ESSAY

Peter E. Fässler · Klaus Sander

Geschichte der Entwicklungsbiologie

Die experimentell arbeitende, kausalanalytische Entwicklungsbiologie bildete sich als eigenständige und moderne Disziplin in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts heraus. Ihre Wurzeln in Theorie und Praxis lassen sich indes partiell zurückverfolgen bis in die antiken Anfänge der wissenschaftlichen Naturbetrachtung.
Bereits in der Antike wurden zu zentralen Aspekten der EmbryologieTheorien formuliert, deren Einflüsse auf die embryologische Forschung bis in die Neuzeit erkennbar sind. Dies gilt auch für die Wahl der Untersuchungsobjekte und die Herausbildung einer embryologischen Forschungsmethode.
Der Hühnerembryo (Embryonalentwicklung, Abb.) wurde von Aristoteles (384–322 v.Chr.) erstmals eingehend untersucht und damit als klassisches Objekt der Embryologie in die Wissenschaft eingeführt. Seine Methode, die Untersuchung und Beschreibung zeitlich relativ weit auseinanderliegender Entwicklungsstadien, wurde erst im 16. Jahrhundert modifiziert und erweitert. Bis weit in die Neuzeit wurde die Embryologie, basierend auf den aristotelischen Arbeiten, vornehmlich als Beschreibung der Entwicklung von einzelnen Stadien einiger weniger Arten betrieben.
Doch lassen sich in der antiken Embryologie auch vergleichende Ansätze nachweisen. Da die Embryogenese (Embryonalentwicklung) des Menschen, die schon damals von besonderem Interesse war, der Beobachtung schwer zugänglich ist, kam aus dem Umkreis der hippokratischen Schule (Hippokrates) die Anregung, statt dessen die leichter zugängliche Embryogenese des Hühnchens aufzuklären und von dieser auf die menschliche Ontogenese (Ontogenie) zurückzuschließen. Die hinter diesem Gedanken stehende Überzeugung vom Parallelismusder Organismenentwicklung ist bis heute eine der wesentlichen theoretischen Grundlagen für die embryologische Forschung, auf welche die vergleichende Embryologie seit dem 16. Jahrhundert aufbauen konnte.


Aristoteles

Aristoteles faßte die Entwicklung des Hühnchens im Ei gemäß seiner Bewegungslehre als dynamischen Prozeß auf. In diesem Zusammenhang entwickelte er die Vorstellung einer epigenetischen Morphogenese ( vgl. Abb. 1), d.h., er ging davon aus, daß sich im Verlauf der Individualentwicklung die Organe aus unstrukturierter Substanz sukzessive neu herausbilden, daß also die Struktur des Embryos zunehmend komplexer wird. Als erstes Organ werde dabei das Herz gebildet, dem daher eine herausragende Bedeutung innerhalb des Organismus zukomme. Im Leben zeigt sich die Herzanlage zuerst als pulsierendes rotes Pünktchen (punctum saliens); diese Beobachtung führte zu unserer Redensart vom „springenden Punkt“, der ja das Wesentliche bezeichnet.
Zum Problem der Zeugung des Individuums, das bis weit in die Neuzeit wie kaum ein anderes aus der Biologie mit religiösen und philosophischen Aspekten verknüpft war, stellte Aristoteles ebenfalls theoretische Überlegungen an. Er erkannte vier unterschiedliche Zeugungsmodi, die Urzeugung, die Sprossung, die Parthenogenese und die zweigeschlechtliche Zeugung (sexuelle Fortpflanzung). Sie lieferten ihm Kriterien zur Abgrenzung verschiedener Tiergruppen.
Indem Aristoteles die Erkenntnisse seiner Zeit zusammenfaßte und durch eigene Studien wesentlich bereicherte, begründete er die Embryologie als ein empirisch ausgerichtetes Forschungsgebiet. In Methodik, Begriffs- und Theorienbildung hat er Meilensteine gesetzt.


Renaissance und frühe Neuzeit

Das Zeitalter der Renaissance brachte der Embryologie, wie vielen anderen Disziplinen, große Fortschritte und neue Erkenntnisse. Nahezu zweitausend Jahre lang waren keine embryologischen Untersuchungen durchgeführt worden. Vielmehr hatte man sich darauf beschränkt, altes, zumeist aristotelisches Gedankengut zu modifizieren bzw. um einige theoretische Aspekte zu erweitern (Galen, 129 – ca. 200; Albertus Magnus, um 1200–1280). Erst der unruhige Geist der Renaissance brach, unter Berufung auf die Antike, mit der unkritischen Repetition dieser altehrwürdigen Lehren und begann innovativ zu denken und zu wirken. Dabei lassen sich zwei Grundzüge erkennen: 1. der bewußte Übergang von der deskriptiven zur vergleichenden Embryologie und 2. das Aufkommen der Kontroverse „Präformation contra Epigenese“.
Die aristotelischen Untersuchungen zur Embryonalentwicklung des Hühnchens wurden nun durch zeitlich feiner abgestufte Beobachtungen erweitert (Ulisse Aldrovandi, 1522–1605; Volcher Coiters, 1534–1576). William Harvey (1578–1657) verband schließlich die dynamische Strömung der zeitgenössischen Physik mit der in Vergessenheit geratenen Bewegungslehre des Aristoteles und ersetzte die mittelalterliche Vorstellung von der Embryonalentwicklung als einer Reihung von Einzelstadien durch die Einsicht, daß es sich hierbei um einen kontinuierlichen Prozeß handelt.
Das 17. Jahrhundert überwand aber auch die Beschränkung der embryologischen Wissenschaft auf das Hühnchen als Standardobjekt. Mehrere Forscher untersuchten Embryonen aus unterschiedlichen Tiergruppen. Fabricius ab Aquapendente (1537–1619) schuf die Grundlagen einer vergleichenden Embryologie der Wirbeltiere anhand seiner Illustrationen zur Hai-, Reptil- und Säugerentwicklung (1600) sowie durch seine illustrierte Abhandlung über die Entwicklung des Hühnerembryos (1621).


