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Die Zhabotinsky-Reaktion als Modell einer Musterbildung

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Die Zhabotinsky-Reaktion geht aus von einfachen chemischen Verbindungen, mit denen komplexe Redoxreaktionen in Gang gesetzt werden.
Bromationen dienen als Oxidationsmittel.
Bromidionen hemmen die Oxidationsreaktion.
Nach Zugabe des Bromids bildet sich Brom, erkennbar an der braunen Farbe. Malonsäure ist der dritte Reaktionspartner.
Die Gesamtreaktion wird durch die oxidative Decarboxylierung von Malonsäure getrieben. Die Lösung entfärbt sich - hier leicht zeitgerafft dargestellt - innerhalb von
wenigen Minuten, da Brom weiterreagiert. Ferroin kommt als Redoxkatalysator zuletzt
hinzu. Es handelt sich um Eisen-II-Phenanthrolin. Diese Verbindung katalysiert die oxidative Decarboxylierung der Malonsäure.
Das homogene Gemisch wird in einer dünnen Schicht ausgegossen. Der Katalysator ändert seine Oxidationsstufe periodisch. Als Eisen-II-Phenanthrolin ist er orange, als
Eisen-III-Phenanthrolin schwach-blau. Er dient als Redoxindikator. In der homogenen Lösung entstehen spontan Zentren, von denen schwach-blaue Ringe ausgehen, gefolgt von breiteren orangefarbenen Ringen - hier leicht zeitgerafft dargestellt. Die Ausbreitung der Ringe beruht auf dem Zusammenspiel von Diffusion und Reaktion der Redoxpartner. Gleiche Farben entsprechen gleichen Oxidations-Zuständen. In der Mitte liegen zwei Zentren dicht nebeneinander. Die von ihnen ausgehenden Ringe wandern aufeinander zu, gleichfarbige Ringe verschmelzen miteinander. Die Ringe der verschiedenen Zentren sind unterschiedlich breit, bedingt durch unterschiedliche Reaktions- und Diffusionsgeschwindigkeiten. Die entstehenden Blasen zeigen die Bildung von CO 2 an. Bei den beiden Zentren im oberen Bildteil entstehen in kürzeren zeitlichen Abständen schmalere Ringe. Im Verlauf des Versuchs zwingen die Zentren mit den schmalsten Ringen auch den übrigen Zentren ihre Reaktionsgeschwindigkeit auf - sie fungieren als Schrittmacherzentren. Zu Versuchsbeginn befindet sich die gesamte Flüssigkeitsschicht im selben Oxidationszustand. Deshalb erfaßt der Farbumschlag gleichzeitig die gesamte Fläche. Allmählich entstehen aufgrund autokatalytischer Reaktionen zwischen den Nachbarbereichen zeitliche Verschiebungen der Reaktion, die zur Musterbildung führen. Wir betrachten nun ein einzelnes Schrittmacherzentrum, hier markiert durch den schwarzen Kreis. Die etwas stärkere Zeitraffung zeigt deutlich die periodischen Farbumschläge: das Schrittmacherzentrum oszilliert. Oszillationen sind auch an jeder anderen Stelle des Bildfeldes zu beobachten. Charakteristisch für Systeme des Zhabotinsky-Typs ist die Entstehung von Schrittmacherzentren sowie die wellenförmige Ausbreitung chemischer Reaktionen. Diese sind vernetzt und gekoppelt und autokatalytisch gesteuert. Die Oszillationsreaktion kann nur so lange ablaufen, wie chemische Energie umgesetzt wird. Hierbei wird Malonsäure verbraucht und CO 2 gebildet. Wird das chemische Gleichgewicht erreicht, so hört die Musterbildung auf. Wegen des notwendigen Energieflusses spricht man von einem dissipativen Muster. Auch biologische Systeme zeigen insbesondere bei morphogenetischen Prozessen analoge Vorgänge, die an Aufnahmen aus dem Jahre 1963 gezeigt werden. In der Aggregationsphase
des Schleimpilzes Dictyostelium entstehen Schrittmacherzentren,
von denen konzentrische Wellen ausgehen.
Hier eine mehrfache Wiederholung des zeitgerafften Vorgangs.
Aggregationsbereite Amöben, die in Richtung auf die Zentren
wandern, erzeugen das Wellermuster durch
rhythmische Veränderungen ihrer Zellform. Bei
starker Vergrößerung erkennt man die
rhythmische Streckung und Kontraktion der Einzelamöbe zum Schrittmacherzentrum hin - hier nach rechts unten. Die Streckung wird durch cyclisches AMP induziert, das vom Schrittmacherzentrum periodisch abgegeben wird. Die wellenförmige Verteilung des cyclischen AMP, die auf
autokatalytischen Prozessen beruht ist chemische
Grundlage für die Aggregation der Amöben.
Redoxsystem
Mineralgang
Oxidans
Oxidation
Malonsäure
Decarboxylierung
Bromide
Lösung
Ferroin
Malonsäure
Decarboxylierung
Experiment innen
Chemische Verbindungen
Fleischersatz
Oxidationszahl
Periodsäure
Reaktionsführung
Malonsäure
Katalysator
Reaktionsgeschwindigkeit
Lösung
Chemischer Prozess
Chemische Energie
Homöostase
Traubensaft
Mikroskopie
Mikroskopie
Mikroskopie
Mikroskopie
Cyclo-AMP
Chemischer Prozess
Mikroskopie
Aggregation
Computeranimation
Mikroskopie

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Die Zhabotinsky-Reaktion als Modell einer Musterbildung
Alternativer Titel The Zhabotinsky Reaction as a Model of Pattern Formation
Autor Hock, Bertold
Bolze, Alfred
Mitwirkende Trude Hard (Redaktion)
Horst Wittmann (Kamera und Schnitt)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.3203/IWF/C-1473
IWF-Signatur C 1473
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1983
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1980

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 99 m ; F, 9 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Chemie
Abstract Dissipative Muster bilden sich in ursprünglich einfachen chemischen Verbindungen. Ausgehend von Schrittmacherzentren pflanzen sich chemische Wellen einer Redoxreaktion fort, die am Farbumschlag eines Redoxkatalysators erkennbar ist. Die Dekarboxylierung der Malonsäure treibt die Gesamtreaktion. Die Musterbildung bei der Aggregation der Amöben von Dictyostelium (Aufnahmen in Zusammenarbeit mit G. Gerisch, 1963) verläuft analog.
Schlagwörter Dictyostelium
Zhabotinsky-Reaktion
Zellbiologie
Synergetik / Zhabotinsky-Reaktion
Musterbildung / Zhabotinsky-Reaktion
Morphogenese
dissipative Muster / Zhabotinsky-Reaktion

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