Etwas Besseres als nichts: Die Regenerationsfähigkeiten des Mississippi-Alligators





Als dummes Kind fing ich eine Eidechse am Schwanz und beschloss, sie meiner Mutter zu zeigen, um meine Jagdfähigkeiten unter Beweis zu stellen. Die Eidechse war an diesem Tag nicht bereit, ihren sozialen Kreis zu erweitern, und ließ deshalb ihren Schwanz fallen und verschwand im Gras. Und hier stehe ich mitten im Garten mit einem zappelnden Schwanz ohne seinen Besitzer in meinen Händen und verstehe nicht, was passiert ist. Dieses auffällige Kindheitsereignis ist ein Paradebeispiel für adaptives Verhalten und reparative Regeneration. Eine Person hat auch Regeneration, aber nicht reparativ, sondern physiologisch (äußere Schicht der Haut, Nägel, Haare usw.). Aber die Salamander gelten als Meister der Regeneration, die in der Lage sind, verlorene Gliedmaßen nachwachsen zu lassen. Sie sind jedoch bei weitem nicht die einzigen Besitzer dieses einzigartigen Geschenks. Zum Beispiel Hydras, eine Gattung von sessilen Süßwasserkoelenteraten,können sich auch nach dem Schneiden in Teile fast vollständig erholen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Arizona (USA) fand heraus, dass der Mississippi-Alligator auch eine reparative Regeneration aufweist. Wie ist der Erholungsprozess bei Alligatoren, wie unterschiedlich ist ihre Regeneration von anderen Organismen und gibt es Unterschiede zwischen dem ursprünglichen und dem regenerierten Glied? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.



Grundlagen der Forschung



Regeneration ist von Natur aus eine ziemlich häufige Fähigkeit. Seine Stärke und Funktionalität unterscheiden sich jedoch zwischen Arten, Familien und Gattungen lebender Organismen. Zum Beispiel sind Nicht-Vogel-Reptilien die einzige Gruppe, die komplexe Mehrgewebestrukturen (zum Beispiel den Schwanz) regeneriert, während Säugetiere und Vögel eine sehr eingeschränkte Fähigkeit zur Regeneration im Erwachsenenalter aufweisen (embryonale Regeneration wurde in dieser Arbeit nicht berücksichtigt).



Im Gegensatz zu Wirbeltieren mit Regeneration erfahren die meisten Säugetiere nach einer Verletzung einen langen Heilungs- und Reparaturprozess von geschädigtem Gewebe. Dieser Prozess führt zur Bildung von Narbengewebe, das eine verminderte Funktionalität und Empfindlichkeit sowie ein erhöhtes Infektionsrisiko aufweist. Mit anderen Worten, der Prozess der Wundheilung am menschlichen Körper kann nicht als Regeneration bezeichnet werden.



Um den Regenerationsmechanismus zu verstehen, muss man zuerst sein Wesen verstehen, d.h. warum wird es gebraucht. Derzeit ist der Hauptgrund für das Auftreten einer Regeneration bei einigen Tieren der Einfluss von Raubtieren. Unter vielen Arten von Knochenfischen, schwanzlosen Kaulquappen, marinen Amphibien und Reptilien, die keine Vögel sind, ist subletale Raubtiere weit verbreitet, wenn Beute eine gewisse Chance hat, den Tod zu vermeiden, obwohl sie ernsthaften Schaden erleidet. Infolgedessen haben einige Arten von Salamandern und Eidechsen die Fähigkeit entwickelt, ihren Schwanz autotomieren * , um Raubtieren auszuweichen.
Autotomie * - die Fähigkeit eines Tieres, bei Gefahr oder angesichts eines äußeren Reizes von sich aus Gliedmaßen abzuwerfen.
Das Fallenlassen des Schwanzes ist jedoch nicht das extremste Beispiel für eine Autotomie. Adlermäuse ( Acomys ) geben sich im Gefahrenfall buchstäblich alle Mühe. Diese erstaunlichen Nagetiere sind in der Lage, Haut (einschließlich Haarfollikel, Dermis usw.) und sogar Ohren (d. H. Knorpelgewebe) vollständig zu regenerieren.



