1000 Fragen: Woher kennt eine Körperzelle ihre Funktion?

Haut, Knochen, Gewebe, Organe: Unser Körper besteht aus Milliarden Zellen. Sie bekämpfen Viren, bewegen unsere Muskeln und lassen uns wachsen. Doch woher weiß eine Zelle, dass sie für den Haarwuchs zuständig ist und nicht für den Herzschlag?

Computergrafik einer Nervenzelle: Spezialisierung schon im Mutterleib Zur Großansicht
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Computergrafik einer Nervenzelle: Spezialisierung schon im Mutterleib

Der menschliche Körper besteht aus Milliarden von Zellen, alle tragen in ihrem Zellkern denselben Bauplan des gesamten Körpers. Trotzdem sind sie nicht alle gleich: Es gibt Herzzellen, Hautzellen, Nervenzellen und viele andere Spezialisten, die teilweise sehr unterschiedliche Aufgaben erfüllen müssen: Eine Herzzelle muss sich beispielsweise rhythmisch zusammenziehen können, ganz anders die Zelle einer Haarwurzel: Sie ist für die Bildung des Haars verantwortlich. Doch woher weiß eine Haarwurzelzelle, dass sie keine Herzzelle ist - und umgekehrt?

Jede Zelle eines Körpers besitze zwar die gleiche DNA, auf der die Erbinformationen gespeichert sind, sagt Michael Kessel vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. "Auf ihr sitzen aber auch Schaltermoleküle, die bestimmte Informationen an- oder abschalten." Bei einer Herzzelle seien dadurch beispielsweise Gene für die Herzfunktionen aktiviert, andere Programme dagegen abgeschaltet, erklärt der Entwicklungsbiologe.

Es ist im Prinzip wie bei einem Computer: Auf seiner Festplatte sind ebenfalls viele unterschiedliche Programme gespeichert, doch damit sie arbeiten, muss man sie starten. Die Grundfunktionen, die alle Programme verwenden, übernimmt beim Computer das Betriebssystem. Ähnlich ist das auch bei der Zelle: Einige Grundprogramme, wie beispielsweise die für den Stoffwechsel, müssen in jeder Zelle ablaufen, die Spezialisierung der Zelltypen erfolgt dann über Spezialprogramme, im Körper heißen sie aktive Gene.

Spezialisierung beginnt im Mutterleib

Die Zelle weiß schon früh, was sie werden soll. "Die Spezialisierung beginnt schon sehr früh während der Embryonalentwicklung im Mutterleib", sagt Kessel. Die Eizelle selbst besitzt noch keine Schaltermoleküle, die den Zelltyp festlegen. Nach der Befruchtung beginnt sie sich aber zu teilen, sehr schnell bekommt der entstehende Zellhaufen eine Struktur: Die Zellen teilen sich in Fraktionen auf. "Hier beginnen die ersten Festlegungen, die einer Zelle eine bestimmte Funktion in dem winzigen Körper zuweisen", erklärt Kessel.

Bestimmte Zellen eines Embryos, die noch die Fähigkeit besitzen, sich in viele unterschiedliche Zelltypen zu entwickeln, nennt man Stammzellen. Je nach ihrer Position im Zellhaufen geben ihnen bestimmte Botenstoffe Schritt für Schritt immer feinere Funktionszuweisungen. "Wie genau diese Regelprozesse zur Ausbildung eines Körpers mit seinen komplexen Strukturen führen, ist allerdings immer noch ein Forschungsgebiet mit vielen offenen Fragen", sagt Kessel.

Mit biotechnologischen Verfahren ist es heutzutage sogar möglich, einige Schaltermoleküle wieder von der DNA zu entfernen. So können Wissenschaftler im Labor Hautzellen eines Menschen wieder in Zellen verwandeln, aus denen sich noch andere Zelltypen bilden können - sie können also künstlich Stammzellen erzeugen. Von dieser Technik erhoffen sie sich, eines Tages beispielsweise Organe für Transplantationen züchten zu können.

