Entwicklungsbiologie

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Die Entwicklungsbiologie erforscht die Vorgänge, durch die einzelne Organismen wachsen und sich entwickeln (Ontogenese). Die Entwicklungsbiologie hat ihren Ursprung in der Embryologie und behandelt heute die genetische und epigenetische Kontrolle von Zellwachstum, Zelldifferenzierung und Zellspezialisierung in verschiedenen Zelltypen und Organen.

Weitgehend synonym wird der Begriff Entwicklungsgenetik verwendet, er kann aber auch Aspekte der Verhaltensgenetik bezeichnen. Die Reifung des Nervensystems untersucht die Entwicklungsneurobiologie. Mit den Zusammenhängen zwischen Entwicklungsbiologie und Evolution befasst sich die Evolutionäre Entwicklungsbiologie (EvoDevo).

Entwicklung der Tiere

Entwicklung: Definition

Ernst Haeckel definierte Entwicklung als den gesamten Vorgang von der befruchteten Eizelle bis zum erwachsenen Lebewesen. Heute sieht man Entwicklung als genetischen und epigenetischen Prozess der Selbstorganisation von Zellen auf der Basis ererbter genetischer Netzwerke, der physiko-chemischen Eigenschaften von Zellen und Geweben sowie von Umweltfaktoren.

Faktoren und Mechanismen der Embryonalentwicklung

Die Entwicklung verläuft als als komplexes Wechselspiel verschiedener Entwicklungsfaktoren wie z.B. Stammzellen, Morphogene, Wachstumsfaktoren (Proteine), Entwicklungsgene, und Entwicklungsmechanismen wie z.B. Induktion, Zelldifferenzierung, Zellmigration, Signaltransduktion, Apoptose, Zellwachstum oder Musterbildung. Induktion ist die Beeinflussung der Entwicklung einer embryonalen Zielgruppe durch eine andere, die Induktionssubstanzen freisetzt, z.B. die Induktion der Linsenentwicklung beim Wirbeltierauge durch ektodermales Gewebe. Zelldifferenzierung meint einerseits die Differenzierung von Zellen im Vergleich untereinander, andererseits die individuelle Zellentwicklung und damit die Differenzierung einer Zelle im Lauf der Entwicklungszeit. Die Determination, das heißt Programmierung einer Zelle erfolgt auf einem bestimmten Entwicklungsweg. Eine programmierte aber noch nicht endgütig differenzierte Zelle erhält die Bezeichnung Blast. Es wird zwischen der reversiblen Spezifizierung einer Zelle und ihrer nicht reversiblen Differenzierung bzw. Determination unterschieden Unter Zellmigration versteht man die aktive Ortsveränderung von Zellen oder Zellverbänden, beispielsweise bei der Entstehung des Nervensystems. Signaltransduktion beschreibt die Ereigniskette zur Überführung einer Botschaft vom Zelläußeren über die Zellmembran hinweg ins Zellinnere. Die Signaltransduktion kommt in Gang, wenn ein extremes Signalmolekül, ein Ligand, an Membranverankerte Rezeptormoleküle bindet. Apoptose ist der kontrollierte, programmierte Zelltod, etwa von Gewebe, das nur vorübergehend benötigt und anschließend beseitigt wird, z.B. die mesenchymalen Zwischenräume zwischen Fingern und Zehen bei Wirbeltierextremitäten. Musterbildungsvorgänge schließlich lassen wohlgeordnete und reproduzierbare räumliche Muster verschieden differenzierter Zellen entstehen. Dies kann sowohl zweidimensional sein, etwa bei der Bildung von Farbmustern auf Fellen oder Vogelgefiedern, als auch dreidimensional, etwa bei der Wirbeltier-Extremitätenentwicklung.

Entwicklung wichtiger Modellorganismen der Tiere

Als Modellorganismen der Entwicklungsbiologie dienen Fadenwürmer wie Caenorhabditis elegans oder Pristionchus pacificus, die Taufliege Drosophila melanogaster, der Reismehlkäfer Tribolium castaneum, der Krebs Parhyale hawaiensis, der Zebrabärbling (Danio rerio), der Glatte Krallenfrosch (Xenopus laevis), das Huhn (Gallus gallus) und die Hausmaus (Mus musculus) aus dem Tierreich.

Organogenese

Abbildung der Entwicklung der Neuralplatte zur Neuralrinne zum Neuralrohr.

Embryonale Entwicklungsphasen der Hand bei der Maus, von etwa 10. bis 15. Tag nach Befruchtung

Neurulation, Nervensystem und Sensorik, Herz, Blutgefäße, Muskeln, Knochen, Extremitäten, Urogenitalsystem, Augen, Lunge, Kopf,

Entwicklung der Pflanzen

Kleistokarper Sporophyt (Sporenkapsel) von Physcomitrella patens.

Löwenmaul

Entwicklung wichtiger Modellorganismen der Pflanzen

Bei Pflanzen sind das Kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens), die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), der Mais (Zea mays subsp. mays), das Große Löwenmaul (Antirrhinum majus) und die Garten-Petunie (Petunia hybrida) wichtige Modellorganismen.

Literatur

• Lewis Wolpert u. a.: Entwicklungsbiologie. Elsevier/Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin 1999, ISBN 3-8274-0494-0.
• Werner A. Müller, Monika Hassel: Entwicklungsbiologie und Reproduktionsbiologie von Mensch und Tieren. 4. vollständig überarbeitete Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York 2006, ISBN 3-540-24057-8.
• Andreas Sentker: Darwins kluge Erben. In: Die Zeit 29. September 2005, Nr. 40.
• Wilhelm Seyffert (Hrsg.): Lehrbuch der Genetik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin 2003, ISBN 3-8274-1022-3.

Weblinks

• Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
• Gesellschaft für Entwicklungsbiologie (GfE)
• Entwicklungsbiologie und Bioinformatik (Englisch)
• Zusammenstellung einiger online-Ressourcen zur Entwicklungsbiologie
• Entwicklungsbiologie übersichtlich für Schüler und Studenten
• Scott F. Gilbert: Developmental Biology. 6th edition. Sinauer Associates, Sunderland 2000, ISBN 0-87893-243-7.