Woher weiß die Zelle, welche Zelle sie ist?

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Die Erbanlagen steuern in allen Organismen alle Lebensvorgänge, auch deren Entwicklung. Dabei sorgen regulatorische Vorgänge dafür, dass je nach Bedarf bestimmte Gene aktiviert werden und andere nicht, was von Zelltypus zu Zelltypus verschieden ist. Erst vor gut einem Jahrzehnt fand man heraus, wie solche Regulationsprozesse am Anfang der Individualentwicklung aussehen und die ersten Entwicklungsschritte steuern. Dabei spielen so genannte „Hox-Gene" eine entscheidende Rolle für die grundsätzliche Festlegung erster Differenzierungen. Am besten untersucht sind die allerersten Schritte ins Leben bei der Fruchtfliege Drosophila. Im Labor von Christiane Nüsslein-Volhard haben Entwicklungsbiologen herausgefunden, wie das Muttertier dazu eine regelrechte „genetische Brutpflege“ betreibt: Es sondert vier Substanzen ab, die in Eizellen strategisch wichtige Punkte besetzen. Zwei dieser Signalstoffe (Fachbegriff: Morphogene“) lagern sich jeweils in den gegenüberliegenden Polen des Eies ein, der dritte an beiden Polen und der vierte an der Bauchseite.
So werde ein eindeutiges dreidimensionales Koordinatensystem für die weitere Entwicklung festgelegt, erklärt Nüsslein-Volhard: „Vorn und hinten, oben und unten sind damit ein für allemal definiert. Vom beispielsweise ist immer dort, wo der Signalstoff bicoid deponiert ist." Nach der Befruchtung lösen diese Signalstoffe im Ei eine Nachrichtenkaskade aus. Die dabei ausströmenden Proteine spüren ganz bestimmte Gene an Hand einer charakteristischen Erkennungssequenz auf und erwecken sie aus dem zellulären Tiefschlaf. So werden zunächst ein paar wenige Gene angeknipst. Diese aktivieren nach dem gleichen Mechanismus weitere Gene und legen so eine erste Grobeinteilung des späteren Insekts fest. Die Kaskade erreicht ihren Höhepunkt, wenn die „homöotischen" oder Hox-Gene angeschaltet werden und die Kontrolle über die Entwicklung übernehmen. Gleich - griechisch homoios - werden sie deswegen genannt, weil sie in allen Organismen, in denen sie zu Hause sind, die Ausbildung vergleichbarer Körperteile entlang deren Längsachse steuern. Die Hox-Gene liegen auf dem Erbfaden im Block beieinander und enthalten eine typische kurze DNA-Sequenz, die so genannte Homöobox. In ein Protein übersetzt wirkt sie wie ein Generalschlüssel zum Öffnen weiterer noch verschlossener Steuergene aus der Hox-Klasse. Diese nachgeschalteten Hox-Gene rufen schließlich, Bereichsleitern einer Fabrik vergleichbar, in den nun bereits vordefinierten Segmenten des werdenden Insekts nach einer genauen zeitlichen Vorgabe jene untergeordneten „Arbeiter"-Gene zum Einsatz, die letztlich Flügel, Antennen, Beine oder Augen erstellen. Das Ergebnis war überraschend: Egal, wo die Forscher fahndeten, ob in Würmern, Krebsen oder Affen - überall fanden sie die gleichen Hox-Gene. Einzig deren Anzahl ist verschieden: Während eine simple Fliege mit einer Kette von 8 Hox-Genen auskommt, weisen die viel komplizierteren Wirbeltiere 4 Stränge mit insgesamt 38 Genen auf. In allen Tieren, in denen sie vorkommen, so stellte sich heraus, leisten Hox-Gene dasselbe: Sie steuern das allmähliche Embryowachstum vom Kopf zum Schwanz, indem sie das entstehende Wesen nach einem Baukastenprinzip zusammenfügen. Nur die untergeordneten Gene, die über die genaue Gestalt der Einzelteile bestimmen, unterscheiden sich von Tiergruppe zu Tiergruppe. Experimente des Genfer Mäusezüchters Duboule führten zu genaueren Erkenntnissen: Der Wissenschaftler hat einen Zwischenschritt der Evolution detailliert untersucht, der notwendig war, um Fischen die Eroberung des Landes zu ermöglichen: die Erfindung des Fußes. Wachstum von Fuß und Flosse, erklärt Duboule, werden von den gleichen Genen gesteuert - nur wird das Programm (des entsprechenden Gens Hoxd-13) bei der Flosse etwas früher abgeschaltet.

