Springer-Lehrbuch. Für weitere Bände:

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2 Springer-Lehrbuch Für weitere Bände:

3 Werner A. Müller Monika Hassel Entwicklungsbiologie und Reproduktionsbiologie des Menschen und bedeutender Modellorganismen 5. Auflage

4 Werner A. Müller Heidelberg Deutschland Monika Hassel Marburg Deutschland ISSN ISBN DOI / (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, 2003, 2006, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 Vorwort Die auffälligste Neuerung dieser 5. Auflage gegenüber den Vorauflagen ist die mehrfarbige Gestaltung der Abbildungen; inhaltlich ist mehr Raum den Themen Entwicklung des Menschen (einschließlich medizinischer Aspekte) und Evolution von Entwicklungsprozessen gewidmet. Manche Kapitel sind umgestellt, viele erweitert, alle auf den neuesten Stand gebracht, soweit dies in einem einführenden Lehrbuch möglich ist. Beibehalten wurde jedoch das didaktische Grundkonzept: Die Entwicklung bedeutender Modellorganismen und des Menschen werden in geschlossenen Einzelabhandlungen dargestellt; dies enthebt den Leser/die Leserin von der Mühsal, die gesamte Entwicklung etwa der Drosophila, vonxenopus oder der Maus und die Embryonalentwicklung des Menschen aus vielerlei in mehreren Kapiteln verstreuten Abschnitten und Abbildungen selbst zusammenstellen zu müssen. Alsdann werden in vergleichenden Darstellungen Themen wie Befruchtung, Sexualentwicklung, Entwicklungsgenetik, Klonen und transgene Tiere, Entwicklung des Nervensystems, Stammzellen und regenerative Medizin, sowie Aspekte der Evolution zusammenfassend dargestellt. Jedes Kapitel sollte in sich geschlossen und für sich verstehbar sein; denn die Erfahrung lehrt, dass Lehrbücher nur abschnittsweise gelesen werden. Dieses Konzept erzwingt es, dass in den vergleichenden Abhandlungen manches aus der Entwicklung einzelner Organismen wiederholt wird. Verweise auf Abbildungen und Ausführungen in anderen Kapiteln zielen auf ergänzende Informationen und parallele Erscheinungen. Separate Boxen behandeln Sonderthemen wie Von der Seele zur Information: Geschichte der Entwicklungsbiologie Pränataldiagnostik, gesetzliche Bestimmungen in Deutschland: Embryonenschutzgesetz, Schwangerschaftsabbruch Aspekte der Reproduktionsmedizin, Störungen der Sexualentwicklung Genetische und molekularbiologische Methoden der Entwicklungsbiologie und spekulative Diskussionsbeiträge wie Ungelöste Rätsel: Urmund, Mund und primäre Körperachsen homolog oder nicht? Ungereimtheiten der Lehrtradition: drei Keimblätter und nicht mehr?, sowie ektodermales Nervensystem. Diese Sonderthemen und die Betonung auf Mensch sind Alleinstellungsmerkmale dieses Lehrbuchs. Im Dienste einer flüssigen Lesbarkeit haben wir darauf verzichtet, hinter jeder Aussage die Literaturquelle anzugeben. Ein einführendes Lehrbuch darf sich in diesem Punkt von Review-Artikeln in Fachzeitschriften unterscheiden. In der ausführlichen Literaturliste am Ende des Buches wird man bei Bedarf die Referenzquellen finden. V

6 VI Vorwort Die Abbildungen sind, wie bisher auch, zur Wahrung eines einheitlichen didaktischen Konzepts vom Autor WM selbst angefertigt worden. Fotografien verdanken wir aber auch anderen Urhebern. Manche Kollegen sind uns beigestanden durch Begutachtung unserer Abbildungsentwürfe oder durch kritische Lektüre einzelner Abschnitte. Wir danken Prof. Dr. Martin Blum, Stuttgart, Prof. Dr. Angelika Böttger, München, Prof. Dr. Bert Hobmayer, Innsbruck, Prof. Dr. Christof Niehrs, Heidelberg, Prof. Dr. Renato Paro, Zürich, Prof. Dr. Herbert Steinbeisser und Prof. Dr. Jochen Wittbrodt, Heidelberg. Schließlich danken wir den Mitarbeitern des Springer-Verlages, welche diese Neuauflage ermöglicht und betreut haben, insbesondere Frau Stefanie Wolf. Heidelberg und Marburg, April 2012 Werner Müller, Monika Hassel

7 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht EntwicklungalsSelbstkonstruktion Reproduktion: Sex versus natürliches Klonen Etappen und Prinzipien der Entwicklung EtappenderEntwicklunginderÜbersicht AllgemeinePrinzipieninKurzfassung Der Start: Befruchtung, Aktivierung des Eies und erste Zellteilungen (Furchung) DieBefruchtung AktivierungdesEies Nicht-chromosomaleInformationsträger Erste Zellteilungen: die Furchung und der MPF-Oszillator Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen I: Wirbellose Der Seeigel-Keim: Basismodell für tierische Entwicklung undobjekthistorischbedeutsamerexperimente Ein Außenseiter: Dictyostelium discoideum Hydra und weitere Cnidarier: Unsterbliche Polypen und historische Pioniermodelle der Entwicklungsbiologie Caenorhabditis elegans: ein Beispiel fürinvariantezellstammbäume Spiralier: ein in der Natur oft benutztes Furchungsmuster Drosophila melanogaster: Referenzorganismus der genetischen und molekularbiologischen Entwicklungsbiologie Tunikaten: Mosaikentwicklung im Stamm der Chordaten? Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen II: Wirbeltiere Xenopus: Referenzmodell der Wirbeltierentwicklung Zebrabärbling Danio rerio und der Medaka Orycias latipes Amnioten: Hühnchen, Wachtel und Chimären von beiden DieMaus:StellvertreterfürdenMenschen Die Embryonalentwicklung des Menschen DerMenschundModellorganismen VondenUrkeimzellenbiszurBefruchtung Von der Befruchtung bis zum phylotypischen Stadium VII

