News: Leichtbau
Ein ausgeklügeltes Zusammenspiel verschiedener Proteine steuert die Entwicklung von Vogelfedern - und wirft gleichzeitig Licht auf die Entstehung der Federn im Laufe der Evolution.
Extrem leicht und äußerst fest – Vogelfedern gehören zu effektivsten Erfindungen, welche die Natur ersonnen hat. Nicht nur der Baustoff, das Protein beta-Keratin, sondern vor allem die ausgeklügelte Konstruktion erfüllen die hohen Anforderungen eines Fluggerätes: Die Grundstruktur einer Konturfeder des Flügels besteht aus einem zentralen hohlen Schaft, der Rhachis, von dem sich die Bauelemente der Fahne abzweigen. Diese Fahne setzt sich aus Federästen, den Rami, zusammen, die wiederum kleinere Seitenäste, die Federstrahlen oder Radien, tragen. Von den Federstrahlen gibt es zwei Typen: Der erste Typ, die Hakenstrahlen, besitzen kräftige Widerhaken, die in den zweiten Typ, die Bogenstrahlen des benachbarten Federastes, greifen, sodass die typische glatte Fläche der Federfahne entsteht.
Eine derartige Konstruktion fiel nicht vom Himmel, sondern musste sich in der Evolution aus bereits vorhandenen Strukturen entwickeln. Wissenschaftler vermuten, dass die Federn der Vögel aus Reptilienschuppen entstanden, und in der Tat zeigen Fossilien wie beispielsweise des Dinosauriers Sinornithosaurus auf der Körperoberfläche Strukturen, die als primitive Federn gedeutet werden können. Doch der genaue Ablauf, wie aus einfachen Schuppen kompliziert gebaute Federn entstehen konnten, bleibt immer noch im Dunkeln.
Nach einer alten biologischen Weisheit, die Ernst Haeckel bereits im 19. Jahrhundert aufstellte, kann es sich allerdings lohnen, die Embryonalentwicklung genauer zu betrachten, um Rückschlüsse auf die evolutionäre Vergangenheit zu ziehen. Und genau das taten Mingke Yu und seine Kollegen von der University of Southern California. Die Forscher untersuchten bei Hühnereiern, welche Proteine die Entwicklung der Federanlagen steuern.
Wertvolle Dienste erwies ihnen dabei ein Virus namens RCAS (replication-competent avian sarcoma retrovirus). Denn mit dem Virus, das nur sich teilende Zellen befällt, konnten die Wissenschaftler gezielt Gene der wachsenden Federanlagen ausschalten.
Hierbei offenbarte sich, dass zwei Proteine Hand in Hand arbeiten – allerdings gegeneinander: Während BMP4 (bone morphogenetic protein) die Bildung von Verdickungen auf der Epidermis fördert, hemmt das Protein Noggin diese. Durch ein Übergewicht an BMP4 entsteht zunächst eine zylindrische Struktur in der Epidermis, aus denen sich schließlich die Federäste entwickeln. Dann gewinnt Noggin die Oberhand und steuert die Verzweigung der Federäste. Schließlich sorgt ein drittes Protein namens Shh (sonic hedgehog) dafür, dass gezielt bestimmte Zellen absterben, um so die Lücken zwischen den Federästen zu schaffen.
Interessanterweise entsteht dabei der Schaft, an denen die Federäste sitzen, zuletzt. Daher vermuten die Wissenschaftler auch in der Evolution der Feder die gleiche Reihenfolge: Zunächst bildete sich aus einer Schuppe eine radiärsymmetrische verzweigte Struktur, die sich erst später zum Schaft formierte und die typische bilateralsymmetrische Struktur heutiger Federn schuf.
Und genau diese radiärsymmetrischen Strukturen, die an Daunenfedern erinnern, finden sich auch bei Sinornithosaurus. Vielleicht war dem Dinosaurier schlicht kalt, und erst seine Nachfahren wussten das wärmende Gefieder als Fluggerät zu nutzen.
Eine derartige Konstruktion fiel nicht vom Himmel, sondern musste sich in der Evolution aus bereits vorhandenen Strukturen entwickeln. Wissenschaftler vermuten, dass die Federn der Vögel aus Reptilienschuppen entstanden, und in der Tat zeigen Fossilien wie beispielsweise des Dinosauriers Sinornithosaurus auf der Körperoberfläche Strukturen, die als primitive Federn gedeutet werden können. Doch der genaue Ablauf, wie aus einfachen Schuppen kompliziert gebaute Federn entstehen konnten, bleibt immer noch im Dunkeln.
Nach einer alten biologischen Weisheit, die Ernst Haeckel bereits im 19. Jahrhundert aufstellte, kann es sich allerdings lohnen, die Embryonalentwicklung genauer zu betrachten, um Rückschlüsse auf die evolutionäre Vergangenheit zu ziehen. Und genau das taten Mingke Yu und seine Kollegen von der University of Southern California. Die Forscher untersuchten bei Hühnereiern, welche Proteine die Entwicklung der Federanlagen steuern.
Wertvolle Dienste erwies ihnen dabei ein Virus namens RCAS (replication-competent avian sarcoma retrovirus). Denn mit dem Virus, das nur sich teilende Zellen befällt, konnten die Wissenschaftler gezielt Gene der wachsenden Federanlagen ausschalten.
Hierbei offenbarte sich, dass zwei Proteine Hand in Hand arbeiten – allerdings gegeneinander: Während BMP4 (bone morphogenetic protein) die Bildung von Verdickungen auf der Epidermis fördert, hemmt das Protein Noggin diese. Durch ein Übergewicht an BMP4 entsteht zunächst eine zylindrische Struktur in der Epidermis, aus denen sich schließlich die Federäste entwickeln. Dann gewinnt Noggin die Oberhand und steuert die Verzweigung der Federäste. Schließlich sorgt ein drittes Protein namens Shh (sonic hedgehog) dafür, dass gezielt bestimmte Zellen absterben, um so die Lücken zwischen den Federästen zu schaffen.
Interessanterweise entsteht dabei der Schaft, an denen die Federäste sitzen, zuletzt. Daher vermuten die Wissenschaftler auch in der Evolution der Feder die gleiche Reihenfolge: Zunächst bildete sich aus einer Schuppe eine radiärsymmetrische verzweigte Struktur, die sich erst später zum Schaft formierte und die typische bilateralsymmetrische Struktur heutiger Federn schuf.
Und genau diese radiärsymmetrischen Strukturen, die an Daunenfedern erinnern, finden sich auch bei Sinornithosaurus. Vielleicht war dem Dinosaurier schlicht kalt, und erst seine Nachfahren wussten das wärmende Gefieder als Fluggerät zu nutzen.
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