Präformation contra Epigenese

Das zentrale Anliegen der Embryologie der Neuzeit war wohl die Frage nach den Prinzipien der Gestaltwerdung, den Ursachen der Morphogenese. Solange die Existenz spezifischer Lebenskräfte (Lebenskraft) eine ebenso selbstverständliche wie unangefochtene Vorstellung war, also von Aristoteles bis zum 17. Jahrhundert, warf die Epigenese oder „Neubildung von Mannigfaltigkeit“, also die Herausmodellierung des komplexen Organismus aus dem (scheinbar) einfachen Zustand im Ei (Eizelle), keine Erklärungsschwierigkeiten auf.
Dies änderte sich, als man unter dem Einfluß mechanistischer Geistesströmungen begann, die Lebewesen als Maschinen zu betrachten, welche physikalisch-chemischen Naturgesetzen gehorchen und, mit Ausnahme der menschlichen Seele, aus diesen Gesetzen prinzipiell erschöpfend erklärbar sind (Leib-Seele-Problem). Dieser „mechanistischen“ Lebensauffassung, die echte Neubildungen von Mannigfaltigkeit (Zunahme an Komplexität) nicht zuläßt, entsprang die Präformationslehre (Präformationstheorie). Sie besagt in ihrer einfachsten Form, daß die Organismen in den Geschlechtsprodukten detailgetreu räumlich vorgebildet seien und daß die Embryogenese ein Prozeß der Auswicklung – bis Ende des 19. Jahrhunderts Evolution genannt – dieser uns unsichtbar vorgebildeten Strukturen in ihre sichtbare Form bzw. Dimensionen sei ( vgl. Infobox ). Sir Kenelm Digby (1603–1665) formulierte als erster den Gegensatz Präformation contra Epigenese und leitete damit eine der grundlegenden und am längsten dauernden Kontroversen in der Embryologiegeschichte ein (1644).
Die Präformationstheorie erfuhr mancherlei Modifikationen. Die „Ovulisten“ glaubten, daß der Embryo der Tiere präformiert im Ei – oder dessen noch unbekanntem Äquivalent bei Säugetier und Mensch – vorliege (Marcello Malpighi, 1628–1694; Francesco Redi, 1626–1698; Reinier de Graaf, 1641–1673). Ihnen gegenüber standen die „Animalculisten“ (Entwicklungstheorien), die ein winziges Menschlein (Homunkulus,vgl. Abb. 2) im menschlichen Spermium (Spermien) vermuteten, welches von Jan Ham (1650–1723) unter dem Mikroskop entdeckt und als „Samentierchen“ (animalculum, animalcules) beschrieben worden war (Antony van Leeuwenhoek, 1632–1723; Nicole Malebranche, 1638–1715). Die von Charles de Bonnet (1720–1793) entdeckte Parthenogenese der Blattläuse, bei der sich mehrere Generationen ineinandergeschachtelt entwickeln, wirkte als starke Stütze für die Präformationstheorie.
Unter Einsatz des neu erfundenen Mikroskops, das der embryologischen Forschung nach anfänglichen Fehldeutungen zu einem Qualitätssprung verhalf, wurde nach den vermuteten präformierten Strukturen in Ei- oder Samenzelle intensiv, aber letzten Endes vergeblich, gesucht. Caspar Friedrich Wolff (1733–1794) wies dann 1759 nach, daß Strukturen wie Blutgefäße, Herz, Darm oder Extremitätenanlagen nicht präformiert sind, sondern sich aus einfacheren Strukturen epigenetisch herausbilden – das Darmrohr (Darm) z.B. aus einer flachen Platte, die sich aufwölbt. Theoretisch befriedigende Epigenesevorstellungen zeichneten sich indes erst ab, als man die sichtbare Komplexität des Körpers auf genetische Information statt auf räumliche Präformation zurückführen konnte (s.u.).