Weitere Informationen zur Autotomie von Nadelspitzenmäusen finden Sie in der Arbeit von Wissenschaftlern der University of Kentucky.



Ob sich zu regenerieren ist oder nicht, ist für viele Arten im Verlauf der Evolution ein äußerst wichtiges Thema, da diese Fähigkeit sowohl Vor- als auch Nachteile hat. Einerseits besteht die Möglichkeit, den Tod in den Zähnen eines Raubtiers zu vermeiden. Andererseits kann der Verlust eines Gliedes aufgrund einer Autotomie die Mobilität, die Energieeinsparung und sogar die sexuelle Selektion während der Brutzeit stark beeinträchtigen. Daher muss die Art selbst bestimmen, was in einer solchen Situation für sie wichtiger ist.



Der Verlust oder das anfängliche Fehlen einer Regeneration bei vielen Säugetieren ist mit der Entwicklung eines spezialisierten Immunsystems, einer verstärkten Regulation des Zellzyklus oder der Entwicklung einer Endothermie verbunden. Prozesse wie eine verminderte Reaktion auf Verletzungen, die Bildung einer spezialisierten Epidermis im Wundbereich, die Umgestaltung der extrazellulären Matrix, die Reinnervation und Reaktivierung konservativer Entwicklungswege sind bei regenerationsfähigen Wirbeltieren häufig. Dies weist auf das Vorhandensein eines gemeinsamen Kerns der Regenerationsfähigkeit verschiedener Arten hin. Andererseits variiert die Regenerationskapazität von Wirbeltieranhängen stark und kann als Spektrum mit unterschiedlichen Aktivierungsmechanismen, funktionellen Eigenschaften und dem Regenerationsgrad betrachtet werden.





Bild №1: Verteilung der Regenerationsfähigkeiten bei verschiedenen Tieren.



Beispielsweise können Fische der Gattung Danio ( Danio ), Axolotls und Kaulquappen von Xenopus- Fröschen Strukturen wiederherstellen, die fast identisch mit den ursprünglichen Anhängen sind. Erwachsene Xenopus- Frösche zeigen eine nicht identische Regeneration. Und die überwiegende Mehrheit der Säugetiere ersetzt die verlorenen Gliedmaßen überhaupt nicht.



Die körperlichen Eigenschaften des Individuums beeinflussen auch die Regenerationsfähigkeit des Tieres: Körpergröße, Alter, Stadium des Lebenszyklus usw. Zu diesen Aspekten liegen nur sehr wenige Daten vor. Bisher ist bekannt, dass eine zunehmende Körpergröße die Heilung von Molchgliedern verlangsamen kann und verschiedene Stadien des Lebenszyklus die Regeneration bei Xenopus- Fröschen beeinflussen .



Kehren wir zu unseren Widdern zurück, genauer zu den Reptilien. Aufgrund dieser Artenvielfalt leben Vertreter dieser Klasse in verschiedenen Teilen der Welt, weshalb es eine Reihe von Unterschieden in den physiologischen, verhaltensbezogenen und morphologischen Eigenschaften gibt.



Wenn wir den Schwanz betrachten, ist es ziemlich offensichtlich, dass dieses Glied für Bewegung, Energieeinsparung und sexuelle Selektion von großer Bedeutung ist. Der Lebensraum dieser oder jener Art im Verlauf der Evolution hat die Struktur des Schwanzes und folglich seine Regenerationsfähigkeit stark beeinflusst.



Reptilien werden durch drei existierende Infra-Klassen repräsentiert: Neodiapsida , einschließlich Schildkröten; Archosauromorpha (Krokodile und Vögel); Lepidosauromorpha , d.h. schuppig (Eidechsen, Schlangen).



Ein neues Glied für einen Salamander zu züchten ist nicht schwierig, aber es dauert lange.



