Direkt zum Inhalt
Login erforderlich
Dieser Artikel ist Abonnenten mit Zugriffsrechten für diese Ausgabe frei zugänglich.

Theoretische Biologie: Mathematik des Federkleids

Wie kommt es zu den vielfältig erscheinenden Farben und Mustern des Gefieders von Vögeln? Embryologen und Mathematiker stießen hier auf allgemein gültige Mechanismen, die auch bei der Entwicklung von anderen Tieren am Werk sind.
Pfau mit großem, farbenfrohem Federkleid

»Und nach langer Zeit, weil sie halb im Schatten und halb in der Sonne standen, und wegen der flimmer-­flackernden Schatten der Bäume, die auf sie fielen, wurde die Giraffe fleckig und das Zebra streifig.« Mit diesen Worten beschrieb 1902 der britische Schriftsteller Rudyard Kipling (1865-1936) in seinen »Genau-so-Geschichten«, wie die unterschiedliche Pigmentierung der Savannentiere wohl entstanden sein könnten. Wenngleich solche Poesie nicht die biologische Realität widerspiegelt, so verdeutlicht sie doch eine universelle Faszination für solche natürlichen Muster.

Egal ob es sich um die Verteilung von Farben, Haaren und Federn, um die Konturen von Antennen, Hörnern und Schnäbeln oder um die Form von Pfoten, Zähnen und Schneckenhäusern handelt – all jene im Lauf der Evolution entstandenen Muster spielen meistens eine überlebensnotwendige Rolle für die entsprechenden Tiere. Der Mensch beobachtet diese Kunstformen der Natur schon lange und versucht, sie nachzubilden – etwa an den Wänden der eiszeitlichen Höhle von Lascaux – sowie ihre Entstehung zu verstehen.

Bis vor Kurzem beschränkte sich unser Verständnis der beteiligten Mechanismen auf zwei sich scheinbar widersprechende mathematische Theorien, die im 20. Jahrhundert aufgestellt wurden. Fortschritte in der Embryonalbio­logie sowie der Genetik konnten in den letzten Jahren nicht nur die Existenz der beiden Mechanismen bestätigen, sondern auch aufzeigen, dass deren räumliche und zeitliche Kombination für die Präzision der Musterungen sorgt und somit zu ihrer Evolution beiträgt.

Als Muster bezeichnet man eine sichtbare Ordnung in der räumlichen Verteilung von Elementen innerhalb eines Systems …

Kennen Sie schon …

Spektrum Kompakt – Organoide

Miniorgane sollen Therapieeffekte vorhersagen, die Entwicklung von Organen offenbaren und vieles mehr. Das wirft auch ethische Fragen auf.

Spektrum Kompakt – Muster der Natur

Mathematische Muster sind abstrakt und theoretisch? Mitnichten: Wer mit offenen Augen durch die Welt geht, findet überall in der Natur ihre Spuren - von Vogelfedern über Blütenformeln bis hin zu Luftwirbeln und Basaltsäulen.

Spektrum - Die Woche – »Wir können uns aktiv verändern – ein Leben lang«

Persönliches Wachstum ist in jedem Lebensabschnitt und bis ins hohe Alter möglich – man muss nur wollen, sagt die Psychologin Eva Asselmann im Interview. Außerdem in dieser Ausgabe von »Spektrum – Die Woche«: Die Menschheit greift wieder nach dem Mond.

Schreiben Sie uns!

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Zuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Zuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmende sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Zuschriften können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

  • Quellen

Bailleul, R. et al.: Symmetry breaking in the embryonic skin triggers directional and sequential plumage patterning. PLoS Biology 17, 2019

Campbell, A. M.: Open Access: A PLoS for Education. PLoS Biology 2, 2004

Curantz, C. et al.: Cell shape anisotropy and motility constrain self-organised feather pattern fidelity in birds. bioRxiv 10.1101/2021.01.22.427778, 2021

Curantz, C., Manceau, M.: Trends and variation in vertebrate patterns as outcomes of self-organization. Current Opinion in Genetics & Development 69, 2021

Haupaix, N. et al.: The periodic coloration in birds forms through a prepattern of somite origin. Science 361, 2018

Hidalgo, M. et al.: A conserved paint box underlies color pattern diversity in Estrildid finches. bioRxiv 10.1101/2021.02.19.431992, 2021

Inaba, M. et al.: Instructive role of melanocytes during pigment pattern formation of the avian skin. PNAS 116, 2019

Michon, F. et al.: BMP2 and BMP7 play antagonistic roles in feather induction. Development 135, 2008

Prud'homme, B. Gompel, N.: A bird's inner stripes. Science 361, 2018

Raspopovic, J. et al.: Digit patterning is controlled by a Bmp-Sox9-Wnt Turing network modulated by morphogen gradients. Science 345, 2014

Turing, A. M.: The chemical basis of morphogenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, B 237, 1952

Wolpert, L.: Positional information and the spatial pattern of cellular differentiation. Journal of Theoretical Biology 25, 1969