Biophysik – Turbulente Bakterien

Turbulenzen und Verwirbelungen gibt es nicht nur in der Luft oder in Flüssen: Auch Bakterien erzeugen kollektive Bewegungsmuster, die turbulenten Strömungen ähneln, wenn sie in genügend großer Zahl frei in Flüssigkeiten schwimmen.

Ein Team aus München und Kalifornien, bestehend aus Dr. Vasil Bratanov, Professor Frank Jenko und Professor Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik an der LMU, hat nun das Strömungsverhalten derartiger lebender Systeme untersucht und zeigt, dass es sich um eine neue Klasse turbulenter Strömungen mit einem hohen Grad an Selbstorganisation handelt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS.

Turbulenz ist ein fundamentales und in der Natur weit verbreitetes Phänomen, dessen theoretische Beschreibung eine der größten Herausforderungen der modernen Physik ist.

Eine Kenngröße für das Auftreten von Turbulenzen ist die Reynoldszahl, die das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften angibt. „Normalerweise treten Turbulenzen bei hohen Reynoldszahlen auf“, erklärt Frey. „Bakteriensuspensionen haben eine sehr niedrige Reynoldszahl, aber überraschenderweise zeigen sie trotzdem wirbelige Muster, die turbulenten Strömungen ähneln“.

Selbstantrieb ändert alles

Möglich ist dies, weil die bakterielle Suspension einen inneren Antrieb hat: Die Bakterien bewegen sich mithilfe von Geißeln fort, die von zellulären molekularen Motoren bewegt werden. „Dieser innere Antrieb ändert alles“, sagt Frey.

„Dadurch entsteht eine neue Klasse von Turbulenz, bei der die Energiezufuhr auf der Ebene einzelner Teilchen lokal innerhalb der Suspension erfolgt.“ Im Gegensatz dazu entstehen „normale“ Turbulenzen, wenn Energie zunächst großskalig zugeführt wird und sich dann auf immer kleineren Skalen auswirkt – etwa wenn Wind die Meeresoberfläche in Bewegung bringt und Wellen entstehen.

Solche klassischen Turbulenzen lassen sich mathematisch mit der sogenannten Navier-Stokes-Gleichung beschreiben. Für die neuen Turbulenzen reicht diese Gleichung allerdings nicht aus: Hier spielen die biologischen Eigenschaften der Bakterien eine Rolle, die die Stärke des inneren Antriebs beeinflussen.

„Dieses neue System ist viel reichhaltiger als das klassische Konzept, da die Instabilität durch den inneren Antrieb in die mathematische Beschreibung eingehen muss“, sagt Frey. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass eine erweiterte Navier-Stokes-Gleichung zur Beschreibung bakteriellen Bewegungen in der Suspension zu neuartigen turbulenten Zuständen führt.

„Damit haben wir eine Methode entwickelt, die auf zahlreiche Systeme anwendbar ist, die dadurch charakterisiert sind, dass die einzelnen Teilchen sich durch einen Selbstantrieb bewegen“, sagt Frey. „Dies kann das Verständnis der Physik aktiv getriebener Systeme entscheidend voranbringen.“

Publikation:
New class of turbulence in active fluids
Vasil Bratanov, Frank Jenko, and Erwin Frey
PNAS 2015
http://www.pnas.org/content/early/2015/11/20/1509304112

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik der LMU
E-Mail: frey@lmu.de