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Bewegung in der lebenden Zelle

Göttinger Wissenschaftler: Neue Untersuchungsmethode Bewegung in der lebenden Zelle

Ein Forscherteam aus Deutschland, den Niederlanden und den USA hat eine Methode entwickelt, die Bewegungsprozesse in lebenden Zellen nach ihrem Energieverbrauch unterscheidet. Um die in Zellen gängigen beiden Antriebsarten zu erkennen, wurden Prinzipien der statistischen Thermodynamik angewendet.

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Anlehnung an Zellexperimente: Skizzierte Darstellung, wie Energie von den fluktuierenden Zilien durch Kollisionen auf das Flügelrad übertragen wird.

Quelle: Grafik: NIM, DDD, pug

Göttingen. Um die Funktion von Zellen zu verstehen, ist es nach Angaben der Universität Göttingen wichtig, zwischen Vorgängen zu unterscheiden, die aktiv durch den Verbrauch von metabolischer Energie angetrieben werden, und solchen, die nur aufgrund von thermischer Kollision stattfinden.

Ein Charakteristikum lebender Systeme ist, dass sie fortwährend Energie verbrauchen müssen, um am Leben zu bleiben - Energie, die durch Photosynthese oder Stoffwechsel gewonnen wird. Dieser Zustand des „thermodynamischen Ungleichgewichts“ unterscheidet sie von toter Materie, die sich meistens im „thermodynamischen Gleichgewicht“ befindet.

Mikroskopische Bewegungsprozesse in lebenden Zellen können jedoch sowohl durch thermodynamisches Ungleichgewicht als auch beispielsweise durch die Bombardierung durch kleine Moleküle - wie etwa Wassermoleküle - in Gang gesetzt werden. Letzteres findet auch im Gleichgewicht statt. Welcher Art der Antrieb ist, lässt sich auch bei mikroskopischer Betrachtung nicht immer zweifelsfrei feststellen.

Die Forscher wandten nun fundamentale Prinzipien der statistischen Thermodynamik an, um die beiden verschiedenen Antriebsarten eindeutig zu unterscheiden. Durch die sorgfältige Evaluation von Aufnahmen eines Videomikroskops konnten sie Bewegungsprozesse identifizieren, bei denen bestimmte Vorgänge zyklisch in einer bestimmten Richtung abliefen, was im Gleichgewicht strikt ausgeschlossen und damit ein Beweis für ein System im thermodynamischen Ungleichgewicht ist.

„Diese Erkenntnis ist wichtig für die Biologie, aber auch für die statistische Physik und die Biophysik, da sie eine einfache und praktische Methode darstellt, um nachzuweisen, welche Prozesse in lebenden Systemen aktiv angetrieben werden“, erläutert einer der beiden Leiter der Studie, Prof. Christoph Schmidt vom III. Physikalischen Institut der Universität Göttingen.

Neben den Universitäten Göttingen und Amsterdam waren Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München, der amerikanischen Universitäten Princeton und Yale sowie des Massachusetts Institute of Technology an der Studie beteiligt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.

pug

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