Sechstes Kapitel. Vom Mechanismus des Lebens.
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I. Der Lebensvorgang.
A. Der Stoffwechsel des Biogens.
1. Das Biogen.
2. Die Frage nach der Rolle des Sauerstoffs im Stoffwechsel.
3. Der Biotonus.
B. Die Wirkung der Reize auf den Stoffwechsel des Biogens.
1. Die Veränderung des Biotonus unter dem Einfluß von Reizen.
2. Die Selbststeuerung des Stoffwechsels und das Massenwirkungsgesetz.
3. Funktioneller und cytoplastischer Stoffwechsel.
4. Die Interferenz von Reizwirkungen.
5. Die polaren Veränderungen des Biotonus und der Mechanismus der Achseneinstellung bei einseitiger Reizung.
II. Die Mechanik des Zelllebens.
A. Die Rolle des Kerns und Protoplasmas im Leben der Zelle.
1. Die Theorie von der Alleinherrschaft des Kerns in der Zelle.
2. Kern und Protoplasma als Glieder in der Stoffwechselkette der Zelle.
B. Ableitung der elementaren Lebensäußerungen aus dem Stoffwechsel der Zelle.
1. Die Stoffwechselmechanik der Zelle.
a) Stoffwechselschema der Zelle.
b) Mechanik der Aufnahme und Abgabe von Stoffen.
2. Die Formbildungsmechanik der Zelle.
a) Das Wachstum als Grundvorgang der Formbildung.
b) Entwicklungsmechanik.
c) Struktur und Flüssigkeit.
d) Vererbungsmechanik.
3. Die Mechanik des Energieumsatzes in der Zelle.
a) Der Energiekreislauf in der organischen Welt.
b) Das Prinzip des chemischen Energieumsatzes in der Zelle.
c) Die Energiequelle der Muskelarbeit.
d) Theorie der Kontraktions- und Expansionsbewegungen.
III. Die Verfassungsverhältnisse des Zellstaates.
A. Selbständigkeit und Abhängigkeit der Zellen.
B. Differenzierung und Arbeitsteilung der Zellen.
C. Zentralisation der Verwaltung.
Ein Prinzip, das schon die mythischen Vorstellungen der alten Kulturvölker in poetischer Personifikation als die Quelle des gesamten Weltlebens hinstellten, ist es, das auch nach dem Stande unserer heutigen wissenschaftlichen Erkenntnis den sämtlichen Lebensäußerungen zugrunde liegt. Es ist dasselbe Prinzip, das bei den meisten Völkern in der Allegorie eines wechselnden Kampfes zweier feindlicher Gewalten einen uralten Ausdruck gefunden hat. Es ist das Leben und Sterben, das der alte Aegypter in den Gestalten des HORUS und TYPHON personifizierte, es ist das Blühen und Welken, das der Germane in die Sage vom BALDUR und LOKI kleidete, es ist der Kampf des AHRIMAN mit dem ORMUZD, in dem sich der Perser den Wechsel des Guten mit dem Bösen im Leben versinnlichte, es ist der Zwiespalt zwischen GOTT und dem TEUFEL, in dem der mittelalterliche Christ das alles erschaffende, positive Element in seinem Gegensatz zum alles zerstörenden „Geist, der stets verneint“, erblickte, es ist endlich der ewige Wechsel von Werden und Vergehen, von Aufbau und Zerfall, der jedes lebendige Wesen beherrscht und alles Geschehen in ihm bedingt.
In der fortwährenden Bildung und Zersetzung von lebendiger Substanz haben wir den eigentlichen Lebensvorgang erkannt, der den Lebensäußerungen zugrunde liegt. Jetzt, nachdem wir diese Lebensäußerungen kennen gelernt, nachdem wir die Bedingungen, unter denen sie eintreten, untersucht, nachdem wir die Veränderungen, die sie unter dem Einfluß äußerer Einwirkungen erfahren, festgestellt haben, jetzt sind wir an dem Punkte angelangt, wo wir versuchen müssen, auf Grund der uns bis jetzt bekannten Lebensäußerungen den Ablauf des in der lebendigen Substanz sich abspielenden Lebensvorganges in seinem Zusammenhange theoretisch zu konstruieren und umgekehrt die Gesamtheit der uns bekannten Lebensäußerungen aus dem theoretisch konstruierten Lebensvorgangs mechanisch verständlich zu machen, denn die Erforschung des Lebensmechanismus bildet den Kernpunkt der ganzen Physiologie.
I. Der Lebensvorgang.
Die Erfahrungen über die einzelnen Momente des Stoffwechsels der lebendigen Substanz sind, wie uns unsere frühere Behandlung dieses Gegenstandes[590] gezeigt hat, bisher leider noch sehr lückenhaft. Es liegt daher in der Natur der Sache, daß wir von einer vollständigen Erforschung des Mechanismus der Lebensäußerungen noch weit entfernt sind, und daß wir uns diesem Ziele in der Physiologie nur langsam nähern können. Ein wesentlicher Fortschritt in dieser Richtung ist aber nur von dem eingehenden Studium der Vorgänge in der Zelle zu erwarten, denn die Zelle ist der Ort, wo der Lebensvorgang selbst seinen Sitz hat, und wo wir bereits die sämtlichen Lebensäußerungen in ihrer einfachsten Form vorfinden. Nur in dem Maße, wie sich die Organphysiologie mehr und mehr in zellularphysiologischem Sinne vertieft, können wir daher hoffen, der Erkenntnis des feineren Lebensmechanismus wesentlich näher zu rücken. In dieser Richtung sind aber bisher nur die ersten Schritte getan.
Versuchen wir es also dennoch, uns auf Grund der bisherigen Erfahrungen, soweit es möglich ist, ein Bild von dem Lebensvorgang in der lebendigen Substanz zu machen, so kann es begreiflicherweise nur eine Skizze sein, in der die allgemeinsten Momente in groben Zügen angedeutet sind, eine Skizze, die aber für eine planmäßige Weiterforschung unabweisbares Bedürfnis und notwendige Grundlage ist.
A. Der Stoffwechsel des Biogens.
1. Das Biogen.
Wir haben in einem früheren Kapitel gesehen, daß die Charakteristik der lebendigen Organismen den scheintoten sowohl wie den toten gegenüber, ganz allgemein betrachtet, in dem Stoffwechsel liegt, dessen Ausdruck eben die Lebensäußerungen sind. Es ist aber notwendig, von dieser allgemeinen Tatsache aus noch einen Schritt weiter zu gehen.
Wenn wir uns erinnern, daß wir bei der Feststellung der chemischen Verbindungen, welche die lebendige Substanz zusammensetzen, ausschließlich auf die Untersuchung der toten Zelle angewiesen waren, so bleiben uns jetzt zur Vervollständigung unseres Bildes von der lebendigen Substanz noch zwei Fragen zu beantworten, nämlich erstens: Kommen die chemischen Verbindungen, die wir in der toten Zelle gefunden haben, auch in der lebendigen Zelle als solche vor? — und zweitens: Haben wir in der lebendigen Zelle noch andere Verbindungen, die in der toten Zelle nicht mehr vorhanden sind, die also mit dem Leben der Zelle untrennbar verbunden waren?
Die erste dieser Fragen ist verhältnismäßig leicht zu entscheiden. Eine sorgfältige Vergleichung besonders der geformten Körper, die als Reservestoffe lange Zeit unverändert in der lebendigen Zelle zu finden sind, mit den entsprechenden Stoffen der toten Zelle zeigt uns, daß sowohl Körper der Eiweißgruppe, als Kohlehydrate, als auch Fette, also die drei Hauptgruppen der organischen Verbindungen, und ebenso deren Zersetzungsprodukte, kurz die wesentlichen Stoffe, die wir in der toten Zelle gefunden haben, sämtlich auch in der lebendigen Zelle vorkommen.
Es bleibt also nur die Frage übrig, ob daneben auch noch Verbindungen in der lebendigen Substanz existieren, die sich beim Tode der Zelle zersetzen, so daß sie in der toten Zelle nicht mehr zu finden sind. Eine Vergleichung des chemischen Verhaltens der lebendigen und der toten Zellsubstanz zwingt uns in der Tat zu dieser Annahme. Die physiologische Chemie hat gezeigt, daß zwischen der lebendigen und der toten Zellsubstanz ganz wesentliche chemische Unterschiede existieren, Unterschiede, die beweisen, daß die lebendige Substanz beim Sterben tiefgreifende chemische Veränderungen erfährt. Ein weit verbreiteter Unterschied zwischen der lebendigen und der toten Zellsubstanz besteht z. B. in ihrer Reaktion. Die fast ausnahmslos alkalische oder neutrale Reaktion der lebendigen Substanz geht mit dem Tode in der Regel in die saure Reaktion über. Sehr bemerkenswerte Veränderungen erfahren ferner gewisse Eiweißkörper, die in der lebendigen Zellsubstanz in Lösung sind, wie z. B. das Myosin des Muskels. Diese Eiweißkörper gerinnen mit dem Tode und gehen in den festen Zustand über, der für weitere chemische Umsetzungen sehr ungeeignet ist. Aehnliche Veränderungen beim Sterben der lebendigen Substanz hat uns die physiologische Chemie in größerer Zahl gezeigt. Alle diese Erfahrungen beweisen aber, daß in der lebendigen Substanz gewisse chemische Verbindungen beim Absterben Umsetzungen erfahren, so daß in der Tat in der lebendigen Zellsubstanz Stoffe existieren, die in der toten Zellsubstanz nicht mehr zu finden sind.
Der Umstand, daß diese chemischen Verbindungen nur in der lebendigen Substanz vorhanden sind und mit dem Tode zerfallen, zwingt uns zu dem Schluß, daß der Lebensvorgang aufs engste mit ihrer Existenz verknüpft sein muß. Eine wichtige Eigenschaft dieser Stoffe ist jedenfalls ihre große Neigung zu Umsetzungen, die für das Leben ein unentbehrliches Moment bildet. Wenn wir daran denken, wie geringe Veränderungen der Lebensbedingungen es sind, die den Tod der lebendigen Substanz herbeiführen können, wie fast alle chemischen Stoffe, die überhaupt in Wasser löslich sind, in chemische Wechselwirkung mit der lebendigen Zellsubstanz treten, während sich die tote Zellsubstanz gegen die gleichen Einwirkungen vielfach ganz indifferent verhält, so müssen wir sagen, daß die Stoffe, welche die lebendige gegenüber der toten Zellsubstanz auszeichnen, eine sehr lockere chemische Konstitution besitzen.
Noch viel deutlicher werden wir zu diesem Schluß gedrängt, wenn wir die Tatsache des Stoffwechsels ins Auge fassen. Der Stoffwechsel zeigt uns, daß die lebendige Zellsubstanz fortwährend zerfällt und sich neu bildet, wie aus der fortwährenden Abgabe und Aufnahme von Stoffen hervorgeht. Demgegenüber können wir die tote Zellsubstanz unter günstigen Bedingungen außerordentlich lange aufbewahren, ohne daß sie nur eine Spur von den Stoffen ausscheidet, welche die lebendige Zellsubstanz dauernd abgibt. Es muß also die lebendige Zellsubstanz gegenüber der toten durch den Besitz von Atomkomplexen ausgezeichnet sein, die sehr große Neigung zu chemischen Umsetzungen haben und sich dauernd von selbst zersetzen. Die große Labilität dieser Atomkomplexe geht ferner auch aus der Tatsache hervor, daß ihre Umsetzungen durch geringe Einwirkungen von außen noch bedeutend gesteigert werden können, wie die Erregung des Stoffwechsels durch Reize deutlich zeigt. Da aber der Stoffwechsel den eigentlichen Lebensvorgang bildet, so sehen wir ohne weiteres, daß das Leben direkt auf der Existenz dieser labilen Atomkomplexe beruht. Es ist daher gerechtfertigt, auf diese Stoffe näher einzugehen und ihrer Natur noch etwas weiter nachzuforschen.
Beim Aufsuchen dieser bedeutsamen Verbindungen lassen wir uns am besten von der Art der beim Stoffwechsel ausgeschiedenen Zersetzungsprodukte leiten. Da finden wir, daß sich unter anderen Stoffen, wie Kohlensäure, Wasser, Milchsäure etc., die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, auch Verbindungen finden, die stickstoffhaltig sind. Die stickstofffreien Zersetzungsprodukte könnten möglicherweise aus der Zersetzung von Kohlehydraten, Fetten etc. stammen, die stickstoffhaltigen dagegen können nur aus der Umsetzung von Eiweißkörpern oder ihren Derivaten hervorgehen, denn diese sind die einzigen stickstoffhaltigen Körper, die in jeder lebendigen Substanz vorhanden sind. Dieser wichtige Umstand lenkt unsere Aufmerksamkeit also zunächst auf die Eiweißkörper.
