Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kriechendes Gel

25.10.2016

Photosensitives selbstoszillierendes Gel als Modell für biologische Kriechbewegungen

Eine gerichtete Fortbewegung ist für uns eine Selbstverständlichkeit, kommt aber nur durch ein koordiniertes Zusammenspiel vieler komplexer Prozesse zustande – sogar das vermeintlich simple Kriechen von Würmern oder Schnecken.


Muskelbewegung im Vergleich zur erzeugten Fortbewegungsrichtung bei Würmern und Schnecken

(c) Wiley-VCH

Auf Basis eines Gels, das von selbst periodisch an- und abschwillt, konnten Forscher jetzt ein Modell für die wellenförmigen muskulären Kontraktionen und Relaxationen beim Kriechen entwickeln. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, gelang es durch inhomogene Bestrahlung, zwei verschiedene Arten von Kriechbewegung im Gel hervorzurufen.

Kriechen entsteht aufgrund von Wellen, die durch Muskeln wandern. Diese Wellen können in dieselbe Richtung laufen, in die das Tier kriecht (direkte Wellen), also vom Schwanzende zum Kopf – aber sie können auch entgegengesetzt, also vom Kopf zum Schwanz, wandern (retrograde Wellen). Während z.B. Landschnecken die erste Variante verwenden, kriechen Regenwürmer und Meeresnapfschnecken mithilfe retrograder Muskelwellen. Käferschnecken (Polyplacophora) können zwischen beiden wechseln.

Mit einem chemischen Modell, einem selbstoszillierenden Gel, wollen die Forscher um Qingyu Gao von der China University of Mining and Technology (Jiangsu, China) und Irving R. Epstein von der Brandeis University (Waltham, USA) einige der vielen noch offenen Fragen rund um diese Kriechvorgänge klären.

Ein Gel ist ein molekulares Netz, in dessen „Maschen“ eine Flüssigkeit gebunden ist – in diesem Fall enthält diese alle Zutaten für eine oszillierende chemische Reaktion („Chemische Uhr“). Einen Bestandteil des Reaktionssystems, einen Ruthenium-Komplex, bauten die Wissenschaftler direkt in das Netz ein: Während der Reaktion wechselt das Ruthenium periodisch zwischen zwei Oxidationsstufen, Ru2+ und Ru3+. In einem Zustand bindet das Gel mehr, im anderen weniger Flüssigkeit – es schwillt periodisch an und ab. Diese Bereiche breiten sich wellenförmig aus und erinnern so an die Muskelwellen beim Kriechen.

Auch Lichteinstrahlung löst den Wechsel der Oxidationsstufen aus. Wird nun die rechte Hälfte des Gels stärker bestrahlt als die linke, oszilliert das Gel rechts schneller als links und die resultierenden Wellen wandern von rechts nach links. Ab einem bestimmten Unterschied in der Bestrahlungsstärke entstehen wurmartige Bewegungen des Gels von links nach rechts, also eine retrograde Fortbewegung. Wird der Unterschied weiter erhöht, kommt das Gel zum Stillstand.

Eine weitere Vergrößerung setzt das Gel wieder in Bewegung, aber in die andere Richtung, eine direkte Fortbewegung resultiert. Die ungleiche Bestrahlung spielt eine Rolle analog zu Verankerungssegmenten und Anhängseln (wie Gliedmaßen und Flügeln) während der Zellwanderung und der Fortbewegung von Tieren: Die Richtung wird gesteuert, indem sie die eine Bewegung verstärken und/oder die entgegengerichtete Bewegung hemmen.

Durch Modellrechnungen gelang es den Forschern, die Vorgänge zu beschreiben. Innerhalb des Gels gibt es Regionen, in denen Zug- und Regionen, in denen Schubkräfte vorherrschen. Variationen der Bestrahlungsintensität führen hier zu unterschiedlichen Veränderungen der Reibungskräfte und der Spannungen. Werden diese Effekte aufsummiert, lässt sich für ein Volumenelement des Gels vorhersagen, in welche Richtung es sich bewegt.

Eine wichtige erste Erkenntnis aus dem Modell: Spezielle Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften des von Schnecken und Würmern abgesonderten Schleims sind, anders als angenommen, für eine gerichtete Bewegung nicht zwingend erforderlich.

Angewandte Chemie: Presseinfo 36/2016

Autor: Irving R. Epstein, Brandeis University (USA), http://www.brandeis.edu/departments/chemistry/faculty/epstein.html

Link zum Originalbeitrag: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201608367

Angewandte Chemie, Postfach 101161, 69451 Weinheim, Germany.

Weitere Informationen:

http://presse.angewandte.de

Dr. Karin J. Schmitz | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

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: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics