Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Selbstorganisation in Stein

03.02.2014
Die seltenen Kinneyia-Formationen sind versteinerte Zeugnisse von Musterbildung in prähistorischen Biofilmen

Manche Gesteinsformationen könnten von Menschenhand geschaffen sein: Bei den so genannten Kinneyia-Formationen überzieht ein Muster aus geschwungenen, parallel verlaufenden Rillen die Oberfläche von Sand- oder Schluffstein.


Kinneyia-Formationen sind nicht vom Menschen gemacht, sondern durch Selbstorganisation in prähistorischen Biofilmen aus Mikroben, Algen und Pilzen entstanden, die anschließend versteinert sind. Die Riefen bilden sich, wenn Wasser über die Filme strömt, aber nur in Schichten, die zwischen 0,5 und 4 Millimeter dick sind, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation nun festgestellt haben. Die abgebildete Kinneyia-Struktur wurde auf der Neuras Farm, 200 Kilometer südwestlich von der namibischen Hauptstadt Windhoek, gefunden.

© MPI für Dynamik und Selbstorganisation

Beispiele für diese ebenso bizarren wie seltenen Strukturen finden sich etwa in Namibia, im schwedischen Öland sowie in Deutschland in der Nähe von Helmstedt und Göppingen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und der Georg-August-Universität Göttingen bieten nun erstmals eine umfassende Erklärung, wie die Kinneyia vor mehr als 2500 Millionen Jahren entstanden sind.

Demnach bildeten sich die eigenwilligen Muster unter dem Einfluss strömenden Wassers in organischen Biofilmen. Unter günstigen geologischen Bedingungen versteinerten sie und blieben so bis heute erhalten.

Mitten in einem ausgetrockneten Flussbett ragt ein einzelner Felsbrocken empor, gezeichnet mit einem sonderbaren Muster: Parallel verlaufende, wenige Millimeter tiefe Rillen, die beinahe an Fraßspuren erinnern. Rund 20 Kilometer südwestlich davon zeigt sich ein ähnliches Bild auf einer kleinen Klippe, die einen Fluss überblickt. Wie auch an den anderen weltweiten Fundorten der Kinneyia-Formationen verlief hier in Namibia vor mehr als 2500 Millionen Jahren eine Küstenlinie.

„Schon seit Jahren vermuten Geologen deshalb, dass Wasser bei der Entstehung der eigenwilligen Steinmuster eine entscheidende Rolle spielte“, erklärt Lucas Goehring, Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen. Ein weiterer Hinweis: In Biofilmen aus Mikroben, Algen und Pilzen, wie sie an Seeufern, an der Innenseite von Aquarien oder im heimischen Abflussrohr vorkommen, bilden sich unter bestimmten Bedingungen ähnliche Muster.

Aus dem Mineralgehalt der Proben ist bekannt, dass die Kinneyia versteinerte Zeugnisse solch prähistorischer Filme sein müssen. Doch die Entstehung des markanten Wellenmusters war bislang ein Rätsel. Diese Lücke schließt nun eine Studie der Göttinger Forscher, die in der Fachzeitschrift „Philosophical Transactions of the Royal Society“ erschienen ist. In mathematischen Analysen und Experimenten gelingt es den Forschern, die genauen Entstehungsbedingungen zu rekonstruieren.

Die Selbstorganisation schafft wie von Geisterhand regelmäßige Muster

Dabei bedienen sich die Wissenschaftler der Theorie selbstorganisierter Prozesse: In Systemen, die von einer äußeren Quelle mit Energie versorgt werden, können sich die einzelnen Systembausteine wie von Geisterhand zu erstaunlich regelmäßigen Mustern anordnen. Das gilt etwa für Wirbel in Konvektionsströmungen, Netzwerke von Nervenzellen – und für die Moleküle eines Biofilms.

„Aus Sicht des Physikers ist ein Biofilm zunächst nur eine zusammenhängende, viskose Masse“, so Goehring. In ihren Rechnungen betrachteten die Forscher daher, was geschieht, wenn Wasser über eine solche viskose Schicht strömt. „Die Grenzfläche zwischen Biofilm und Wasser ist instabil“, beschreibt der Kanadier die Ergebnisse. Schon kleinste Störungen sorgen dafür, dass sich ein Muster aus parallel verlaufenden Hügeln und Tälern bildet. Auf ähnliche Weise entstehen beispielsweise die geschwungenen Oberflächenstrukturen von Wolken.

„Erreichen die Täler eine bestimmte Tiefe, verändert sich die Wasserströmung und verstärkt den Effekt“, so Goehring. In den Tälern fließt das Wasser in kleinen Wirbeln zurück. Dadurch lagert sich zusätzliches Material auf den Hügeln ab.

Für die Entstehung der Kinneya-Strukturen ist nur die Filmdicke entscheidend

Dasselbe Verhalten beobachteten die Forscher in ihren Experimenten. Allerdings nutzen die Wissenschaftler im Labor keine echten Biofilme, sondern dünne Schichten aus Polyvinylalkohol, einem Stoff mit vergleichbarer Viskosität, der unter anderem Spielknete ihre Geschmeidigkeit verleiht. Die Schichten setzten sie einer Wasserströmung aus und dokumentierten die so entstehende Riefenstruktur genau.

