Philosophie der Biologie: Regeneration auf verschiedenen Skalen verstehen

Biologische Regneration

Regeneration findet auf vielen verschiedenen Ebenen in der Natur statt, von einzelnen Organismen (insbesondere Regenwürmer und Hydra) über Gemeinschaften von Mikroben bis hin zu Ökosystemen wie Wäldern. Forscher der Biowissenschaften sowie der Wissenschaftsgeschichte und -philosophie arbeiten zusammen, um zu untersuchen, wie die auf diesen unterschiedlichen Skalen beobachteten Reparatur- und Wiederherstellungsprozesse zusammenhängen.

Das Studium der Regeneration begann im 18. Jahrhundert nach der Entdeckung, dass einige Organismen die Fähigkeit hatten, beschädigte oder verlorene Körperteile nachwachsen zu lassen. Zunächst wurde die biologische Regeneration auf der Ebene einzelner Organismen untersucht, aber in den 1970er Jahren begannen Ökologen auch von der Regeneration von Ökosystemen zu sprechen. Anfangs drehten sich diese Diskussionen um die Reparatur beschädigter Ökosysteme, aber später verlagerte sich der Fokus darauf, dem Ökosystem zu helfen, widerstandsfähig gegen Veränderungen zu werden. In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, dass Ökosysteme einen Entwicklungsprozess wie einzelne Organismen durchlaufen sollten, um sich zu regenerieren.

In den letzten zehn Jahren haben Mikrobiologen begonnen zu erkennen, dass Mikroben dynamische lebende Systeme bilden, die mit und in ihren Wirten interagieren. Die Gemeinschaften von Mikroben, die den menschlichen Darm und andere Umgebungen besiedeln, können sich nach Schäden, die beispielsweise durch Antibiotika verursacht wurden, regenerieren ( Antonopoulos et al., 2009 ). In diesem Zusammenhang hat die Regeneration Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft selbst und auch auf den Organismus, der sie beherbergt ( Sekirov et al., 2010 ).

Auf jeder dieser Ebenen – mikrobielle Gemeinschaft, individueller Organismus, Ökosystem – sehen wir Hinweise auf einen eingebauten regenerativen Prozess, der versucht, die Integrität des Systems aufrechtzuerhalten, indem er seine Struktur und/oder Funktion nach einer Beschädigung wiederherstellt. Die Erforschung der Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der auf diesen verschiedenen Ebenen beobachteten Regeneration ist derzeit ein aktives Forschungsgebiet in der Philosophie der Biologie. So sind wir beispielsweise Teil eines internationalen Netzwerks von Forschern aus den Lebenswissenschaften sowie der Wissenschaftsgeschichte und -philosophie, gefördert durch die McDonnell Initiative am Marine Biological Laboratory in Woods Hole, die an diesem Thema arbeiten. Insbesondere interessieren uns folgende Fragestellungen: Was sind die grundlegenden Einheiten und Mechanismen, die an der Erkennung und Reparatur von Schäden auf jeder der Ebenen beteiligt sind? Gibt es eine zugrunde liegende Regenerationslogik, die wir über die Maßstäbe lebender Systeme hinweg erkennen können? Wenn ja, wie können wir das, was wir über eine Ebene wissen, auf die anderen Ebenen anwenden? Und wenn nicht, gibt es Beziehungen zwischen den Regenerationsformen, die auf jeder Ebene beobachtet werden?

Die Parallelen in den systemischen Reaktionen auf Verletzungen oder Stress zwischen einzelnen Organismen, mikrobiellen Gemeinschaften und Ökosystemen weisen darauf hin, dass Regeneration ein gemeinsames Phänomen sein kann. Bevor wir jedoch versuchen, ein übergreifendes Verständnis oder eine Theorie der Regeneration zu entwickeln, müssen wir zunächst verstehen, was über die Regeneration auf der Ebene einzelner Organismen, Ökosysteme und mikrobieller Gemeinschaften bekannt ist.

Eine kurze Geschichte der Regeneration in einzelnen Organismen

Die Idee der Regeneration kam im 18. Jahrhundert durch die Arbeit des Naturforschers Abraham Trembley in den Vordergrund, der wissen wollte, warum und wie die Köpfe von Hydran und Regenwürmern nachwachsen können, nachdem sie entfernt wurden. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war festgestellt worden, dass viele einzelne Organismen zur Regeneration fähig waren, und es gab drei konkurrierende Erklärungen für den Prozess: Er war auf interne mechanische Wechselwirkungen zurückzuführen; es lag an einer „Lebenskraft“; oder es war ein evolutionärer Effekt.

