Schwimmtyp bestimmt kollektive Bewegung

Vögel und Fische bewegen sich in Schwärmen, Menschen zuweilen in Strömen – und auch Mikroorganismen wie Bakterien oder Algen bilden in wässriger Lösung charakteristische Bewegungsmuster aus. Wie sich solche Mikroschwimmer in Formationen verhalten, haben Holger Stark und Andreas Zöttl von der TU Berlin nun mithilfe von Computersimulationen untersucht. Demnach bestimmt die Art und Weise, wie einzelne Mikroorganismen durch eine Flüssigkeit schwimmen, auch die kollektive Bewegung. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ publiziert.

Bakterien sind sogenannte Schubschwimmer. „Mithilfe rotierender Geißeln, sogenannten Flagellen, die sich an der Rückseite des Zellkörpers befinden, bewegen sie sich vorwärts. Ähnlich einem Korkenzieher drücken sie sich mit den Geißeln durch die Flüssigkeit“, erläutert Stark. Bei Grünalgen der Gattung Chlamydomonas befinden sich die Flagellen dagegen an der Vorderseite des Zellkörpers. Die Flagellen vollführen eine dem Brustschwimmer ähnliche Bewegung, sodass sich die Alge durch die Flüssigkeit zieht. Andere Mikroorganismen wiederum wie beispielsweise Pantoffeltierchen, deren Zellkörper flächendeckend mit Tausenden von feinen Härchen bedeckt sind, bewegen sich durch das synchrone Schlagmuster der Härchen. Diese Mikroorganismen werden deshalb auch neutrale Schwimmer genannt.

„Um den Einfluss der Schwimmweise des einzelnen Mikroorganismus auf die kollektive Bewegung besser zu verstehen, verwendet man in der aktuellen Forschung künstliche Mikroschwimmer, wie zum Beispiel kugelförmige aktive Teilchen, die diese Bewegungen kopieren“, erklärt Stark. In Computersimulationen sperrten die beiden Forscher solche Modellschwimmer zwischen zwei Platten ein und analysierten deren Verhalten. Abhängig davon, ob es sich bei den Mikroorganismen um Schub-, Zug- oder neutrale Schwimmer handelte, erzeugten sie verschiedene Strömungsfelder. Und das wirkte sich unterschiedlich auf das kollektive Verhalten der Mikroschwimmer aus, zeigten die Wissenschaftler.

„Die Ursache dafür ist sowohl in den unterschiedlichen hydrodynamischen Wechselwirkungen zwischen den Schwimmern als auch zwischen den Schwimmern und den begrenzenden Wänden der Platten begründet“, sagt Zöttl. Neutrale Schwimmer können sich ab einer bestimmten Dichte in zwei unterschiedliche Phasen separieren – in eine Gasphase und eine feste Phase. Dort häufen sich die Schwimmer zu hexagonalen Strukturen an und formen einen aktiven Kristall. Schubschwimmer wiederum bilden diese Anhäufungen nicht. Sie verhalten sich ähnlich wie passive Teilchen ohne anziehende Kräfte und verbleiben bis zu hohen Dichten in der Gasphase. Zugschwimmer können zwar kurzzeitig kleine hexagonale Strukturen bilden, aber zu langlebigen kollektiven Anhäufungen kommt es auch bei ihnen nicht. In der Medizin spielt die kollektive Bewegung von Bakterien bei der Ausbildung von Biofilmen eine wichtige Rolle. Diese treten zum Beispiel als Zahnbelag in Erscheinung oder machen Katheter unbrauchbar.