Warum zeigen Tiere so unterschiedliche Formen, selbst innerhalb derselben Gruppe?
Durch die Untersuchung von Korallen, Quallen und Seeanemonen zeigen Wissenschaftler, dass diese Vielfalt teilweise durch die physikalischen Eigenschaften der Gewebe erklärt werden kann, wie ihre Fähigkeit, sich zusammenzuziehen, zu dehnen oder Verformungen zu widerstehen. Diese Eigenschaften ermöglichen es auch, die Morphologie dieser Meerestiere vorherzusagen. Die in der Zeitschrift
Cell veröffentlichte Arbeit ebnet den Weg für ein besseres Verständnis der Evolution der Formen des Lebendigen.
Die Seeanemone gehört neben Korallen und Quallen zum Stamm der Nesseltiere.
© Aissam Ikmi
Die Formen des Lebendigen sind bemerkenswert vielfältig. Um dies zu erklären, konzentrierte sich die Forschung vor allem auf die Genetik. Auch wenn ihre Rolle in der Entwicklung zentral ist, reicht sie allein nicht aus, um zu erklären, wie sich Gewebe falten, dehnen und neu organisieren, um einen bestimmten Organismus zu bilden. Dieser Prozess, Morphogenese genannt, wird unter anderem im Team von Aissam Ikmi, Gruppenleiter am EMBL Heidelberg und Mitautor der Studie, untersucht.
"Der Vergleich von Genomen ermöglicht es, genetische Unterschiede zu identifizieren, die mit der Formenvielfalt zusammenhängen, aber er erlaubt es nicht, die endgültige Form eines Organismus vorherzusagen. Man muss verstehen, wie Zellen gemeinsam wirken, um mechanische Kräfte zu erzeugen", erklärt der Forscher.
Indem sie die Bedeutung der Verbindungen zwischen Genen, mechanischen Kräften und Morphologie hervorheben, eröffnet diese Arbeit neue Perspektiven für die Erforschung der Evolution.
Die Zusammenarbeit mit der Gruppe von Guillaume Salbreux, ordentlicher Professor an der Abteilung für Genetik und Evolution der Sektion für Biologie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, Spezialist für theoretische Physik und Mitautor der Studie, ermöglichte es, die Frage aus der Perspektive der Mechanobiologie zu betrachten – also der Rolle physikalischer Kräfte in biologischen Prozessen. Die Wissenschaftler untersuchen so, wie die Vielfalt der Formen auf der Ebene der Gewebe entsteht, wo Zellen interagieren und mechanische Spannungen erzeugen.
Kräfte auf Gewebe formen die Morphologie
Um diese Idee zu testen, untersuchte das Team Nesseltiere – eine Gruppe, die Korallen, Quallen und Seeanemonen umfasst –, die für die Vielfalt ihrer Formen trotz einer relativ einfachen Organisation bekannt sind. Durch die Kombination von experimentellen Beobachtungen und theoretischer Modellierung identifizierten sie drei physikalische Schlüsselparameter der Gewebe, die zwei Hauptmerkmale der Morphologie erklären: die Dehnung (das Ausmaß der Streckung des Körpers) und die Polarität (die Asymmetrie zwischen verschiedenen Körperteilen).
Durch die Anpassung dieser Parameter in ihrem Modell konnten die Wissenschaftler verschiedene in der Natur beobachtete Nesseltierformen reproduzieren und vorhersagen. Jede Parameterkombination definiert einen "Mechanotyp", das heißt die Kombination physikalischer Eigenschaften, die für jede Art spezifisch sind. "Auf dieser Ebene werden molekulare Veränderungen für die Form vorhersagbar", betont Aissam Ikmi. "Wir glauben, dass die Evolution auf diese Mechanotypen einwirkt, um neue Morphologien zu erzeugen."
Inspiriert von den Theorien von D'Arcy Thompson kombinierten die Wissenschaftler theoretische und experimentelle Ansätze, um "Mechanotypen" als die physikalischen Verbindungen zwischen Genen und Körperformen zu etablieren. Das Bild zeigt Querschnitte von Nematostella-Larven (links) und Aiptasia-Larven (rechts). Die Schieberegler darunter stellen die mechanischen Module dar, die sich kombinieren, um den Mechanotyp eines Organismus zu bilden.
© Daniela Velasco/EMBL. Das Team testete diese Hypothese anschließend experimentell an der Seeanemone
Nematostella. Durch die Veränderung bestimmter mechanischer Parameter mittels genetischer Eingriffe gelang es ihnen, die Form der Larven zu verändern. Ursprünglich längliche Individuen nahmen so eine kugelförmigere Morphologie an. "Diese Experimente ermöglichen es uns zu verstehen, wie die mechanischen Eigenschaften einer Art deren Form bestimmen", betont Nicolas Cuny, Postdoktorand in der Gruppe von Guillaume Salbreux und Co-Erstautor der Studie.
"Über ihre unmittelbaren Ergebnisse hinaus bestätigt die Studie die Relevanz eines interdisziplinären Ansatzes, der Biologie, Physik und Mathematik kombiniert. Indem sie die Bedeutung der Verbindungen zwischen Genen, mechanischen Kräften und Morphologie hervorhebt, eröffnet sie neue Perspektiven für die Erforschung der Evolution", schließt Guillaume Salbreux.
Quelle: Universität Genf