Wie Muskeln Arbeit verrichten

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… aber nicht einfacher
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Manchmal darf man ja auch seine Wissenslücken teilen – bzw. seine Irrtümer, und am besten noch deren Aufklärung. Ich muss gestehen: Ich hatte bis vor kurzem kaum darüber nachgedacht, wie Muskeln funktionieren. Eine vage Vorstellung davon, dass man mit elektrischen Impulsen über die Nerven zusammenziehen bewirken kann – kennt man ja als Physiker aus der Historie der Elektrodynamik, mit Galvani und seinen Froschschenkeln (“bilden Sie mal ein Wort mit Doppel-sch”):

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Froschschenkelexperiment von Luigi Galvani, via Wikimedia Commons

Einige Details, nämlich Galvanis Vorstellungen von der “tierischen Elektrizität”, die späteren Experimente an Hingerichteten und den direkten Einfluss auf Mary Shelleys Roman über Frankensteins künstlichen Menschen, habe ich erst jetzt beim Blogartikelschreiben aus dem Wikipedia-Eintrag zu Galvanismus gelernt, aber um diese sekundären Elemente des Unwissens geht es mir hier nicht.

Mir geht es um die Ebene darunter, denn auch wenn Galvani da vielleicht andere Vorstellungen hatte: Muskeln werden schließlich nicht mit elektrischer Energie betrieben. Auf molekularer Ebene wusste ich nur vage: da gibt es dieses komplexes Molekül namens ATP, das wir fortwährend mithilfe von Ernährung und Atmung erzeugen und das dann nutzbare Energie in alle Zellen trägt, die so etwas benötigen, um ihren Aufgaben nachzukommen.

Ich erinner mich auch noch an einen Film, den einer der Laureaten bei einem der Lindau-Treffen gezeigt hat (ich weiß, keine sehr detaillierten Quellenangaben!); ich glaube, es war dieser Film hier:

Daran hat mich nicht nur die Komplexität beeindruckt, sondern vor allem auch die molekulare Rotationsmaschinerie am Anfang. Leben ist schon beeindruckend kompliziert im Vergleich mit dem, was einen sonst so als Astrophysiker beschäftigt.

Über den Rest hatte ich mir allerdings keine Gedanken gemacht. Anders gesagt schien da alles physikalisch klar: Nutzbare Energie wird produziert und dann eben in den Zellen für mechanische Arbeit genutzt. Simpel genug.

Darauf aufmerksam gemacht, dass es eigentlich ganz anders ist, hat mich mein geschätzter Heidelberger Kollege Björn Malte Schäfer in einem Gespräch am Rande der WE Heraeus-Vier-Städte-Sommerschule dieses Jahr in Jena. Wenn ich recht erinnere, war unser Thema sogar: Dinge, die ganz anders sind, als man denkt. (Zu diesem Stichwort war uns beim Thema der Sommerschule, Gravitationswellen, im Laufe der Woche so einiges untergekommen.)

Björn nannte als Beispiel gerade die Frage, woher Muskeln die nötige Energie nehmen, um Arbeit zu verrichten. Nicht direkt aus dem ATP, wie sich herausstellt, sondern auf trickreichere Weise.

Björn hat das vor ein paar Jahren in diesem Gastbeitrag im Blog The Trenches of Discovery beschrieben. Leseempfehlung! Das coole an der Erklärung ist, dass man als Physiker immer wieder zwischen “Das kann doch gar nicht gehen!” und, “Oh, geht doch, weil…” hin- und heroszilliert. Das schöne Bild vom zielgerichtet entlangwandernden Kinesin auf einem Mikrotubulus wie in dieser Animation aus The Inner Life of a Cell (Harvard University)…

https://youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y%23t%3D1m15s

…kann eigentlich nicht so einfach funktionieren, weil die thermische Energie, die da am Fluktuieren ist, viel größer ist als das bisschen nutzbare Energie, das ATP liefern kann. Stattdessen machen sich Muskeln eben diese thermische Energie zunutze. Aber Moment mal, das kann doch eigentlich nicht gehen, denn thermische Energie fluktuiert auf alle möglichen Weisen – die Moleküle würden damit eine Art Zufallsbewegung durchführen, aber nicht in eine Richtung vorankommen? Doch, wenn die Natur so eine Art Sperrklinke eingebaut hat, die nur Bewegungen in eine Richtung zulässt und so die thermischen Fluktuationen sozusagen gleichrichtet. (In den Feynman Lectures kommt solch ein System vor, dort aber in Analogie zur Alltagsmechanik realisiert.)