Daß wir damit in der Tat auf dem richtigen Wege sind, wird sofort klar, wenn wir uns hier an die Reihe von Erfahrungen über die Eiweißkörper erinnern, die wir im Laufe unserer früheren Betrachtungen gewonnen haben. Diese Erfahrungen zeigen uns zweifellos, daß es die Eiweißkörper sind, die im Mittelpunkt des ganzen organischen Lebens stehen.
Eine wichtige Tatsache ist schon die, daß die Eiweißkörper in allen Fällen, in denen nicht große Mengen von Reservestoffen, wie Fett, Stärke, Glykogen etc., in der Zelle aufgehäuft sind, bei weitem die größte Masse der organischen Verbindungen in der lebendigen Substanz ausmachen. Das weist bereits darauf hin, daß sie eine bedeutsame Rolle im Leben der Zelle spielen müssen. Die dominierende Stellung der Eiweißkörper unter den chemischen Verbindungen der lebendigen Substanz wird aber ohne weiteres klar durch den Umstand, daß die Eiweißkörper die einzigen Stoffe sind, die ausnahmslos mit Sicherheit in jeder Zelle gefunden werden können. Dazu kommt ferner, daß die Eiweißkörper und ihre Verbindungen von allen wichtigeren Stoffen der Zelle die höchste Komplikation ihrer chemischen Zusammensetzung aufweisen, daß die Eiweißkörper und ihre Verbindungen die größte Anzahl verschiedenartiger Atome in ihren Molekülen vereinigen. Dieser dominierenden Stellung der Eiweißkörper in der lebendigen Substanz entsprechen denn auch die Erfahrungen, die wir über die chemischen Beziehungen der stickstofffreien organischen Stoffe, vor allem der Kohlehydrate und Fette, zu den Eiweißkörpern gewonnen haben, denn wir wissen, daß diese Stoffe, soweit wir ihr Schicksal überhaupt kennen, entweder zum Aufbau des Eiweißmoleküls verbraucht werden oder aus den Umsetzungen des Eiweißmoleküls hervorgehen. Das erstere zeigt uns naturgemäß am deutlichsten die Pflanze, in der ja überhaupt alle organischen Verbindungen erst synthetisch aus einfacheren anorganischen Stoffen hergestellt werden. In der grünen Pflanzenzelle sehen wir aus Kohlensäure und Wasser das erste organische Produkt, den Traubenzucker resp. die Stärke, synthetisch entstehen. Diese Kohlehydrate bilden die organische Grundlage, aus der auf kompliziertem, zum Teil noch unbekanntem Wege unter Mithilfe der aus dem Boden aufgenommenen stickstoff- und schwefelhaltigen Salze sich das Eiweißmolekül synthetisch entwickelt. Sehen wir einerseits in der Pflanze am deutlichsten, wie die verschiedenen Stoffe zum Aufbau des Eiweißmoleküls dienen, so können wir uns andererseits im Tier am besten von der Tatsache überzeugen, daß die wichtigsten stickstofffreien Atomgruppen der lebendigen Substanz, vor allem wieder die Kohlehydrate, auch aus dem Zerfall des Eiweißmoleküls stammen können[591]. So hat schon CLAUDE BERNARD und später V. MERING an Hunden, die durch Hungern glykogenfrei gemacht waren, bewiesen, daß nach Eiweißnahrung wieder Glykogen in größerer Menge gebildet wird, daß also dieses Kohlehydrat aus Umsetzung des Eiweißes hervorgehen kann. So hat ferner GAGLIO festgestellt, daß die Milchsäure im Körper aus dem Umsatz des Eiweißmoleküls stammt, da ihre Menge im Blut nur von der Menge des verzehrten Eiweißes abhängig ist. Von den stickstoffhaltigen Ausscheidungsprodukten des Körpers liegt es aber ohne weiteres auf der Hand, daß sie nur aus dem Umsatz von Stoffen der Eiweißgruppe herrühren können, da sonst unter den allgemeinen organischen Verbindungen der lebendigen Substanz keine stickstoffhaltigen weiter vorhanden sind. Den schlagendsten Beweis aber dafür, daß überhaupt alle Stoffe, sowohl stickstofffreie wie stickstoffhaltige, die in der lebendigen Substanz der Zelle zum Leben notwendig sind, aus chemischen Umsetzungen der Eiweißkörper stammen können, liefert uns eine der bedeutsamsten Tatsachen der Physiologie, das ist die schon seit langer Zeit bekannte Möglichkeit, Fleischfresser mit reiner Eiweißnahrung dauernd am Leben und, wie PFLÜGER[592] gezeigt hat, bei großer Leistungsfähigkeit erhalten zu können. Keine Tatsache beleuchtet besser als diese die zentrale Stellung des Eiweißmoleküls im Lebensprozeß.
Ergibt sich also auf der einen Seite aus der Tatsache des Stoffwechsels die Existenz sehr labiler Verbindungen in der lebendigen Substanz, mit deren Anwesenheit das Leben untrennbar verknüpft ist, so sehen wir auf der anderen Seite, daß es die Eiweißkörper sind, deren Vorhandensein die allgemein notwendige Voraussetzung und den Angelpunkt des Lebens bildet. Suchen wir aber diese beiden Momente miteinander zu vereinigen, so entsteht die Forderung, in der lebendigen Zellsubstanz neben den bekannten Eiweißkörpern, die sich auch in der toten Zellsubstanz vorfinden, noch gewisse Eiweißkörper oder Verbindungen von Eiweißkörpern anzunehmen, die nur im Leben vorhanden sind und mit ihrem Zerfall das Leben beschließen.
Totes Eiweiß, wie wir es etwa im toten Hühnerei finden, oder wie es z. B. in Form von Vitellinen in größerer Menge auch in lebendigen Eizellen aufgespeichert ist, können wir, wenn es vor Bakterien geschützt ist, außerordentlich lange stehen lassen, ohne daß die geringste Zersetzung daran auftritt. Dagegen zersetzen sich gewisse Eiweißkörper oder Eiweißverbindungen der lebendigen Substanz fortwährend von selbst, auch wenn sich die letztere unter völlig normalen Bedingungen befindet, und die geringste Einwirkung von Reizen steigert die Zersetzung noch mehr, wie aus den abgegebenen Zerfallsprodukten hervorgeht. PFLÜGER[593] hat daher, wie wir bereits an anderer Stelle[594] gesehen haben, schon vor längerer Zeit in seiner inhaltreichen Arbeit über die Oxydation in der lebendigen Substanz auf diesen wichtigen Unterschied zwischen dem Eiweiß in der toten und dem Eiweiß in der lebendigen Zellsubstanz aufmerksam gemacht und das letztere als „lebendiges Eiweiß“ vom toten Eiweiß scharf getrennt. Der fundamentale Unterschied zwischen dem toten und dem „lebendigen Eiweiß“ besteht eben darin, daß das tote Eiweiß sich in einem stabilen Gleichgewichtszustande befindet, während das lebendige Eiweiß eine sehr labile Konstitution besitzt.
Wenn wir so mit PFLÜGER zu der Annahme eines „lebendigen Eiweißes“ geführt werden, das die lebendige Zellsubstanz von der toten unterscheidet, und auf dessen lockerer Konstitution der Schwerpunkt des ganzen Lebens beruht, so müssen wir uns doch sagen, daß dieses sogenannte „lebendige Eiweiß“ ein Körper von wesentlich anderer Zusammensetzung sein muß als die toten Eiweißkörper, wenn auch, wie aus der Beschaffenheit seiner Zersetzungsprodukte hervorgeht, gewisse charakteristische Atomgruppen der Eiweißkörper in ihm enthalten sind. Die große Labilität, die ihn den anderen Eiweißkörpern gegenüber auszeichnet, kann nur bedingt sein durch eine wesentlich andere Konstitution. Ferner wird ein kritischer Kopf mit Recht Anstoß daran nehmen, diese hypothetische Verbindung, die im Mittelpunkt des Lebensprozesses steht, als ein „lebendiges Eiweißmolekül“ zu bezeichnen, denn es liegt ein gewisser Widerspruch darin, ein Molekül als lebendig zu bezeichnen. Lebendig kann nur etwas sein, was Lebensäußerungen zeigt. Der Ausdruck „lebendige Substanz“ ist daher wohl gerechtfertigt, denn die lebendige Substanz als Ganzes läßt ja Lebensäußerungen sehen. Ein Molekül aber kann schlechterdings keine Lebensäußerungen zeigen, solange es als solches existiert; denn treten irgendwelche Veränderungen an ihm auf, so ist es schon nicht mehr das ursprüngliche Molekül, und bleibt es als Molekül unverändert, so fehlen eben die Lebensäußerungen an ihm. Die Lebensäußerungen, die ja auf chemischen Vorgängen beruhen, können nur mit dem Aufbau oder mit dem Zerfall des betreffenden Moleküls verbunden sein, und so ist es aus doppelten Gründen wohl gerechtfertigt, die Verbindung, die im Angelpunkt des Lebens steht, mit einem anderen Namen zu belegen. Um einerseits diesen Körper von den toten Eiweißkörpern zu unterscheiden und anderseits seine hohe Bedeutung für das Zustandekommen der Lebensäußerungen anzudeuten, scheint es zweckmäßig, den Namen „lebendiges Eiweiß“ zu ersetzen durch die Bezeichnung „Biogen“. Die Ausdrücke „Plasmamolekül“, „Plassonmolekül“, „Plastidul“ etc., die ELSBERG[595] und HAECKEL[596] angewendet haben, und die sich begrifflich nur in manchen Punkten mit dem Ausdruck „Biogenmolekül“ decken, sind insofern weniger zweckmäßig, als sie leicht den Anschein erwecken, daß das Protoplasma ein chemisch einheitlicher Körper wäre, der aus lauter gleichartigen Molekülen bestände, eine Anschauung, die ausdrücklich zurückgewiesen werden muß. Protoplasma ist ein morphologischer Begriff, kein chemischer[597]. Die Biogene aber bilden eine Gruppe von chemischen Verbindungen.
Was wir von den Biogenen sagen können, ist außerordentlich wenig, und wir dürfen uns nicht verhehlen, daß wir uns hier bereits auf vollkommen hypothetischem Boden befinden. Allein, da wir noch nicht einmal die Konstitution der Eiweißkörper selber vollständig kennen, die wir doch jeden Augenblick chemisch zu untersuchen in der Lage sind, ist es begreiflich, daß wir über das hypothetische Biogen, dessen Existenz und Zusammensetzung wir überhaupt nur aus Zerfallsprodukten der lebendigen Substanz erschließen können, noch viel weniger Erfahrungen besitzen. Was wir von ihm behaupten können, ist eigentlich nur seine ungemeine Labilität, die ihm eine gewisse Aehnlichkeit mit explosiblen Körpern gibt.
Die Hypothese, daß in der lebendigen Substanz leicht zersetzliche stickstoffhaltige Verbindungen eine wichtige Rolle spielen, ist schon lange vor PFLÜGERs bekannten Erörterungen speziell für den Muskel von HERMANN gemacht worden. Auch hat HERMANN bereits andere wesentliche Punkte der Biogenhypothese klar ausgesprochen. Mit der Frage nach der speziellen Natur und chemischen Zusammensetzung dieser höchst zersetzlichen Verbindungen hat sich dann PFLÜGER in besonders eingehender Weise beschäftigt. Etwas später haben DETMER, F. J. ALLEN u. a. die gleiche Frage behandelt.
Auf Grund seiner Untersuchungen über den Gaswechsel der Muskeln ist HERMANN[598] schon im Jahre 1867 dazu gelangt, einige wesentliche Punkte der Biogenhypothese auszusprechen. HERMANN kam zu dem Schluß, daß in der lebendigen Substanz der Muskeln eine zersetzliche organische Verbindung vorhanden sei, die bei der Tätigkeit in einen stickstoffhaltigen und in einen stickstofffreien Komplex zerfalle. Der erstere habe die Fähigkeit, sich synthetisch wieder zu der ursprünglichen Verbindung zu ergänzen, der letztere dagegen trete in der Form der bekannten Stoffwechselprodukte, vor allem der Kohlensäure, aus der lebendigen Substanz aus. Diese allgemeinen Punkte der HERMANNschen Annahme bilden in der Tat den wichtigsten Bestandteil der Biogenhypothese, während manche andere Erwägungen HERMANNs heute wohl nicht mehr ganz zutreffen.
