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Aktive Fluide Wie fließen Bakterien?

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Es sieht aus wie eine ganz gewöhnliche Flüssigkeit und benimmt sich doch oftmals ungewöhnlich: ein aktives Fluid, bestehend aus einer großen Menge Bakterien und Wasser. Eine solche „Bakterienflüssigkeit“ strömt unter Bedingungen, bei denen man laminare Strömungen erwarten sollte, chaotisch und mit Wirbeln durchsetzt. Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universität Cambridge in England haben jetzt gemeinsam ein theoretisches Modell entwickelt, mit dem sich solche Bewegungen berechnen lassen.

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Darstellung von Geschwindigkeitsbahnen in der 3D Simulation. Der rote Pfeil zeigt kollektives Schwimmen, bei dem viele Bakterien sich gleichzeitig sehr schnell bewegen. Dies ist eine Eigenschaft, die sich bei "normalen" Flüssigkeiten nicht beobachten lässt.
Darstellung von Geschwindigkeitsbahnen in der 3D Simulation. Der rote Pfeil zeigt kollektives Schwimmen, bei dem viele Bakterien sich gleichzeitig sehr schnell bewegen. Dies ist eine Eigenschaft, die sich bei "normalen" Flüssigkeiten nicht beobachten lässt.
(Bild: PTB)

Braunschweig – Bakterien sind überall auf der Erde von immenser Bedeutung: Sie halten die Bodenstruktur aufrecht, kontrollieren die Biochemie und Photosynthese in den Ozeanen oder reinigen verseuchte Böden – um nur einige Beispiele zu nennen. Und doch ist über manche Eigenschaften dieser Organismen, die zu den ältesten und artenreichsten Lebensformen der Erde gehören, erstaunlich wenig bekannt. Dazu gehört auch ihr Fließverhalten. Um effizienter vorwärtszukommen, tun sich Bakterien nämlich gerne zusammen und machen sich gemeinsam auf die Reise. In hochorganisierten, kollektiven Schwarmbewegungen können sie große Entfernungen zurücklegen.

Bakterienkolonien überleben leichter als einzelne Exemplare

Dieses Verhalten bietet große Vorteile gegenüber dem Leben als einzelnes Individuum: Eine ganze Kolonie von Bakterien hat es leichter, in schwierigen Umgebungen zu überleben, Nahrung zu suchen oder neues Terrain zu erobern. Wenn sich eine solche Bakterienkolonie fortbewegt, dann ähnelt sie von außen betrachtet einer Flüssigkeit, weshalb man das Ganze auch „aktives Fluid“ nennt.

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Doch untersucht man Fließverhalten genauer, dann offenbaren sich erstaunliche Unterschiede: Dort, wo eine echte Flüssigkeit laminar, also störungsfrei fließt, zeigen sich in der bakteriellen „Flüssigkeit“ chaotische Strömungen und Wirbel. Es herrscht also letztlich eine ganz andere Fließdynamik. Das liegt daran, dass die Bewegung anders in Gang gebracht wird: Bei einer normalen Flüssigkeit sind es Einflüsse von außen, bei Bakterien dagegen stammt der Antrieb aus dem tiefen Inneren der Bakterienflüssigkeit, nämlich von den vielen Millionen Flagellen oder Geißeln. Das sind fadenförmige Gebilde auf der Bakterien-Oberfläche, die ihrer Fortbewegung dienen.

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