Wie Algen Flüssigkeiten verwirbeln
Nicht die Bewegung vieler, sondern einzelne Mikroschwimmer durchmischen das Wasser.
Im Mikrokosmos gibt es in Flüssigkeiten keine Wirbel. Aber wie verwirbeln dann winzige Algen das Wasser? Dieser Frage gingen Forscher um Christian Wagner von der Universität des auf den Grund. Sie untersuchten, wie sich Flüssigkeiten vermischen, wenn viele kleinste Schwimmer sie durchqueren. Ihr Ergebnis: Nicht die Bewegungen vieler Algen, sondern die einzelner Algen durchmischen das Wasser. Zugleich konnten die Forscher ein Rätsel der Statistik lösen. Dieses Wissen ist wichtig, um im Mikro-Maßstab Flüssigkeiten zu vermengen, etwa für ein „Lab on a Chip“, bei dem eine Laborausrüstung miniaturisiert und auf einem flachen Chip gebündelt wird.
Algen brauchen Licht. Mit ihm erzeugen sie ihre Energie. Deshalb bleibt auch der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii nichts anderes übrig als zu schwimmen. Denn würde die zehn Mikrometer kleine Alge dies nicht tun, würde sie zusammen mit ihren Milliarden von Artgenossen im Phytoplankton langsam, aber sicher auf den Meeresgrund sinken. Deshalb schwimmt die Alge mit ihren langen Ärmchen am Kopf, den Flagellen, immer auf das Licht zu.
Aber was machen ihre Bewegungen mit dem Wasser? Wie verwirbeln sie es? Das wollten Wagner und seine Mitarbeiter genauer wissen. Denn im Mikrokosmos gelten andere Gesetze. In dieser Größenordnung gibt es im Wasser keine Wirbel. Das führt auch dazu, dass es hier große Probleme bereitet, Flüssigkeiten zu vermischen, wie es für ein „Labor auf dem Chip“ notwendig ist. Umherschwimmende Algen schaffen es aber, das Wasser gründlich zu durchmengen. „Hier gilt eine vollkommen andere Physik des Schwimmens. Es ist anders als wir es kennen. Für die Alge ist es eher so, als würde sie sich durch Honig bewegen“, erklärt Thomas John, der im Team von Wagner das Verhalten komplexer Flüssigkeiten erforscht.
Zwar ist die Alge im Wasser erstaunlich flott unterwegs: „Sie erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu siebzig Mikrometern pro Sekunde. Das entspräche beim Menschen einer Geschwindigkeit von fünfzig Kilometern pro Stunde“, sagt John. „Würde aber die Alge schwimmen wie ein Mensch, käme sie nicht voran. Menschliche Brustschwimmer nutzen eine Gleitphase ohne Arm- und Beinbewegung aus, um sich effizient fortzubewegen. Endet dagegen der Flagellen-Schlag, stoppt die Alge in einer Millisekunde“, erklärt John.
Das honigartige Verhalten der Flüssigkeiten im Mikrokosmos steckt hinter diesen Schwierigkeiten – und auch hinter dem Misch-Problem. „Rührt man in dieser Größenordnung zwei Flüssigkeiten erst in die eine Richtung, dann in die andere, sind beide getrennt wie zuvor. Um sie zu mischen, braucht es Turbulenzen wie die Bewegungen der Mikroschwimmer“, sagt der Forscher.
Dabei geht es im Mikrokosmos nicht zu wie im Schwimmbad unserer Größenordnung. Während hier das Wasser gründlich bis zum Beckenrand in Wallung gerät, wenn viele oder auch einzelne darin planschen, ist das in der Welt des winzig Kleinen anders. Das Wasser, so fanden die Wissenschaftler heraus, verwirbelt hier nicht deshalb, weil eine Unzahl winziger Algen zugleich und beharrlich kleine Schwimmbewegungen vollführt. Das Mischen geschieht vielmehr durch seltenere, aber dafür große Bewegungen einzelner Algen – und zwar nur dort wo diese Alge gerade im „Honig-Wasser“ schwimmt.
Das konnten die Forscher allerdings nicht einfach beobachten. Zu erforschen, wie die Algen das Wasser vermischen, ist ein komplexes Unterfangen. „Die Frage ist nur durch Statistik lösbar“, erklärt John. Bislang stießen Forscher dabei auf ein Rätsel: Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die Statistik hier nicht den sonst geltenden Gesetzen einfacher statistischer Systeme folgt. „Fachlich gesprochen: Auf kurzen Zeitskalen von einer bis zwei Sekunden liegt eine interessante Nicht-Gauß-Statistik vor. Würde sich diese auf längeren Zeitskalen fortsetzen, wäre es eine Verletzung des zentralen Grenzwertsatzes von Lindeberg-Levy“, erläutert John.
Das Team konnte jetzt zeigen, dass die Wasserbewegungen durch die Schwimmer auf längeren Zeitskalen doch der bekannten statistischen Physik folgen. „Ich habe hierzu die Partikel-Verfolgungs-Methode eingesetzt“, erklärt Mitarbeiterin Levke Ortlieb, die inzwischen an der Universität Bristol in Großbritannien forscht. Hierzu setzte sie kleinste Kügelchen als Tracer der Flüssigkeit zu, in der die Algen schwimmen. Durch die Mikroschwimmer bewegen sich auch die Kügelchen und sie machen so die Bewegungen des Wassers sichtbar. Unter dem Mikroskop verfolgte Ortlieb akribisch die Pfade vieler Tausender Tracer mit Methoden der statistischen Physik. „Sie konnte die Auswertemethoden experimentell so verbessern und die Statistik derart erweitern, dass sie die Wasserbewegungen durch die Algen über Zeitintervalle von vielen Sekunden eindeutig nachweisen konnte“, sagt John. Das Ergebnis: Die Statistik folgt doch der Gauß-Statistik.
Und gerade diese statistische Auswertung brachte dann des Rätsels Lösung. „Wir wussten nun: Um zu beschreiben, wie Algen das Wasser mischen, brauchen wir ein Modell, das die Bewegung einer einzigen Alge beschreibt“, erklärt Ortlieb. So fanden die Forscher heraus, dass einzelne Mikroschwimmer das Wasser um sie herum vermischen. „Und dadurch bleibt auch der Grenzwert von Lindeberg-Levy erhalten“, ergänzt John.
UdS / RK
