Nichtlineare Selbstverstärkung: Die treibende Kraft in der biologischen Musterbildung

Zusammenfassung

Höhere Organismen entwickeln sich aus einer einzigen Zelle, der befruchteten Eizelle. Wie kann sich der ganze Reichtum an Strukturen aus dieser einen Zelle entwickeln? Es werden Modelle diskutiert, die wichtige Schritte darin beschreiben. Primäre Musterbildung erfordert lokale Selbst-Verstärkung und langreichweite Inhibition. Stabile differenzierte Zustände werden erreicht durch eine Rückkopplung von Genen auf ihre eigene Aktivierung zusammen mit einer Kompetition zwischen alternativen Genen. Das hat zur Folge, daß in einer bestimmten Zelle nur eines der alternativen Gene aktiviert werden kann. Unter dem Einfluß gradierter Konzentrationsverteilungen entstehen scharf begrenzte Regionen in denen jeweils bestimmte Gene aktiv sind. Durch Kooperation zwischen zwei solchen Bereichen können an der gemeinsamen Grenze neue Molekule synthetisiert werden, die dann als Positionsinformation fur einen kleineren Bereich eingesetzt werden kann, usw. Eine solche iterative Musterbildung ermöglicht eine immer feinere räumliche Unterteilung in einer sehr zuverlässigen Weise. Strukturen wie Arme, Beine oder Flugel werden an den Schnittpunkten zweier Grenzen angelegt. Sie haben damit immer die richtige Position, Orientierung und Rechts-Links-Asymmetrie im Verhältnis zu den embryonalen Hauptachsen. Es werden auch Modelle diskutiert bei denen mehr zufallige Ereignisse eine entscheidende Rolle spielen. Die Bildung netzartiger Strukturen (z.B. Blattadern) und die Musterbildung auf Schneckenschalen sind Beispiele.