8 VIII Inhaltsverzeichnis 6.4 Schnittstelle Mutter/Kind: die Plazenta Hormonale Beziehungen zwischen Kind und Mutter Die Entwicklung des Menschen im Vergleich zu anderen Wirbeltieren: Gemeinsames, Trennendes, Aspekte der Evolution Konservative Wege versus Neuerungen in der Entwicklung der Wirbeltiere und des Menschen In Vorbereitung auf neues Leben I: Geschlechtsbestimmung und Geschlechtsentwicklung Wesen der Sexualität Geschlechtsbestimmung Die frühe Sexualentwicklung bei Säugern und dem Menschen Das psychische Geschlecht und postnatale Sexualentwicklung In Vorbereitung auf neues Leben II: Gametogenese: Die Entstehung von Ei und Spermium und deren Ausstattung mit einer Mitgift KeimbahnundUrkeimzellen DieOogenese:HerstellungundBevorratungderEizelle DieSpermatogenese:dasHerstellenvonSpermien Weitere Mitgift: maternale und paternale Prägung Genetische Konsequenzen der Soma-Keimbahn-Trennung Positionsinformation, Musterbildung I: Spezifikation der Körperkoordinaten und erste Schicksalsbestimmung durch maternale Faktoren Das Starten ortsgerechter Differenzierungsprogramme Festlegung der Körperachsen Frühe Determination von Zelltypen durch maternale Faktoren Autonome versus abhängige Entwicklung, asymmetrische Zellteilung versus Zell-Zell-Interaktion Positionsinformation, Musterbildung II: Embryonale Induktion und Musterbildung durch Zell-Zell-Kommunikation Positionsinformation und die Erzeugung neuer Muster Musterbildung durch Signalaustausch zwischen Nachbarn über direkten Zellkontakt: laterale Inhibition und laterale Hilfe Embryonale Induktion und der Spemann-Organisator Induktionskaskaden und Identifizierung der Signale Musterbildung: Morphogene und Gradiententheorie DasHerzamrechtenFleck:Links-rechts-Asymmetrie Morphogenetische Felder Modellfelder:dieKnospenfürVogelflügelundMäusebein MusterkontrolleundPositionsgedächtnisbeiHydra MusterkorrekturdurchInterkalation PeriodischeMuster Entwicklungssteuernde Signale und Signaltransduktion Signalsysteme und Mechanismen der Signalweiterleitung: einüberblick...293

9 Inhaltsverzeichnis IX 11.2 Wie Zellen miteinander kommunizieren: Signal-TransmissionundPropagation Signalsubstanzen und die von ihnen aktivierten Transduktionssysteme Lipophile Signalsubstanzen und Steuerung der Genaktivität Entwicklung und Gene Differentielle Genexpression als Basis der Differenzierung Gene zur Spezifikation von Körperregionen und Organen: Hox-Gene GenezurProgrammierungvonAugenundZelltypen Entwicklungssteuernde Gene und Transkriptionskontrolle: einresümee Epigenetik: Reversible Veränderungen in der Zugänglichkeit vongenen Irreversible Veränderung des Genoms und damit des Zelltyp-spezifischen genetischen Programms Anwendungsorientierte Experimente an Frühkeimen der Wirbeltiere: Klonen, Chimären, Teratome, transgene Tiere Klonen:dieHerstellunggenetischidentischerKopien Versuche mit Chimären und Teratomen und was solche Versuche (nicht)bringen Genetische Manipulationen an Embryonen: K.o.-MutantenundtransgeneTiere Morphogenese: Gestaltbildung durch aktive Zellbewegung, differenzielle Zelladhäsion und Zelltod Aktive Zellbewegung und Ortsveränderung Gleitvorgänge und Zellsortierung kraftdifferenziellerzelladhäsion Zelladhäsionsmoleküle und Zellerkennung Die Bildung verzweigter tubulärer Strukturen: Tracheen, Lungen, Blutgefäße, Nierentubuli Gestaltbildung durch Entfernen von Zellen: Apoptose, der programmierte Zelltod Fernwanderer und die vielfältigen Schicksale der ausgewanderten Neuralleistenzellen UrkeimzellenundBlutzellen Neuralleisten-Abkömmlinge Das Nervensystem und zentrale Sinnesorgane VorbereitungimfrühenEmbryo Morphologische Entwicklungsgeschichte des Nervensystems Die genetische Programmierung des Zentralnervensystems Direkt ans Gehirn angeschlossene Sinnesorgane des Kopfes Das periphere Nervensystem und Zellmigration überweitestrecken Navigation der Nervenfortsätze und Vernetzung der Nervenzellen 426

10 X Inhaltsverzeichnis 16.7 DerAnschlussdesAugesundRiechepithelsandasGehirn ImRückenmarkundvomRückenmarkindiePeripherie Plastizität:Korrekturen,Ausbau,Reserven Herz und Blutgefäße Vom scheinbaren Chaos zur Ordnung DasHerz Blutgefäße:VasculogeneseundAngiogenese AnpassungdesKreislaufsvorundnachderGeburt Stammzellen, Regeneration, regenerative Medizin Die stetige Grunderneuerung des Organismus; StammzellendesMenschen Die hämatopoietischen (blutbildenden) Stammzellen Regenerative Medizin: Gewebe-undOrganersatzausStammzellen ipsc: Reprogrammierung differenzierter Zellen zupluripotentenstammzellen Regeneration ganzer Körperteile und von Organen: Wirbellose und Wirbeltiere im Vergleich Die zellulären Grundlagen eines hohen Regenerationsvermögens Kontrollsysteme Wachstumskontrolle und Krebs Wachstumskontrolle Krebs:Wesenszüge,Vorkommen,Begriffe Besondere Eigenschaften von Krebszellen und Tumoren UrsacheneinerCancerogenese Metamorphose und ihre hormonale Steuerung Metamorphose: ein zweiter Phänotyp aus einer zweiten Embryogenese Hormonale Steuerung der Metamorphose Auslösung der Metamorphose ReverseEntwicklung Unsterblichkeit oder Altern und Tod: Was will die Natur? Möglichkeit und Unmöglichkeit einer Immortalität TheoriendesAlters DerTodalsgenetischvorprogrammiertesEreignis Evolution von Entwicklungsprozessen ( Evo-Devo, Evolution and/of Development) EinRückblickaufKlassisches Neue Möglichkeiten des Erkenntnisgewinns Evo-Devo Biologie und ihre Grundlagen NeuesausÜberkommenemimgenetischenProgramm Der gemeinsame Satz molekularer Werkzeuge (molecular tool kit) VariationenvonBaupläneninnerhalbvonTierstämmen Rekonstruktion der großen Entwicklungsreihen und phylogenetischer Stammbäume

