Kommunikation ist allgegenwärtig in der Biologie. Tiere verständigen sich durch Rufe, Gewebe tauschen Hormonbotschaften aus, Zellen informieren sich gegenseitig im direkten Kontakt und sogar innerhalb der Zelle gibt es einen regen Datenaustausch. Eine wichtiger Botenstoff, der die Funktion der Zellmaschinerie koordiniert, ist Calcium. Calciumsignale führen zu Muskelkontraktionen, sie lassen Drüsen Sekrete absondern, helfen bei der Nervenkommunikation und der Befruchtung. Calcium ist also nützlich, leider ist Calcium auch giftig. Deshalb können die Zellen nicht einfach seine Konzentration erhöhen, um eine Botschaft zu übermitteln. Stattdessen entwickeln sich zeitlichen und räumlichen Musters der Calciummenge in denen die Information verschlüsselt ist. Sie ähneln sich langsam drehenden Spiralen, wie sich an den stecknadelkopfgroßen Eiern des Krallenfrosches sichtbar machen lässt.
Das ist natürlich etwas faszinierendes wenn man ein uraltes Symbol der Menschheit für Leben dann nach Tausenden von Jahren der Nutzung dieses Symbols auf einmal in lebenden Zellen wiederfindet. Das hat natürlich erst mal eine starke Faszination der Bildkraft
Der Physiker Martin Falcke hat diese Spiralen im Labor von James Lechleiter und Patricia Camacho an der Universität von Texas in San Antonio gesehen. Die beiden Biologen studieren den Calciumhaushalt im Ei des Krallenfrosches. Calcium ist normalerweise in Speichern gebunden. Erst auf ein Signal hin wird es in den Zellsaft abgegeben. Die erhöhte Calciummenge führt in einer positiven Rückkoppelungsschleife zu einer weiteren Ausschüttung des Botenstoffs. Die Konzentration schießt nach oben, das aber aktiviert Pumpen, die das Calcium wieder entfernen, bis das System erneut in der Ausgangslage ist. Jeder Schritt in diesem Zyklus lässt sich am Ei des Krallenfrosches genau vermessen. Es ist allerdings schwer, aus der Fülle der Einzelfakten abzuleiten, wie die Zelle denn nun das Calcium als Signal einsetzt. An dieser Stelle kam der theoretischen Physiker Falcke ins Spiel. Mit den Mitteln der Mathematik hat er am Berliner Hahn Meitner Institut Ordnung in die Datenmassen gebracht. Falcke:
Auf der Grundlage dieser Informationen baut man dann ein mathematisches Modell zusammen, das heißt man überlegt sich, wie sind die Raten der Produktion verschiedener Stoffe, wie sind die Raten wie sich Kanäle öffnen und schließen oder Pumpen Calcium entfernen und das kann man dann zusammenfassen zu partiellen Differentialgleichungen, die immer im Zentrum eines solchen mathematischen Modells stehen.
Am Ende drehen sich auf dem Bildschirm seines Laptops Spiralen, die den Spiralen in den Zellen gleichen. Das alleine wäre noch keine Kunst, es gibt viele Wege, Spiralen mathematisch zu erzeugen. Interessant wurde es, als die Biologen Vorhersagen aus dem Modell im Experiment überprüften. Falcke:
Bei uns war das einmal die Art und Weise, wie Spiralen verschwanden. Das war also etwas, was aus dem Modell heraus klar wurde und auch der Mechanismus und wir konnten dann tatsächlich in Zellen genau diese Art der Zerstörung von Spiralen beobachten.
Auch andere Befunden ließen sich mit Hilfe der Mathematik besser verstehen. Das Modell des Physikers inspirierte die Biologen zu neuen Experimenten und deren Ergebnisse erlaubten es, das Modell des Calciumsignals weiter zu verbessern. Dieses interdisziplinäre Wechselspiel wird jetzt mit dem Erwin Schrödinger Preis geehrt. Die gemeinsame Arbeit ist auf beiden Forschungsfeldern anerkannt. Auf Seiten der Mathematik gab es Impulse für die Theorie Muster bildender Systeme, die Biologen können mit ähnlichen Ansätzen auch andere Formen von Calciumsignalen analysieren. Für den Physiker Martin Falcke ist klar, dass sich an vielen Stellen in der Biologie aus dem Zusammenspiel einfacher Komponenten komplexe Muster entwickeln ohne dass diese im Detail vorgegeben sein müssen. Falcke:
Das Faszinierendste ist vielleicht die Rolle von Selbstorganisation in Zellen überhaupt. Es ist eben nicht alles festgeschrieben durch die genetische Information sondern viele Strukturen und Prozesse organisieren sich eben selbst in ihrem Verlauf und das zu Beobachten in lebenden Zellen ist zweifelsohne eine faszinierende Geschichte.
