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Der Boden ersetzt die Bäume zeitweise als Kohlenstoffsenke

Wed, 07 Jan 2026 11:55:10 +0100

Während viele Bäume in Deutschlands Wäldern in den Trockenjahren 2018 bis 2020 starben und als Kohlenstoffspeicher ausfielen, hat der Waldboden ein Hoch in puncto Kohlenstoffspeicherung erlebt: Neue Ergebnisse des Thünen-Institutes zur Bodenkohlenstoff-Modellierung zeigen, dass der Boden fast alle Kohlenstoffverluste der Bäume in den ersten Schadjahren ausgeglichen und die Senkenfunktion der Bäume übernommen hat. „Das internationale Gutachter-Team zur Treibhausgas-Berichterstattung hat uns bestärkt, die Auswirkungen der Schadereignisse zwischen 2018 und 2020 auf den Bodenkohlenstoff noch einmal detaillierter zu betrachten“, erläutert Dr. Nicole Wellbrock vom Thünen-Institut für Waldökosysteme den Hintergrund der Neumodellierung. In der Folge wurden die Daten der Bodenzustandserhebung zum Kohlenstoff im Boden neu berechnet. Dabei wurden insbesondere die Totholzvorräte und die Wurzelbiomasse angepasst.

Während der Trockenjahre sind große Mengen an Bäumen abgestorben. In den meisten Fällen wurden die Flächen geräumt, in anderen blieb das Totholz jedoch auf der Fläche. Hinzu kamen Nadeln und Blätter sowie die im Boden abgestorbenen Feinwurzeln. Diese reichlich vorhandene, sogenannte Streuauflage wurde durch die höhere Sonneneinstrahlung und die damit verbundenen höheren Temperaturen auf den Kahlflächen abgebaut, der Kohlenstoff in den Boden exportiert. Die abgestorbenen Wurzeln wurden durch Mikroorganismen zersetzt und als Humus im Boden gespeichert. Insgesamt in Mengen, wie sie in normalen Jahren nicht vorkommen. „Wir vermuten inzwischen, dass Bäume in trockenen Jahren eher in die Wurzelmasse als in die Blattmasse investieren, um so besser an das Wasser im Boden zu gelangen“, berichtet Bodenexpertin Wellbrock.

Beinahe so viel Kohlenstoff im Boden wie in den Bäumen gespeichert
Wälder sind weltweit eine wichtige Kohlenstoffsenke. Bäume benötigen für ihr Wachstum das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) und binden es durch Photosynthese in Kohlenstoff-Verbindungen im Holz, während Sauerstoff an die Luft abgegeben wird. Über den Streufall von Laub und Nadeln, durch die Zersetzung von Totholz sowie absterbende Wurzeln gelangt der Kohlenstoff zudem in den Boden. Der Bodenkohlenstoff wird also im Wesentlichen durch Waldwachstum gesteuert. Allerdings spielen auch Standorteigenschaften der Böden und das Klima eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffbindung in Böden. Auch der Klimawandel scheint sich über höhere Durchschnittstemperaturen bemerkbar zu machen. Es wird mehr Kohlenstoff aus organischem Material in Bodenkohlenstoff umgesetzt.

Derzeit ist beinahe so viel Kohlenstoff in der oberirdischen Biomasse der Wälder wie in deren Böden gespeichert: insgesamt rund 2.200 Millionen Tonnen Kohlenstoff oder 197,4 Tonnen Kohlenstoff je Hektar. In den lebenden Bäumen sind 1.184 Millionen Tonnen Kohlenstoff oder 108 Tonnen Kohlenstoff je Hektar gespeichert, in Streu und Mineralböden bis 30 Zentimeter Tiefe 936 Millionen Tonnen Kohlenstoff. Als Totholz sind 46,1 Millionen Tonnen Kohlenstoff (4,2 Tonnen Kohlenstoff je Hektar) gebunden. Alle Zahlen basieren auf Daten der Bundeswaldinventur 2022 und der Modellierung der aktuellen Bodenzustandserhebung (BZE II).

Die erneuerte Modellierung zeigt allerdings auch, dass der Boden nicht ungebremst Kohlenstoff aus der toten Biomasse aufnimmt. Der Prozess schwächt sich schon nach wenigen Jahren wieder ab. Gleichzeitig wachsen auf den Schadflächen neue Wälder heran, die wieder vermehrt Kohlenstoff in der Biomasse speichern. „Die Ergebnisse basieren auf Modellberechnungen. Erst die Auswertung der dritten BZE wird zuverlässige Daten liefern“, betont Nicole Wellbrock. Zwischenergebnisse der BZE II, mit der der Bodenkohlenstoffgehalt in Landwirtschaftsflächen, Waldböden und Mooren erhoben wird, wollen die Forschenden des Thünen-Instituts Ende nächsten Jahres vorlegen. Erste Ergebnisse zeigen schon heute: Trend und Höhe der Kohlenstoffsenke nach der Neumodellierung stimmen überein.

Thünen-Institut für Waldökosysteme

Weitere Informationen:

Bodenzustandserhebung im Wald https://www.thuenen.de/de/bodenzustandserhebung

Wälder unter Klimastress – Warum Bäume trotz Frühstart weniger wachsen

Wed, 07 Jan 2026 11:40:51 +0100

Es wird wärmer. Während unsere Umwelt unter den Folgen des Klimawandels leidet, gab es einen kleinen Hoffnungsschimmer: Unsere Wälder nehmen Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft auf und speichern es im Holz. Der Temperaturanstieg könnte theoretisch dazu führen, dass unsere Wälder mehr CO₂ binden. «Es wurde angenommen, dass sich mit einer längeren warmen Jahreszeit negative Folgen des Klimawandels teilweise kompensieren lassen», sagt Arun K. Bose, Ökologe an der WSL. «Das ist leider nicht der Fall.»

Bose hat in seiner Studie das Wachstum von fünf der häufigsten Baumarten an 48 Standorten in der Schweiz ausgewertet. «Über die letzten elf Jahre hat sich die Vegetationsperiode um mehrere Tage nach vorne verschoben. Das ist der Zeitraum des Jahres, in dem Bäume Fotosynthese betreiben können», erklärt Bose. Der frühere Saisonstart führe aber nicht automatisch zu mehr Wachstum – im Gegenteil. Zwischen 2012 und 2022 ging das jährliche Stammwachstum bei vielen Beständen zurück. Vermehrte Hitzewellen und Trockenphasen setzen Bäume unter Stress und hemmen ihr Wachstum. Der Rückgang ist bei Weisstannen, Buchen und Fichten besonders ausgeprägt, während Eichen und Föhren weitgehend gleich gut wuchsen. Fest steht aber: Keine der untersuchten Baumarten profitierte vom wärmeren Klima.

