Chemische Reaktionssysteme erklären die Strukturbildung in lebenden Organismen – und zwar lange, bevor die reagierenden Substanzen bekannt sind.
Aus: Spektrum der Wissenschaft, März 2010
Wie entsteht aus einer einzelnen Eizelle ein ganzes Huhn, eine Kröte oder auch ein Mensch? Die fantasievollen mittelalterlichen Ideen vom "Homunculus", dem kleinen Mann im Ei, dessen Strukturen alle schon vorhanden seien und sich nur noch entfalten müssten, sind durch das Mikroskop längst widerlegt: Alle Zellen des frühen Embryos sehen nicht nur gleich aus, sondern tragen auch noch dieselbe genetische Information. Trotzdem bilden sie während der Entwicklung sehr verschiedene Strukturen wie Kopf, Arme, Blutgefäße und Nerven, und das mit großer Zuverlässigkeit zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle. Wie funktioniert das?
Vor fast 40 Jahren hatte Hans Meinhardt dazu eine geniale Idee. Er suchte nicht nach den Genen oder chemischen Stoffen, die an der Strukturbildung beteiligt sind – das ist selbst heute noch etwas vom Schwierigsten –, sondern fragte danach, in welcher Art diese Stoffe miteinander reagieren müssten, damit überhaupt so etwas wie Struktur entsteht. Das wässrige Milieu innerhalb eines Zellhäufchens ist ja nicht gerade dazu geeignet, große Unterschiede aufkommen zu lassen, im Gegenteil: Die allgegenwärtige Diffusion und etliche diffusionsähnliche Prozesse neigen dazu, jegliche Konzentrationsunterschiede, die aus irgendwelchen Gründen entstanden sein mögen, wieder einzuebnen.
Meinhardt suchte und fand ein geeignetes Reaktionsschema, bei dem die Stoffe dieser Gleichmacherei entkommen: Ein "Aktivator" befördert seine eigene Produktion ebenso wie die seines Gegenspielers, des "Inhibitors". Aber der Inhibitor diffundiert schneller als der Aktivator und unterdrückt dadurch dessen Zuwachs – weit draußen, wohin der Aktivator sich nicht so schnell ausbreitet. Im Zentrum der Aktivität dagegen dominiert der Aktivator, weil der schnell abfließende Inhibitor dem nicht genug entgegenzusetzen hat. So entstehen aus rein zufälligen Schwankungen der Initialkonzentrationen Inseln der Aktivität. Deren durchschnittlicher Abstand ist durch die Parameter des Systems, insbesondere die Reaktionsraten und die Diffusionskonstanten, festgelegt. Sichtbar werden sie als die Flecken des Leoparden und der Giraffe oder auch als die Streifen des Zebras; denn wenn die Produktionsrate des Aktivators nach oben begrenzt ist, neigt das System dazu, Streifen statt Flecken zu bilden.
Meinhardt, ursprünglich Physiker, hat gemeinsam mit seinem Kollegen Alfred Gierer von 1969 bis zu seiner Emeritierung 2003 am heutigen Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen diese Grundidee ausgearbeitet und in die verschiedensten Richtungen weiterentwickelt. In seinem Artikel "Die Simulation der Embryonalentwicklung" im aktuellen Märzheft von "Spektrum der Wissenschaft" gibt er eine Zusammenfassung seines Lebenswerks.
Auf den ersten Blick mag es vermessen erscheinen, die ganze Komplexität der Embryonalentwicklung in ein paar mathematische Gleichungen fassen zu wollen. Aber dieser Prozess lässt sich in elementare Teilschritte zerlegen, die einer Theoriebildung zugänglich sind. So erzeugt Meinhardts Aktivator-Inhibitor-Schema, geeignet abgewandelt, nicht viele Streifen wie beim Zebra, sondern einen einzigen. Das ist die so genannte Mittellinie, bei vielen Tierarten die erste Struktur, die sich überhaupt entwickelt. Sie definiert die erste, die anterioposteriore Körperachse. An diesem Anfang eines Koordinatensystems orientieren sich alle weiteren Strukturen. Die bilaterale Symmetrie der meisten Tiere ergibt sich als natürliche Folge der postulierten Reaktionssysteme.
Das mathematische Modell lässt sich auch auf so diffizile Strukturen wie die Finger einer Hand erweitern. Dass man ein primitives Tier wie der Süßwasserpolyp Hydra in Teile zerschneiden kann und aus jedem Teil wieder ein vollständiges Tier heranwächst, ist ebenso aus der Theorie zu erklären wie die Bildung eines Netzes aus Adern, Nerven oder Bronchien in einem heranwachsenden Organ.
Mittlerweile sind einige der Substanzen, deren Existenz Meinhardt nur vermuten konnte, sogar ausfindig gemacht worden. Inzwischen haben die Wissenschaftler Gene identifiziert und mit komplizierten Namen versehen, die sich genau so verhalten, wie die Theorie es Jahrzehnte zuvor vorausgesagt hat.
