Als ausgewachsene Wesen wissen wir im Allgemeinen, wo vorn und wo hinten ist. Aber woher wusste das die Eizelle, aus der wir entstanden sind?

Bei dem Fadenwurm mit dem stilvollen Namen Caenorhabditis elegans verläuft bereits die allererste Teilung der befruchteten Eizelle asymmetrisch. Die eine der beiden neu entstandenen Tochterzellen entwickelt sich später zum Kopfende, aus der anderen wächst das Schwanzende heran.

Der Physiker Stephan Grill hat gemeinsam mit Kollegen seines Fachgebietes und Biologen die Mechanik dieses Vorganges aufgeklärt. Grill hat einen Fuß im Max-Planck-Institut für die Physik komplexer Systeme, mit dem anderen steht er beim Schwesterinstitut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden.

Wie kommt die Asymmetrie zustande? Möglich wird das durch eine Art Netzstrumpf, der direkt unter der äußeren Umhüllung liegt und die gesamte Oberfläche der Zelle überzieht. Anders als ein echter Strumpf kann er sich aus eigener Kraft verformen. Er besteht nämlich aus zellulären “Muskelfasern”. Das sind aus Proteinen aufgebaute Fäden, die sich zusammenziehen können. Dadurch gerät der ganze Netzstrumpf gleichsam ins Fließen. Und das bewirkt, dass bestimmte Proteine an ihren Zielort gelangen.

Wie das geht, welche Kräfte wo ansetzen, war bislang unklar. Stephan Grill und sein Team schnitten mit einem eigens dafür entwickelten Laser in Eizellen hinein, während diese sich gerade zur Teilung anschickten. Diese winzigen Schnitte erfolgten mal am einen, mal am anderen Ende der baseballförmigen Zellen, mal in Längsrichtung und mal quer. Dann maßen die Wissenschaftler jeweils die Spannung der Muskelfäden an der Schnittstelle. Das ist ungefähr so, als würde man ein gespanntes Gummiband zerschneiden und an den entstehenden Enden einen Kraftmesser befestigen.

Das Ergebnis, ab sofort im Wissenschaftsjournal “Nature” nachzulesen: Die Spannung fällt ganz unterschiedlich aus, je nachdem, wo die Forscher schneiden und messen. Für die weitere Erklärung müssen wir die Netzstrumpf-Analogie erweitern. Das Netz aus muskelartigen Fasern verhält sich nämlich wie ein “aktives viskoses Fluid”, sagt der Physiker Grill, und findet dafür eine auch Laien verständliche Umschreibung: Es ist einem dünnen Film aus Honig vergleichbar, der sich an bestimmten Stellen spontan anspannt und dadurch gezielt eine Strömung erzeugt. Am hinteren Ende, wo das Netz lockerer wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit höher. “Ein seltsamer Honig”, gibt Stephan Grill zu: einer mit innewohnenden Kräften.

“Solche biologischen Vorgänge sind allein durch Beobachten nicht zu erklären”, sagt er. Der Physiker betrachtet die Zelle als kleine Fabrik, in der unzählige mechanische Vorgänge ablaufen: “Wie koordinieren die das? Wie schaffen die das, alle an einem Strang zu ziehen? Das sind Fragen, die uns in den nächsten Jahrzehnten beschäftigen.”

Kommentare (8)

  1. #1 manomann
    September 21, 2010

    Guten Tag, mir ist aufgefallen, dass Ihr Blog nicht in der Liste der Blogs eingetragen ist. Schade. Das soll keine Kritik sein, nur wenn Sie sich bemühen etwas zu schreiben, dann soll das auch zu finden sein.
    Und nun zur Sache:
    @Sabine: „Als ausgewachsene Wesen wissen wir im Allgemeinen, wo vorn und wo hinten ist. Aber woher wusste das die Eizelle, aus der wir entstanden sind? „
    Daraus verstehe ich, dass Sie sich die Fragen stellen: wie weiß die befruchtete Eizelle, im Allgemeinen, wie sie sich teilen muss, um am Ende ein neues (Lebe)Wesen zu entstehen? Danach habe ich auch gefragt, aber nicht von der Sicht des Biologen/Embryologen, sondern von der Sicht des Ingenieures und da wollte ich erstmals wissen WIESO überhaupt diese Zygote anfängt sich zu teilen und erst dann aufhört, wenn ein neues (Lebe)Wesen entstanden ist? Darauf habe ich keine Antwort gefunden. [Helmut Plattner und Joachim Hentschel kommen in ihrem Buch “Zellbiologie” Thieme 3 Auflage 2006 zum Ergebnis dass: “Über die Regulation dieser komplexen Prozesse ist noch wenig bekannt” Seite 412.]
    Für mich ist es nicht nachvollziehbar wieso man den zweiten oder meinetwegen den zehnten oder sogar den zwanzigsten Schritt macht bevor man den ersten getan hat. Ich gebe zu, dass solche Experimente irgendwann von Bedeutung sein könnten, dafür müssten aber genaue Voraussetzungen da sein, sonst sind sie für die Katz. Nochmals ganz deutlich möchte die Arbeit dieser Wissenschaftler schlechtreden; ich möchte nur wissen auf welcher Grundlage sie basiert.
    Durch diese Arbeit wird ihre Frage sicher nicht beantwortet.

