. Würde man z.B. auf einer ebenen Karte eine größere Entfernung zwischen zwei Städten als gerade Linie ausmessen, dann würde man einen Modellfehler machen (weil die kürzeste Entfernung in Karten nur dann eine Gerade ist, wenn die Punkte auf dem gleichen Meridian liegen).
- Verfahrensfehler entstehen bei der numerischen Auswertung der Messung durch Unzulänglichkeiten der gewählten Berechnungsmethode.
- Rundungsfehler entstehen durch die numerische Berechnung mit einer endlichen Stellenzahl. Bei physikalischen Größen bezeichnet der Fehler die maximal zu erwartende Abweichung vom Sollwert. Er kann absolut (z.B. Länge l = 170(4) \;\mathrm = (170 \pm 0,\!4)\;\mathrm) oder relativ, also in Prozent, angegeben werden.:
- Der absolute Fehler gibt die Differenz des abgelesenen Messwertes (Istwert) zum tatsächlichen Wert (Sollwert) an.
- Der relative Fehler ist das Verhältnis (Quotient) des absoluten Fehlers zum Sollwert. Er stellt somit die Prozentuale Abweichung des gemessenen Wertes vom Sollwert dar. Der Fehler im physikalischen Sinn wird auch als Messunsicherheit bezeichnet. Die Größe des Fehlers wird mit Hilfe der Fehlerrechnung ermittelt.

Softwarefehler

Siehe dazu den separaten Artikel Programmfehler.

Spielfehler

Bei einem Spiel ist ein Fehler ein Spielzug bzw. eine Handlung, die normalerweise einen Verlust bzw. eine Minderung des Gewinns verursacht. Ein Fehler kann spielentscheidend sein, aber oft auch durch andere Handlungen ausgeglichen werden.

Recht

Im Recht ist ein Fehler je nach Gebiet unterschiedlich definiert. So gibt es Verfahrensfehler, Fehler, die eine Gefährdung von Gesundheit oder Eigentum bilden, Fehler, die den ordnungsgemäßen Gebrauch verhindern und andere.

Controlling

Im Controlling unterscheidet man bei der Analyse von Abweichungsursachen drei Fehlerarten #Planungsfehler; hier wird die Umweltsituation falsch beschrieben. Dies kann durch falsche Annahmen von Marktentwicklungen, falsche Annahmen über Kosten- oder Ertragsfunktionen oder ähnliches beruhen #Realisationsfehler; dies kann durch unbeabsichtigtes Fehlverhalten aber auch durch beabsichtigtes (Prinzipal-Agent-Theorie) entstehen #Auswertungsfehler; durch Messfehler, Fehlbuchungen, falsche Interpreationen o.ä. verursachte Fehler

Denk-, Planungs- und Handlungsfehler

In der Psychologie und Handlungstheorie unterscheidet man Denk-, Planungs- und Handlungsfehler. Sie dienen als Grundlage zur Erklärung von menschlichem Versagen in technischen und sozialen Systemen. Das bekanntestes Beispiel dieser Fehlerform ist der Konstruktionsfehler.

Siehe auch

Fauxpas, MTBF,FMEA, Makel Kategorie:Messtechnik Kategorie:schaden ja:エラー

Polymerase-Kettenreaktion

Die Polymerase-Kettenreaktion (englisch Polymerase Chain Reaction, PCR) ist eine Methode, um die Erbsubstanz DNA zu vervielfältigen, ohne einen lebenden Organismus, wie z. B. das Bakterium Escherichia coli oder die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae zu benutzen. Die PCR wird in biologischen und medizinischen Laboratorien für eine Vielzahl verschiedener Aufgaben verwendet, zum Beispiel für die Erkennung von Erbkrankheiten, für das Erstellen und Überprüfen genetischer Fingerabdrücke, für das Klonieren von Genen und für Abstammungsgutachten.

Geschichte

Anfang der 1970er Jahre kam Har Gobind Khorana auf den theoretischen Gedanken, DNA durch 2 flankierende Primer zu vervielfältigen (Kleppe et al. 1971), jedoch geriet die Idee in Vergessenheit. Die Polymerase-Kettenreaktion selber wurde 1983 von Kary Banks Mullis erneut erfunden. Er arbeitete zu dieser Zeit für die Firma Cetus und wurde mit einer Prämie von 10.000 Dollar abgefunden. Jahre später verkaufte Cetus dann die Rechte an der PCR-Methode mitsamt dem Patent für die DNA-Polymerase Taq an die Firma Roche für 300 Millionen Dollar. Nur sieben Jahre nachdem er seine Idee veröffentlicht hatte, wurde Mullis hierfür 1993 der Nobelpreis für Chemie verliehen. Seine Idee war es, ein Verfahren zu entwickeln, das DNA durch wiederholte Verdoppelung in mehreren Zyklen mit Hilfe eines Enzyms namens DNA-Polymerase künstlich vervielfältigt. DNA-Polymerase kommt in allen Lebewesen vor, sie verdoppelt die DNA vor der Zellteilung. Sie bindet an einen einzelnen DNA-Strang und erzeugt einen dazu komplementären Strang. Bereits in Mullis' ursprünglichem PCR-Versuch wurde das Enzym in vitro verwendet. Die doppelsträngige DNA wurde durch Erhitzen auf 96 °C in zwei Einzelstränge aufgeteilt. Bei dieser Temperatur wurde die DNA-Polymerase zerstört und musste daher nach jedem Erhitzen erneuert werden. Mullis' ursprüngliches Verfahren war sehr ineffizient, da es viel Zeit, große Mengen DNA-Polymerase und ständige Aufmerksamkeit erforderte. Später wurde der PCR-Prozess verbessert, indem man die DNA-Polymerase von thermophilen (Hitze liebenden) Bakterien verwendete, die bei über 110 °C in Geysiren leben. Die DNA-Polymerase dieser Lebewesen ist thermostabil (stabil bei hohen Temperaturen) und wurde daher beim Erhitzen während der PCR-Zyklen nicht zerstört. Da nicht mehr ständig neue DNA-Polymerase hinzugefügt werden musste, konnte der Vervielfältigungs-Vorgang erheblich vereinfacht und automatisiert werden. Eine der ersten thermostabilen DNA-Polymerasen wurde aus Thermophilus aquaticus gewonnen und Taq genannt. Das Enzym Taq wurde bereits 1980 von dem russischen Forscher Kaledin beschrieben. Aus diesem Grund wurde der Firma Roche das Patent für Taq inzwischen entzogen. Die Taq-Polymerase erfährt gegenwärtig (Mai 2004) breite Anwendung. Ein Nachteil der Taq-Polymerase liegt darin, dass sie manchmal Fehler beim Kopieren der DNA produziert, was zu Mutationen (Fehlern) in der DNA-Sequenz führt. Polymerasen wie Pwo oder Pfu, die aus Archaea gewonnen werden, haben einen Korrektur-Mechanismus, der die Anzahl der Mutationen in der kopierten DNA erheblich senkt.