Kausale Entwicklungsforschung: Teratologie und Entwicklungsmechanik

Neben der deskriptiv und vergleichend ausgerichteten Embryologie, beide bereits methodisch gereift und durch optische Hilfsmittel zu wesentlich präziseren Erkenntnissen befähigt, wurden erstmals auch Versuche unternommen, durch experimentelles Eingreifen in das embryonale Entwicklungsgeschehen die ihm zugrundeliegenden Kausalzusammenhänge aufzuzeigen. Sir Thomas Brown (1605–1682) behandelte Vogel-, Frosch- und Schlangenembryonen mit Essig, Öl und anderen Substanzen. Harvey legte am Hühnchenembryo das Herz frei und untersuchte dessen Reizempfindlichkeit. Diese Versuche waren noch keine Anfänge einer systematisch betriebenen experimentellen Entwicklungsbiologie. Sie belegen aber, daß bereits im 17. Jahrhundert der diesen Disziplinen zugrundeliegende Gedanke anklingt, ontogenetische Prozesse anhand der Folgen experimenteller Eingriffe zu analysieren.
Seit dem zweiten Viertel des 19. Jahrhunderts kamen dann in Frankreich technisch einfache „indirekte“ Experimente auf. Sie sollten verschiedene „monstres“ (Mißbildungen), wie man sie seit der Antike vom Menschen und anderen Warmblütern kannte, nachahmen und damit auch erklären. Tatsächlich erzielten Etienne Geoffroy Saint-Hilaire (1772–1844) und Camille Dareste (1822–1899) beim Hühnerembryo durch Sauerstoffentzug oder Unterkühlung verschiedene Fehlbildungen. Aus diesen Teratogenesen zog man zwei grundlegende Schlüsse: 1. Wenn sich der Entwicklungsverlauf experimentell abändern läßt, muß er epigenetische Züge tragen. 2. Das Auftreten gleichartiger Fehlbildungen bei verschiedenen Wirbeltieren belegt die Einheitlichkeit ihres Grundplans. Diese Folgerung stützt die damals gerade aufkeimende Idee einer nicht rein typologisch, sondern zauleich genealogisch begründeten Verwandtschaft. Aus diesen Wurzeln gewann die Teratologie in Frankreich eine große Tradition, die dort terminologisch und konzeptuell bis weit ins 20. Jahrhundert nachklang.
Unabhängig davon entstand in Deutschland gegen Ende des 19. Jahrhunderts die Entwicklungsmechanik. Von ihrem Begründer Wilhelm Roux (1850–1924) wurde dabei „Mechanik“ nicht als Teildisziplin der Physik, sondern (mit Kant) als Synonym für natürliche Kausalität verstanden. Wenig später auch Entwicklungsphysiologie benannt, strebte diese Disziplin – wie die heutige Entwicklungsbiologie – die Aufklärung grundlegender Entwicklungsmechanismen an. Sie prägte damit auch die Anfänge der heute führenden angelsächsischen Entwicklungsbiologie, und dies nicht zuletzt durch persönliche Freundschaften z.B. zwischen H.A.E. Driesch und T.H. Morgan oder T. Boveri und E.B. Wilson.


Vergleichende Embryologie und Deszendenztheorie

Im 18. und frühen 19. Jahrhundert gewann der vergleichende Gesichtspunkt in der Embryologie erneut an Gewicht. In seiner Lehre von den Keimblättern (1828) postulierte Karl Ernst von Baer (1792–1876), daß die Embryonalentwicklung der Wirbeltiere ihren Ausgang von zwei solchen Blättern, dem animalischen und dem vegetativen, nimmt. Christian Heinrich Pander (1794–1865) und Robert Remak (1815–1865) wiesen dann drei Keimblätter nach, die G.J. Allmann als Ektoderm, Mesoderm und Entoderm bezeichnete (1853) – eine Einteilung, welche bis heute gilt. Die Keimblätter ermöglichten u.a. eine Homologisierung (Homologie, Homologieforschung) der Frühentwicklung bei unterschiedlichen Wirbeltiergruppen. Karl Ernst von Baer sind noch weitere wichtige Entdeckungen zu verdanken, z.B. das Vorkommen der Chorda dorsalis (1828) als Vorstufe der Wirbelsäule bei den verschiedensten Wirbeltieren oder die Beschreibung des Säugetiereies (1827). Durch diese und ähnliche Ergebnisse nahm die vergleichende Embryologie auch Einfluß auf die Systematik.
Im weiteren Verlauf des 19. Jahrhunderts, insbesondere nach der Publikation von C.R. Darwins Deszendenztheorie (1859, Abstammungslehre), gewann der evolutionäre Aspekt der Embryologie herausragende Bedeutung. In seinen Reflexionen über die Individualentwicklung hatte von Baer bereits 1828 betont, daß in der Embryonalentwicklung der Wirbeltiere zunächst allgemeine Merkmale auftreten, die dann im Laufe der Entwicklung immer artspezifischer umgebildet werden. Diese Beobachtung lieferte, phylogenetisch interpretiert, die Grundlage für Ernst Haeckels (1834–1919) „Biogenetisches Grundgesetz“ (Biogenetische Grundregel).