Das ist natürlich etwas faszinierendes wenn man ein uraltes Symbol der Menschheit für Leben dann nach Tausenden von Jahren der Nutzung dieses Symbols auf einmal in lebenden Zellen wiederfindet. Das hat natürlich erst mal eine starke Faszination der Bildkraft
Der Physiker Martin Falcke hat diese Spiralen im Labor von James Lechleiter und Patricia Camacho an der Universität von Texas in San Antonio gesehen. Die beiden Biologen studieren den Calciumhaushalt im Ei des Krallenfrosches. Calcium ist normalerweise in Speichern gebunden. Erst auf ein Signal hin wird es in den Zellsaft abgegeben. Die erhöhte Calciummenge führt in einer positiven Rückkoppelungsschleife zu einer weiteren Ausschüttung des Botenstoffs. Die Konzentration schießt nach oben, das aber aktiviert Pumpen, die das Calcium wieder entfernen, bis das System erneut in der Ausgangslage ist. Jeder Schritt in diesem Zyklus lässt sich am Ei des Krallenfrosches genau vermessen. Es ist allerdings schwer, aus der Fülle der Einzelfakten abzuleiten, wie die Zelle denn nun das Calcium als Signal einsetzt. An dieser Stelle kam der theoretischen Physiker Falcke ins Spiel. Mit den Mitteln der Mathematik hat er am Berliner Hahn Meitner Institut Ordnung in die Datenmassen gebracht. Falcke:
Auf der Grundlage dieser Informationen baut man dann ein mathematisches Modell zusammen, das heißt man überlegt sich, wie sind die Raten der Produktion verschiedener Stoffe, wie sind die Raten wie sich Kanäle öffnen und schließen oder Pumpen Calcium entfernen und das kann man dann zusammenfassen zu partiellen Differentialgleichungen, die immer im Zentrum eines solchen mathematischen Modells stehen.
Am Ende drehen sich auf dem Bildschirm seines Laptops Spiralen, die den Spiralen in den Zellen gleichen. Das alleine wäre noch keine Kunst, es gibt viele Wege, Spiralen mathematisch zu erzeugen. Interessant wurde es, als die Biologen Vorhersagen aus dem Modell im Experiment überprüften. Falcke:
Bei uns war das einmal die Art und Weise, wie Spiralen verschwanden. Das war also etwas, was aus dem Modell heraus klar wurde und auch der Mechanismus und wir konnten dann tatsächlich in Zellen genau diese Art der Zerstörung von Spiralen beobachten.
Auch andere Befunden ließen sich mit Hilfe der Mathematik besser verstehen. Das Modell des Physikers inspirierte die Biologen zu neuen Experimenten und deren Ergebnisse erlaubten es, das Modell des Calciumsignals weiter zu verbessern. Dieses interdisziplinäre Wechselspiel wird jetzt mit dem Erwin Schrödinger Preis geehrt. Die gemeinsame Arbeit ist auf beiden Forschungsfeldern anerkannt. Auf Seiten der Mathematik gab es Impulse für die Theorie Muster bildender Systeme, die Biologen können mit ähnlichen Ansätzen auch andere Formen von Calciumsignalen analysieren. Für den Physiker Martin Falcke ist klar, dass sich an vielen Stellen in der Biologie aus dem Zusammenspiel einfacher Komponenten komplexe Muster entwickeln ohne dass diese im Detail vorgegeben sein müssen. Falcke:
Das Faszinierendste ist vielleicht die Rolle von Selbstorganisation in Zellen überhaupt. Es ist eben nicht alles festgeschrieben durch die genetische Information sondern viele Strukturen und Prozesse organisieren sich eben selbst in ihrem Verlauf und das zu Beobachten in lebenden Zellen ist zweifelsohne eine faszinierende Geschichte.