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La-Ola-Welle schlägt Ruderachter

Jülicher Biophysiker enträtseln Bewegung von Zilien

Jülich 5. März 2013 – 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. 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.

Zilien sind bis zu 10 Mikrometer kleine, flimmernde Härchen, die auf Zellen sitzen.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

YouTube-Video 1

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

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


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