Keimplasma und „Vererbung“

Zum Zentralproblem der Entwicklungsbiologie wurde in den letzten 100 Jahren das Zustandekommen dreidimensionaler Organisationsmuster (Musterbildung). Dieser Vorgang, der die Grundstruktur des zukünftigen Körpers bzw. seiner Teile schafft, entzog sich sehr lang dem mechanistischen Verständnis. Der erste Ansatz zu einem solchen Verständnis war die Keimplasmatheorie von A.F.L. Weismann (1834–1914), die in den Jahren 1883–1892 heranreifte. Die Keimplasmatheorie war eine „Theorie der Vererbung“. Im zeitgenössischen Verständnis schloß die Vererbung nicht nur die Weitergabe (modern: Transmission), sondern auch die ontogenetische Wirkung (Expression) der Erbfaktoren ein ( vgl. Infobox ). Die Keimplasmatheorie war der erste Versuch, Darwins Deszendenztheorie mit der sich abzeichnenden Funktion der Chromosomen als Erbträger zu verbinden. Ihr wichtigster Fortschritt war die gedankliche Trennung von Keimbahn und Soma. Hier interessiert aber nur die ontogenetische Funktion, also die Expression, des Keimplasmas.
Weismann postulierte, daß die Vererbung mit der Übertragung einer chromosomalen Kernsubstanz von spezifischer Molekularstruktur beginnt. Die Notwendigkeit, ein solches Keimplasma mit unsichtbaren „Anlagen“ oder „Determinanten“ anzunehmen, erläuterte er u.a. am Beispiel der von ihm entdeckten Imaginalscheiben der Insektenlarven. Diese undifferenzierten Epithelsäckchen können ihr Entwicklungsschicksal, die Bildung spezifisch ausgestalteter Teile des Adultkörpers, nicht von den entsprechenden Teilen des larvalen Körpers übernehmen, da diese – soweit überhaupt erkennbar – ganz anders aussehen. Die Fähigkeit zur Bildung und Ausdifferenzierung von Imaginalscheiben muß also schon auf früheren Stadien – beginnend mit der Eizelle – unsichtbar verschlüsselt sein, und zwar in den materiellen Trägern des Keimplasmas, den Chromosomen (oder Idanten, wie Weismann sie nannte). Zur Erklärung der unterschiedlichen Ausdifferenzierung verschiedener Zellen oder Zellgruppen in der Ontogenese postulierte Weismann eine entsprechende Aufspaltung des Keimplasmas während der embryonalen Zellteilungen – zu Unrecht, wie wir heute wissen. Die Determinanten für alle Teile des späteren Körpers sollen also molekular im Keimplasma der Zygote präformiert sein und bei den embryonalen Mitosen differentiell auf die Tochterzellen verteilt werden; irgendwelche epigenetischen Wechselwirkungen zwischen den Zellen oder die Einwirkung instruktiver Außenfaktoren sah er nicht vor ( vgl. Infobox ).
Die Keimplasmatheorie kann daher als eine modifizierte Präformationstheorie gelten. Das räumliche Muster der Körperteile ist allerdings nicht durch eine entsprechende räumliche Anordnung der Determinanten im Zygotenkern vorgeformt, sondern die Präformation besteht in der „nicht abbildenden“, aber „festen historisch überlieferten“ Architektur des Keimplasmas, kombiniert mit Mechanismen zur stufenweisen, gesetzmäßigen Verteilung seiner einzelnen Elemente auf die Tochterkerne bei aufeinanderfolgenden Zellteilungen. Diese Vorstellung reizte zur experimentellen Überprüfung.


Experimentelle Embryologie im späten 19. Jahrhundert: Wilhelm Roux und Hans Driesch