PCR in der Praxis

PCR wird eingesetzt um einen kurzen, genau definierten Teil eines DNA-Strangs zu vervielfältigen. Dabei kann es sich um ein Gen oder auch nur um einen Teil eines Gens handeln oder auch um nicht codierende DNA-Sequenzen. Im Gegensatz zu lebenden Organismen kann der PCR-Prozess nur kurze DNA-Abschnitte bis zu ca. 10 kbp (10.000 Basenpaare) kopieren. DNA ist doppelsträngig, und daher wird ihre Länge in komplementären DNA-Bausteinen (Nukleinsäuren) oder Basenpaaren gemessen. Mit Hilfe bestimmter Verfahren können Fragmente bis zu einer Länge von 40 kbp vervielfältigt werden, was immer noch sehr viel weniger ist als die chromosomale DNA einer eukaryotischen Zelle - eine menschliche Zelle enthält beispielsweise etwa drei Milliarden Basenpaare. In ihren momentanen Anwendungsgebieten benötigt PCR mehrere grundlegende Komponenten. Diese sind:
- Die Original-DNA, die den zu vervielfältigenden Abschnitt enthält
- Zwei Primer, um Anfang und Ende des zu vervielfältigenden Abschnitts festzulegen (siehe auch den Abschnitt "Primer")
- DNA-Polymerase, die bei hohen Temperaturen nicht zerstört wird, um den festgelegten Abschnitt zu replizieren (kopieren)
- Nukleotide, die Bausteine für den von der DNA-Polymerase synthetisierten DNA-Strang
- Pufferlösungen, die eine für die DNA-Polymerase geeignete chemische Umgebung sicherstellen Die Polymerase-Kettenreaktion findet in einem so genannten Thermocycler statt. Diese Maschine erhitzt und kühlt die in ihr befindlichen Reaktionsgefäße präzise auf die Temperatur, die für den jeweiligen Schritt benötigt wird. Um Verdunstung zu verhindern, wird ein beheizbarer Deckel auf den Reaktionsgefäßen oder eine Ölschicht auf dem Reaktionsgemisch benutzt. Soll die PCR vor allem als quantitativer Nachweis dienen, empfiehlt sich die sog. Real Time PCR. http://www.gene-quantification.info - The reference in real time PCR: englischsprachige Seite zu allen praktischen Aspekten der real-time PCR

Ablauf

Der PCR-Prozess besteht aus einer von 20 bis 30 Zyklen. Jeder Zyklus besteht aus drei Schritten (Abb. 1). Zunächst wird die doppelsträngige DNA auf 96 °C erhitzt um die Stränge zu trennen. Dieser Schritt wird Melting (Schmelzen) genannt. Die Wasserstoffbrückenbindungen, die die beiden DNA-Stränge zusammenhalten, werden aufgebrochen. Im ersten Zyklus wird die DNA oft für längere Zeit erhitzt um sicherzustellen, dass sich sowohl die Ausgangs-DNA als auch die Primer vollständig voneinander getrennt haben und nur noch Einzelstränge vorliegen. Nach der Trennung der Stränge wird die Temperatur gesenkt, so dass die Primer sich an die einzelnen DNA-Stränge anlagern können. Dieser Schritt heißt Annealing (Anlagern). Die Temperatur während dieser Phase hängt von den Primern ab und liegt normalerweise 25 °C unter ihrem Schmelzpunkt. Wird die Temperatur falsch gewählt, kann das dazu führen, dass die Primer sich nicht oder an der falschen Stelle an der Ausgangs-DNA anlagern. Schließlich füllt die DNA-Polymerase die fehlenden Stränge mit Nukleotiden auf . Sie beginnt am angelagerten Primer und folgt dann dem DNA-Strang. Dieser Schritt heißt Elongation (Verlängerung). Der Primer wird nicht wieder abgelöst, da er den Anfang des Einzelstrangs bildet. Die Temperatur hängt nun von der DNA-Polymerase ab, die Zeit, die dieser Schritt benötigt, von der DNA-Polymerase und der Länge des DNA-Fragments, das vervielfältigt werden soll. Sie liegt zwischen 68 und 72 °C. Schematische Darstellung des PCR-Zyklus Abbildung 1: Schematische Darstellung des PCR-Zyklus. # Schmelzen bei 96 °C. # Anlagerung bei 68 °C. # Verlängerung bei 72 °C (P=Polymerase). # Der erste Zyklus ist beendet. Die beiden entstandenen DNA-Stränge bilden die Vorlage für den nächsten Durchlauf, die Menge an DNA verdoppelt sich also mit jedem neuen Zyklus.

Beispiel

Die angegebenen Zeiten und Temperaturen dieses Beispiels stammen aus einem PCR-Programm, das von Magnus Manske erfolgreich zur Vervielfältigung eines 250-bp-Fragment des C-terminalen Endes des insulinartigen Wachstumsfaktor (IGF) (engl. insulin-like growth factor) eingesetzt wurde. Das Reaktionsgemisch besteht aus:
- 1,0 µl DNA-Vorlage (100 ng/µl)
- 2,5 µl Primer, 1,25 µl pro Primer (100 ng/µl)
- 1,0 µl Pfu-Polymerase
- 1,0 µl Nukleotide (ATP, GTP, CTP, TTP)
- 5,0 µl Pufferlösung
- 89,5 µl H2O Ein 200 µl Reaktionsgefäß mit den 100 µl Gemisch wird in den Thermocycler gestellt.

Schritte des PCR-Prozesses

Die folgenden Angaben sind als Richtwerte gedacht. Meist muss eine PCR auf die spezifische Reaktion hin optimiert werden. Für eine normale Präparation eines Amplifikats reicht folgendes Programm aber aus: Schritt 1: Initialisierung. Das Gemisch wird 5 Minuten lang auf 96 °C erhitzt, um sicherzustellen, dass die DNA-Stränge und Primer sich getrennt haben. Die DNA-Polymerase kann vor oder nach der Initialisierung zugefügt werden. Schritt 2: Zerlegen. Die Temperatur 30 Sekunden lang auf 96 °C halten. Das genügt gewöhnlich, um die DNA während der Zyklen zu zerlegen. Schritt 3: Anlagerung. Die Temperatur 30 Sekunden lang auf 68 °C halten. Schritt 4: Verlängerung. Die Temperatur 45 Sekunden lang auf 72 °C halten.
Die Schritte 2-4 werden 25 mal wiederholt.
Mit guten Primern und frischer Polymerase genügen 15 bis 20 Zyklen. Schritt 5: Das Gemisch wird bei 7 °C aufbewahrt. Es bietet sich an, die PCR am Abend vor dem Verlassen des Labors einzuleiten, so dass sie über Nacht laufen kann. Die DNA wird bei 7 °C nach nur einer Nacht nicht beschädigt. Das PCR-Produkt kann durch Agarose-Gelelektrophorese anhand seiner Größe identifiziert werden. (Die Agarose-Gelelektrophorese ist ein Verfahren, bei der DNA in ein Agarose-Gel eingebracht wird und anschließend eine Spannung angelegt wird. Dann bewegen sich die kürzeren DNA-Stränge schneller als die längeren auf den Pluspol zu.) Die Menge des PCR-Produkts kann durch einen Vergleich mit DNA-Leiter, die DNA-Fragmente bekannter Größe (auch in Gel) enthält, bestimmt werden. Das PCR-Produkt im Vergleich mit der DNA-Leiter in Agarose-Gel Abbildung 2 : Das PCR-Produkt im Vergleich mit der DNA-Leiter in Agarose-Gel. DNA-Leiter (Bande 1), Das PCR-Produkt in niedriger Konzentration (Bande 2) und hoher Konzentration (Bande 3).

PCR-Anwendungsgebiete

Die PCR kann für eine Vielzahl von Experimenten und Analysen eingesetzt werden, einige Beispiele werden weiter unten vorgestellt.

Genetischer Fingerabdruck

Der genetische Fingerabdruck wird in der Gerichtsmedizin zur Identifikation einer Person eingesetzt, indem seine oder ihre DNA mit einer vorhandenen Probe verglichen wird. Beispielsweise kann eine Blutprobe von einem Tatort mit dem Blut eines Verdächtigen verglichen werden. Die Probe kann minimal sein, das heißt eine einzige Zelle (in deren Zellkern die DNA ist) genügt. An Tatorten findet man meistens Blut, Sperma, Speichel, Haut, Haare oder ähnliche Zellen. Theoretisch genügt ein einziger Strang. Zuerst spaltet man die DNA-Probe in Fragmente auf, die dann mittels PCR vervielfältigt werden. Die vervielfältigten Fragmente werden anschließend durch Gelelektrophorese getrennt. Die so gewonnene Anordnung der DNA-Fragmente nennt man DNA-Fingerabdruck. Diese Fragmente enthalten jedoch größtenteils polymorphe Bereiche. Das sind sich wiederholende DNA-Abschnitte im nicht codierenden Bereich der DNA (junk DNA), sogenannte repetetive Sequenzen. Diese Sequenzen liegen zwischen den Genen. Deshalb lässt sich anhand des genetischen Fingerabdrucks keine Disposition feststellen.

Vaterschaftstest

Obwohl diese erzeugten "Fingerabdrücke" einzigartig sind (außer bei eineiigen Zwillingen), können genetische Beziehungen, zum Beispiel zwischen Eltern und Kindern oder zwischen Geschwistern durch zwei oder mehr genetische Fingerabdrücke bestimmt werden, was bei Vaterschaftstests zum Einsatz kommt (Abb. 3). Eine Abwandlung dieser Technik wird auch zur Bestimmung evolutionärer Beziehungen zwischen Organismen angewandt. Elektrophorese mittels PCR vervielfältigter DNS-Fragmente Abbildung 3: Elektrophorese mittels PCR vervielfältigter DNA-Fragmente. (1) Vater. (2) Kind. (3) Mutter. Das Kind hat Teile der Fingerabdrücke der beiden Elternteile geerbt wodurch es über einen eigenen, einzigartigen Fingerabdruck verfügt.

Erkennung von Erbkrankheiten

Die Erkennung von Erbkrankheiten in einem vorliegenden Genom ist ein langwieriger und komplizierter Vorgang, der durch den Einsatz von PCR bedeutend verkürzt werden kann. Jedes Gen, das in Frage kommt, kann durch PCR mit den entsprechenden Primern amplifiziert (= vervielfältigt) und anschließend sequenziert werden (DNA sequenzieren heißt, die Sequenz der Nukleotide (oder Basen) der DNA zu bestimmen), um Mutationen aufzuspüren. Virale Erkrankungen können ebenfalls durch PCR erkannt werden, indem man die Virus-DNA vervielfältigt. Diese Analyse kann sofort nach der Infektion erfolgen, oft Tage oder Wochen vor dem Auftreten der Symptome. Erfolgt die Diagnose so früh, erleichtert das den Medizinern die Behandlung erheblich.

Klonierung von Genen

Das Klonieren eines Gens - nicht zu verwechseln mit dem Klonen eines ganzen Organismus - ist ein Vorgang, bei dem ein Gen aus einem Organismus isoliert und anschließend in einen anderen eingepflanzt wird. PCR wird oft benutzt, um das Gen zu vervielfältigen, das dann in einen Vektor (ein Vektor ist ein Mittel, mit dem ein Gen in einen Organismus verpflanzt werden kann), beispielsweise ein Plasmid (ein ringförmiges DNA-Molekül), einfügt wird (Abb. 4). Die DNA kann anschließend in einen anderen Organismus eingesetzt werden, in dem das Gen oder sein Produkt besser untersucht werden kann. Das Exprimieren eines klonierten Gens kann auch zur massenhaften Herstellung nutzbarer Proteine wie z. B. Arzneimittel dienen. Klonen eines Gens mit Hilfe eines Plasmids Abbildung 4: Klonen eines Gens mit Hilfe eines Plasmids. # Chromosomale DNA von Organismus A. # PCR. # Mehrere Kopien eines einzelnen Gens von Organismus A. # Einfügen des Gens in ein Plasmid. # Plasmid mit dem Gen aus Organismus A. # Einfügen des Plasmids in Organismus B. # Vervielfältigung oder Expression des Gens, das aus Organismus A stammt, im Organismus B.

Mutagenese

Mutagenese ist eine Möglichkeit, die Sequenz der Nukleotide (Basen) der DNA zu verändern. Es gibt Situationen, in denen man mutierte (veränderte) Kopien eines bestimmten DNA-Strangs benötigt, um die Funktion eines Gens zu bestimmen. Mutationen können in kopierte DNA-Sequenzen auf zwei grundsätzlich verschiedene Arten während des PCR-Prozesses eingefügt werden. Gezielte Mutagenese erlaubt es dem Forscher, an spezifischen Stellen auf dem DNA-Strang Mutationen zu erzeugen. Meist wird die gewünschte Mutation in die Primer integriert, die für die PCR verwendet werden. Zufällige Mutagenese beruht hingegen auf der Verwendung von fehlerträchtigen Polymerasen in dem PCR-Prozess. Bei der zufälligen Mutagenese können Ort und Art der Mutationen nicht beeinflusst werden. Eine Anwendung der zufälligen oder gezielten Mutagenese ist die Analyse der Struktur-Funktions-Beziehungen eines Proteins. Nach zufälliger Veränderung der DNA-Sequenz kann man das entstandene Protein mit dem Original vergleichen und die Funktion aller Teile des Proteins bestimmen.

Analyse alter (fossiler) DNA

siehe hierzu den Eintrag ADNA

Geschlechtsbestimmung

Die PCR kann eingesetzt werden, um Material für einen Nachweis der geschlechtsspezifischen Chromosomen zu gewinnen. Das ist bei den üblichen Haussäugetieren nicht üblich, außer eventuell bei Zwittern. Bei manchen Tieren im Zoo, besonders aber bei Vögeln, Reptilien oder Fischen, ist es die schonendste und sicherste Variante. Im Heimtierbereich ist diese PCR Methode bei Papageien üblich.

Weiterführende Literatur

Zu PCR (Polymerase-Kettenreaktion)


- Newton, C. R. and A. Graham: PCR: Introduction to Scientific Techniques. 2d. ed. Oxford: BIOS Scientific Publishers Ltd., 1997. ISBN 1872748821
- Saiki, R. K., D. H. Gelfand, S. Stoffel, S. J. Scharf, R. Higuchi, G. T. Horn, K. B. Mullis, and H. A. Erlich. [http://sunsite.berkeley.edu/cgi-bin/ebind2html/pcr/009 Primer-Directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase]. Science 239 (1988), 487–491.
- Mullis, et al.: [http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?patentnumber=5656493 System for automated performance of the polymerase chain reaction]. United States Patent 5,656,493, August 12, 1997.

Zum Genetischen Fingerabdruck (Genetic Fingerprinting)


- Ballantyne, J. (Hrgs.): DNA Technology and Forensic Science. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory, 1989.
- Billings, P. R. (Hrsg.): DNA on Trial: Genetic Identification and Criminal Justice. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory, 1992.
- Saiki R. K., S. Scharf, F. Faloona, K. B. Mullis, G. T. Horn, H. A. Erlich, and N. Arnheim: [http://sunsite.berkeley.edu/cgi-bin/ebind2html/pcr/034 Enzymatic Amplification of Beta-Globin Genomic Sequences and Restriction Site Analysis for Diagnosis of Sickle-Cell Anemia]. Science 230 (1985), 1350–1354.

