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 Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie