Wenn das Leben beginnt, beginnt ein verrückter Wirbelwind. Dies ist keine Poesie oder Philosophie. Das ist Wissenschaft.
Sobald ein Ei befruchtet ist, laufen Milliarden von Proteinen über seine Oberfläche und setzen eine schwindelerregende Kaskade wirbelnder Muster frei. Diese Spiralbögen sind ein wesentlicher Bestandteil der entstehenden Zellteilung.
„Das Ei ist eine riesige Zelle, und diese Proteine müssen zusammenarbeiten, um ihr Zentrum zu finden, damit die Zelle weiß, wo sie sich wiederholt teilen muss, um einen Organismus zu bilden“, sagt die Physikerin Nikta Fakhri vom Massachusetts Institute of Technology.
“Ohne diese wellenbildenden Proteine würde es keine Zellteilung geben.”
In einer neuen Studie untersuchten Fakhri und seine Kollegen, wie diese Wirbelwellen aussehen, indem sie ihre Ausbreitungsmuster auf den Zellmembranen von Seestern-Eiern (Patiria miniata) untersuchten.
Neben dem Verständnis der Biologie von Seestern-Eizellen wollten die Forscher herausfinden, wie diese Muster mit ähnlichen Wellenphänomenen in anderen Systemtypen verglichen werden können – Beispiele dafür, was Physiker als topologische Defekte bezeichnen.
Wie die Forscher in dem Artikel erklären, können ähnliche Arten von turbulentem Verhalten sowohl in physikalischer als auch in biologischer Hinsicht beobachtet werden. Auf Skalen, die von kosmologisch bis infinitesimal reichen, von wirbelnden Wirbeln in Planetenatmosphären bis zu bioelektrischen Signalen in Herz und Gehirn.
Obwohl Ähnlichkeiten verfolgt werden können, bleibt ihre Natur unerforscht.
“Trotz dieser bedeutenden Fortschritte beim Verständnis topologischer Defekte und ihrer funktionellen Konsequenzen ist noch nicht klar, ob sich die statistischen Gesetze, die solche topologischen Strukturen in klassischen Systemen und Quantensystemen regeln, auf ein Lebewesen erstrecken”, erklären die Autoren.
Spiralwellen in Seestern-Eizellen. (MIT)
In ihren Experimenten mit Seesternen stellte das Team ein Hormon vor, das den Beginn der Befruchtung in Eizellen nachahmt, bei dem Wellen, die ein Protein namens Rho-GTP signalisieren, mehrere Minuten lang über die Membran pulsieren. Die Ergebnisse werden mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen unter einem Mikroskop angezeigt. die Rho-GTP beitreten.
Durch Variation der Konzentration des hormonellen Auslösers konnten die Forscher viele wirbelnde Spiralen beobachten, die sich über die gesamte Oberfläche des Eies ausbreiteten.
„Also haben wir ein Kaleidoskop verschiedener Modelle erstellt und deren Dynamik untersucht“, sagt Fakhri.
Die Forscher sagen, dass nach der Erfassung und Analyse der Phasengeschwindigkeit in Wellenstrukturen die in diesen Seestern-Eiern beobachteten Lebensgrundlagen der Dynamik in bakteriellen Turbulenzen und Quantensystemen von Bose-Einstein-Kondensaten ähneln.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Physics Nature vorgestellt.
Quellen: Foto: MIT