Siehe auch

Sequenzanalyse, Elektrophorese , Ligase-Kettenreaktion, Real time quantitative PCR

Weblinks


- http://www.vs-c.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/5/bc/vlus/pcr.vlu.html - SEHR GUTE deutschsprachige Seite zu allen Themen der PCR - jeweils kurz und knackig formuliert
- http://www.gene-quantification.info - The reference in real-time PCR: englischsprachige Seite zu allen praktischen Aspekten der real-time PCR und real-time RT-PCR.
- [http://sunsite.berkeley.edu/PCR/ Making PCR (Polymerase Chain Reaction)]: PCR-Projekt an der University von Californien, Berkeley
- http://hepatitis-c.de/pcr1.htm
- http://www.roche-applied-science.com/PROD_INF/MANUALS/pcr_man/start.html
- [http://sina.eetezadi.de/inhalt/referate/dna-replikation-pcr/page/3 Polymerase-Ketten-Reaktion] - Kurze Zusammenfassung mit Schema
- [http://www.highveld.com/pages/pcr.html The World Famous PCR Jump Station: Polymerase Chain Reaction] - englischsprachige Seite zu allen praktischen Aspekten der PCR Kategorie:Gentechnologie ja:PCR

Genetik

Die Genetik (griech. geneá = Abstammung) oder Vererbungslehre ist ein Teilgebiet der Biologie und beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Funktion von Erbanlagen ("Genen") sowie mit deren Weitervererbung. Vererbung ist die Weitergabe von Erbinformationen von Generation zu Generation. Die klassische Genetik untersucht, in welchen Kombinationen die Gene nach Kreuzungsexperimenten bei den Nachkommen vorkommen und wie das die Ausprägung bestimmter phänotypischer Merkmale beeinflusst. Die Molekulargenetik untersucht, wie Gene aufgebaut sind, wie die in Form von Desoxyribonukleinsäure (DNS) [englisch = Desoxyribonucleicacid (DNA)] vorhandene genetische Information zum Aufbau von Proteinen und anderen funktionellen Genprodukten genutzt wird, wie diese Information kopiert wird (Replikation) und wie sich molekularbiologische Erkenntnisse für gentechnische Verfahren nutzen lassen.

Geschichte der Genetik

Schon seit der Antike versuchen die Menschen die Gesetzmäßigkeiten der Vererbung durch verschiedene Hypothesen zu erklären. So lehrte der griechische Philosoph Anaxagoras um 500 v.Chr., dass das Geschlecht eines Kindes nur vom Vater abhängig sei. Ähnlich dachte hundert Jahre später Aristoteles, der nur dem Mann Erbanlagen zugestand, während die Frauen ausschließlich ernährende Funktionen haben sollten. Solche Vorstellungen über Fortpflanzung und Vererbung prägten die naturphilosophischen Überlegungen bis in die Neuzeit hinein. Mit der Entwicklung des Mikroskops und der anschließenden Entdeckung der Spermien durch Antoni van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert wurden wichtige Fortschritte gemacht. 1865 entdeckte der Mönch Gregor Mendel grundlegende Gesetzmäßigkeiten bei der Verteilung von Erbanlagen auf die Nachkommen, die heute als Mendelsche Gesetze (oder Mendelsche Regeln) bekannt sind. Er hatte Pflanzen der Gartenerbse (Pisum sativum) miteinander gekreuzt und mittels statistischer Analyse mathematische Gesetzmäßigkeiten beobachtet. Er teilte die Erbanlagen in "rezessive" und "dominante" Gene und entwickelte den Begriff des Allels. Mendels Entdeckungen blieben unbeachtet und wurden erst Anfang des 20. Jahrhunderts wiederentdeckt. Eine weitere wichtige Entwicklung machte Morgan, der feststellte, dass es auch Merkmale gibt, die meist zusammen vererbt werden (gekoppelte Gene, die auf dem gleichen Chromosom liegen). Mit der Entdeckung des Aufbaus des Erbguts Mitte des 20. Jahrhunderts wurden die Grundsteine für die Entschlüsselung des genetischen Codes gelegt. Heute weiß man, wie das Erbgut aufgebaut ist und kennt die Lage von vielen Genen im gesamten Erbgut.

Meilensteine der Genetik


- 1859 - Charles Darwin veröffentlicht Die Entstehung der Arten
- 1865 - Gregor Mendel veröffentlicht sein Werk
- 1903 - Chromosomen werden als Träger der Erbinformation erkannt
- 1910 - Chromosomen enthalten Gene
- 1913 - Thomas Hunt Morgan führt Kreuzungsversuche mit der Taufliege Drosophila melanogaster durch. Anhand der Versuchsergebnisse erstellt er Genkarten, aus denen hervorgeht, dass Chromosomen aus linear angeordneten Genen aufgebaut sind.
- 1927 - Physikalische Veränderungen in Genen werden als Mutationen bezeichnet
- 1928 - Frederick Griffith entdeckt, dass die Moleküle der Erbsubstanz zwischen Bakterien ausgetauscht werden können (siehe Griffiths Experiment, Plasmide)
- 1931 - Crossing over ist die Ursache für Rekombination
- 1944 - Oswald Theodore Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarty isolieren DNA als genetisches Material
- 1945 - Gene kodieren Proteine (siehe auch Zentrales Dogma der Genetik)
- 1950 - Erwin Chargaff zeigt, dass die vier Nukleotide nicht in gleichen Anteilen in der DNA vorkommen
- 1951 - Barbara McClintock veröffentlicht zum ersten Mal ihre Bahnbrechenden Ergebnisse im Bereich der Genetik- die springenden Gene.
- 1952 - Das Hershey-Chase-Experiment zeigt, dass die genetische Information von Phagen (und anderer Organismen) in der DNA gespeichert ist
- 1953 - Die DNA-Struktur wird von James Watson und Francis Crick als Doppelhelix aufgeklärt
- 1958 - Nachweis der semikonservativen Replikation der DNA durch Meselson und Stahl
- 1961 - Der genetische Code ist in Dreiergruppen (Tripletts), so genannten Codons, aufgebaut
- 1966 - Gurdon - Kerntransplantation bei Vielzellern->Genetische Informationen liegen im Zellkern
- 1969 - Jonathan Beckwith gelingt als erstem die Isolierung eines einzelnen Gens (aus E. coli); Entdeckug der Restriktionsenzyme durch Arber --> Einleitung des Zeitalters der Gentechnik
- 1977 - Frederick Sanger stellt seine Didesoxy-Kettenabbruch-Methode vor, die die DNA-Sequenzierung revolutioniert
- 1983 - Kary Mullis ersinnt während einer Autofahrt die Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
- 1997 - Das erste eukaryotische Genom, das der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, wird sequenziert
- 15. Februar 2001 - Im Rahmen des Humangenom-Projektes wird eine vorläufige Arbeitsversion des gesamten menschlichen Genoms vorgestellt
- 14. April 2003 - Die Humangenom-Referenzsequenz steht zum [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/seq/ Download] bereit

Literatur


- Benjamin Lewin: Molekularbiologie der Gene. 2002, ISBN 3827413494 (englische Ausgabe: Genes. ISBN 0131439812)
- H. Frederik Nijhout: Der Kontext macht's! Spektrum der Wissenschaft, April 2005, S. 70 - 77 (2005), ISSN 170-2971

