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Lexikon der Biologie: Reaktions-Diffusions-System

Reaktions-Diffusions-System s, sich selbst organisierendes System, das spontan räumlich geordnete Verteilungsmuster seiner molekularen Komponenten bildet. Computersimulationen von Reaktions-Diffusions-Systemen können viele in biologischen Systemen vorkommende Muster nachahmen (Musterbildung). Ein einfaches Reaktions-Diffusions-System besteht aus Aktivator- und Inhibitormolekülen, die miteinander reagieren und im System frei diffundieren (Diffusion). Wenn der Aktivator seine eigene Synthese und die des Inhibitors aktiviert (Autokatalyse), der Inhibitor schneller diffundiert als der Aktivator und bei höheren Konzentrationen dessen Synthese hemmt ( vgl. Abb. 1 ), entsteht in einem geschlossenen System bestimmter Größe auch bei anfänglicher Gleichverteilung der Aktivator- und Inhibitor-Konzentrationen ein Muster mit nur einem Konzentrationsgipfel des Aktivators, da der Inhibitor oberhalb einer bestimmten Konzentration die Bildung eines weiteren Gipfels nach Art der lateralen Inhibition verhindert ( vgl. Abb. 2a ). In einem auf doppelte Größe anwachsenden System bildet sich ein zweiter Gipfel ( vgl. Abb. 2b ) usw., und in einem zweidimensionalen größeren System entsteht ein zweidimensionales Muster mit vielen Konzentrationsgipfeln ( vgl. Abb. 3 ). – Beispiele für im Computer auf der Basis von Reaktions-Diffusions-Systemen simulierbare biologische Muster sind die sich wiederholenden Muster der Fingerstrahlen einer Wirbeltier-Extremität (eindimensional) oder das Borstenmuster in der Epidermis von Insekten (zweidimensional), aber auch komplexere Muster wie das Streifenmuster beim Zebra, das Fleckenmuster beim Leoparden oder das Zeichnungsmuster auf Muschel-Schalen oder Schneckenhäusern (Gehäuse). Reaktions-Diffusions-Systeme könnten somit die Grundlage für viele biologische Muster darstellen, wenn eine oder mehrere der beteiligten molekularen Komponenten als Morphogen die räumlich geordnete Differenzierung von Zellen steuern, was aber bisher noch in keinem Fall eindeutig nachgewiesen wurde.

K.N.



Reaktions-Diffusions-System

1 Gegenseitige Beeinflussung von Molekülen in einem Reaktions-Diffusions-System: der Aktivator aktiviert seine eigene Synthese und die des Inhibitors (graue Pfeile), der Inhibitor hemmt die Synthese des Aktivators. 2a Spontane Selbstorganisation eines Musters in einem eindimensionalen Reaktions-Diffusions-System geringer Größe: eine zufällig erhöhte Konzentration des Aktivators erhöht sich durch Autokatalyse weiter selbst, aber auch die Konzentration des Inhibitors, der seinerseits aber schneller vom Syntheseort wegdiffundiert und so in der Nachbarschaft die Bildung weiterer Aktivator-Gipfel verhindert. 2b In einem System doppelter Ausdehnung entsteht ein zweigipfliges Muster, ebenso, wenn ein System geringer Größe (a) über die Reichweite des diffusiblen Inhibitors hinauswächst. 3 In einem größeren zweidimensionalen Reaktions-Diffusions-System entsteht ein Muster mit vielen Konzentrationsgipfeln, die bestimmte Mindestabstände (bedingt durch die Reichweite des Inhibitors) nicht unterschreiten.

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