Wo ist der Kopf des Seesterns? Eine neue Antwort auf ein uraltes Rätsel

Wo genau ist der Kopf des Seesterns? |TuChong Creative

Wenn Sie einem Seestern einen Hut aufsetzen würden, wo würden Sie ihn dem Seestern aufsetzen? Diese Frage mag etwas unsinnig klingen, aber sie trifft den Kern einer ernsten Frage der Zoologie und Entwicklungsbiologie: Wo ist der Kopf eines Seesterns?

Egal, ob wir im Leben einen Wurm oder einen Fisch sehen, wir können leicht sagen, wo sich Kopf und Schwanz befinden. Doch die Struktur des Kopfes des Seesterns, der aus fünf identischen „Armen“ besteht, mit denen er sich über den Meeresboden fortbewegen kann, gibt Naturforschern seit Jahrhunderten Rätsel auf.

Am 1. November 2023 lieferte eine neue Studie, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, eine unerwartete Antwort: Obwohl Seesterne keinen spezifischen Kopf haben, verfügen sie über kopfähnliche Bereiche, die in der Mitte ihres Körpers und in der Mitte jedes ihrer „Arme**“ verteilt sind.

Eine Karte der Genaktivität bei Seesternen

Seesterne sind wie Seeigel und Seegurken Stachelhäuter. In jungen Jahren schwimmen Seesterne als Plankton im Ozean. Während sie wachsen, sinken sie auf den Meeresboden und vollführen dabei einen magischen Wachstumstrick: Sie verwandeln sich von der bilateralen Symmetrie (über die Mittellinie) ihrer Kindheit in die fünfzackige Sternform ihres erwachsenen Selbst, die als pentaradiale Symmetrie bekannt ist.

Diese Körperform ist ungewöhnlich. Die überwiegende Mehrheit der uns bekannten Tiere ist bilateral symmetrisch. In früheren Studien haben Wissenschaftler gezeigt, dass die bilateral symmetrische Körperstruktur von Tieren auf die Wirkung einer Reihe molekularer Schalter zurückzuführen ist, die durch Gene kodiert und in bestimmten Kopf- und Rumpfregionen exprimiert werden. Die überwiegende Mehrheit der Tierarten, darunter Wirbeltiere wie Menschen und Fische sowie Wirbellose wie Insekten und Würmer, verfügen über dasselbe genetische Programm.

(Hinweis: Unter Genexpression versteht man den Prozess, bei dem von Genen kodierte Informationen transkribiert und übersetzt werden, um funktionale Genprodukte zu erzeugen.)

Welche Art genetisches Programm also veranlasst Seesterne dazu, von der bilateralen Symmetrie im Jugendstadium zur pentaradialen Symmetrie ohne klaren Kopf oder Schwanz im Erwachsenenstadium zu wechseln?

Die Erforschung dieses Themas ist viel schwieriger als gedacht. Dies liegt vor allem daran, dass die Methoden zum Nachweis der Genexpression anhand einiger weniger Modellorganismen wie Mäusen und Fruchtfliegen entwickelt wurden und diese Methoden bei der Anwendung auf Seesterne nicht gut funktionieren.

In dieser neuen Studie begann der Biologe Laurent Formery , der Erstautor des neuen Artikels, als Doktorand mit der Untersuchung der frühen Entwicklung von Seeigeln. Seeigel sind außerdem bilateral symmetrisch, bevor sie als Erwachsene eine fünffache Symmetrie aufweisen.

Der korrespondierende Autor des Artikels ist Professor Christopher Lowe , dessen Laborteam seit vielen Jahren daran arbeitet, die Genaktivität sich entwickelnder Seesterne zu kartieren. Nachdem Formery Lowes Forschungsteam beigetreten war, wurde sein Wissen über die Entwicklung der Stachelhäuter mit Lowes Fachwissen in molekularbiologischen Techniken kombiniert und es gelang ihnen, eine 3D-Karte der Genexpression bei Seesternen zu erstellen.

Komplexe Antworten aufdecken

In der neuen Studie nutzten die Forscher RNA-Tomographie und In-situ-Hybridisierung, um dieser Frage nachzugehen. Mithilfe der RNA-Tomographie lässt sich die Expressionsposition eines Gens in einem Gewebe präzise lokalisieren, während sich mithilfe der In-situ-Hybridisierung spezifische RNA-Sequenzen in Zellen präzise lokalisieren lassen.

Sie schnitten das Körpergewebe des Seesterns in dünne Scheiben und untersuchten Unterschiede in der Genexpression aus drei verschiedenen Richtungen:

1. Von der Mitte des Seesterns bis zur Spitze des „Arms“

2. Von der "Oberseite" bis zum "Unterbauch",

3. Von einer Kante des „Arms“ zur anderen Kante.

Mithilfe der RNA-Tomographie identifizierten sie die in jedem Abschnitt exprimierten Gene.

Um die Aktivität bestimmter Schlüsselgene besser beobachten zu können, markierten sie das Seesterngewebe mit fluoreszierenden Farbstoffen. Mithilfe einer Technik namens In-situ-Hybridisierung überwachten sie Gewebeproben, um zu sehen, wo Gene exprimiert wurden, und erstellten so eine detaillierte 3D-Karte der Genexpression im Seestern.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Expression von Genen, die dem Vorderhirn der meisten Bilateria entsprechen, entlang der Mittellinie der Arme des Seesterns lokalisiert war, während die Expression von Genen, die dem Mittelhirn entsprechen, an den Rändern der Arme lokalisiert war.

Insgesamt stellten die Forscher fest, dass alle bilateralen Gene, die mit dem Kopf in Zusammenhang stehen, im Seestern exprimiert wurden, von den bilateralen Genen, die mit dem Rumpf in Zusammenhang stehen, wurde im Seestern jedoch nur eines gefunden, und dieses Gen befand sich am äußersten Rand des „Arms“ des Seesterns, was darauf schließen lässt, dass es entlang des Umfangs des Seesterns eine schwanzartige Region gibt.

In diesem Sinne ist der Seestern nicht kopflos, sondern es sieht eher so aus, als hätte er seinen Körper verloren und nur ein „Kopf“ kriecht auf dem Meeresboden herum.

Vielfältige biologische

Solche Ergebnisse legen nahe, dass Stachelhäuter und insbesondere Seesterne die besten Beispiele für eine Trennung von Kopf und Rumpf sind, die wir heute kennen. Forscher sagen, dass sich die meisten Studien typischerweise auf Gruppen von Tieren konzentrieren, die dem Menschen ähnlich sind. Wenn man sich jedoch zu sehr auf diese vertrauten Arten konzentriert, ist es schwierig, neue Informationen zu gewinnen.

Auf unserem Planeten leben 34 verschiedene Tierstämme, und im Laufe von etwa 600 Millionen Jahren haben sie alle unterschiedliche Lösungen für dieselben grundlegenden biologischen Probleme gefunden. Die meisten der zahlreichen Tiere sind sanfte Wesen, die in Meereshöhlen leben. Normalerweise fühlen sich Menschen nicht zu diesen Tieren hingezogen, aber sie können den Beginn des Lebens darstellen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team: Prinzipal

Gutachter: Ye Sheng, Professor der Universität für Luft- und Raumfahrt in Peking

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.