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8: Neuheit - Biologie

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  • 8.1: Was ist eine evolutionäre Neuheit?
    Eine Neuheit als neue Struktur oder Eigenschaft eines Organismus, die es ihm ermöglicht, eine neue Funktion zu erfüllen und so eine neue "Anpassungszone" zu eröffnen. Nach dieser Einschätzung ermöglicht eine Neuheit einem Organismus die Nutzung einer neuen ökologischen Ressource und sollte zu einer adaptiven Strahlung führen.
  • 8.2: Fallstudie - Die Evolution der Insektenflügel
    Insektenflügel sind eine unglaublich wichtige Neuheit, die mit der Strahlung der Insekten in eine der vielfältigsten Gruppen der Welt verbunden ist. Sie besetzen Land, Wasser und Luft und fressen fast jede erdenkliche Nahrungsquelle. Während ihr Ursprung fast "aus heiterem Himmel" erscheint, haben sorgfältige entwicklungs- und paläontologische Studien wichtige Einblicke in ihre Evolutionsgeschichte ergeben.
  • 8.E: Diskussion über Neuheiten
  • 8.S: Neuheit (Zusammenfassung)

Treiben neue Gene morphologische Neuheiten an? Eine Untersuchung der Nematosomen in der Seeanemone Nematostella vectensis

Die Evolution neuartiger Gene wird als eine kritische Komponente der morphologischen Innovation angesehen, aber nur wenige Studien haben den Beitrag neuartiger Gene zur Evolution neuartiger Gewebe explizit untersucht. Nematosomen, die frei schwebenden Zellmassen, die durch die Körperhöhle der Seeanemone zirkulieren Nematostella vectensis, sind die definierende Apomorphie der Gattung Nematostella und sind ein nützliches Modell zum Verständnis der Evolution neuartiger Gewebe. Obwohl viele Hypothesen aufgestellt wurden, ist die Funktion von Nematosomen unbekannt. Um Einblicke in ihre mutmaßliche Funktion zu gewinnen und Hypothesen über die Rolle linienspezifischer Gene bei der Evolution neuer Strukturen zu testen, haben wir die Zell- und Molekularbiologie von Nematosomen erneut untersucht.

Ergebnisse

Mithilfe von Verhaltenstests zeigen wir, dass Nematosomen in der Lage sind, lebende Salinenkrebse zu immobilisieren (Artemia salina) durch die Entladung ihrer reichlich vorhandenen Nesselzellen. Darüber hinaus ist die Fähigkeit von Nematosomen, fluoreszenzmarkierte Bakterien (E coli) zeigt das Vorhandensein von Fresszellen in diesem Gewebe. Mit RNA-Seq zeigen wir, dass sich das Genexpressionsprofil von Nematosomen von dem der Tentakel und Mesenterien (deren Ursprungsgewebe) unterscheidet und dass Nematosomen (a Nematostella-spezifisches Gewebe) sind angereichert in Nematostella-spezifische Gene.

Schlussfolgerungen

Trotz der geringen Anzahl von Zelltypen, die sie enthalten, unterscheiden sich Nematosomen sowohl in funktioneller als auch in molekularer Hinsicht zwischen Geweben. Wir liefern den ersten Beweis dafür, dass Nematosomen einen Teil des angeborenen Immunsystems in N. vectensis, und legen nahe, dass dieses Gewebe möglicherweise ein wichtiger Ort ist, um nach Genen zu suchen, die mit Pathogenstress in Verbindung stehen. Schließlich zeigen wir, dass Nematostella-spezifische Gene umfassen einen signifikanten Anteil der unterschiedlich exprimierten Gene in allen drei von uns untersuchten Geweben und können eine wichtige Rolle bei neuen Zellfunktionen spielen.


Einführung

Unterschiedliche Konzepte spiegeln unterschiedliche Prioritäten in Forschungsprogrammen wider (Wagner 2014)

Das biologische Konzept der „Neuheit“ hat verschiedene Anwendungen, je nachdem, in welchem ​​Bereich der Begriff verwendet wird. Wie Wagner betont, ist daran nichts grundsätzlich falsch. Die Auffassung, was eine Neuheit ist, variiert je nach den Anforderungen der einzelnen Bereiche, um den Begriff funktional zu machen. Während Neuheiten jedoch lange Zeit als wichtiges und vernachlässigtes Problem in der Evolutionstheorie angesehen wurden (Mayr 1960), wird diskutiert, ob sie sich von kontinuierlichen Anpassungsänderungen unterscheiden (Love 2003, Müller und Newman 2005). Obwohl die Existenz von Strukturen, die in Ahnengruppen nicht vorhanden sind, eine biologische Realität ist, wird diskutiert, wie diese Strukturen entstehen und wie sie in der Evolutionstheorie berücksichtigt werden.

