Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chaos im Herzen

30.01.2003


Wissenschaftler vom Berliner Fritz-Haber-Institut und der Universität Barcelona haben entdeckt, dass chaotisches Verhalten in chemischen Reaktionen oder bei Herzkammerflimmern gezielt beeinflusst und unterdrückt werden kann


Abb.: Simulation der chaotischen Wellenmuster in einem drei-dimensionalen erregbaren Medium (Visualisierung mit Hilfe der Amira-Software, R. Kaehler, Zuse-Institut Berlin und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Golm)
Foto: Fritz-Haber-Institut und Konrad-Zuse-Institut Berlin



Beim gesunden Menschen schlägt das Herz mit gleichmäßigem Rhythmus. Den Takt dazu gibt das Herz selbst in Form elektrischer Impulse vor, die sich als Wellen im Herzmuskel ausbreiten und seine regelmäßige Kontraktion auslösen. Manchmal können im Herz jedoch auch völlig unregelmäßige Erregungsmuster auftreten, die das gefürchtete Herzkammerflimmern auslösen und mathematisch als Chaos verstanden werden können. Ähnliche chaotische Wellenmuster treten auch in chemischen Reaktionen auf. A.S. Mikhailov vom Fritz-Haber-Institut in Berlin hat jetzt gemeinsam mit spanischen Wissenschaftlern entdeckt, dass man chaotisches Verhalten gezielt unterdrücken kann, indem man die Erregbarkeit solcher Systeme schwach periodisch moduliert. Gelingt dies am Herzen, kann diese Entdeckung auch zu neuen Methoden für die Behandlung von Herzflimmern führen.



Jede Sekunde entsteht im gesunden Herz eine elektrische Erregungswelle, die das ganze Herz durchläuft und seine Kontraktion erzwingt. Manchmal aber bricht solch ein geordneter Ausbreitungsprozess zusammen. Dann wird das Herz vielen irregulären Erregungswellen ausgesetzt, die normalen physiologischen Kontraktionen verschwinden und das gefährliche Herzkammerflimmern (Fibrillation) setzt ein. Wenn der Betroffene nicht rasch behandelt wird, ist der Herztod unvermeidbar.

Aus mathematischer Sicht kann man das Herzflimmern als eine besondere Form von Wellenchaos betrachten. Ein ähnliches Chaos tritt auch in chemischen erregbaren Medien, wie z.B. in der berühmten Belousov-Zhabotinsky-Reaktion, auf. Die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion ist eine oszillierende chemische Reaktion, die ihren Zustand rhythmisch ändert, was man zum Beispiel an einem periodischen Farbwechsel erkennen kann. Bei experimentellen Untersuchungen dieser Reaktion hatte der amerikanische Wissenschaftler Arthur Winfree bereits 1973 so genannte rotierende Scroll-Wellen entdeckt. Eine Scroll-Welle sieht in ihrem transversalen Querschnitt wie eine Spirale aus. Solche Spiralen sind übereinander gestapelt, so dass sich eine aufgerollte Struktur bildet, die man sich am einfachsten an Hand eines lose aufgerollten Papierblatts vorstellen kann. Die Wellen in dieser Struktur rotieren um einen zentralen Faden, der gerade oder gekrümmt ist, aber auch Schleifen und Ringe bilden kann. Später sagte Winfree voraus, dass sich durch eine ungeordnete Dynamik solcher Fäden ein Chaos in dreidimensionalen erregbaren Medien entwickeln kann. Seiner Meinung nach könnte sich die Entstehung von Kammerflimmern sowie der plötzliche Herztod oft durch solche chaotischen Prozesse erklären lassen.

Die gemeinsamen Untersuchungen von Alexander S. Mikhailov von der Abteilung Physikalische Chemie des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und Sergio Alonso sowie Francisco Sagues von der Universität Barcelona haben nun ergeben, dass das Chaos von Scroll-Wellen tatsächlich ein typisches Phänomen ist, dass auch in ganz allgemeinen Modellen erregbarer Medien beobachtet werden kann. Die Abbildung zeigt ein Beispiel solcher chaotischer Wellenmuster.

Bereits im Jahr 2001 war es Mikhailov gemeinsam mit Kollegen am Fritz-Haber-Institut gelungen, chaotische Strukturen in einer chemischen Reaktion zu beobachten und sogar zu steuern [1]. In der neuen Veröffentlichung in "Science" haben die Wissenschaftler jetzt bewiesen, dass das Chaos von Scrollwellen generell durch schwache periodische Modulation von Parametern, die die Erregungsschwelle des Mediums bestimmen, gezielt gesteuert und damit sowohl unterdrückt als auch induziert werden kann. Diese Entdeckung, die nunmehr in abstrakten mathematischen Modellen verifiziert ist, kann in Zukunft zu neuen Methoden für die Unterdrückung des Herzkammerflimmerns und zur Behandlung spezieller Herzkrankheiten führen.

Originalveroffentlichung:
Sergio Alonso, Francesco Sagues, Alexander S. Mikhailov
"Taming Winfree Turbulence of Scroll Waves in Excitable Media" Science, 30 January 2003


Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Alexander S. Mikhailov
Complex Systems Research Group
Department of Physical Chemistry
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Faradayweg 4-6
14195 Berlin
Tel.: 030 8413 - 5122
Fax: 030 8413 - 5106
E-Mail: mikhailov@fhi-berlin.mpg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/pri01/pri0131.htm
http://www.mpg.de/pri03/pri0309.pdf
http://www.fhi-berlin.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Herzkammerflimmern Kontraktion Scroll-Wellen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Einblick ins geschlossene Enzym
26.06.2017 | Universität Konstanz

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie