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Donnerstag, 22.02.2018
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Wie das Schwimmen in einem Sirup

Bewegung von Spermien und Pantoffeltierchen

In der Praxis erklärt das Auftreten von Oszillationen beispielsweise auch, warum der Schwanz oder Flagellum eines Spermiums, der aus Mikrotubuli mit regelmäßig dazwischen geschalteten Motoren besteht, periodisch schlagende Bewegungen ausführt: Die Motoren können keine konstante Geschwindigkeit haben, denn sie sind zwischen den Mikrotubuli nicht beliebig verschiebbar.

Wenn viele in dieselbe Richtung wandern, verbiegt sich das Flagellum, bis sich die Bewegung abrupt umkehrt. Jülicher, der Theoretiker, erklärt dies so: „Eine Lösung der physikalischen Gleichungen gibt es nur im Ruhezustand oder unter der Bedingung, dass eine dynamische Instabilität auftritt. Die Oszillation ist die einzige Möglichkeit dafür.“

Bewegung durch einen Pelz von Cilien


Pantoffeltierchen

Pantoffeltierchen

Das gleiche Schema liegt der Bewegung der Haare eines Pantoffeltierchens zu Grunde. Der Einzeller besitzt einen dichten Pelz von Cilien, die im Wasser in eine Richtung schlagen; dann ziehen sie sich wieder zurück und schlagen erneut in dieselbe Richtung. „Ein menschlicher Schwimmer funktioniert ganz anders“, sagt Jülicher, „er bewegt sich vor allem durch Zurückschieben des Wassers voran. Bei den winzigen Maßstäben der Pantoffeltierchen hingegen wirken nur viskose Kräfte. Für einen Menschen würde sich das anfühlen, als ob er in einem zähflüssigen Sirup schwimmen würde. Er käme nur schwer vorwärts. Das Ausnutzen der viskosen Reibungskräfte hingegen befähigt die Pantoffeltierchen, sogar verhältnismäßig schnell zu schwimmen.“

Besonders interessant wird es, wenn man die komplizierten Verhaltensmuster der Ensembles auf das Hörsystem anwendet. Dort, so glauben Frank Jülicher und seine Kollegen, dienen sie dazu, die erstaunlichen Eigenschaften des Gehörs hervorzubringen. Denn dieses Sinnesorgan besitzt herausragende Fähigkeiten der Schallwahrnehmung. Es ist in der Lage, Schall über einen Bereich von sechs Größenordnungen in der Lautstärke wahrzunehmen. Die Trennung zwischen den Frequenzen ist hervorragend, und das Ohr kann außerdem sehr schwache Schallsignale empfangen, die kaum über dem natürlichen Rauschen liegen. „Diese Eigenschaften lassen sich eigentlich nur durch aktive nichtlineare Verstärkungsmechanismen erklären“, meint Jülicher.

Froschohr erzeugt Vibrationen, die als aktive Verstärker wirken


Besonders genau kennen die Forscher die Vorgänge im Ohr des Froschs: In der Schnecke des Innenohrs, der Cochlea, sitzen Tausende von Sinneszellen, die auf die Wahrnehmung von Schall spezialisiert sind. Sie haben kleine Härchen, die Aktinfilamente enthalten und beim Eintreffen eines Schallsignals zu schwingen beginnen. Frank Jülicher und seinen Kollegen gelang es zu zeigen, dass molekulare Motoren diese Härchen zum Schwingen bringen – und zwar in zweierlei Hinsicht: in spontanen und in passiven Schwingungen. Letztere entstehen durch das Eintreffen des Schalls von außen; aber entscheidend für das Funktionieren des Froschohrs sind die spontanen Oszillationen. Sie werden vom System aus sich heraus erzeugt, nicht von außen angestoßen. „Man kann sich einen passiven Oszillator vorstellen wie eine Saite im Klavier, die nur eine Weile schwingt, wenn man sie anstößt“, erklärt Jülicher. „Spontane Schwingungen hingegen brauchen dieses Anstoßen nicht. Das Ohr erzeugt selbst Vibrationen, die als aktive Verstärker wirken.“

Auch bei vielen anderen Tieren dienen aktive Schwingungen der Schallwahrnehmung. Dass es sie gibt, weiß man schon relativ lange. Und es gelingt heute ohne weiteres, sie bei Wirbeltieren als sehr schwache Schallwellen zu messen, die selbst bei völliger Stille aus dem Ohr herausdringen. Wenn nun der spontane Oszillator durch ein Schallsignal von außen angeregt wird, zeigt er nichtlineares Verhalten – im Gegensatz zu einer Saite. Sie kann nur mitvibrieren, wenn sie angeregt wird. Die spontanen Oszillatoren hingegen können das Schallsignal zusätzlich verstärken. Der amerikanische Ingenieur Edwin Howard Armstrong nutzte diesen Effekt aus, um bereits 1912 einen nichtlinearen Verstärker für Radios zu bauen. Das Prinzip setzte sich in der Folge technisch nicht durch, ist aber bis heute bekannt unter dem Namen „heterodynes Prinzip“.

Die Fähigkeit mancher Systeme, sich aufzuschaukeln und plötzlich ein völlig neues Verhalten zu zeigen, birgt andererseits eine große Gefahr: Das System kann völlig außer Kontrolle geraten. Gerade beim Ohr ist dies nicht erwünscht; die Sinneswahrnehmungen sollen gewisse Grenzen nicht überschreiten. Um ein derartiges System zu bändigen, sind Rückkopplungsmechanismen nötig, die allzu große Abweichungen immer wieder dämpfen und das System herunterregeln. Im Hörorgan könnten Jülicher zufolge diese Aufgabe Kalzium-Ionenkanäle übernehmen, die in engem Zusammenwirken mit den molekularen Motoren die Abstimmung des Gesamtsystems besorgen. Die Hoffnung, dass diese Erkenntnisse eines Tages auch hörbehinderten Menschen zu Gute kommen werden, ist nach seiner Ansicht berechtigt. Aber, so glaubt der Max- Planck-Forscher, das wird noch etliche Jahre dauern.

Auf dem Weg zu technischen Nanomaschinen?


Das Gleiche gilt auch für die erstaunlichen Zukunftspläne, die Jonathon Howard und seine Mitarbeiter hegen: „Die Erfolge der jüngsten Zeit legen es nahe, dass man biomolekulare Maschinen auch als technische Nanomaschinen einsetzen kann“, begeistert sich der 47-Jährige. „Sie könnten beispielsweise als winzige Roboter in molekularen Fabriken arbeiten, wo sie mithelfen, komplizierte Strukturen aufzubauen.“ In lebenden Zellen dienen die winzigen Arbeitspferde dazu, zelluläre Bestandteile wie Proteine, Mitochondrien und Chromosomen hin und her zu transportieren.

Aber nicht nur im komplexen Gefüge der Zelle funktionieren sie, sondern auch außerhalb. So hat man sie, wie oben erwähnt, am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik bereits kleine Glaskügelchen transportieren lassen und mit ihrer Hilfe DNA-Stränge auseinandergezogen. Die Pläne gehen aber weit darüber hinaus: Die molekularen Helfer sollen Netzwerke aus Leiterbahnen und Transistoren für elektronische Schaltkreise im Nanoformat bauen, oder sie sollen in selbstorganisierten Strukturen patrouillieren und diese, falls nötig, reparieren.

Stand: 23.10.2004
 
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