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Josef Griesbauer

• In lebenden Systemen sind Lipidmembranen (Lipid-Bilayer) ubiquitär, so dass ihre Dynamik eine entscheidende Rolle für natürliche Prozesse und das Leben selbst spielt. Ein augenscheinliches Beispiel für einen solchen dynamischen Prozess ist die Nervenreizleitung. Im Gegensatz zu deren anerkannten Beschreibung in der elektrischen Theorie nach Hodgkin und Huxley soll die alternative Betrachtung von Nervenreizen als akustische Wellen/Pulse auf Lipidmembranen das zentrale Thema dieser Arbeit darstellen. Dazu wird das Modell des Lipid-Monolayers für die theoretischen oder experimentellen Untersuchungen gewählt, da es hervorragenden Zugang zu den elastischen Eigenschaften von Lipidmembranen gibt und dabei experimentell einfach umzusetzen ist. Die Entwicklung einer dynamischen Monte-Carlo-Simulation für Lipid-Monolayer liefert zunächst Ergebnisse, die eine Brücke zwischen der mikroskopischen Vorstellung zu den makroskopischen Messungen, der betrachteten statischen und dynamischen Experimente,In lebenden Systemen sind Lipidmembranen (Lipid-Bilayer) ubiquitär, so dass ihre Dynamik eine entscheidende Rolle für natürliche Prozesse und das Leben selbst spielt. Ein augenscheinliches Beispiel für einen solchen dynamischen Prozess ist die Nervenreizleitung. Im Gegensatz zu deren anerkannten Beschreibung in der elektrischen Theorie nach Hodgkin und Huxley soll die alternative Betrachtung von Nervenreizen als akustische Wellen/Pulse auf Lipidmembranen das zentrale Thema dieser Arbeit darstellen. Dazu wird das Modell des Lipid-Monolayers für die theoretischen oder experimentellen Untersuchungen gewählt, da es hervorragenden Zugang zu den elastischen Eigenschaften von Lipidmembranen gibt und dabei experimentell einfach umzusetzen ist. Die Entwicklung einer dynamischen Monte-Carlo-Simulation für Lipid-Monolayer liefert zunächst Ergebnisse, die eine Brücke zwischen der mikroskopischen Vorstellung zu den makroskopischen Messungen, der betrachteten statischen und dynamischen Experimente, schlagen. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit stellt aber die experimentelle Untersuchung von Wellenphänomenen auf Lipid-Monolayern dar. So wird gezeigt, dass Monolayer auf elektrischem Weg zu hochfrequenten Wellenphänomenen (ungefähr gleich 10MHz) angeregt werden können, deren Verhalten dem von rein akustischen Wellen mit Ausbreitungsgeschwindigkeiten von ungefähr gleich 100m/s gleichkommt. Die Anregung von niederfrequenten (ungefähr gleich 1Hz) Druckpulsen wird schließlich auf chemischem Weg durch das Aufbringen verschiedener Substanzen auf die Monolayer erreicht. Durch die direkte, zeitaufgelöste Messung dieser Pulse wird gezeigt, dass sie Ausbreitungsgeschwindigkeiten von ungefähr gleich 1m/s besitzen und sowohl mechanische als auch elektrische Signale auf den Monolayern erzeugen. Die in dieser Arbeit vorgestellten, experimentellen Ergebnisse unterstützen die Vorstellung von Wellen entlang von Nervenfasern als Bild für die Nervenreizleitung (Nervenreizleitungsgeschwindigkeiten ungefähr gleich 0,1-100m/s). Auf Grundlage dieser Idee wird zuletzt eine einfache Wellentheorie der Nervenreizleitung vorgeschlagen, die die elektrische Theorie nach Hodgkin und Huxley in vereinfachter Form beinhaltet. Dabei gibt die Wellenvorstellung in dieser Theorie Zugang zur mechanischen, thermischen und elektrischen Phänomenologie der Nervenreizleitung.…
• Lipid monolayers are chosen as a model for biological membranes, e.g. nerve cell walls. On the theoretical side a simple Monte-Carlo-Method is implemented, which allows both to partially simulate lipid dynamics and to use all advantages of common Monte-Carlo-Methods. On the experimental side, acoustic wave phenomena on lipid monolayers are excited. Therefore on one side high frequency electrical fields combined with adequate IDT structures are used. On the other side simple chemical reactions are used to excite low frequency pulses on the monolayers, by simple addition of small droplets of different solvents. Both experimental methods propose simple propagation mechanism for monolayers and their easy excitability. In this respect a simple model for nerve pulse propagation in form of a wave equation is proposed, including a simplification of the common theory of Hodgkin and Huxley.