Im Zentrum der Frage steht die Frage, ob die morphologische Evolution rein durch die Akkumulation quantitativer Variation erfolgt, wobei qualitative Veränderungen als Folge der Akkumulation kleiner Veränderungen auftreten oder ob es mechanistisch unterschiedliche diskontinuierliche Veränderungen gibt aus kontinuierlichen Modifikationen und kann nicht aus der Summation der Anpassungen extrapoliert werden. Die Mechanismen, die diskontinuierlichen Veränderungen zugrunde liegen, können auch die Wahrscheinlichkeit der Merkmalserhaltung und ihrer Verbreitung in einer Population beeinflussen (West-Eberhard 2003). Dies bezieht sich auf ein begleitendes Problem zu den Konsequenzen der Entstehung morphologischer Neuheiten in der phänotypischen Evolution. Wenn es sich bei diesen Neuheiten um eine Teilmenge des kontinuierlichen Wandels handelt, wird ihr Auftreten wahrscheinlich durch die Selektion auf eine neue Funktion in Kombination mit vielleicht einer Innovation auf genetischer Ebene erklärt. Wenn jedoch morphologische Neuerungen diskontinuierliche Veränderungsereignisse darstellen, die aus Prozessen auf höherer Ebene resultieren, kann die Selektion nicht ohne Zirkelargumentation aufgerufen werden (Moczek 2008). Stattdessen würden Neuheiten unraffinierte Variationsergänzungen darstellen, auf die die Auswahl reagieren könnte.

Dieser Begriff der Diskontinuität ist in der Verwendung des Begriffs in verschiedenen Forschungsbereichen üblich und weist auf eine konzeptionelle Unterscheidung von der Standardvariation hin. Einige Kommentatoren haben diese Bedeutung heruntergespielt und argumentiert, dass Neuheit im Wesentlichen ein anderer Begriff für Variation oder eine Untermenge von Variationswandel ist (Arthur 2000), während andere Berichte betonen, dass Neuheiten eine eigene Klasse evolutionärer Veränderungen darstellen (Müller und Wagner 1991, Wagner 2014). Dieser Artikel beschreibt, wie Neuheiten in der evolutionären Entwicklungsbiologie (EvoDevo), insbesondere auf der Ebene des Phänotyps, untersucht werden und wie sie autonome biologische Einheiten darstellen. Potenzielle praktische Anwendungen des Neuheitskonzepts und Implikationen, die in der Evolutionstheorie vernachlässigt wurden, werden gleichermaßen angesprochen. Dies ist entscheidend, um dem Konzept Bedeutung zu verleihen, da es zu oft in Diskussionen über Definitionen belastet wird. Um die Neuheit in EvoDevo mit Anwendungen aus anderen Bereichen zu vergleichen, wird eine einführende Beschreibung gegeben, wie das Neuheitskonzept von Genetikern, Populationsgenetikern, Morphologen und Verhaltensbiologen verwendet wird. Obwohl jedes Feld seine eigene Terminologie hat und neue Merkmale nicht immer explizit mit dem Wort „Neuheiten“ angegeben werden, bietet jedes dieser Felder eine Möglichkeit, mit Merkmalen umzugehen, die bei angestammten Arten nicht vorhanden waren. Obwohl sich die vorliegende Studie überwiegend auf Tierbeispiele stützt, weisen Pflanzen eine gleich breite Verteilung der Neuheiten über alle Taxa auf. Die allgemeinen Implikationen des Konzepts der phänotypischen Neuheit gelten auch für Pflanzen.

Oft wird die Idee der Neuheit in Artikeln behandelt, die beschreiben, was „Neuheit“ ist oder wie sie außerhalb des Rahmens der Populationsgenetik liegt (Müller und Newman 2005 Pigliucci 2008 Hallgrímsson et al. 2012). Obwohl diese Fortschritte an sich schon hilfreich sind, wird das Konzept hier über den beschreibenden Bereich oder eine Definitionsdebatte hinausgeführt. Es werden praktische Richtlinien und detaillierte Beispiele gegeben, um zu zeigen, wie ein EvoDevo-spezifischer Ansatz für Neuheiten in Experimenten, Modellierung, Datenbankerstellung und mehr verwendet werden kann. Es wird auch angesprochen, wie diese Strategie für die Weiterentwicklung der Evolutionstheorie produktiv ist. Im Einzelnen werden drei Themen zur Erforschung neuartiger Phänotypen im EvoDevo-Kontext diskutiert: (1) Das generative Potenzial, die Erklärungskraft und die Vorhersagbarkeit verschiedener Arten der Neuheitsgenerierung, (2) die Unterscheidung von diskontinuierlicher und kontinuierlicher Veränderung von Strukturmerkmalen, (3 ) Die Rolle der Neuheitsgenerierung in der Evolutionstheorie.

