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Das Pantoffeltierchen will nach oben

19.09.2014

Dank ihrer asymmetrischen Form schwimmen manche Mikroorganismen von selbst zur Wasseroberfläche

Hinauf zur Sonne, zum Futter: Für viele im Wasser lebende Mikroorganismen ist es lebenswichtig, gezielt nach oben schwimmen zu können. Wie sie aber im oft trüben Nass oben und unten unterscheiden können, ist bei einigen Organismen bis heute nicht verstanden. Zuverlässig funktionieren würde ein verblüffend einfacher physikalischer Trick, bei dem es zum selbstorganisierten Ausgleich zweier Kräfte kommt. Das hat nun eine internationale Kooperation um Clemens Bechinger vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Universität in Stuttgart gezeigt. Ihre Entdeckung liefert nicht allein eine elegante, mögliche Erklärung des natürlichen Verhaltens, das Gravitaxis genannt wird. Damit ließen sich in Zukunft auch schwimmende Mikroroboterschwärme selbstorganisiert steuern.


Wie manche Organismen im Wasser den überlebenswichtigen Weg nach oben finden – hier symbolisch von unten dargestellt –, war bislang ein Rätsel. Wie ein internationales Forscherteam jetzt herausgefunden hat, könnte allein ihre asymmetrische Form die Einzeller befähigen, stabil nach oben zu schwimmen.

© Roland Wengenmayr


Gleichgewicht der Kräfte: Da der Schwerpunkt des L-förmigen Schwimmkörpers nach links zum massigen langen Arm hin verschoben ist, will die Schwerkraft ihn in diese Richtung drehen (rot). Dieser Drehung gegen den Uhrzeigersinn wirkt aber bei eingeschaltetem Antrieb (grün) die Reibungskraft des Wassers entgegen: Sie will den Schwimmkörper im Uhrzeigersinn drehen (blau). Bei passender Schwimmgeschwindigkeit heben sich beide Drehmomente gerade auf. Der Mikroschwimmer ist stabil nach oben ausgerichtet.

© Roland Wengenmayr

Wer klein ist, hat es schwer, zumindest wenn es ums Schwimmen geht. Der Stuttgarter Physiker und Max-Planck-Fellow Clemens Bechinger erinnert an das sommerliche Bad im Baggersee. „Macht man einen kräftigen Brustschwimmzug und legt danach die Hände an“, sagt der Professor, „dann gleitet man im Wasser einige Meter weiter.“ Unser relativ massiger Körper wird vom Wasser nur langsam abgebremst, wir erleben es als dünnflüssig. Für Mikroorganismen ist Wasser aber zäh wie Honig. Neben einer daran angepassten Schwimmtechnik müssen viele Mikroschwimmer in ihrer – oft trüben – Umwelt noch eine zweite Herausforderung bewältigen: Sie müssen sicher den Weg nach oben finden. Wie ihnen das gelingt, erforscht Bechinger in einer internationalen Kooperation.

Die richtige Orientierung ist für viele Organismen eine Überlebensfrage. Tiefere Zonen können wegen Sauerstoffmangels tödlich sein – oder der Weg nach oben verspricht Nahrung und Licht, um dort etwa Photosynthese zu betreiben. Anders als Fische mit einer Schwimmblase sind Kleinstschwimmer oft schwerer als Wasser, drohen also nach unten abzusacken. Dieses „Sedimentieren“ zu vermeiden ist für viele Bakterien ebenso wichtig wie für größere Einzeller, etwa Mikroalgen oder die aus dem Biounterricht bekannten Pantoffeltierchen. Der Fachbegriff für dieses Verhalten heißt „negative Gravitaxis“. Wer dabei an einen Fahrdienst gegen die Schwerkraft denkt, liegt nicht falsch. Wie aber finden die Schwimmer nach oben? Bechinger erklärt, dass einige Wissenschaftler über Rezeptoren spekulieren, die den Kleinstschwimmern über die Abnahme des Wasserdrucks den Weg nach oben weisen. Allerdings ändert sich der Wasserdruck über die mikroskopische Körperlänge nur minimal. Ob so ein relativ komplexer Mechanismus tatsächlich existiert, ist daher offen.

Die asymmetrische Birnenform könnte die Ausrichtung nach oben bewirken

Viel einfacher und eleganter sind dagegen rein physikalische Lösungen. Eine solche Lösung verwenden beispielsweise einzellige Grünalgen der Gattung Chlamydomonas. Diese Organismen sind an einer Stelle etwas schwerer, so dass dieses Ende immer nach unten zeigt und damit – ähnlich einer Boje – für eine stabile Lage sorgt. Sitzt nun unten etwa eine Geißel, dann treibt sie den Organismus automatisch nach oben.

Allerdings gibt es eine Vielzahl von Mikroschwimmern, bei denen ein solcher Bojeneffekt ausgeschlossen werden kann. Dennoch können sie zuverlässig nach oben schwimmen. Die Physiker der Kooperation hatten den Verdacht, dass die Körperform dieser Organismen eine entscheidende Rolle spielt. Pantoffeltierchen zum Beispiel sehen wie langgezogene Birnen aus. Diese asymmetrische Gestalt, so vermuteten die Forscher, könnte für eine stabile Ausrichtung nach oben sorgen.