Weblinks


- [http://www.eduvinet.de/mallig/bio/Repetito/Banaly1.html Einführung in die Stammbaumanalyse]
- [http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/biologie/dna/ Deutsche Fassung von "DNA from the Beginning" des Dolan DNA Learning Center]
- [http://www.abi-bayern.de/start.htm Abiturvorbereitung für den Grundkurs Biologie]
- [http://www.dieterwunderlich.de/genetik_dns.htm Genetik, DNS, genetischer Fingerabdruck, Humangenom u.a.]
- [http://www.mendelweb.org/ MendelWeb (englisch)]
- [http://www.deutscher-behindertenrat.de/ID37956 Menschen sind mehr als die Summe ihrer Gene - Positionen zu einem Gendiagnostikgesetz]
- [http://www.olfsworld.de/bio/genetik/index.html Informationen zur Molekulargenetik]
- [http://gslc.genetics.utah.edu/units/basics/tour/ Genetic Science Learning Scenter: Tour of the Basics (engl.)] Englischsprachige Homepage mit einer animierten "Grundlagen-Tour"

Siehe auch

DNA, RNA, Transkription (Biologie), Translation (Biologie), Transfektion, GMO, PCR, Ribosom, Molekularbiologie, Evolution, genetische Drift, Genmanipulation, genetischer Code, mRNA, Bioinformatik, Gentherapie, Mutation, Entwicklungsbiologie, Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese, PubMed, Epistase, reverse Genetik, Quantitative Genetik, Kartierung (Genetik) außerbiologische Wortbedeutungen von genetisch: Genetischer Algorithmus, Genetische Verwandtschaft in der Linguistik, Genetischer Unterricht. ! ja:遺伝学 ko:유전학 ms:Genetik simple:Genetics th:พันธุศาสตร์

Genetischer Fingerabdruck

Als genetischer Fingerabdruck wird ein DNA-Profil eines Individuums bezeichnet, das für dieses charakteristisch ist. Die DNA wird aus Zellen gewonnen, die aus Gewebeteilen, Sperma, Hautzellen, Speichel stammen. Das Verfahren wird in der Molekularbiologie auch als Fingerprinting bezeichnet. Entwickelt wurde es 1985 von Alec Jeffreys, in Deutschland wurde es erstmals 1988 als Beweis in einem Strafprozess vom Gericht anerkannt.

Methoden

Für den genetischen Fingerabdruck werden derzeit zwischen acht und 15 Abschnitte aus der DNA mit Hilfe der PCR-Methode vervielfältigt. Untersucht werden nicht die Gene an sich, sondern kleine, sich wiederholende Abschnitte im Erbgut, die Minisatelliten oder VNTRs (variable number tandem repeats) genannt werden. Bei diesen DNA-Abschnitten handelt es sich um tandemartige Wiederholungen einer bestimmten Sequenz (Repeats), die im Genom aller Eukaryoten vorkommen. Variabel ist dabei die Anzahl der Wiederholungen. Diese Anzahl - und nicht etwa die DNA-Sequenz der betreffenden Abschnitte - wird bei dem genetischen Fingerabdruck untersucht. Je nach Anzahl der Wiederholungen hat der vervielfältigte Abschnitt also eine bestimmte Länge, die sich z.B. über eine Gel-Elektrophorese im Agarosegel als Bande darstellen lässt. Ist ein Mensch an einem Genort heterozygot (besitzt beispielsweise ein Allel mit zehn Wiederholungen und eines mit 15), entstehen zwei Banden unterschiedlicher Länge. Es handelt sich hier also nicht um eine Sequenzierung, sondern um eine reine Fragmentlängen-Analyse. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Individuen an einem VNTR-Locus eine unterschiedliche Anzahl von Wiederholungen haben, ist sehr hoch. Wenn mehrere dieser Regionen untersucht werden, ergibt sich somit ein Bandenprofil, das mit einer bestimmten Häufigkeit in der Gesamtpopulation vertreten ist. Hierüber kann dann eine statistische Aussage getroffen werden, wie viele Menschen untersucht werden müssen, um zufällig einen zu treffen, der genau dieses Muster aufweist. Bei den oben genannten acht bis 15 untersuchten VNTR-Systemen liegt diese Zahl häufig in einem Bereich von mehreren Milliarden. Man sollte hierbei jedoch immer im Hinterkopf behalten, dass es sich um eine rein statistische Aussage handelt. Diese Informationen werden in ein mathematisches Modell umgewandelt, das sich digital verarbeiten und somit automatisiert vergleichen lässt. Das mathematische Modell ist ein reiner aggregierter Zahlencode. Im Gegensatz zu anderen DNA-Analysen, bei denen mittels Sequenzierungen Gene aus den codierenden Bereichen der DNA untersucht werden, die durchaus Rückschlüsse z.B. auf eventuelle Krankheiten des Individuums zulassen, lassen sich aus dem Zahlencode der Fragmentlängen-Analyse keine Eigenschaften des Individuums ableiten. Allerdings wird immer über einen zusätzlichen Locus auch das Geschlecht bestimmt.

Rechtslage in Deutschland

Allgemein

Ein genetischer Fingerabdruck darf in Deutschland nur auf richterlichen Beschluss hin genommen werden. Hierbei sind zwei unterschiedliche Ansätze möglich:
- Die Untersuchung von Spurenmaterial und Körperzellen des Beschuldigten im einer konkreten Straftat (§§ 81a, 81e StPO).
- Die DNA-Analyse zum Zwecke der Identitätsfeststellung in künftigen Strafverfahren (§ 81g StPO). Letztere Untersuchung darf der Richter nur dann anordnen, wenn die Voraussetzung einer Straftat von erheblicher Bedeutung im Sinne des StGB gegeben ist, bei deren Wiederholung ein genetischer Fingerabdruck zur Ermittlung des Täters hilfreich sein kann (Unwahrscheinlich aber nicht unmöglich ist daher zum Beispiel die richterliche Anordnung bei Volksverhetzung oder Betrug). Die Unterschung erfolgt, wenn Grund zu der Annahme besteht, dass gegen den Beschuldigten auch künftig Strafverfahren zu führen sein werden. Bei Ersttätern wird daher oft von einem genetischen Fingerabdruck abgesehen. Die Zellen für den genetischen Fingerabdruck dürfen nach Anordnung der Untersuchung durch einen Arzt (§ 81a Absatz 1 Satz 2 StPO) entnommen werden. In einigen Bundesländern ist es der Polizei erlaubt, zur freiwilligen Abgabe eines genetischen Fingerabdrucks aufzufordern (z. B. Bayern und Nordrhein-Westfalen und Hamburg). In anderen Bundesländern ist auch dazu eine richterliche Erlaubnis nötig. Im polizeilichen Bereich werden (üblicherweise staatliche) Laboratorien damit beauftragt, aus DNS-Proben die für die Identifizierung wichtigen Teile herauszufiltern und der polizeilichen DNA-Datenbank des BKA zur Verfügung zu stellen, die dann unbekannte DNA-Profile (etwa von Tatortspuren oder unbekannten Leichen) mit gespeicherten DNA-Profilen von bekannten Personen vergleicht. Die bekannten Profile stammen von Straftätern, bei denen man durch Mundhöhlenabstrich (freiwillig) oder Hautabrieb (wenn die Person ein Eindringen in eine Körperöffnung verweigert) eine biologische Probe abgenommen hat. In Deutschland erhalten die beauftragten Laboratorien aus datenschutzrechtlichen Gründen keine Personendaten, Proben (Spuren) erhalten lediglich eine eindeutige Kennzeichnung. Durch diese Trennung ist es nur der Polizeibehörde möglich, einen kausalen Zusammenhang zwischen Untersuchungsergebnissen und Personen herzustellen.

