2.

Grundlagen

Voraussetzung für die sexuelle Fortpflanzung ist ein Einzellenstadium. Vielzelligkeit bietet jedoch einen Anpassungsvorteil. Größere Tiere können beispielsweise leichter kleinere erbeuten. Viele wirbellose Tiere, aber auch Fische und Amphibien, durchlaufen in ihrer Entwicklung ein Larvenstadium, in dem sie sehr viel fressen und stark wachsen. Man spricht von einer indirekten Entwicklung und stellt sie der direkten Entwicklung von Tieren ohne ausgeprägtes Larvenstadium gegenüber. Die Larven, z. B. von Insekten mit vollständiger Metamorphose, unterscheiden sich von den ausgewachsenen, geschlechtsreifen Tieren hinsichtlich der äußeren Gestalt und der Lebensweise. Larven und ausgewachsene Tiere derselben Art besetzen unterschiedliche ökologische Nischen und machen sich gegenseitig keine Konkurrenz z. B. um Nahrung.

Die Entwicklung von der Einzelzelle zum ausgewachsenen Organismus ist bei höheren Pflanzen und Tieren sehr komplex. Sie bestehen aus Milliarden von Zellen, die sich zu zahlreichen Geweben und Organen zusammenlagern. Die Grundlagen dieser Entwicklung lassen sich bereits am Embryo erkennen. Die Embryonalentwicklung wird durch vier wichtige Prozesse bestimmt: Wachstum (Größenzunahme durch Zellteilung), Musterbildung (ungleichmäßige Verteilung bestimmter Substanzen in den Zellen), Differenzierung (Ausbildung spezialisierter Zellen) und Morphogenese (Gestaltbildung, d. h. Entstehung unterschiedlicher Gewebestrukturen und getrennter Organe mit verschiedenen Funktionen).

1.

Wachstum

Wachstum bedeutet in erster Linie die Erzeugung neuer Zellen durch Zellteilung, weniger die Zunahme der Größe einzelner Zellen. Bei Bakterien und anderen Einzellern ist die Zellteilung zugleich die Fortpflanzung, da die Tochterzellen selbständig weiterleben. Bei Vielzellern bleiben die Zellen nach der Teilung miteinander verbunden und werden zu Teilen eines größeren Organismus. Bei Menschen und Tieren teilt sich schon die befruchtete Eizelle; die Zellen des entstehenden Zellklumpens entwickeln sich zu verschiedenen Geweben und Organen.

Das Gleiche gilt im Prinzip auch für Pflanzen, allerdings mit einem wichtigen Unterschied: Ausgewachsene Pflanzenzellen sind von einer festen Zellwand eingeschlossen. Deshalb wächst die Pflanze nur im Bereich bestimmter Bildungsgewebe, die man Meristeme nennt. Hier gehen aus nicht spezialisierten Zellen verschiedene Pflanzenteile hervor. Solches Embryonalgewebe findet man in Wurzelspitzen, Sprossknoten und Knospen sowie als eigene Gewebeschicht (Kambium) in Stämmen. Die Entwicklung der Pflanzen wird durch Pflanzenhormone wie Auxin und verschiedene Gibberelline gesteuert.

Beim Wachstum während der Embryonalentwicklung wirken verschiedene Vorgänge zusammen. Der Bauplan für die Gestalt jeder Tier- und Pflanzenart ist zwar im Genom festgelegt (Genotyp), seine Umsetzung wird jedoch durch Umweltfaktoren beeinflusst. Das gilt besonders für Pflanzen, da ihr Wachstum entscheidend von der Lichtstärke, der Temperatur und dem Nährstoffgehalt im Boden abhängt. Der genetisch festgelegte Bauplan wird auch nicht nur durch „An- und Abschalten” bestimmter Gene verwirklicht, sondern durch physiologische Wechselwirkungen vieler Moleküle und der sich bildenden Zellen (siehe epigenetische Information).

2.

