Am 6. Dezember 2022 fand im Rahmen von Science@School der Vortrag zum Thema „Physik der Bakterien“ von Herrn DI Dr. Andreas Zöttl statt. Die Science@School Vortragsreihe wird von Frau Mag. Dr. Susanne Neumann, BA (Bildungsdirektion für Wien, ARGE Physik) organisiert und wir freuten uns – neben Besuch aus einer anderen Schule – auch sie an unserer Schule begrüßen zu dürfen. Herr DI Dr. Andreas Zöttl arbeitet an der Fakultät für Physik der Universität Wien in der Subeinheit für computergestützte Physik und Physik der Weichen Materie.
Schwer vorzustellen, was die Wissenschafterinnen und Wissenschafter dieser Subeinheit forschen – aber dank des interessanten Vortrags konnten die Schülerinnen und Schüler einen guten Einblick gewinnen.
Allgemein beschäftigt sich der Vortragende mit Biophysik, also mit physikalischen Fragestellungen in biologischen Systemen. Beispiele für derartige Fragestellungen sind
- Transportprozesse in Zellen
- Wechselwirkung mit der Umgebung
- Transport und Bewegung von Bakterien
Letzteres ist der Forschungsschwerpunkt, auf den im Vortrag genauer eingegangen wurde: Nämlich die Frage, wie ein Bakterium von A nach B kommt. Aufgrund der geringen Größe von Bakterien (1–10 µm) ist die Bewegung durch Flüssigkeiten für diese deutlich durch Reibung dominiert und dadurch anders als für Lebewesen, die größer sind.
Physikalisch wird das durch die sogenannte Reynolds-Zahl beschrieben: Ist diese viel größer als 1, dominiert die Trägheit – ein Schiff, das einmal in Bewegung ist, bewegt sich durchs Wasser weiter, auch wenn die Motoren abgeschaltet werden. Ist die Reynolds-Zahl viel kleiner als 1, dominiert die Reibung und jede Bewegung wird sofort durch diese abgebremst. Typische Bakteriengeschwindigkeiten und -größen ergeben Reynolds-Zahlen von rund 0,0001, was viel kleiner als 1 ist.
Für diese kleinen Reynolds-Zahlen gilt die sogenannte Zeitumkehrinvarianz, die mithilfe eines spannenden Videos veranschaulicht wurde (Anmerkung: Invarianz ist die Unveränderlichkeit bestimmter physikalischer (oder mathematischer) Größen – beispielsweise, dass eine Anordnung wieder in die Ausgangslage zurückversetzt werden kann, wenn man z.B. die Richtung einer Bewegung ändert). Aufgrund der hohen Viskosität findet kaum Brown’sche Bewegung statt. Werden in eine viskose Flüssigkeit farbige Flüssigkeiten eingebracht, verteilen sich diese zwar, wenn die viskose Flüssigkeit durch Rotation eines Innenzylinders bewegt wird; erfolgt nach einer Zeit die Rotation in die andere Richtung, konzentrieren sich die farbigen Flüssigkeiten wieder auf einen kleinen Raum. Das Ergebnis dieses Experiments ist verblüffend und widerspricht der Alltagserfahrung. Über diesen externen Link kann man sich das Video anschauen.
Danach wurde erklärt und veranschaulicht, wie sich gewisse Mikroorganismen fortbewegen. Dabei wurde die Bewegung von E. coli Bakterien genauer betrachtet: Diese bewegen sich durch Bewegung ihrer Geißeln fort. Die Bewegung der Geißeln ist ähnlich der Rotation einer Helix im Festkörper (Rotations-Translations-Koppelung). Oder einfacher: Stellen Sie sich einen Korkenzieher vor, der in den Korken geschraubt wird. Der Korkenzieher macht eine Drehbewegung und dabei bewegt sich der Korken aus der Flasche. Genau das gleiche Prinzip nutzen E. coli Bakterien zur Fortbewegung in biologischen Flüssigkeiten (Blut, Schleim, uä). Computersimulationen von DI Dr. Andreas Zöttl ergaben dabei, dass sich E. coli in Flüssigkeiten mit höherer Viskosität deutlich schneller bewegen können, als in Flüssigkeiten mit niedrigerer Viskosität (Zöttl, A., Yeomans, J.M. Enhanced bacterial swimming speeds in macromolecular polymer solutions. Nat. Phys. 15, 554–558 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0454-3) – was unserer Intuition widerspricht.
Das Video über die Bakterien-Computersimulation gibt es über diese Link frei zugänglich vom Verlag.
Nach diesem Einblick in die aktuelle Forschung des Vortragenden war noch kurz Gelegenheit, Fragen zu stellen.
Wir bedanken uns nochmals herzlich für diesen interessanten und lehrreichen Vortrag und freuen uns schon auf nächstes Schuljahr, wenn wir hoffentlich wieder Gastgeberschule für einen Vortrag der Reihe „Science@School“ sein dürfen.
