Was Seesterne uns über die Evolution von Knochen verraten

Seesterne sind vielen Menschen bekannt – nicht zuletzt aufgrund der Popkulturfigur Patrick Star aus SpongeBob Schwammkopf – doch ihre faszinierende innere Struktur bleibt meist unbeachtet. Da Seesterne in derselben evolutionären Linie wie Wirbeltiere stehen, eignen sie sich hervorragend als Modellorganismen, um die Entwicklung von Endoskeletten zu erforschen. Ihr Skelett besteht aus Tausenden knochenähnlichen Elementen, den sogenannten Ossikeln, die eine komplexe, poröse Struktur aufweisen. Diese ähnelt verblüffend stark den Knochen von Menschen und anderen Wirbeltieren..

Raman, Erstautor der Studie und Doktorand an der HSB: „Die meisten Menschen kennen die charakteristische Form von Seesternen, aber nur wenige machen sich Gedanken über die Komplexität ihres Skeletts. Unsere Forschung zeigt nicht nur neue Aspekte der Seestern-Biomechanik, sondern liefert auch grundlegende Einsichten in die Evolution von Skeletten.“

Methoden und zentrale Erkenntnisse

Mithilfe hochauflösender Röntgen-Mikrotomographie (MicroCT) und computergestützter Modellierungen analysierte das Team der Hochschule Bremen die 3D-Struktur und Spannungsverteilung in den Ossikeln. Dabei stellten sie fest, dass stark belastete Bereiche eine dichtere „Stereom“-Mikrostruktur ausbilden – ein Prinzip, das auch in menschlichen Knochen zu beobachten ist.

Gleichzeitig entdeckte die Studie einen entscheidenden Unterschied: Während Wirbeltierknochen ihre Mikrostruktur im Laufe der Zeit je nach Belastung aktiv umbauen, fehlt Seesternen sehr wahrscheinlich diese Fähigkeit. Dies legt nahe, dass die Koppelung von Belastung und Struktur zwar ein evolutionär gemeinsames Merkmal von Stachelhäutern und Wirbeltieren ist, die dynamische Umgestaltung jedoch eine Besonderheit von Wirbeltieren darstellt.

Bedeutung und Ausblick

„Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern nicht nur das Verständnis über die Evolution von Skeletten, sondern liefern auch potenzielle Impulse für Anwendungen in der Biomedizin und dem Leichtbau“, sagt Prof. Dr. Jan Henning Dirks. „Indem sie zeigen, wie sich starre Strukturen trotz begrenzter Umbaufähigkeiten an äußere Belastungen anpassen, geben die Skelette von Seesternen wertvolle Anregungen für die Entwicklung neuer Werkstoffe oder Konstruktionsprinzipien.“

Strenge ethische Richtlinien

Die durchgeführte Studie entspricht uneingeschränkt dem deutschen und europäischen Tierschutzrecht. Im Sinne guter wissenschaftlicher Praxis wurden strenge ethische Richtlinien befolgt, um die Zahl der verwendeten Proben zu verringern und die Methoden so schonend wie möglich zu gestalten. Die Analysen erfolgten ausnahmslos an toten Seesternen, die im Rahmen wissenschaftlicher Expeditionen als Beifang anfielen.

Die Studie wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie von der Hochschule Bremen gefördert.

Die vollständige Publikation ist open access in der Zeitschrift Acta Biomaterialia erschienen und hier abrufbar.

Hinweis an die Redaktionen:

In der Publikation finden Sie Abbildungen und Videos, Copyright HSB - Jan-Henning Dirks. Diese dürfen Sie themenbezogen und unter Verwendung des Copyrights kostenfrei verwenden.

• Video 1: Das Skelett des Seesterns Asterias rubens besteht aus Tausenden knochenähnlichen Ossikeln. MicroCT-Aufnahmen zeigen ihre Anordnung und Wechselwirkungen.
• Video 2: Jedes Ossikel besitzt eine komplexe innere Porosität, die mit den auftretenden mechanischen Belastungen korreliert – ähnlich wie bei menschlichen Knochen.
• Bild 1: Foto und MicroCT-Darstellung eines Skeletts von Asterias rubens.
• Bild 2: MicroCT-Scan einer einzelnen Ossikel-Struktur mit sichtbarer Porosität und berechneter Spannungsverteilung.

Weitere Informationen:

AG Biologische Strukturen und Bionik

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