Musterbildung

Die deutsche Biochemikerin Christiane Nüsslein-Volhard und ihre Kollegen Eric Wieschaus und Edward Lewis deckten Ende des 20. Jahrhunderts bei ihren Untersuchungen an Embryonen der Taufliege wichtige Prinzipien der frühen Embryonalentwicklung auf. Nach heutigen Erkenntnissen sind diese für eine große Zahl von Tierarten grundsätzlich gleich, da die entsprechenden Gene im Genom der meisten Tiere zu finden sind. Im Zytoplasma der Eizelle sind Nucleinsäuremoleküle (mRNA) in unterschiedlicher Konzentration enthalten, d. h., es gibt Konzentrationsgradienten der mRNA. Infolgedessen weisen auch die Proteine, deren Bauanleitung in der mRNA kodiert ist, einen solchen auf. So wird der Eizelle bzw. Zygote ein dreidimensionales Muster aufgeprägt, bevor sie sich zu teilen beginnt.

Auch nach den ersten Teilungen bestimmen derartige Muster die Entwicklung. Abhängig von ihrer Position innerhalb eines Gradienten werden in den Zellkernen des jungen Embryos übergeordnete Gene (Entwicklungskontrollgene) aktiviert und die entsprechenden Proteine gebildet (Genexpression). Diese Proteine wirken als Signalstoffe (Transkriptionsfaktoren) für die Expression weiterer Gene. Die Genexpression wird in der Regel dann in Gang gesetzt, wenn ein bestimmter Schwellenwert in der Konzentration des Transkriptionsfaktors erreicht ist. So führt eine geordnete Genexpressionskaskade zur Festlegung von Vorder- und Rückseite, Bauch- und Rückenseite, linker und rechter Seite und im weiteren Verlauf zur Bildung verschiedener Gewebe und Organe.

Auch andere biochemische Zellsignale legen Muster im Embryo fest. Offenbar entwickelt sich bei Säugern ebenso wie bei Fröschen und einigen Wirbellosen der Kopf des Embryos an der Stelle einer Zygote, wo das Spermium bei der Befruchtung eingedrungen ist. Infolge der Musterbildung „erkennen” die Zellen mit fortschreitender Zellteilung, an welcher Stelle des Embryos sie sich befinden.

3.

Differenzierung und Morphogenese

Vor der Zelldifferenzierung findet meist eine asymmetrische Zellteilung statt, d. h., aus einer Zelle entstehen zwei unterschiedlich große Tochterzellen. Die kleinere differenziert sich zu einem speziellen Zelltyp, die größere teilt sich wie ihre Ausgangszelle weiter. So entstehen differenzierte Gewebe, etwa Binde-, Muskel- oder Nervengewebe, die sich dann zu Organen wie Lunge oder Gehirn zusammenfinden. Bei Pflanzen werden z. B. bestimmte Zellen der Sprossachse zu Phloem und Xylem, Teilen des Leitbündels.

Die Differenzierung von Zellen geht einher mit der Morphogenese. Beide Prozesse werden zwar von unterschiedlichen Genen gesteuert, bedingen sich aber gegenseitig. Viele molekulare Mechanismen sind bis heute nur unvollständig bzw. nur bei bestimmten Organismen aufgeklärt. Bei Tierembryonen erfolgt die Morphogenese vor allem durch Zellbewegungen, in Pflanzenembryonen spielt die asymmetrische Zellteilung infolge der Musterbildung die entscheidende Rolle.

Bei Tieren beginnen morphogenetische Bewegungen mit der Umwandlung der Morula (des frühen, kompakten Embryonalstadiums) zur Hohlkugel der Blastula. Etwas später bildet sich die Gastrula, ein Embryo mit einer zweiten Zellschicht, die durch Einstülpung eines Teiles der Außenschicht entstanden ist. Daran schließen sich zahlreiche weitere morphogenetische Bewegungen an. So sammeln sich Zellen zur Bildung des Urdarmes, des Neuralrohrs und der Arm- und Beinknospen, und die Vorläufer der Keimzellen wandern zu den Geschlechtsdrüsen (Hoden bzw. Eierstöcke).