Diese Themen zeigen, wie das Neuheitskonzept nicht nur deskriptiv für die Forschung verwendet werden kann. Entscheidend ist, dass der EvoDevo-Ansatz zur phänotypischen Neuheit eine mechanistische Erklärung morphologischer Veränderungen liefert. Dies bekräftigt neuere Vermutungen, dass EvoDevo Erklärungskraft besitzt, obwohl dieses Potenzial oft allein der (Populations-)Genetik zugeschrieben wird (Gilbert et al. 1996 Wagner 2000). Diese Erkenntnisse sollen nicht die Ideen oder Praktiken in anderen Bereichen ersetzen oder modifizieren. Stattdessen beziehen sie sich auf Ereignisse, die außerhalb der Prioritäten anderer Forschungsprogramme liegen.


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Gewöhnung und Neuheit

Einführung

Gewöhnungs- und Neuheitsparadigmen werden seit mehr als 50 Jahren verwendet, um Wahrnehmungs- und Gedächtnisprozesse beim menschlichen Säugling zu untersuchen. Im ersten Teil dieses Artikels geben wir eine kurze Geschichte und Beschreibung der verschiedenen Arten von Gewöhnungs- und Neuheitsverfahren, kritisieren die wichtigsten Theorien und Modelle der Säuglingsgewöhnung und Neuheitspräferenzen und fassen wichtige Entwicklungstrends und Debatten zusammen. Im zweiten Teil des Artikels überprüfen wir neuere Fortschritte in unserem Verständnis von Gewöhnungs- und Neuheitspräferenzen mit den jetzt verfügbaren Methoden der Neurowissenschaften und geben einen kritischen Überblick über die Debatte darüber, welche Art von Gedächtnis die kindliche Leistung bei diesen Aufgaben unterstützt.


DISKUSSION

In dieser Studie haben wir eine summative Bewertung verwendet, um die Fähigkeit der Studenten zu untersuchen, das in einem Einführungskurs in die Biologie erlernte Material auf immer neue und komplexere Situationen anzuwenden. Um unsere erste Vorhersage zu untermauern, erzielten die Schüler bei Fragen mit vertrautem Inhalt und Komplexität (Kategorie A) die besten Ergebnisse. Wie prognostiziert, erzielten die Schüler bei Fragen mit höherer Komplexität und neuartigem Inhalt (Kategorie D) die niedrigsten Ergebnisse, aber auch bei Fragen mit höherer Komplexität und vertrautem Inhalt (Kategorie C) schnitten sie entsprechend niedrig ab. Unsere zweite Vorhersage, dass die Studierenden gleichermaßen durch Fragen höherer Komplexität und Neuheit (Kategorien B und C) herausgefordert würden, wurde nicht bestätigt. Stattdessen stellten wir fest, dass der Übergang zu einer höheren Komplexität die Leistung der Schüler stärker reduzierte als der Wechsel zu einem neuen Thema. Die Schülerbewertungen bei Fragen waren am höchsten, wenn die Fragen vertraute Situationen mit geringer Komplexität enthielten (A) und am niedrigsten, wenn die Fragen hochkomplexe Situationen enthielten (C und D), unabhängig von der Neuheit des Themas.

Die Variation der Schülerleistungen je nach Fragekategorie kann teilweise durch den Bekanntheitsgrad der Prüfungsfragen sowohl in Bezug auf Komplexität als auch Neuheit erklärt werden. Im Laufe des Semesters wurden die Studierenden durch formative Prüfungen und unterrichtsbezogene Probleme Situationen ausgesetzt, die sie herausforderten, Wissen in neuartigen Kontexten und in Situationen mit zunehmender Komplexität quer anzuwenden, aber es ist möglich, dass diese Exposition, insbesondere in Bezug auf Komplexität nicht ausreichte, um diese Fähigkeiten zu beherrschen. In Bezug auf den Umgang mit Neuheiten nutzten die Studierenden in allen drei Kursmodulen die wissenschaftliche Methode, um Hypothesen zu entwickeln und Experimente zu verschiedenen biologischen Themen und Organismen zu entwerfen. Da der wissenschaftliche Prozess ein zentrales Thema des Kurses war, ist es wahrscheinlich, dass die wiederholte Exposition gegenüber neuartigen Situationen auf diese Weise dazu führte, dass die Studierenden bei Prüfungsfragen der Kategorie B weniger Schwierigkeiten hatten (Punktezahl um 7,5% reduziert) als bei denjenigen in den Kategorien C und D (Werte um 8 % reduziert). In Bezug auf die Komplexität wurden die Studierenden herausgefordert, immer ausgefeiltere statistische Techniken auf Datensätze anzuwenden und Kenntnisse im Schreiben und Interpretieren von immer komplizierterem Code in R zu entwickeln (R Core Team, 2015). Es ist jedoch möglich, dass die Betonung der Kompetenzentwicklung in immer komplexer werdenden Situationen sowohl im Umfang als auch in der Zeitaufteilung zu gering war, um Kompetenzen in der Anwendung dieser Fähigkeiten zu entwickeln.