Wie wir wissen, können Eidechsen ihren Schwanz abwerfen und einen neuen wachsen lassen, der sich anatomisch vom Original unterscheidet. Das Hauptendoskelett des regenerierten Eidechsenschwanzes besteht aus einem unsegmentierten Knorpelrohr, das den Ependymus und die zentralen absteigenden Axone umschließt. Während der Schwanzregeneration werden keine neuen Neuronen gebildet, stattdessen stammen nachwachsende Axone von Neuronen im Rückenmark und von Ganglien der Rückenwurzel, die vom Schwanzstummel stammen. Zusätzlich bildet der regenerierte Skelettmuskel Längsfasern, die sich radial um den Knorpelschlauch befinden und keine Organisation haben.



Schlangen ersetzen keinen verletzungsbedingten Schwanzverlust, aber Tuatars (eine Reptiliengattung Sphenodon , die ausschließlich in Neuseeland lebt) bilden ein knorpeliges Endoskelett (wie Eidechsen), aber die Skelettmuskeln sind minimal oder fehlen. Der größte Teil des nachgewachsenen Schwanzes der Tuatara besteht aus dichtem Bindegewebe, das faserigem Gewebe ähnelt.



Aus diesen Beispielen wird ersichtlich, dass die Schwanzregeneration für keine Art einzigartig ist und der Prozess der Wiederherstellung eines verlorenen Gliedes anders ist.



Es ist keine gute Idee, einen Alligator zu Hause zu lassen, und hier ist der Grund dafür.



Es ist ziemlich offensichtlich, dass es Vorschläge gab, dass moderne Krokodile (Alligatoren, Kaimane, Krokodile und Gharials) auch regenerative Fähigkeiten haben. Die Forschung auf diesem Gebiet wurde eher oberflächlich durchgeführt, daher gab es bisher keine vollständige Beschreibung des Prozesses. Daher beschlossen die Wissenschaftler in dieser Arbeit, im Detail zu untersuchen, wie genau Krokodile angesichts des Mississippi-Alligators einen verlorenen Schwanz wachsen lassen können.



Forschungsergebnisse



Unter Verwendung anatomischer und histologischer Daten führten die Wissenschaftler eine vergleichende Analyse der Gewebe der ursprünglichen und nachgewachsenen Schwanzsegmente in der Nähe der Verbindungsstelle des Mississippi-Alligators durch.





Bild 2



Die ursprünglichen Schwanzsegmente waren mit nicht überlappenden rechteckigen Schuppen und Rückenplatten bedeckt, die in Querreihen ( 2a - 2c ) angeordnet waren. Die Rückenschuppen waren fleckig und dunkler als die Bauchschuppen ( 2a - 2f ). Unter den analysierten Proben hatte nur Probe A01 gepaarte Rückenschilde, was darauf hinweist, dass A01 eine proximalere (näher am Zentrum liegende) Verletzung erhielt ( 2d).



Röntgenaufnahmen zeigten, dass jeder proximale Schwanzwirbel einer Schuppenreihe entsprach und verlängerte Stacheln (dorsale Prozesse, die Teil des Kamms sind) und Papophyse (Prozesse des Wirbels auf der ventralen Seite, d. H. Unten) aufwies ( 2g - 2i ).



Dem Schwanzwirbel, der sich unmittelbar in der Nähe der mutmaßlichen Verletzungsstelle befindet, fehlen diese Rückenfortsätze und er weist Knochenrisse auf, die auf das Ergebnis seiner Umgestaltung hinweisen ( 2g - 2i ).



Als Kontrollprobe wurde der Schwanz einer jungen Frau analysiert, an der keine Schäden auftraten. Das axiale Skelett der Alligatoren besteht aus 65 Wirbeln, von denen 38–41 kaudal sind (abgekürzt als Ca- Wirbel). In Probe A00 wurden insgesamt 40 Schwanzwirbel identifiziert.