Es ist das Verdienst von Weismanns Zeitgenossen Wilhelm Roux, den Durchbruch zur experimentellen Arbeitsweise und kausalanalytischen Fragestellung in der Entwicklungsbiologie erkämpft zu haben (erkämpft im wörtlichen Sinne, denn er war sehr streitbar). Wenn auch beide Forschungsansätze schon zuvor anzutreffen sind, so findet sich doch erst bei Roux die Forderung, eine experimentelle Kausalanalyse der Entwicklung und insbesondere der Gestaltbildung zu betreiben und diese Vorgänge auf die ihnen zugrundeliegenden natürlichen Gesetzmäßigkeiten zurückzuführen. Für die Gestaltung jedes Teils des Keims ist nach Roux zu fragen, ob er durch „Selbstdifferenzierung“ (autonome Differenzierung), d.h. durch ihm innewohnende Ursachen, seine normale Entwicklung durchläuft, oder durch „abhängige Differenzierung“, also in Abhängigkeit von äußeren Faktoren, die benachbarten Keimbereichen oder der unbelebten Umgebung entstammen (Differenzierung).
Rouxs berühmtestes Experiment war der „Anstichversuch“ (1888; vgl. Abb. 3). Durch Anstechen mit einer heißen Nadel wurde eine der beiden ersten Blastomeren des Froschkeims an der Weiterentwicklung gehindert. Das Ergebnis dieses Experiments war die Bildung von sog. Halbembryonen, was Weismanns Annahme einer erbungleichen Keimplasmaverteilung bei den Furchungsteilungen (Furchung) zu stützen schien. Roux sprach damals von der frühen Embryonalentwicklung als „Mosaikarbeit“: die einzelnen, voneinander unabhängigen Blastomeren sollten wie Mosaiksteine den zukünftigen Körper zusammensetzen. Andere Forscher, vor allem O.W.A. Hertwig (1849–1922), vermuteten allerdings bald, daß der Ausfall der einen Körperhälfte auf nachteiligen Einflüssen seitens der angestochenen Blastomere beruhe.
H.A.E. Driesch (1867–1941) kam denn auch bei seinen „Schüttelversuchen“ (1891) am Seeigelkeim zu einem der Rouxschen Deutung widersprechenden Ergebnis. Durch heftiges Schütteln der Kulturgefäße vermochte er die Blastomeren der frühen Furchungsstadien gänzlich zu trennen. Dabei zeigte sich, daß fast jede dieser Blastomeren sich zu einer verkleinerten, aber vollständigen Pluteuslarve (Pluteus) entwickeln kann ( vgl. Abb. 4).
Mit diesem Ergebnis war Weismanns Entwicklungshypothese widerlegt. Gleiches geschah durch Preßversuche Drieschs, bei denen er Seeigeleier während der Furchungsteilungen flachpreßte, so daß sich die Anordnung der Teilungsspindeln (Spindelapparat) verändert, was nach der Keimplasmatheorie zu einer falschen Verteilung der Determinanten führen sollte. Wenn die Pressung nach einigen Mitosen beendet wurde, entstanden aber oftmals annähernd normale Larven.
Aus seinen Experimenten schloß Driesch, daß das Entwicklungsschicksal der einzelnen Blastomere – er nannte es ihre prospektive Bedeutung – noch nicht festgelegt ist. Unter Experimentalbedingungen kann sie offenbar etwas anderes liefern als im Normalfall; ihre prospektive Potenz, d.h. ihr Bildungsvermögen, ist demnach größer als ihre prospektive Bedeutung. Driesch generalisierte allerdings fälschlicherweise, daß jeder beliebige Teil des Seeigelkeims einen – wenn auch proportional (= „harmonisch“) verkleinerten – Pluteus liefern könne, verschiedene Teile also untereinander und mit der Eizelle äquipotentiell (Äquipotentialität) seien. Demgemäß betrachtete er den Seeigelkeim als Paradigma für das harmonisch-äquipotentielle System. In einem solchen System ist die prospektive Bedeutung der einzelnen Blastomere nicht in ihr selbst festgelegt, sondern bildet sich während der Entwicklung gemäß ihrem Ort im (Rest-)Embryo heraus.
Das Entwicklungsschicksal einer Blastomere ist nach Driesch also eine „Funktion ihrer Lage im Ganzen“. Dieser von ihm so bezeichnete „Fundamentalsatz“ (Driesch 1894) kehrte knapp 80 Jahre später im Begriff der Positionsinformation wieder, den 1969 Lewis Wolpert mit großer Wirkung in die entwicklungsbiologische Diskussion einführte.
Driesch ging von der Vorstellung aus, daß der Kern jeder Zelle die Gesamtheit der erblichen Entwicklungspotenzen besitzt und daß die Zelldifferenzierung durch Reize gesteuert wird, die von außen auf die Zelle einwirken, worauf der Kern mit einer entsprechenden Aktivität antwortet. Da der Kern dabei seine Totipotenz (Omnipotenz) nicht verlieren darf, muß seine jeweilige Wirkung fermentativen Charakter haben, also auf Enzymen beruhen. Diese enthält der Kern als Gemenge und nicht als räumlich geordnete Struktur ähnlich den Determinanten in Weismanns Keimplasma. Der Mittler zwischen den auslösenden Reizen und dem Zellkern ist das Cytoplasma, in dem Driesch sogar eine Signalwandlung (durch eine Art „second messenger“; sekundäre Boten) annahm. Das Cytoplasma entscheidet also darüber, welche potentiell auslösenden Reize an den Kern weitergeleitet werden und welche nicht. Diese vom Cytoplasma abhängige Reaktionskompetenz soll sich in der Ontogenese stufenweise durch die erwähnten Kernaktivitäten ändern. Den „Fundamentalsatz“ präzisierte Driesch einige Jahre später dahingehend daß die Zelle je nach ihrer Lage verschiedenen Induktionswirkungen (Induktion) ausgesetzt ist, welche kausal ihre weitere Entwicklung bestimmen.
Die Kontroverse Roux – Driesch, welche durch die experimentell gewonnenen Ergebnisse und die daraus gezogenen, sich widersprechenden theoretischen Folgerungen ausgelöst wurde, beruhte auf grundlegenden erkenntnistheoretischen Alternativen (Erkenntnistheorie und Biologie). Während für Roux das Experiment gleichsam nur die Reparaturmöglichkeiten des sich entwickelnden Systems offenbart, gibt es nach Drieschs Auffassung auch Auskunft über die Grundlagen des normalen Entwicklungsablaufs. Später glaubte Driesch allerdings, daß dieser Ablauf überhaupt nicht mechanistisch, also in Analogie zum Wirken einer Maschine, zu verstehen sei, und wandte sich vitalistischen Vorstellungen zu (Vitalismus).


Die Wechselwirkung von Protoplasma und Kern: Theodor Boveri

Theodor Boveri (1862–1915), einer der beiden Begründer der Chromosomentheorie der Vererbung (Identität des Erbgangs von Mendelfaktoren und Chromosomen), hat als erster die Wechselwirkungen zwischen Kern bzw. Chromosomen und Cytoplasma analysiert. Er erkannte, daß die beim Pferdespulwurm (Ascaris megalocephala = Parascaris equorum;Spulwurm) beobachtete Chromatindiminution, also der Verlust von Chromatin beim Schritt vom Keimbahn- zum Somakern, durch cytoplasmatische Einflüsse bewirkt wird, die eine ungleiche Verteilung gewisser Steuersubstanzen im Cytoplasma widerspiegeln.
Boveri schrieb 1910: „So scheint mir der Fall von Ascaris ein einfachstes Paradigma dafür darzustellen, wie die Wechselwirkung von Protoplasma und Kern in der Ontogenese zu denken ist und auf welche Weise aus der äußerst geringen Ungleichartigkeit des Eiprotoplasmas, durch Auslösungswirkungen auf den Kern und Rückwirkungen vom Kern auf das Protoplasma, die schließlich so gewaltigen Verschiedenheiten der Zellen hervorgehen könnten“. Die molekulargenetische Forschung unserer Tage hat die generelle Aussage dieses Paradigmas aufs glänzendste bestätigt – allerdings auf der Basis der differentiellen Genaktivierung (differentielle Genexpression, s.u.), nicht der Chromatindiminution.
Boveri ging davon aus, daß das erste Differenzierungsgeschehen bei der schrittweisen embryonalen Musterbildung in einem Vorzugsbereich der Eizelle beginnt, der beim Seeigel mit der vegetalen Polregion zusammenfällt. Die Fähigkeit, als Vorzugsbereich zu dienen, ist jedoch nicht auf die vegetale Polregion beschränkt, sondern findet sich potentiell – allerdings graduell abgeschwächt – auch in benachbarten Keimteilen. Jeder Teil kann als Vorzugsbereich dienen, „vorausgesetzt, daß der, der es besser könnte, nicht mehr da ist. Der es am besten kann, ist aber vermutlich der jeweils vegetativste“ (Boveri 1901) ( vgl. Infobox ). Dies impliziert die heute vielfach bestätigte Gradienten-Vorstellung (morphogenetischer Gradient, Morphogen, morphogenetisches Feld). Auch in anderen Hinsichten war Boveri seiner Zeit voraus. So benutzte er die Klonanalyse sowie Modelle zur Simulation von zellbiologischen Versuchsergebnissen – Methoden, die erst in der zweiten Hälfte unseres Jahrhunderts zu allgemeiner Bedeutung gelangten.


Der Organisatoreffekt: Hans Spemann

Boveris Schüler Hans Spemann (1869–1941) verfolgte dessen Ansätze zur Entwicklungsgenetik nicht weiter, sondern wandte sich mit großem Erfolg der Analyse von Induktionswirkungen in der Embryonalentwicklung zu. Er unterzog zunächst das Problem der Linsendetermination (Induktion), welches bereits von Baer erkannt hatte, einer experimentellen Analyse. Dabei konnte er zwischen 1900 und 1912 nachweisen, daß die Augenblase (Augenbecher) auf die Epidermis einen induktiven Reiz zur Linsenbildung (Augenlinse) ausübt, der bei verschiedenen Wirbeltieren in unterschiedlichem Ausmaß nötig ist.
Noch folgenreicher waren Spemanns Studien zu dem zweiten Grundproblem, dem er seine Forschungen widmete, nämlich der frühembryonalen Musterbildung, welche die grundlegenden Organisationszüge des Wirbeltierkörpers bestimmt. Mit Hilfe seiner „Schnürversuche“ (Durchschnürungsversuch) an Amphibienkeimen (ab 1897) gelang ihm der Nachweis, daß beide isolierte Blastomeren des Zweizellstadiums vollständige Embryonen liefern können, falls eine jede Anteil am grauen Halbmond, der zukünftigen Urmundregion (Urmund), hatte.
Im berühmten Organisatorexperiment, welches ihm 1935 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin einbringen sollte, verpflanzte Spemanns Schülerin Hilde Mangold (1898–1924) in den Jahren 1921 und 1922 Material der dorsalen Urmundlippe in die Bauchregion des unterschiedlich pigmentierten Embryos einer anderen Molchart. Das Ergebnis dieses Experiments war die Bildung eines chimärisch aufgebauten zusätzlichen Achsensystems, bei dem die Neuralanlage und die Somiten von Wirtsgewebe gebildet wurden, während das Implantat meistens nur die Chorda lieferte (Induktion). Die Induktion eines annähernd vollständigen Musters von Organanlagen durch transplantierte Teile der Urmundlippe kennzeichnete Spemann mit dem Begriff Organisatoreffekt ( vgl. Abb. 5).
Die Gene spielten in Spemanns Vorstellungen nur eine untergeordnete Rolle. Wie die meisten seiner Fachgenossen glaubte er, daß sie nur die „Fassade“ (z.B. Augen- oder Haarfarbe) des Körpers gestalten, nicht aber seine Grundstruktur. Letztere war für die experimentellen Embryologen seiner Generation ein Produkt der Eizelle, nicht ihrer Gene.


Die entwicklungsgenetische Revolution

Die Fortschritte von Genetik und Molekularbiologie lieferten seit etwa 1970 stetig verfeinerte Werkzeuge zur Analyse der Genwirkungen in der embryonalen Musterbildung. Die grundlegenden Erkenntnisse, die hiermit in den beiden letzten Jahrzehnten gewonnen wurden, dürfen als einer der bedeutendsten Meilensteine in der Geschichte der Entwicklungsbiologie gelten. Demgemäß ging 1995 der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an die Pioniere der molekular orientierten Entwicklungsgenetik – Christiane Nüsslein-Volhard und Eric F. Wieschaus, die zusammen in Heidelberg gearbeitet hatten, sowie Edward B. Lewis in Pasadena (Calif.). Das von ihnen anhand vieler Mutanten erarbeitete Modell der frühembryonalen Musterbildung bei Drosophila melanogaster (Embryonalentwicklung, Abb.) nimmt seinen Ausgang von einigen maternalen Genen (maternale Determinanten), deren mRNAs ungleich in der Eizelle verteilt sind bzw. werden und damit den Aufbau von Positionsinformation in Form von Proteingradienten bedingen (Lokalisierung von mRNA). Letztere lösen die regional unterschiedliche differentielle Aktivierung von zygotischen Genen aus, deren Produkte – meistens Transkriptionsfaktoren – die Grundlage für eine räumlich zunehmend komplexere Expressions-Kaskade (Genexpression) liefern. Auf diese Weise wird bereits die einschichtige Embryonal-Anlage (Anlageplan, Abb.) funktionell in das Muster der Segmente und Organe untergliedert (Embryonalentwicklung).
Seit etwa 1980 hat die Entwicklungsbiologie einen ungeahnt explosiven Aufschwung genommen. Dieser ging aus 1. vom entwicklungsgenetischen Ansatz der oben erwähnten Nobelpreisträger und von einigen weiteren Pionieren auf diesem Gebiet, 2. von großen Fortschritten in der Zell- und Molekularbiologie (Cytologie) einschließlich Gentechnologie und 3. von der Einbeziehung neuer Organismen – vor allem des Zebrafischs (Brachydanio rerio, neuere Bezeichnung Danio rerio) und des Kreuzblütlers Arabidopsisthaliana (Acker-Schmalwand; Arabidopsis-Genom-Projekt) – in die Reihe der entwicklungsbiologischen Modellsysteme (Modellorganismen). Diese Fortschritte können hier nur in einer Zusammenschau umrissen werden: Ausgehend von der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und dem Nematoden Caenorhabditis elegans (Abb., Tab.) als Modellsysteme hat die entwicklungsgenetische Forschung eine Vielzahl von entwicklungsrelevanten Genen und ihren Produkten aufgedeckt. Deren komplexes Zusammenspiel verspricht eine erschöpfende mechanistische Erklärung der Morphogenese. Neo-vitalistischen Vorstellungen (Neovitalismus), wie sie ein Jahrhundert zuvor Hans Driesch mit großer Eloquenz vertrat, dürfte damit endgültig der Boden entzogen sein. Die Vielfalt der Entwicklungsgene und ihrer Wechselwirkungen übertrifft an Komplexität alles, was die Konzepte und Computersimulationen des vorhergehenden Jahrzehnts erwarten ließen (Musterbildung; vgl. Infobox ). Eine zweite, qualitativ und quantitativ neue Einsicht betrifft jene Mechanismen, die in positionsspezifischer Wechselwirkung das räumliche Grundmuster des Embryos niederlegen. Viele der beteiligten Gene sind evolutiv erstaunlich „konserviert“: mit geringfügigen Abweichungen kommen sie bei den verschiedensten Tiergruppen vor, und zwar nicht nur als Einzelgene, sondern auch als Partner in ebenfalls konservierten Reaktionsnetzen. Deshalb kann man einige dieser Gene zwischen ganz verschiedenen Organismen, z.B. Drosophila und Maus, funktionell austauschen (dorsoventrale Musterbildung; Hox-Gene). Die extreme Konservierung dieser „positionsmarkierenden“ Gene stellt gleichsam eine (formale) Parallele zur morphologischen Konservierung der embryonalen Frühstadien dar, wie sie schon von Baer beobachtete. Ebenfalls weitgehend unerwartet kam der Befund, daß manchmal dieselben (oder strukturell nah verwandte) Gene mehrfach nacheinander in die Entwicklung eingreifen; ein Beispiel bieten die Hox-Komplexe (Hox-Cluster), deren Gene einerseits in der Längsgliederung des Körpers, andererseits später bei der Musterbildung in den Gliedmaßenknospen eine wesentliche Rolle spielen. Diese molekulare Konservierung ist auch von grundlegender Bedeutung für die Evolutionsbiologie. In jüngster Zeit zeigt sich dies im rapiden Erstarken einer Forschungsrichtung, die der internationale Jargon als „Evo–Devo“ betitelt („Evolution and Development“).
Die Gentechnologie (i.w.S.) hat bald nach 1980 den molekularen Zugriff auf jene „klassischen“ Organismen der entwicklungsbiologischen Forschung ermöglicht, die sich – wie Amphibien und in geringerem Maße die Maus – nicht zur Mutationsgenetik eignen. Hier dienten vor allem Drosophila-Gene als Sonden zum „Herausfischen“ homologer Gene aus dem Vertebraten-Genom, was – zusammen mit vielen gentechnologischen Innovationen – die entwicklungsbiologische Forschung an Wirbeltieren stark beschleunigte.
Versuche zur Klonierung von Tieren durch Transplantation von Furchungskernen in entkernte Eizellen (Kerntransplantation) waren zuerst um 1960 erfolgreich, und zwar bei Fröschen. Erfolgsmeldungen über entsprechende Versuche bei der Labormaus zwischen 1970 und 1980 konnten hingegen längere Zeit nicht bestätigt werden. Erst Dolly („Dolly the Sheep“) belegte 1997, daß auch Säuger sich mit somatischen Kernen klonen lassen – zumindest, wenn man die Spenderzelle als Ganzes mit der entkernten, unbesamten Eizelle verschmilzt (Zellfusion) und mitotisch inaktive Spenderzellen benutzt. In den beiden folgenden Jahren wurde gezeigt, daß auch Kerne aus spezialisierten Zellen adulter Spender die gesamte Ontogenese steuern können, und zwar bei Schaf, Ziege, Rind und Maus, bei letzterer nach Injektion eines isolierten Kerns anstelle der Zellfusion. Allerdings waren die Erfolgsquoten bei allen Ansätzen bisher sehr gering (wenige %). Für die Grundlagenforschung bedeutet die erfolgreiche Klonierung mit Adultkernen, daß – im Widerspruch zur Keimplasmatheorie und zu Boveris Paradigma der Differenzierung durch Chromatindiminution – auch spezialisierte Adultzellen die volle genetische Information enthalten können. Unter dem Gesichtspunkt der wirtschaftlichen Anwendung zeichnen sich bei der Säugerklonierung viele Möglichkeiten ab (Gentechnologie). Die Klonierung von Menschen – das dominante Thema der öffentlichen „Klon“-Diskussion – muß allerdings nicht nur als unverantwortlich (Bioethik), sondern auch als illusorisch gelten – zumindest, soweit sie auf Kopien der Persönlichkeit des Kernspenders abzielt. Denn Jahrzehnte an prägender Lebenserfahrung lassen sich nicht identisch reproduzieren. Biochemie (Geschichte der), Biologie, Embryonalentwicklung (Farbtafel).