Der deutsche Embryologe und Nobelpreisträger Hans Spemann fand zu Beginn des 20. Jahrhunderts heraus, dass es in der Gastrula von Amphibien einen Bereich gibt, der das darüberliegende Gewebe zur Differenzierung anregt und so die Hauptachse des Embryos – sein Vorder- und Hinterende – festlegt. Er nannte den betreffenden Bereich „Organisator”, weil er fälschlicherweise glaubte, dieser sei für die Ausrichtung der Achse verantwortlich. In Wirklichkeit setzt der Bereich nur einen Wirkstoff frei, der in den Gewebezellen die Expression bestimmter Gene in Gang setzt. Diese Gene wiederum sorgen für die sich anschließende Differenzierung der Zellen. Einen solchen Vorgang bezeichnet man als Induktion. Dazu gehören z. B. die Anregung zur Bildung des Mesoderms durch das Entoderm im Blastulastadium und die Bildung einer Neuralplatte (aus der das Neuralrohr entsteht) durch den Kontakt von Urdarmzellen mit dem Ektoderm. Für die Differenzierung einer Zelle ist in der Regel entscheidend, welche Zellen sich in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft befinden.

Der Ablauf der morphogenetischen Bewegungen beruht in erster Linie auf zwei chemischen Prozessen: Bei der Chemotaxis werden Zellen von einer bestimmten Substanz angezogen. Wichtige Erkenntnisse dazu stammen aus molekularbiologischen Studien an der sozialen Amöbe Dictyostelium discoideum, bei der sich die Einzeller unter dem Einfluss eines Signalstoffes zu einem vielzelligen Organismus zusammenschließen. Vermutlich sind die hier gewonnenen Erkenntnisse auch für Vielzeller gültig.

Das andere morphogenetische Prinzip ist die Zelladhäsion: Bewegen sich Zellgruppen aneinander vorbei, haften manche Moleküle an ihrer Oberfläche aneinander. Diese Haftwirkung (Zellaffinität) beruht auf Anziehungskräften zwischen unterschiedlich geladenen Ionen oder auf atomaren Wechselwirkungen der Molekülbestandteile. Die entsprechenden Oberflächenmoleküle werden als Zelladhäsionsmoleküle bezeichnet; ein Beispiel dafür ist die Sialinsäure.

Der Embryologe Johannes Holtfreter fand Mitte des 20. Jahrhunderts heraus, dass embryonale Zellen unterschiedlich stark aneinanderhaften. Später zeigte sich, dass dafür die Oberflächenverteilung der Zelladhäsionsmoleküle verantwortlich ist. Gewebe oder Organe entstehen dadurch, dass Zellen aufgrund ihrer Adhäsionsmoleküle in einer bestimmten räumlichen Orientierung aneinanderhaften. Holtfreter erkannte auch, dass die zugrunde liegende Eigenschaft erhalten bleibt, sobald sie einmal ausgeprägt ist: Er entnahm aus der Neurula (dem Embryonalstadium, das auf die Gastrula folgt) von Molchen an zwei unterschiedlichen Stellen Zellen und mischte diese gleichmäßig miteinander. Die Zellen entmischten sich wieder von selbst und bildeten eine Struktur, die der Neurula ähnelte.

Manche Differenzierungsvorgänge laufen offensichtlich erst ab, wenn zuvor eine festgelegte Zahl von Zellteilungen stattgefunden hat – dies gilt z. B. für die Bildung der Blutzellen und der Keimzellen (Ei- oder Samenzellen). In anderen Fällen spielt sich die Differenzierung unabhängig von der Zellteilung ab; Auslöser sind dann Hormone oder zelleigene Botenstoffe. Man kennt heute eine Reihe solcher Faktoren, z. B. die zu den Zytokinen zählenden TGF-Moleküle (transforming growth factor; englisch für Umwandlungswachstumsfaktor). Das Zusammenspiel von Zelladhäsion, Substanzkonzentration und Wachstumsfaktoren sowie morphogenetischen Bewegungen ist sehr komplex. Die Morphogenese beinhaltet außerdem den programmierten Zelltod (Apoptose) bestimmter Zellen.

4.

