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Mikroschwimmer Das Geheimnis der Mikroschwimmer

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Welche Anwendungen sich aus der Kenntnis des Fließverhaltens von Mikroschwimmern wie Bakterien ergeben, weiß unser Gesprächspartner Dr. Sebastian Heidenreich.

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„Kleine Mikroschwimmer haben es gar nicht so leicht sich fortzubewegen – in der Gruppe geht dies besser.“ Dr. Sebastian Heidenreich, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Berlin
„Kleine Mikroschwimmer haben es gar nicht so leicht sich fortzubewegen – in der Gruppe geht dies besser.“ Dr. Sebastian Heidenreich, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Berlin
(Bild: ptb )

LP: Bakterien kommen überall auf der Welt vor und spielen in vielen Bereichen, wie z.B. der Ökologie, Medizin und Biotechnologie, eine wichtige Rolle. Über manche ihrer Eigenschaft, z.B. das Fließverhalten, ist jedoch noch sehr wenig bekannt. Welche Vorteile haben Bakterien davon, sich in Flüssigkeiten zusammenzuschließen und sich gemeinsam fortzubewegen?

Dr. Sebastian Heidenreich: Kleine Mikroschwimmer, wie Bakterien, haben es gar nicht so leicht sich fortzubewegen. Während der Mensch beim Schwimmen die Trägheit ausnutzt und sich mit kräftigen Schwimmstößen fortbewegt, würden sich Bakterien mit der gleichen Strategie nicht von der Stelle bewegen. Grund dafür sind große Zähigkeitskräfte, die für Mi-kroschwimmer vorherrschen. Ein Maß für das Verhältnis von Trägheitskräften zu Zähigkeitskräften ist die Reynolds-Zahl, die für schwimmende Bakterien sehr klein ist. Bakterien haben dafür aber Flagellen bzw. Geißeln, die sie rotieren lassen können, um sich vorwärts zu bewegen. Durch die Rotation wird in der umgebenen Flüssigkeit eine charakteristische Strömung erzeugt. Für ein einzelnes Bakterium ist es mühsam sich fortzubewegen. In der Gruppe können sie sich besser ausrichten und eine Strömung in der umgebenden Flüssigkeit erzeugen, die das Schwimmen erleichtert. Dadurch können Bakterien zusammen schneller schwimmen als das einzelne Bakterium, was z.B. für die Nahrungssuche von Vorteil ist.

LP: Bakterienflüssigkeiten oder aktive Fluide verhalten sich in ihrem Strömungsverhalten nicht laminar. Welches Fließverhalten kann hier stattdessen beobachtet werden und warum?

Heidenreich: Bakterien sind immer in Bewegung. Durch Nahrungsaufnahme wird chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt und diese auf die umgebene Flüssigkeit übertragen. Daher strömt das Fluid, auch wenn von außen keine Kräfte wirken. Obwohl die Reynolds-Zahl sehr klein ist, beobachtet man hier eine irreguläre, turbulente Strömung. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich diese Art von Turbulenz von der Turbulenz bei hohen Reynolds-Zahlen signifikant unterscheidet. Bei „Bakterienflüssigkeiten“ wird Energie auf einer mikroskopischen Längenskala übertragen, wogegen bei passiven Flüssigkeiten, wie Wasser, Polymerlösungen oder Emulsionen die Energie auf einer makroskopischen Skala durch z.B. Rühren übertragen wird. Eine weitere interessante Eigenschaft ist, dass die Bakterien kollektiv bevorzugt in Wirbeln einer bestimmten Größe schwimmen. Über den mikroskopischen Mechanismus, der die Wirbelgröße bestimmt, ist allerdings bisher noch wenig bekannt.

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