Etwas spezieller suchte PFLÜGER[599] in die Natur des Biogens einzudringen. PFLÜGER hat in geistreicher Weise gewisse Tatsachen zu verwerten gesucht, um daraus Schlüsse auf einzelne Eigentümlichkeiten des Biogens zu gewinnen, die auch die große Labilität des Biogenmoleküls gegenüber dem toten Eiweißmolekül verständlich machen sollen. Der Ausgangspunkt für PFLÜGERs Erörterungen ist eine Vergleichung der Zersetzungsprodukte, die fortwährend von selbst entstehen bei der Oxydation des „lebendigen“ Eiweißes, wie sie in der Atmung stattfindet, mit denen, die durch künstliche Oxydation des toten Eiweißes gewonnen werden. Dabei zeigt sich ihm die wichtige Tatsache, daß die stickstofffreien Zersetzungsprodukte in beiden Fällen im wesentlichen übereinstimmen, während die stickstoffhaltigen nicht die geringste Aehnlichkeit besitzen. „Daraus folgt zunächst, daß das lebendige Eiweiß im Bereiche seiner Kohlenwasserstoff-Radikale nicht wesentlich verschieden vom Nahrungseiweiß ist.“ Der wichtige Unterschied zwischen beiden liegt vielmehr nach PFLÜGER in der Anordnung der stickstoffhaltigen Atomgruppen. Prüfen wir aber die stickstoffhaltigen Zersetzungsprodukte des lebendigen Eiweißes, wie Harnstoff, Harnsäure, Kreatin etc., sowie die Nukleinbasen: Adenin, Hypoxanthin, Guanin und Xanthin, so finden wir, sagt PFLÜGER, daß sie im Gegensatz zu den stickstoffhaltigen Zerfallsprodukten, die bei Oxydation des toten Eiweißes auftreten, teils aus Cyanverbindungen künstlich hergestellt werden können, teils selbst das Cyan CN als Radikal enthalten. Es ist also für PFLÜGER im höchsten Grade wahrscheinlich, daß der Kohlenstoff und der Stickstoff im Biogenmolekül zu Cyan vereinigt sind, ein Radikal, das den toten Eiweißkörpern fehlt. Damit wäre ein ganz fundamentaler Unterschied in der Konstitution des Biogens oder, besser, der Biogene, denn es handelt sich ja zweifellos in den verschiedenen Formen der lebendigen Substanz um verschiedenartige Körper der Biogengruppe, und der toten Eiweißkörper gegeben, der auch die große Labilität des Biogenmoleküls erklären würde, denn das Cyan ist ein Radikal, das eine große innere Energiemenge enthält, so daß die Cyanverbindungen sämtlich starke Neigung zum Zerfall besitzen. Der letztere Umstand gibt uns auch nach PFLÜGERs Vorstellung ein Verständnis des Atmungsprozesses, denn wenn bei den Bewegungen der Atome im Biogenmolekül zwei Sauerstoffatome in den Bereich des sehr labilen Cyanradikals kommen, so wird sich bei den lebhaften intramolekularen Schwingungen des Kohlenstoff- und Stickstoffatoms im Cyan das Kohlenstoffatom mit denselben zu dem sehr stabilen Kohlensäuremolekül vereinigen. In der Tat ist auch das Cyan sehr leicht verbrennlich und liefert Kohlensäure bei der Verbrennung. So stellt sich PFLÜGER vor, daß die fortwährende Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlensäure seitens der lebendigen Substanz auf der Anwesenheit des Cyanradikals beruht, und daß der intramolekulare Sauerstoff die Zersetzbarkeit der lebendigen Substanz wesentlich mit bedingt. Diese Betrachtungen bieten einen Anhaltspunkt für die Art und Weise, wie die Bildung eines Biogenmoleküls aus der aufgenommenen Nahrung in der tierischen Zelle erfolgt. Das mit der Nahrung eingeführte tote Eiweißmolekül erfährt in der Zelle nach PFLÜGERs Meinung durch Mitwirkung des schon vorhandenen Biogens eine Umlagerung seiner Atome in der Weise, daß unter Wasseraustritt sich immer ein Stickstoffatom mit je einem Kohlenstoffatom zum Cyanradikal gruppiert. Die Veränderungen, die dabei notwendig im Bereich der übrigen Atomgruppen des Eiweißmoleküls auftreten, entziehen sich zwar vorläufig ganz unserer Kenntnis, scheinen aber, wenn man nach der wesentlichen Uebereinstimmung der stickstofffreien Zersetzungsprodukte des lebendigen und des toten Eiweißes urteilen darf, nicht von einschneidender Bedeutung zu sein. Durch die intramolekulare Einfügung des eingeatmeten Sauerstoffs gelangt schließlich das Biogenmolekül auf den Höhepunkt seiner Zersetzbarkeit, so daß es nur sehr geringer Anstöße bedarf, um die Vereinigung der Sauerstoffatome mit dem Kohlenstoffatom des Cyans herbeizuführen. Das Material der bei dem explosiven Zerfall des Biogenmoleküls abgesprengten stickstofffreien Atomgruppen kann vom Rest des Biogenmoleküls leicht wieder auf Kosten der in der lebendigen Substanz vorhandenen Kohlehydrate und Fette, die solche Gruppen enthalten, regeneriert werden, und in der Tat sehen wir ja auch, daß die letzteren zum Aufbau der Eiweißkörper verbraucht werden. „Das ist wahrscheinlich die wesentliche Bedeutung dieser Satelliten des Eiweißmoleküls“, wie PFLÜGER sehr treffend die Kohlehydrate und Fette bezeichnet. Stirbt die lebendige Substanz endlich ab, so geht die labile cyanartige Bindung des Stickstoffs unter Wasseraufnahme wieder in den stabileren Zustand des Ammoniakradikals über, indem sich der Stickstoff mit dem Wasserstoff des Wassers vereinigt. Dann haben wir wieder die stabilen Verbindungen des toten Eiweißes, wie es zur Nahrung gedient hat. Das sind nach PFLÜGER in kurzem einige wesentliche Punkte von dem abgekürzten Wege, den die Nahrung bis zum Aufbau des Biogenmoleküls in der tierischen Zelle durchläuft. Der viel längere Weg, der in der Pflanzenzelle von der Aufnahme der einfachsten anorganischen Verbindungen über die Synthese der ersten Kohlehydrate bis zum Aufbau der Biogene führt, ist zurzeit noch in viel größeres Dunkel gehüllt.
Wir haben schon an anderer Stelle[600] gesehen, daß die Begründung, die PFLÜGER seiner Cyanhypothese gibt, heute nicht mehr stichhaltig ist. Mag man aber über die Frage, ob im Biogenmolekül eine Cyangruppe steckt oder nicht, denken wie man will, so handelt es sich doch dabei immer nur um einen Punkt von speziellerem Interesse. Die allgemeinen Erörterungen PFLÜGERs, die sich mit den von HERMANN geäußerten Ansichten im wesentlichen decken, bleiben dadurch unberührt.
Auf pflanzenphysiologischem Gebiet ist besonders DETMER[601], ausgehend von dem Atmungsprozeß der Pflanzen, durch eine Reihe von ausgezeichneten Untersuchungen, wenn auch nicht zur Cyanhypothese, so doch zu allgemeinen Anschauungen gekommen, ähnlich denen, die PFLÜGER aus dem Vergleich des toten Eiweißes und der lebendigen Substanz gewonnen hat. Nur in einem wichtigen Punkte weicht DETMER in seinen Anschauungen von HERMANN und PFLÜGER ab, nämlich in bezug auf die Oxydationsprozesse. DETMER nimmt zwar ebenfalls an, daß das Biogenmolekül beim Stoffwechsel in einen stickstofffreien und einen stickstoffhaltigen Atomkomplex zerfällt, aber er läßt die Oxydation erst diesem Zerfall folgen. Die Biogenmoleküle besitzen nach ihm von vornherein schon eine sehr labile Konstitution und zersetzen sich daher fortwährend von selbst, und zwar in einen stickstoffhaltigen Atomkomplex, der sich wieder zum vollständigen Molekül regeneriert, und in einen stickstofffreien, der nunmehr erst der Oxydation unterliegt und dabei die charakteristischen Verbrennungsprodukte der lebendigen Substanz liefert. In dieser Auffassung von der Rolle des Sauerstoffs trifft DETMER mit VOIT[602] zusammen und neuerdings hat sich auch WINTERSTEIN[603] dieser Auffassung angeschlossen.
Schließlich hat F. J. ALLEN[604] vor kurzem einige allgemeinere Vermutungen über die Natur der Biogenmoleküle geäußert, die bereits an anderer Stelle[605] ausführlich berücksichtigt wurden. Hier sei daher nur noch einmal kurz darauf hingewiesen, daß nach ALLEN die Labilität des Biogenmoleküls wesentlich auf den Eigenschaften des in ihm enthaltenen Stickstoffs beruht, der im Kern des Biogenmoleküls gelegen ist und den bei der Atmung aufgenommenen Sauerstoff zunächst locker an sich bindet. Dem Stickstoff wird dann bei den intramolekularen Schwingungen der Atome der Sauerstoff immer wieder von den stärkeren Affinitäten des Kohlenstoffs und Wasserstoffs entrissen, dabei entstehen die charakteristischen Dissoziationsprodukte der lebendigen Substanz, wie Kohlensäure und Wasser.
Schließlich hat man neuerdings[606] den Grundgedanken der „Biogenhypothese“ in ausführlicher Weise durch neues Tatsachenmaterial zu begründen und weiter auszubauen und dabei zugleich die außerordentliche Fruchtbarkeit der Biogenhypothese für die Erklärung der elementaren Lebensäußerungen an paradigmatischen Beispielen zu demonstrieren gesucht.
Heben wir aus allen diesen Spekulationen die gemeinsamen Momente heraus, und lassen wir dabei alle Vermutungen über die speziellere chemische Konstitution der Biogene als vorläufig entbehrlich fort, so gewinnen wir gewissermaßen als Niederschlag aus den betreffenden Untersuchungen eine Hypothese, welche die wichtigsten und wesentlichsten Ergebnisse in sich vereint, und welche in dieser allgemeinen Form nicht bloß eine sehr große Wahrscheinlichkeit, sondern auch eine ungemeine Fruchtbarkeit als Arbeitshypothese besitzt.
Nach dieser Biogenhypothese nehmen wir an, daß der Stoffwechsel der lebendigen Substanz, der den Kernpunkt des ganzen Lebens bildet, bedingt ist durch die Existenz gewisser, sehr labiler Verbindungen, die zur Gruppe der Eiweißkörper gehören und wegen ihrer elementaren Bedeutung für das Leben am besten als „Biogene“ bezeichnet werden. Das Biogen zerfällt in gewissem Maße fortwährend von selbst, wie sich auch andere organische Körper, z. B. die Blausäure, fortwährend von selbst zersetzen. Bedeutend umfangreicher aber wird der Zerfall des Biogens, wenn auch nur geringe äußere Reize auf die lebendige Substanz einwirken. Wir haben uns den Zerfall etwa so zu denken, daß bei den äußerst lebhaften intramolekularen Schwingungen der Atome, die den labilen Zustand bedingen, gewisse Atome teils von selbst, teils infolge äußerer Reizanstöße in die Wirkungssphäre anderer geraten, zu denen sie größere Affinität besitzen als zu ihren ursprünglichen Nachbarn, so daß auf diese Weise stabilere Atomgruppierungen entstehen und als selbständige Verbindungen austreten. Wir können die Biogene in dieser Beziehung den explosiblen Körpern vergleichen, die ebenfalls einen sehr labilen Gleichgewichtszustand ihrer Atome besitzen und bei Erschütterungen explodieren, d. h. ihre Atome in stabilere Bindungen übergehen lassen, wie z. B. das zum Dynamit verwendete Nitroglyzerin oder Salpetersäure-Triglyzerid, das auf mechanische Stöße oder elektrische Schläge hin in Wasser, Kohlensäure, Stickstoff und Sauerstoff zerfällt:
2 C3H5(ONO2)3 = 5 H2O + 6 CO2 + 6 N + O.
Allein, den anderen explosiblen Körpern gegenüber müssen wir offenbar dem Biogen die Eigentümlichkeit beilegen, daß im funktionellen Stoffwechsel nicht das ganze Molekül beim Zerfall zugrunde geht, sondern daß nur gewisse, durch die Umlagerung sich bildende, und zwar stickstofffreie, Atomgruppen abgesprengt werden, während sich der zurückbleibende stickstoffhaltige „Biogenrest“ auf Kosten der in seiner Umgebung befindlichen Stoffe wieder zu einem vollständigen Biogenmolekül regeneriert, ebenso wie sich bei der Fabrikation der englischen Schwefelsäure[607] die aus der Salpetersäure durch Abgabe von Sauerstoff entstandene Untersalpetersäure mit Hilfe des Sauerstoffs der Luft immer wieder zu Salpetersäure regeneriert. Die neben dem Biogen in der lebendigen Substanz noch vorhandenen Stoffe sind nur die „Satelliten“ der Biogenmoleküle und dienen entweder zum Aufbau oder stammen aus den Umsetzungen derselben. Ihre Vorbereitung resp. Weiterverarbeitung geschieht zum großen Teil durch Enzyme. Es sind bisher keine Stoffe in der lebendigen Substanz bekannt geworden, die nicht zu der Geschichte des Biogens in irgendwelcher näheren oder weiteren Beziehung ständen. Dagegen müssen wir aus der Verschiedenheit der Zersetzungsprodukte, die von verschiedenen Zellformen im Stoffwechsel der lebendigen Substanz ausgeschieden werden, mit größter Wahrscheinlichkeit folgern, daß das Biogenmolekül nicht in allen Zellen genau die gleiche chemische Zusammensetzung hat, sondern daß es verschiedene Biogenkörper gibt, und daß sogar nicht bloß die Biogene verschiedener Zellen, sondern auch verschiedener Differenzierungen derselben Zelle, wie z. B. des Exoplasmas, der Myoide oder kontraktilen Fäden, der Muskelfibrillen, der Wimpern etc., auch verschiedene Konstitution haben werden, wenn sie auch im wesentlichen Bau übereinstimmen. Die Biogene sind demnach die eigentlichen Träger des Lebens. In dem fortwährenden Zerfall und Wiederaufbau derselben besteht der Vorgang des Lebens, dessen Ausdruck die mannigfachen Lebensäußerungen sind.
