02.06.2017

DIE EVOLUTION DER SCHÖNHEIT

Die Tierwelt ist farbenprächtig. Doch wie entsteht diese vielfältige Schönheit? Das erklärte die deutsche Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard am Beispiel ihrer Forschung zu Zebrafischen im Festsaal der ÖAW.

Muster und Farben in der Tierwelt sind nicht nur attraktiv und gewährleisten eine erfolgreiche Fortpflanzung, sondern dienen auch der Kommunikation. Während Tarnfarben unsichtbar machen, indem Tiere ihr Äußeres der Umgebung anpassen, gelten grelle Farben etwa als Warnsignal. Manche Arten ahmen diese auch nach, um sich effektiv vor Fressfeinden zu schützen. Und auch bei Revierkämpfen ist nicht zuletzt die Optik ausschlaggebend.

Die Natur hat also viele Farben zu bieten. Doch wie entstehen diese eigentlich? Die Medizin-Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard befasst sich mit genau dieser Frage und mit der Biologie, die hinter der Farbgebung steckt. Seit mehreren Jahren erforscht sie dafür am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen das Muster des Zebrafisches, einem besonders farbenprächtigen Vertreter der Tierwelt. Ihre neuesten Forschungsergebnisse präsentierte Nüsslein-Volhard nun am 30. Mai 2017 im Festsaal der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) bei einer ÖAW-IST Austria Lecture.

Beliebter Modellorganismus Zebrafisch

Aber warum überhaupt Zebrafische? Die etwa fünf Zentimeter großen Tierchen, die man vor allem aus heimischen Aquarien kennt, sind ein beliebter Modellorganismus in der Molekularbiologie. Da sich die Embryonen außerhalb des mütterlichen Organismus ausbilden und zudem durchsichtig sind, lässt sich ihre Entwicklung besonders gut beobachten. Gleichzeitig sind sie groß genug, um einzelne Zellen zu entfernen oder in einen anderen Embryo zu transplantieren.

Die Streifen des Zebrafisches scheinen ein Erkennungssignal zu sein, damit sich die Fische nur mit der gleichen Art paaren.

Seinen Namen hat der Süßwasserfisch, der zur Art der Bärblinge gehört, aufgrund seines auffälligen Musters von blauen und goldenen Längsstreifen. Diese scheinen ein Erkennungssignal zu sein, damit sich die Fische nur mit der gleichen Art paaren. So hat Nüsslein-Volhard erst kürzlich herausgefunden, wie sie erzählte, dass eng verwandte Arten besonders unterschiedliche Farbmuster besitzen.

Pigmentzellen sorgen für Farbenpracht

Auch wie dieses Streifenmuster entsteht, weiß die Forschung inzwischen. Verantwortlich dafür ist die Wechselwirkung dreier unterschiedlicher Pigmenttypen. Die oberste Schicht wird von gelben Pigmentzellen gebildet, die auf den reflektierenden, silbernen Pigmentzellen liegen, gefolgt von einer Schicht mit schwarzen Pigmentzellen. Die silbernen Zellen überziehen die schwarzen lose, wodurch die blauen Streifen entstehen. Je nachdem, ob die Zellen sich kompakt zusammenziehen oder sich ausdehnen, bilden sich so die hellen und dunklen Streifen.

 

 

Was man bisher noch nicht wusste, ist, wie diese Pigmentzellen selbst entstehen. Hier konnte Nüsslein-Volhards Forschung Licht ins Dunkel bringen. Die Vorläufer der Pigmentzellen entstehen in der frühen embryonalen Entwicklung, während der so genannten Metamorphose, in der sich die Larve zum Fisch verwandelt. Die Stammzellen sind die ersten Zellen, die sich an der so genannten Neuralleiste bilden, einem embryonalen Gewebe, aus dem sich auch Kopf, Knochen und Nervenzellen bilden. Ausgehend von den Nervenknoten wandern die farbgebenden Zellen dann entlang der Nervenfasern in die Haut.

Um das zu beobachten, markierte Nüsslein-Volhard die Stammzellen mit fluoreszierenden Farbstoffen, um so die Vermehrung, Wanderung und Ausbreitung einzelner Zellen, die zur Musterbildung führen, in lebenden, sich entwickelnden Zebrafischen mit Hilfe einer Zeitraffer-Bildgebung analysieren zu können. Die Zebrafische zu betäuben, damit sie immobil sind, sei im Übrigen gar nicht so einfach gewesen, erzählte die Forscherin schmunzelnd. Schließlich seien die Fische klein und flink.

<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/I6NKTa4cCFI" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>

Punkte statt Streifen

Was Nüsslein-Volhard in ihrer Forschung ebenfalls zeigen konnte: auf die richtige Mischung kommt es an, sonst gibt es Punkte statt Streifen. Experimente mit Zebrafischen, denen Pigmente fehlten, haben gezeigt, dass die drei Zelltypen miteinander interagieren müssen, um das korrekte Muster zu bilden. Ohne silberne Pigmentzellen etwa hatten die Zebrafische Punkte.

Wie sich die Streifen konkret anordnen, ist mysteriös und ein selbstorganisierender Prozess. 

Dennoch, einige Rätsel bleiben: "Wie sich die Streifen konkret anordnen, ist mysteriös und ein selbstorganisierender Prozess", sagte Nüsslein-Volhard. Aber sie ist optimistisch, durch weitere Forschung die molekularbiologischen Prozesse hinter der Musterbildung von Zebrafischen noch besser zu verstehen. Das könnte dann eines Tages auch dabei helfen, die Musterbildung bei anderen Organismen zu erklären, etwa wie ein Tiger zu seinen Streifen kommt.

Gemeinsam mit ihrem Team untersucht sie derzeit beispielsweise Gene und Proteine, die involviert sind. Dabei konnte sie schon herausfinden, dass besonders Membranproteine eine wichtige Rolle bei der Kommunikation zwischen den Pigmentzellen spielen: "Es gibt offenbar viele Einflüsse aus dem Umfeld, die mitbestimmen, wie die Pigmentzellen miteinander agieren", so Nüsslein-Volhard.