11 Inhaltsverzeichnis XI 22.7 EvolutionderAugen DarwinsDilemma ZurEvolutiondesMenschen Glossar Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...613

12 Liste der Boxen 1.1 Von der Seele zur Information: Zur Geschichte der Entwicklungsbiologie ZudenBegriffenDetermination,Spezifikation,Commitment Selbstbefruchtung und Parthenogenese Einige neue Aspekte der Reproduktionsmedizin des Menschen GeborenauseinerJungfrau? Verantwortung gegenüber dem werdenden Kind Pränataldiagnostik: Möglichkeiten und Konflikte Gesetzliche Regelungen in Deutschland Störungen der Sexualentwicklung beim Menschen und mögliche Ursachen Störungen der Sexualentwicklung und Fertilität durchhormon-ähnlichefremdsubstanzen Männer:EinaussterbendesGeschlecht? Wo ist vorn, wo hinten, wo ist oben, wo unten? Quellen primärer Positionsinformation Wie können Gradienten erkannt und sichtbar gemacht werden? Modelle zur biologischen Musterbildung ZurNomenklaturvonGenenundProteinen Genetische und molekularbiologische Methoden der Entwicklungsbiologie Genetische Netzwerke in der Entwicklung des Nervensystems Die Hypothese der Mehrstufen-Carcinogenese Die Sage von den drei Keimblättern Ungereimtheiten und irreführende Terminologien in der vergleichenden Entwicklungsbiologie Ungelöste Rätsel: Urmund, Mund und primäre Körperachsen homolog odernicht? WiesahendieUrbilateriaaus? Sind bei Wirbeltieren und Arthropoden Bauch- und Rückenseite vertauscht? XIII

13 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht Entwicklung als Selbstkonstruktion Lebewesen konstruieren und organisieren sich selbst auf der Basis ererbter Information Zu den Wesenszügen lebender Organismen, besonders der vielzelligen Lebewesen, gehört ihre Fähigkeit, sich zu entwickeln, das heißt, aus einfachen Anfangszuständen heraus eigenständig komplexe Strukturen aufzubauen und eine artgemäße Endgestalt zu erlangen. Es geht in diesem Buch um Entwicklung im Sinne von Ontogenie, also um die Entwicklung im Zuge eines individuellen Lebens, das in der Regel mit der Befruchtung eines Eies beginnt und mit dem Tode des Individuums endet. Entwicklung im Sinne der Phylogenie oder Evolution, die sich als allmähliche Umgestaltung der Organismen im Zuge langer Generationsfolgen darstellt, wird hier nur insofern behandelt, als wir im Schlusskap. 22 die Abwandlung ontogenetischer Entwicklungsmuster in der Evolution diskutieren. Auch kleine Änderungen in der molekularen Steuerung der Entwicklung können große Änderungen in den Bauplänen zur Folge haben. Selbstkonstruktion und Selbstorganisation sind Begriffe, die das Wesentliche der ontogenetischen Entwicklung auf eine kurze Formel zu bringen versuchen. Die Entwicklung eines vielzelligen Lebewesens startet ja im Regelfall mit einer einzigen Zelle, der befruchteten Eizelle, die kaum den Organisationsgrad eines Einzellers erreicht. In der Eizelle oder gar im winzigen Spermium einen schon fertigen Organismus beispielsweise einen Homunculus (Abb. 1.1) zu sehen, war nur dem fantasievollen Auge früherer Naturkundler möglich. Der heutige Zellbiologe, Biochemiker oder Molekularbiologe findet in der befruchteten Eizelle nicht viel mehr als in sonstigen Zellen auch. Sie kann im Einzelfall zwar riesig sein die gelbe Kugel im Hühnerei ist eine Eizelle doch ihre subzellulären Strukturen sind, auch im Elektronenmikroskop, nicht vielgestaltiger als in zahlreichen anderen Zelltypen. Und doch wird aus dieser unauffälligen Zelle ein hochkomplexes Gebilde mit Abermillionen verschiedener Zellen, die in einem hochgradig geordneten Zusammenspiel selbst den Organismus, das Individuum, formen. Lebewesen können bei vielen Pflanzen und niederen Tieren nicht nur aus befruchteten Eizellen entstehen, sondern auch durch die Vermehrung bereits entwickelter, vielzelliger Lebewesen (Abschn ). Doch auch dann, wenn sich Lebewesen im Zuge einer asexuellen oder vegetativen Fortpflanzung (traditioneller Ausdruck) selbst klonen, ist es anfänglich ein Verband aus wenigen weitgehend gleichartigen Zellen, oft Knospe genannt, der das generative Startmaterial für die Entwicklung eines neuen Lebewesens darstellt. Gleich, ob das neue Leben mit einer Eizelle oder Knospe beginnt: Das fertig entfaltete Lebewesen ist von einer Komplexität, die unser Vorstellungsvermögen weit übertrifft. Jeder kann sich eine Eizelle oder eine Knospe vorstellen. Wer aber kann sich die ca. 100 Milliarden Nervenzellen unseres Gehirns mit ihren bis synaptischen Verbindungen in ihrer dreidimensionalen Architektur vorstellen? All die vielen und vielgestaltigen somatischen Zellen (somatisch D dem sterblichen Körper zugehörig), die aus generativen Fortpflanzungszellen (generativ D erzeugend) hervorgehen, gewinnen aber, anders als W.A. Müller, M. Hassel, Entwicklungsbiologie und Reproduktionsbiologie des Menschen und bedeutender Modellorganismen, Springer-Lehrbuch, DOI / _1, c Springer-Verlag Berlin Heidelberg

