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Die Chemorezeption (Geruch, Geschmack, Chemotaxis) basiert auf der Erkennung einzelner Moleküle oder kleiner Molekülgruppen. Der Prozess beginnt mit dem Transport der Moleküle von der Quelle zum Rezeptor: In der Luft (D 10 m²/s) ist die freie Diffusion langsam (Stunden für die Überquerung eines Meters), aber die Konvektion (Pe = uL/D >> 1) transportiert die Moleküle viel schneller und bildet Geruchsfahnen, die die Tiere aktiv verfolgen.

Die Rezeptor-Ligand-Bindungskinetik folgt dem Hill-Modell: = [L]^n/(K_d^n + [L]^n). Wenn n = 1 (nicht kooperativ, Langmuir) ist die Kurve hyperbolisch; für n > 1 (kooperativ, wie bei Hämoglobin) ist die Kurve sigmoidal mit einer steileren Reaktion in der Nähe von K_d. Das menschliche Geruchssystem hat einen typischen K_d von 10 10 M, was es außerordentlich empfindlich macht.

Die Nachweisschwelle N_min C_threshold · V · N_A quantifiziert die Mindestanzahl an Molekülen, die zur Aktivierung des Rezeptors erforderlich sind: Bei Insekten-Geruchsrezeptoren kann N_min nur 110 Pheromonmoleküle betragen. Das Geruchssystem der Motte kann Sexualpheromon in Konzentrationen von 10¹ M erkennen, was 6 Molekülen pro cm³ Luft entspricht.

Der Konzentrationsgradient C/L_sensor ist das Signal für die Chemotaxis: E. coli-Bakterien erkennen C/C 0,001 zwischen ihren Extremen (L 2 m), was die Erkennung von Konzentrationsunterschieden von 1 zu 1000 zwischen Kopf und Schwanz erfordert. Dieser räumliche Gradient lenkt die Bewegung in Richtung höherer Konzentrationen (Lockstoffe) oder niedrigerer Konzentrationen (Repellentien). Bei Säugetieren kombinieren Neuronen im Riechkolben Signale von Tausenden von Rezeptoren, um räumliche Geruchsgradienten zu erkennen.

Die Péclet-Zahl Pe = uL/D vergleicht Advektion mit Diffusion: Pe >> 1 bedeutet, dass der konvektive Transport dominiert (der Luft-/Wasserstrom trägt den Geruch); Pe << 1 bedeutet, dass die Diffusion dominiert. Schmetterlingsantennen (L 1 mm, u 0,1 m/s, D 10 m²/s) haben Pe 10, in dem Bereich, in dem beide Mechanismen von Bedeutung sind und die Antennengeometrie (pektiniert für eine größere Oberfläche) die molekulare Erfassung maximiert.

>Modell

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Beschreibung

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