2. Die Frage nach der Rolle des Sauerstoffs im Stoffwechsel.
Stellen wir uns auf Grund der Biogenhypothese vor, daß die Lebensvorgänge beruhen auf dem fortwährenden Aufbau und Zerfall einer komplizierten und sehr labilen chemischen Verbindung, so liefert uns diese Hypothese zunächst nur einen rein methodischen Gewinn. Das Hypothetische in ihr liegt lediglich darin, daß wir das, was wir von der lebendigen Substanz als Tatsache kennen, d. h. den Stoffwechsel, verlegen in eine einheitliche chemische Verbindung, und daß wir alles Geschehen in der lebendigen Substanz an diesen Stoffwechsel der Biogene angliedern. Damit ist in methodischer Beziehung der große Vorteil der Klarheit eines einfachen Schemas verknüpft, an das sich weitere Fragestellungen und neue Tatsachen leicht ankristallisieren. Mag sich dieses Schema im Anschluß an neue Erfahrungen allmählich mehr und mehr ändern und komplizieren, wie es unausbleiblich ist, ja, mag es allmählich so umgestaltet werden, daß es schließlich ein ganz anderes wird als es ursprünglich war, so hat es doch als Schema seine Dienste getan und als Arbeitshypothese zu neuen Erfahrungen geführt. Jedes Schema ist von vornherein falsch und doch können wir nicht ohne Schemata zu richtiger Erkenntnis gelangen. Ein fruchtbarer Irrtum aber ist mehr wert für die Entwicklung der menschlichen Erkenntnis als eine unfruchtbare Wahrheit. Von diesem Gesichtspunkte aus will die Biogenhypothese beurteilt sein und von diesem Gesichtspunkte aus erheben sich sofort weitere Fragen.
Wie fügt sich die Rolle des Sauerstoffs ein in das Schema der Biogenhypothese? Hier stehen sich zwei Ansichten gegenüber, die wir oben schon berührt haben. Nach der Ansicht von HERMANN, PFLÜGER, ALLEN und anderen ist die Labilität des Biogenmoleküls wesentlich bedingt durch die intramolekulare Einfügung des Sauerstoffs. Nach der Auffassung von V. VOIT, DETMER, WINTERSTEIN besteht die Rolle des Sauerstoffs lediglich darin, daß er erst sekundär die aus dem Zerfall hervorgehenden Verbindungen zu Kohlensäure und Wasser oxydiert. Nach der ersteren Auffassung ist die Bildung von Kohlensäure und Wasser von vornherein ein Produkt der Dissoziation des Biogenmoleküls, nach der letzteren ist sie ein Prozeß, der zeitlich immer erst dem Zerfall nachfolgt.
Man könnte daran denken, zwischen diesen beiden Anschauungen leicht eine Entscheidung zu treffen durch die Erfahrungen, die bei der Sauerstoffentziehung gemacht worden sind. Indessen bei genauerer Prüfung ergibt sich, daß diese Tatsachen sowohl im Sinne des ersteren wie des letzteren Standpunktes verwendet werden können. Wir wissen, daß mit Abschluß der Sauerstoffzufuhr die Erregbarkeit der lebendigen Substanz allmählich sinkt und daß die Lebensvorgänge schließlich erlöschen. Die lebendige Substanz erstickt. Es liegt nahe, diese Tatsache dadurch zu erklären, daß bei Sauerstoffmangel die Biogenmoleküle nicht mehr auf die Höhe ihrer Labilität gelangen, weil kein Sauerstoff mehr in die Biogenmoleküle intramolekular eingefügt werden kann. Das spräche also für die erstere Annahme. Allein auch die zweite Annahme kann diese Tatsache in ihrem Sinne deuten, indem sie das Sinken der Erregbarkeit erklärt durch die Anhäufung von lähmenden Zerfallsprodukten, die wegen Sauerstoffmangels nicht durch Oxydation beseitigt werden können. Daß sich solche lähmenden Produkte bei relativem Sauerstoffmangel anhäufen, wissen wir aus der Ermüdung, die ja eine Erstickung ist. Ebenso wie die Lähmung bei Sauerstoffmangel läßt sich auch die Erholung bei erneuter Sauerstoffzufuhr im Sinne beider Auffassungen verwerten. Nach der ersteren Auffassung würde die Rückkehr der Erregbarkeit in diesem Falle auf der intramolekularen Einfügung neuer Sauerstoffatome in die Biogenmoleküle beruhen, nach der letzteren auf einer Beseitigung der lähmenden Zerfallsprodukte durch ihre Oxydation zu Kohlensäure und Wasser. So ist die Tatsache des Kommens und Gehens der Erregbarkeit in ihrer Abhängigkeit von der Sauerstoffzufuhr nicht imstande, die Entscheidung zwischen beiden Ansichten zu treffen, und es dürfte überhaupt bis heute keine Tatsache bekannt sein, die endgültig die eine Anschauung als die richtige, die andere als die falsche nachweisen könnte.
Dagegen existieren Tatsachen, die den Gegensatz zwischen beiden Anschauungen wenigstens zum Teil auszugleichen imstande sind.
Zunächst nämlich kann kein Zweifel darüber bestehen, daß auch ohne intramolekulare Einfügung von Sauerstoff in das Biogenmolekül das letztere eine so große Labilität besitzen muß, daß es durch Dissoziation zerfallen kann. Wäre der Zerfall des Biogenmoleküls lediglich an die Anwesenheit des Sauerstoffs gebunden, so müßte nach völligem Verbrauch des zur Verfügung stehenden Sauerstoffs kein Biogenzerfall mehr eintreten. Tatsächlich aber findet auch im Zustande der Erstickung noch andauernd ein weiterer Zerfall des Biogens statt, sonst würde man ja lebendige Substanz unter Sauerstoffabschluß beliebig lange im Zustande latenten Lebens aufbewahren können, etwa so wie gewisse Organismen bei Wasserentziehung. Demgegenüber ist aber bekannt, daß die lebendige Substanz, nachdem sie durch Sauerstoffmangel vollständig gelähmt ist, nur kurze Zeit noch ohne Sauerstoffzufuhr restitutionsfähig bleibt. Also es ist kein Zweifel, daß die Biogene auch ohne Sauerstoffzufuhr zerfallen. Das zeigt aber gleichzeitig, daß die Lähmung bei der Erstickung auch, wenn man sie allein als eine Wirkung der Anhäufung von Zerfallsprodukten ansieht, keine vollständige sein kann. Der Zerfall geht weiter, wenn auch in bedeutend schwächerem Maße und mit bedeutend geringerer Energieproduktion. Aber es fragt sich, ob dieser Zerfall des Biogens, wie er bei fehlendem Sauerstoff stattfindet, derselbe ist wie bei genügender Sauerstoffversorgung. Das ist nun sicherlich nicht der Fall. Die Tatsache des Absterbens und des Verlustes der Restitutionsfähigkeit bei Sauerstoffmangel zeigt, daß der Zerfall der Biogenmoleküle bei Sauerstoffmangel auf alle Fälle ein anderer werden muß als bei Sauerstoffversorgung, mag man das nun darauf zurückführen, daß kein Sauerstoff in das Biogenmolekül mehr eingefügt wird, oder mag man es erklären durch die Wirkung der sich anhäufenden Zerfallsprodukte. Die anaeroben Organismen zeigen uns ebenfalls, daß auch ohne Sauerstoff ein Zerfall des Biogens stattfindet, aber sie beweisen uns gleichzeitig, daß bei ihnen der Stoffwechsel noch eine spezielle Einrichtung besitzt, die aus der Anpassung an die anaerobe Lebensweise resultiert und die ihn wesentlich anders gestaltet, als es der Stoffwechsel der aeroben Organismen ist, denn bei den anaeroben Organismen vollzieht sich bei Sauerstoffmangel der Biogenzerfall so, daß die Biogenmoleküle dauernd restitutionsfähig bleiben. Nach alledem müssen wir den Biogenmolekülen einen so großen Labilitätsgrad beilegen, daß sie auch ohne Sauerstoffeinfügung noch zerfallen.
Ferner ist es ebensowenig zweifelhaft, daß auch die bei der Erstickung aus dem Biogenzerfall hervorgegangenen lähmenden Produkte, noch nachträglich durch Sauerstoffzufuhr oxydiert und beseitigt werden können. Von der Ermüdung wissen wir z. B., daß sich solche lähmenden Produkte als Folge des Sauerstoffmangels anhäufen. Wir können sie aus ermüdeten Organen oder Geweben oder Zellen, wie wir oben sahen, extrahieren. Ihre lähmende Wirkung wird aber sofort beseitigt durch genügende Sauerstoffzufuhr. Für die anaeroben Organismen aber würden wir annehmen müssen, daß diese Zerfallsprodukte, deren Anhäufung lähmen würde, nach ihrer Entstehung durch andere Spaltungsvorgänge, etwa durch hydrolytische Spaltungen, nicht wie bei den aeroben Organismen durch oxydative Spaltungen zerstört und unwirksam gemacht werden.
Nehmen wir alles zusammen, so können wir uns also vorstellen, daß bei den aeroben Organismen, solange die Sauerstoffzufuhr zureichend ist, der Biogenzerfall immer sofort bis zu Kohlensäure und Wasser erfolgt, die leicht ausgeschieden werden, daß erst bei relativem Sauerstoffmangel in dem Maße, wie sich dieser entwickelt, neben Kohlensäure und Wasser aus dem Biogenzerfall auch komplexere Moleküle, sogenannte „Erstickungs- oder Ermüdungsstoffe“ wie Milchsäure hervorgehen, die lähmend wirken, solange bis sie durch Oxydation nachträglich zerstört werden, und daß bei absolutem Sauerstoffmangel ausschließlich solche komplexen „Erstickungsstoffe“ beim Biogenzerfall entstehen, ja daß zuletzt der Biogenzerfall viel tiefer geht, so daß die Biogenmoleküle ihre Restitutionsfähigkeit vollkommen verlieren. So weit lassen sich beide Vorstellungen einander nähern. Die spezielle Frage aber, wieweit der Erregbarkeitsgrad der lebendigen Substanz abhängt von der intramolekularen Einfügung von Sauerstoff in das Biogenmolekül und wieweit von der nachträglichen Beseitigung lähmender Zerfallsprodukte, diese Frage ist auf Grund des bisher vorliegenden Tatsachenmaterials nicht zu entscheiden.
3. Der Biotonus.
Nachdem wir in dem Aufbau und Zerfall des Biogens den einfachsten schematischen Ausdruck des elementaren Lebensvorgangs kennen gelernt haben, müssen wir nunmehr gewisse Verhältnisse des Stoffwechsels, welche sich daraus ergeben, noch etwas näher ins Auge fassen und einige Begriffe fixieren, die zur Klärung der Vorstellungen über den Stoffwechsel von Wichtigkeit sind.
Wir erinnern uns, daß wir im Stoffwechsel zwei verschiedene Phasen unterschieden, die Assimilation und die Dissimilation. Unter Assimilation verstanden wir die Eigenschaft der lebendigen Substanz, aus den aufgenommenen Nahrungsstoffen fortwährend ihresgleichen aufzubauen, unter Dissimilation, fortwährend wieder in einfachere Produkte zu zerfallen, die dann als solche oder nach weiterer Verarbeitung ausgeschieden werden. Nach unserer obigen Feststellung können wir aber diesen Begriff in eine festere Form fassen und sagen: die Assimilation ist die Gesamtheit aller derjenigen Umsetzungen, die zum Aufbau der Biogenmoleküle führen, während die Dissimilation alle diejenigen Umsetzungen umfaßt, die vom Zerfall des Biogens bis zur fertigen Bildung der ausgeschiedenen Produkte reichen.