Gibt es eine zugrunde liegende Regenerationslogik, die wir über die Skalen lebender Systeme hinweg erkennen können, und wenn ja, wie können wir das, was wir über eine Ebene wissen, auf die anderen Ebenen anwenden?

Wilhelm Roux, der deutsche Zoologe, vertrat die erste dieser Erklärungen auf der Grundlage seiner Studien über Frösche. Roux tötete Zellen in Froschembryos im Frühstadium und entdeckte, dass sich die Frösche weiter entwickelten, aber ohne die Körperteile, zu denen die zerstörten Zellen geworden wären. Für Roux war alles Leben mechanisch, und das Schicksal jeder Zelle im Embryo wurde nach einigen Runden der Zellteilung durch Eigenschaften und Mechanismen bestimmt, die für jede Zelle spezifisch sind. Aus dieser Sicht war das, was während der Regeneration geschah, im Wesentlichen dasselbe wie das, was während der normalen Entwicklung geschah.

Im Gegensatz dazu führte Hans Driesch, ein deutscher Biologe und Philosoph und ein Zeitgenosse von Roux, ähnliche Experimente mit Seeigeln durch und berichtete von Beweisen, die Roux‘ Interpretation in Frage stellten. Anstatt Zellen zu zerstören, sezierte Driesch Seeigel-Embryonen im Frühstadium und zeigte, dass neue Embryonen aus den Zellen wuchsen, die er aus den ursprünglichen Embryonen entfernt hatte. Driesch interpretierte diese Ergebnisse als Beweis für das Vorhandensein einer „Lebenskraft“, die für die Entwicklung jedes Embryos verantwortlich sei. Moderner ausgedrückt könnte man sagen, dass Driesch eine regulatorische Erklärung der Entwicklung favorisierte, bei der das Schicksal einer Zelle durch ihre Beziehung zum Gesamtorganismus bestimmt wurde. In diesem Modell erfolgt die Regeneration, weil die Entität einem oder mehreren ihrer Teile mitteilt, dass sie auf Schaden reagieren müssen.

August Weismann, ein deutscher Evolutionsbiologe, der vor allem für seine Keimplasmatheorie der Vererbung bekannt ist, stellte eine dritte Theorie auf: Das Schicksal einer Zelle werde durch die in ihren Chromosomen enthaltene genetische Information bestimmt, aber Zellen passten sich auch an Umweltbelastungen an. 

Krallen einer Krabbe - die größte Regenerationsfähigkeit haben
Krallen einer Krabbe

Weismann sagte voraus, dass die Teile, die am wahrscheinlichsten beschädigt werden, wie die Krallen einer Krabbe oder die Tentakel einer Hydra, die größte Regenerationsfähigkeit haben würden. Diese Vorstellung, Regeneration durch Berufung auf Anpassung zu erklären, ist nach wie vor weit verbreitet ( Bely und Nyberg, 2010 ).

Mit diesen drei konkurrierenden Interpretationen im Hinterkopf untersuchte Thomas Hunt Morgan, der amerikanische Biologe, der 1933 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine Arbeiten zur Genetik erhielt, die Regeneration bei Regenwürmern, Planarien und Hydran ( Maienschein, 1991 ). In einem 1901 veröffentlichten Buch mit dem Titel „ Regeneration “ stellte Morgan eine Reihe wichtiger Fragen: Werden zum Beispiel vorhandene Körperteile während der Regeneration umgeformt, um neue Körperteile zu werden, oder werden die neuen Körperteile aus neuen Zellen und Geweben hergestellt? Morgan kam zu dem Schluss, dass das Verständnis der Regeneration zu dieser Zeit eine der herausragenden Herausforderungen in der Biologie war und dass eine bessere Erklärung der Regeneration zu einem vollständigeren Verständnis vieler anderer biologischer Prozesse führen würde ( Sunderland, 2010). Ein Jahrhundert später gelten viele der von Morgan gestellten Fragen immer noch als wichtig für das Verständnis des Lebens ( Sánchez Alvarado, 2006 ).

