Wie sich Paramecium-Protozoen den Weg nach oben bahnen

Wie sich Paramecium-Protozoen den Weg nach oben bahnen
Anonim

von der Max-Planck-Gesellschaft

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Die Fähigkeit, nach oben zu schwimmen - in Richtung Sonne und Nahrungsvorräte - ist für viele aquatische Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung. Wie sie in oft trüben Gewässern genau zwischen oben und unten unterscheiden können, ist bis heute nicht bekannt. Ein äußerst einfacher physikalischer Trick, der das selbstorganisierte Ausbalancieren zweier Kräfte beinhaltet, könnte eine zuverlässige und effektive Erklärung für dieses Phänomen liefern. Dies hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Clemens Bechinger vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Universität Stuttgart gezeigt. Ihre Entdeckung liefert nicht nur eine plausible und elegante Erklärung für dieses natürliche Verhalten namens Gravitaxis, sondern könnte auch dazu verwendet werden, in Zukunft die selbstorganisierte Steuerung schwimmender Mikroroboter-Schwärme zu ermöglichen.

Das Leben ist schwer für kleine Organismen - zumindest wenn es ums Schwimmen geht. Der Stuttgarter Physiker und Max-Planck-Kollege Clemens Bechinger erinnert sich an das Baden in einem Steinbruch im Sommer: "Wenn Sie ein kräftiges Brustschwimmen ausführen und dann die Arme an Ihre Seite legen", sagt der Professor, "bewegen Sie sich ein paar Meter vorwärts Wasser." Unser relativ massiver Körper wird durch das Wasser, das wir als flüssiges Medium erleben, nur geringfügig abgebremst. Für Mikroorganismen ist Wasser jedoch viskos wie Honig. Neben der Entwicklung einer angepassten Schwimmtechnik müssen viele Mikroschwimmer eine zweite Herausforderung in ihrer - oft trüben - aquatischen Umgebung bewältigen: Sie müssen in der Lage sein, sicher an die Wasseroberfläche zu gelangen. Wie genau dies gelingt, erforscht Bechinger im Rahmen einer internationalen Kooperation.

Die Fähigkeit, sich in die richtige Richtung zu bewegen, ist für viele Wasserorganismen überlebenswichtig. Tiefere Zonen können aufgrund des Sauerstoffmangels tödlich sein - und die Reise an die Oberfläche verspricht beispielsweise Nahrung und Licht für die Photosynthese. Im Gegensatz zu Fischen mit Schwimmblase sind kleinere Schwimmer oft schwerer als Wasser und laufen Gefahr, auf den Grund zu sinken. Das Vermeiden dieser "Sedimentation" ist für viele Bakterien ebenso wichtig wie für größere einzellige Organismen, z. B. Mikroalgen oder, vielen aus dem Biologieunterricht bekannt, Paramecia. Der Fachbegriff für dieses Verhalten ist "negative Gravitaxis", die als gerichtete Bewegung gegen die Schwerkraft bezeichnet werden kann. Es bleibt jedoch die Frage, wie diese mikroskopisch kleinen Schwimmer ihren Weg nach oben finden. Bechinger erklärt, dass einige Wissenschaftler über die Existenz von Rezeptoren spekulieren, die die winzigen Schwimmer auf der Grundlage der Verringerung des Wasserdrucks an die Oberfläche lenken. Die Änderung des Wasserdrucks entlang der mikroskopischen Körperlänge solcher Organismen ist jedoch minimal. Daher bleibt die Frage offen, ob ein derartiger relativ komplexer Mechanismus tatsächlich existiert.

Die asymmetrische Birnenform bewirkte eine Orientierung nach oben

Rein physikalische Lösungen sind viel einfacher und eleganter. Diese Art von Lösung wird zum Beispiel von einzelligen Grünalgen der Gattung Chlamydomonas verwendet. Ein Teil dieser Organismen ist etwas schwerer als der Rest, so dass dieses Ende immer nach unten zeigt und somit für eine stabile Positionierung sorgt - ähnlich einer Boje. Wenn an diesem Ende des Organismus ein Flagellum angebracht ist, treibt es ihn automatisch nach oben.

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Es gibt jedoch eine große Anzahl von Mikroschimmern, bei denen das Vorhandensein eines solchen Bojeneffekts ausgeschlossen werden kann; Trotzdem haben sie keine Probleme, nach oben zu schwimmen. Die an dem Kooperationsprojekt beteiligten Physiker glauben, dass die Körperform dieser Organismen bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielt. Paramecia sehen zum Beispiel aus wie längliche Birnen. Die Wissenschaftler vermuteten, dass diese asymmetrische Form eine stabile Aufwärtsorientierung gewährleisten könnte.