Eine solche feste Definition dieser beiden Grundbegriffe der ganzen Stoffwechsellehre ist durchaus notwendig, denn wenn wir einen Blick auf die Geschichte derselben werfen, finden wir, daß sie vielfach in sehr verschiedener Bedeutung angewendet wurden. Der Begriff der Assimilation, der ursprünglich ganz allgemein die Bildung lebendiger Substanz aus der toten Nahrung im Organismus bezeichnete, ist von den Botanikern bald in einem ganz speziellen Sinne gebraucht worden. Die Pflanzenphysiologie bezeichnet noch heute zum großen Teil mit Assimilation ausschließlich die Synthese der Stärke aus Wasser und Kohlensäure in den Chlorophyllkörpern der grünen Pflanzenzelle. Dieser enggefaßte Begriff ist aber allmählich, und zwar auf tierphysiologischer Seite, wieder erweitert und nicht bloß für die Synthese des ersten organischen Produkts, sondern auch für den Aufbau der komplizierteren Verbindungen der lebendigen Substanz, vor allem der jeder Zellform eigentümlichen Eiweißkörper aus den aufgenommenen Nahrungsstoffen angewendet worden. Demgegenüber hat EWALD HERING[608] den Begriff der Assimilation wieder enger gefaßt und in einer inhaltreichen kleinen Arbeit die Assimilation scharf vom Wachstum getrennt, wobei er unter Assimilation nur die chemische Veränderung schon vorhandener Teilchen in qualitativer Hinsicht und zwar die Vervollständigung der Teilchen zum Höhepunkt ihrer Konstitution, versteht, unter Wachstum dagegen keine qualitative Veränderung, sondern eine nur quantitative Vermehrung der vorhandenen Teilchen begreift. Dazu hat HERING zuerst den Begriff der Dissimilation geschaffen und ihn der Assimilation an die Seite gestellt, wobei er wieder die entsprechende Unterscheidung zwischen Dissimilation und Schwund wie zwischen Assimilation und Wachstum traf und als Dissimilation nur die mit der Abtrennung gewisser Stoffe aus den vorhandenen Teilchen verbundene qualitative Veränderung, als Schwund dagegen die nur quantitative Verminderung der Teilchen bezeichnete. Allein, diese scharfe Trennung von Assimilation und Dissimilation einerseits und Wachstum und Schwund anderseits dürfte sich, wenigstens sofern die ersteren auf rein qualitativen, die letzteren auf rein quantitativen Veränderungen der lebendigen Substanz begründet gedacht werden, doch kaum aufrecht erhalten lassen. Wir wissen, daß die Bildung lebendiger Substanz nur unter Mithilfe schon vorhandener lebendiger Substanz stattfindet. Nur wo lebendige Substanz schon existiert, können sich neue Mengen lebendiger Substanz bilden. Dabei finden aber weitgehende qualitative Umformungen der aufgenommenen und zum Wachstum verwendeten Nahrungsstoffe statt. Das zeigt besonders deutlich die Pflanzenzelle, in der die lebendige Substanz in großem Maßstabe erst aus rein anorganischen Stoffen produziert wird. Anderseits ist auch der Schwund nicht anders denkbar als durch chemischen Zerfall, also durch qualitative Veränderung der Biogenmoleküle. Aber selbst wenn wir demnach die Regeneration gewisser Teile des Biogenmoleküls von der Neubildung ganzer Biogenmoleküle sowie dementsprechend die Absprengung einzelner Atomgruppen von dem vollständigen Zerfall des Moleküls unterscheiden können, und sogar unterscheiden müssen, so sind das doch immer chemische Veränderungen, die entweder auf den Aufbau oder auf den Zerfall von fertigen Biogenmolekülen gerichtet sind. Die Regeneration ist nur ein Teilvorgang der Bildung eines neuen Biogenmoleküls, und ebenso ist die Abspaltung gewisser Atomgruppen nur ein Teilvorgang des vollständigen Zerfalls. Auch HATSCHEK[609] hat in einer Hypothese über das Wesen der Assimilation das Wachstum mit diesem Vorgang in Beziehung gesetzt, indem er annimmt, daß das einfache Molekül des lebendigen Eiweißes beim Wachsen fortwährend Elementarstoffe aus der Nahrung an sich zieht, bis es zu einem polymeren Molekül geworden ist, um dann gelegentlich wieder in die einfachen Moleküle zu zerfallen, die von neuem durch Bindung der nötigen Atome und Atomgruppen sich chemisch allmählich zu einem polymeren Molekül entwickeln usf. HATSCHEK sieht also ebenfalls im Wachsen einen chemischen Vorgang, der nicht prinzipiell von der Regeneration verschieden ist. Nach alledem scheint es zweckmäßig, die Begriffe der Assimilation und der Dissimilation in dem allgemeinen Sinne anzuwenden, daß darunter auch die Bildung neuer und der Schwund alter Moleküle einbegriffen ist, und ihnen die obige feste Fassung zu geben:
Assimilation ist die Gesamtheit aller derjenigen Umsetzungen, welche zum Aufbau der Biogenmoleküle führen, während die Dissimilation alle diejenigen Umsetzungen umfaßt, welche vom Zerfall der Biogenmoleküle bis zur fertigen Bildung der ausgeschiedenen Stoffwechselprodukte reichen.
Es ist aber wichtig, auf das Verhältnis von Assimilation zu Dissimilation etwas näher einzugehen. Wir wissen, daß die lebendige Substanz fortwährend in Dissimilation und Assimilation begriffen ist. HERING stellt sich dabei vor, daß diese Prozesse, die den Stoffwechsel der lebendigen Substanz ausmachen, „in allen kleinsten Teilen der letzteren zugleich stattfinden“. Auch hierin hat bereits HATSCHEK eine abweichende Ansicht ausgesprochen und die Schwierigkeit der Vorstellung betont, „daß das Eiweißmolekül gleichzeitig Kohlenstoff aufnehme und abspalte“. In der Tat ist es, wenn man nur ein einzelnes Teilchen ins Auge faßt, sehr schwierig, sich diesen Vorgang anschaulich vorzustellen, denn die Abspaltung und die Regeneration irgendwelcher Atomgruppen eines Moleküls schließen sich zeitlich aus und können, wenn auch momentan, so doch, genau genommen, immer nur nacheinander stattfinden, falls man nicht annehmen will, daß die entsprechenden Atomgruppen, die sich an einer Stelle vom Molekül abtrennen, sich an einer anderen wieder anlagern, eine Vorstellung, die aber HERING selbst zurückweist, indem er gerade betont: „Wir dürfen uns nicht verführen lassen, uns die lebendige Substanz etwa wie eine innerlich ruhende Masse vorzustellen, welche nur von der einen Seite her verbraucht und von der anderen Seite her wieder aufgebaut wird.“ Wenn wir uns nun zwar die Dissimilation und Assimilation des einzelnen kleinsten Teilchens oder Biogenmoleküls nicht absolut gleichzeitig vorzustellen vermögen, so kann dennoch innerhalb einer größeren Masse lebendiger Substanz sehr wohl Assimilation und Dissimilation gleichzeitig stattfinden. Aber in diesem Falle sind es stets verschiedene Moleküle, die im gleichen Zeitmoment zerfallen und sich aufbauen, denn immer nur die im gegebenen Momente vorhandenen Biogenreste können sich regenerieren, und umgekehrt können immer nur die vorhandenen fertigen Biogenmoleküle zerfallen.
Bleiben wir bei einer größeren Menge lebendiger Substanz, wie sie etwa in einer Zelle enthalten ist, und fassen wir das quantitative Verhältnis von Assimilation zu Dissimilation ins Auge, so finden wir dasselbe sehr wechselnd und schon ohne Einwirkung von Reizen innerhalb weiter Grenzen schwankend. Dieses Verhältnis von Assimilation zu Dissimilation in der Zeiteinheit, das wir durch den Bruch A : D ausdrücken können und der Kürze wegen als „Biotonus“ bezeichnen wollen, ist von elementarer Bedeutung für die verschiedensten Aeußerungen des Lebens. Die Schwankungen in der Größe des Bruches A : D sind es, die allen Wechsel in den Lebensäußerungen eines jeden Organismus hervorbringen.
Wenn wir den Biotonus durch den Bruch A : D ausdrücken, so ist das freilich nur eine schematische Form. In Wirklichkeit sind die Assimilation und Dissimilation keine einfachen Prozesse, vielmehr sind die Vorgänge, die zum Aufbau des Biogenmoleküls und zur Bildung der Zerfallsprodukte führen, sehr kompliziert und bestehen aus vielen, eng miteinander verflochtenen Gliedern. Daher müssen wir, wenn wir den Biotonus in einer spezialisierten Fassung ausdrücken wollen, dem Bruch die Form geben a + a1 + a2 + a3 + ... : d + d1 + d2 + d3 + ..., wobei a, a1, a2, a3 usw., sowie d, d1, d2, d3 usw. die Teilprozesse vorstellen, die sämtlich zum Aufbau des Biogenmoleküls und zur Bildung der einzelnen Zersetzungsprodukte führen.
Bei unserer äußerst geringen Kenntnis der spezielleren Umsetzungen, die in der lebendigen Substanz stattfinden, ist es zurzeit gänzlich ausgeschlossen, die mannigfaltigen Möglichkeiten, die sich aus der Aenderung der einzelnen Glieder des Biotonusquotienten ergeben, auch nur annähernd zu übersehen. Wir wollen daher hier auch nur einige der wichtigeren von den bekannten Fällen betrachten.
Wenn die Größe der sämtlichen Glieder der A-Reihe gleich der Größe der Glieder der D-Reihe ist, d. h. wenn Assimilation und Dissimilation in der Zeiteinheit gleich groß sind, so ist der Bruch A : D = 1. Wir haben diesen Fall in dem Zustande, den wir als Stoffwechselgleichgewicht bezeichnen. Das heißt, es ist in der Zeiteinheit die Summe der ausgeschiedenen Stoffe jeder Art gleich der Summe der aufgenommenen Stoffe.
Werden die einzelnen Glieder der A-Reihe in gleichem Verhältnis zueinander größer, während die Glieder der D-Reihe gleich bleiben oder abnehmen, so daß in der Zeiteinheit die Summe der A-Glieder größer ist als die Summe der D-Glieder, so wird der Stoffwechselquotient A : D > 1. Dieser Fall ist verwirklicht im Wachstum, wo die Neubildung von lebendiger Substanz den Zerfall überwiegt.
Wachsen dagegen umgekehrt die Glieder der D-Reihe proportional zueinander, während die der A-Reihe unverändert bleiben oder auch kleiner werden, so wird der Biotonus A : D < 1. Dieses Verhältnis liegt der Atrophie zugrunde und führt schließlich zum Tode.
Allein, es ist durchaus nicht notwendig, daß sich die sämtlichen Glieder der einen oder der anderen Reihe immer gleichzeitig und einander vollkommen proportional verändern, vielmehr können auch einzelne Glieder zu- oder abnehmen. So entsteht z. B. die Bildung und Anhäufung von Reservestoffen, die später wieder verbraucht werden. Auf derartigen Aenderungen einzelner Glieder der beiden Reihen beruhen alle die Veränderungen, die im Laufe der Entwicklung an einem Organismus auftreten. Es besteht also, wie gerade am besten die während der Entwicklung auftretenden Tatsachen zeigen, wenigstens in geringem Umfange eine gewisse Unabhängigkeit einzelner Glieder des Stoffwechsels voneinander. Andererseits sind aber doch wieder innerhalb gewisser Grenzen nicht nur die einzelnen Glieder einer jeden Reihe, sondern auch die beiden Reihen selbst voneinander in der Weise abhängig, daß jede Veränderung der einen Reihe auch die gleichsinnige Veränderung der anderen Reihe zur Folge hat. Haben wir z. B. Stoffwechselgleichgewicht, und wächst der Zähler des Bruches, so wächst auch der Nenner. Nimmt der Nenner ab, so tut der Zähler dasselbe. Mit anderen Worten: jede Steigerung der Assimilation hat eine entsprechende Steigerung der Dissimilation zur Folge, und umgekehrt. Auf diese Weise bleibt der Stoffwechselquotient A : D stets = 1, d. h. es bleibt trotz der absoluten Aenderung der Stoffwechselgröße doch immer Stoffwechselgleichgewicht bestehen. Sehr treffend bezeichnet HERING diese Erhaltung des Gleichgewichts als „innere Selbststeuerung des Stoffwechsels der lebendigen Substanz“. Eine solche Selbststeuerung des Stoffwechsels innerhalb bestimmter Grenzen zeigt uns z. B. der erwachsene Mensch in dem Verhalten seines Körpers gegenüber dem eingeführten Stickstoff. Von einer bestimmten Menge des eingeführten Eiweißes an, die nach dem alten, allerdings etwas zu hoch angesetzten Kostmaß von Voit etwa 118 g für den arbeitenden Mann ausmacht, besteht dauernd Stickstoffgleichgewicht, d. h. je mehr Stickstoff im Eiweiß eingeführt wird, um so mehr wird auch im Harn wieder ausgeschieden, ein Zeichen, daß die Dissimilation des Eiweißes in demselben Maße wächst wie die Assimilation.
Allein dieses letztere Beispiel führt uns schon hinüber zu der Wirkung der Reize auf den Biotonus, die wir etwas ausführlicher betrachten müssen.