Determinierung

Der deutsche Embryologe Hans Driesch machte Ende des 19. Jahrhunderts ein berühmtes Experiment: Er schnitt einen Seeigelembryo der Länge nach durch. Aus den beiden Hälften entstand jeweils eine kleinere, ansonsten aber normale Larve. Drieschs Verfahren wurde später erfolgreich bei Embryonen von Amphibien und Säugetieren angewandt. Ungefähr zur selben Zeit wie Driesch zeigten die amerikanischen Embryologen Edmund Beecher Wilson und Edwin Grant Conklin, dass die gleiche Operation bei Weichtieren, Würmern und Seescheiden zu Embryonen führt, die sich nicht zu gesunden Tieren entwickeln. Diese zwei Formen der frühen Embryonalentwicklung werden Regulationsentwicklung und Mosaikentwicklung genannt. Die meisten Embryonen entwickeln sich auf beiderlei Weise, je nachdem, welchen Zeitpunkt oder welchen Bereich des Embryos man betrachtet.

Bei einer Mosaikentwicklung setzt die Differenzierung von Zellen schon sehr rasch ein, bei der Regulationsentwicklung dagegen erst später. Das bedeutet, dass in der frühen Embryonalentwicklung geschädigte oder abgestorbene Zellen bei der Mosaikentwicklung nicht ersetzt werden, wohl aber bei der Regulationsentwicklung. Die Anlagen (Ausgangszellen) der Organe liegen offenbar bei Tieren mit Mosaikentwicklung schon im Ei an einem bestimmten Ort. Man bezeichnet eine solche Festlegung des „Schicksals” einer Zelle als Determinierung. Ein Extrembeispiel für Determinierung ist der Fadenwurm Caenorhabditis elegans: Schon nach den ersten Zellteilungen ist festgelegt, welchen Platz (und welche Funktion) die Abkömmlinge einer bestimmten Zelle im ausgewachsenen Organismus einnehmen; dieses Entwicklungsschema ist bei jedem Caenorhabditis-Individuum gleich.

Viele Zellen, etwa Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und Nervenzellen, verlieren mit ihrer Differenzierung die Fähigkeit zur Zellteilung. Andere Zellen, z. B. bestimmte Leber- und Muskelzellen, können sich im differenzierten Zustand nicht nur weiterhin teilen, sondern sogar in ein früheres Entwicklungsstadium zurückkehren. Sie sind dann in der Lage, sich in einen anderen Zelltyp zu verwandeln als die ihnen benachbarten Zellen desselben Gewebes bzw. Organs. Man bezeichnet die Rückkehr einer Zelle in einen frühen Entwicklungszustand auch als Re-Embryonalisierung. An manchen Stellen im Körper, z. B. im Knochenmark von Wirbeltieren, befinden sich zeitlebens undifferenzierte Stammzellen, aus denen sich durch Differenzierung verschiedene Zelltypen entwickeln können. Stammzellen sind totipotent oder omnipotent, wenn sie sich in alle Zelltypen, pluripotent oder multipotent, wenn sie sich nur in bestimmte Zelltypen, z. B. verschiedene Blutzellen, verwandeln können.

5.

Regeneration

Bei Pflanzen und vielen niederen Tieren besonders häufig ist die Regeneration – der Neuaufbau differenzierten Gewebes nach Beschädigung oder vollständigem Verlust. Im Allgemeinen sind komplizierter gebaute und höher entwickelte Tiere in geringerem Umfang zur Regeneration fähig als einfach gebaute, z. B. Hohltiere und Stachelhäuter. Pflanzen können verschiedene Organe neu bilden, beispielsweise die jährlich wachsenden Triebe eines Baumes, manche Gliedertiere können Gliedmaßen ersetzen. Viele Echsen und Salamander wie der Axolotl können beispielsweise ihren gesamten Schwanz regenerieren, wenn er infolge einer Verletzung oder durch Autotomie (Abwerfen bei Bedrohung) verloren gegangen ist. Säugetiere sind dagegen nur noch in der Lage, bestimmte Gewebe bzw. Zelltypen wie Leber- und Blutzellen zu erneuern, da sich nur noch in wenigen Organen des Körpers Stammzellen befinden. Andere Zelltypen werden lange Zeit durch Teilung reifer Zellen regeneriert, mit einsetzendem Alterungsprozess nimmt die Fähigkeit des Körpers dazu jedoch ab und kommt schließlich zum Stillstand.