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Turing-Muster in der Methylenblau-Sauerstoff-Reaktion   

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Viele Systeme in der Biologie, Chemie und Physik bilden geordnete Strukturen und Muster aus. Ein Beispiel fuer strukturbildende Systeme sind Reaktions-Diffusionssysteme. Die Kopplung dieser beiden Mechanismen kann unter bestimmten Bedingungen zur Ausbildung raum-zeitlich stationärer  Strukturen - den Turing-Mustern führen. [1]  Solche Muster haben Einfluß auf die biologische Morphogenese. Postuliert wurde die Aktivierung der Biosynthese von Farbpigmenten sowie die Aktivierung bestimmter Gene bei verschiedenen Organismen durch stationäre chemische Muster. Die Fellzeichnung von Leoparden, Zebras und die Zeichnung bei vielen Fischarten läßt auf solche Einwirkungen schließen.

Wir untersuchen ein Reaktions-Diffusionssystem, welches im wesentlichen aus Methylenblau, Sulfid und Sauerstoff besteht und in eine Polyacrylamid-Gelmatrix  (PA) eingebettet ist. Im nichtlinearen Methylenblau-Sulfid-Sauerstoff-Oszillator (MBO) stellt die Oxidation von HS^- mit O₂ katalysiert durch Methylenblau (MB⁺) die wesentliche chemische Reaktion dar. MB⁺ erhöht seine eigene Produktion  und kann damit als Aktivator der Reaktion angesehen werden. Die Rolle der Inhibitoren nehmen der molekulare Sauerstoff O₂ und das Hydrogen-Sulfid-Radikal HS* ein. [2] Das für die Ausbildung der Turing-Muster notwendige Verhältnis der Diffusionskoeffizienten von Aktivator und Inhibitor (D_A<D_I) wird im PA-MBO-System wahrscheinlich durch reversible Bindung des Methylenblau an die Polyacrylamid-Gelmatrix erreicht.

Die Muster erscheinen ca. 10 Minuten nach Ansetzen des Gemisches. Ihre intrinsische Wellenlänge ist ca. 2 mm.
 

 

Die  Musterbildung hängt von der Wahl der richtigen Bifurkationsparameter als Startwert  und vom Zeitverlauf der Bifurkationsparameter ab : das System geht in einen anderen Zustand über.

Rezept
 

Referenzen:

[1]  Turing A. M. ,The Chemical Basis of Morphogenesis ,Trans. R. Soc. Lond. B : 237 (1952), 37

[2]  Watzl A. und Münster A.F. ,Turing-like Spatial Patterns.. ,Chem. Phys. Lett. 242 (1995), 273

[3]  Burger M. und Field R.J. ,A new chemical oscillator.. ,Letters to Nature 307 (1984)

[4]  Castets V., Dulos E. ,Boissonade J. und De Kepper P. ,Experimental Evidence.. ,Phys. Rev. Lett. 64 (1990), 2953

[5]  Vigil R.D. ,Ouyang Q. und Swinney H.L. ,Turing Patterns.. ,Physica A 188, 17-25 (1992)

[6]  Zhang Y.X. und Field R.J. ,Simplification of a Mechanism.. ,J. Phys. Chem. 95 ,No.2 (1991), 723-727

[7]  Schneider F.W. und Münster A.F. ,Nichtlineare Dynamik in der Chemie ,Spektrum Akademischer Verlag, 1996