Wenn man rote Blutkörperchen zentrifugiert, sammeln sich die Zellen in roten „Streifen“ von oben (geringe Dichte) nach unten (hohe Dichte), dazwischen gibt es weiße Streifen mit weniger roten Blutzellen. Bisher ging man davon aus, dass dies am unregelmäßigen Wasserverlust liegt, den die Blutzellen mit der Zeit erleiden. Diese Annahme konnten Physiker der Universität des Saarlandes und der Universität Bristol nun widerlegen. Sie konnten nachweisen, dass die Blutzellen-Streifen viel mehr durch ihre eigene Anziehungskraft und Anhaftung an ihren Nachbarzellen entstehen.

Die Erkenntnis: Es ist die schiere Zahl der Zellen, die zur Streifenbildung führt. „Das Streifenmuster entsteht erst durch das Zusammenspiel sehr vieler Zellen. Im Experiment waren es rund eine Milliarde in einem Röhrchen“, so Doktorand Felix Maurer. Nachdem sie die Zahl der Zellen reduziert haben, konnten die Physiker ein gänzlich anderes Verhalten beobachten: „Ohne Aggregation, also Zusammenkleben von Zellen miteinander, verteilen sich die Zellen überall gleichmäßig, es entstehen keine Streifen“, erläutert Maurer.

Es ist also die Wechselwirkung aus Aggregation, der Ansammlung vieler Zellen auf engem Raum, und entgegengesetzter Gravitation, welche die Blutzellen dazu bringt, das typische Streifenmuster zu bilden. Diese fundamentalen Erkenntnisse könnten zum Beispiel eine wichtige Grundlage dafür sein, neue diagnostische Ansätze bei Erkrankungen des Blutes wie zum Beispiel einer Sichelzellenanämie zu entwickeln, in deren Verlauf sich Blutzellen verformen und sich ihr Strömungs- und Ballungsverhalten dementsprechend ändert. „Bei der Sichelzellenanämie zum Beispiel ergibt sich ein verändertes Streifenmuster, wie eine Studie aus dem Jahr 2021 gezeigt hat. Bisher konnte man aber nicht erklären, wieso das so war“, so Maurer.

Eine zweiter fundamentaler Aspekt, den die Studie beleuchtet, ist die Frage, wie in der Natur überhaupt Muster und Strukturen entstehen. Hierfür haben Felix Maurer, Alexis Darras und ihre Kolleginnen und Kollegen ein mathematisches Modell auf Basis der sogenannten Dynamischen Dichtefunktionaltheorie aus ihren Beobachtungen im Labor abgeleitet, das solche Musterentstehungen erklären kann. „Eine ähnliche Gleichung, wie wir sie nun in unserer Studie entwickelt haben, beschreibt auch die Muster von Zebrastreifen, Vogelschwärmen und Fingerabdrücken“, so Christian Wagner. Felix Maurer erklärt, was es damit auf sich hat: „In unserem Fall führt eine kurzreichweitige Wechselwirkung zwischen einzelnen Zellen dazu, dass sich eine bevorzugte makroskopische Streifenbreite und ein bevorzugter Streifenabstand herausbilden. Auch Vogelschwärme zeigen kollektives Verhalten. Dort entstehen die Formationen aus einfachen Nachbarschaftsregeln zwischen Individuen. Eine ähnliche Idee gibt es auch bei der Entstehung von Fingerabdrücken.“

Original Paper:

Band pattern formation of erythrocytes in density gradients is due to competing aggregation and net buoyancy | PNAS

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

Gender-Hinweis. Die in diesem Text verwendeten Personenbezeichnungen beziehen sich immer gleichermaßen auf weibliche, männliche und diverse Personen. Auf eine Doppel/Dreifachnennung und gegenderte Bezeichnungen wird zugunsten einer besseren Lesbarkeit verzichtet.