Um das präzise zu untersuchen, entwickelten die Forscher ein Experiment mit L-förmigen Modellkörpern aus einem Kunststoff, der etwas schwerer als Wasser ist. Gegenüber lebenden Organismen hat dies den Vorteil, dass die Form und das Gewicht sehr gut kontrolliert werden können. Das L hat jeweils einen sechs und einen neun Mikrometer (Millionstel Meter) langen Arm. Die Forscher wählten diese Form, weil sie in zwei Dimensionen – also im Flachen – ein Maximum an Asymmetrie bietet. Sie stellten ihre Schwimmer mit einem Verfahren her, wie es ähnlich die Halbleiterindustrie in der Chipproduktion einsetzt.

Schwer- und Reibungskraft wirken an L-förmigen Körpern gegeneinander

Für den Antrieb entwickelten die Stuttgarter eine pfiffig einfache Lösung. Sie beschichteten die Unterseite des kurzen Arms mit einer Goldschicht, die so hauchdünn ist, dass sie dieses Ende des Schwimmers nur unwesentlich schwerer macht. So blieb der Bojeneffekt ausgeschlossen. Richteten die Physiker nun Laserlicht in einer bestimmten Wellenlänge auf die Goldschicht, dann erwärmte sich dort die Flüssigkeit und erzeugte einen Vortrieb am unteren Ende des L‘s.

Die Experimente zeigten tatsächlich, dass die L-Form für ein stabiles Schwimmen nach oben sorgt. Das theoretische Modell der Forscher ist zwar komplex, trotzdem lässt sich das Verhalten der Mikroschwimmer verstehen. Sobald die Forscher den Antrieb einschalten, setzt dessen Kraft von unten an der Mitte des kurzen L-Arms an. Borge ten Hagen, der als Doktorand zusammen mit seinem Professor Hartmut Löwen an der Universität Düsseldorf die Computersimulationen durchführte, erklärt: „Das bewirkt, dass das L sich nun in Richtung des langen Arms dreht.“ Der Grund: Die Schwerkraft will das L, das von der Antriebskraft wie auf einer Bleistiftspitze balanciert wird, zur schweren Seite hin umkippen. Dieser Drehung gegen den Uhrzeigersinn wirkt aber mit einsetzender Bewegung eine zweite Kraft entgegen: die Reibungskraft des von oben anströmenden Wassers. Diese will das L im Uhrzeigersinn drehen, denn sein kurzer unterer Arm wirkt wie eine senkrecht in der Strömung stehende Strömungsbremse. „Das wäre wie in einem fahrenden Ruderboot mit Linksdrall“, sagt Bechinger, „dem ich durch Eintauchen des rechten Ruders entgegen wirke.“

Eine selbstorganisierende Steuerung für Mikroroboter

Passt die Aufstiegsgeschwindigkeit, dann heben sich diese beiden gegensinnigen „Drehmomente“ gerade auf. Der L-Körper schwimmt in der Schwerkraft stabil nach oben. Zudem ist der Geschwindigkeitsbereich, in dem das funktioniert, relativ groß, fanden die Forscher heraus. „Der Effekt ist also robust“, sagt Bechinger. Erst oberhalb einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit wird die Bewegung instabil, und die Schwimmer torkeln auf einer schraubenförmigen Bahn nach unten. Die theoretischen Berechnungen, an denen neben zwei Physikern der Universität Düsseldorf noch einer von der schottischen University of Edinburgh und ein Strömungsmathematiker aus Honolulu auf Hawaii beteiligt waren, stimmen exzellent mit den Experimenten überein.

Vor allem ist der Effekt universell, weil er rein physikalisch ist. Er gilt für alle Mikroschwimmer, deren Körperformen von einer Kugelgestalt abweichen. „Die Asymmetrie sorgt für die Richtung nach oben“, betont Felix Kümmel, der als Doktorand in Stuttgart an dem Projekt arbeitet: „Über einen solchen Mechanismus wurde zwar bereits spekuliert, aber erst unsere Experimente zeigen, dass das tatsächlich auch funktioniert“. Für die Forscher ist dieser selbstorganisierende Effekt aber auch aus anderen Gründen interessant, da sich damit auch Schwärme von Mikrorobotern in ihrer Bewegung einfach steuern lassen. Solche Systeme werden derzeit intensiv untersucht. Sie könnten eines Tages zum Beispiel für den gezielten Transport von Medikamenten im Körper oder die Reinigung von Gewässern eingesetzt werden.

Ansprechpartner 

Prof. Dr. Clemens Bechinger

Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart

Universität Stuttgart

Telefon: +49 711 685-65218

 

Originalpublikation

 
Borge ten Hagen, Felix Kümmel, Raphael Wittkowski, Daisuke Takagi, Hartmut Löwen und Clemens Bechinger
Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles
Nature Communications, 19. September 2014; doi: 10.1038/ncomms5829

Prof. Dr. Clemens Bechinger | Max-Planck-Institut

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