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Aktivator-Inhibitor - Ein Modell zur biologischen Musterbildung

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ich kann gucken ein höherer Organismus entsteht in der Regel aus einer befruchteten Eizelle in die Struktur des adulten Organismus kann nicht schon in der Eizelle vorhanden sein die dies Doktor muss also während der Entwicklung selbst gebildet werden Strukturbildung ist nicht auf organische Systeme beschränkt es bilden
sich zum Beispiel durch Erosion tiefe Schluchten obwohl der Regen gleichmäßig über das Land fällt oder es entstehen hohe Sand
Dünen obwohl der Wind den Sand immer wieder umverteilt in diesen Prozessen ist gemeinsam dass sich keine Störungen durch
Rückwirkung auf sich selbst weiter aufschaukeln Selbstverstärkung oder Autokatalyse reicht aber zur Strukturbildung nicht aus der selbstverstärkende Prozess würde das ganze Gebiet verändern naja die Selbstverstärkung muss daher ergänzt werden durch eine langreichweitige ihn Edition die die räumliche Ausbreitung dieses Prozesses einschränkt naja
eine biochemisch mögliche Realisation dieses Prinzips könnte aus einem Stoff bestehen in der auch seine eigene Produktion positiv rückwirkt Maja und meiner grenzenlosen Ausbreitung
entgegenzuwirken ist ein 2. Stoff notwendig in dieser Stoff muss von der Autokatalyse angeregt hemmend auf sie rückwirken naja im Folgenden wollen wir den autokatalytischen Stoff als Aktivator und den hemmenden Stoff als Inhibitor h bezeichnen
nehmen wir nun eine Reihe von Zellen an in denen der Aktivator a und der Inhibitor h im Gleichgewicht stehen was geschieht wenn der Aktivator lokal etwas erhöht wird einer lokalen Erhöhung des Aktivators folgt eine Erhöhung des Inhibitors durch seine schnelle Diffusion verteilt sich der Inhibitor nur der Störung ist der Aktivator vergleichsweise höher als der Inhibitor folglich wird der Aktivator an dieser Stelle weiter anwachsen während er sonst abnehmen wird also wächst die Störung weiter ein Aktivator Inhibitor System ist also in der Lage Konzentrationsunterschiede aufzubauen sehen wir uns diesen Prozess in einer Computersimulation an der
Aktivator dicke Linie und der Inhibitor gestrichelte Linie seien zu Beginn gleich verteilt jetzt die lokale Störungen wie die Musterbildung anregt rechts bildet sich eine hohe und längst eine niedrige Konzentration bei Stoffe aus damit könnten in den linken und den rechten zählen verschiedene genetische Informationen abgerufen werden nach einiger Zeit werden der Aktivator und der Inhibitor Gradient stabil für eine solche Simulation benötigt man eine mathematische Formulierung der Wechselwirkung zwischen Aktivator und Inhibitor als Funktion des Ortes und der
Zeit wir wollen die zeitliche Änderung der Aktivator Konzentration des A nach B C und der Inhibitorkonzentration d. h nach dt als Funktion des vorhandenen Aktivators und Inhibitors durch ein Gleichungssystem beschreiben der Aktivator soll wie alle biologische Moleküle abgebaut werden die Zahl der Aktivator Moleküle die pro Zeiteinheit verschwinden ist proportional der Menge der vorhandenen Aktivator Molekül der Aktivator diffundiert was durch eine Konstante des A und der 2. Ableitung nach dem Ort X beschrieben wird entsprechendes gilt für den Inhibitor er zerfällt und er die fundiert wobei die Diffusionskonstante des Inhibitors d. h größer sein muss als die Diffusionskonstante des Aktivators nun noch das Wichtigste die selbst Verstärkung und die Hemmung die Selbstverstärkung muss nicht linear sein damit sie gegen den normalen Zerfall ankommt ebenso die Inhibitor Produktion dagegen kann die Hemmung der Aktivator Produktion durch den Inhibitor linear sein die folgenden Computersimulationen sind mit diesen Gleichungen gemacht sie soll die Muster aufzeigen die durch diese Wechselwirkung entstehen können und sollen ihre Regeleigenschaften demonstrieren naja es genügend kleine statistische Schwankungen in der Autokatalyse hier dargestellt durch die Stufen Kurve zum Anstoßen der Musterbildung es entsteht wieder ein stabiler gravierend der von den Details der Schwankungen unabhängig ist das heißt die Art wie die Musterbildung angestoßen wird enthält nicht in versteckter Form schon das Muster selbst ein größeres Feld wird in 2 Teile geteilt durch diese Trennung sinkt in nicht aktivierten Teil die Inhibitorkonzentration bis eine neue Autokatalyse möglich ist ist folgt ein schneller Anstieg des Aktivators gefolgt von einem Anstieg des Inhibitors in beiden Hälften entschied schließlich das gleiche Muster diese Simulation zeigt dass das Aktivator-Inhibitor-Modell sowohl die Musterbildung selbst als auch ihre Regelung richtig darstellt naja kann erneute Trennung des Feldes in 2 Teile links ist die Inhibitorkonzentration am geringsten das kann einen so großen Vorteil für diese Zellen im Wettlauf um die Aktivierung bedeuten das nach Trennung diese Zellen den Wettlauf gewinnen es entstehen zueinander spiegelbildlichen Muster je eine kleine Erhöhung der Aktivator Konzentration kann zur Ausbildung