Während diese Studie die erste war, die die Auswirkungen von Neuheit und Komplexität in einem Biologiekurs direkt testete, wurde in den Linguistik- und Naturwissenschaften von verringerten Schülerleistungen bei neuartigen und komplexeren Aufgaben berichtet. Neuheit reduziert nachweislich die Leistung beim Zweitsprachverständnis (Schmidt-Rinehart, 1994), aber nur beim Hören (nicht beim Lesen). Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Exposition gegenüber neuartigen konzeptionellen Aufgaben mit einem ähnlichen Komplexitätsgrad in einem verschachtelten Design die Fähigkeit der Schüler erhöht, Wissen in konzeptionell verwandten Kontexten anzuwenden (Rohrer, 2012). Es hat sich gezeigt, dass erhöhte Komplexität die Leistung der Schüler in einer simulationsbasierten Physik-Lernumgebung beeinflusst, aber ihre Wirkung hing davon ab, wie Konzepte in Simulationen dargestellt wurden (Van der Meij und de Jong, 2006). Diese gegensätzlichen Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit faktorieller Designs, wie sie in dieser Studie angewendet wurden, die neuartige und komplexe Situationen adressieren, verglichen mit einer kursbasierten Kontrollgruppe (Kategorie A in unserer Studie).

Ein überraschendes Ergebnis dieser Studie war der starke Effekt der Fragekomplexität auf die Schülerleistungen. Die Schüler schnitten bei Fragen, bei denen entweder Neuheit oder Komplexität verändert wurden, nicht gleich ab, und die Bewertungen wurden eher vom Komplexitätsgrad der Frage als von der Neuheit des Themas beeinflusst. Auf der hohen Komplexitätsstufe wurden die Punktzahlen im Vergleich zu Fragen der Kategorie A auch bei bekanntem Thema gleichermaßen reduziert. Wir fanden auch heraus, dass die Komplexität des Themas zwar unabhängig von der Neuheit die Punktzahl der Schüler beeinflusste, die Neuheit des Themas jedoch nur bei Fragen mit geringerer Komplexität von Bedeutung war. Dies deutet darauf hin, dass die Schüler durch die Zunahme der Komplexität allgemein herausgefordert wurden, aber nur unterschiedlich durch neue Situationen herausgefordert wurden, wenn die Fragen einfacher waren. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen entdeckten Van der Meij und de Jong (2006) in einer Physikkursprüfung Unterschiede in den Schülernoten zwischen Behandlungen (verschiedene Arten der Darstellung von Fragen) und die Schülerwahrnehmung von Unterschieden in der Schwierigkeit nur bei hoher Fragekomplexität. Ein Unterschied zwischen dieser Studie und der vorliegenden Studie bestand darin, dass von Van der Meij und de Jong (2006) vier Gerüstebenen verwendet wurden, verglichen mit zwei hier verwendeten Ebenen (z. B. A- versus C-Fragen). Diese gegensätzlichen Ergebnisse können sich daher auf die Anzahl der im Frageschema verwendeten Gerüststufen oder die Vertrautheit der Studierenden in einem bestimmten Kurs mit Gerüstbewertungen beziehen.

Herausforderungen im Zusammenhang mit immer komplexer werdenden Prüfungsaufgaben hängen wahrscheinlich mit ihrem Komplexitätsgrad im Vergleich zum Komplexitätsgrad des Materials zusammen, dem die Studierenden während eines Kurses begegnen (Catrambone, 1998). Richtig et al. (2005) zeigten, dass die Beziehung zwischen der Leistung bei Fragen und der Aufgabenkomplexität negativ, aber nichtlinear ist und dass die Leistung ab einer Komplexitätsschwelle stark abfällt. Auch die Art und Weise, in der komplexe Beispiele von den Schülern präsentiert und geübt werden, kann die Leistung der Schüler bei summativen Bewertungen beeinflussen. Zum Beispiel hat sich gezeigt, dass die Zerlegung komplexer Probleme in modulare Einheiten vor dem Lösen von Problemen den Schülern eine erfolgreiche Problemlösung im Vergleich zu weniger strukturierten Ansätzen erleichtert (Gerjets et al., 2004). Schließlich kann auch die Wahrnehmung der Komplexität einer Aufgabe durch die Schüler die Leistung einer Frage beeinflussen. Als komplexer empfundene Fragen werden häufiger falsch beantwortet als als einfacher empfundene (Lee, 2004). Wir haben die Wahrnehmung von Schwierigkeiten durch die Schüler bei den in dieser Studie gestellten Fragen nicht direkt bewertet, obwohl die Kombination von quantitativem und qualitativem Feedback in zukünftigen Arbeiten Aufschluss darüber geben würde, wie die wahrgenommene Schwierigkeit die Ergebnisse der Schüler beeinflusst und welche Komponenten der Fragen die Schüler dazu veranlassten, sie als wahrzunehmen mehr oder weniger schwierig. Darüber hinaus würde die Berücksichtigung der Schülerwahrnehmung des Schwierigkeitsgrades von Fragen auf einer numerischen Skala eine zusätzliche Variable liefern, um möglicherweise den Grad der Richtigkeit innerhalb und zwischen den Fragekategorien zu erklären.