Rechtlicher Vergleich zwischen klassischem und genetischem Fingerabdruck

Voraussetzung für die Abnahme des daktylischen Fingerabdrucks und des genetischen Fingerabdrucks ist die Begehung einer Straftat nach dem StGB.
- Die Abnahme eines genetischen Fingerabdrucks kann nur bei schweren Straftaten durch richterlichen Beschluss erlaubt werden (§ 81g Abs. 1 Nr. 1 und 2, Abs. 3 Satz 1 i.V.m. § 81f Abs. 1 S. 1 Strafprozessordnung).
- Der daktylische Fingerabdruck wird durch einen Polizisten genommen, wenn dieser der Ansicht ist, dass es sich um eine Straftat, also einen Verstoß gegen das Recht handelt, bei dem angenommen wird, dass die Wahrscheinlichkeit der Tatwiederholung höher ist als die, dass eine nicht überführte Person diese Straftat begeht.

Rechtliche Gleichsetzung des genetischen mit dem klassischen Fingerabbdruck

Im Zusammenhang mit der Ermordung des Modemachers Rudolph Moshammer wird in Deutschland eine Ausweitung der Anwendungsmöglichkeiten des genetischen Fingerabdrucks diskutiert. Ein Gesetzantrag mehrerer Bundesländer, der am 18. Februar 2005 in den Bundesrat eingebracht worden ist, sieht unter anderem die Aufhebung des Richtervorbehalts und die Ausweitung des Straftatenkatalogs vor. Datenschützer und Bürgerrechtsorganisationen sprechen sich gegen die Gesetzesänderung aus. Die Konferenz der Datenschutzbeauftragten des Bundes und der Länder hält die von den Bundesländern angestrebte Gleichsetzung von klassischem und genetischen Fingerabdruck für bedenklich.

Interpretation

Siehe unter Spurensicherung, Fehlschluss

Fehler

Als falsch-positives Ergebnis wurde unter anderem auch der Fall eines 28-jährigen Arbeiters bekannt, der ein halbes Jahr unschuldig wegen Mordes in Haft saß. Das Berliner Humboldt-Institut hatte bei der Analyse die Proben verunreinigt; der Staatsanwalt entschuldigte sich schriftlich. Desweiteren kann nach berichten des Fachmagazins "New Scientist" auch durch Knochenmarksspenden der genetische Fingerabdruck verfälscht werden, da der Empfänger einer Spende auch Zellen mit dem genetischen Fingerabdrucks des Spenders besitzt.

Literatur


- Koehler, J. J., Chia, A. & Lindsey, J. S. (1995). The Random Match Probability (RMP) in DNA Evidence: Irrelevant and Prejudicial? Jurimetrics Journal. 35, 201-219.
- Gerd Gigerenzer: Das Einmaleins der Skepsis – Über den richtigen Umgang mit Zahlen und Risiken. 2002, ISBN 3827000793
- Fluck, Peter, "Anwendung und Auslegung der DNA-Identifizierung", in: NJW 2001, 2292

Siehe auch


- Gen-Datenbank des BKA, National DNA Database
- DNA-Sequenzanalyse
- Polymerase-Kettenreaktion
- Hansjoachim Rosenthal

Weblinks


- [http://www.benecke.com/dna.html benecke.com: Genetic Fingerprints, DNA-Typisierung, genetische Fingerabdrücke, DNA Typing (article collection)]
- [http://www.benecke.com/katrin.html Katrin Thust: Die grundlegende Methode des Genetischen Fingerabdrucks]
- [http://www.wdr.de/themen/forschung/1/dna_analyse/datenschutz.jhtml?rubrikenstyle=forschung Das Recht auf das eigene Erbgut – Die Datenschutz-Debatte zur DNA-Analyse] Artikel bei www.wdr.de
- [http://www.bfd.bund.de/information/DS-Konferenzen/68_69_ent2.html Entschließung der Konferenz der Datenschutzbeauftragten des Bundes und der Länder zur Ausweitung der DNA-Analyse vom 17. Februar 2005]
- [http://www.bioteach.ubc.ca/MolecularBiology/DNAfingerprint/index.htm Christine Antler: A Brief Tour of DNA fingerprinting] (englisch) Kategorie:Identifikationstechnik Kategorie:Genetik Kategorie:Molekularbiologie Kategorie:Datenschutz Kategorie:Statistik Kategorie:Medizinstatistik Kategorie:Gentechnologie Kategorie:bedingte Wahrscheinlichkeit Kategorie:Politisches Schlagwort

Generationsverlust

Beim Anfertigen einer Kopie können Fehler entstehen. Fertigt man von einer Kopie, die schon Fehler hat, erneut eine Kopie an, so pflanzt sich der alte Fehler auf die nächste Kopie(-generation) fort, und es können zusätzlich neue Fehler entstehen. Diese (von der Qualität der Kopie abhängende) zunehmende Verschlechterung von Generation zu Generation nennt man Generationsverlust. Diese Generationsverluste sind insbersondere im Video- und im Audiobereich ein Problem, denn sie treten dort sowohl beim analogen Überspiel auf als auch beim digitalen, sofern dort mit nicht fehlerkorrigierenden Datenübertragungsprotokollen oder mit einer verlustbehafteten digitalen Kompression (=Datenreduktion, siehe auch Audiokompression) gearbeitet wird. Hierbei wird es besonders problematisch, wenn eine durch ein verlustbehaftetes Verfahren komprimierte Datei in ein anderes verlustbehaftetes Format umgewandelt, also transkodiert wird (z.B. eine MP3-Datei in eine AAC-Datei).

Quanteninformation

Unter Quanteninformation versteht man die in quantenmechanischen Systemen vorhandene Information, die nicht mit den Gesetzen der klassischen Informationstheorie beschrieben werden kann. Die Theorie der Quanteninformation liefert die Grundlage für Quantencomputer, Quantenkryptographie und andere Quanteninformationstechnologien. Außerdem besteht die Hoffnung, mit ihrer Hilfe die Quantenmechanik besser zu verstehen.