In letzter Zeit konzentrierte sich das Studium der Regeneration in einzelnen Organismen auf die Idee, dass bestimmte Zellen, wie z. B. Stammzellen, einzigartige Regenerationsfähigkeiten haben, die wichtige Anwendungen in der Medizin haben könnten. Es gibt jedoch vieles, was wir über Stammzellen nicht vollständig verstehen, einschließlich der Frage, wie ihr Verhalten von ihrer Umgebung abhängt und wie die Auswirkungen der Umgebung variieren, wenn wir verschiedene Arten betrachten. Als solche stehen Stammzellen derzeit im Mittelpunkt vieler Grundlagen- und translationaler Forschung und sind auch für Wissenschaftsphilosophen von großem Interesse ( Laplane, 2016 ; Laplane und Solary, 2019 ).

Bevor wir versuchen, ein übergreifendes Verständnis oder eine Theorie der Regeneration zu entwickeln, müssen wir zunächst verstehen, was über die Regeneration auf der Ebene einzelner Organismen, Ökosysteme und mikrobieller Gemeinschaften bekannt ist

Auf der Suche nach einer umfassenderen Theorie der Regeneration

Wie oben erwähnt, interessiert uns die Möglichkeit, ein übergreifendes Verständnis oder eine Theorie zu finden, die erklären kann, wie Regeneration auf allen Ebenen funktioniert, von einzelnen Organismen bis hin zu mikrobiellen Gemeinschaften und Ökosystemen, und dies erfordert wahrscheinlich, dass wir sorgfältig über die Grundlagen nachdenken Einheiten und Mechanismen, die an der Regeneration beteiligt sind.

Dies sollte nicht überraschen: Auf der Ebene einzelner Organismen betrachten traditionelle Regenerationstheorien Zellen als die grundlegende Einheit, die an der Erkennung von Schäden und an der Reparatur beteiligt ist, aber die Eigenschaften einer Zelle hängen oft von ihrer Umgebung oder dem System darin ab in die es eingebettet ist. Darüber hinaus ist ein einzelner Organismus ein System aus zusammenwirkenden Genen, Zellen, Mikroben, chemischen Einflüssen und anderen Umweltkräften. Eine mikrobielle Gemeinschaft verändert sich auch im Laufe der Zeit, wobei einige Arten von Mikroben durch andere Arten ersetzt werden (manchmal in einer Weise, die sich auf die menschliche Gesundheit auswirkt). Ebenso besteht ein Ökosystem aus Mikroben, Tieren und Pflanzen und wird auch durch Interaktionen mit Menschen und anderen Faktoren geformt.

Eine wichtige Frage ist: Was regeneriert sich bei Ökosystemen und mikrobiellen Gemeinschaften? Stellen Sie sich einen Wald vor, der sich nach einem Brandschaden regeneriert: Wir könnten erwarten, dass alle Arten, die durch das Feuer verloren gegangen sind, durch dieselben Arten ersetzt werden, aber die Forschung hat gezeigt, dass die Regeneration oft dazu führt, dass das wiederhergestellte Ökosystem Arten enthält, die vor dem Schaden nicht vorhanden waren ( Johnstone et al., 2016 ; National Park Service, 2017 ). Andererseits kann der Einsatz bestimmter Antibiotika die mikrobielle Diversität im Darm verringern, selbst wenn die Gemeinschaftsfunktion erhalten oder wiederhergestellt wird ( Antonopoulos et al., 2009 ).

Um eine Theorie der Regeneration zu entwickeln, die über diese breiten Skalen lebender Systeme hinweg funktioniert, müssen wir die Bedeutung der Regeneration in der aktuellen Literatur und Forschung verstehen und die wesentlichen Komponenten des Prozesses und ihre Wechselwirkungen innerhalb verschiedener Systeme identifizieren. Wir müssen uns mit den Einheiten befassen, die Verletzungen erkennen, mit dem Reparaturprozess beginnen, das, was verloren gegangen oder beschädigt wurde, wieder aufbauen und die Regeneration stoppen. Wir müssen bedenken, dass solche Einheiten auf den verschiedenen Lebensskalen sehr unterschiedlich aussehen können. Beispielsweise können in einzelnen Organismen Zellsignalmoleküle darauf hinweisen, dass ein Bereich repariert werden muss, während das Signal in Ökosystemen eine plötzliche Änderung der Stickstoffverfügbarkeit sein kann. Sobald wir solche wesentlichen Komponenten des regenerativen Prozesses verstehen,

Der Prozess, wie lebende Systeme Schäden und Verletzungen erkennen und darauf reagieren, ist ein guter Ausgangspunkt, um Fragen zu den Prinzipien zu stellen, die lebende Systeme regeln. Um bei diesem Unterfangen Fortschritte zu erzielen, sind die gemeinsamen Anstrengungen von Wissenschaftlern, Philosophen und Historikern gleichermaßen erforderlich.

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