Folgen für die Kohlenstoffspeicherung und Waldwirtschaft

Bäume wachsen, wenn genügend Wasser verfügbar ist. Ist es zu heiss und zu trocken, wird mehr Wasser verdunstet, als über die Wurzeln aufgenommen werden kann – der Baum gerät unter Stress und das Wachstum stoppt. Pro Jahr bleiben somit je nach Baumart und Witterung nur 40 bis 110 Wachstumstage übrig. «Am Schluss entscheiden einzelne Tage und Stunden, wieviel ein Baum wächst», erläutert Bose, «fallen einige durch vermehrte Hitze- und Trockenperioden weg, fehlt ein grosser Teil des jährlichen Stammzuwachses.» Ein früherer Start nützt somit wenig, wenn Hitze und Trockenheit die kritischen Wachstumsphasen verkürzen.

Das hat Folgen für die Leistungen, die Wälder erbringen. Wälder verlangsamen die Klimaerwärmung, indem sie CO2 aufnehmen und im Holz speichern. Einfach gesagt: Je grösser der Stammdurchmesser, desto mehr Kohlenstoff ist in einem Baum gebunden. Wenn die effektive Wachstumszeit der wichtigsten Arten abnimmt, sinkt somit auch die Aufnahmekapazität.

Auch die Waldwirtschaft ist betroffen. Werden die Sommerhalbjahre wärmer und trockener, können Forstbetriebe tendenziell weniger Holz ernten. Zudem muss die Bewirtschaftung den klimatischen Veränderungen angepasst werden. «Wie Bäume auf den Klimawandel reagieren, hängt sowohl vom Standort als auch der Art ab. Deshalb ist es wichtig, Management-Strategien lokal und artenspezifisch zu beurteilen», betont Bose.

Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

Originalpublikation:

Bose A.K., Etzold S., Meusburger K., Gessler A., Baltensweiler A., Braun S., … Zweifel R. (2025) Decreasing stem growth in common European tree species despite earlier growth onset. Glob. Chang. Biol. 31(7), e70318 (17 pp.). https://doi.org/10.1111/gcb.70318

Organischer Kohlenstoff im submarinen Schnellkochtopf

Wed, 07 Jan 2026 11:18:54 +0100

Wie eine Nahtstelle durchzieht der mittelozeanische Rücken die Meere. Wo sich die Erdplatten auseinanderbewegen, wird laufend neue ozeanische Erdkruste gebildet. Oft begleitet durch Magmatismus und hydrothermale Aktivität. Meerwasser sickert dort in den Untergrund, erhitzt sich auf über 400 Grad Celsius und steigt wieder zum Ozeanboden auf. Bisher ging die Wissenschaftsgemeinschaft davon aus, dass hohe Wasserstoff-Gehalte in Fluidmessungen ein deutlicher Hinweis auf die so genannte Serpentinisierung ist. Dabei reagieren heiße, mineralienreiche Fluide in der Erdkruste mit dortigen Gesteinen, und durch chemische Reaktionen werden Wasserstoff und unter anderem Methan gebildet. Diese Stoffe bilden die Grundlage für das Leben an den Hydrothermalquellen. Das Team um Dr. Alexander Diehl, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften und am Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen, konnte nun nachweisen, dass es einen weiteren Weg gibt, wie hohe Wasserstoffgehalte an den Spreizungsrücken entstehen können.

Kürzlich entdecktes Hydrothermalfeld vor Norwegen

Untersucht wurde hierzu das Jøtul-Hydrothermalfeld am Knipovich-Rücken, es liegt vor Spitzbergen im Europäischen Nordmeer und bildet die Nahtstelle zwischen Nordamerikanischer und Eurasischer Erdplatte. Entdeckt wurde es erst 2022 während einer MARUM-Expedition mit dem Forschungsschiff MARIA S. MERIAN. Das Besondere: Es liegt an der Flanke des Riftgraben eines ultralangsam spreizenden mittelozeanischen Rückens, die von Sedimenten des Kontinentalhanges überlagert wird. Das gesamte Gebiet ist von einer Vielzahl unterschiedlicher Quellaustritte und Schlote gekennzeichnet. Bei der damaligen Fahrt wurden bereits erste Proben von hydrothermalen Fluiden mit dem ferngesteuerten Tiefseeroboter MARUM-QUEST 4000 genommen. „Doch das Gas trat auf dem Weg an die Oberfläche aus, und konnte im Labor nicht mehr adäquat gemessen werden. Ähnlich wie wenn man eine unter Druck stehende Sprudelflasche öffnet. Das Gas sprudelt heraus“, erklärt Alexander Diehl. Um die einzelnen Bestandteile der hydrothermalen Fluide genauer zu untersuchen, kehrte das Forschungsteam 2024 mit gasdichten Untersuchungsbehältern zurück an den Knipovich Rücken.

Mehr als nur Serpentinisierung

Doch das Jøtul-Hydrothermalfeld bringt eine weitere Besonderheit mit sich: Es liegt weit tiefer als andere Sediment-beherbergende Hydrothermalquellen. „In 3.000 Metern Tiefe herrschen hohe Drücke, das macht einerseits das Beproben zu einer Herausforderung – anderseits beeinflusst das natürlich auch die dort ablaufenden geologischen und chemischen Prozesse“, so Prof. Dr. Gerhard Bohrmann, wissenschaftlicher Fahrtleiter der beiden MARUM-Expeditionen zum Jøtul-Hydrothermalfeld. Die Forschenden analysierten Hauptbestandteile, gelöste Gase sowie isotopische Zusammensetzungen und verwendeten thermodynamische Modellierungen, um zu untersuchen, wie die Flüssigkeiten mit den umgebenden Gesteinen reagieren. „Unsere Modellierungen zeigten, dass durch die hohen Drücke und Temperaturen im Untergrund der Hydrothermalquellen das organische Material im Sediment unter überkritischen Bedingungen zersetzt wird und so die Wasserstoffmoleküle freigesetzt werden“, erklärt Diehl, „wir konnten zeigen, dass Serpentinisierung nicht der einzige Grund ist, warum es zu erhöhten Wasserstoffkonzentrationen in der Tiefsee kommen kann. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis von sedimentbeherbergten Hydrothermalquellen und legen nahe, dass die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und Sedimenten eine wichtigere Quelle für gelösten Wasserstoff im Ozean ist, als bisher angenommen.“

Neuer Exzellenzcluster führt Forschung fort

Die Forschung fand im Rahmen des Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“, und auch in der zweiten Förderphase des Exzellenzclusters, die zum Jahresbeginn 2026 startet, sollen weitere Schiffsexpeditionen zum Knipovich Rücken zurückkehren. „Schwerpunkt dieser Fahrten wird sein, die Zusammensetzung der Schlote und austretenden Fluide besser zu verstehen und mit anderen Hydrothermalen Quellen zu vergleichen“, ergänzt Prof. Dr. Wolfgang Bach, Wissenschaftler am MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften und am Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen.

MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen

Originalpublikation:

Diehl, A., Anagnostou, E., Monien, P. et al. High H₂ production in sediment-hosted hydrothermal fluids at an ultraslow spreading mid-ocean ridge. Commun Earth Environ 7, 12 (2026). doi.org/10.1038/s43247-025-02962-2

Mathematik entschlüsselt Gehirnveränderungen

Wed, 07 Jan 2026 11:13:25 +0100

Es ist eine zentrale Frage der Neurowissenschaften zu verstehen, wie verschiedene Regionen des Gehirns miteinander interagieren und wie intensiv sie gewissermaßen „miteinander kommunizieren“. Forschende vom Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften Leipzig, dem Institute of Mathematical Sciences in Chennai, Indien
und ihre Kollegen zeigen, wie mathematische Methoden aus der topologischen Datenanalyse (Topological Data Analysis, TDA) eine neue, multiskalige Perspektive auf die funktionelle Vernetzung des Gehirns eröffnen können. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Patterns veröffentlicht.

Ein topologischer Blick auf das Gehirn

Mit dem Aufkommen großer neurobildgebender Datensätze arbeiten Forschende heute mit detaillierten Karten der funktionellen Gehirnkonnektivität – netzwerkartigen Darstellungen, die zeigen, wie Hunderte von Hirnregionen ihre Aktivität über die Zeit hinweg gemeinsam verändern und koordinieren. Doch diese enormen Netzwerke zu interpretieren, ist eine Herausforderung: Welche Muster sind wirklich relevant? Welche Veränderungen stehen für gesundes Altern, und welche spiegeln Unterschiede wider, die mit Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) verbunden sind? Die vorliegende Studie stellt eine mathematische Innovation vor, die genau bei diesen Fragen ansetzt. Die Forschenden nutzen die sogenannte persistente Homologie, ein Werkzeug aus der topologischen Datenanalyse (TDA), um nachzuvollziehen, wie sich die Gehirnverbindungen im Laufe des Lebens und bei ASD neu organisieren.

Die topologische Datenanalyse ist ein anspruchsvoller mathematischer Ansatz, der die zugrunde liegende „Form“ komplexer Daten untersucht. Im Zentrum steht dabei die persistente Homologie (PH), eine Methode, mit der topologische Merkmale wie zusammenhängende Komponenten, Schleifen oder Hohlräume über verschiedene Skalen hinweg identifiziert und verfolgt werden können. Im Unterschied zu klassischen Netzwerkanalysen, die häufig auf willkürlich gewählten Schwellenwerten beruhen, ermöglicht PH eine robuste, parameterfreie Beschreibung der Struktur von Gehirnnetzwerken.

Die zentrale Neuerung dieser Arbeit ist die Entwicklung von Node Persistence, eines neuen und rechnerisch effizienten Maßes, mit dem sich einzelne Hirnregionen identifizieren lassen, deren funktionelle Konnektivität sich besonders deutlich unterscheidet. Hierfür wandelten die Wissenschaftler die Gehirnkonnektivität in eine Abfolge sogenannter Simplizialkomplexe um. Zunächst werden nur die stärksten Verbindungen zwischen Hirnregionen berücksichtigt, anschließend kommen schrittweise schwächere Korrelationen hinzu. Mit dem Hinzufügen dieser Verbindungen entstehen neue Schleifen und Strukturen, die später wieder verschwinden können. Die persistente Homologie misst, wie lange solche topologischen Merkmale bestehen bleiben – also wie „persistent“ sie sind. Dieses lokale Maß erlaubt es, nicht nur festzustellen, dass sich ein Netzwerk verändert hat, sondern auch wo und wie diese Veränderungen auf regionaler Ebene auftreten. Besonders langlebige Merkmale gelten dabei als Hinweis auf biologisch bedeutsame Strukturen im Gehirn.

Drei Ebenen der Analyse: Vom gesamten Gehirn bis zu einzelnen Regionen

Auf der Grundlage von Ruhe-fMRT-Daten von mehr als 1.000 Personen führte das Forschungsteam eine umfassende multiskalige Analyse durch, um Veränderungen der Gehirnkonnektivität auf drei räumlichen Ebenen zu untersuchen. Auf der globalen Ebene nutzten die Forschenden topologische Maße wie die persistente Entropie und sogenannte Persistenzlandschaften, um die übergeordnete „Form“ funktioneller Gehirnnetzwerke zu beschreiben. Dabei zeigte sich, dass junge Erwachsene komplexere und länger bestehende topologische Strukturen aufweisen als ältere Personen. Menschen mit Autismus hingegen zeigten eine höhere persistente Entropie, jedoch weniger stabile eindimensionale Strukturen als typischerweise entwickelte Vergleichspersonen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die globale Organisation der funktionellen Konnektivität sowohl im Verlauf des Alterns als auch bei Autismus verändert.

Auf der mesoskopischen Ebene untersuchte das Team sieben zentrale Ruhenetzwerke des Gehirns, darunter das somatomotorische Netzwerk, das Default-Mode-Netzwerk und das dorsale Aufmerksamkeitsnetzwerk. Die Analysen ergaben, dass altersbedingte Veränderungen insbesondere das somatomotorische Netzwerk, das dorsale Aufmerksamkeitsnetzwerk, das Salienz-/ventrale Aufmerksamkeitsnetzwerk sowie das Default-Mode-Netzwerk betreffen. Autismus-bezogene Unterschiede konzentrierten sich hingegen vor allem auf das somatomotorische Netzwerk, das Salienz-/ventrale Aufmerksamkeitsnetzwerk und das Default-Mode-Netzwerk. Damit wird deutlich, dass globale Effekte nicht gleichmäßig im gesamten Gehirn entstehen, sondern maßgeblich von spezifischen funktionellen Netzwerken getragen werden.

