Das Problem der Morphogenese
Alle Zellen eines Organismus enthalten dieselbe DNA. Dennoch differenzieren sich Zellen – sie werden zu Leberzellen, Neuronen, Hautzellen, mit völlig unterschiedlichen Formen und Funktionen. Und räumliche Muster entstehen spontan – die Flecken eines Leoparden, die Streifen eines Zebras, die Spiralen einer Nautilusmuschel. Wie entsteht Positionsinformation in einem chemisch einheitlichen System? Das ist das Problem der Morphogenese.
Reaktions-Diffusions-Systeme
Turing schlug vor, dass zwei Chemikalien – ein Aktivator und ein Inhibitor –, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch Gewebe diffundieren, spontan räumliche Symmetrie brechen können. Der Aktivator fördert seine eigene Produktion sowie die des Inhibitors; der Inhibitor unterdrückt den Aktivator. Wenn der Inhibitor schneller diffundiert als der Aktivator, entstehen stabile räumliche Muster (Turing-Muster) – Streifen, Flecken oder je nach Parametern komplexere Geometrien. Die entscheidende Erkenntnis: Komplexe biologische Muster können aus einfacher Chemie ohne einen vorgefertigten Bauplan entstehen.
Bestätigung und Vermächtnis
Turing-Muster wurden experimentell in chemischen Systemen (Belousov-Zhabotinsky-Reaktion) und Jahrzehnte später in biologischen Systemen bestätigt: bei der Anordnung der Finger (BMP- und Noggin-Signalisierung), bei der Musterbildung von Haarfollikeln und bei Pigmentmustern bei Fischen. Im Jahr 2012 bestätigte eine Studie, dass das Muster der Gaumenleisten bei Mäusen dem Reaktions-Diffusions-Mechanismus von Turing folgt. Die Arbeit, die Turing für ein unbedeutendes Nebenprojekt hielt, ist grundlegend für die Entwicklungsbiologie geworden.
Zwanzig Fragen, acht Minuten auf der Uhr und ein Perzentil, gemessen an allen bisherigen Teilnehmern. Ohne Anmeldung.
IQ-Test starten →Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in Turings Morphogenese-Arbeit?
Turings Arbeit von 1952 „The Chemical Basis of Morphogenesis“ schlägt vor, dass zwei Chemikalien, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten diffundieren – ein Aktivator und ein schneller diffundierender Inhibitor –, spontan stabile räumliche Muster (Turing-Muster) in chemisch einheitlichem Gewebe erzeugen können. Dieser Mechanismus, argumentierte er, liegt der biologischen Musterbildung zugrunde: Tiermarkierungen, Fingeranordnung und Organentwicklung.
Gibt es Turing-Muster in der Biologie wirklich?
Ja. Turing-Muster wurden in mehreren biologischen Systemen bestätigt: Die Anordnung der Finger wird durch BMP-Noggin-Reaktions-Diffusions-Dynamiken gesteuert; Haarfollikel-Musterbildung; Fischpigmentierung (Zebrafischstreifen folgen Turing-Gleichungen); und Gaumenleistenbildung bei Mäusen (bestätigt 2012). Der Mechanismus, den Turing 1952 beschrieb, ist heute ein grundlegendes Konzept der Entwicklungsbiologie.
Was ist ein Reaktions-Diffusions-System?
Ein Reaktions-Diffusions-System umfasst zwei oder mehr Chemikalien, die miteinander reagieren (Produktion, Zerstörung, Aktivierung, Hemmung), während sie gleichzeitig durch den Raum diffundieren. Wenn sich die Reaktions- und Diffusionsraten im richtigen Bereich befinden, entwickelt das System spontan stabile räumliche Muster aus einem ursprünglich einheitlichen Zustand. Turing analysierte dies zuerst in einem biologischen Kontext; die Mathematik findet Anwendung in Chemie, Ökologie und Materialwissenschaften.