Grundlagen

Quantenmechanische Systeme haben einige Eigenschaften, die sie grundlegend von klassischen Systemen unterscheiden.
- Verschränkung: Die Verschränkung ist der interessanteste Aspekt der Quanteninformation, sie wurde von Albert Einstein spukhafte Fernwirkung genannt. Für zwei verschränkte Systeme gilt, dass keines der Systeme für sich genommen einen definierten Zustand hat, sondern nur das aus beiden Systemen zusammengesetzte Gesamtsystem. Dies gilt auch dann, wenn die beiden Teilsysteme nicht (mehr) miteinander wechselwirken und beliebig weit voneinander entfernt sind. Verschränkte Zustände sind die Grundlage des EPR-Paradoxons. : Die Verschränkung von Zuständen ist letztlich eine Folge der Anwendung des Superpositionsprinzips auf zusammengesetzte Systeme: Wenn das System 1 im Zustand |Zustand 1a> und das System 2 im Zustand |Zustand 2a> ist, dann ist das kombinierte System im Zustand |System 1 in Zustand 1a und System 2 in Zustand 2a>, oder kurz |1a,2a>. Im Formalismus der Quantenmechanik ist dies ein Produkt der beiden Zustände (nämlich das Tensorprodukt). Analog kann das Gesamtsystem auch im Zustand |1b,2b> sein. Das Superpositionsprinzip fordert nun aber, dass auch a|1a,2a>+b|1b,2b> ein Zustand des Systems ist. Da dieser sich (für a und b ungleich 0) jedoch nicht als Produkt schreiben lässt, kann man den Einzelsystemen keinen eigenständigen Zustand mehr zuschreiben.
- Komplementarität: Für ein Quantensystem sind niemals die Werte aller Observablen gleichzeitig definiert. Ist der Wert einer Observablen exakt definiert, so ist der Wert anderer Observablen völlig unbestimmt. Misst man diese Observable, so ist das Ergebnis rein zufällig. Solche Observablen nennt man komplementär. Zusätzlich gibt es noch Observablen, deren Wert zwar auch nicht festgelegt ist, bei denen jedoch abhängig vom Wert der ersten Observablen die verschiedenen Werte unterschiedlich wahrscheinlich sind. : Wird eine solche Observable gemessen, so wird der Wert der vorherigen Observable entsprechend unbestimmt. Eine wichtige Folge davon ist, dass wir durch Messung eines einzelnen Quantensystems unmöglich den exakten Zustand herausfinden können, in dem es sich vor der Messung befunden hat. : Beispiel: : Für ein Spin-1/2-System kann eine Spinkomponente in beliebiger Raumrichtung gemessen werden. Die möglichen Werte sind stets entweder +\hbar/2 ("Spin up") oder -\hbar/2 ("Spin down"). : Für das Spin-1/2-System sind die Spin-Komponenten in x-, y- und z-Richtung zueinander komplementär. Kennt man den z.B. Spin in z-Richtung, so kann man keinerlei Voraussage über den Spin in x-Richtung machen, beide Ergebnisse sind gleich wahrscheinlich. : Misst man hingegen z.B. in einem Winkel von 60° zur z-Richtung, so erhält man mit Wahrscheinlichkeit 3/4 denselben Wert, den das System vor der Messung in z-Richtung hatte, und mit Wahrscheinlichkeit 1/4 den anderen Wert. : Misst man bei bekanntem Spin in z-Richtung den Spin in x-Richtung, so ist danach der Spin in x-Richtung bekannt, der Spin in der komplementären z-Richtung wird aber durch die Messung unbestimmt. Eine erneute Messung des Spins in z-Richtung wird mit gleicher Wahrscheinlichkeit beide Werte liefern; der vorherige Wert in z-Richtung ist "gelöscht". : Von zwei Observablen, deren Werte gleichzeitig definiert sein können (also das Gegenteil von komplementären Observablen) sagt man, sie vertauschen bzw. kommutieren. Das bezieht sich zwar eigentlich auf eine Eigenschaft der mathematischen Objekte (Operatoren), mit denen sie in der Quantenmechanik beschrieben werden, man kann es aber auch auf die Tatsache beziehen, dass für diese, und nur für diese, die Reihenfolge, in der man sie misst, egal ist, man also die zugehörigen Messungen vertauschen kann. : Zustände, in denen der Wert einer Observablen eindeutig festgelegt ist, nennt man Eigenzustände der Observablen, und den zugehörigen Wert der Observablen Eigenwert.
- Superpositionsprinzip: Sind |Zustand 1> und |Zustand 2> zwei mögliche Zustände eines quantenmechanischen Systems, und sind a und b zwei komplexe Zahlen mit |a|²+|b|²=1, so gibt es einen weiteren möglichen Zustand des Systems, der sich als ::|neuer Zustand> = a|Zustand 1> + b|Zustand 2> :schreiben lässt. Hierbei führt ein gemeinsamer Faktor bei a und b zum selben Zustand, ansonsten gehört zu jedem Paar von a und b ein anderer Zustand. : Falls |Zustand 1> und |Zustand 2> verschiedene Eigenzustände einer Observablen mit unterschiedlichem Eigenwerten w1 und w2 sind (solche Zustände nennt man orthogonal), so ist im Zustand |neuer Zustand> die Wahrscheinlichkeit, bei Messung der Observablen den Wert w1 zu erhalten, gerade |a|², und die Wahrscheinlichkeit, den Wert w2 zu erhalten, |b|². :Beispiel: : Für ein Spin-1/2-System ergeben die Superpositionen der Zustände |Spin up in z-Richtung> und |Spin down in z-Richtung> gerade alle Zustände der Form |Spin up in Richtung n> und |Spin down in Richtung n>, wobei n die Richtung angibt.
- Unitäre Zeitentwicklung: Solange nicht gemessen wird, gehen zueinander orthogonale Zustände immer in orthogonale Zustände über. Außerdem gilt das Prinzip der Wahrscheinlichkeitserhaltung: Die Summe der Wahrscheinlichkeiten einer möglichen Messung muss zu jedem Zeitpunkt 1 ergeben. Aus diesen quantenmechanischen Grundlagen folgen u.a. die folgenden wichtigen Aussagen:
- No-Cloning-Prinzip: Ein unbekannter Quantenzustand kann nicht kopiert werden. Das heißt, es gibt keine Möglichkeit, ein zweites System so zu präparieren, dass es bekanntermaßen denselben Zustand hat wie ein existierendes System in unbekanntem Zustand, ohne dass der ursprüngliche Zustand des Original-Systems zerstört wird. Das heißt, entweder hat das Originalsystem hinterher einen Zustand, der nichts mit dem Originalzustand zu tun hat, oder es befindet sich in einer Verschränkung mit einem anderen System und hat daher als Einzelsystem überhaupt keinen definierten Zustand mehr.
- Das einfachste quantenmechanische System hat genau zwei orthogonale Zustände (eine Messung kann maximal zwei unterschiedliche Ergebnisse haben). Ein solches System nennt man Qubit, und es spielt eine ähnliche Rolle in der Quanteninformation wie das Bit in der klassischen Information.
- In n Qubits lassen sich maximal n klassische Bits speichern und zuverlässig wieder extrahieren. Allerdings ist dabei nicht notwendigerweise jedes klassische Bit in genau einem Qubit gespeichert.

Anwendungen der Quanteninformation

Die besonderen Eigenschaften der Quanteninformation führen dazu, dass sie für einige Anwendungen sehr interessant ist. Die Quantenkryptographie nutzt vor allem das Komplementaritätsprinzip: Wenn der Lauscher nicht weiß, in welcher Basis ein Qubit codiert ist, ist es für ihn praktisch unmöglich, dieses auszulesen. Zudem wird durch seinen Lauschversuch die Information zerstört, so dass unbemerktes Lauschen nicht möglich ist. Zudem geben Quantensysteme gute Zufallszahlengeneratoren für die Generierung von Schlüsseln für klassische Verfahren. In Quantencomputern werden vor allem das Superpositionsprinzip und die Verschränkung verwendet, um effizienter zu rechnen ("Quantenparallelität").