Auf der lokalen Ebene setzten die Autoren das neu entwickelte topologische Maß Node Persistence ein, um einzelne Hirnregionen zu identifizieren, die besonders stark zu den beobachteten Konnektivitätsunterschieden beitragen. Auf diese Weise konnten 108 Regionen mit altersbedingten Veränderungen sowie 27 Regionen mit autismusbedingten Veränderungen identifiziert werden. Viele dieser Areale stehen in Verbindung mit bekannten Funktionen wie Bewegung, Sprache, Gedächtnis und sozialer Kognition. Bemerkenswert ist, dass sich mehrere dieser Regionen mit Hirnarealen überschneiden, die in früheren Studien auf nicht-invasive Hirnstimulationsverfahren wie TMS (transkranielle Magnetstimulation) oder tDCS (transkranielle Gleichstromstimulation) angesprochen haben.

„Dies ist mehr als nur ein neues Analysewerkzeug“, betonen Prof. Jürgen Jost und Prof. Areejit Samal, die leitenden Autoren der Studie. „Wir schlagen eine Brücke zwischen reiner Mathematik und klinischer Neurowissenschaft. Node Persistence zeigt nicht nur, dass sich Netzwerke verändern, sondern macht sichtbar, welche Hirnregionen besonders anfällig oder verändert sind. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, gezielt Hypothesen für therapeutische Ansätze zu entwickeln.“

Warum Mathematik wichtig ist & klinische Relevanz

Durch die Verbindung von algebraischer Topologie und funktionaler Neurobildgebung zeigt diese Arbeit, wie mathematische Konzepte zu biologisch und klinisch relevanten Einsichten in die Konnektivität des Gehirns führen können. Die Autoren weisen darauf hin, dass sich ihre lokalen Messwerte derzeit auf eindimensionale topologische Merkmale konzentrieren. Zukünftige Arbeiten könnten diese Ansätze jedoch erweitern, um auch höherdimensionale Strukturen zu erfassen. Dennoch liefert die Studie erstmals den Nachweis, dass die persistente Homologie alters- und ASD-bedingte Veränderungen der funktionellen Konnektivität über mehrere Skalen hinweg zuverlässig erfassen kann – von der Gesamtarchitektur des Gehirns bis hin zu einzelnen Regionen – und dass diese mathematischen Merkmale gut mit bekannten kognitiven Domänen und klinischen Interventionszielen übereinstimmen. Trotzdem bietet diese Studie die erste Demonstration, dass persistente Homologie effektiv alters- und ASD-bezogene Veränderungen über mehrere Skalen hinweg erkennen kann - von der Gesamtbildung des Gehirns bis hin zu individuellen Regionen - und dass diese mathematischen Merkmale mit etablierten kognitiven Domänen und möglichen klinischen Ansätzen übereinstimmen.

Aus dieser multiskaligen, topologisch fundierten Perspektive eröffnet Node Persistence einen neuen Zugang zum Verständnis, wie sich die funktionelle Landschaft des Gehirns im Laufe des Lebens verändert und wie sie sich zwischen neurotypischer und atypischer Entwicklung unterscheidet. Das Potenzial dieses Ansatzes reicht dabei über gesundes Altern und Autismus hinaus: Er könnte neue Wege für die Analyse unterschiedlichster neuropsychiatrischer Erkrankungen eröffnen und therapeutische Strategien unterstützen, die darauf abzielen, besonders betroffene neuronale Netzwerke gezielt zu identifizieren.

Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften

Originalpublikation:

Madhumita Mondal, Yasharth Yadav, Jürgen Jost, Areejit Samal: Node persistence from topological data analysis reveals changes in brain functional connectivity,
Patterns, 7:101427(2026), DOI: https://doi.org/10.1016/j.patter.2025.101427

Neuerscheinung Jahrbuch „Annals of the History and Philosophy of Biology"

Wed, 07 Jan 2026 10:49:36 +0100

Sie thematisieren sowohl die Genese als auch zeitgenössische und spätere Aneignungen des zentralen Elements von Johann Friedrich Blumenbachs (1752–1840) Konzeption der Lebenswissenschaft: der Idee des „Bildungstriebs“. Die Beiträge beleuchten zwei der Voraussetzungen für die breite Rezeption dieser Idee in Literatur, Philosophie und Naturwissenschaft: eine gewisse Unschärfe der Idee und ihre Offenheit für Umdeutungen; und die Vorstellung einer prinzipiellen Einheit von Natur- und Kultursphäre in der Epoche der Romantik.

Alle Veröffentlichungen sind im Volltext im Open Access online zugänglich und können als Druckversion bestellt werden (auch im Abo): https://univerlag.uni-goettingen.de/handle/3/Annals_of_the_history_and_philosophy_of_biology_series

Unuversitätsverlag Göttingen

Streit und Flirt im Kirchendach: Große Mausohren haben ein vielfältiges Lautrepertoire

Wed, 07 Jan 2026 10:40:52 +0100

Im Rahmen ihrer von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Promotion zeichnete Lisa Printz vom Museum für Naturkunde Berlin über drei Jahre hinweg Tausende von Rufen in Kirchen und Dachböden in Bayern auf. Dabei identifizierte sie 14 unterschiedliche Lauttypen, von aggressiven Rufen bis hin zu komplexen Balztrillern. Besonders auffällig sind die sogenannten FM-Triller: Balzvokalisationen, die sowohl der Revierabgrenzung, als auch dem Anwerben von Weibchen dienen. Jeder dieser Triller trägt eine individuelle Signatur, die es ermöglicht, einzelne Männchen akustisch zu unterscheiden.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Balzvokalisationen der Männchen sehr komplex sind und individuelle Merkmale tragen. Etwa so, wie bei einem akustischen Fingerabdruck“, erklärt Lisa Printz. „Diese Unterschiede könnten es den Weibchen erleichtern, gezielt einen passenden Partner auszuwählen.“

Die Studie zeigt zudem deutliche saisonale Muster: Zu Beginn des Sommers sind aggressive Rufe häufig, während die Balztriller im Spätsommer während der Hauptpaarungszeit ihren Höhepunkt erreichen. Diese jahreszeitliche Dynamik spiegelt das Zusammenspiel von Territorialität und Paarungsverhalten wider.

Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur für die Verhaltensforschung bedeutsam, sondern auch für den Artenschutz. „Anhand von Lautanalysen können wir wichtige Paarungsquartiere identifizieren und besonders sensible Phasen erkennen, ohne die Tiere zu stören“, sagt Mirjam Knörnschild vom Museum für Naturkunde Berlin. „So lassen sich Sanierungsarbeiten besser planen und wichtige Paarungsquartiere gezielt schützen.“

Für den praktischen Artenschutz hat das direkte Konsequenzen: Bisher stehen Wochenstuben und Winterquartiere im Fokus von Schutzmaßnahmen, während Paarungsquartiere weniger beachtet werden. Die neue Studie zeigt jedoch, dass Männchen ihre Paarungsquartiere über Jahre hinweg nutzen. Renovierungen oder bauliche Eingriffe zur falschen Zeit können daher das Paarungsgeschehen empfindlich stören.

Mit ihrer Arbeit liefern die Wissenschaftlerinnen wertvolle Einblicke in die soziale Kommunikation und das Fortpflanzungsverhalten einer der häufigsten europäischen Fledermausarten. Gleichzeitig eröffnet die bioakustische Methode neue Möglichkeiten, den Schutz von Fledermäusen effektiver und zugleich schonender zu gestalten.

Museum für Naturkunde, Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung

Originalpublikation:

Printz, L., Fernandez, A. A., Nagy, M. & Knörnschild, M. (2025). Fighting and Flirting: The vocal repertoire of the Greater Mouse-eared Bat in mating roosts and its seasonal variation. Animal Behaviour, https://doi.org/10.1016/j.anbehav.2025.123440

Neue Zahnpasta stoppt Parodontitis-Erreger

Tue, 06 Jan 2026 11:56:40 +0100

Das orale Mikrobiom beherbergt mehr als 700 verschiedene Bakterienarten. Einige wenige können Parodontitis verursachen, die innerhalb der Plaque vor allem am Zahnfleischrand haften und dort Entzündungen (Gingivitis) verursachen. Eine daraus möglicherweise resultierende chronische Parodontitis führt nicht nur dazu, dass sich das Zahnfleisch zurückzieht und die Zähne locker werden. Gelangen die Bakterien in den Blutkreislauf, kann das auch die Entstehung von Diabetes, Rheuma, Arthritis, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, chronisch entzündliche Darmerkrankungen und sogar Alzheimer begünstigen.

Herkömmliche Mundpflegeprodukte, etwa als Mundspülungen mit Alkohol oder mit dem Antiseptikum Chlorhexidin, töten zwar die Pathogene, aber auch alle anderen Keime. Wenn sich die Mundflora nach der Behandlung wieder aufbaut, haben pathogene Keime wie Porphyromonas gingivalis einen Startvorteil, weil sie sich auf entzündetem Zahnfleisch besonders gut vermehren können. Die gesunden Keime hingegen wachsen langsamer, und die Mundflora kippt schnell wieder aus dem natürlichen Gleichgewicht in eine Dysbiose – die Krankheit kehrt immer wieder zurück.

Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI am Standort Halle haben eine Substanz identifiziert, die gezielt schädliche Erreger wie Porphyromonas gingivalis blockiert, die anderen Keime aber verschont. Prof. Stephan Schilling, Leiter der Fraunhofer-IZI-Außenstelle Molekulare Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung, erklärt die besondere Wirkweise der Substanz mit dem Namen Guanidinoethylbenzylamino Imidazopyridine Acetat: »Sie tötet die Gingivitis-Erreger nicht einfach ab, sondern blockiert nur deren Wachstum. Sie können ihre giftige Wirkung nicht entfalten, und die gesunden Keime können ihnen sonst verwehrte Nischen besetzen. So hilft der Stoff im Einklang mit den gesunden Bakterien, das mikrobielle Gleichgewicht im Mund sanft aufzubauen und stabil zu halten.«

Von der Idee zum Endprodukt

Die Basis der Technologie geht auf ein EU-Projekt zurück, an dem viele internationale Partner beteiligt waren. Für die Entwicklung neuartiger Zahnpflegeprodukte wurde 2018 das Spin-off PerioTrap Pharmaceuticals GmbH gegründet, ebenfalls mit Sitz in Halle. In enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IZI und dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS entstand die Mikrobiom- Zahnpasta von PerioTrap. »Das Produkt dient der Vorbeugung von Parodontitis. Wie eine normale Zahnpasta enthält es aber auch Putzstoffe und Fluorid zur Vorbeugung von Karies«, erklärt Dr. Mirko Buchholz, einer der Gründer des Fraunhofer-Spin-offs.

Viele technologische Hürden waren zu nehmen und Experimente nötig, um die am Fraunhofer IZI identifizierte Substanz zu einem Inhaltsstoff mit allen geforderten Eigenschaften weiterzuentwickeln. Das Produkt muss die unerwünschten Keime blockieren, darf aber nicht toxisch sein. Es darf nicht vom Organismus absorbiert werden und ins Blut gelangen, auch sollte es keine Verfärbungen auf den Zähnen erzeugen.

Das Team am Fraunhofer IZI begleitete die Entwicklung des Produkts mit biochemischen Analysen und strukturbiologischen Untersuchungen. »Damit können wir die Funktionsweise der untersuchten Substanzen noch besser verstehen und die optimale Zusammensetzung der unterschiedlichen Wirkstoffe in der Zahnpasta finden«, erklärt Schilling. Das Fraunhofer IZI hat viele Jahre Erfahrung im Aufspüren und Testen von Substanzen, die geeignet sind, pathologische Mechanismen oder Keime zu adressieren, beispielsweise bei Infektionskrankheiten.

Das Fraunhofer IMWS übernahm den materialwissenschaftlichen Part und testete bei jeder neuen Variante der Zahnpasta deren Wirkung auf Zähne und Zahnfleisch. Dr. Andreas Kiesow, Gruppenleiter Charakterisierung medizinischer und kosmetischer Pflegeprodukte, sagt: »Durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, chemische Charakterisierung und quantitative Messungen können wir detaillierte Aussagen über die Verträglichkeit und Funktion einer Substanz machen. Einfach ausgedrückt: Wir sagen am Ende, ob die Zahnpasta funktioniert.«

Qualität durch Gute Laborpraxis (GLP)

Die Fraunhofer-Forschenden beider Institute orientierten sich bei ihrem Forschungsprojekt am Qualitätssicherungssystem Gute Laborpraxis (GLP). Damit lässt sich die Testung von Inhalts- und Wirkstoffen nach offiziell anerkannten und strengen Regeln durchführen, und die Ergebnisse werden von nationalen und internationalen Behörden anerkannt. »Die Einhaltung der GLP-Richtlinien war ein wesentlicher Baustein des Projekts. Wir haben nicht einfach eine gute Zahnpasta mit einer neuen Substanz entwickelt, sondern ein hochwertiges Zahnpflegeprodukt in medizinischer Qualität«, erklärt Schilling.