Eine mögliche Erklärung für den negativen Effekt der Komplexität auf die Schülerergebnisse besteht darin, dass Schüler möglicherweise zusätzliche Lernstrategien benötigen, bevor sie bereit sind, kognitive Aufgaben mit höherer Komplexität zu bewältigen. In einem Psychologiekurs, De Koning et al. (2007) fanden heraus, dass visuelles Cuing wesentlich ist, um Lernergebnisse mit Animationen hoher Komplexität zu erreichen. Dies deutet darauf hin, dass Formen des Primings, insbesondere unter Verwendung des gleichen sensorischen Formats, die Fähigkeit der Schüler verbessern können, Konzepte bekannter Komplexität auf höherkomplexe Aufgaben anzuwenden. In dieser Studie haben wir zwei verschiedene Arten von kognitiven Aufgaben untersucht: solche, die inkrementell waren (zunehmende Komplexität) und solche, die lateral waren (zunehmende Neuheit). Es ist möglich, dass jede dieser Aufgaben unterschiedliche Lernstrategien erforderte und der Kursarbeit mehr gelungen ist, den lateralen Rahmen zu entwickeln als den inkrementellen.

Hinsichtlich des Grades der Schlussfolgerung, die aus der aktuellen Studie gezogen werden kann, sind mehrere Überlegungen zu berücksichtigen. Erstens enthielt das Kursmaterial zwar neue (hauptsächlich) und komplexere (weniger prominente) Situationen, mit denen sich die Studierenden auseinandersetzen mussten, die Mehrheit der Bewertungstechniken, die die Studierenden während des Semesters erlebten, bezog sich jedoch direkt auf das Kursmaterial und enthielt vertraute Inhalte und Komplexitätsstufen. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, dass die vertrauten und weniger komplexen Fragen der Kategorie A im Vergleich zu den Fragen in den anderen Kategorien dem, was sie während des Kurses erlebt haben, am ähnlichsten waren. Die relativ hohe Leistung bei Fragen der Kategorie A war wahrscheinlich teilweise auf kognitive Mechanismen im Zusammenhang mit Wiederholung und Erinnerung zurückzuführen (Roediger und Karpicke, 2006).

Zweitens führte die verwendete Fragevalidierungsmethode, einschließlich der aktuellen Kurs-TAs, zu einer variablen Einteilung der Fragen in Kategorien. Während 74 % der TAs Fragen richtig in Kategorie A eingeordnet haben, ordneten nur 53 % die Fragen richtig in Kategorie D ein. Die TAs kamen aus unterschiedlichen disziplinären Hintergründen (z wurden für diese Bewertung verwendet. Die Variabilität der allgemeinen Fähigkeit, Fragen basierend auf diesen Unterschieden zwischen den TAs zu beurteilen, könnte zu den offensichtlichen Herausforderungen bei der Kategorieneinteilung beigetragen haben, die wir beobachtet haben, insbesondere bei den Fragen, die komplexere und neuartige Situationen enthielten. Wir verwendeten ein anonymes Scantron-basiertes Fragevalidierungsverfahren und forderten die TAs nicht auf, sich selbst als Bachelor oder Absolvent zu identifizieren, obwohl dies ein wichtiger Bestandteil von Folgestudien wäre. Obwohl es optimal wäre, wenn die Zustimmungsprozentsätze höher wären, war diese Studie die erste ihrer Art, und wir glauben, dass diese präsentierten Daten eine logische Basis darstellen, mit der andere Kurse oder Bewertungen verglichen werden können.

Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass summative Assessments nützliche Werkzeuge für die direkte Bewertung der Lernziele von Kursen und für die Bewertung der Schülerleistungen bei neuartigen und komplexeren Problemen sind. Unter Verwendung eines 2 × 2-faktoriellen Fragendesigns, in dem Kombinationen von Neuheit und Komplexität dargestellt wurden, entdeckten wir, dass die Interaktion dieser beiden Variablen die Variabilität der Schülerergebnisse bei einer Abschlussprüfung erklärt. Konkret stellten wir fest, dass der Übergang zu Fragen höherer Komplexität die Leistung der Schüler stärker reduzierte als der Übergang zu Fragen mit neuartigen Themen. Zurück zu den zuvor im Kontext des aktuellen Studiengangs gestellten Forschungsfragen (Wie lässt sich feststellen, ob das Ziel der vielfältigen Anwendung von Studieninhalten in einführenden Biologiekursen erreicht wird? ?). Wir zeigen hier, dass die Erhöhung der Komplexität der Fragestellungen eine große Herausforderung für Studierende in der Einführungsbiologie darstellt. Die Schüler benötigen möglicherweise zusätzliche Hinweise oder Lernstrategien, um inkrementelle kognitive Schritte mit komplexeren Fragen zu machen, während neue Situationen einen weniger herausfordernden seitlichen Schritt darstellen können. Wir schlagen vor, gerüstete Fragen, die allmählich an Komplexität zunehmen, in Aktivitäten in einführenden Biologiekursen zu integrieren, um es den Studierenden zu ermöglichen, das Gelernte auf immer komplexere Situationen anzuwenden, denen sie in ihrer akademischen Laufbahn wahrscheinlich begegnen werden.

Auf Materialien zugreifen

Alle in der Studie verwendeten Fragen stehen im PDF-Format im Supplemental Material zur Verfügung.


Entwicklung der Neuheit

Die Entwicklung der Neuheit kann durch eine signifikante Veränderung der Wachstumsbahn eines Körperteils erfolgen. Bei Insekten wird das Wachstum systemisch durch Hormone, hauptsächlich Ecdyson, und bei einigen Geweben auch durch insulinähnliche Wachstumsfaktoren gesteuert ( Nijhout und Grunert 2002 Emlen et al. 2006 Nijhout et al. 2007 Shingleton et al. 2007 Nijhout et al. 2014) . Wachstum an einem neuen Ort könnte durch die neue Expression des Ecdyson- oder Insulinrezeptors in einem Bereich erfolgen, in dem er früher nicht exprimiert wurde, während ein erhöhtes Wachstum an einem bestimmten Ort auf eine erhöhte Expression von Rezeptoren für diese Hormone zurückzuführen sein könnte. Dies würde zur Entstehung einer neuen Struktur (wie einem Horn in einem Käfer ( Emlen et al. 2006 Moczek und Rose 2009 Snell-Rood und Moczek 2012), einer überproportionalen Zunahme einer Struktur oder, wenn das räumliche Muster von Rezeptorexpression verändert, Wachstum in eine andere formverändernde Richtung. Eine solche Veränderung des regionalen Wachstumsmusters eines Körperteils würde zu einer Veränderung seiner Form und zu einer Veränderung der Allometrie führen .1 sind Beispiele für Formänderungen aufgrund von lokalisierten Veränderungen der Wachstumsmuster.


Der französische Philosoph Jean-Pierre Dupuy vergleicht in seinen Vorlesungen an der Stanford University gelegentlich die Verwechslung von Ethik und Klugheit mit dem Fehler eines Physikstudenten, der nicht zwischen Gewicht und Masse unterscheiden würde.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass einige synthetische Biologen das Biobricks-Programm eher als Instrument betrachten, um Studenten durch den iGEM-Wettbewerb mit dem Feld in Kontakt zu bringen, und nicht als ernsthaftes Ingenieurstudium.

Descartes: „Ich erkenne keinen Unterschied zwischen Artefakten und natürlichen Körpern, außer dass Artefakte meist durch Mechanismen funktionieren, die groß genug sind, um für die Sinne leicht wahrnehmbar zu sein (das müssen sie sein, wenn der Mensch sie herstellen kann!) “ (Prinzipien der Philosophie, 1644, Abschn. 4, § 203).

Diese zugrunde liegende Bewertung war das Ziel der Kritik eines Künstlers durch ein extremes Kunstprojekt. Die Ausstellung Synth-Ethic in Wien zeigte „le cheval en moi“ von Marion Laval-Jeautet, der seit mehreren Monaten Pferde-Immunglobulin injiziert wurde und die allmählich eine Toleranz entwickelte, bis sie eine Transfusion von Pferdeblut akzeptierte. Sie behauptet, dass das Tier die Zukunft des Menschen ist.


Genomverdoppelung, Zellgröße und Neuheit

Im Coulter Review 2019, "Polyploidy, the Nucleotype, and Novelty: The Impact of Genome Doubling on the Biology of the Cell", veröffentlicht in der Internationale Zeitschrift für Pflanzenwissenschaften (180:1-52) untersuchen Jeff J. Doyle und Jeremy E. Coate die Auswirkungen der Genomverdoppelung auf die Zellbiologie und die Generierung von Neuheiten in Pflanzen.