„Die Laborversuche bieten den Vorteil, dass wir viele Parameter wie etwas die Flussgeschwindigkeit oder die Dicke des Films gezielt verändern können“, so Goehring. Dabei zeigte sich, dass weder die genaue Viskosität der Schicht, noch die Strömungsgeschwindigkeit bei der Entstehung der hausgemachten Kinneyia eine Rolle spielten. „Der einzige entscheidende Parameter scheint die Dicke des Films zu sein“, so Goehring. Sie bestimme Breite und Tiefe der Riefen. Um Strukturen zu erzeugen, wie sie an den beiden namibischen Fundstellen vorkommen, sind Filmdicken von 0,5 bis 4 Millimetern Dicke erforderlich.

„Diese Strukturen dürften in prähistorischer Zeit ein häufiges Phänomen gewesen sein, vor allem weil sie unter verschiedensten Strömungsbedingungen und in sehr unterschiedlichen Biofilmen auftreten können,“, so Goehring. Als sich dann vor etwas mehr als einer halben Milliarde Jahren höhere Organismen entwickelten, waren die Biofilme jedoch ein gefundenes Fressen für sie: aus den Zeiten danach gibt es nur noch sehr wenige erhaltene Fossilien dieser Art.

Die Theorie der Selbstorganisation wird jetzt in den Geowissenschaften angewendet

„Die Kinneyia sind ein beeindruckendes, wenn auch seltenes Beispiel dafür, wie selbstorganisierte Prozesse die Gestalt unserer Erde formen“, sagt Stefan Herminghaus, Direktor der Abteilung Dynamik komplexer Fluide am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Auch die Wellenstrukturen in Sanddünen, der Verlauf von Flussdeltas sowie Muster in Permafrostböden entstehen durch das Prinzip der Selbstorganisation. „In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Theorie selbstorganisierter Systeme in der Physik etabliert“, erläutert Herminghaus. „Erst jetzt beginnen wir jedoch, diese Methoden auf Beispiele in den Geowissenschaften anzuwenden.“

Ein umfassendes Zeugnis dieser Bemühungen liefert der Schwerpunkt-Band „Pattern formation in the geosciences“ der Philosophical Transactions of the Royal Society, in dem auch die Ergebnisse über die Kinneyia-Strukturen veröffentlicht wurden. Der Band wurde herausgegeben von Lucas Goehring vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Stephan Herminghaus
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-200
Fax: +49 551 5176-202
E-Mail: stephan.herminghaus@ds.mpg.de
Dr. Lucas Goehring
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-507
E-Mail: lucas.goehring@ds.mpg.de
Originalpublikation
Katherine Thomas, Stephan Herminghaus, Hubertus Porada und Lucas Goehring
Formation of Kinneyia via shear-induced instabilities in microbial mats
Philosophical Transactions of the Royal Society A, 4. November 2013; doi: 10.1098/rsta.2012.0362

Prof. Dr. Stephan Herminghaus | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7883086/kinneyia_biofilm_selbstorganisation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Dunkel war’s, der Mond schien helle: Nachthimmel oft heller als gedacht
28.07.2017 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

nachricht Seltener Weizenfund in bronzezeitlicher Lunch-Box aus dem Schweizer Hochgebirge
26.07.2017 | Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte / Max Planck Institute for the Science of Human History

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse

Spektral breite Röntgenpulse lassen sich rein mechanisch „zuspitzen“. Das klingt überraschend, aber ein Team aus theoretischen und Experimentalphysikern hat dafür eine Methode entwickelt und realisiert. Sie verwendet präzise mit den Pulsen synchronisierte schnelle Bewegungen einer mit dem Röntgenlicht wechselwirkenden Probe. Dadurch gelingt es, Photonen innerhalb des Röntgenpulses so zu verschieben, dass sich diese im gewünschten Bereich konzentrieren.

Wie macht man aus einem flachen Hügel einen steilen und hohen Berg? Man gräbt an den Seiten Material ab und schüttet es oben auf. So etwa kann man sich die...

Im Focus: Abrupt motion sharpens x-ray pulses

Spectrally narrow x-ray pulses may be “sharpened” by purely mechanical means. This sounds surprisingly, but a team of theoretical and experimental physicists developed and realized such a method. It is based on fast motions, precisely synchronized with the pulses, of a target interacting with the x-ray light. Thereby, photons are redistributed within the x-ray pulse to the desired spectral region.

A team of theoretical physicists from the MPI for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg has developed a novel method to intensify the spectrally broad x-ray...

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Ferienkurs mit rund 600 Teilnehmern aus aller Welt

28.07.2017 | Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Firmen räumen bei der IT, Mobilgeräten und Firmen-Hardware am liebsten in der Urlaubsphase auf

28.07.2017 | Unternehmensmeldung

Dunkel war’s, der Mond schien helle: Nachthimmel oft heller als gedacht

28.07.2017 | Geowissenschaften

8,2 Millionen Euro für den Kampf gegen Leukämie

28.07.2017 | Förderungen Preise