Tanz der Bakterien 03.06.2013, 13:55 Uhr

Rechenmodell für chaotische Bewegungen

Mikroorganismen tun sich millionenfach zusammen, um gemeinsam schneller voranzukommen. Ihr Weg lässt sich jetzt vorhersagen. Das ist beispielsweise wichtig für die biologische Bodensanierung oder den Medikamententransport im Körper.

Die Simulation zeigt das Geschwindigkeitsfeld der aktiven Flüssigkeit. Dargestellt ist ein zweidimensionaler Schnitt aus einem dreidimensionalen Volumen. Die Farbkodierung entspricht der Wirbelstärke. 

Die Simulation zeigt das Geschwindigkeitsfeld der aktiven Flüssigkeit. Dargestellt ist ein zweidimensionaler Schnitt aus einem dreidimensionalen Volumen. Die Farbkodierung entspricht der Wirbelstärke. 

Foto: PTB

Mit ihren winzigen Härchen, die sie wie Paddel bewegen, kommen Bakterien im Wasser nicht allzu schnell voran. Das ist aber oft nötig, um Nahrung zu finden. Also tun sie sich zusammen. Millionen Härchen, die gewissermaßen im Takt bewegt werden, sorgen für Tempo. In einer derart geballten Form ähneln Mikroorganismen einer Flüssigkeit. Forscher nennen dieses Kollektiv ein aktives Fluid. Anders als etwa Wasser, das gleichmäßig fließt, wenn es keine Hindernisse gibt, bilden aktive Fluide Wirbel. Überhaupt bewegen sie sich vom wissenschaftlichen Standpunkt aus chaotisch. Nicht einmal mit den raffiniertesten Rechenmethoden lässt sich der Tanz dieser strömenden Bakterien vorausberechnen, bisher jedenfalls nicht.

Geschwindigkeitsbahnen in der 3D Simulation. Der rote Pfeil zeigt kollektives Schwimmen, bei dem viele Bakterien sich gleichzeitig sehr schnell bewegen.

Geschwindigkeitsbahnen in der 3D Simulation. Der rote Pfeil zeigt kollektives Schwimmen, bei dem viele Bakterien sich gleichzeitig sehr schnell bewegen.

Foto: PTB

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin und Braunschweig und der Universität Cambridge haben jetzt ein theoretisches Modell entwickelt, mit dem sich die Bewegungen von aktiven Fluiden vorhersagen lassen. Dabei berücksichtigten sie, dass die Kräfte, die Bakterienkolonien vorantreiben, aus ihnen selbst kommen, während Wasserbewegungen allein von Gravitationskräften und Hindernissen bestimmt werden.

Was auf den ersten Blick wie Forschung um der Forschung willen aussieht hat ganz praktische Bedeutung, etwa für die biologische Reinigung von Böden. Nahezu alle Schadstoffe sind für entsprechend spezialisierte Mikroorganismen im wahrsten Sinne des Wortes ein gefundenes Fressen. Sie verdauen die Gifte und zerlegen sie dabei in harmlose Stoffe wie Kohlendioxid oder Stickstoff.

Isoenergieflächen innerhalb der Simulationsbox in der turbulenten Phase.

Isoenergieflächen innerhalb der Simulationsbox in der turbulenten Phase.

Foto: PTB

Diese Art der Schadstoffbeseitigung ist viel billiger als das Abbaggern des verseuchten Bodens und dessen Erhitzung auf so hohe Temperaturen, dass die Schadstoffmoleküle zerstört werden.

Sie hat nur einen Nachteil: Niemand kann vorhersagen, wie sich die winzigen Schadstoffkiller im Untergrund bewegen, ob sie also tatsächlich alle Regionen erreichen, die verseucht sind. Mit dem neuen Modell lassen sich möglicherweise Prognosen erstellen.

Die Berliner Forscher waren für die dreidimensionale Simulation der aktiven Fluide zuständig. Ihre britischen Kollegen verglichen diese Berechnungen mit den experimentell ermittelten wirklichen Bewegungen von Bakteriengesellschaften.

Medikamente werden effektiver

Die Wissenschaftler glauben, dass sie mit ihren Erkenntnissen beispielsweise die Fließeigenschaften von realen Flüssigkeiten durch Zugabe von aktiven Fluiden verändern können, sodass sie sich intensiv vermischen. Mit der innovativen Berechnungsmethode könnte es auch möglich sein, den Transport von Medikamenten in der Blutbahn und damit deren Effektivität zu verbessern.

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