B. Die Wirkung der Reize auf den Stoffwechsel des Biogens.
1. Die Veränderungen des Biotonus unter dem Einfluß von Reizen.
Wir haben gesehen, daß die Biogene sehr labile Verbindungen sind, mit anderen Worten, daß die Atome ihres Moleküls sich in lebhaften Schwingungen befinden, infolge deren gewisse Atome gelegentlich in die Anziehungssphäre anderer gelangen, mit denen sie, zu einer festeren Verbindung vereinigt, sich als selbständiges Molekül abtrennen. So erfolgt auf Grund der großen intramolekularen Wärme die spontane Dissimilation des Biogenmoleküls. Die durch den Austritt der abgetrennten Atomgruppen verfügbar werdenden chemischen Affinitäten haben aber an den Stoffen der aufgenommenen und namentlich durch die Tätigkeit der Enzyme in mannigfacher Weise umgeformten Nahrung die Möglichkeit, sich im gleichen Moment wieder zu binden, so daß sich der Biogenrest wieder zu einem ganzen Biogenmolekül regenerieren kann. So erfolgt im Anschluß an die spontane Dissimilation die spontane Assimilation des Biogenmoleküls.
Da die Dissimilation des Biogens durch die intramolekularen Schwingungen der Atome bedingt ist, so liegt es auf der Hand, daß alle Faktoren, welche die intramolekularen Schwingungen der Atome verstärken, den Dissimilationsprozeß unterstützen müssen. So erklärt sich der erhöhte Zerfall der lebendigen Substanz, der bei Einwirkung chemischer, mechanischer, thermischer, photischer, galvanischer Reize eintreten kann. Sind die äußeren Einwirkungen so stark, daß ein tief eingreifender Zerfall des Moleküls vor sich geht und kein regenerationsfähiger Rest mehr zurückbleibt, so erfolgt eine Abnahme der lebendigen Substanz und bei Ueberreizung schließlich der Tod. Demgegenüber werden alle Faktoren, welche die intramolekularen Schwingungen der Atome im Biogenmolekül vermindern, wie z. B. Abkühlung oder Einwirkung solcher Stoffe, die einzelne Atome in bestimmter Lage durch chemische Anziehung fixieren etc., den Dissimilationsprozeß lähmen. Wir wollen alle diese Reize, die den Dissimilationsvorgang entweder erregen oder lähmen, als dissimilatorische Reize bezeichnen.
Auf der anderen Seite ist es klar, daß auch die Assimilation durch äußere Einwirkungen befördert werden kann. Da der Assimilationsvorgang auf der Bindung chemischer Affinitäten beruht, die sowohl der Biogenrest als auch das fertige Biogenmolekül selbst besitzt, so können alle diejenigen Faktoren, welche die zur Bindung der vorhandenen Affinitäten notwendigen Stoffe herbeischaffen und in die geeignete Form bringen, den Assimilationsvorgang steigern. Vor allem wird also in dieser Richtung wirken die erhöhte Zufuhr von Nahrungsmaterial, ferner bei grünen Pflanzenzellen die Einwirkung von Lichtstrahlen, die zur Spaltung der Kohlensäure und Verfügbarmachung des Kohlenstoffs nötig ist, dann alle Reize, welche die Produktion von Enzymen anregen, die zur Lösbarmachung fester Nahrungsstoffe erforderlich sind etc. Aber umgekehrt wird es auch Faktoren geben, die den Assimilationsprozeß lähmen. Das wird vor allem ein Mangel an Nahrung und Anhäufung von lähmenden Stoffwechselprodukten, bei Pflanzenzellen Mangel an Licht, das Fehlen von Enzymen etc. sein. Wir wollen alle diese Faktoren, die den Assimilationsvorgang entweder erregen oder lähmen, als assimilatorische Reize bezeichnen.
Ueberblicken wir dann die Möglichkeiten, die sich bei der Einwirkung von Reizen auf die lebendige Substanz ergeben, so können wir vier wichtige Fälle der Reizwirkungen unterscheiden. Die Reize können erzeugen:
1. Dissimilatorische Erregung, 2. Dissimilatorische Lähmung, 3. Assimilatorische Erregung, 4. Assimilatorische Lähmung.
Allein damit sind die Möglichkeiten nicht erschöpft. Bei der außerordentlich engen Korrelation, in der die einzelnen Vorgänge in der lebendigen Substanz untereinander stehen, und die, wie wir sahen, eine vollkommene „innere Selbststeuerung des Stoffwechsels“ bedingt, so daß z. B. jede Veränderung der Assimilation eine gleich starke Veränderung der Dissimilation zur Folge hat, ist es möglich, daß ein Reiz gleichzeitig eine dissimilatorische und assimilatorische Erregung oder eine dissimilatorische und assimilatorische Lähmung herbeiführen kann, wie das z. B. innerhalb gewisser Grenzen bei Temperaturreizen der Fall ist. Wir müssen also den obigen vier Fällen noch hinzufügen:
5. Totale Erregung, 6. Totale Lähmung,
wobei noch zu berücksichtigen ist, daß die Erregung oder Lähmung möglichenfalls verschiedene Glieder der Stoffwechselkette in ungleichem Maße betreffen kann.
Der Möglichkeiten sind aber noch mehr denkbar. Die „innere Selbststeuerung des Stoffwechsels“ ist nicht unbegrenzt, denn wäre sie immer und überall in vollkommener Weise wirksam, so würde ein ewiges Stoffwechselgleichgewicht bestehen, und kein Wachstum, keine Entwicklung, kein Schwund wäre möglich. Wenn also die Selbststeuerung des Stoffwechsels nur innerhalb bestimmter Grenzen besteht, so sind andere Fälle denkbar, in denen ein Reiz gleichzeitig eine assimilatorische Erregung und eine dissimilatorische Lähmung oder umgekehrt eine assimilatorische Lähmung und eine dissimilatorische Erregung erzeugt. Es würden also als letzte denkbare Fälle der Reizwirkung zu den sechs vorstehenden noch hinzukommen:
7. Assimilatorische Erregung + dissimilatorische Lähmung, 8. Assimilatorische Lähmung + dissimilatorische Erregung.
Diese verschiedenen Möglichkeiten der Reizwirkung, die HERING[610] in seiner kleinen Abhandlung über die Vorgänge in der lebendigen Substanz ausführlicher behandelt hat, geben uns schon einen Begriff davon, in wie mannigfacher Weise sich der Biotonus der lebendigen Substanz unter dem Einfluß verschiedener Reize ändern kann. Und doch sind die Verhältnisse in Wirklichkeit noch viel komplizierter. Wenn wir uns erinnern, daß der Zähler sowohl wie der Nenner des Bruches A: D eine ganze Reihe von einzelnen Gliedern repräsentiert, die sich unter bestimmten Bedingungen in geringem Grade auch unabhängig voneinander ändern können, dann erst gewinnen wir ein annäherndes Bild von der ganz außerordentlichen Mannigfaltigkeit der Wirkungen, welche die Reize in der lebendigen Substanz hervorrufen können.
Als wir die Wirkungen, welche die Reize an der lebendigen Zelle erzeugen, kennen lernten, konnten wir sie ihren äußeren Folgen nach in wenige Gruppen sondern. Wir fanden, daß die Veränderungen der spontanen Lebensäußerungen, die durch die Reizung erzeugt werden, entweder quantitativer oder qualitativer Art waren. Die quantitativen Veränderungen bezeichneten wir, wenn sie in einer Steigerung der Lebensäußerungen bestanden, als Erregung; wenn sie durch eine Herabsetzung derselben charakterisiert waren, als Lähmung. Nach unserer vorstehenden Betrachtung gewinnen wir nunmehr eine annähernde Vorstellung davon, wie ungemein kompliziert in Wirklichkeit die Vorgänge sind, deren äußeren Ausdruck wir schematisch als Erregung und als Lähmung bezeichneten. Den Höhepunkt der Komplikation aber haben wir jedenfalls in denjenigen Reizwirkungen zu sehen, die den qualitativen Veränderungen der normalen Lebensäußerungen zugrunde liegen. Die metamorphotischen Prozesse der Nekrobiose, wie etwa die Fettaufspeicherung, die uns als Typus dafür dienen kann, zeigen uns deutlich, daß sich hier einzelne Glieder der A- und D-Reihe langsam mehr und mehr verändern und so bei der engen Korrelation der einzelnen Glieder der Stoffwechselkette sekundär weitere Veränderungen bedingen müssen; sonst könnten nicht Anhäufungen von einzelnen Stoffen entstehen, die normalerweise nicht in der Zelle abgelagert werden. Wir haben in den metamorphotischen Prozessen Reizwirkungen, die durch ganz analoge Veränderungen des Biotonus bedingt sind, wie die Vorgänge, die sich spontan in der Entwicklung des Organismus abspielen. Wenn sich aus der Eizelle im Laufe der Entwicklung Drüsenzellen, Muskelzellen, Nervenzellen etc. differenzieren, so müssen diese Vorgänge ebenfalls auf Veränderungen einzelner Glieder der A- und D-Reihe beruhen.
Bei unserer überaus lückenhaften Kenntnis der speziellen Glieder beider Stoffwechselreihen liegt es auf der Hand, daß wir bis jetzt noch sehr weit davon entfernt sind, auch nur ungefähr die speziellen Veränderungen zu übersehen, die der Biotonus im konkreten Fall bei der Einwirkung eines Reizes erfährt. Es bleibt uns vorläufig nichts anderes übrig, als den äußeren Ausdruck dieser Veränderungen, den wir schematisch als Erregungs- und Lähmungs- sowie als metamorphotische Wirkungen bezeichnen, nur ganz allmählich, Schritt für Schritt, zu analysieren, eine Aufgabe, deren Lösung die Physiologie um so näher rücken wird, je mehr sich die Methoden der Zelluntersuchung entwickeln werden.
2. Die Selbststeuerung des Stoffwechsels und das Massenwirkungsgesetz.
Wenn wir vom Stoffwechselgleichgewicht sprechen, so müssen wir uns dabei bewußt bleiben, daß wir es hier nicht mit einem Gleichgewichtszustande im mathematischen Sinne zu tun haben, sondern mit der fortdauernden Annäherung der lebendigen Substanz an einen Gleichgewichtszustand, dessen Bedingungen sich andauernd ändern, so daß ein wirkliches Gleichgewicht im mathematischen Sinne während des ganzen Lebens des Organismus niemals erreicht wird mit Ausnahme der wenigen Fälle des latenten Lebens. Wir haben gesehen, daß die Entwicklung des Organismus während seines ganzen Lebens niemals zum Stillstand kommt. Ein stationärer Zustand ist also niemals intra vitam vorhanden, denn das Verhältnis der inneren zu den äußeren Lebensbedingungen ändert sich fortdauernd. Darin eben besteht die Entwicklung. Sie repräsentiert wie das ganze Leben nichts weiter als den Ausdruck für die fortdauernde Herstellung eines Kompromisses der lebendigen Substanz zwischen inneren und äußeren Lebensbedingungen, der in Wirklichkeit niemals ein dauernder wird, weil sich fortwährend die Bedingungen selbst verändern. So ist also auch das Stoffwechselgleichgewicht kein absolutes Gleichgewicht, sondern nur ein relatives, nämlich die möglichste Annäherung an den Gleichgewichtszustand, der dem momentan bestehenden Bedingungskomplex entspricht.
Dürfen wir also zwar nicht übersehen, daß es sich beim Stoffwechselgleichgewicht immer nur um die möglichste Annäherung an einen Gleichgewichtszustand handelt, so können wir doch diesen Vorgang auf Grund der Gesetzmäßigkeiten, welche die Entwicklung chemischer Gleichgewichtszustände beherrschen, mechanisch analysieren. Leider befinden wir uns hier auf einem Boden, der noch vollkommen unbearbeitet ist. Hat schon das Gesetz der Massenwirkungen, das die chemischen Gleichgewichtszustände beherrscht, trotzdem es in seinem Kernpunkte bereits dem französischen Chemiker BERTHOLLET 1801 bekannt und 1867 von GULDBERG und WAAGE[611] in strenger Weise formuliert worden war, selbst in der Chemie erst im letzten Jahrzehnt allgemeinere Berücksichtigung gefunden, so ist seine Bedeutung für das Problem der Selbststeuerung des Stoffwechsels überhaupt erst in den letzten Jahren in ihren allgemeinen Zügen hervorgehoben worden. Und doch läßt sich schon heute voraussagen, daß die Beachtung dieses Gesetzes für das Verständnis der Stoffwechselvorgänge einen außerordentlich reichen Erfolg verspricht.
Das Massenwirkungsgesetz sagt uns, daß der Reaktionsablauf bei chemisch miteinander reagierenden Stoffen nicht bloß von der Art der chemischen Affinitäten, sondern auch von den Massenverhältnissen der Stoffe abhängig ist, da die Zahl der Zusammenstöße miteinander reagierender Moleküle größer sein muß bei höherer, geringer bei schwächerer Konzentration der Stoffe. Sehr wichtig ist diese Tatsache nun bei reversiblen chemischen Prozessen. Hier kommt sie zum Ausdruck in der Entwicklung dynamischer Gleichgewichtszustände, die volle Uebereinstimmung zeigen mit den Zuständen des Stoffwechselgleichgewichts bei der lebendigen Substanz. Das klassische Beispiel für solche reversiblen chemischen Reaktionen und die aus ihnen entspringenden Gleichgewichtszustände liefert die Esterbildung.
