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Forschung

Der Schwimmtyp ist entscheidend

Freitag, 16. Mai 2014

Physiker weisen auf der Mikroebene nach, wodurch die kollektive Bewegung bestimmt wird

Lupe

Vögel und Fische bewegen sich in Schwärmen, Menschen zuweilen in Strömen, und auch Mikroorganismen wie Bakterien oder Algen bilden in wässriger Lösung charakteristische Bewegungsmuster aus. Nach welchen Regeln die Bewegung in solchen Formationen erfolgt, kann die Wissenschaft jedoch noch immer nicht vollständig beschreiben.

Prof. Dr. Holger Stark, Leiter der Arbeitsgruppe Statistische Physik weicher Materie und biologischer Systeme (im Bild links), und seinem Mitarbeiter Dr. Andreas Zöttl (rechts) ist es nun in einer wegweisenden Arbeit gelungen, zu erklären, dass die Art und Weise der Schwimmbewegung und somit der Schwimmtyp des einzelnen Mikroorganismus die kollektive Bewegung bestimmen. Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters, dem führenden Physikjournal, publiziert.

Bakterien sind sogenannte Schubschwimmer. „Mit Hilfe rotierender Geißeln, sogenannter Flagellen, die sich an der Rückseite des Zellkörpers befinden, bewegen sie sich vorwärts. Wie ein Korkenzieher drücken sie sich mit den Geißeln durch die Flüssigkeit“, erläutert Holger Stark. Bei der Chlamydomonas-Alge dagegen befinden sich die Flagellen an der Vorderseite des Zellkörpers. Die Flagellen vollführen eine dem Brustschwimmer ähnliche Bewegung, sodass sich die Alge durch die Flüssigkeit zieht. Andere Mikroorganismen wiederum wie die Pantoffeltierchen, deren Zellkörper mit Tausenden von feinen Härchen bedeckt sind, bewegen sich durch das synchrone Schlagmuster der Härchen. Diese Mikroorganismen nennt man deshalb auch „neutrale Schwimmer“.

„Um den Einfluss der Schwimmweise des einzelnen Mikroorganismus auf die kollektive Bewegung besser zu verstehen, verwendet man in der aktuellen Forschung künstliche Mikroschwimmer, wie zum Beispiel kugelförmige aktive Teilchen, die diese Bewegungen kopieren“, sagt Holger Stark. Er und Andreas Zöttl haben mit solchen kugelförmigen Modellschwimmern deren Verhalten untersucht. Dafür haben sie die Mikroschwimmer per Computersimulation zwischen zwei Platten „eingesperrt“.

Die Wissenschaftler konnten so zeigen, wie sich die Mikroschwimmer durch eine Flüssigkeit bewegen und dass die dadurch erzeugten verschiedenen Strömungsfelder sich unterschiedlich auf das kollektive Verhalten der Mikroschwimmer auswirken. „Die Ursache dafür ist in den unterschiedlichen hydrodynamischen Wechselwirkungen sowohl zwischen den Schwimmern als auch zwischen den Schwimmern und den begrenzenden Wänden der Platten begründet“, erläutert Andreas Zöttl. Neutrale Schwimmer separieren sich ab einer bestimmten Dichte in zwei Phasen – in eine „Gasphase“ und eine „feste Phase“. Dort häufen sich die Schwimmer zu hexagonalen Strukturen an und formen einen „aktiven Kristall“. Schubschwimmer wiederum bilden diese Anhäufungen nicht. Sie verhalten sich ähnlich wie passive Teilchen ohne anziehende Kräfte und verbleiben bis zu hohen Dichten in der Gasphase. Zugschwimmer können zwar kurzzeitig kleine hexagonale Strukturen bilden, aber zu langlebigen kollektiven Anhäufungen kommt es auch bei ihnen nicht.

sn "TU intern" Mai 2014

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