Die Arbeit an der Technologie geht weiter. Für den Einsatz in der Zahnarztpraxis haben die Expertinnen und Experten des Spin-offs PerioTrap gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten ein Pflege-Gel entwickelt, das nach der professionellen Zahnreinigung appliziert wird. Es blockiert pathogene Bakterien, stabilisiert die Mundflora und hält das Zahnfleisch gesund.

Die PerioTrap-Technologie soll für die Entwicklung weiterer Produkte für die Pflege von Zähnen und Mundflora genutzt werden, so arbeiten die Forschenden derzeit an einem Mundwasser, genau wie an Produkten für weitere Märkte.

Aber auch Haustiere könnten in Zukunft in den Genuss der Zahnpflege kommen. Da die Erkrankung bei Hunden und Katzen ganz ähnliche Ursachen hat, stehen auch Produkte für die Pflege von Haustieren auf der Agenda.

Fraunhofer-Gesellschaft

Genetische Bremsen schaffen Vielfalt an Blattformen

Tue, 06 Jan 2026 10:04:41 +0100

Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass evolutionäre Veränderungen in DNA-Abschnitten, die die Genaktivität steuern, maßgeblich zur Entstehung morphologischer Vielfalt beitragen. Eine zentrale Rolle spielen dabei sogenannte Enhancer: Diese regulatorischen Elemente wirken wie genetische Schalter und legen fest, wann, wo und in welcher Stärke Gene aktiviert werden. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Veränderungen in diesen genetischen Schaltern die Gestalt eines Organismus verändern können. Doch welche konkreten Änderungen im Erbgut tatsächlich neue Muster der Genaktivität entstehen lassen und nach welchem Mechanismus sie funktionieren, ist bislang weitgehend ungeklärt.

Am Beispiel der Kreuzblütlerpflanze Cardamine hirsuta – einem nahen Verwandten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana – konnten Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung nun zeigen, wie die Evolution solcher Enhancer zur Vielfalt der Blattformen innerhalb dieser Pflanzenfamilie beigetragen hat.

Mithilfe der Genomeditierungsmethode CRISPR/Cas9 erzeugte das Forschungsteam 17 unterschiedliche Varianten von Enhancern, die die Aktivität des Homeobox-Gens RCO (REDUCED COMPLEXITY) sowie seines verwandten Gens LMI1 steuern, aus dem RCO durch eine Genduplikation hervorgegangen ist. Dabei stießen die Forschenden auf eine hemmende DNA-Sequenz, deren evolutionäre Veränderung zu einer neuen Regulations-Domäne für das RCO Gen führte – anders als bei dem verwandten LMI1 Gen. Dieses neu entstandene Muster der Genaktivität führte schließlich zur Ausbildung deutlich komplexerer Blattformen in Cardamine Arten bei.

“Frühere Studien – etwa an den Flügeln von Fliegen – haben vor allem untersucht, wie das Hinzukommen aktivierender DNA-Sequenzen zur Entstehung neuer Merkmale beitragen kann“, sagte Alessandro Popoli, Erstautor der Studie. „Unsere Arbeit zeigt jedoch, dass auch hemmende Elemente eine ebenso wichtige Rolle bei der evolutionären Vielfalt spielen. Hemmung oder ‘Repression’ wird häufig lediglich als Abschalten von Genen verstanden. In diesem Fall erweist sie sich jedoch als kreative Kraft: Sie ermöglicht neue Muster der Genaktivität und trägt so letztlich zur Entstehung neuer Formen bei.“

Das Team entdeckte außerdem, dass diese repressive Sequenz durch eine Duplikation innerhalb des RCO-Enhancers entstanden ist. Der RCO-Enhancer ist wiederum Teil eines größeren Genduplikationsereignisses. Dieser Mechanismus der „Duplikation innerhalb einer Duplikation” veranschaulicht, wie verschachtelte Sequenzduplikationen regulatorische und morphologische Innovationen vorantreiben können. Darüber hinaus stellten die Forschenden fest, dass die RCO-Genexpression robuster gegenüber Mutationen ist als ihr ursprüngliches Gegenstück LMI1. Dadurch konnte sich dieses neuartige Expressionsmuster im Laufe der Evolution möglicherweise stabilisieren.

„Diese Ergebnisse unterstreichen das kreative Potenzial hemmender regulatorischer Elemente und liefern ein wichtiges Beispiel dafür, wie Veränderungen in Enhancern zu neuen Prozessen in der Entwicklung führen kann“, sagte Miltos Tsiantis, Leiter der Studie und Direktor am MPIPZ. „Dies ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie bereits kleine Veränderungen in der DNA zur Formenvielfalt von Organismen beitragen können.”

Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung

Originalpublikation:

A. Popoli et al.: Evolution of repressive sequences within an enhancer contributed to morphological diversity in crucifer plants, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (51) e2515732122, https://doi.org/10.1073/pnas.2515732122 (2025).

Tropen-Zeitmaschine: Mit einem Teelöffel Schlamm in die Vergangenheit

Tue, 06 Jan 2026 09:53:57 +0100

Tropische und subtropische Regionen beherbergen die artenreichsten Ökosysteme der Welt: 80 Prozent der globalen Biodiversitätshotspots und über die Hälfte aller bedrohten Tier- und Pflanzenarten finden sich in diesen Gebieten. „Auch unsere eigene Geschichte ist eng mit den Tropen verknüpft. Vor rund 300.000 Jahren entstand im tropischen Afrika der moderne Mensch, Homo sapiens sapiens, und breitete sich von dort über den gesamten Globus aus. Heute leben über 41 Prozent der Weltbevölkerung in den Tropen und Subtropen“, erzählt Prof. Dr. Miklós Bálint, leitender Autor der Studie vom Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum und der Justus-Liebig-Universität Gießen und fährt fort: „Dennoch hat lange ein entscheidendes Werkzeug zur Erforschung dieser Regionen gefehlt: alte Umwelt-DNA.“

