Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biophysik - Turbulente Bakterien

25.11.2015

Bakterienkulturen in Flüssigkeiten zeigen komplexe Bewegungsmuster mit einem hohen Grad an Selbstorganisation, die Turbulenzen ähneln. Zur deren Beschreibung müssen die bisherigen mathematischen Modelle zur Turbulenz erweitert werden.

Turbulenzen und Verwirbelungen gibt es nicht nur in der Luft oder in Flüssen: Auch Bakterien erzeugen kollektive Bewegungsmuster, die turbulenten Strömungen ähneln, wenn sie in genügend großer Zahl frei in Flüssigkeiten schwimmen.


Kollektive Bewegungsmuster: Bakterien in einer Suspension. Foto: Madeleine Opitz

Ein Team aus München und Kalifornien, bestehend aus Dr. Vasil Bratanov, Professor Frank Jenko und Professor Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik an der LMU, hat nun das Strömungsverhalten derartiger lebender Systeme untersucht und zeigt, dass es sich um eine neue Klasse turbulenter Strömungen mit einem hohen Grad an Selbstorganisation handelt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS.

Turbulenz ist ein fundamentales und in der Natur weit verbreitetes Phänomen, dessen theoretische Beschreibung eine der größten Herausforderungen der modernen Physik ist.

Eine Kenngröße für das Auftreten von Turbulenzen ist die Reynoldszahl, die das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften angibt. „Normalerweise treten Turbulenzen bei hohen Reynoldszahlen auf“, erklärt Frey. „Bakteriensuspensionen haben eine sehr niedrige Reynoldszahl, aber überraschenderweise zeigen sie trotzdem wirbelige Muster, die turbulenten Strömungen ähneln“.

Selbstantrieb ändert alles

Möglich ist dies, weil die bakterielle Suspension einen inneren Antrieb hat: Die Bakterien bewegen sich mithilfe von Geißeln fort, die von zellulären molekularen Motoren bewegt werden. „Dieser innere Antrieb ändert alles“, sagt Frey.

„Dadurch entsteht eine neue Klasse von Turbulenz, bei der die Energiezufuhr auf der Ebene einzelner Teilchen lokal innerhalb der Suspension erfolgt.“ Im Gegensatz dazu entstehen „normale“ Turbulenzen, wenn Energie zunächst großskalig zugeführt wird und sich dann auf immer kleineren Skalen auswirkt – etwa wenn Wind die Meeresoberfläche in Bewegung bringt und Wellen entstehen.

Solche klassischen Turbulenzen lassen sich mathematisch mit der sogenannten Navier-Stokes-Gleichung beschreiben. Für die neuen Turbulenzen reicht diese Gleichung allerdings nicht aus: Hier spielen die biologischen Eigenschaften der Bakterien eine Rolle, die die Stärke des inneren Antriebs beeinflussen.

„Dieses neue System ist viel reichhaltiger als das klassische Konzept, da die Instabilität durch den inneren Antrieb in die mathematische Beschreibung eingehen muss“, sagt Frey. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass eine erweiterte Navier-Stokes-Gleichung zur Beschreibung bakteriellen Bewegungen in der Suspension zu neuartigen turbulenten Zuständen führt.

„Damit haben wir eine Methode entwickelt, die auf zahlreiche Systeme anwendbar ist, die dadurch charakterisiert sind, dass die einzelnen Teilchen sich durch einen Selbstantrieb bewegen“, sagt Frey. „Dies kann das Verständnis der Physik aktiv getriebener Systeme entscheidend voranbringen.“

Publikation:
New class of turbulence in active fluids
Vasil Bratanov, Frank Jenko, and Erwin Frey
PNAS 2015
http://www.pnas.org/content/early/2015/11/20/1509304112

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik der LMU
E-Mail: frey@lmu.de

Luise Dirscherl | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscherteam der Universität Bremen untersucht Korallenbleiche
24.04.2017 | Universität Bremen

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

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: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung