Biologische Systeme – Leben ist Bewegung

Welche physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden lebendige Organismen von toter Materie? Diese Frage fasziniert Wissenschaftler seit jeher. Als ein grundsätzliches Schlüsselmerkmal für lebende Systeme gilt, dass sie sich, im Gegensatz zu toter Materie, nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden.

Das heißt, lebende Systeme wenden kontinuierlich Energie auf, etwa um Bewegung aus eigener Kraft möglich zu machen. Der LMU-Physiker Professor Chase Broedersz hat nun in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universitäten Göttingen, Amsterdam, dem Massachussetts Institute of Technology und der Yale University eine Methode entwickelt, mit der man unterscheiden kann, welche Bewegungsabläufe in lebenden Zellen aktiv angetrieben werden und welche passiv durch Diffusion entstehen. Dies ermöglicht einen tieferen Einblick in fundamentale biologische Prozesse. Die Wissenschaftler stellen ihre neue Studie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science vor.

„Faszinierenderweise ist Bewegung in der Welt mikroskopisch kleiner Teilchen nicht unbedingt ein Anzeichen für ein thermodynamisches Ungleichgewicht, also für einen aktiv angetriebenen Prozess, sondern sie kann auch durch eine Art thermisches Bombardement mit Atomen oder Molekülen aus der Umgebung zustande kommen“, sagt Broederzs:

Teilchen diffundieren aufgrund ihrer Wärmebewegung durch den Raum, kollidieren dabei ständig mit anderen Teilchen und stoßen sie zufällig in verschiedene Richtungen. Viele in Wirklichkeit aktive Prozesse in Zellen wiederum erwecken auf den ersten Anschein den Eindruck, zufällige Schwankungen zu sein. „Um die Zellfunktionen zu verstehen, ist es wichtig, beides voneinander unterscheiden zu können“, betont Broedersz.

Bewegungsanalyse mit Video

Die Forscher haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der erstmals lebende Systeme auf der mikroskopischen Skala tatsächlich als lebend identifiziert werden können, und zwar anhand des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts. Dieses Prinzip sagt aus, dass es für jeden Prozess einen genauso wahrscheinlichen Rückprozess gibt – Vor- und Rückwärtsbewegung etwa heben sich demnach insgesamt in etwa auf.

Trifft dies nicht zu, ist das System im Ungleichgewicht, wird also aktiv angetrieben. „Unsere neue Methode basiert auf mikroskopischen Videoaufnahmen, mit denen Bewegungen aufgenommen und daraufhin analysiert werden können, ob ein detailliertes Gleichgewicht vorliegt oder nicht“, sagt Broedersz.

Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler mit der neuen Methode die Bewegungsmuster von Flagellen der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und von Flimmerhärchen von Epithelzellen. Flagellen und Flimmerhärchen sind ähnlich aufgebaut, erfüllen aber verschiedene Funktionen: Die Flagellen treiben beim Schwimmen an, während Flimmerhärchen hauptsächlich als bewegliche Fühler dienen.

„Mithilfe unserer Aufnahmen konnten wir zeigen, dass sich sowohl die Flagellen als auch die Flimmerhärchen nicht einfach vor und zurück bewegen“, sagt Broedersz, „stattdessen führen sie einen ganzen Zyklus verschiedener Bewegungen durch, die aktiv angetrieben sind – und verletzen damit das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts.“

Wichtig für die Wissenschaftler war, dass sich die Bewegungen ihrer Versuchssysteme unterscheiden: Flagellen schlagen periodisch, und es gibt nur wenig zufällige Variabilität dabei. Flimmerhärchen dagegen zeigen sehr viel mehr Unregelmäßigkeiten in ihrer Bewegung. Trotzdem konnten sie für beide Systeme eine Verletzung des detaillierten Gleichgewichts nachweisen.

„Unsere Arbeit ist nicht nur für die Biologie interessant, um Nichtgleichgewichte in biologischen Systemen zu erkennen und so einen tieferen Einblick in die komplexen Prozesse des Lebens zu bekommen“, ist Broedersz überzeugt, „sondern sie wird auch in der statistischen Mechanik und der Biophysik große Beachtung finden, da sie grundlegende Fragen aufgreift, wie sich molekulare Nichtgleichgewichtsprozesse manifestieren.“
Science 2016

Publikation:
Broken detailed balance at mesoscopic scales in active biological systems
Christopher Battle*, Chase P. Broedersz*, Nikta Fakhri*, Veikko F. Geyer, Jonathon Howard, Christoph F. Schmidt, and Fred C. MacKintosh
Science 2016
http://science.sciencemag.org/content/352/6285/604

Kontakt:
Prof. Dr. Chase Broedersz
Theoretische Statistische und Biologische Physik
Phone: +49 (0)89 2180-4514
C.Broedersz@lmu.de
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/17ls_th_statisticphys_en/group_broeder…