14 2 1 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht Abb. 1.1 Homunculus in einem Spermium, gesehen mit den Augen des Nicolas Hartsoeker (1694) Mitglieder eines Klons von Einzellern, keine unabhängige Lebensfähigkeit, sondern sind nur in der Gemeinschaft des Zellenverbandes lebensfähig. Im Dienste dieser Gemeinschaft, die wir als Einheit betrachten und als Organismus oder Individuum bezeichnen, übernehmen die Zellen unterschiedliche Aufgaben; sie differenzieren sich morphologischundfunktionell und bauen gemeinsam vielzellige Strukturen, Gewebe und Organe auf. Dabei werden von Generation zu Generation jeweils dieselben Strukturen und Muster in derselben zeitlichen und räumlichen Ordnung hergestellt. Die Zunahme an Komplexität in der Ontogenie und die Gestaltbildung (Morphogenese) aus einfachen, anscheinend amorphen Ausgangszuständen haben früh die Frage nach den ursächlichen, formenden und ordnenden Prinzipien aufgeworfen. Aristoteles sah in der Seele das letztendlich formbestimmende Prinzip (Box 1.1); heute wird der genetischen Information die tragende Rolle zuerkannt. Die Möglichkeit, sich selbst reproduzierbar herzustellen, ist durch genetische Information (DNA des Kerns und der Mitochondrien) und durch weitere informationstragende Strukturen der Eizelle (maternale Information, cytoplasmatische Determinanten) gewährleistet; nicht jedoch ist die fertige Organisation selbst in der Eizelle vorgezeichnet. Sie enthält keinen Bauplan im Sinne des üblichen Sprachgebrauchs; denn ein Bauplan ist eine Skizze des fertigen Gebildes. Schon um die Abermilliarden Verschaltungen im Zentralnervensystem zu skizzieren, wäre mutmaßlich weit mehr an Information nötig, als eine befruchtete Eizelle beherbergen kann. Welche Information enthält das Genom (Summe aller Gene, Gesamtheit der genetischen Information) tatsächlich? Die Doppelhelixstruktur der DNA ermöglicht es, vor jeder Zellteilung exakte Kopien ihrer selbst herzustellen, die dann den Tochterzellen zugeteilt werden können. Das Genom ist in Abschnitte, Gene genannt, unterteilt. Ein Teil dieser Gene, neuerdings als codierende Gene definiert, enthält Informationen, in welcher Reihenfolge welche Aminosäuren verkettet werden müssen, damit all die vielen Proteine, die eine Zelle braucht, ihre korrekte Primärstruktur erhalten. Hierfür wird im Zuge der Transkription die Information eines Gens in Form einer mrna (messengerrna) kopiert und diese ins Cytoplasma exportiert. Dort kann, sogleich oder später, mittels dieser mrna an den Ribosomen ein Protein hergestellt (Translation) werden. Der gesamte Prozess, Transkription plus Translation, wird als Genexpression zusammengefasst. Andere Gene enthalten Information, die es ermöglicht Hilfsmittel der Proteinsynthese, speziell trnas und rrnas, herzustellen. Weitere Abschnitte des Genoms codieren für kurzkettige regulatorische RNA Moleküle, die wichtige Funktionen erfüllen und in Kap. 12 zur Sprache kommen werden. Im Genom kann auch eine raum-zeitliche Organisation verwirklicht sein. So sind manche Gene auf den Chromosomen in einer Reihenfolge angeordnet, die dem räumlichen und zeitlichen Muster ihrer Expression entspricht. Solche Entsprechungen (Kolinearität) finden sich in den Hox/Hom- Genclustern, welche Körperregionen markieren (Kap. 4, Abschn. 4.6 und Kap. 12). Auch in den nicht-codierenden (non-coding) Genomabschnitten kann Information verborgen sein, wenn sie beispielsweise als Bindungsstellen für regulatorische Transkriptionsfaktoren dienen und so zur Steuerregion für codierende Gene werden. Sie heißen dann Promotoren oder Enhancer (Verstärker). Weitere potenzielle Funktionen nichtcodierender DNA-Abschnitte werden in Kap. 12 diskutiert. Es überfordert unser Vorstellungsvermögen, wenn wir im Einzelnen ableiten wollten, wie der sich entwickelnde Keim auf der Basis solcher Minimalinformation sich als zunehmend komplexer werdendes

15 1.1 Entwicklung als Selbstkonstruktion 3 Gebilde selbst aufbaut oder durch Regeneration Verlorenes wieder ergänzt Entwicklung bedeutet auch Zunahme an Komplexität, ermöglicht durch vernetzte Genaktivitäten und Zell-Zell-Wechselwirkungen Wie ist es möglich, dass ein lebendes System seinen eigenen Komplexitätsgrad steigern kann? Zwei partielle Erklärungen für diesen Komplexitätsgewinn werden in den folgenden Kapiteln herausgearbeitet und hier kurz zusammengefasst: Kombinatorik auf der Ebene der Gene In den verschiedenen Zelltypen, Organen, Körperregionen werden zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Kombinationen von Genen wirksam. Mit mehreren Tausend Genen, wie sie alle vielzelligen Tiere besitzen, ist eine praktisch unerschöpfliche Vielfalt von Kombinationen in den Genaktivitäten möglich. Dabei sind die Genaktivitäten durch vielerlei Querverbindungen miteinander vernetzt. Zellsoziologie Zellen interagieren miteinander; sie bilden eine Gesellschaft, in der sich ihre Mitglieder wechselseitig beeinflussen. Die Zellen verteilen in wechselseitiger Absprache untereinander Aufgaben und Rollen. Ihre Verhaltensmuster sind nicht allein von innen heraus durch die Gene determiniert, sondern auch von außen durch Energie- und Informationszuflüsse aus ihrer zellulären Nachbarschaft und, in späteren Phasen der Entwicklung, aus der Umwelt des Lebewesens In einer Population gibt es in aller Regel von jedem Gen mehrere Varianten, Allele genannt. Die individuelle Kombination seiner Allele bestimmt den Genotyp des Individuums; unterschiedliche Genotypen erzeugen in der Regel unterschiedliche Phänotypen Im Verlaufe von Jahrtausenden erfahren Gene Mutationen, auch in den Keimzellen einzelner Individuen. Einige Mutationen bleiben erhalten, sodass der Genpool einer Tier- oder Pflanzenart mehrere Varianten eines Gens enthält. Diese einstmals durch Mutation entstandenen Varianten eines Gens nennt man Allele. Die Mehrzahl aller Lebewesen, der pflanzlichen und der tierischen einschließlich des Menschen, ist diploid. Dies besagt, dass die Kerne ihrer Zellen von jedem Gen zwei Ausgaben, zwei Allele, enthalten, die sich im Regelfall in einzelnen Basenpaaren voneinander unterscheiden und möglicherweise ihre Funktion unterschiedlich gut erfüllen. Jedes Individuum, das sein Dasein einem Akt sexueller Fortpflanzung verdankt, enthält eine einmalige Kombination solcher Allele. Diese individuelle Kombination der Allele nennt man Genotyp. Der individuelle Genotyp kann seinen Ausdruck finden in einem individuellen Phänotyp, einer individuellen Erscheinungsform. Zwar wird sich keinesfalls jede Mutation phänotypisch bemerkbar machen; doch ermöglicht die Fülle möglicher Allelkombinationen individuelle Vielfalt im Rahmen der arttypischen Gesamterscheinung Die genetische Mitgift enthält Information,ummehralsnur einen Phänotyp zu entwickeln In der Embryonalentwicklung ändern sich laufend die äußere Gestalt (Morphologie) des Embryos und die Struktur der Zellverbände in Epithelien, Geweben und Organen. Die Form und zelluläre Zusammensetzung des Körpers verändert sich dabei hin zu höherer Komplexität. Der neue Organismus wird mit allem ausgestattet, was er braucht, um ein eigenständiges Leben zu führen, wenn er aus der Eihülle schlüpft oder die Mutter ihn ans Licht der Welt bringt. Ein und dasselbe Genom erlaubt dramatische Veränderungen des Phänotyps im Lebenslauf der meisten Tiere. In der Regel treten zwei sehr verschiedene Phänotypen auf, die über eine geraume Zeit stabil bleiben und ein eigenständiges Leben führen. Vielfach mündet die Embryonalentwicklung in einen ersten stabilen Phänotyp, der zwar mobil ist und Nahrung zu sich nehmen kann, sich aber nicht fortpflanzt. Ist dies so, wird er Larve genannt (sie trägt je nach Tiergruppe unterschiedliche Namen, z. B. Raupe bei Schmetterlingen, Engerling bei Käfern, Kaulquappe bei Fröschen). Nach einer Phase des Wachstums wandelt sich die Larve im Zuge einer dramatischen Metamorphose (Umgestaltung) in einen zweiten Phänotyp um, der