Bringen wir Aethylalkohol und Essigsäure zusammen, so bildet sich Essigsäureäthylester und Wasser. Umgekehrt, bringen wir Essigsäureäthylester und Wasser zusammen, so entsteht Aethylalkohol und Essigsäure:
C2H5OH + CH3COOH ⇄ C2H5·CH3COO + H2O Aethylalkohol Essigsäure Essigsäureäthylester Wasser
Die Reaktion ist also reversibel, aber wenn wir das Reaktionsprodukt betrachten, finden wir, daß die Reaktion in beiden Fällen nicht bis zu Ende geht, sondern daß in beiden Fällen von dem Ausgangsmaterial eine gewisse Menge übrig bleibt. Um das genauer zu verfolgen, ist es nötig, den Vorgang quantitativ zu untersuchen. Bringen wir also zunächst Aethylalkohol und Essigsäure in dem Mengenverhältnis miteinander zusammen, in dem sie sich nach der Reaktionsgleichung zu Essigsäureäthylester und Wasser vereinigen, also 1 Gramm-Molekül Aethylalkohol (d. i. das Molekulargewicht des Alkohols in Grammen ausgedrückt), mit 1 Gramm-Molekül Essigsäure, so bilden sich nur je zwei drittel Gramm-Moleküle Essigsäureäthylester und Wasser; je ein drittel Gramm-Molekül Alkohol und Essigsäure bleiben übrig. Umgekehrt, bringen wir 1 Gramm-Molekül Essigsäureäthylester und 1 Gramm-Molekül Wasser zusammen, so setzen sich beide so um, daß ein drittel Gramm-Molekül Aethylalkohol und ein drittel Gramm-Molekül Essigsäure entstehen, während je zwei drittel Gramm-Molekül Essigsäureäthylester und Wasser übrig bleiben. Von beiden Ausgangsmaterialien her gewinnt man also dasselbe Resultat:
⅓ Mol. C2H5OH + ⅓ Mol. CH3COOH + ⅔ Mol. C2H5·CH3COO + ⅔ Mol. H2O
Da das Molekulargewicht des Aethylalkohols 46, der Essigsäure 60, des Essigsäureäthylesters 88 und des Wassers 18 ist, so resultieren in beiden Fällen, sei es, daß wir 46 g Alkohol und 60 g Essigsäure oder sei es, daß wir 88 g Essigsäureäthylester und 18 g Wasser zusammenbringen, stets
C2H5OH + CH3COOH + C2H5·CH3COO + H2O 15,33 g 20 g 58,66 12 g.
In diesen Massenverhältnissen halten sich die chemischen Reaktionen das Gleichgewicht, d. h. es bilden sich, wenn dieser Zustand erreicht ist, in der Zeiteinheit ebensoviel Moleküle Essigsäureäthylester und Wasser aus Alkohol und Essigsäure, wie selbst in Alkohol und Essigsäure zerfallen, denn die chemischen Umsetzungen sind nicht etwa zu Ende, wenn dieser Gleichgewichtszustand erreicht ist, sondern sie gehen nach beiden Richtungen andauernd fort, aber so, daß das Gleichgewicht immer erhalten bleibt. Es handelt sich also hier nicht um ein stabiles, sondern um ein dynamisches Gleichgewicht.
Aendern wir nun im obigen Beispiel die Massenverhältnisse des Reaktionsproduktes derart, daß wir die Mengen auf der einen Seite der Reaktionsgleichung im äquimolekularen Verhältnis vermehren oder vermindern, so vermehren oder vermindern sich auch die Mengenverhältnisse auf der anderen Seite der Gleichung so, daß sich sofort das gleiche Mengenverhältnis von einem Drittel auf der einen und zwei Dritteln auf der anderen Seite wieder herstellt. Hier liegt also in der Herausbildung eines ganz bestimmten Gleichgewichtszustandes der reagierenden Massen genau dasselbe Prinzip vor, wie wir es in der Selbststeuerung des Stoffwechsels kennen gelernt haben. Reizen wir z. B. einen Muskel so, daß andauernd der Zerfall seiner lebendigen Substanz gesteigert wird, d. h. daß die Dissimilationsphase seines Stoffwechsels erregt wird, so steigt von selbst auch die Neubildung von lebendiger Substanz, d. h. auch die Assimilationsphase des Stoffwechsels erfährt sekundär eine Erregung und einige Zeit nach dem Aufhören des dissimilatorisch erregenden Reizes ist das Defizit wieder ausgeglichen, das Stoffwechselgleichgewicht wieder hergestellt, der Biotonus wieder = 1. Das ist der Vorgang der Erholung nach jeder dissimilatorischen Erregung. Umgekehrt, steigern wir durch erhöhte Nahrungszufuhr die Assimilationsprozesse, so steigen sekundär auch die Dissimilationsvorgänge und es stellt sich von neuem ein Stoffwechselgleichgewicht her nur auf einem höheren Massenniveau. Das ist die Selbststeuerung des Stoffwechsels. Das Massenwirkungsgesetz und die Theorie der chemischen Gleichgewichtszustände gibt uns das mechanische Verständnis für diese fundamentale Tatsache der Physiologie, der wir es verdanken, daß wir uns nach einer Anstrengung wieder erholen, daß wir Krankheiten überwinden und daß wir überhaupt längere Zeit zu leben imstande sind.
3. Funktioneller und cytoplastischer Stoffwechsel.
Haben wir in der Selbststeuerung des Stoffwechsels zweifellos den Ausdruck des Massenwirkungsgesetzes in der lebendigen Substanz vor uns, so dürfen wir doch nicht vergessen, daß die Selbststeuerung des Stoffwechsels und das relative Stoffwechselgleichgewicht doch nur das einfach aussehende Endresultat einer ungeheuer komplizierten Kette von Einzelvorgängen ist, deren Glieder wir zum größten Teil noch nicht kennen und deren Ineinandergreifen noch viel weniger bekannt ist. Wenn es nun auch gelingt, einzelne dieser Glieder zu isolieren, und wenn es auch bereits gelungen ist, einzelne Teilsprosse, wie gewisse Enzymwirkungen als reversible Prozesse zu erkennen und bei ihnen die Entwicklung von dynamischen Gleichgewichtszuständen nachzuweisen, so dürfen wir doch die Bedeutung solcher Feststellungen für die Analyse des Stoffwechselmechanismus nicht überschätzen. Es sind nur winzige Einblicke, die wir dabei in das Innere des Stoffwechselgetriebes gewinnen und es wäre grundfalsch, nach solchen kleinen Einzelerfahrungen das Gesamtbild des großen, noch immer geheimnisreichen Getriebes konstruieren zu wollen. Wir geraten dabei zu leicht in die Gefahr, den unberechtigten Schluß zu ziehen, daß der einzelne Teilprozeß, etwa der enzymatische Vorgang in seiner Abhängigkeit vom Massenwirkungsgesetz, so wie wir ihn im Reagenzglas isoliert sich abspielen lassen, nun auch wirklich in der lebendigen Substanz sich abspielt. Daran ist aber gar nicht zu denken, denn die Bedingungen in der lebendigen Substanz sind ganz andere als im Reagenzglase, und was das Wichtigste ist, sie ändern sich dauernd, denn wir haben ja schon gesehen, daß das Stoffwechselgleichgewicht immer nur ein relatives ist, bezogen auf eine momentan gedachte Situation des lebendigen Systems, die sich aber sofort wieder ändert und einen neuen Zustand bedingt, so wie sie aus einem früheren Zustand hervorgegangen ist. Darin liegt die große Schwierigkeit, in das Geschehen in der lebendigen Substanz einzudringen und das ist der Grund, weshalb wir immer nur schrittweise vorwärts kommen. Wir werden daher nicht bloß suchen müssen, an diesem oder an jenem Teilprozeß des Stoffwechsels, den wir aus dem Getriebe herausgerissen im Reagenzglase nachzuahmen vermögen, ein neues Beispiel für die Gültigkeit des Massenwirkungsgesetzes und die Theorie der chemischen Gleichgewichtszustände zu statuieren, sondern wir werden auch danach streben müssen, mit der Gesamtheit des Stoffwechsels zu experimentieren, um aus ihr zunächst einzelne größere Bruchstücke und deren Zusammenhänge und Abhängigkeitsverhältnisse zu erkennen.
In diesem Sinne ist es wichtig, nicht bloß die Gesamtheit der Zerfalls- und der Aufbauprozesse der lebendigen Substanz als Dissimilation und Assimilation einander gegenüberzustellen und ihre Abhängigkeit voneinander auf Grund des Massenwirkungsgesetzes zu analysieren, sondern noch zwei andere Gruppen von Vorgängen gegeneinander abzuheben und in ihren Beziehungen zueinander zu erforschen, das ist der funktionelle und der physioplastische oder der Betriebs- und der Baustoffwechsel der lebendigen Substanz.
Die Notwendigkeit dieser Unterscheidung ergibt sich aus folgender Grundtatsache. Wenn wir längere Zeit hindurch starke körperliche Arbeit verrichten, so wird dabei die Funktion der verschiedensten Organe gesteigert. Die Muskeln, die motorischen Ganglienzellen, das Herz, das Atemzentrum, die Schweißdrüsen der Haut und manche andere Organe des Körpers werden zu stärkerer Tätigkeit erregt. Dementsprechend ist selbstverständlich der Stoffwechsel ihrer Zellen gesteigert. Die Dissimilation ist primär erregt und die Assimilation steigt infolge der Selbststeuerung des Stoffwechsels sekundär ebenfalls. Untersuchen wir aber die Stoffwechselprodukte, die bei einer solchen starken funktionellen Beanspruchung der Zellen, Gewebe, Organe abgegeben werden und vergleichen wir sie mit den Stoffwechselprodukten des Ruhestoffwechsels, so zeigt sich die merkwürdige Tatsache, daß die stärkste funktionelle Beanspruchung nur eine Vermehrung der stickstofffreien Stoffwechselprodukte herbeiführt, aber keine Vermehrung der stickstoffhaltigen. Demnach wissen wir, daß im Ruhestoffwechsel andauernd auch eine Ausscheidung von stickstoffhaltigen Endprodukten des Stoffwechsels stattfindet. Daraus ergibt sich, daß die funktionelle Beanspruchung der lebendigen Substanz nur mit einem stärkeren Umsatz in den stickstofffreien Atomgruppen verbunden ist und daß sie den Stickstoffwechsel unberührt läßt. Auf Grund der Biogenhypothese heißt das: Während beim Ruhestoffwechsel die Biogenmoleküle außer ihrem Umsatz innerhalb der stickstofffreien Seitenketten auch noch in gewissem Umfange einen tiefer bis in die stickstoffhaltigen Gruppen hinabreichenden Zerfall und Aufbau erfahren, wird bei Beanspruchung der lebendigen Substanz durch funktionelle Reize nur der Umsatz in den stickstofffreien Seitenketten der Biogenmoleküle erregt.
Da es sich bei dem Stickstoffumsatz um einen tiefergehenden, wahrscheinlich vollständigen Zerfall und Aufbau lebendiger Zellsubstanz handelt, so ist es zweckmäßig, diesen Teil des Stoffwechsels als cytoplastischen Stoffwechsel auch im Namen von dem Teil zu unterscheiden, bei dem sich nur ein Zerfall und Aufbau stickstofffreier Atomgruppen abspielt, der durch funktionelle Reize gesteigert wird und den wir infolgedessen als funktionellen Stoffwechsel bezeichnen können[612].
Der Intensitätsumfang beider Teile des Gesamtstoffwechsels, und zwar sowohl der absolute als auch der relative ist während der Lebensdauer eines Organismus zu verschiedenen Zeiten sehr verschieden, doch liegen hinsichtlich der Ermittelung dieser Verhältnisse bisher nur die ersten Anfänge vor. Sie bestehen hauptsächlich darin, daß man gesucht hat, den Umfang des cytoplastischen Stoffwechsels während verschiedener Entwicklungsphasen oder während der gesamten Lebenszeit durch den Energieumsatz und die Energieaufspeicherung zu bestimmen. So hat namentlich TANGL[613] in einer Reihe grundlegender Arbeiten diese Fragen in Angriff genommen und ebenso hat RUBNER[614] statistische Untersuchungen über die Größe des Energieumsatzes während des Lebens verschiedener Organismen unternommen, aus denen er ein bestimmtes Abhängigkeitsverhältnis der Lebensdauer von der Größe des Energieumsatzes entnehmen zu können glaubt. Im allgemeinen können wir nur, was eigentlich selbstverständlich ist, sagen, daß der cytoplastische Stoffwechsel während der Wachstumsperiode der Organismen viel intensiver ist als nach beendigtem Wachstum. Dabei kommt während der gesamten Entwicklung im Wachstum ein Ueberwiegen der Assimilationsphase, bei atrophischen Vorgängen dagegen ein Ueberwiegen der Dissimilationsphase des cytoplastischen Stoffwechsels zum Ausdruck.
