Oberflächenspannung entscheidet über Symmetrie von Lebewesen

Bei Wirbeltieren sind die Arme, Beine, Flossen und Flügel sauber auf beiden Seiten des Rumpfes angeordnet. Diese Symmetrie mag zwar unscheinbar und vollkommen natürlich erscheinen, doch die für jede Art charakteristische geordnete Struktur ist in Wirklichkeit das Ergebnis einer Reihe komplizierter Prozesse, die während der Embryonalentwicklung ablaufen. In einer kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit zeigen EPFL-Forschende, wie die Oberflächenspannung – eine rein mechanische Kraft – die endgültige Position und die Längssymmetrie der Somiten, der embryonalen Bausteine, die die Entwicklung der Gliedmassenknospen bewirken, beeinflusst. Diese bekannte Kraft ist auch für die runde Form von Wasser an der Spitze eines Glases und von Tautropfen auf einem Blatt verantwortlich. Die Entdeckung des Teams bietet neue Einblicke in die frühen Stadien des Lebens und zeigt zum ersten Mal, wie die Oberflächenspannung, die in allen embryonalen Geweben auftritt, einen Schlüsselprozess in der Wirbeltierentwicklung steuert.

Erreichen der Symmetrie unabhängig von Umweltfaktoren

Somiten sind winzige, blockartige Strukturen, die auf der linken und rechten Seite des Neuralrohrs, dem Vorläufer des zentralen Nervensystems, erscheinen. Sie bilden sich in den frühen Stadien der Embryonalentwicklung rhythmisch und sequentiell entlang der Körperachse. Diese winzigen Ausstülpungen sind der Beginn des Bewegungsapparats, aus dem die links-rechts-symmetrisch gegliederten Rippen, die Wirbelsäule und die dazugehörigen Muskeln hervorgehen, ein gemeinsames Merkmal aller Wirbeltiere. Lange Zeit ging man davon aus, dass die Somiten ihre bemerkenswert präzise endgültige Links-Rechts-Symmetrie der Wirkung eines genetischen Oszillators, der so genannten Segmentationsuhr, verdanken. Diese Lehrbuchmeinung erwies sich jedoch als falsch.

«Manchmal bilden sich Somiten zunächst auf den beiden Seiten, die ungleich lang und asymmetrisch geformt sind», erklärt Sundar Naganathan, Postdoktorand im Labor für Timing, Oszillationen und Muster der EPFL. In ihrer Forschung wollten die Wissenschaftler verstehen, wie diese frühe Variation schliesslich zur Körpersymmetrie führt: «Wir haben gezeigt, dass die Symmetrie eine entstehende Eigenschaft ist», sagt Naganathan.

Die Form ändert sich, aber das Volumen bleibt gleich

Die Wissenschaftler untersuchten Zebrafisch-Embryonen mit verschiedenen bildgebenden Verfahren. Sie beobachteten einen Prozess, bei dem sich dieses ungenaue Muster schnell selbst korrigiert, wobei die Somiten etwa eine Stunde nach der Bildung gleichmässig in Länge und Verteilung auf beiden Seiten des Neuralrohrs werden. «Wir fanden auch heraus, dass sich zwar ihre Länge ändert, das Volumen dieser winzigen Strukturen aber gleich bleibt», fügt Naganathan hinzu. «Diese ersten Beobachtungen führten die Forschenden zu dem Schluss, dass diese Veränderungen durch die Oberflächenspannung bedingt sein könnten, eine physikalisch-chemische Eigenschaft, die allen embryonalen Geweben gemeinsam ist und mit der Art und Weise zusammenhängt, wie eine Flüssigkeit mit ihrer Umgebung interagiert. Um den Zusammenhalt zwischen gleichen Molekülen aufrechtzuerhalten, haben die Moleküle an der Oberfläche etwas mehr Energie. Diese Struktur des Systems bewegt sich in Richtung einer stabilen Konfiguration, die die geringste Energiemenge verbraucht. Dies wiederum führt dazu, dass sich die Oberflächenschicht zusammenzieht und ausbeult.

Einsatz automatischer Algorithmen zur Analyse von Terabits an Daten

Naganathan und seine Kollegen führten eine Reihe von In-vivo- und In-vitro-Experimenten durch, um den Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und Symmetrie in lebenden Organismen nachzuweisen. In einem Experiment beobachteten sie zum Beispiel, dass im Labor gezüchtete Somiten die gleiche runde Form annehmen wie Tautropfen auf einem Blatt. Aber reicht die Oberflächenspannung aus, um die Länge dieser Strukturen wiederherzustellen? Dank der Störungen, die durch Proteine ausgelöst wurden, von denen bekannt ist, dass sie die Oberflächenspannung beeinflussen, konnte das Team nachweisen, dass die Somiten nicht mehr die gleiche Länge hatten. In der nächsten Phase ihrer Forschung setzten sie Computermodellierungstechniken ein, um verschiedene Modelle zu vergleichen und zu überprüfen, und entwickelten automatisierte Algorithmen, um mehrere Terabits an Bildgebungsdaten zu sichten und zu analysieren. Unsere Ergebnisse, die auf die Rolle der Gewebemechanik bei der Präzision von Gewebeformen und -grössen hinweisen, könnten auf organoide Systeme angewandt werden, bei denen das Erreichen präziser Gewebeformen noch immer ein ungelöstes Problem darstellt», fügt Naganathan hinzu.

Die Beobachtungen des Teams wiesen alle in dieselbe Richtung: «Wir kamen zu dem Schluss, dass die Oberflächenspannung die Korrektur von Längen- und Symmetriefehlern erleichtern kann», sagt Naganathan. Obwohl sich die Forschung speziell auf Zebrafischembryonen konzentrierte, könnten die Ergebnisse von universeller Bedeutung sein: «Die Tatsache, dass die Oberflächenspannung bei sich entwickelnden Geweben in allen Arten vorkommt, lässt vermuten, dass dieser selbstkorrigierende Prozess auch bei anderen Wirbeltieren auftreten könnte», erklärt er.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler planen, ihre Forschungen fortzusetzen, um weitere unbeantwortete Fragen über die Ursprünge der Körpersymmetrie zu klären. Nachdem sie zum Beispiel gezeigt haben, wie die Oberflächenspannung die Form und Symmetrie dieser elementaren Bausteine beeinflusst, muss das Team noch verstehen, wie und warum sich auf beiden Seiten des Rumpfes gleich grosse Gliedmassen entwickeln: «Das ist unsere nächste grosse Herausforderung», sagt Naganathan. Ihre Forschungen könnten Aufschluss über andere interessante Fragen geben, z. B. warum relativ weit entfernte Organe wie Augen und Ohren symmetrisch geformt sind und wie die Körpersymmetrie im Allgemeinen mit der asymmetrischen Anordnung anderer Organe wie Herz und Magen koordiniert wird.