Polyploidie oder das Vorhandensein von mehr als zwei Chromosomen in einer Zelle ist bei vielen Pflanzenarten üblich. Diese "Genomverdopplung" erzeugt evolutionäre Neuheit und ist ein Hauptförderer neuer Arten. Wie Polyploidie Zellen verändert, um Neues zu erzeugen, ist jedoch komplex und, wie Doyle und Coate veranschaulichen, nicht einmal auf grundlegender Ebene gut verstanden. Die sich rasch entwickelnde Technologie wird es den Forschern jedoch ermöglichen, nicht nur diesen integralen Bestandteil der Pflanzenevolution und -biologie, sondern auch die Funktion von Zellen im Allgemeinen zu beleuchten.

Viele der dokumentierten Auswirkungen der Genomverdoppelung auf Zellen, wie z. B. Zunahme der Zellgröße, des Kernvolumens und der Zellzyklusdauer, werden als „nukleotypisch“ angesehen – Wirkungen, die durch Veränderungen der DNA-Massenmenge unabhängig vom Genotyp induziert werden. Doyle und Coate aktualisieren unser Verständnis des Nukleotyps und anderer Mechanismen, durch die die Genomverdopplung die Zellbiologie verändern kann, Erkenntnisse aus Studien an synthetischen Autopolyploiden hervorheben und diese mit dem aktuellen Wissensstand der Zellbiologie in Beziehung setzen.

Vor allem die Zellgröße war für die Autoren von großem Interesse, da sie stark mit der Genomverdopplung verbunden ist. Obwohl seit langem bekannt ist, dass Genomgröße und Zellgröße korrelieren, zeigen neuere Arbeiten, dass diese Korrelation zelltypspezifisch ist und die Faktoren, die die Zellgröße, Polyploidie oder andere, steuern, bleiben mysteriös.

Doyle und Coate schreiben, dass sie gehofft hatten, dass die langjährige Literatur der Zellbiologie Antworten darauf enthalten würde, wie Polyploidie auf zellulärer Ebene funktioniert. „Stattdessen haben wir festgestellt, dass diese Fragen sowie eine Vielzahl anderer Fragen, die erforderlich sind, um die Frage zu beantworten, was Polyploidie „macht“, noch zufriedenstellend beantwortet werden müssen“, schreiben sie. "In vielen Fällen gibt es konkurrierende Theorien, und oft fehlt es selbst in ausgereiften Modellsystemen wie Mensch und Hefe oder in den besten Pflanzenmodellen wie Arabidopsis und Mais an überzeugenden Daten, geschweige denn in Nichtmodellen." Pflanzen Spezies."

Die Autoren schlagen weiter vor, dass die Forscher, um die Polyploidie sowie die Zellfunktion im Allgemeinen zu verstehen, ihren Fokus auf quantitative Daten wie Zeitauflösung, Geschwindigkeitskonstanten und lokale Molekülkonzentrationen richten müssen, wenn sie Polyploide gegen ihre diploiden Vorläufer analysieren .

Doyle und Coate skizzieren Fragen zur zukünftigen Polyploidieforschung. Dazu gehört, wie sich die nukleare Überfüllung mit der Kerngröße zwischen Zelltypen und -spezies ändert, ob die Proteinstabilität durch Polyploidie beeinflusst wird und ob Veränderungen der Transkriptomgröße, die mit Polyploidie verbunden sind, eine Reaktion auf ein erhöhtes Kernvolumen sind oder umgekehrt.

"Die Technologie existiert, um solche Fragen quantitativ, mit immer größerer Präzision und in immer kleiner werdendem Maßstab auf einzelne Zellen und Moleküle zu beantworten", schreiben sie. "Wir sind jetzt bereit, diese Fragen zu beantworten und zu verstehen, was Polyploidie 'macht'."


Erinnerung an Neuheiten

Stellen Sie sich vor, Sie gehen in ein Café, in dem Sie noch nie waren. Sie werden sich an diese neue Umgebung erinnern, aber wenn Sie sie immer wieder besuchen, werden weniger neue Erinnerungen an die Umgebung gebildet, sondern nur die Dinge, die sich geändert haben, werden wirklich in Erinnerung bleiben. Wie dieses Langzeitgedächtnis reguliert wird, ist noch nicht vollständig verstanden. Ryuichi Shigemoto vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) hat nun in Kooperation mit Forschern der Universität Aarhus und des National Institute for Physiological Sciences in Japan einen neuen Schlüssel zur Gedächtnisbildung entdeckt. In ihrer Studie veröffentlicht in Aktuelle Biologieuntersuchten sie einen Signalweg im Hippocampus-Bereich des Gehirns und zeigten, wie dieser das Erstellen neuer Erinnerungen an das Erleben neuer Umgebungen steuert.