  2. #2 nanomann
    September 21, 2010

    Korrektur: Der vorletzte Satz ist so richtig: Nochmals ganz deutlich: ich möchte die Arbeit dieser Wissenschaftler nicht schlechtreden …

  3. #3 Sabine Sütterlin
    September 22, 2010

    @mano- oder nanomann (?): Wenn ich das richtig verstehe, geht es hier um nichts weniger als die Frage, was das Leben ausmacht? Was setzt die Prozesse in Gang, die zur Entstehung eines neuen Lebewesens führen?

    Wenn die Biologie oder irgend eine andere Wissenschaft dies beantworten könnte, wäre sie ein ganzes Stück weiter. Aus Sicht des Ingenieurs müsste sich vielleicht ein ON/OFF-Schalter finden lassen. Den gibt es aber nicht. Die Vorgänge sind sehr komplex. Die entscheidenden Moleküle blitzen in kleinsten Konzentrationen und sehr kurzen Zeiträumen durch bestimmte Teile der Zelle. Es bleibt den Forschenden also nur, Schritt für Schritt zu erkunden. Und jeder ergänzt das große Puzzle wieder ein bisschen mehr.

  4. #4 nanomann
    September 23, 2010

    Vielen Dank für die Stellungnahme.
    @ Sabine Wenn die Biologie oder irgend eine andere Wissenschaft dies beantworten könnte, wäre sie ein ganzes Stück weiter.

    Von diesen Punkt habe ich Angefangen: ich bin davon ausgegangen, dass wir alles wüssten: wissenschaftlich, philosophisch und auch vom gesunden Menschenverstand aus gesehen. Danach habe ich versucht zu erfahren was wir tatsächlich wissen. Wie Sie gut erkannt haben, ist das die heuristische Vorgehensweise in der Philosophie. Damit kann man wirklich mit wenigen, aber fundierten, Kenntnisse viel erfahren. Vielleicht ein Andersmal. Einen schönen Tag wünsche ich Ihnen.
    Darf ich doch erfahren wieso sich Ihr Blog nicht auf der Liste der Scienceblogs befindet?

  5. #5 Marc Scheloske
    September 24, 2010

    @nanomann:

    Das Blog ist (das ist korrekt) nicht in der Liste der “regulären” ScienceBlogs auf der Startseite zu finden. Einen Zentimeter darunter beginnt allerdings die Liste mit unseren “Gastblogs”. Dort steht “Komplett komplex” natürlich drin. (Einfach auf unserer Startseite http://www.scienceblogs.de/ in der linken Spalte nach unten scrollen).

    Ansonsten gibt es keinen einzigen Unterschied im Status zwischen den Gastblogs und den anderen Blogs bei uns. Alle Beiträge dieses Blogs werden ganz normal in den Kategorien aufgeführt und werden im Blogticker der aktuellen Beiträge gelistet.

  6. #6 nanomann
    September 24, 2010

    @ Scheloske: vielen Dank. Ich habe stets das Fenster oben rechts aufgemacht. Hinter meiner Frage stand nur Neugier und kein böser Gedanke. Echolot hat Argus-Auge und das ist gut so.

  7. #7 regow
    November 2, 2010

    Die Morphogenese der Lebewesen ist IMHO nicht ansatzweise verstanden.
    Die Genetiker knocken die Gene von zb. Drosophila der Reihe nach aus und sehen dann, dass ein zweites Paar Fühler, verkrüppelte 1. – 2.- 3. Beinpaar auftreten usw; und schließen daraus, dass sie den Konnex Genom-Morphologie verstanden haben.
    Die Mechanismen der Strukturentstehung sind aber nicht genetischer Art, sondern die oben beschriebenen und unter anderm die Stoffgradienten(Nüsslein-Volhard).
    Zudem wird wohl eine Menge Mathematik und Physik nötig sein um dieses Feld erforschen zu können. Auf die schnelle fällt mir zb. die fraktale Geometrie ein. Der Romanesco Kohl stellt wohl so etwas wie einen intuitiven Beweis dar für fraktale Strukturen in der Biologie.
    Warum hat man das Gefühl, dass nur an Genomen geforscht wird, nicht aber an der Entwicklung von theoretischen Modellen zur Morphogenese? Da drängt sich wohl die Analogie zu Erdöl vs. Erneuerbare Energie auf: Da gibt es jede Menge output(papers) und die Methoden sind etabliert, dort gibt es bislang wenig output und Methoden gibt es auch nicht viele.
    Damit sage ich nichts gegen die Genetiker, im Gegenteil. Wenn dereinst die Mechanismen der Morphogenese vorliegen, müssen diese natürlich an das Genom angeknüpft werden. Es ist ja letztlich genetisch verankert, dass man einmal schöne drei-dimensionale Fraktale beim Romanesco bestaunen kann und beim normalen Kohl gerade einmal eine wolkige Struktur.

  8. #8 Florian
    November 19, 2010

    im uebrigen hat stephan grill fuer seine arbeit dieses ajhr den paul ehrlich und ludwig darmstaedter-nachwuchspreis gewonnen:
    http://www.mpi-cbg.de/de/news/news-overview/news-details/article/stephan-grill-awarded-the-2011-prize-nfor-young-researchers/12.html