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Muster des Lebendingen. Faszination ihrer Entstehung und Simulation


Eine faszinierende Eigenschaft biologischer Systeme ist ihre Fähigkeit, Strukturen zu bilden. In den letzten Jahren hat man im Verständnis dieses Phänomens große Fortschritte gemacht.

Das von Andreas Deutsch von der Abteilung Theoretische Biologie der Universität Bonn herausgegebene Buch enthält 13 Aufsätze von Autoren, die dazu beigetragen haben. Sie bemühen sich merklich um Verständnis und verstecken sich nicht hinter einer Fülle schöner Bilder (die es auch gibt). Jedes Kapitel enthält eine in sich abgeschlossene Analyse eines bestimmten Systems. Die Wissenschaftsjournalistin Heike Schuster, Herausgeberin der Buchreihe "Interdisziplinäre Mathematik", hat durch geschicktes Redigieren Bruchstellen zwischen den einzelnen Beiträgen vermieden.

Die Sammlung beschäftigt sich hauptsächlich mit einfachen biologischen Systemen. Nur einige seien hier genannt: Schimmelpilze bilden bizarre Netzwerke von Hyphen. Geordnete Wellen von Zellwanderungen entstehen spontan in einer ursprünglich amorphen Ansammlung von Zellen eines Schleimpilzes. Bakterien ordnen sich in vollkommen regelmäßigen Mustern an. Die Ausbildung von Polarität in einer vorher mehr oder weniger kugelsymmetrischen Zelle ist vermutlich ein Archetypus der Musterbildung und eine Voraussetzung für eine geordnete Zellteilung.

Es ist ein Anliegen des Buches zu zeigen, daß man die Entstehung der Muster durch mathematische Modellbildung und Simulation nachvollziehen kann. Wenn ein solches Modell in der Simulation ähnliche Eigenschaften zeigt wie im Experiment das biologische Vorbild, kann man sicher sein, daß es in sich widerspruchsfrei ist und die wesentlichen Aspekte des realen Systems erfaßt. Die Autoren verschrecken den Leser nicht durch zuviel Mathematik, vermeiden aber auch nicht krampfhaft jede Gleichung; hier wurde ein guter Mittelweg gefunden. Alle mathematischen Sachverhalte sind hinreichend erklärt.

Die Natur benutzt verschiedene Mechanismen, um bestimmte Muster zu erzeugen. Manche wachsenden Systeme haben eine innere Uhr, die in bestimmten zeitlichen Abständen die Bildung neuer Strukturen veranlaßt. Dadurch wird das zeitlich periodische Ereignis in eine räumliche Struktur umgesetzt. Oder eine Zelle empfängt ein Signal und sendet nach kurzer Zeit ein gleiches Signal an die nächste weiter. So ergibt sich eine Signalübertragung entlang einer Kette von Zellen; die Richtung, aus der das Signal kommt, gibt den Zellen die Information, wohin sie wandern müssen.

Zwischen den Zeilen zieht sich durch das Buch gleichsam wie ein roter Faden die theoretische Arbeit Alan Turings "The chemical basis of morphogenesis" aus dem Jahre 1952. Der britische Mathematiker Turing (1912 bis 1954) hatte entdeckt, daß die homogene Verteilung von zwei miteinander reagierenden Substanzen instabil sein kann. Jede kleinste – unvermeidliche – Störung vermag dann eine Musterbildung auszulösen. Eine der wesentlichen Voraussetzungen ist, daß die beiden Substanzen unterschiedlich schnell diffundieren. Dieser lange Zeit hypothetische Mechanismus ist nun auch im Labor gefunden worden. "Wenn das der Turing wüßte..." ist das entsprechende Kapitel treffend überschrieben.

Turings Arbeit beruht auf einer mathematischen Analyse, die intuitiv nur schwer zu verstehen ist. Erst später entdeckte man, daß stabile Musterbildung die Kopplung zweier Prozesse erfordert: Ein sich selbst verstärkender Prozeß ist für die lokale Instabilität verantwortlich; und er wird räumlich begrenzt durch eine langreichweitige Hemmung. Durch diesen zweiten Prozeß bleibt das System insgesamt stabil. Darauf wird auch in dem Buch hingewiesen, aber diese Erklärung stammt nicht von Turing.

Einige Kapitel sind der Musterbildung in anorganischen Systemen wie zum Beispiel Kristallen gewidmet. Derartige Muster können biologischen sehr ähnlich sein. Computer-Simulationen zeigen, daß man diese Phänomene schon sehr gut versteht. Wegen ihrer Einfachheit haben die chemisch definierten Systeme einen guten Zugang zu dem Problem geliefert. Für einfache Reaktionen bietet das Buch auch Rezepte zum Ausprobieren: Musterbildung aus der Apotheke.

In den letzten Jahren ist das Verständnis dafür, wie Strukturen in höheren Organismen angelegt werden, dramatisch gewachsen. Zum Beispiel sind für die Segmentbildung der Taufliege Drosophila das genetische Netzwerk und die molekularen Kommunikationswege fast vollständig aufgeklärt. Viel hat man auch darüber gelernt, wie das phantastisch filigrane Netz von korrekt verknüpften Nerven heranwächst, ohne die niemand ein Buch schreiben oder lesen könnte. Leider fehlen diese höheren Muster des Lebendigen fast gänzlich in diesem Buch.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1995, Seite 127
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 1995

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 1995

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