Die Schwanzwirbel 1-14 haben Querfortsätze, was mit früheren anatomischen Studien übereinstimmt. Die Wirbelsäule wurde über die gesamte Länge des Schwanzes verlängert, und die Wirbelprozesse verengten sich allmählich zum distalen Ende hin. Zusätzlich entsprach jeder Schwanzwirbel einem Skalensegment mit



gepaarten Rückenplatten, die bei Segment 18 enden. Da nur A01 gepaarte Rückenplatten im ursprünglichen Schwanzsegment aufweist ( 2d ) haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass diese Person ungefähr die Hälfte des hinteren (sozusagen hinteren) Schwanzes verloren hat. Die Proben A02 und A03 zeigten im ursprünglichen Schwanzsegment nur einzelne Rückenrillen. Dies zeigt an, dass der Schwanz distal zu Segment 18 ( 2e und 2f ) abgeschnitten wurde . Durch Zählen der Schuppenreihen konnte die Position der Verletzung in A02 und A03 geklärt werden: Die Verkürzung erfolgte in der Nähe der Wirbel 24 bzw. 20.



Da die Wirbel von Krokodilen keine auf Autotomie spezialisierten Bereiche haben, verursachte der Verlust eines Teils des Schwanzes entweder eine Verletzung oder einen Geburtsfehler und warf nicht weg, wie bei Eidechsen.





Bild Nr. 3



In der nächsten Phase der Studie wurde auf die Anatomie und Histologie der Skelettmuskulatur des ursprünglichen Schwanzes geachtet.



Um die Wirbelsäule herum befindet sich ein großes Muskelvolumen, das durch ein dickes horizontales Septum in zwei Hälften geteilt ist in getrennte epaxiale (auf der dorsalen Seite der Achse) und hypaxiale (auf der ventralen Seite der Achse befindliche) Abschnitte ( 3a und 3b ).



Die Epaxialmuskeln bestanden aus M. longissimus und M. transversospinalis , die durch ein intermuskuläres dorsales Septum ( Septum intermusculare dorsi ) getrennt waren. Während M. longissimusM. transversospinalis nahm den größten Teil des epaxialen Bereichs ein und war relativ dünn.



Die hypaxiale Region besteht ausschließlich aus M. ilio-ischiocaudalis-Muskeln ( 3a und 3b ), die üblicherweise durch M. caudofemoralis in der proximalen Schwanzregion ergänzt werden . Es ist zu beachten, dass in den untersuchten Proben das Fehlen von M. caudofemoralis erwartet wurde , da die Schädigung des Schwanzes distal zum Ort der Querfortsätze und von M. caudofemoralis lag .



Die Hämatoxylin- und Eosin (H & E) -Färbung der proximalen Muskelquerschnitte ergab homogene Muskelfaserbündel, die von einer Basalmembran ( 3c und 3d ) umgeben waren.



Immunhistochemische Studien (IHC) zeigten, dass der Muskel hauptsächlich Typ II * -Fasern enthält ( 3e - 3h ).
Muskelfasern vom Typ II * sind schnell zuckende Muskelfasern, die für kurze, kraftvolle Energiestöße erforderlich sind, d. H. für kurzfristige Aktionen von hoher Intensität.


Bild №4 Um zu



verstehen, woraus ein gesunder Alligatorschwanz besteht, begannen die Wissenschaftler, den nachgewachsenen Schwanz zu analysieren und mit dem Original zu vergleichen.



Krokodile können ihren Schwanz wachsen lassen (regenerieren), aber keine anderen Gliedmaßen. Die durchschnittliche Länge der nachgewachsenen Schwänze beträgt 15,7 ± 7,3 cm; etwa 6-18% der gesamten Körperlänge. Gleichzeitig ist es recht einfach, die nachgewachsenen Segmente anhand ihrer äußeren Morphologie zu bestimmen.



Die Schuppen des nachgewachsenen Schwanzes unterscheiden sich in Farbe und Muster relativ zum ursprünglichen Schwanz. Kleine schwarze Schuppen waren gleichmäßig um den Umfang des regenerierten Schwanzes verteilt, dem Rückenrücken fehlten ( 4a - 4d)). Diese Schuppen hafteten fest am darunter liegenden Gewebe. Eine detailliertere Untersuchung der Haut des nachgewachsenen Schwanzes ergab das Vorhandensein aller typischen Schichten der Epidermis und Dermis ( 4i ).