16 4 1 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht Box 1.1: Von der Seele zur Information: Zur Geschichte der Entwicklungsbiologie Begründung der Entwicklungsbiologie im antiken Griechenland Obgleich Embryonen bereits in Schriften des altindischen Sanskrit und in altägyptischen Bildern dargestellt sind, war es doch der Grieche Aristoteles ( v. Chr.), Sohn eines Arztes, der als erster systematisch entwicklungsbiologische Studien betrieb, das Beobachtete zu deuten versuchte und bleibende Begriffe schuf. Der Philosoph, Philologe, Staatslehrer und Erzieher des makedonischen Prinzen Alexander, den die Nachwelt Alexander den Großen nennen sollte, war auch ein begeisterter Naturforscher. Aristoteles war es, der die ersten Lehrbücher der Zoologie und Entwicklungsbiologie schrieb. Es zählen dazu das vielbändige Werk Geschichte der Tiere (Peri ta zoa historiai, in Latein: Historia animalium), in dem sich auch Kapitel zur Entwicklung befinden, und das fünfbändige Werk Von der Zeugung und Entwicklung der Tiere (Peri zoon geneseos; Lat.: De generatione animalium). Weitere Ausführungen zur Entwicklungsbiologie sind in den Büchern Über die Seele (Peri psyche; Lat.: De anima) und in der Metaphysik zu finden. Aristoteles unterschied vier Möglichkeiten, wie Organismen entstehen können: Urzeugung aus faulendem Substrat, aus dem u. a. Fliegen und Würmer hervorgehen sollten, Knospung, zwittrige und getrenntgeschlechtliche Fortpflanzung. Aristoteles beschrieb die Entwicklung des Hühnchens im Ei. (Im Folgenden: Noch heute gebrauchte Ausdrücke sind fett, heute nicht mehr gebrauchte kursiv gekennzeichnet.) Nach seiner Beobachtung liegt anfänglich eine unstrukturierte Masse vor, die im Zuge einer Morphogenese (Gestaltbildung) Form erhält. Inmitten der sich herausbildenden Gestalt beobachtete er den springenden Punkt, das pochende Herz. Ziel der Morphogenese sei das ergon, das fertige Werk, die Arbeit (im Sinne des Künstlers). Gestaltendes Prinzip ist laut Aristoteles die energeia (Energie, das im Inneren tätige Wirken, die Verwirklichung einer Möglichkeit), auch entelecheia genannt:dasjenige, welches das Ziel in sich birgt. Energie bzw. Entelechie ist Wirk- und Finalursache zugleich (Wirkursache D hervorbringende Ursache; Finalursache D Zweck, Ziel des Wirkens). Um eine artspezifische Gestalt hervorbringen zu können, müsse das wirksame Prinzip eine Vorstellung (eidos D Bild, Idee) haben von dem, was geschaffen werden soll. Deshalb sei die letzte Wirkursache, die letzte Entelechie, die Seele (Psyche). Sie (die Seele) bewirkt die Bildung... eines anderen, ähnlichen Organismus. Ihre wesentliche Natur existiert bereits;... sie bewahrt nur ihre eigene Existenz;... Die primäre Seele ist das, was in der Lage ist, die Art zu reproduzieren. Die Seele besitzt, in die heutige Sprache der Biologie übersetzt, genetische Information. Aristoteles unterschied mit Plato: vegetative Seele (Ernährungsseele), die in allen Lebewesen tätig sei und Leben überhaupt ermögliche, animale Sinnenseele, die Empfindung ermögliche, und Geistseele, die Denken ermögliche. Die vegetative Seele ermögliche der Pflanze Regeneration und enthalte die formende Kraft auch der tierischen Entwicklung. Sie wohne dem Samen des Mannes inne und werde in der Zeugung vom Vater auf das Kind übertragen, während die Mutter (Lat.: mater) den zu formenden Stoff (hyle, Lat.: materia, Materie) als amorphen Monatsfluss liefere. Die Geistseele sei ewig, unsterblich, sei leidenslose, reine Energie und betrete den Körper des Menschen durch eine Tür. Aristoteles hat mit seinen Auffassungen Jahrhunderte geprägt. Bei allem Respekt vor seiner Persönlichkeit was er über Urzeugung, Zeugung und Befruchtung behauptete, darf höflich verschwiegen werden. Die Renaissance der Entwicklungsbiologie Die Embryologie erlebte ihre Wiedergeburt (Renaissance) im 16. Jahrhundert. In der Schule von Padua (Vesalius, Fallopio, Fabricius ab Aquapendente) wurde die Anatomie von Ovar und Hoden studiert. Der Friese Volcher Coiter ( ) nahm die Studien des Aristoteles am Hühnchen wieder auf er gilt als Vater der neuzeitlichen Embryologie und verband seine Kenntnisse mit denen der italienischen Anatomen. Er erklärte, ein Embryo entstehe im Ei und das Ei im Ovar. Auch der Engländer William Harvey ( ), als Entdecker des großen Blutkreislaufs bekannt, nahm die embryologischen Studien des I

17 1.1 Entwicklung als Selbstkonstruktion 5 Box 1.1: Fortsetzung Aristoteles wieder auf und dehnte sie auf Insekten und Säuger aus. Er meint, bei niederen Organismen möge es ja Urzeugung geben. Bei Insekten aber bestehe Entwicklung in der metamorphosis (Metamorphose D Umgestaltung) schon existierender Formen. (Harvey betrachtete die Puppe als Ei, wie vor ihm schon Aristoteles und später nach ihm noch manch anderer Forscher, und mancher Laie heute noch ( Ameiseneier des Zoogeschäfts und Fischzüchters). Bei höchsten Tieren aber sei Entwicklung nicht bloße Umformung, sondern, wie auch schon Aristoteles beschrieb, epigenesis (Epigenese D aufbauende Erzeugung, zunehmende Neubildung aus Ungeformtem). Und Harvey schrieb den Satz: Wir behaupten..., dass alle Tiere, auch die lebendgebärenden, der Mensch nicht ausgenommen, von Eiern produziert werden. Die spätere Literatur verkürzt den Satz zu omne vivum ex ovo ( Alles Leben aus dem Ei ), inspiriert wohl vom Titelblatt der embryologischen Schrift Harveys Exercitationes de Generatione Animalium, auf dem ein Ei die Aufschrift trägt ex ovo omnia (Alles aus dem Ei). Allerdings war Harveys Säugerei noch nicht das, was wir heute darunter verstehen; er glaubte die Blastocyste (frühes Embryonalstadium) sei das Ei (es war erst Carl Ernst von Baer, der 1827 das echte Säugerei entdeckte). Präformation und Mechanizismus Wenn der Züricher Konrad Gesner ( ), dem Römer Plinius folgend, berichtet, die Bärin gebäre in ihrer Höhle einen ungeformten Klumpen Fleisch und lecke ihn dann in Form, so war er wohl kaum von der philosophischweltanschaulichen Theorie des Mechanizismus beeinflusst. Wohl aber später sein Landsmann Albrecht von Haller ( ). Haller behauptet kategorisch: Nulla est epigenesin, es gibt keine Neubildung. Er folgte mit dieser Auffassung den Begründern der mikroskopischen Anatomie. Antoni van Leeuwenhoek ( ) schrieb,... dass der menschliche Fetus, obzwar nicht größer als eine Erbse, mit all seinen Teilen ausgestattet ist. Leeuwenhoek glaubte wie andere frühe Mikroskopiker (z. B. Hartsoecker), im Samen kleine Tierchen (animalcula oder zoa) gesehen zu haben (Später benannte von Baer die Zoa um in Spermatozoa D Samentiere). In den menschlichen Samenzellen glaubten diese Mikroskopiker Homunculi, kleine vorgeformte Menschlein mit (relativ) übergroßen Köpfen (Abb. 1.1) gesehen zu haben. Embryonen sollten aus den Homunculi durch Wachstum hervorgehen. Ähnlich sah man in den Eiern (Puppen) von Insekten adulte Ameisen oder Schmetterlinge als Miniaturen vorgeformt, so wie man in den Knospen von Pflanzen kleine Blätter und Blüten vorgeformt findet. Die vorgeformten Wesen und ihre Organe müssten nur evolviert, d. h. ausgewickelt und enthüllt werden. Solche Auffassungen kamen den Mechanizisten entgegen, welche die Auffassung vertraten, Leben gehorche allein den Gesetzen der Mechanik. Lebewesen seien kunstvolle Räderwerke, seien Maschinen; Entwicklung sei die mechanische Entfaltung von Vorgeformtem. Lebewesen wurden in den Augen der Mechanizisten als komplexe Uhrwerke betrachtet, vergleichbar den bewundernswerten astronomischen Uhren, welche die zeitgenössischen Kunsthandwerker bauten (z. B. im Münster von Straßburg oder am Rathaus von Prag). Ob man sich diese Maschinen als beseelt oder seelenlos vorstellte, hing von der religiösen und weltanschaulichen Einstellung der jeweiligen Autoren ab. Im Jahr 1627 veröffentliche Marcello Malpighi ein Kompendium der Hühnchenentwicklung mit detailliert ausgeführten Kupferstichen. Erstmals zeigte er die Neuralfalten (aus denen das Zentralnervensystem hervorgeht), die Somiten (aus denen die Wirbel und die Muskulatur hervorgehen) und die Blutgefäße, die vom Herzen zum Dotter und vom Dotter zurück zum Herzen führen. Trotzdem stellt Malpighi die Theorie der Epigenese in Frage und bekennt sich zur Präformationslehre. Schließlich habe Gott nach der Bibel nur einmal die Welt erschaffen, und es sind keine weiteren göttlichen Schöpferakte nötig, wenn nur mehr vorgefertigte Strukturen entrollt werden müssen. Die Doktrin der Präformation führte indes alsbald zu allerlei vertrackten Problemen: I