Aber Moment mal, ist das nicht genau so unmöglich wie der Maxwell’sche Dämon, der aus der Unordnung thermischer Bewegung gezielt bestimmte Unterkomponenten herausfiltern und so die Temperatur widerthermodynamisch senken soll? Nur im thermodynamischen Gleichgewicht; ergo muss es sich um ein Ungleichgewicht handeln. Und zwar um ein chemisches; da schließt sich der Kreis, denn das chemische Ungleichgewicht (sprich: die beteiligten Stoffe liegen in anderen Konzentrationen vor, als wenn man sie ganz lange hin- und herreagieren lässt) kommt eben zustande, weil immer wieder neues ATP herangeschafft wird.

Und zu den Fallen der Visualisierung habe ich auf diese Weise auch wieder etwas gelernt, denn Wärmebewegung wird offenbar bei The Inner Life of the Cell schlicht unterdrückt oder zumindest sehr abgeschwächt. Wichtig, damit man überhaupt etwas sehen kann, aber höchst irreführend, weil solche Fluktuationen in der Welt des Allerkleinsten nun einmal eine wichtige Rolle spielen. Einfach ist das nicht. Aber sehr spannend, finde ich.


 

Anders als in mir vertrauteren Gebieten habe ich auf diesem hier keinen Überblick, was es noch an interessanten Artikeln, Filmen etc. gibt – wer Hinweise hat: bitte in den Kommentaren posten!

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

9 Kommentare

  1. “bilden Sie mal ein Wort mit Doppel-sch”

    Tischschublade; Fischschuppe; Naschschale; Deutschschprachig (!)

    “wer Hinweise hat:”

    Vielleicht diesen hier:

    Molekulare Motoren im Vergleich (u.a. Myosin/Action und Kinesin/Microtubuli)

    Dort wird sowohl etwas über Effizienz (20 – 100%) als auch maximale Kraft (3 – 40 pN) ausgesagt und zudem über die Art der Bewegung: Rennen/Hüpfen; Gehen; Kriechen

    (Disclaimer: Alles gefunden mit freundlicher Unterstützung durch Google)

  2. Danke für die Links auf weitere Animationen – auch wenn da, soweit ich sehen kann, auch nicht genügend thermische Fluktuationen sind. (Und danke natürlich auch für die Wörter mit Doppel-sch.)

  3. Hallo Markus, vielen Dank fuer diesen post und fuer die tollen Videos, die du zur Illustration gefunden hast. Ich bin sehr davon fasziniert, wie anders im Vergleich zu unseren Maschinen molekulare Maschinen funktionieren: Die Quelle der Bewegung ist die thermische, zufaellige Bewegung, waehrend die Energie nur verwendet wird, um die Bewegung zu steuern, und genau das kommt vielleicht bei den Videos, so toll und faszinierend sie sind (Wie koennte man das Kinesin nicht moegen, wie es auf dem Mikrotubulus entlanglaeuft!), nicht genug zur Geltung. Molekuele schwimmen nicht direkt an die Stelle, an der sie gebraucht werden, sondern sie kommen dort zufaellig vorbei. Und das ist meine zweite Anmerkung: Unsere Maschinen sind deterministisch, und ein fehlendes oder kaputtes Teil fuehrt zum Ausfall. In den mikroskopischen, statistischen Maschinen ist Zufall eine wichtige Komponente. Es genuegt voellig, einen Vorgang wahrscheinlich genug zu machen, und auf dem Weg der Evolution kann man sich einfacher vorstellen, wie aus der zufaelligen thermischen Bewegung der Molekuele immer effizientere Vorgaenge werden, weil die Wahrscheinlichkeit besser kontrolliert wird; so gesehen funktionieren die Maschinen auch immer noch, wenn auch mit geringerer Effizienz, wenn Teile fehlen oder eine andere Form haben.
    Um auf deine zweite Aufforderung zu antworten: Der Reparaturmechanismus fuer DNA-Strangbrueche ist sehr faszinierend, oder auch warum DNA geschlossene Ringe bildet. Und die erste Aufforderung: “Waschschuessel”.

  4. Hallo Markus, mir sind etwas eingefallen, wie etwas auf eine unerwartete Weise funktioniert: Es gibt einen Unterschied zwischen mikroskopischen Lebewesen, die im Wasser leben und groesseren Tieren: Die kleinen haben immer eine Art Propeller, wie etwa die Flagellen bei Bakterien, und groessere Lebewesen, wie Wimpertierchen, eine Art Ruder. Das liegt in den Eigenschaften der Navier-Stokes-Gleichung bei verschiedenen Reynoldszahlen begruendet.

  5. Hallo Markus,
    als letzten Kommentar (versprochen!) wollte ich anmerken, dass ich mal wirklich gerne verstehen wuerde, wie genau die Spannungserzeugung bei Zitteraalen und Zitterrochen funktioniert – irgendwie kann ich mir nicht vorstellen, wie das mit der Ausschuettung von Ionen zusammenhaengt und wie sich die Spannungen in den Nerven, die ja nur 0.01..0.1 Volt betragen, zu diesen unglaublichen Werten addieren. Vielleicht waere das ein tolles follow-up Projekt fuer den Galvanismus?