Was Seesterne uns über die Evolution von Knochen verraten

Forschende am Bionik-Innovations-Centrum der Hochschule Bremen (HSB) haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie mechanische Belastung die Ultrastruktur des Seestern-Skeletts prägt.

Die Ergebnisse der Arbei liefern die erste detaillierte Analyse dazu, wie sich Seesternskelette unter unterschiedlichen Stressbedingungen anpassen. Damit eröffnen sie zugleich neue Perspektiven auf die evolutionären Prozesse, die zur Entwicklung und Anpassung von Skeletten führen, erläutert die Hochschule.

Da Seesterne in derselben evolutionären Linie wie Wirbeltiere stehen, eigneten 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 3-D-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. 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.