18 6 1 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht Box 1.1: Fortsetzung Wenn die ontogenetische Entwicklung nur in einer mechanischen Entfaltung von Vorgeformtem besteht, müssen da nicht alle Generationen vom Anbeginn der Welt bis zu ihrem Ende schon vorgeformt vorliegen? Emboitment (Insicheinschließen) war die Antwort. Wie bei russischen Puppen steckt im Inneren eines ersten Wesens ein kleineres Wesen, darin steckt wieder ein noch kleineres usf. Nach Berechnungen von Vallisneri ( ) sollten im Ovar der Urmutter Eva ineinander verschachtelt 200 Mio. Menschen enthalten gewesen sein. Gott war nur einmal als Schöpfer tätig. Der damals geschaffene Vorrat sollte bis ans Ende aller Tage reichen. Der Genfer Gelehrte Charles Bonnet ( ), der die Parthenogenese der Blattläuse beschrieb, meinte 1764: Die Natur arbeitet so klein wie sie will. Das Mikroskop machte die zelluläre Struktur der Lebewesen offenkundig. In welchen Zellen und welchen subzellulären Strukturen sollten die Miniaturausgaben künftiger Nachkommen zu finden sein? Die Mikroskopiker entdeckten nicht nur Eier, sondern auch Spermatozoen. Nun konnte der schon existierende Mensch entweder im Ei (Ovisten) oder im Spermatozoon (Animalculisten, Homunculisten) gesehen werden. Zu den Ovisten bekannten sich so angesehene Anatomen wie eben Marcello Malpighi ( ) und auch Jan Swamerdam ( ). Wie kann eine Regeneration stattfinden, wenn verlorene Körperteile nur aus Vorgeformtem ersetzt werden könnten? Lazzaro Spallanzani ( ) führte als erster künstliche Befruchtungen durch. Er berichtete, unbesamte Eier des Frosches fielen der Degeneration und dem Zerfall anheim. Auch bei Hunden gebe es nur Nachwuchs, wenn auch männliche Tiere ihren Beitrag leisten konnten. Obzwar Spallanzani irrtümlich die Samenzellen für Parasiten hielt, war gezeigt, dass weibliches und männliches Geschlecht zur Zeugung von Nachkommen beitragen müssen. Die Präformationslehre in ihrer extremen Form war bald Geschichte. Epigenese und Vitalismus Caspar Friedrich Wolff ( , Berlin), der erneut die Hühnchenentwicklung studiert, sieht wieder Neubildung, Morphogenese aus formlosem Dottermaterial. Er, wie vor ihm Aristoteles und wie nach ihm alle weiteren Vitalisten, schloss auf immaterielle, d. h. nicht-korpuskuläre, Wirkprinzipien, auf eine vis essentialis oder vis vitalis,eine besondere Lebenskraft. Immanuel Kants akademischer Kollege Johann Friedrich Blumenbach ( ) postulierte einen besonderen physikalisch wirkenden Bildungstrieb, der über die Keimzellen vererbt würde. Viele bedeutende Biologen waren Vitalisten, unter ihnen der in Estland geborene Carl Ernst von Baer ( ), der in mehreren Säugerarten Eier aufspürte und vergleichende embryologische Studien betrieb. Er war es auch, der die Beobachtung machte, dass alle Wirbeltiere vorübergehend ein sehr ähnliches Embryonalstadium durchlaufen und danach erst die Entwicklung divergent wird (s. Abb. 6.17). Auf dieser Beobachtung fußt das von Ernst Haeckel ( , Jena) formulierte, bis heute umstrittene ontogenetische oder biogenetische Grundgesetz, das besagt, die Ontogenie (Individualentwicklung) sei eine abgekürzte Form der Phylogenie (Stammesgeschichte) (Abschn. 6.6). Interesse an der menschlichen Embryonalentwicklung wurde geweckt von Wilhelm His (Basel, Leipzig) durch seine Schriften Unsere Körperform und das physiologische Problem ihrer Entstehung (1874) und Anatomie menschlicher Embryonen sowie durch seine plastischen Modelle. Die experimentelle Embryologie begann in Frankreich in der Tradition der Morphologie. Etienne Geoffroy Saint-Hilaire ( ), Zoologe und Opponent des einflussreichen Georges Cuvier, versuchte die Ursachen von Missbildungen (Terata) herauszufinden und störte mit recht groben Mitteln die Embryonalentwicklung des Hühnchens. (Heutzutage wird Saint-Hilaire vor allem als Begründer der Vorstellung zitiert, Arthropoden seien gewissermaßen auf den Rücken gedrehte Wirbeltiere; Kap. 22). Um 1886 begann Laurent Chabry ( ) mit selbstgefertigten mikrochirurgischen Instrumenten operative Eingriffe I

19 1.1 Entwicklung als Selbstkonstruktion 7 Box 1.1: Fortsetzung an den winzigen (0,16 mm) Embryonen der Tunicaten (Ascidia aspersa). Er beobachtete spontane Anomalien und versuchte auch schon, durch Eingriffe einzelne Zellen (Blastomeren) des frühen Embryos auszuschalten und damit örtlich begrenzte Defekte zu setzen. Aufschwung um die Jahrhundertwende Von 1860 an werden zahlreiche bedeutende Entdeckungen gemacht, und es beginnt die Epoche der experimentellen Embryologie, der Zellbiologie und der Genetik. Experimentelle Embryologie Aufsehen erregte Wilhelm Roux ( , Halle, Breslau) durch Experimente am Keim des Frosches. Mit einer heißen Nadel zerstörte er im Zweizellstadium eine der beiden Zellen und erhielt Embryonen, denen eine Hälfte fehlte (hätte er die abgetötete Zelle entfernt, hätte er eine zwar an Masse halbierte, in ihrer Struktur aber vollständige Kaulquappe erhalten können). Durch seine theoretischen Schriften sowie durch die Gründung einer ersten Zeitschrift für Entwicklungsmechanik später Wilhelm Roux s Archiv für Entwicklungsmechanik genannt ist er zu einem der führenden Pioniere der experimentellen Entwicklungsbiologie geworden. (Die Zeitschrift heißt heute Development, Genes and Evolution.) Ein Pionier nicht minderer Bedeutung war Hans Driesch, der ähnliche Experimente am Seeigelembryo machte und einflussreiche Bücher schrieb (s. unten). Zellbiologie, Entwicklungsgenetik Der früh weitgehend erblindete und deshalb dem theoretischen Denken zugewandte Zoologe August Weismann ( , Freiburg i. Brsg.) ordnete in seiner Keimplasmatheorie, in Vorahnung künftiger Erkenntnisse über die Gene, seine hypothetischen, selbstreproduktiven Determinanten den u. a. von Eduard Strasburger (Bonn) und Walter Flemming (Kiel) entdeckten Chromosomen zu. Allerdings meinte Weismann noch, die Determinanten würden differenziell auf die Zellen des Keims verteilt und bedingten so Zelldifferenzierung; nur die Keimzellen erhielten das ganze Kompendium der Determinanten als Keimplasma. Als Weismann noch mikroskopieren konnte, fand er Stammzellen und benannte sie so. Er definierte Urkeimzellen als Stammzellen von Keimzellen und postulierte die Existenz einer Keimbahn, die von der befruchteten Eizelle zu den Urkeimzellen führt. Die Brüder Oskar Hertwig ( ) und Richard Hertwig ( ), die oft gemeinsam an der Meeresbiologischen Station in Roscoff mit Seeigeln arbeiteten, lenkten die Aufmerksamkeit auf den Kern als Sitz der Erbanlagen (gemeinsames Hauptwerk 1884). Sie ergänzen die älteren Beobachtungen von Otto Bütschli ( , Heidelberg) und M. Drebes über die Befruchtung und erkennen, dass das Wesentliche die Vereinigung des männlichen und weiblichen Kerns sei. Oskar Hertwig entdeckte am Seeigelei auch die Polkörper und sah den Kern in diesen kleinen Geschwisterzellen der Oocyte. Der Seeigelkeim wird zum bedeutsamsten Untersuchungsobjekt der frühen Entwicklungsbiologie (O. & R. Hertwig, T. Boveri,H.Driesch,T.H.Morgan). Chromosomen versus cytoplasmatische Komponenten Durch sorgfältige Beobachtung und scharfsinnig interpretierte Experimente am Ei des Spulwurms Ascaris besticht Theodor Boveri ( , Würzburg); er belegt experimentell die Bedeutung einzelner Chromosomen des Seeigelkeims für die Entwicklung. Er erkennt aber auch, dass das Cytoplasma mit dem Kern in Wechselwirkung steht, ein von Morgan, Driesch und ihm selbst am Seeigelkeim bestätigter Befund. Boveri ist der Begründer der Gradiententheorie (Abschn. 4.1,Kap.10,Box10.1). Die Bedeutung cytoplasmatischer Determinanten wurde durch sorgfältige, sehr diffizile Experimente von Edmund Beecher Wilson ( ) und seinen Schülern analysiert. Sie arbeiteten mit Embryonen mariner Invertebraten, insbesondere mit dem Spiralierkeim von Dentalium (Zahnschnecke, Scaphopoda, Molluska; Abschn. 4.5). EG Conklin führte ähnliche Studien an Tunikaten (Manteltieren; Abschn. 4.7) durch. Wilson entdeckte die Geschlechtschromosomen I