Die Röntgenaufnahme zeigte , dass es keinen Knochen in dem nachgewachsenen Segment des Schwanzes, aber die Anwesenheit eines stangenartigen Struktur gefunden wurde ( 4e - 4g ). In einer Probe (A04) war diese Struktur im nachgewachsenen Schwanz vorhanden, der aus der dorsalen Oberfläche des ursprünglichen Schwanzes ragte ( 4h ). Diese Situation ist höchstwahrscheinlich auf eine Verletzung zurückzuführen, die nicht zu einer vollständigen Amputation des Schwanzes führte.





Bild Nr. 5



Dieser Probe fehlte auch das distale Ende des Schwanzes und ein regeneriertes kleines Segment war vorhanden. Die MRT bestätigte das Vorhandensein einer unsegmentierten, hohlen, stabförmigen Struktur ( 5a ) mit Löchern, die entlang der Länge des Schwanzes verteilt waren ( 5b - 5e ).



Wissenschaftler stellen fest, dass ähnliche Löcher im regenerierten Schwanz zuvor in der grünen Eidechse ( Lacerta viridis ) gefunden wurden und als Kanäle für das Nachwachsen von Blutgefäßen und Axonen dienen. Im Alligatorschwanz befand sich die stabförmige Struktur ventral ( 5c - 5f ).





Bild Nr. 6



Die histologische Untersuchung der Struktur des Endoskeletts bestätigte, dass es eher aus Knorpel als aus Knochen besteht. Die Färbung des Trichromgewebes ergab eine avaskuläre kollagenreiche extrazelluläre Matrix (ECM), die dünn mit großen runden Chondrozyten besiedelt war, die in die Lücken * eingebettet waren ( 6a und schwarze Pfeile bei 6b ).
Lücken * - Lücken zwischen Gewebestellen.
Die Chondrozyten näher an der Grenzfläche zwischen Knorpel und umliegendem Bindegewebe waren kleiner und dichter (weißer Pfeil bei 6b ).



IHC unter Verwendung von COL2A1-Kollagen identifizierte die Region ( 6c und 6d ), die den Knorpel vom darüber liegenden Bindegewebe trennt. In den Kontrollproben ( 6e und 6f ) wurden keine ähnlichen Formationen gefunden .





Bild Nr. 7



Die Präparation zeigte, dass der Skelettmuskel im nachgewachsenen Segment des Schwanzes nicht vorhanden war, und die Immunfärbung mit einem Antikörper, der einen muskelspezifischen Zellmarker erkannte, bestätigte dies ( 7a)und 7b gegen 3e und 3f ).



Die histologische Untersuchung ergab überschüssiges Hautkollagen sowie ein dichtes Netzwerk von unebenem fibrösem Bindegewebe, das nur spärlich mit mononukleären Zellen besiedelt war ( 7c und 7d ). Das ineinander verschlungene Glasfasernetz wurde mit Picrosirius Red rot gefärbt. Daraus folgt, dass es auf Kollagen basiert ( 7e und 7f ) .



Es wurde auch gefunden, dass größere Fasern zu Kollagen Typ I und kleinere zu Kollagen Typ III gehören ( 7 g)und 7h ). Ein ähnliches Muster wurde in allen Proben beobachtet. Der einzige Unterschied wurde in Probe A03 ( 7i ) gefunden, wo große Taschen von Adipozyten (Fettgewebe) vorhanden waren.



Im nachgewachsenen Schwanz befanden sich viele Axone und Blutgefäße unterschiedlicher Größe. Nervenbündel, dargestellt durch Axone in einer Hülle aus Bindegewebe, befanden sich häufig in unmittelbarer Nähe zueinander ( 7i und 7j ). Aufgrund des Fehlens von Skelettmuskeln kann davon ausgegangen werden, dass diese Nervenprozesse eher an der sensorischen Wahrnehmung als an den motorischen Fähigkeiten beteiligt sind.



Die Identifizierung der Blutgefäße erfolgte aufgrund ihrer charakteristischen Merkmale, wie dem Vorhandensein eines Lumens, das mit Endothelzellen und manchmal glatten Muskeln ausgekleidet ist ( 7k ). Zusätzlich wurden Erythrozyten in den Lumen größerer Gefäße gefunden, die bei Reptilien eine elliptische Form mit einem zentral gelegenen Kern haben ( 7l ).



Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.



Epilog



Regeneration ist eine erstaunliche, aber kontroverse Fähigkeit, die nicht allen lebenden Organismen auf der Erde innewohnt. Auf den ersten Blick hat die Regeneration gemeinsame funktionelle Wurzeln, bei näherer Betrachtung wird jedoch deutlich, dass es unterschiedliche Mechanismen ihrer Arbeit gibt.



In dieser Arbeit untersuchten Wissenschaftler die Regenerationsfähigkeit von Mississippi-Alligatoren. Wie Eidechsen können diese beeindruckenden Raubtiere ihren eigenen Schwanz wachsen lassen. Der Verlust dieses Gliedes erfolgt jedoch nicht aus freiem Willen (d. H. Es ist kein Beispiel für eine Autotomie), sondern ist das Ergebnis eines Traumas. Der Prozess der Wiederherstellung des verlorenen Schwanzes dauert viele Monate, und das Ergebnis unterscheidet sich stark vom Original in Aussehen und struktureller Zusammensetzung. In den Proben der nachgewachsenen Schwänze wurde kein Skelettmuskel gefunden. Stattdessen überwog Kollagen und bildete Knorpelgewebe. Trotzdem waren die Blutgefäße und Nervenenden ziemlich entwickelt.



Warum brauchen Alligatoren Regeneration? Es gibt viele Antworten auf diese Frage, wählen Sie eine, wie sie sagen. Erstens werden Alligatoren nicht mit Drei-Meter-Todesmaschinen geboren. Infolgedessen können sie in jungen Jahren Opfer des Angriffs großer Raubtiere werden und einen Teil des Schwanzes verlieren, den sie im Erwachsenenalter noch benötigen. Zweitens zeichnen sich Krokodile durch ihre blutige Konkurrenz aus. Wenn zwei Männer für eine Frau oder ein Territorium kämpfen, sind sie bereit, sich gegenseitig zu zerreißen, nur um das zu bekommen, was sie wollen. Gebrochene Gliedmaßen und abgebissene Schwänze sind häufige Verletzungen während eines Kampfes. Im ersten Fall, dem Ruhm der Evolution, wachsen Alligatorknochen ziemlich schnell zusammen. Im zweiten Fall tritt die Regeneration in die Szene ein.



Natürlich sind die Regenerationsfähigkeiten von Alligatoren alles andere als ideal. Die Tatsache, dass diese Art eine so einzigartige Fähigkeit besitzt, wirft jedoch die Frage auf: Warum haben die Vögel sie verloren? Mit anderen Worten, als einige Arten im Laufe der Evolution beschlossen, die Regeneration vollständig aufzugeben, während andere sie in irgendeiner Form beibehielten? Die Antworten auf diese Fragen müssen noch gefunden werden.



Derzeit führt jede Forschung zur Regeneration auf die eine oder andere Weise zur Medizin. Menschen haben leider (und vielleicht zum Glück) keine so starke Regeneration wie beispielsweise Eidechsen oder Hydras. Ja, unser Körper wird im Laufe der Zeit auf zellulärer Ebene bis zu einem gewissen Grad erneuert, aber dies ist nur eine physiologische Regeneration. Wenn wir eine reparative Regeneration erreichen könnten, würde dies nicht nur die Medizin, sondern auch das Leben eines Menschen als Spezies radikal verändern.



Vergessen Sie jedoch nicht, dass alles in der Natur aus einem bestimmten Grund geschieht. Evolution ist zwar verwirrend, komplex und manchmal unverständlich, aber immer noch ein verifizierter Prozess, bei dem alles aus irgendeinem Grund geschieht. Die Natur ähnelt einem Kartenhaus, in dem jeder Art ein bestimmter Ort zugeordnet ist. Wenn sich einer von ihnen plötzlich ändert, kann das fragile Gleichgewicht gestört sein und das Haus kann einstürzen.



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