Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

La-Ola-Welle schlägt Ruderachter

05.03.2013
Jülicher Biophysiker enträtseln Bewegung von Zilien

Viele kennen es noch aus dem Schulunterricht: das Pantoffeltierchen. Der kleine Einzeller bewegt sich schnell im Wasser fort – dank der Ruderbewegung seiner rund 10.000 Wimpern, der sogenannten Zilien, die sich gleichmäßig über die Oberfläche der Zelle verteilen.


Zilien sind bis zu 10 Mikrometer kleine, flimmernde Härchen, die auf Zellen sitzen. In Flüssigkeiten bewegen sich Zilien nach einem bestimmten Muster: Sie erzeugen eine selbst organisierte Welle, die an die La-Ola-Welle in Fußballstadien erinnert. Dank dieser Welle können sich Zellen effizienter fortbewegen oder Stoffe transportieren.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Jülicher Biophysiker haben herausgefunden, warum sich Zilien in Flüssigkeiten nach einem bestimmten Muster bewegen: Sie erzeugen eine selbst organisierte Welle, die sehr an die La-Ola-Welle in Fußballstadien erinnert. Die Ergebnisse sind jetzt in der Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS) veröffentlicht worden.

Zilien sind bis zu 10 Mikrometer kleine, flimmernde Härchen, die fast ausschließlich in Gruppen vorkommen. Sie dienen nicht nur der Fortbewegung von Zellen wie dem Pantoffeltierchen. Auch im menschlichen Körper finden sich an vielen Stellen diese Mini-Wimpern, beispielsweise im Hirn, im Ohr oder in den Atemwegen, um Schleim und Schmutz aus der Lunge zu transportieren.

Jede einzelne Zilie macht eine Art Ruderbewegung. "Zilien schlagen nicht gleichzeitig wie ein Ruderachter, aber auch nicht chaotisch, sondern zeitversetzt, eben wie bei einer Welle", erklärt Dr. Jens Elgeti vom Bereich Theorie der Weichen Materie und Biophysik am Forschungszentrum Jülich. Die Ruderbewegung ähnelt dabei dem Brustschwimmen. Im gestreckten Zustand schiebt die Zilie die Flüssigkeit beiseite, danach wickelt sie sich zusammen, um sich dann wieder zu strecken.

"Die Forschung hat schon länger über den Ursprung dieser Bewegungsmuster spekuliert. Wir haben uns auf die hydrodynamischen Wechselwirkungen konzentriert", sagt Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Jülicher Institute of Complex Systems. Dahinter steckt die Idee, dass Zilien nicht gesteuert nacheinander schlagen, sondern sich die Wellenbewegung von alleine ergibt – ähnlich wie bei der La-Ola-Welle im Stadion, bei der Zuschauer keine Anweisung erhalten, sondern auf ihren Nachbarn reagieren. Bei den Zilien funktioniert das über die Flüssigkeit: Indem die erste Zilie durch ihre Bewegung Flüssigkeit verdrängt, wird die nächste Zilie angeregt, ihr Schlagmuster dem der Nachbarn anzupassen. Solche Prozesse der Selbstorganisation kommen vielfach in der Natur vor und werden in verschiedenen Disziplinen wie Elektronik, Optik und Materialwissenschaften genutzt.

Um die Bewegung nachzuvollziehen, haben die Jülicher Forscher ein Computermodell einer einzelnen Zilie entwickelt und dann eine größere Anzahl von Zilien in einer Flüssigkeit simuliert. Das Entscheidende: Frühere Untersuchungen haben lediglich kleine Gruppen von Zilien betrachtet, dank der neuen Simulationsmethoden der Jülicher Forscher können nun Gruppen von mehreren Tausend Zilien beobachtet werden. Die Wissenschaftler haben außerdem festgestellt, dass eine Welle deutlich effizienter ist als ein Rudern im Gleichtakt. Bei einer Welle bewegt sich eine Zelle zwei- bis dreimal so schnell – und das mit deutlich geringerer Schlagfrequenz.

Und sie fanden noch etwas heraus: Die Wellen sind nicht immer perfekt, manchmal zeigten sich Defekte. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler herausfinden, was passiert, wenn etwa ein Teil der Zilien nicht mitspielt. Oder wie viele überhaupt mitmachen müssen, damit das ganze Prinzip funktioniert. Das könnte langfristig für die Medizin interessant sein. Es gibt Krankheiten, bei denen die Funktion der Flimmerhärchen gestört ist, etwa die primäre ziliäre Dyskinesie (PCD).

Im Fokus der Jülicher Forscher stehen zunächst aber Transporteigenschaften und die Entwicklung künstlicher Schwimmer. Ein Beispiel, von dem die Wissenschaftler lernen wollen, ist Volvox, eine Gattung von Grünalgen. Zilien auf fast jeder Zelle sorgen dafür, dass sich die Algen stets zum Licht ausrichten. Synthetische Schwimmer nach solchen Vorbildern könnten beispielsweise genutzt werden, um im menschlichen Körper Stoffe zur Leber zu transportieren oder in einem Tank zu giftigen Stoffen zu gelangen.

YouTube-Video 1
http://youtu.be/mcVJw_E0T8U
Die Ruderbewegung einer einzelnen Zilie erinnert ans Brustschwimmen. In gestreckter Haltung wird Flüssigkeit weggedrückt. Dann rollt sich die Zilie wieder ein. Wie beim Brustschwimmen soll dadurch verhindert werden, dass ein größerer Bewegungsimpuls in die Gegenrichtung erzeugt wird. Danach streckt sich die Zilie wieder und führt den nächsten Schlag aus.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Fortbewegung von Einzellern: Rudern einer einzelnen Zilie

YouTube-Video 2
http://youtu.be/BUjn_2XH4os
Was auf den ersten Blick wie ein chaotisches Nebeneinander der Zilien aussieht, entpuppt sich beim genauen Hinsehen als wellenförmige Bewegung. Eine Zilie nach der anderen führt die Ruderbewegung aus. Die Welle läuft dabei von rechts nach links.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Fortbewegung von Einzellern: Rudern mehrer Zilien

Originalveröffentlichung
Emergence of Metachronal Waves in Cilia Arrays
Jens Elgeti und Gerhard Gompper
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). DOI: 10.1073/pnas.1218869110
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1218869110

Weitere Informationen
Institute of Complex Systems und Institute for Advanced Simulation, Bereich Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2 / IAS-2)

Ansprechpartner

Dr. Jens Elgeti
Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2 / IAS-2)
Institute of Complex Systems (ICS) und Institute for Advanced Simulation (IAS)
Tel.: 02461 61-9382
j.elgeti@fz-juelich.de

Pressekontakt
Annette Stettien
Tel.: 02461 61-2388
a.stettien@fz-juelich.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten