Kurios: Der Bakterien-Strudel



Mit wirbelnden Geißeln vorwärts: Manche Bakterien-Arten machen sich durch Propeller-artige Anhängsel mobil. Bei Bacillus subtilis führt dies zu einem kuriosen Phänomen: Sind die Einzeller in einen runden Wassertropfen eingesperrt, bildet sich aus ihrem wuselnden Durcheinander ein charakteristischer Strudel, bei dem sich die äußeren Bakterien in eine Richtung bewegen und die inneren in die andere. Bisher war unklar, welche Faktoren diesen Effekt verursachen. US-Forscher haben nun die physikalischen Hintergründe des seltsamen Wirbels aufgedeckt.

2013 berichteten Hugo Wioland und Raymond Goldstein von der Cambridge University erstmals über das kuriose Phänomen. Doch zu diesem Zeitpunkt konnten sie nicht erklären, wie es zu der seltsamen zwei-direktionalen Dynamik kommt. Nun sind sie gemeinsam mit ihrer Kollegin Enkeleida Lushi dem Mysterium der wirbelnden Bakterien-Suppe mit Computeranalysen und Laborexperimenten zu Leibe gerückt. „Es handelt sich um sehr simple Organismen, die nicht steuern, wohin sie sich bewegen, und sich nicht selbst organisieren", sagt Lushi. Der Effekt muss auf physikalischen Mechanismen beruhen – die Forscher versuchten, sie durch Modelle nachzuvollziehen.

Ihre erste Computersimulation konnte erfolgreich verdeutlichen, warum sich die Bakterien am Tropfenrand alle in eine Richtung bewegen: Wenn viele Individuen chaotisch umher-schwimmen, landen sie letztlich an der bogenförmigen Grenze des Wassertropfens. Hier führen ihre Kollisionen allmählich dazu, dass sich eine allgemeine Schwimmrichtung durchsetzt. Dieses Modell erklärte somit die scheinbar koordinierte Bewegung am Tropfenrand. Aber die Ursache des zweiten Aspektes fehlte noch: Warum schwimmen die Bakterien im inneren Bereich des Tropfens in die entgegengesetzte Richtung?

Strömung in der Bakterien-Suppe

Dieses Phänomen stellte sich als ein Effekt des Flüssigkeitsstromes heraus, berichten die Forscher. Die Bakterien verursachen nämlich mit ihren schlagenden Geißeln einen Flüssigkeitsstrom entgegen ihrer Schwimmrichtung. Als die Forscher diesen Effekt in ihre Computersimulationen integrierten, spiegelte das Modell-System das reale naturgetreu wider. Der Effekt entsteht demnach folgendermaßen: Die Bakterien in den Außenbereichen beginnen am Rand des Tropfens alle in eine Richtung zu schwimmen. Dadurch einsteht ein schräg zur Mitte gerichteter Flüssigkeitsstrom entgegen ihrer eigenen Schwimmrichtung. Die Bakterien, die diesem Fluss ausgesetzt sind, passen sich ihm an und beginnen letztlich in seiner Richtung zu schwimmen. Dadurch verstärkt sich das ganze System selbst: Die mittigen Bakterien sausen in der entgegengesetzten Richtung wie ihre Kollegen am Rand.

Nun mag sich Mancher eine freche Frage stellen: Warum beschäftigen sich Forscher denn mit solchem kuriosen „Firlefanz"? Doch Lushi zufolge handelt es sich bei dieser Studie durchaus um einen Beitrag zur Grundlagenforschung: „Wir wollen verstehen, wie Individuen sich im Kollektiv verhalten. Dies könnte Informationen liefern, wie man bakterielle Systeme beeinflussen und kontrollieren kann, damit sich beispielsweise Infektionen nicht ausbreiten können", sagt die Forscherin.

Video: Simulation der Forscher

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