eines 2. Maximums führen Voraussetzung ist dass diese Erhöhung nicht zu dicht an einem bereits existierenden Maximum erfolgt diese Maxime haben die Tendenz in möglichst großen Abstand voneinander zu erscheinen hier entsteht zum Beispiel ein symmetrisches Muster obwohl die Störung nicht am Rand erfolgte eine ähnliche Störung nunmehr an existierenden Maximum angebracht kann durch den Inhibitor der von existierenden Maximum produziert werden vollständig unterdrückt werden senkt man den Inhibitor ab so kann ebenso wie bei Aktivator Erhöhung ein 2. Maximum also eine 2. Organisator Region entstehen es genügt also zum Beispiel ein Auslaufen des Inhibitors aus einer Wunde anstatt des normalen polaren muss das entsteht ein symmetrisches Muster naja hatte Inhibitor eine längere Lebensdauer als der Aktivator sofort der Inhibitor zu langsam eine Aktivator Veränderung das ganz so Oszillationen Führung naja der Aktivator steigt am Mehr und mehr akkumuliert sich der Inhibitor der Aktivator Produktion bricht zusammen der Inhibitor zerfällt eine neue Autokatalyse beginnt das Maximum bildet sich aufgrund kleiner Unterschiede der Zellen in der Autokatalyse wo dies sei eine ich chemotaktische sensitive Zelle zur eindeutigen Ausrichtung Musik minimale Konzentrationsunterschiede auf ihrer Oberfläche in ein Signal umwandeln an der begünstigten Stelle fallen entsteht ein scharfes Maximum der Mechanismus Autokatalyse laterale Inhibition ermöglicht diese Oszillationen an der jeweils optimalen stelle verändert sich der externe gravierend so erscheint das Maximum gemäß der neuen Richtung ein zeitlich stabiles Maximum der dagegen durch solche kleinen externen Einflüsse unverschiebbar Maja und ihnen fehlt der Ausdehnung der Aktivator Reichweite bildet sich ein gravierend in eine Richtung aus Klehr dazu ist die Konzentration des Aktivators oben und des Inhibitors unten konstant in der Regel orientiert sich der Kanadier und entlang der größten Ausdehnung des Feldes naja Nachtsendung durch statistische Schwankungen entstehen Aktivator maximal in nicht ganz regelmäßigen Abständen ein maximaler und minimaler Abstand wird aber eingehalten denn zwischen zu weit entfernten Maxima würden neue maximal erscheinen oder von 2 zu dicht liegenden maximal eines unterdrückt das Muster
wird regelmäßige wenn es durch eine lokale Störung initiiert wird die Störung wächst sich zu einem Maximum aus die Umgebung wird unterdrückt und das Maximum herum entsteht ein Ring von aktivierten Zellen der Ring zerfällt in einzelne regelmäßig angeordnete maximal naja an einen wachsenden Zylinder wird die Bildung von Blattanlagen simuliert je entsteht ein davon maximal in 180 Grad Anordnung links ist die Aktivator rechts die Inhibitor Verteilung dargestellt die nächsten paar von Maxima erscheinen jeweils um 90 Grad versetzt naja
bei etwas anderer Saal der Parameter entsteht zunächst nur ein Maximum weitere neu gebildete Zellen werden minimiert nachdem eine kritische Distanz überschritten ist entsteht ein 2. Maximum in 180 Grad Positionen in dieser Prozess wiederholt sich also es entsteht ein regelmäßiges Muster alternierender Maxima in die jeweils als ein Signal zur Grabenanlage benutzt werden können wir sehen also das komplizierte Muster in ihrer Geometrie und ihren Regeleigenschaften den biologischen Mustern sehr ähnlich durch die Wechselwirkung von nur 2 Stoffen entstehen können so und so und so
Vorlesung/Konferenz
Erosion
Experiment innen
Chemischer Prozess
Autokatalyse
Chemischer Prozess
Computeranimation
Autokatalyse
Inhibitor
Aktivatorproteine
Computeranimation
Langlebigkeit
Zelle
Regeneration
Inhibition
Computeranimation
Ableitung <Bioelektrizität>
Autokatalyse
Aktivatorproteine
Reaktionsmechanismus
Inhibitor
Molekül
Aktivatorproteine
Konzentration
Traubensaft
Inhibitor
Aktivatorproteine
Institut für den Wissenschaftlichen Film
Erz
Computeranimation
Traubensaft

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Aktivator-Inhibitor - Ein Modell zur biologischen Musterbildung
Alternativer Titel Activator-Inhibitor - A Model of Biological Pattern Formation
Autor Gierer, Alfred
Meinhardt, Hans
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.3203/IWF/D-1571
IWF-Signatur D 1571
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1985
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Meinhardt, Hans

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 151 m ; F, 14 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Chemie
Abstract Das mathematische Modell wird in Computersimulationen interpretiert, wobei sich die verschiedenen Muster durch Variation der Parameter bilden: Anstoßen durch statistische Schwankungen, verschiedene Regenerationsabläufe, spezifische und unspezifische Induktionen, oszillierende Muster und Ausrichtungen, periodische Muster sowie regelmäßige Muster während des Wachstums.
Schlagwörter Synergetik
System / Rückkopplungssystem
Entwicklung, biologische
Rückkopplungssystem
Musterbildung
Inhibitor
Induktion, biologische
Aktivator

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