seh/dapd

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insgesamt 24 Beiträge
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1. Der Mensch – ein multidimensionales Wesen
heinrichp 17.12.2011
Zitat von sysopHaut, Knochen, Gewebe, Organe: Unser Körper*besteht aus Milliarden Zellen.*Sie*bekämpfen Viren, bewegen unsere Muskeln und lassen uns wachsen. Doch woher weiß eine Zelle, dass sie für den Haarwuchs zuständig ist und nicht für den Herzschlag? http://www.spiegel.de/schulspiegel/wissen/0,1518,804316,00.html
Die Hauptverbindung zwischen der Biochemie und dem Gen einerseits liegt in den Eigenschaften einiger einfacherer Moleküle, die in lebenden Zellen vorkommen. Die DNS ist eine aufregende und wichtige Verbindung, doch hängt sie hinsichtlich ihrer Aktivität und Replikation von anderen Molekühlen und Strukturen ab. Am wichtigsten sind dabei die spezielle, aber überall auftretenden Strukturen der Zellmembranen. Sie werden von Kräften zusammengehalten, die so schwach sind wie die, welche eine Seifenblase bilden. Die Physiker wissen, dass die mikroskopischen Eigenschaften der Atome und ihrer Bestandteile mit den großräumigen Eigenschaften des Weltalls in Verbindung stehen. Die schwache Kernkraft bestimmt zum Beispiel die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls eines Elements. Feste Materie kann nur deswegen existieren, weil die schwache Kernkraft immerhin so stark ist, dass sie den radioaktiven Zerfall von Atomkernen verhindert. In ähnlicher Weise werden die Membranen lebender Zellen von schwachen intermolekularen Kräften zusammengehalten, die wir auch als Van der Waalssche Bindungskräfte bezeichnen. Die Molekularbiologen müssen erst von ihrer reduktionistischen Sicht des Lebens (isolierte Betrachtung von Einzelelementen ohne ihre Verflechtung in einem Ganzen) Abstand nehmen, um zu erkennen, dass die aufregenden Eigenschaften der DNS über die schwachen Kräfte der Biochemie, welche die Zellmembranen aller Lebewesen erhalten, mit der Eigenschaft der Erde im Großen verbunden ist. Ganzheitliche Spiritualität (http://armin-risi.ch/Buecher/Ganzheitliche_Spiritualitaet.html)
2. Eine harte Nuss für Evolutionisten...
e.schw 17.12.2011
Zitat von sysopHaut, Knochen, Gewebe, Organe: Unser Körper*besteht aus Milliarden Zellen.*Sie*bekämpfen Viren, bewegen unsere Muskeln und lassen uns wachsen. Doch woher weiß eine Zelle, dass sie für den Haarwuchs zuständig ist und nicht für den Herzschlag? http://www.spiegel.de/schulspiegel/wissen/0,1518,804316,00.html
Zitat Spiegel Online: Da bin ich zuversichtlich, die agilen Evolutionisten helfen uns bei der "Klärung" der offenen Fragen.
3. .
c.werner 17.12.2011
Zitat von e.schwZitat Spiegel Online: Da bin ich zuversichtlich, die agilen Evolutionisten helfen uns bei der "Klärung" der offenen Fragen.
Da können Sie sicher sein, denn von den Kreationisten kommen ja keine vernünftigen und schlüssigen Erklärungen. Bei jedem aufgeklärtem und gelösten Problem der Evolution, kommen die Kreationisten und suchen nach einer Lücke, die sie dann bemäkeln. Die Evolutionsbiologie wird sicher nie alle Rätsel lösen können, aber mit jedem gelöstem Problem hat man wieder ein Puzzleteil, das sich ins Gesamtbild einpasst.
4. Keine Frage des Glaubens
Patanjali 17.12.2011
Zitat von e.schwZitat Spiegel Online: Da bin ich zuversichtlich, die agilen Evolutionisten helfen uns bei der "Klärung" der offenen Fragen.
Allein das Wort Evolutionisten ist schon tendenziös. Denn es geht hier nicht um eine Glaubensfrage, sondern um Fakten und in sich stimmige Erklärungen. Religiöse Ansichten erklären nicht, sondern halten den Menschen von der Erforschung und der Erklärung der Wirklichkeit ab. Die Erkenntnisse der Ontogenese sind schon sehr weit fortgeschritten. Da ist kein Platz mehr für irgendwelche metaphysische Ansichten. Ein wichtiger Aspekt dieser Erkenntisse ist die Tatsache, dass das Genom zwar gerne als 'Bauplan' bezeichnet wird, aber in Wirklichkeit kein Bauplan ist. Das heisst, weder 'weiß' das Genom wie der zu bildende Körper aussehen wird, noch ist im Genom eine Darstellung des fertigen Körpers, wie z.B. im Architektenentwurf das Aussehen eines Hauses, zu erkennen. Der Körper eines Lebewesens entsteht durch die Zellen, die nach Art einer Schwarmintelligenz das fertige Lebewesen bilden. Das ist wie bei einem Vogelschwarm, der ja auch große und schöne Gebilde erzeugen kann. Nimmt der Vogelschwarm z.B. eine Form wie ein überdimensionaler Tropfen an, so fragt man ja auch nicht, wo ist diese Form in den Vögeln gespeichert. Die ist dort nicht gespeichert. Sondern durch ein paar einfache Regeln der Schwarmintelligenz und ein paar äußeren Einflußfaktoren bildet sich diese Form. Von der Schönheit dieses Gebildes ist dann der Mensch ganz angetan. Genauso läuft es auch bei der Ontogenese. Das Genom enthält nur einfache Regeln, welche chemischen Stoffe zu welcher Zeit aktiviert werden (äußere Einflußfaktoren) und in welcher Konzentration sie vorliegen so dass die Zellen sich dann im Sinne der Schwarmintelligenz verhalten und einen Körper erzeugen, worüber sich der Mensch dann wundert. Dieser Prozess kann wunderschön experimentell wiederholt und damit bewiesen werden. So konnte z.B. der französische Experimentator Hampé durch die Veränderung der Einflußfaktoren der wadenbeinbildenden Gewebe bei einem Hühnchenembryo die Unterschenkel- und Fußentwicklung des Hühnchen derart ändern, dass das Ergebnis noch urtümlicher als beim Archaeopteryx war. Es wurde also ein viele Millionen Jahre alter Vorgänger des Hühnchenbeins wieder zum Vorschein gebracht. Daran sieht man sehr schön, das auch der Übergang von einer Form zur anderen kein geheimnisvoller Prozess ist, sondern ein einfacher analoger Prozess der mit chemischen Stoffen und unterschiedlichen Konzentrationen die 'Schwarmbildung' eines Körper lenkt.
5. Ein/Kein Gottesbeweis
dieweltistalleswasderfall 17.12.2011
Zitat von e.schwZitat Spiegel Online: Da bin ich zuversichtlich, die agilen Evolutionisten helfen uns bei der "Klärung" der offenen Fragen.
Unbeantwortete Fragen sind kein Gottesbeweis. Die Unbeantwortbarkeit bestimmter Fragen ist auch kein Gottesbeweis, sondern ein grammatikalisches (Schein-) Problem.
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