Vom Werden – Entwicklungsdynamik in Natur und Gesellschaft

Der Raum zwischen zwei zylindrischen Containern (Couette-Zelle) ist mit einer sirup-artigen, hoch-viskosen Flüssigkeit gefüllt. Mittels einer Handkurbel wird der innere der beiden Zylinder sehr langsam gedreht. Die dadurch erzeugte Scherung in der Flüssigkeit ist laminar; die Geschwindigkeit der Strömung nimmt vom bewegten inneren hin zum unbewegten äußeren Zylinder bis auf null ab. Fügt man mit einer Spritze einzelne Farbpunkte in die Flüssigkeit, werden die Tropfen durch die mittels der Bewegung des inneren Zylinders erzeugten Scherkräfte verzogen.

Kehrt man die Drehrichtung des inneren Zylinders und damit die Bewegung der Flüssigkeit um, erscheinen die farbigen Tropfen genau nach der gleichen Zahl von Umdrehungen in ihrer ursprünglichen Gestalt und am ursprünglichen Ort wieder in der Flüssigkeit. Es scheint, als liefe die Zeit rückwärts - die Bewegung ist zeit-reversibel. Mit einer kleinen Einschränkung: Die Brownsche Bewegung der Flüssigkeits- und Farbmoleküle sorgt bei genügend langer Zeit dafür, dass sich die Farbmoleküle gleichmäßig zwischen den Flüssigkeitsmolekülen verteilen – ganz ohne zusätzliche Bewegung oder Durchmischung von außen.

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Bewegung der einzelligen Grünalge Chlamydomonas, die ca. zehn Mikrometer Durchmesser hat (Darstellung in 1000-facher Vergrößerung). Das ist so groß wie eine typische Zelle in unserem Körper und entspricht ca. 1/5 des Duchmessers eines feinen Haars. Chlamydomonas kann sich mittels zweier beweglicher Flimmerhärchen (Flagellen) aktiv bewegen. Die beiden zehn Mikrometer langen Zellfortsätze schlagen ungefähr 30-mal pro Sekunde und sorgen für eine Geschwindigkeit von circa 120 Mikrometer pro Sekunde.

Damit können die photosynthetischen Algen eine gerichtete Bewegung hin zum Licht auszuführen. Hat sich die Alge in einen geeignet lichtdurchfluteten Lebensraum bewegt, kann sie sich mit Hilfe ihrer beiden Flagellen am Untergrund festhaften.

Sobald Chlamydomonas mit ihren Flagellen an eine Oberfläche stößt, korrigiert sie ihre Bewegungsrichtung. Vergleichbar einer blinden Person „erfühlt“ die Zelle ihren Weg entlang der Oberfläche, um sich wieder davon entfernen zu können.

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Im ventrikulären System von Gehirn und Wirbelsäule bewegen Flimmerhärchen die Gehirn-Rückenmark-Flüssigkeit (Liquor): innerhalb eines Tages werden im Gehirn 500 bis 700 Milliliter Liquor durch Ultrafiltration des Blutes produziert, transportiert und von Venen- bzw. Lymphgefäßen wieder aufgenommen. Mit dem Liquor werden unter anderem Signalmoleküle transportiert.

Der Fluss verläuft über die beiden lateralen Ventrikel durch die Foramen interventriculare auf jeder Seite zum dritten Ventrikel. Der enge Kanal des Aquaeductus mesencephali verbindet den dritten mit dem vierten Ventrikel, von dort gelang der Liquor in den äußeren Liquorraum des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks.

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Am 3D-Schnittmodel eines schlagenden menschlichen Herzens (10 cm Größe, Strömungsgeschwindigkeit etwa einen halben Meter pro Sekunde) kann man die muskuläre Pumpbewegung verfolgen. Dadurch wird eine turbulente Strömung und damit Durchmischung des Blutes in der aufsteigenden Aorta und an den Herzklappen erzeugt. Die Turbulenz des Blutstroms an den Herzklappen ist als Herzschlag hörbar.

In gesunden Blutgefäßen des Körpers herrscht eine laminare Strömung vor. Vor allem in den großen Blutgefäßen wie der Aorta oder an Verzweigungen und gekrümmten Gefäßverläufen kann der gleichmäßig fließende Blutstrom jedoch ebenfalls in Turbulenz umschlagen. An diesen Stellen können Entzündungen der Gefäßwand und atherosklerotische Veränderungen auftreten. Die Strömungsgeräusche dieser Turbulenz lassen sich ebenfalls hören und können zur Diagnose herangezogen werden.

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In der Luft wird ein Aerosol verteilt, so dass die Lichtstrahlen eines Lightsheets (Lichtfächer mit grünem Laserlicht von 5 Watt Stärke und ca. 1 cm Dicke) durch Streuung von der Seite sichtbar werden, analog der Sichtbarkeit von turbulenten Luftströmungen durch Wassertropfen in den Wolken.
Weitere Erläuterungen siehe Publikation „Vom Werden“.

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