Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Tanz der Bakterien

31.05.2013
PTB-Mathematiker berechnen chaotische Bewegungen in sogenannten „aktiven Fluiden“

Es sieht aus wie eine ganz gewöhnliche Flüssigkeit und benimmt sich doch oftmals ungewöhnlich: ein aktives Fluid,bestehend aus einer großen Menge Bakterien und Wasser. Eine solche „Bakterienflüssigkeit“ strömt unter Bedingungen, bei denen man laminare Strömungen erwarten sollte, chaotisch und mit Wirbeln durchsetzt.


Darstellung von Geschwindigkeitsbahnen in der 3D-Simulation. Der rote Pfeil zeigt kollektives Schwimmen, bei dem viele Bakterien sich gleichzeitig sehr schnell bewegen. Dies ist eine Eigenschaft, die sich bei „normalen“ Flüssigkeiten nicht beobachten lässt.
(Abb.: PTB)


Darstellung der Isoenergieflächen innerhalb der Simulationsbox in der turbulenten Phase.
(Abb.: PTB)

Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universität Cambridge in England haben jetzt gemeinsam ein theoretisches Modell entwickelt, mit dem sich solche Bewegungen berechnen lassen. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Bakterien sind überall auf der Erde von immenser Bedeutung: Sie halten die Bodenstruktur aufrecht, kontrollieren die Biochemie und Photosynthese in den Ozeanen oder reinigen verseuchte Böden – um nur einige Beispiele zu nennen. Und doch ist über manche Eigenschaften dieser Organismen, die zu den ältesten und artenreichsten Lebensformen der Erde gehören, erstaunlich wenig bekannt. Dazu gehört auch ihr Fließverhalten. Um effizienter vorwärtszukommen, tun sich Bakterien nämlich gerne zusammen und machen sich gemeinsam auf die Reise. In hochorganisierten, kollektiven Schwarmbewegungen können sie große Entfernungen zurücklegen.

Dieses Verhalten bietet große Vorteile gegenüber dem Leben als einzelnes Individuum: Eine ganze Kolonie von Bakterien hat es leichter, in schwierigen Umgebungen zu überleben, Nahrung zu suchen oder neues Terrain zu erobern. Wenn sich eine solche Bakterienkolonie fortbewegt, dann ähnelt sie von außen betrachtet einer Flüssigkeit, weshalb man das Ganze auch „aktives Fluid“ nennt. Doch untersucht man das Fließverhalten genauer, dann offenbaren sich erstaunliche Unterschiede: Dort, wo eine echte Flüssigkeit laminar, also störungsfrei fließt, zeigen sich in der bakteriellen „Flüssigkeit“ chaotische Strömungen und Wirbel.

Es herrscht also letztlich eine ganz andere Fließdynamik. Das liegt daran, dass die Bewegung anders in Gang gebracht wird: Bei einer normalen Flüssigkeit sind es Einflüsse von außen, bei Bakterien dagegen stammt der Antrieb aus dem tiefen Inneren der Bakterienflüssigkeit, nämlich von den vielen Millionen Flagellen oder Geißeln. Das sind fadenförmige Gebilde auf der Bakterien-Oberfläche, die ihrer Fortbewegung dienen.

Dass sich Mathematiker der PTB mit Flüssigkeiten beschäftigen, hat einen triftigen Grund: Ihre Simulationsrechnungen könnten gleich für mehrere Industriezweige wichtig sein. So hat die Beschreibung normaler Flüssigkeiten durch die Navier-Stokes-Gleichung für die industrielle Anwendung eine enorme Bedeutung, wie an der Verwendung von Simulationen zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung oder im Zusammenhang mit Durchflussmessungen sichtbar wird. Das Verständnis und die Simulation der neuartigen Klasse von aktiven Flüssigkeiten stellen einen wichtigen ersten Schritt zu einer Vielzahl von zukünftigen Anwendungen dar. Beispielsweise könnten einer Flüssigkeit Mikroschwimmer zugefügt und so deren Fließeigenschaften gezielt manipuliert, effektiv durchmischt oder Medikamente im Körper transportiert werden. Obwohl das kollektive Verhalten von Mikroschwimmern Gegenstand der aktuellen Forschung ist, weiß man noch zu wenig über die Eigenschaften aktiver Fluide. Insbesondere sind die entwickelten Modelle sehr kompliziert und benötigen viele Parameter, was den quantitativen Vergleich mit Experimenten unmöglich macht.

PTB-Wissenschaftler und Wissenschaftler der University of Cambridge haben zusammen eine einfache Erweiterung der Navier-Stokes-Gleichung für aktive Flüssigkeiten vorgeschlagen, die auch ohne äußere Einflüsse instabil wird. In der Veröffentlichung werden dreidimensionale Simulationen (PTB) des Models mit Experimenten von dichten Bacillus-Subtilis-Suspensionen (Cambridge, Princeton) quantitativ verglichen. Erstmals konnten ein Modell mit experimentellen Daten verglichen und Modellparameter bestimmt werden. So lassen sich schwer zugängliche physikalische Größen wie z. B. die Elastizität oder anisotrope Viskosität der aktiven Flüssigkeit indirekt messen.

Die Ergebnisse der internationalen Forschergruppe werden sicherlich interessante neue Untersuchungen nach sich ziehen, um die Entstehung von kollektivem Verhalten noch eingehender kennenzulernen, und möglicherweise künftige praktische Anwendungen anstoßen.
es/ptb)

Ansprechpartner:
Dr. Sebastian Heidenreich, PTB-Arbeitsgruppe 8.41 Modellierung und Simulation, Telefon: (030) 3481-7726, E-Mail: sebastian.heidenreich@ptb.de

Wissenschaftliche Originalveröffentlichung:
J. Dunkel (Cambridge), S. Heidenreich (PTB), K. Drescher (Princeton), H. H. Wensink (Paris), M. Bär (PTB), R. E. Goldstein (Cambridge): Fluid Dynamics of Bacterial Turbulence. Physical Review Letters 110, 228102 (2013, http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i22/e228102

Erika Schow | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2013/pitext/pi130531.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält
22.05.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus
22.05.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie