Sperm and Cilia Dynamics

Spermien schwimmen durch Flüssigkeiten mithilfe einer aktiven schlangenförmigen Bewegung ihres Schwanzes, dem Flagellum. Experimentell hat sich herausgestellt, dass sich Spermien stets an Oberflächen ansammeln. An der Oberfläche schwimmen sie dann in einer kreisförmiger Bewegung, deren Ausrichtung von der Spezies abhängt. Zilien sind haarähnliche Zellfortsätze, die mit einer peitschenförmigen Bewegung Flüssigkeit, oder die Zelle, bewegen. Zilien finden sich in den verschiedensten Organismen. Zum Beispiel benutzt das Pantoffeltierchen Zilien zur Fortbewegung, während in der menschlichen Lunge Zilien Schleim und Fremdkörper heraus transportieren. Das spannendste Phänomen, welches man bei Zilien beobachten kann, ist wohl die "Metachronal Wave". Wenn viele Zilien gemeinsam schlagen, bildet sich spontan ein Wellenmuster aus, ganz ähnlich dem eines Weizenfeldes im Wind. Zilien und Flagellen haben eine gemeinsame Struktur, das Axonem. Wir simulieren ein Modellaxonem aus drei semiflexiblen Polymerstäben die zu einer kranähnlichen Struktur zusammengefasst sind. Mithilfe einer mesoskopischen Simulationsmethode, genannt Multi-Particle Collision Dynamics (MPCD), werden hydrodynamische Wechselwirkungen berücksichtigt. Im Zuge dieser Arbeit wird MPCD zum ersten Mal erfolgreich auf aktive biologische Systeme angewandt. In Simulationen von Spermien wird die Axonemstruktur chiral um einen Kopf ergänzt. Es zeigt sich, dass die Schwimmtrajektorie des Spermiums stark vom Grad der Chiralität abhängt. In freier Flüssigkeit finden wir einen dynamischen Übergang der Trajektorie zwischen einer ausgeprägten Helix und einer fast geradlinigen Bewegung. In der Nähe einer Wand können wir sowohl die Adhäsion an der Grenzfläche, als auch die orientierte kreisförmige Bewegung reproduzieren. Die Ursache für die Adhäsion an der Wand findet sich interessanterweise in der Abstossung des Flagellums von der Wand. Kreisförmige Bewegung und Richtung werden hingegen von der Chiralität des Spermiums bestimmt. Zur Untersuchung der Ziliendynamik wird ein Gitter von typischerweise 20 mal 20 Zilien betrachtet, in dem Axonemstrukturen senkrecht auf einer Wand verankert werden. Das Schlagmuster der Zilien wird der biologischen Situation nachempfunden. Dabei ist entscheidend, dass das Schlagmuster duch äussere Einflüsse modifiziert werden kann, so dass die Entstehung einer Metachronal Wave durch Synchronisation verschiedener Zilien ermöglicht wird. Zum ersten Mal sind wir in der Lage, die Metachronal Wave auf einer ausgedehnten Fläche unabhängig schlagender Zilien in Simulationen zu beobachten. Es zeigt sich, dass die Metachronal Wave gravierende Auswirkungen auf Transportgeschwindigkeit und Effizienz hat. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit steigt durch die Metachronal Wave um bis zu einem Faktor 3.2 im Vergleich zu einem gleichartigen, synchron schlagenden System. Da gleichzeitig die Leistungsaufnahme sinkt, steigt zudem die Effizienz um bis zu einer Grössenordnung. Weiterhin charakterisieren wir Transport und Welleneigenschaften als Funktionen der Schlagrichtung, dem Zilienabstand und der Viskosität der Flüssigkeit. Wir sind überzeugt, dass sowohl die Effizienz als auch im besonderen die Transportgeschwindigkeit entscheidend sind für die Fitness der Zelle. Die Metachronal wave ist daher von grosser funktionaler Bedeutung für Zellen mit Zilien