"Form follows Function" beim Knochenwachstum

Tierische Knochen und Skelette sind in der Form sehr genau an die an sie gestellten mechanischen Anforderungen angepasst. Dies haben Forschungen von Dr. Torsten Rossmann von der TU Darmstadt und Dr. Ulrich Witzel von der Ruhr-Universität Bochum und ihren Arbeitsgruppen gezeigt. Damit ist das bisherige wissenschaftliche Credo, das die Form etwa eines Schädels oder einer Muschelschale rein genetisch determiniert ist, in Frage gestellt.

Möglicherweise wird die genaue Form eines Skelettbauteils erst während des Wachstumsprozesses dadurch ausgeprägt, dass Substanz genau dort abgelagert und damit die Stabilität dort verstärkt wird, wo besonders hohe Belastungen auftreten. Dies vermuten die Darmstädter und Bochumer Forscher.

Um zu verstehen wie tierische Hartgewebe, z.B. die Skelette von Wirbeltieren oder die Schalen von Muscheln und Schnecken, ihre Form bekommen, gingen Rossmann und Witzel mit ihren interdisziplinären Teams aus Biologen, Anatomen und Maschinenbauern von der Annahme aus, dass mechanische Zwänge eine große Rolle spielen. Um dies zu überprüfen, wurden Computer-Modelle von Skelett-Teilen mit der Finite-Elemente-Methode generiert, einem im Maschinenbau häufig verwendeten Werkzeug der Darstellung von Bauteilen.

Die Computermodelle wurden mit wenigen Grundannahmen der Lagerung und Krafteinleitung gefüttert und anschließend schrittweise die mechanisch optimale Form ermittelt. Die so erreichte Ähnlichkeit zwischen dem wirklichen Knochen und dem Simulationsergebnis ist in den untersuchten Fällen verblüffend. So ließen sich die Form der menschlichen Nase, der Überaugenwulst der Neandertaler und die lange Schnauze der Krokodile im Computer aufgrund vorgegebener mechanischer Zwänge erzeugen. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten könnten sich eventuell zum Beispiel im klinischen Bereich durch naturnahe Formgestaltung von Prothesen ergeben.

Kontakt:

Dr. Torsten Rossmann
Biotechnik-Zentrum Darmstadt
TU Darmstadt
Tel. 06151 – 16-5106
E-mail: rossmann@bio.tu-darmstadt.de