SCHALE KIPPEN, UND BAKTERIEN BREITEN SICH BERGAB AUS

Schwärmen ist eine Art, wie manche Bakterien gemeinsam unterwegs sind: Dichte Massen beweglicher Zellen breiten sich über eine weiche, feuchte Oberfläche aus, in einer dünnen Flüssigkeitsschicht, und bilden Cluster, Wirbel und kollektive Strömungen. Im Labor wachsen Schwärme zu Kreisen, verzweigten Formen oder Ranken.

Ihre physikalische Umgebung spielt eine Rolle — wie viel Wasser das Gel liefert, die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilms. Doch ein Faktor wurde weitgehend ignoriert, merkt das Paper an: die Schwerkraft. Standardexperimente verwenden waagerechte Schalen, in denen die Schwerkraft ein fester, neutraler Hintergrund ist. Eine ältere, von den Autoren zitierte Studie zeigte, dass die Richtung der Schwerkraft die Form von Staphylokokken-Kolonien veränderte, die in weichem Gel wuchsen.

Acht Winkel, von flach bis kopfüber

Pengxi Gu, Zijie Qu und Kollegen vom Global College der Shanghai Jiao Tong University, mit Mitautoren am Georgia Institute of Technology, an der Johns Hopkins University und an der Fudan University, arbeiteten mit Enterobacter sp. SM3, einem schwärmenden Bakterium, das ursprünglich aus dem Mäusedarm isoliert wurde — einer Umgebung, in der Oberflächen gekrümmt und selten waagerecht sind. Auf einer flachen Schale bildet SM3 eine fast runde Kolonie, eine saubere Referenz.

Sie setzten ein Tröpfchen Bakterien in die Mitte von Platten mit weichem Gel, ließen den Schwarm drei Stunden lang auf einer flachen Oberfläche starten und stellten die Platten dann in acht Ausrichtungen auf: flach (0°), nach oben gewandt geneigt um 30°, 45° und 75°, nach unten gewandt geneigt um 105°, 135° und 150°, und flach kopfüber (180°). Sie fotografierten die Kolonien stündlich bis zu neun Stunden lang — 15 unabhängige Kolonien pro Winkel — und filmten die beweglichen Zellen an fünf Punkten entlang des Randes jeder Kolonie unter dem Mikroskop.

Die mittleren Winkel gewinnen

Die Unterschiede bauten sich mit der Zeit auf. Am Ende hing das Wachstum der Schwärme nicht monoton von der Neigung ab: Die Kolonien wuchsen bei mittleren Neigungen am stärksten, am größten bei 75° und 45°, und am wenigsten auf Platten, die fast oder ganz kopfüber standen (150° und 180°). Nur leicht geneigte Platten, bei 30°, wuchsen etwas weniger als flache.

Auch welche Seite nach oben zeigte, spielte eine Rolle. Plattenpaare mit gleicher Neigung, eine nach oben und eine nach unten gewandt — 30° und 150°, 45° und 135°, 75° und 105° —, lieferten unterschiedliche Ergebnisse: Die nach oben gewandte Anordnung brachte in jedem Paar tendenziell größere Kolonien hervor.

Formen, die bergab gezogen werden

Flache Kolonien blieben fast kreisrund. Geneigte wurden schief und dehnten sich zur bergab gelegenen Seite aus:

• Ein Maß für die Asymmetrie der Form blieb auf flachen Platten bei etwa 0,1 und erreichte bei 75° 0,90.
• Die bergab gelegene Seite reichte zwischen 75° und 135° etwa 1,46- bis 1,52-mal so weit wie die bergauf gelegene.
• Manche Kolonien bildeten einen kometenartigen Schweif: Bei 75° rückte die bergab gelegene Spitze etwa 2,2-mal so schnell vor wie ihre beiden benachbarten Flanken.

Unter dem Mikroskop war das Bild feiner. Die Zellen bewegten sich auf geneigten Platten im Allgemeinen langsamer als auf flachen, und an der bergab gelegenen Spitze langsamer als am oberen Ende der Kolonie. Die Wirbel an der Spitze waren etwas kleiner und zahlreicher. Die Front, die am schnellsten vorrückte, war also diejenige, an der sich die Zellen am langsamsten bewegten — ein Zeichen, schreiben die Autoren, dass die lokale Zellgeschwindigkeit allein nicht erklären kann, wie der Rand vorankommt.

Ein Wasserfilm, in zwei Richtungen gezogen

Um diese Trends zu deuten, erweiterte das Team ein bestehendes Modell, das Schwärme als dünnen, zweilagigen Film aus Zellen und Wasser beschreibt, um die Schwerkraft, aufgeteilt in zwei Anteile. Der Anteil entlang der Oberfläche drückt den Film bergab. Der Anteil quer zur Oberfläche verändert den Druck im Film und damit, wie schnell Wasser aus dem darunterliegenden Gel nachsickert.

Das Modell, das nicht auf die realen Größen oder Zeiten der Experimente abgestimmt war, gab die Hauptmuster wieder, einschließlich des besten Winkels, 75°. Schaltete man jeweils einen Anteil ab, klärten sich die Rollen: Die Schwerkraft entlang der Oberfläche erzeugte die Dehnung bergab, während die Schwerkraft quer zu ihr nötig war, um nach oben gewandte von nach unten gewandten Platten zu unterscheiden.

Ein festsitzender Rand, der sich losreißt?

Die Studie verwendete einen einzigen Bakterienstamm unter kontrollierten Laborbedingungen, und das Modell ist eine vereinfachte Beschreibung. Die Autoren vermuten, dass sich an der bergab gelegenen Spitze Flüssigkeit und Zellen hinter einem festsitzenden Rand aufstauen könnten, bis er sich plötzlich losreißt, immer wieder, was auch die größeren Wirbel aufbrechen würde — doch sie kennzeichnen diesen Mechanismus als hypothetisch, zu prüfen mit synchronisierten Messungen der Front und der Strömung. Ihre allgemeinere Botschaft ist einfacher: Bei Schwärmexperimenten ist die Ausrichtung der Oberfläche kein neutrales Detail.