Um dieses Phänomen im Detail untersuchen zu können, entwickelten die Forscher ein Experiment mit L-förmigen Modellkörpern aus einem Kunststoff, der schwerer als Wasser ist. Gegenüber lebenden Organismen hatte dieses Modell den Vorteil, dass die Wissenschaftler die Form und das Gewicht des Körpers bis ins kleinste Detail kontrollieren konnten. Die verwendete L-Form hatte einen sechs Mikrometer langen Arm (Millionstel eines Meters) und einen zweiten neun Mikrometer langen Arm. Die Forscher entschieden sich für diese Form, da sie eine maximale Asymmetrie in zwei Dimensionen bietet - also in der Ebene. Sie stellten ihre Schwimmer nach einem ähnlichen Verfahren her wie die Halbleiterindustrie zur Herstellung von Mikrochips.

Schwerkraft und Reibung wirken auf L-förmige Mikroschwimmer gegeneinander

Die Stuttgarter Wissenschaftler entwickelten eine geniale Lösung für den Antriebsmechanismus. Sie beschichteten die Vorderseite des kurzen Arms mit einer Goldschicht, die so dünn war, dass sie das Gewicht dieses Endes des Schwimmers nur unwesentlich erhöhte. Auf diese Weise schlossen sie die Möglichkeit des Bojeneffekts aus. Die Physiker fokussierten dann einen Laserstrahl mit einer bestimmten Wellenlänge auf die Goldschicht. Die dortige Flüssigkeit erwärmte sich und erzeugte am unteren Ende des L eine Antriebskraft.

Tatsächlich haben die Versuche gezeigt, dass die L-Form ein stabiles Schwimmen in Aufwärtsrichtung gewährleistet. Trotz der Komplexität des Forschermodells liefert es eine leicht verständliche Erklärung für das Verhalten der Mikroschimmer. Sobald die Forscher den Antriebsmechanismus "aktivierten", wirkte seine Kraft unterhalb der Mitte des kurzen L-Arms.

Der Doktorand ten Hagen, der zusammen mit seinem Vorgesetzten, Professor Hartmut Löwen, die Computersimulation an der Universität Düsseldorf durchführte, erklärt, wie dies funktioniert: "Dadurch dreht sich das L in Richtung des langen Arms." Der Grund dafür ist, dass die Schwerkraft das L, das durch die Antriebskraft wie eine Bleistiftspitze fein ausgeglichen wird, auf die schwere Seite lenken möchte. Die aus dieser Drehung gegen den Uhrzeigersinn resultierende Bewegung wirkt jedoch einer zweiten Kraft entgegen, der Reibungskraft des von oben fließenden Wassers. Diese Kraft möchte das L im Uhrzeigersinn drehen, da sein kürzerer Unterarm wie eine im Strom aufrecht stehende Bremse wirkt. "Es wäre wie ein sich bewegendes Ruderboot mit einer Linkskurve", sagt Bechinger. "Dem begegne ich, indem ich das rechte Ruder eintauche."

Ein selbstorganisierendes Steuerungssystem für Mikroroboter

Wenn die Aufstiegsgeschwindigkeit stimmt, steigen die beiden entgegenwirkenden "Drehmomente" gerade an und die L-Form schwimmt stabil gegen die Schwerkraft nach oben. Wie die Forscher herausfanden, ist der Geschwindigkeitsbereich, in dem dieser Effekt wirkt, relativ groß. "Der Effekt ist also robust", sagt Bechinger. Die Bewegung wird erst oberhalb einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit instabil und die Schwimmer fallen auf einer spiralförmigen Bahn nach unten. Die theoretischen Berechnungen, an denen ein Physiker der Universität Edinburgh und ein Strömungsmathematiker aus Honolulu mit den beiden Physikern der Universität Düsseldorf zusammenarbeiteten, stimmten voll mit den Experimenten überein.

Die Wirkung ist vor allem deshalb universell, weil sie rein physikalisch ist. Sie gilt für alle Mikroschwimmer, deren Körperform von einer Kugelform abweicht. "Die Asymmetrie sichert die Aufwärtsbewegung", betont Felix Kümmel, Doktorand in Stuttgart, der an dem Projekt arbeitet: "Wissenschaftler hatten bereits über einen solchen Mechanismus spekuliert, aber unsere Experimente allein zeigen, dass es tatsächlich funktioniert." Dieser selbstorganisierende Effekt ist aus anderen Gründen für die Forscher von Interesse, da er als einfache Methode zur Steuerung der Bewegung von Mikroroboterschwärmen herangezogen werden könnte. Solche Systeme werden derzeit intensiv getestet. Sie können beispielsweise für die gezielte Abgabe von Arzneimitteln im Körper und die Reinigung von Gewässern eines Tages verwendet werden.