Alte Umwelt-DNA (aeDNA) bezeichnet DNA-Fragmente, die in der Umwelt über lange Zeiträume erhalten geblieben sind und von Pflanzen, Tieren, Mikroorganismen oder Menschen stammen. Sie wird nicht aus einem Organismus direkt, sondern aus Boden, Sedimenten, Wasser, Eis oder Permafrostproben gewonnen. Der vorherrschende wissenschaftliche Konsens war, dass Hitze und Feuchtigkeit genetisches Material in den Tropen und Subtropen zu schnell abbauen, um mit aeDNA arbeiten zu können. Daher konzentrierte sich der überwiegende Teil der Analyse von alten DNA-Spuren auf kalte, trockene Regionen Europas, Nordamerikas, Asiens und der Arktis. „Wir haben die biologische Geschichte der wichtigsten Ökosysteme der Erde allerdings aufgrund einer Annahme ignoriert, die sich als nur teilweise zutreffend herausstellt“, erklärt Bálint. „Unsere neuen Erkenntnisse zeigen, dass alte Umwelt-DNA in den Tropen und Subtropen in überraschend langen Zeiträumen überdauern kann, wenn wir an den richtigen Orten suchen, wie beispielsweise in Seesedimenten oder sauerstoffarmen Sümpfen.“

Dr. Justine Nakintu von der Mbarara University of Science and Technology und der Soroti University in Uganda erläutert: „In unserer Studie führen wir mehrere beeindruckende Beispiele dafür auf, was diese genetischen ‚Zeitmaschinen’ alles enthüllen können.“ Die Erstautorin führte die Studie zwischen Mai und Juli 2025 während ihres „Senckenberg Global Fellowship“ in Frankfurt durch. „Im Lake Towuti in Indonesien entdeckten Forschende zum Beispiel DNA von Pflanzen, die bis zu einer Million Jahre alt sind. In anderen Regionen wurde aeDNA genutzt, um die Ausbreitung der Landwirtschaft vor 5.300 Jahren und sogar die Geschichte von Krankheitserregern nachzuzeichnen“, so Nakintu.
In Mexiko zeigte aeDNA aus menschlichen Knochen beispielsweise, dass dort die Syphilis im 17. und 19. Jahrhundert präsent war. Außerdem konnten Salmonella enterica-Bakterien als Verursacher der „Cocolitzli“-Epidemie im Mexiko des 16. Jahrhunderts identifiziert werden. Zukünftig könnte aeDNA auch klären, ob Epidemien für den plötzlichen Zusammenbruch menschlicher Populationen zwischen 400 bis 600 n. Chr. in Zentralafrika verantwortlich waren, heißt es in der Studie.
„Die Methode ermöglicht zudem eine präzisere Rekonstruktion der Ursprünge und der weiteren Entwicklung der menschlichen Geschichte. Ein Mensch besitzt maximal 210 Knochen und 32 Zähne – die meisten davon werden nie fossil erhalten bleiben. Gleichzeitig produziert derselbe Mensch während seines Lebens Millionen von DNA-Spuren, die weitaus häufiger in der Umwelt hinterlassen werden“, fügt Bálint hinzu. Nakintu ergänzt: „Dieses Werkzeug ermöglicht es uns auch zu sehen, wie tropische Arten in der Vergangenheit auf Klimaveränderungen reagierten – was wiederum entscheidende Informationen für ihren Schutz in der Zukunft liefert. Wir können nun ganze Gemeinschaften von Pflanzen und Tieren aus einem Teelöffel Schlamm rekonstruieren, ohne seltene Fossilien finden zu müssen.“

Obwohl der Großteil der biologischen Vielfalt in den Tropen liegt, befinden sich die meisten Labore für alte Umwelt-DNA in Europa, Nordamerika und Asien. Die Autor*innen betonen, dass die Überbrückung dieser geografischen Kluft eine einzigartige Chance bietet, die Qualität wissenschaftlicher Forschung „glokal“ zu erhöhen. Der Aufbau von Kooperationen, Laboren und Trainingsprogrammen in tropischen Ländern ermögliche schnellere Analysen und – entscheidend – tiefere Einsichten. „Wenn wir die tropische Biodiversität wirklich verstehen wollen, müssen wir Wissen exportieren, nicht nur Proben“, betont Nakintu und fasst zusammen: „Dieser Ansatz verwandelt wissenschaftliche Forschung in eine gegenseitig vorteilhafte Partnerschaft. Er erweitert die globale Forschungskapazität, diversifiziert die Fragestellungen von Forschenden und stellt sicher, dass die Geschichte dieser wichtigen Ökosysteme von den Menschen rekonstruiert wird, die mit ihnen leben.“

Die Studie ist ein Ergebnis der Initiative „Senckenberg with Africa“, die die gleichberechtigte Zusammenarbeit zwischen deutschen und afrikanischen Forschenden fördert.

Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung

Originalpublikation:

Justine Nakintu, Christian Albrecht, Annett Junginger, Julius Bunny Lejju, Barbara Beatriz Moguel, Anne W.T. Muigai, Narumi Tsugeki, Friedemann Schrenk, Miklós Bálint (2025): Uncovering the tropical past: emerging evidence from ancient environmental DNA, Trends in Ecology & Evolution, https://doi.org/10.1016/j.tree.2025.11.013

Zebrafisch-Embryos nutzen Geometrie als Bauplan des Lebens

Mon, 05 Jan 2026 13:21:12 +0100

Nikhil Mishra öffnet eine schwere Tür zu einem außergewöhnlichen Raum. Regale mit unzähligen durchsichtigen Behältern, in denen kleine gestreifte Fische umherschwimmen, türmen sich vor seinen Augen. Das Lichtspiel im Wasser der Behälter taucht den Raum in einen bläulichen Schimmer. Man könnte meinen, man befindet sich direkt im Meer. Das sanfte Plätschern des Wassers und die angenehme Wärme von 27 °C tragen weiter zu dieser Illusion bei.

Mishra nimmt eine Box aus dem Regal und zeigt auf einen Zebrafisch.
„Der Zebrafisch ist ein idealer Modellorganismus, um die frühesten Stadien der Entwicklung zu erforschen“, erklärt er begeistert. „Da ihre Embryonen außerhalb des Körpers befruchtet werden, können wir sie problemlos in großen Mengen sammeln und untersuchen – oft Hunderte gleichzeitig. Zudem sind sie von Natur aus transparent, sodass wir in Echtzeit beobachten können, wie sich ihre Zellen teilen, bewegen und verändern.“

Von einer Zelle zu vielen

Das Leben beginnt mit einer einzigen befruchteten Eizelle, der Zygote, die sich kontinuierlich teilt. Zunächst entstehen zwei Zellen, dann vier, acht und so weiter. Dieser Vorgang verläuft bei den meisten Lebewesen, einschließlich des Menschen, sehr ähnlich. „Anfangs erfolgen diese Teilungen rasch, ohne dass die Zellen spezifische Funktionen annehmen. Doch bald zeichnen sich Muster ab: Einige Zellen teilen sich langsamer, andere beginnen, verschiedene Gene zu aktivieren, andere wiederum wandern an neue Positionen“, erklärt Mishra weiter.

