Theoretisches Modell betont Einfluss von Lärm auf Segmentation
Entgegen gängiger Annahmen sind es nicht die Gene, die die Entwicklung periodischer Strukturen bei Embryos steuern, sondern vielmehr einfache physikalische und chemische Phänomene. Dies ist die Beobachtung einer neuen Studie Frankreichs und Polens, die in der Fachzeitschrift Europhysics Letters veröffentlicht wurde. Die Forscher präsentieren ein theoretisches Modell, das Aufschluss über den Vorgang bietet, wie die Segmentation durch innere und thermodynamische Geräusche des Systems ausgelöst wird. Die Erkenntnisse, so die Forscher, widersprechen der Intuition hinsichtlich dessen, was ursprünglich wahrgenommen wurde. Die Forscher vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) und der Universität Pierre et Marie Curie, in Kooperation mit dem Institut für physikalische Chemie der polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS) erklären, dass im Anfangsstadium der Embryogenese bei Wirbeltieren in ihrem dorsalen Mesoderm periodische Segmente namens Somiten gebildet werden. Im Laufe der Zeit werden diese zu Wirbeln und Elementen der Wirbelsäule. Das von den Forschern präsentierte Modell zeigt, wie innerer Lärm, der in jedem physikalischen System vorkommt, die Formation solcher Muster beeinflusst. "Wir sind davon überzeugt, dass biologische Phänomene und die Evolution lebender Organismen mit den Gesetzen der Physik und der Chemie erklärt werden können", so Dr. Bogdan Nowakowski vom IPC PAS. "Deshalb haben wir versucht, eines der Elemente der Embryogenese von Wirbeltieren theoretisch zu modellieren: Die Bildung periodischer Strukturen bei der Somitogenese. Dies taten wir durch Betrachtung des minimalen Schemas chemischer Reaktionen, an denen nur ein paar wenige Komponenten beteiligt waren." Nach Aussage der Forscher führen die oszillierenden Reaktionen unausgewogener Phänomene zu Wasserlösungen der richtigen Reagenzien mit einer Reihe von Konzentrationen. Wird eine Komponente hinzugefügt, kommt es zu einer Abweichung im System vom Zustand des thermodynamischen Equilibriums. In Folge dessen kommt es zu einer Vermehrung chemischer Wellenfronten in der Flüssigkeit. Deswegen verändert sich die Farbe der Lösung mehrmals. Die Forscher betonen, dass wenn die Reaktion in einer dünnen Lösung stattfindet wie in einer Petrischale, die Farbringe dauerhaft gebildet wurden und sich vermehrten. Das von den Wissenschaftlern vorgeschlagene Modell ist ihrer Auffassung nach klar und prägnant. Insgesamt umfasst dieses Modell, dessen Parameter angepasst werden können, um Reaktionen auszulösen, die zu klaren, räumlichen Oszillationen von Konzentrationen der Lösungskomponenten führen, drei chemische Reaktionen und vier Substanzen. Das Ergebnis sind zeitlich stabile, periodische Muster, die Experten "Turing structures" nennen. "Unser Model ist ein rein theoretisches Konzept, ein Signal, das darauf hindeutet, dass ein Teil des Phänomens, das während der Somitogenese auftaucht, von wahrhaft simplen Mechanismen gesteuert wird", erklärt Dr. Nowakowski, der gemeinsam mit einen Kollegen die Wirkung von innerem Lärm auf den untersuchten Prozess belegte. In der Natur ist Lärm die Folge der eigenständigen, molekularen Struktur von Materie. Er ist ein unvermeidbarer, stochastischer Effekt, der innerhalb jedem physikalischen System auftaucht. In einem theoretischen Modell kann Lärm je nach Wunsch erzeugt oder unterdrückt werden. Dies bedeutet auch, dass die Theoretiker tun können, was Experimentalisten nicht gelingt: Sie können ein in der Natur nicht existierendes geräuschloses System mit einem geräuschvollen System vergleichen und die Wirkung thermodynamischer Fluktuationen auf den Segmentationsprozess evaluieren. "Normalerweise würde man annehmen, dass ein zufälliges Geräusch die existierende Ordnung stört", merkt Dr. Nowakowski an. "Unsere Simulationen ergaben ein gegenteiliges Resultat. Nach Erzeugung des Geräuschs im Model tauchten periodische Muster erheblich schneller auf, sobald die chemische Wellenfront vorüber war."Weitere Informationen finden Sie unter: Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS): http://www.cnrs.fr/ Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences: http://www.ichf.edu.pl/indexen.html Europhysics Letters: http://epljournal.edpsciences.org/
Länder
Frankreich, Polen