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Abb.1: Aristotelische Epigenese, illustriert von Jacob Rueff 1536

Abb.2: So bildete Niklaaus Hartsoeker 1699 den im Spermium präformierten Menschen ab. Haltung und Fontanelle des Homunkulus zeigen, daß ein Fetus als Vorbild diente.

Abb.3: Rouxs Anstichversuch am Froschei. Nr.6 (links) zeigt einen Kontrollembryo im späten Neurulastadium, M Medullarwulst (Neuralwulst); Nr.8: rechtsseitiger Halbembryo, nach Anstich der linken Blastomere des Zweizellstadiums; Nr.10: vorderer Halbembryo nach Anstich der hinteren Blastomere, die Zellen auf dem weißen Blastomerenrest zeigen beginnende Postgeneration (nachträgliche Neubildung fehlender Teile) an; Nr.12: Asyntaxia medullaris (Nichtvereinigung der Hälften der Neuralplatte) nach Anstich einer vorderen Blastomere des Vierzellstadiums, der linke Neuralwulst fehlt vorne.

Abb.4: Schemata aus Drieschs „Philosophie des Organischen“ (1909). Links normale Gastrula und normaler Pluteus des Seeigels, daneben Halbgastrula und Halbpluteus, wie sie nach Weismann und entsprechend Rouxs Halbembryonen zu erwarten wären. Rechts daneben die wirkliche Entwicklungsleistung einer isolierten Blastomere.

Abb.5: Das Organisatorexperiment von Spemann und Hilde Mangold, geb. Pröscholdt: Induktion eines zusätzlichen Achsensystems auf der Flanke des Teichmolch-Embryos (links) durch ein Stück dorsale Urmundlippe vom Kammolch. Große Teile der sekundären Organe (rechts im Schnittbild) wurden von den dunkler pigmentierten Zellen des Wirtsembryos gebildet; die hellen Kammolch-Zellen finden sich vorwiegend in der Chorda (sec. Ch.), dazu gelegentlich in den Somiten (r. sec. Uw.). Aus Spemann und Mangold 1924.