Diese frühen Unterschiede markieren die ersten Schritte der sogenannten „Symmetriebrechung“, bei der der Embryo aufhört, homogen zu sein, und mit der Selbstorganisation beginnt. Im Laufe der Zeit spezialisieren sich Zellgruppen auf die drei Keimblätter, aus denen sämtliche Gewebe und Organe entstehen. „Aus einem anfänglich einfachen, scheinbar homogenen Zellhaufen entsteht nach und nach ein strukturierter und gemusterter Embryo, der die Grundlage für den gesamten Organismus bildet.“

Eine Wissenslücke

In den frühen Stadien ist die Zygote des Zebrafisches auf Informationen angewiesen, die von der Mutter bereitgestellt werden. Erst nach Erreichen eines Entwicklungsmeilensteins, der sogenannten Midblastula Extension (MBT), beginnt der Embryo, sich unabhängig zu entwickeln. Zu diesem Zeitpunkt muss der Embryo die richtigen Gene zum passenden Zeitpunkt in den richtigen Zellen aktivieren. Aber wie entscheidet er, wann und wo genau er seine Gene aktivieren soll? Diese Frage stellt eine bedeutende Wissenslücke dar, die Mishra und die Heisenberg Gruppe am ISTA zu erforschen versuchen. Doch sie sind nicht die Einzigen, die sich diesem Rätsel widmen.

ISTA’s Hannezo Gruppe versucht ebenfalls zu verstehen, wie die Position und der Zeitpunkt des Verhaltens einzelner Zellen koordiniert werden. Die zwei Forschungsgruppen arbeiten schon seit Langem eng zusammen. Insbesondere Yuting Irene Li, Postdoktorandin in der Hannezo Gruppe, unterstützte Mishras Forschung maßgeblich durch wertvolles Fachwissen in theoretischer Physik, mathematischer Modellierung und statistischen Ansätzen für komplexe biologische Systeme.

Geometrie: Die Gebrauchsanweisung

In ihrer gemeinsamen Forschungsarbeit untersuchten die ISTA-Wissenschafter:innen eine bisher weitgehend vernachlässigte Hypothese, nämlich, dass die Geometrie des Embryos dessen Entwicklung lenkt. Die Forscher:innen fanden heraus, dass der Embryo in den ersten Minuten seines Bestehens die Geometrie der Zygote „liest“ und entsprechend interpretiert. Als sie die Geometrie des frühen Embryos veränderten, beeinflusste dies die nachfolgende Zellentwicklung.

Man kann die Geometrie der Zygote also als eine Art Gebrauchsanweisung sehen, die der Embryo verstehen und umsetzen muss. Wenn diese Anleitung Fehler enthält oder der Embryo sie missinterpretiert, kann dies zu ernsthaften Problemen führen. Der Darm an der Stelle des Kopfes? Das wäre nicht besonders gut.

Wie eine La-Ola-Welle

Mishra erklärt, dass die Geometrie eine Kaskade von Ereignissen auslöst, die dazu führt, dass sich die Zellen organisieren und asymmetrisch teilen. Dadurch entsteht ein Gradient verschiedener Zellgrößen. Diese Größenunterschiede erzeugen wiederum unterschiedliche Zellzykluszeiten; kleinere Zellen, zum Beispiel, benötigen länger, um einen Zyklus zu durchlaufen und sich zu teilen.

In dem transparenten Embryo der Zebrafische ist dieser Gradient unter dem Mikroskop deutlich erkennbar. Die Zellen folgen einem wiederkehrenden Zyklus, ähnlich einer winzigen inneren Uhr, die durch Phasen der Teilung und Ruhe tickt. „Dieser oszillierende Zyklus variiert für jede Zelle, abhängig von ihrer Größe, die durch die Geometrie der befruchteten Eizelle bestimmt wird“, erklärt Li, eine Expertin für Oszillationen. „Das Ergebnis ist, dass sich diese unterschiedlichen ‚Uhren‘ zu einem ausgedehnten Muster im Embryo synchronisieren. Was man beobachtet, ist eine mitotische Phasenwelle – eine Welle, die entsteht, wenn verschiedene Zellen nacheinander den ‚Teilungsmoment‘ ihrer inneren Uhren erreichen.“

Verbesserung der Ergebnisse bei künstlicher Befruchtung

Für die Forschenden am ISTA heißt es nun herauszufinden, wie allgemein diese Prinzipien anwendbar sind. Sollten ähnliche geometrische Regeln auch bei Säugetieren – insbesondere beim Menschen – festgestellt werden, könnten die Folgen äußerst bedeutsam sein. Dies ist besonders relevant, da immer mehr Menschen assistierte Reproduktionstechniken wie die In-vitro-Fertilisation (IVF) in Anspruch nehmen. Selbst bei jungen, gesunden Individuen erreicht weniger als die Hälfte der IVF-Embryonen das Stadium, in dem sie sich erfolgreich einnisten können.

„Viele Embryonen, die während der Entwicklung scheitern, zeigen Anomalien in den frühen Teilungsmustern oder in der Aktivierung ihrer Gene. Wir verstehen aber immer noch nicht vollständig, warum das geschieht. Unsere Forschung deutet darauf hin, dass die Geometrie des frühen Embryos – die physische Form und Anordnung der ersten Zellen – eine entscheidende Rolle dabei spielen könnte, die Entwicklung auf Kurs zu halten“, erklärt Mishra abschließend.

Langfristig könnte das Verständnis dieser Prinzipien dabei helfen, frühe geometrische „Warnsignale“ in IVF-Embryonen zu erkennen und möglicherweise Strategien zu entwickeln, um diese zu korrigieren oder auszugleichen. Dies könnte letztlich zu einer verlässlicheren Bewertung von Embryonen und verbesserten IVF-Ergebnissen führen.

Institute of Science and Technology Austria

Originalpublikation:

Mishra, N., Li, Y.I., Hannezo, E. et al. Geometry-driven asymmetric cell divisions pattern cell cycles and zygotic genome activation in the zebrafish embryo. Nat. Phys. (2026). doi.org/10.1038/s41567-025-03122-1