Neues Modell beschreibt synchronisierte Zilienbewegungen, die von Grenzregionen gesteuert werden

Was haben die Menschenmenge in einem Fußballstadion, die Füße eines Tausendfüßlers und das Innere Ihrer Lunge gemeinsam? Alle diese Systeme weisen die gleiche spezifische Art der Organisation auf, wie kürzlich eine Gruppe von Wissenschaftlern des MPI-DS entdeckte.

Die Menschenwelle in einem Stadion sieht aus wie ein Muster, das sich über die Ränge bewegt. In ähnlicher Weise bewegen sich die Beine eines Tausendfüßlers im Kanon, wobei illusorische Wellen über seine gesamte Länge laufen. Auf mikroskopischer Ebene bewegen sich winzige Härchen in unserer Lunge, sogenannte Zilien, zusammen, um Schleim zu transportieren. Dies dient als erste Verteidigungslinie gegen eindringende Krankheitserreger.

Ungleiche Wechselwirkungen zwischen Zilien führen zu einer Synchronisation

Um eine synchronisierte und effiziente Welle zu erzeugen, müssen die Zilien ihre Schlagbewegungen genau koordinieren. Im Gegensatz zu Fußballfans, die ihre Nachbarn beobachten, und dem Nervensystem, das die Beine des Tausendfüßlers koordiniert, verfügen Zilien über kein solch intelligentes Kontrollsystem.

In ihrem neuen Studie veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften, betonen die Wissenschaftler David Hickey, Ramin Golestanian und Andrej Vilfan aus der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS die Bedeutung von Grenzregionen für die Koordination von Zilien. „Wenn viele Zilien dicht beieinander schlagen, können sie sich synchronisieren, indem sie auf der einen Seite leicht vor ihren Nachbarn und auf der anderen Seite etwas nach ihren Nachbarn schlagen – genau wie eine Welle in einem Stadion“, sagt Hickey, Erstautor der Studie.

Diese Synchronisation wird durch die die Zilien umgebende Flüssigkeit vermittelt und durch die Grenzregion initiiert. Bemerkenswert ist, dass zwei nahe beieinander schlagende Zilien nicht unbedingt die gleiche Kraft aufeinander ausüben. Je nach Position kann ein Flimmerhärchen stärker von seinem Nachbarn beeinflusst werden als umgekehrt, insbesondere in einem dichten Flimmerteppich, wie er in der Natur häufig vorkommt. Dies kann schließlich dazu führen, dass ein gerichtetes, nicht reziprokes Muster eine Welle bildet.

Die Synchronisierung der Zilien wird durch Grenzregionen initiiert

„Die Flimmerhärchen an einer Grenzregion übernehmen die Rolle eines Schrittmachers, der nacheinander andere Flimmerhärchen mitreißt“, fasst Hickey zusammen. „Diese Beobachtung unterscheidet sich von früheren Modellen, bei denen angenommen wurde, dass Grenzen die Ordnung stören“, fährt er fort. Diese Ansicht teilte auch der renommierte Physiker Wolfgang Pauli, der scherzte: „Gott hat Festkörper geschaffen, aber Oberflächen waren das Werk des Teufels.“

Wie man nun herausgefunden hat, können Grenzbereiche von Oberflächen tatsächlich ein besseres Verständnis der Selbstorganisation lebender Materie ermöglichen. Gleichzeitig offenbart das Modell verblüffende Ähnlichkeiten zwischen Mechanismen in der mikroskopischen Welt und auf der makroskopischen Ebene.