Fantastisch, vielen Dank! Hast du das studiert? Ich habe ja schon mal eine andere Frage gestellt, da hat auch jemand eine unglaublich umfangreiche und absolut lesenswerte Antwort geschrieben. Scheinbar habe ich Glück;-). Super formuliert, keine Rechtschreibfehler;), und ein Haufen Fachwissen - Du hast dir echt Mühe gegeben und dafür bekommst du die Auszeichnung! Schön, dass du dich mit meiner Frage auf die Weise auseinander gesetzt hast!

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das ist eine sehr gute frage und ich denke, dass sie dir so schnell keiner beantworten kann :) im endeffekt ist das leben (bzw. die entstehung des lebens) noch sehr unerforscht. ich denke man kann das gut mit dem weltall vergleichen. du weißt ja, dass das weltall unendlich ist - trotzdem breitet es sich ständig aus (es wächst). wie geht das? und jetzt denke daran, welchen minimalen teil des weltalls wir kennen / bereits erforscht haben. ich denke, so ist es auch mit dem leben. es gibt einfach regeln, die kein mensch erklären kann. unsere vorstellungskraft und inteligenz reicht momentan sicher noch nicht aus, sowas zu verstehen. aber trotzdem ein sehr interessantes thema! bin auch sehr gespannt über die einzelnen antworten!

Cooler Kommentar und nette Worte, vielen Dank!

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@DesWurzelsZweig

sehr gerne - nichts zu danken! ich vermute mal, dass die beiden ersten haploiden zellen die information für das "gesamtergebnis" tragen und somit vielleicht die bei den teilungen neu entstandenen zellen "steuern", weil sie ja durch das tragen der dna "wissen", wie das resultat aussehen soll... wär mal so ne idee :)

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@allwissend1981

Ja, die DNA ist der Bauplan. Aber stell dir vor, Ziel ist die Errichtung einer Großstadt, die jeden Menschen als Bauarbeiter benötigt. Und jeder von ihnen hat einen Bauplan, aber zunächst einmal keine Ahnung, was er eigentlich machen soll oder welche Teilaufgaben ihm zugedacht sind. Ob Beton mischen, ob Stahl herstellen, Transport der Baustoffe, Tischlereien oder Malerarbeiten, Elekronik oder weiß der Geier was. Es gibt auch keinen Chef und keine Instanz, die Instruktionen verteilen würde - jeder, den du fragst, ist genauso dumm wie du. Man kann sich vorstellen, dass es so nicht funktionieren dürfte, auch wenn jeder einen Zettel in der Hand hält, auf dem verzeichnet ist, wie die Stadt und jedes einzelne Gebäude am Ende aussehen soll. Warum geht es also im Mutterleib beim Bau eines noch viel komplizierteren Gebildes? Das steckt in der Frage...

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@DesWurzelsZweig

wie gesagt, vielleicht steuern ja die beiden ersten zellen das ganze. aus ihnen resultiert das ergebnis ja im endeffekt, also kann es ja vielleicht sein, dass sie für die "planung" verantwortlich sind...

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@allwissend1981

Naja, die ersten Zellteilungen produzieren erstmal völlig gleichwertige und gleichartige "Mutterzellen". Irgendwann beginnen einige von ihnen, aber auch nicht alle, sich zu irgendwas zu entwickeln und spezifische Aufgaben zu übernehmen. Naja, da wir offenbar alle nicht über das nötige Fachwissen verfügen, sollte ich vielleicht nochmal in die Schule zu meinem Biolehrer gehen^^..

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wie das fertige produkt aussehen soll übernehmen die XX und XY chromosone. deine erklärung ist interessant, aber darüber mache ich mir wirklich keine gedanken. denn sonst müsste man auch danach fragen warum der apfel so intelligent ist und weis, dass er rund wachsen soll.

