Den Körper falten, entfalten und wieder falten - Die komplexe Arbeit des "einfachsten Tieres"

„Kein Gehirn“, „keine Muskeln“, „kein Mund und Magen“ – ein solches Lebewesen faltet und entfaltet seinen Körper wie Origami, um dreidimensionale Formen zu schaffen. Das Prakash Lab der Stanford University hat bei einem der einfachsten Tiere, dem Placozoon Trichoplax adhaerens (im Folgenden Trichoplax genannt), eine Art von „Gewebefaltung“ entdeckt, die bisher in der Natur nicht berichtet wurde.Phys.org

Die Bedeutung der Verwandlung eines „flachen Tieres“ von 1 mm in eine dreidimensionale Form

Trichoplax ist ein transparentes Tier mit einem Durchmesser von etwa 1 mm, das aus zwei Epithelschichten und einer dazwischen liegenden Schicht besteht und weder Nerven (Neuronen) noch Muskeln besitzt. Dennoch hat es durch sein überraschendes Verhalten, wie das „Jagen“ von Algen oder die Verteidigung gegen Feinde mit Gift, das Interesse der Forscher geweckt.BioInteractive

Bisher wurde Trichoplax oft als „flaches Lebewesen, das in 2D agiert“ beschrieben. Doch die aktuelle Forschung stellt dieses „Vorurteil“ auf den Kopf. Trichoplax kann seinen Körper je nach Situation falten und eine 3D-Form annehmen. Zudem sind die Faltmethoden nicht auf eine einzige Art beschränkt, sondern vielfältig und **nicht stereotyp (non-stereotyped)**.Dryad

„Cilien = Haare, die Wasser bewegen“ war nicht alles

Der entscheidende Punkt sind die Cilien, die auf der Zelloberfläche wachsen. Cilien werden oft als „Organe für Flüssigkeiten“ angesehen, die Schleim in den Atemwegen transportieren oder Mikroorganismen im Wasser schwimmen lassen. Doch das Forschungsteam hat gezeigt, dass die Cilien von Trichoplax sich so bewegen, als würden sie über die Oberfläche „laufen“ und dabei die Gewebestruktur formen.Phys.org

Tatsächlich ist das „Bewegen über Oberflächen (Gehen/Krabbeln) mit Cilien“ neben dem „Schwimmen mit Cilien“ auch im biologischen Kontext bekannt. Es gibt auch Übersichtsarbeiten, die darauf hinweisen, dass Trichoplax Cilien für das „Gehen“ auf Oberflächen verwendet.OUP Academic

Die Neuheit dieser Studie liegt jedoch darin, dass dieses Gehen nicht nur der Fortbewegung dient, sondern auch als Antrieb für die „Faltung und Entfaltung von Epithelschichten“ fungiert.Life Science Network

Falten entstehen nicht durch „Planung“, sondern durch „Umgebung und Bewegung“

Die Faltung von Epithelien, wie sie in Lehrbüchern zur Embryonalentwicklung beschrieben wird, wird oft als „stereotypischer Prozess“ dargestellt, der durch Zellformänderungen, Zellproliferation und molekulare Signale abläuft. Doch in dieser Studie zeigt sich, dass die Faltung/Entfaltung von Trichoplax kein klarer „Falt-→dann hier→…“-Pfad ist.
Das Forschungsteam ordnet die „Übergänge“ zwischen gefaltetem und entfaltetem Zustand als Ergebnis von **Umgebung (Substratform) und Bewegung (Motilität)**, die durch die Adhäsion der Cilien an das Substrat und die durch das Ciliengehen erzeugte Mechanik entstehen.Dryad

Das ist auch der Grund, warum es als „origamiartig“ bezeichnet wird. Origami basiert auf der Einschränkung, dass Papier „gefaltet“ werden kann, und die Form wird durch Faltlinien und Umgebungsbedingungen (wie es gehalten oder gestützt wird) bestimmt. Auch bei biologischen Epithelschichten spielt die Physik dünner Schichten eine Rolle. Diese Studie ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie diese Physik ohne Nerven genutzt wird.Phys.org

4D-Mikroskopie und große Datenmengen zur Verfolgung von „Falten“ und „Entfalten“

Sie verwendeten 4D-Fluoreszenz-Lichtblattmikroskopie, um die Geometrie (Krümmung) der Faltzustände, die Krümmungsänderungen während des Entfaltungsprozesses und die Verteilung der Entfaltungszeiten zu quantifizieren. Durch wiederholte Tests zeigten sie, wie robust das „Entfalten“ ist, und durch Skalierungsanalysen und Spielzeugmodell-Simulationen demonstrierten sie, wie kollektive Cilienaktivität stabil die Entfaltung antreiben kann.Dryad

Die veröffentlichten Daten sind auf Dryad zusammengefasst und umfassen über 200 GB. Die Daten umfassen Krümmungskarten des Epithels, Faltungen auf Glas-Kapillaren, Bedingungen ohne Substrat und unter Medikamenteneinfluss (z.B. LiCl).Dryad

Es handelt sich um eine Art von Forschung, die „überraschende Phänomene in Videos“ durch Geometrie und Statistik systematisch untersucht – unscheinbar, aber stark.