Der Hippocampus ist ein zentraler Bereich im Gehirn, der eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Informationen aus dem Kurzzeitgedächtnis in das Langzeitgedächtnis spielt. Von den vielen ineinandergreifenden Teilen des Hippocampus konzentrierten sich die Forscher auf die Verbindung zwischen den sogenannten Mooszellen, die neuartige Signale sensorischer Informationen über die Umgebung erhalten, und den sogenannten Körnerzellen, an die diese Informationen weitergeleitet werden. Bei Krankheiten wie Alzheimer ist dieser Teil des Gehirns einer der ersten betroffenen.

Für diese Studie nutzten die Wissenschaftler vier verschiedene Ansätze, um diese neuen Erkenntnisse rigoros zu untersuchen. Zuerst nahmen sie den Hippocampus unter das Mikroskop und untersuchten die Struktur, wie die Mooszellen mit den Körnerzellen verbunden sind, und zeigten ihre vielen komplexen Verbindungen.

Zweitens verwendeten sie die Technik der Calcium-Bildgebung, die eine Live-Überwachung der Neuronenaktivität ermöglicht, da diese genetisch veränderten Zellen bei Aktivierung aufleuchten. Wenn die Tiere mehrere Tage einer neuen Umgebung ausgesetzt wurden, war die Aktivität der Mooszellen, die Signale an die Körnerzellen sendeten, zuerst hoch und wurde dann immer geringer. Als sie die Mäuse dann in eine andere neue Umgebung brachten, stieg die Aktivität wieder auf, was zeigt, dass diese Neuronen speziell für die Verarbeitung neuer Umwelteinflüsse relevant sind.

Drittens verfolgten die Forscher Spuren im Neuron, die von den Signalen hinterlassen wurden. Neuronale Aktivität in diesen Zellen löst die Expression eines bestimmten Gens aus, also die Produktion des entsprechenden Proteins, das darin kodiert ist. Je mehr Aktivität es gab, desto mehr von diesem Protein können sie danach finden. In den Körnerzellen fanden sie eine Produktion dieses Proteins, die mit der Aktivität der Mooszellen korrelierte.

Und schließlich nutzten die Wissenschaftler Verhaltensstudien, um die Auswirkungen dieses Signalwegs im Hippocampus auf die Gedächtnisbildung zu untersuchen. Dies ist besonders wichtig, denn der Zusammenhang zwischen Gedächtnisbildung und Verhalten kann ihnen viel über die Funktionen des Gehirns verraten. Sie kombinierten einen negativen Sinnesreiz, einen kleinen Elektroschock, damit, die Tiere in eine neue Umgebung zu bringen. Die Mäuse lernten dann schnell, die neue Umgebung mit unangenehmen Gefühlen zu assoziieren, und ihre negative Reaktion, auf der Stelle zu frieren, wurde gemessen.

Als die Forscher Medikamente verwendeten, um die Aktivität der Mooszellen zu hemmen – die die Signale über die neue Umgebung erhielten – und dann die negative Konditionierung durchführten, erinnerten sich die Mäuse nicht an den Zusammenhang zwischen der neuen Umgebung und dem unangenehmen Gefühl. Außerdem gab es bei der ersten Gewöhnung der Tiere an die neue Umgebung und anschließender Konditionierung auch keine Aktivierung der Mooszellen und somit keine Assoziation zwischen der Umgebung und den Schocks.

Würde man die Mooszellen hingegen künstlich aktivieren, könnte diese Assoziation auch dann noch gebildet werden, wenn sich die Tiere bereits an die neue Umgebung gewöhnt hatten. Dies zeigt deutlich, wie die bemoosten Zellen im Hippocampus auf neue Eingaben reagieren und bei Mäusen die Bildung neuer Langzeitgedächtnisse auslösen.

Nächste Schritte zum Verstehen

Ob genau die gleichen Prozesse im menschlichen Gehirn ablaufen, ist noch offen, aber diese neuen Erkenntnisse sind ein wichtiger erster Schritt zum Verständnis dieses Teils unseres komplexesten Organs. Ryuichi Shigemoto and his collaborators are conducting fundamental research that may one day help to address degenerative brain diseases that affect memory formation, but this is still a while away.

He cautiously states: "This research field is very competitive and new findings arise quickly. There are many disputed mechanisms on memory formation, but our findings corroborate an existing hypothesis and are very robust, thus opening up a new field of neuroscience research and furthering our understanding of the brain."

Understanding how the brain stores and processes information is only possible by studying the brains of animals while they carry out specific behaviors. No other methods, such as in vitro or in silico models, can serve as alternatives. The animals were raised, kept and treated according to the strict regulations of Austrian law.

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