Nein, die Chromosome X und Y sind Geschlechtschromose. Aber die meisten Eigenschaften meines Körpers haben nichts mit meinem Geschlecht zu tun. Zum Beispiel wage ich zu sagen, dass auch du zwei Arme und zwei Beine hast, ohne jedes Wissen darüber, ob du ein Junge oder ein Mädchen bist. Warum der Apfel rund wächst, da hast du recht, wäre das gleiche Problem. Doch ich dachte mir, es spricht mehr Leute an, wenn ich die Frage auf uns Menschen anstatt auf ein Obst beziehe (zwecks der Identifikation mit der Problemstellung) ;-)

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Guter Ansatz. Habe auch mal vor kurzem darüber nachgedacht. Bin damals allerdings zu keinem Lösungsweg gekommen.

Redest du von Zwillingen? "...ihren Leib in identische und vollwertige Geschwister zu teilen...":

Ich glaube ich würde aber philosophisch herangehen. Und mich an das Ziel herantasten.

Mein derzeitiger Ansatz ist allerding sehr naturwissenschaftlich. so wie: die natürliche Zelle gehört der Natur an. Man könnte aus der laienhaften Sprache von Automatismus unter berücksichtung des Einflusses der Natur sprechen. Das Konstrukt - unter Berücksichtigung der Evolution - des Lebewesen ist festgeschrieben.

Ich behaupte, eine gesunde Zelle kennt ihr ziel aufgrund ihrer Umgebung - dem Ort des Entstehens. Wie sie aber als Zelle dorthin gelangt...? Wie entstand das erste Lebewesen?

Es haben sich Zellen zusammengetan - zu einem besagten lebenden Klumpen. Kommen hier die Mondphasen in Betracht?

Nee, ich meinte keine Zwillinge, sondern mit "ihrem Leib" den Leib der Zelle, die sich teilt. Die Zygote. Wenn Zellen denken könnten, wäre das Problem schnell gelöst, oder wenn es etwas gebe, das denken kann und die Zellen koordiniert. Es ist das Wunder, dass Botenstoffe (ich weiß nichtmal, wo die eigentlich herkommen, aber das ließe sich rauskriegen), die ihrerseits einfach nur Moleküle ohne Absichten sind, einzelne Zellen in einer insgesamt absolut sinnvollen Weise dazu zwingen, sich richtig zu "verhalten".

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@DesWurzelsZweig

wie kommst du darauf, das Zellen denken können. Es kam hier nicht zur Aussprache.

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@quadro

Frage mal an dich DesWurzelsZweig: Wie verhält sich die Schul-Biologie zur Astronomie und zur Philosophie?

Aus meiner sicht versteifst du dich auf einer von dir festgelegten Linie.

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@quadro

Stimmt, du hast recht. Das mit dem Denken der Zellen war weiter oben^^. Dann schwirrte mir das wohl noch so im Kopf herum, als ich meinen Kommentar schrieb. Aber deine Frage verstehe ich jetzt auch mit klarem Kopf nicht so ganz...Wie verhält sich die Schul-Biologie zur Astronomie und zur Philosophie? Willst du mich auf irgendwas aufmerksam machen? Dann ist der Groschen bei mir noch nicht gefallen...Jedoch (Randbemerkung): Astronomie und Philosophie finde ich auch sehr interessant^^

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Mich wundert dieses Hin- und Herdiskutieren. DocBernd hat in der allerersten Antwort doch alles zum Thema auf unglaublich hohem Niveau gesagt! Da gibt es kein "das ist ungeklärt..." ! Wenn schon ein Wissenschaftler sich die Mühe nimmt, einen komplexen sachverhalt auf so eingängige und vollständige Weise genauestens zu erläutern, warum liest dann die Gemeinde diesen Beitrag nicht??

Im übrigen ist die Frage genial. Damit beginnt alle Wissenschaft, daß einer tiefe Fragen stellt.

Hi kgunther! Du hast Recht, die Antwort da oben ist super! Aber als wir hier diskutiert haben, gab es sie noch nicht;) (schau mal auf die Uhrzeiten der Antworten). Ja, die Frage gefällt mir auch (höhö), und sie ist mir auch selber eingefallen, aber wenn es dazu schon Untersuchung gibt und gab, dann war ich wohl nicht der erste-.-...Danke für dein Kommentar und für dein Lob;-)!

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