Über die Menge der Information

Klassisch wird die Informationsmenge in Bit angegeben. In vielerlei Hinsicht äquivalent dazu ist in der Quanteninformation das Qubit. Jedoch ist die Frage, wieviel Information ein Qubit enthält, nicht letztgültig geklärt. Während ein klassisches Bit sozusagen 'eindimensional' ist, also nur eine Ja-Nein-Alternative, ist das Qubit 'dreidimensional'. Am einfachsten ist das bei Spin-1/2-Systemen zu sehen, bei denen die Superpositionen direkt den Raumrichtungen entsprechen, in denen das Ergebnis einer Spinmessung festliegt, es gilt aber für jedes Qubit. So kann z.B ein Photon # linkszirkular oder rechtszirkular, # horizontal oder vertikal und # 45° oder -45° polarisiert sein. Diese drei Polarisationen bilden, wie die drei zueinander senkrechten Spinkomponenten des Spin-1/2-Teilchens, drei jeweils zueinander komplementäre Observable. Entsprechend sind beim Photon auch alle Überlagerungen dieser Zustände möglich. Ein Photon kann nicht nur links- oder rechtszirkular polarisiert sein, sondern auch zu 90% linkszirkular und zu 10% rechtszirkular (elliptische Polarisation). Das heißt: Von vielen Photonen, die so polarisiert sind, erscheinen bei einer Messung der zirkularen Polarisation 90% linkszirkular polarisiert. Vor der Messung trägt aber jedes einzelne Photon die Eigenschaft der Überlagerung (siehe Schrödingers Katze). Um den Zustand eines Photons exakt anzugeben, reicht also ein Bit, also eine Wahl zwischen 1 und 0, nicht aus. Vielmehr müssen beide Anteile angegeben werden, was einer reellen Zahl, also unendlich vielen Bits entspricht. Um ein Photon exakt nach Vorschrift zu präparieren, ist unendlich viel klassische Information nötig. Diese Beobachtungen legen nahe, dass ein Qubit unendlich viel Information enthält. Andererseits ist es völlig unmöglich, diese Information aus einem einzelnen Photon wieder herauszukriegen. Denn wenn in einer Richtung die Polarisation bestimmt wird, wird gleichzeitig der Zustand des Photons zerstört, so dass keine Aussage über die ursprüngliche Wahrscheinlichkeitsverteilung gemacht werden kann. Bei der Messung des Photons erhält man also immer genau ein klassisches Bit Information. Zudem gibt es für unverschränkte Qubits immer genau eine (wenngleich bei Unkenntnis des Zustands unbekannte) Observable (z.B. beim Spin-1/2-Teilchen: eine Messrichtung für den Spin), deren Ergebnis durch den Zustand vollständig festgelegt wird; für die dazu komplementären Observablen (Spin-1/2: für die dazu senkrechten Messrichtungen) ist dann das Ergebnis der Messung völlig unbestimmt, der Zustand des Qubits enthält also keinerlei Information darüber, welches Ergebnis die Messung dieser Observablem ergeben wird. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Information eines Qubits gerade ein klassisches Bit beträgt. Der Begriff der Information hängt eng mit den Begriffen Entropie, Energie und Temperatur zusammen und scheint in der Physik ähnlich fundamental zu sein.

Weblinks


- Deutschsprachige Skripte zur Quanteninformationstheorie (pdf): [http://www.itp.uni-hannover.de/tqowww/download/QIT1998.pdf], [http://www.itp.uni-hannover.de/tqowww/download/QIT2001.pdf] Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Quanteninformatik

Quantenkryptographie

Quantenkryptografie ist eine Methode zum sicheren Schlüsselaustausch zwischen zwei Kommunikationspartnern. Es ist damit kein kryptographisches Verfahren im klassischen Sinne. Vielmehr dient es dazu, Zufallszahlen von einer Station zu einer anderen zu übertragen. Diese Zufallszahlen können dann zur Verschlüsselung von einer Nachricht verwendet werden (beispielsweise im One-Time-Pad-Verfahren). Wegen dieser Eigenschaft wäre es eigentlich korrekter, von einer quantenmechanischen Schlüsselverteilung (englisch "quantum key distribution") zu sprechen. Allerdings hat sich der Name Quantenkryptographie für derartige Verfahren inzwischen etabliert.

Theorie

Die Quantenkryptografie beruht auf der Verschränkung von Photonen und dem statistischen Charakter der Quantenmechanik. Wenn der Sender nur ein einziges Photon mit einer bestimmten Polarisation auf die Reise schickt, dann kann der Empfänger diese Information empfangen. Es ist aber auf Grund der Quantenmechanik nicht möglich, dieses eine Photon in der Polarisation, in der es ausgesandt wurde, zu kopieren (man spricht in diesem Zusammenhang dann von "Klonen"). Daher kann ein Angreifer die Verbindung nicht unbemerkt abhören, dies hängt mit den Prinzipien der Quantenmechanik zusammen. Ein Verfahren zur Übertragung der Schlüssel in der Quantenkryptografie heißt BB84, da es 1984 von Charles Bennett und Gilles Brassard veröffentlicht wurde. Mittlerweile gibt es andere wichtige Verfahren, die auch immer weiter entwickelt werden. Grundsätzlich gibt es verschiedene Verfahren bei der Quantenkryptografie, unter anderem:
- Eine Quelle verschickt polarisierte Photonen und die andere Seite empfängt sie.
- Eine Quelle erzeugt verschränkte Photonenpaare und schickt je ein Photon jedes Paares an die beiden Krypographieteilnehmer. Die Position der Quelle dabei ist unerheblich - sie kann sowohl genau zwischen den Teilnehmern platziert werden, als auch in eine der beiden Empfangstationen integriert sein.

Vorgehen

Angenommen, Alice will Bob mithilfe der Quantenkryptographie einen Schlüssel schicken. Sie verwendet dabei z.B. Photonen. Und sowohl Alice als auch Bob messen deren Polarisation. Die Polarisation kann zum einen mit einem Filter gemessen werden. Dieser Filter agiert wie ein Gitter:
- Photonen können horizontal oder vertikal polarisiert sein (+). Ein horizontal polarisiertes Photon wird durch einen vertikalen Filter nicht durchgelassen, durch einen horizontalen Filter allerdings schon.
- Außerdem können Photonen verschiedenartig diagonal polarisiert sein (×). Dies ist messbar, indem der Filter einfach um 45° gedreht wird. Nun gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder sie arbeiten mit ganz normalen Photonen oder mit verschränkten Photonen. Zuerst nehmen wir an, dass die Photonen nicht verschränkt sind:

"normale" Photonen

Der Austausch eines zufälligen Bits passiert nun in der Quantenkryptographie wie folgt:
- Alice erzeugt ein Photon
- Alice misst die Polarisation des Photons. Sie verwendet dabei zufällig entweder die Polarisationsrichtungen + oder ×
- Alice überträgt das Photon zu Bob
- Bob misst die Polarisation des empfangenen Photons. Er verwendet dabei ebenfalls zufällig entweder die Polarisationsrichtungen + oder × Nun können Alice und Bob die geheime Zufallszahl errechnen. Dazu weisen sie den möglichen Polarisationen unterschiedliche Bitwerte zu: zum Beispiel 0 für horizontale Polarisation oder Polarisation von links oben nach rechts unten, 1 für vertikale Polarisation oder Polarisation von rechts oben nach links unten. Die Codierung kann über einen (unsicheren) öffentlichen Kanal ausgetauscht werden. Alice und Bob tauschen nun über den öffentlichen Kanal aus, auf welche Art sie die Polarisation gemessen haben. Alice kann nun entscheiden, welche zugehörigen Ergebnisse von Bob korrekt sind und teilt diesem mit, welche Messergebnisse er für den Schlüssel verwenden darf. Nur deren Nummer, nicht den am Ende gemessenen Wert. Im Mittel kann Bob nur 25% aller Werte behalten. Die Zufallszahlen sind nun ausgetauscht, es ist jedoch nicht sicher, ob die Kommunikation nicht abgehört wurde. Um dies zu überprüfen, tauschen Alice und Bob über den öffentlichen Kanal eine beliebige Anzahl von den soeben errechneten Zufallsbits aus. Sie geben dazu dessen Position und dessen Wert an: "Das 642. Bit hat den Wert 1". Nach dem Austausch steht das entsprechende Bit für die Verschlüsselung nicht mehr zur Verfügung - man hat es ja schon verraten - und muss gelöscht werden. Wird die Kommunikation nicht belauscht, so sollten alle ausgetauschten Bits übereinstimmen. Hat allerdings Eve die Kommunikation zwischen Alice und Bob abgehört, so musste sie sich beim Abhören ebenfalls entscheiden, ob sie die schräge oder die gerade Polarisation misst. I