Wie eine einzelne Zelle weiß, wo ein Auge entsteht
Eine befruchtete Eizelle hat keine Augen, kein Herz und kein Links oder Rechts. Dennoch bringt sie innerhalb von Wochen einen Körper hervor, in dem jedes Organ an der richtigen Stelle sitzt. Woher weiß eine Zelle, die noch nie einen Körper gesehen hat, wohin das Auge gehört? Diese Frage, die auf der chinesischen Q&A-Plattform Zhihu populär wurde, beschäftigt Entwicklungsbiologen seit mehr als einem Jahrhundert.
Der erste Hinweis kam aus einer täuschend einfachen Beobachtung über Farbe. Die meisten Tiere mit zweifarbigem Fell oder zweifarbiger Haut sind am Rücken dunkel und am Bauch hell. Das Muster ist so verbreitet – Mäuse, Hirsche, Fische, Vögel –, dass es in den Regeln der Entwicklung festgeschrieben sein muss und nicht erlernt wird. Der Grund ist chemischer Natur. Zellen am Rücken und Zellen am Bauch befinden sich in unterschiedlichen Umgebungen, und jede setzt andere Signalmoleküle frei. Diese Moleküle breiten sich aus und bilden Gradienten, und eine Zelle liest die lokale Konzentration, um zu entscheiden, was sie werden soll. Farbe ist einfach der am leichtesten sichtbare Gradient.
Diese Idee hat eine berühmte Entstehungsgeschichte. In den 1920er Jahren transplantierten der deutsche Embryologe Hans Spemann und seine Studentin Hilde Mangold ein kleines Gewebestück von einem Amphibienembryo auf einen anderen. Das transplantierte Gewebe überlebte nicht nur. Es wies die umliegenden Zellen an, eine vollständige zweite Körperachse zu bilden, wodurch eine zweiköpfige Kaulquappe entstand. Das Gewebestück wurde als Organisator bekannt, und das Experiment gewann einen Nobelpreis. Es bewies, dass Embryonen nicht nach einem festen Bauplan entstehen, sondern aus Gesprächen zwischen Zellen.
Die moderne Genetik füllte das Vokabular. Eine kleine Gruppe von Genen – mit Namen wie Hox, Pax6 und Sonic hedgehog – wirkt als Koordinaten entlang des Körpers. Pax6 beispielsweise hilft, die Augenbildung einzuschalten. Bemerkenswerterweise erfüllt dasselbe Gen diese Aufgabe bei Fruchtfliegen, Mäusen und Menschen. Schaltet man es bei einer Fliege an der falschen Stelle ein, wächst ein Auge am Bein. Die Evolution verwendet denselben Werkzeugkasten immer wieder und ändert nur, wann und wo jedes Gen aktiv wird.
Gradienten erklären mehr als Farbe. Eine sich entwickelnde Gliedmaße muss wissen, welches Ende die Schulter und welches die Fingerspitze ist. Ein Neuralrohr muss wissen, welche Seite zum Gehirn und welche zum Rückenmark wird. In jedem Fall setzt eine kleine Gruppe von Zellen ein Signal frei, das Signal diffundiert, und die Nachbarn reagieren je nachdem, wie viel bei ihnen ankommt. Es ähnelt weniger einem Bauplan und mehr dem Wetter – Muster, die aus lokalen Regeln entstehen.
Wissenschaftler in China und anderswo kartieren diese Signale heute Zelle für Zelle, indem sie fluoreszierende Marker und Einzelzellsequenzierung nutzen, um Embryonen in Echtzeit zu beobachten. Die Arbeit hat praktische Bedeutung. Zu verstehen, wie Organe positioniert werden, hilft Forschern, Ersatzgewebe aus Stammzellen zu züchten, und erklärt, warum manche Geburtsfehler auftreten, wenn ein Gradient zu schwach, zu stark oder verschoben ist.
Die alte Frage – woher weiß eine Zelle, wohin das Auge gehört – hat jetzt eine teilweise Antwort. Sie weiß es nicht genau. Sie nimmt ihre Nachbarn wahr, liest die Chemie um sich herum und folgt Regeln, die die Evolution seit Hunderten von Millionen Jahren verfeinert. Der Körper ist kein Plan. Er ist eine Übereinkunft.