Wie haben die „frühesten Tiere“ ihre „Form“ erlangt?

Die Forscher wagen sich mutig in die Evolutionstheorie vor. Wenn bei einem früh abzweigenden Tier wie Trichoplax Prinzipien der Formveränderung ohne Nervensystem sichtbar werden, könnte die Hypothese aufkommen, dass „Formgebung“ durch Physik und kollektive Bewegung schon vor der Erfindung des Nervensystems existierte.Phys.org

In der Embryonalentwicklung sind Faltungen des Epithels, wie die Falten des Gehirns oder die Verbindung von Organen, „selbstverständlich“. Diese Entdeckung beleuchtet dieses „Selbstverständliche“ aus einer primitiveren Perspektive.Phys.org

Rückwirkungen auf die Technik: Weiche Roboter, synthetische Biologie und „gestaltbare Faltungen“

Das Interessante an diesem System ist, dass es nicht nur für Entwicklungsbiologie und Evolution, sondern auch für das Design leicht übersetzbar ist. Wenn man Epithelschichten als „dünnes aktives Material“ betrachtet, dann formt die kollektive Bewegung der Cilien „von selbst“ Formen, auch mit wenig äußerer Kontrolle. Für die Weichrobotik und synthetische Biologie könnte dies ein Hinweis darauf sein, wie man mit der Kombination aus **„Material (Schicht) + mikroskopischem Antrieb (Cilien) + Umgebung“** dreidimensionale Formen schaffen kann.Dryad

Das Prakash Lab ist bereits bekannt dafür, die Formveränderung von Einzellern als „Zellorigami“ zu präsentieren (ein anderes Thema) oder das Mikroskop Foldscope durch Papierfalten zu entwickeln, und gilt als ein Labor, das gut zu der Idee „Falten = Präzision“ passt. Das aktuelle „Origami der Lebewesen“ scheint in dieser Tradition zu stehen.Stanford News

Reaktionen in sozialen Medien/Netzwerken: Drei „Anknüpfungspunkte“ für eine breite Verbreitung

Diese Nachricht enthält trotz ihres anspruchsvollen Inhalts von Anfang an Elemente, die eine Verbreitung im Netz erleichtern.

1. Das „Problem“ des „intelligent wirkenden Wesens ohne Gehirn“
   Wenn man „kein Nervensystem“ hört, neigt man dazu zu denken, dass es „nichts tun kann“. Doch tatsächlich geschehen durch Physik und kollektive Bewegung „scheinbar intelligente“ Dinge. Das ist überraschend.Phys.org

2. Starke visuelle Eindrücke (Origami × Lebewesen × Video)
   Das Forschungsteam hat diese Fähigkeit auch in einem Stop-Motion-Video mit Papier vorgestellt, um sie zu betonen. Es ist eine Strategie, die „visuell“ anspricht, bevor der Text es tut.Phys.org

3. Aktualisierung des „Cilien“-Images
   Die feste Vorstellung von Cilien = Flüssigkeit wird aufgebrochen und eine neue Interpretation als „laufende Formgebung“ angeboten. Auch für Laien ist es als „neues Wissensstück“ interessant.OUP Academic

Quantitativ gesehen zeigt der entsprechende Artikel auf Phys.org auf der Liste der Seite, dass der Reaktionszähler direkt nach der Veröffentlichung „zweistellig“ ist (unabhängig von der Anzahl der Kommentare), was darauf hindeutet, dass es sich um ein Thema handelt, das „gefunden und geteilt wird“.Phys.org

Zusammenfassung: Origami könnte mehr als eine Metapher, sondern ein Prinzip sein

Diese Studie stellt die Annahme in Frage, dass „fortgeschrittene Formgebung = fortgeschrittenes Steuerzentrum (Gehirn)“ ist. Dünne Schichten, mikroskopische Cilien und der Kontakt mit dem Substrat – allein diese Kombination lässt die Dynamik von Falten und Entfalten entstehen.Dryad

Wie haben die frühesten Tiere ihre „Form“ erlangt? Warum ist Falten in der Entwicklung unseres Körpers so wichtig? Und können wir in Zukunft Falten „entwerfen“?
Das stille und seltsame Origami von Trichoplax könnte der Einstiegspunkt für all diese Fragen sein.Life Science Network