Amöbe, grüß mir die Sonne

Veröffentlichung in Nature Communications

19.09.2014 – Den Weg zum Licht zu finden ist für viele schwimmende Mikroorganismen überlebenswichtig, aber keinesfalls trivial. Ihnen fehlt oft ein entsprechendes Sensorium. Theoretische Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben zusammen mit Kollegen aus Stuttgart, Edinburgh und Honolulu ein physikalisches Prinzip gefunden, das ihnen dabei helfen kann. Der Schlüssel ist ein asymmetrischer Aufbau des Körpers.

Jedem Badenden ist klar: Verlässt man das Nichtschwimmerbecken, muss man sich schwimmend über Wasser halten, sonst zieht einen die Schwerkraft in die Tiefe. Dies gilt für den Schwimmer, es gilt aber auch für alle Mikroorganismen, die im Wasser leben. Diese müssen den Weg nach oben finden, denn in Oberflächennähe finden sich Nährstoffe, die Tiefe dagegen ist lebensfeindlich.

Hier endet allerdings die Analogie. Denn für einen schwimmenden Menschen einerseits und einen schwimmenden Einzeller andererseits verhält sich das Medium Wasser sehr unterschiedlich: Während ein makroskopisches Wesen leicht durch das Wasser gleitet, setzt das Wasser dem Mikroorganismus einen hohen Widerstand entgegen. Die physikalischen Gesetze für die ‚Mikroschwimmer‘ sind sehr speziell. „Es ist, als ob wir durch Honig schwimmen müssten“, verdeutlicht Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf die Verhältnisse.

Die Düsseldorfer Physiker haben zusammen mit Kollegen aus Stuttgart, Edinburgh und Honolulu das Schwimmverhalten von Mikroschwimmern untersucht. Es ging auch darum zu erforschen, wie sich solche Lebewesen im Wasser orientieren und wie sie gegen den Einfluss der Schwerkraft arbeiten.

Haben sich die Physiker nun ein Becken mit allerlei schwimmendem Getier gehalten? Prof. Löwen lacht: „Nein, wir haben uns nicht als Biologen versucht. In Düsseldorf hat der Doktorand Borge ten Hagen die Tierchen mithilfe physikalischer Gleichungen auf dem Papier beschrieben und am Computer simuliert. Die experimentell tätigen Stuttgarter Kollegen um Clemens Bechinger haben aus Kunststoff einfache, L-förmige Modelle gebaut.“ Diese unsymmetrische L-Form gibt gut die Form eines Mikroschwimmers wie einer Amöbe oder eines Pantoffeltierchens wieder.

Das verblüffende Ergebnis: Die unsymmetrische Form der Teilchen führt automatisch zum Schwimmen gegen den Zug. Das bedeutet, dass das Teilchen die Richtung der Schwerkraft gar nicht wahrnehmen muss, sondern sich durch seine eigene Schwimmbewegung automatisch dagegen bewegt.

„Unsere Untersuchungen an künstlichen Mikroschwimmern legen nicht nur die physikalischen Gesetzmäßigkeiten für das Schwimmen im Mikrokosmos offen. Sie sind möglicherweise auch wichtige Strategien für schwimmende Einzeller“, so Prof. Löwen. Für solche kleinen Lebewesen ist es schwierig, oben und unten mit einem Sensor zu unterscheiden. Eine asymmetrische Form führt aber beim Schwimmen automatisch in die richtige Richtung – in Richtung Sonne.

Originalpublikation

B. ten Hagen, F. Kümmel, R. Wittkowski, D. Takagi, H. Löwen, C. Bechinger, „Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles, Nature Communications 5:4829, 2014

Online:

DOI: 10.1038/ncomms5829 (http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5829)

Kontakt

Prof. Dr. Hartmut Löwen
Institut für Theoretische Physik II
Tel.: 0211/81-11377
E-Mail: hlowen@thphy.uni-duesseldorf.de

Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Kommunikation

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Tel.:   49 211 81-10896
Fax:   49 211 81-15279
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