20 8 1 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht Box 1.1: Fortsetzung bei Insekten und schrieb ein Lehrwerk ( The Cell in Development and Inheritance, 1896), das vor allem in den USA großen Einfluss hatte. Regenerationsstudien Die mit Boveri und untereinander persönlich bekannten Forscher Edmund B. Wilson (USA), Hans Driesch ( , Heidelberg) und Thomas Hunt Morgan ( , USA) trafen sich oft in der von Anton Dohrn gegründeten Meereszoologischen Station Neapel, um hier neben embryologischen Studien am Seeigel auch Regenerationsexperimente an Hydrozoen (Tubularia) durchzuführen, nach dem Vorbild des Genfer Gelehrten Abraham Trembley ( ), der bereits um 1740 vorzüglich dokumentierte Regenerationsexperimente an Hydra durchgeführt hatte. Diese Regenerationsstudien hatten das Zeitalter der experimentellen Entwicklungsbiologie eingeläutet. Eine heute noch lesenswerte Zusammenfassung der um die Jahrhundertwende beliebten Regenerationsstudien schrieb der spätere Begründer der Drosophila-Genetik,T.H.Morgan ( Regeneration 1901). Von der Seele zur Information der Neuzeit Von besonderer Tragweite waren die Experimente und deren Interpretation am Keim des Seeigels durch Hans Driesch ( ) sowie die Etablierung von Drosophila als Modellobjekt der Genetik durch Thomas Hunt Morgan ( ; der erste Biologe, der einen Nobelpreis gewinnen sollte, 1933). Das klassische, von Driesch und anderen durchgeführte Experiment bestand in der Trennung der ersten aus der Eizelle hervorgegangenen Tochterzellen (Blastomeren): Sie entwickelten sich zu ganzen Seeigellarven. Damit war klar widerlegt, dass Organismen Maschinen im Sinne des Mechanizismus seien; denn kein Teil einer zerlegten Maschine ergänzt sich selbst zum Ganzen. Driesch führt den aristotelischen Begriff der Entelechie wieder ein, sieht in ihr aber keine Kraft (wiewohl sie in der Lage sei, physikalische Kräfte zu suspendieren ), sondern ordnet ihr Begriffe wie Wissen und Nachricht zu und nimmt damit den erst 1942 durch Norbert Wiener in Technik und Naturwissenschaft eingeführten Begriff der Information vorweg. Allerdings ist die Entelechie des Hans Driesch, im Gegensatz zur genetischen Information unserer Tage, transzendent und nicht an einen materiellen Träger gebunden. Driesch erkennt auch ein entwicklungsbiologisches Prinzip, das heute unter dem Begriff der Positionsinformation bekannt ist. Er erläutert, dass das Schicksal einer Zelle eine Funktion ihrer Lage im Ganzen sei, und es habe jeder einzelne elementare Prozess der Entwicklung nicht nur seine Spezifikation, sondern auch seinen spezifischen und typischen Platz im Ganzen, seine Lokalität. Schicksalbestimmende (determinierende) Ereignisse und induktive Wechselwirkungen zwischen Keimbereichen wurden mit großer Experimentierkunst am Amphibienkeim von dem Schüler T. Boveris Hans Spemann ( , Freiburg, Nobelpreis 1935) und dessen Mitarbeiterin Hilde Mangold untersucht und führten zur Entdeckung des Organisators (Abschn. 5.1 und Kap. 10). Die klassische, überwiegend organismisch orientierte Entwicklungsbiologie herrschte bis 1970 vor und hat noch manche bedeutende Forscherpersönlichkeit hervorgebracht: Gradiententheorie: Theodor Boveri, Sven Hörstadius (Seeigelkeim); Thomas H. Morgan, Charles M. Child (Regenerationsphänomene), Klaus Sander (Insektenkeim); Embryonale Induktion: Hans Spemann, L. Saxen und P. D. Nieuwkoop (Amphibien), C. H. Waddington (Hühnchen) und zahlreiche weitere Autoren bis in die heutigen Tage; Zellinteraktionen und Zellkulturen: J. Holtfreter, Victor Hamburger, Paul Weiss; Transdetermination und Transdifferenzierung: Ernst Hadorn, Tuneo Yamada, Volker Schmid; Zell- und Kerntransplantationen, Klonen: Robert Briggs, Thomas King, John B. Gurdon (Frosch, Kerntransplantationen), Beatrice Mintz (Maus, Teratocarcinomzellen); Biochemische und molekulare Entwicklungsbiologie: Wegbereiter einer biochemisch orientierten Entwicklungsbiologie waren u. a. Jean Brachet (RNA im Amphibienei), Alfred Kühn (Genwirkketten bei Insekten), W. Beermann, M. Ashburner (Riesenchromosomen), Heinz Tiedemann (Induktionsfaktoren). I