Auch die Vorgänge des Wachstums und der Atrophie unterliegen zweifellos dem Massenwirkungsgesetz. So ist es ohne weiteres verständlich, daß die Menge der lebendigen Substanz zunimmt, wenn die Menge der Nahrungsstoffe eine Steigerung erfährt, und daß sie unter gewissen Voraussetzungen dauernd zunehmen kann, wie das Wachstum einzelliger Organismen zeigt, wenn dauernd ein relativer Ueberfluß an sämtlichen Nahrungsstoffen besteht und wenn gleichzeitig die Abfuhr der Zerfallsprodukte ungehindert verläuft. In dem oben als Paradigma behandelten Beispiel der Esterbildung tritt ja ebenfalls eine absolute Zunahme aller im Reaktionsprodukt enthaltenen Stoffe ein, wenn z. B. die linke Seite eine Zunahme erfährt, d. h. wenn wir äquivalente Mengen von Aethylalkohol und Essigsäure mehr einführen. Das Gleichgewicht zwischen den einzelnen Stoffmengen bleibt dabei immer dasselbe, nur liegt es auf einem höheren absoluten Niveau. Aber wir wissen auch aus Erfahrung, daß bei vielen Organismen trotz einer Steigerung der Nahrungszufuhr eine Zunahme von lebendiger Substanz nicht oder nur in sehr geringen Grenzen zu erzielen ist. Das ist hauptsächlich bei höheren Tieren der Fall. Hier liegen die Verhältnisse jedoch so kompliziert, daß wir die Bedingungen für die Begrenzung des Wachstums auch noch nicht annähernd nachweisen können. Daß umgekehrt bei Verminderung der Nahrungsmenge eine Atrophie, d. h. eine Massenabnahme der lebendigen Substanz eintreten muß, ist ebenfalls aus dem Massenwirkungsgesetz ohne weiteres verständlich.
Sehr wichtig ist nun aber das Abhängigkeitsverhältnis des cytoplastischen Stoffwechsels vom funktionellen Stoffwechsel. Aus der Tatsache, daß der funktionelle Stoffwechsel durch Reize gesteigert werden kann, ohne daß der cytoplastische Stoffwechsel gleichzeitig eine merkliche Steigerung erfährt, darf nicht etwa der Schluß abgeleitet werden, daß beide voneinander vollkommen unabhängig wären und gewissermaßen selbständig nebeneinander im Leben der Zelle hergingen. Im Gegenteil, bei genauerer Prüfung zeigt sich deutlich, daß auch hier eine enge Verknüpfung besteht. Es ist eine bekannte Tatsache, daß eine dauernde funktionelle Beanspruchung eines Muskels zu einer beträchtlichen Massenzunahme desselben führt und daß umgekehrt eine völlige Ausschaltung der funktionellen Reize eine Inaktivitätsatrophie, also eine Massenabnahme im Gefolge hat. Dieses Verhältnis ist aber nicht bloß auf den Muskel beschränkt. Wir kennen es von den verschiedenartigsten Geweben unseres Körpers, von Drüsen so gut wie von den Elementen des Nervensystems. Im Leben des Nervensystems spielt dieses Prinzip eine geradezu fundamentale Rolle. Auf ihm beruht alles Lernen, alle Uebung, alles Gedächtnis. Bei der großen Bedeutung, die das Prinzip der Massenzunahme der lebendigen Substanz unter dem Einfluß funktioneller Beanspruchung gerade im Leben des Nervensystems hat, lohnt es sich, noch einen Augenblick bei diesem speziellen Fall zu verweilen.
Fig. 266.
Ganglienzellen aus dem Kleinhirn des Kaninchens
.
A
Zur Zeit der Geburt,
B
am 6. Tage nach der Geburt. Nach A
THIAS
.
Es ist eine lange bekannte Tatsache, daß die Ganglienzellen sich bei den höheren Tieren und dem Menschen nach der Geburt nicht mehr durch Zellteilung vermehren. Dennoch ist ihre Entwicklung keineswegs schon abgeschlossen, sie besteht vielmehr in einer Massenzunahme des Protoplasmakörpers, die sich namentlich in der reichlichen Bildung baumförmig verzweigter Ausläufer, der „Dendriten“, bemerkbar macht. Es ist nun durch eine ganze Reihe von Beobachtungen festzustellen, daß diese Massenzunahme des Ganglienzellprotoplasmas in engster Abhängigkeit steht von ihrer funktionellen Beanspruchung. So sind z. B. die Ganglienzellen des Kleinhirns, das die Erhaltung der normalen Körperlage reflektorisch vermittelt, beim neugeborenen Kaninchen noch klein und haben nur wenig entwickelte Dendriten. Dementsprechend ist der Lagereflex noch sehr wenig entwickelt, die Tiere vermögen sich noch nicht in ihrer Bauchlage zu erhalten und kippen fortwährend um. Nach den ersten paar Tagen, nachdem der Reflex unzählige Male ausgelöst worden ist, hat er bereits durch diese Uebung eine ganz bemerkenswerte Sicherheit und Exaktheit erreicht. In Uebereinstimmung damit haben sich die Ganglienzellen des Kleinhirns durch die häufige funktionelle Beanspruchung mächtig entwickelt, wie ein Vergleich der von ATHIAS[615] mitgeteilten Bilder ergibt (Fig. 266 A u. B). Daß es die funktionelle Beanspruchung ist, welche die Massenzunahme des Protoplasmas und die Dendritenentwicklung der Ganglienzellkörper bedingt, geht aus folgenden Experimenten von BERGER[616] hervor. BERGER vernähte neugeborenen Hunden die Augenlider, so daß nur sehr schwaches Licht durch die geschlossenen Lider auf die Netzhaut fallen konnte. Nachdem die Tiere mit den nicht operierten, also sehenden Genossen aufgewachsen waren, tötete er beide und verglich die Ganglienzellen der Sehsphäre des Großhirns bei beiden. Es zeigte sich, wie aus den beistehenden Abbildungen hervorgeht, daß die Ganglienzellen der blinden Hunde auf ihrer embryonalen Entwicklungsstufe stehen geblieben waren und keine Dendriten entwickelt hatten, während diejenigen der sehenden Hunde ihre normale Reife erlangt hatten (Fig. 267 A u. B). Diese Beispiele zeigen, daß die Massenzunahme des Protoplasmas der Ganglienzellen genau so abhängig ist von der Häufigkeit ihrer funktionellen Beanspruchung wie die Massenzunahme des Muskels. Diese Tatsache ist aber von weittragender Bedeutung. Wie beim Muskel die Energieproduktion mit der Masse zunimmt, so ist es auch bei der Ganglienzelle der Fall. Die Energieproduktion der Ganglienzelle besteht in der Entladung ihres spezifischen nervösen Impulses. Eine Ganglienzelle wird also um so stärkere Impulse entsenden, je mehr sie eine Massenzunahme ihres Protoplasmas erfährt. Da es nun von der Intensität der Impulsentladung im wesentlichen abhängt, ob und wie weit eine Erregung zu anderen Ganglienzellstationen und durch andere Ganglienzellen hindurch fortgeleitet wird, so wird der Ablauf der assoziativen Vorgänge im Gehirn ganz wesentlich abhängen von der Massenentwicklung der Ganglienzellkörper, die auf der betreffenden Assoziationsbahn gelegen sind. So ergibt sich hier auf Grund der zellularphysiologischen Erfahrungen zum ersten Male eine mechanische Erklärung für die bisher als so geheimnisvoll betrachteten Tatsachen des Lernens und des Gedächtnisses[617]. Die Assoziationsbahnen werden durch Uebung, wie man sagt, „ausgeschliffen“, d. h. ihre Ganglienzellstationen erfahren durch immer wiederkehrende funktionelle Beanspruchung allmählich eine solche Massenzunahme, daß sie immer stärkere Impulse entladen. So laufen die Erregungen auf diesen Bahnen immer leichter und leichter ab. In diesem Prinzip liegt das ganze Geheimnis der Uebung, des Lernens und des Gedächtnisses.
Fig. 267.
Ganglienzellen aus der Sehsphäre des Hundes
.
A
In normaler Entwicklung bei einem sehenden Hunde,
B
in zurückgebliebener Entwicklung bei einem Hunde, dessen Augenlider nach der Geburt vernäht worden sind. Nach B
ERGER
.
⇒ GRÖSSERES BILD
Es fragt sich nun aber, wie ist die Massenzunahme, also die Steigerung der Assimilationsphase des cytoplastischen Stoffwechsels bei starker Beanspruchung des funktionellen Stoffwechsels durch dissimilatorische Reize zu verstehen? Welcher Zusammenhang besteht hier, welches Abhängigkeitsverhältnis zwischen dem cytoplastischen und dem funktionellen Stoffwechsel? Auch in dieser Frage führen uns die Erfahrungen zu einem mechanischen Verständnis. Es ist eine Erfahrungstatsache, daß ein Organ, dessen Funktion durch Reize stark in Anspruch genommen wird, eine stärkere Blutdurchströmung zeigt als in der Ruhe. Das Blut liefert das Nährmaterial für alle Zellen des Körpers, und zwar auf dem Wege über die Lymphe, die alle Zellen des Körpers direkt umspült. Es ist also kein Zweifel, daß ein Organ, das funktionell häufig oder andauernd beansprucht wird, einen größeren Zufluß von Nahrungsstoffen erhält. Das heißt mit anderen Worten: die Menge der zum Aufbau lebendiger Zellsubstanz nötigen Stoffe wird vergrößert. Wir haben hier also den gleichen Fall, als wenn wir in unserem Paradigma der Esterbildung die äquivalenten Mengen von Alkohol und Essigsäure vermehren. Der Erfolg ist im letzteren Fall eine gleichzeitige Vermehrung des Essigsäureäthylesters und des Wassers, im ersteren Fall eine Vermehrung der lebendigen Substanz. Beide Fälle sind ein einfacher Ausdruck des Massenwirkungsgesetzes. Es ist nun im höchsten Grade wahrscheinlich, daß allgemein in allen Organen unseres Körpers ein Selbststeuerungsmechanismus der Art besteht, daß bei stärkerer Tätigkeit einer bestimmten Zellgruppe auch lokal ein stärkerer Blut- resp. Lymphzufluß herbeigeführt wird auf ganz automatischem Wege einfach dadurch, daß die Mehrausscheidung gewisser Stoffwechselprodukte eine stärkere Lymphsekretion seitens der Blutgefäßkapillarzellen veranlaßt.
Ob ein solches Abhängigkeitsverhältnis zwischen dem cytoplastischen und dem funktionellen Stoffwechsel und ein Regulationsmechanismus analoger Art auch in der einzelnen, isoliert lebenden Zelle existiert, was nicht unwahrscheinlich ist, läßt sich heute noch nicht sagen, da wir diese Verhältnisse vorläufig nur von den Zellen des tierischen Zellenstaates kennen. Ueberhaupt wissen wir über die weiteren Beziehungen zwischen cytoplastischem und funktionellem Stoffwechsel bis heute noch sehr wenig, denn die Untersuchung dieser Verhältnisse ist noch ganz in ihren Anfängen und erst den letzten Jahren entsprungen. Nachdem aber einmal die Aufmerksamkeit auf dieses Gebiet gelenkt ist, dürfen wir von weiteren Studien sehr wichtige Einblicke in das Getriebe des organischen Stoffwechsels erwarten. Hier liegt wiederum ein jungfräulicher Acker, der zum ersten Male bestellt wird und reiche Früchte verspricht.
4. Die Interferenz von Reizwirkungen.
Eine Frage, die ein ganz besonderes Interesse verdient, ist die Frage nach den Interferenzwirkungen zweier verschiedener Reize. Leider beginnt man erst auf diesem Gebiete mit einer methodischen Behandlung der Probleme, und es ist zurzeit nur möglich, einige wenige Andeutungen zu machen, die auf den Zusammenhang dieser Frage mit gewissen Tatsachen aus den verschiedenen Gebieten der Physiologie hinweisen.
Da der Biotonus durch die verschiedenen Reize in sehr verschiedener Weise beeinflußt werden kann, je nachdem diese oder jene Glieder desselben von dem betreffenden Reiz erregt oder gelähmt werden, so muß bei einer methodischen Untersuchung der Interferenzwirkungen zweier Reize die Frage, wie jeder einzelne derselben wirkt, den Ausgangspunkt bilden. Vor allen Dingen ist für das Verständnis einer jeden Interferenzwirkung die Frage zu entscheiden, ob die beiden Reize im gleichen Sinne, d. h. erregend resp. lähmend wirken oder nicht, und auf welche Glieder des Biotonus sich ihre Wirkung primär erstreckt, ob auf Assimilation oder Dissimilation. Nur durch Beantwortung dieser Fragen ist daran zu denken, allgemeine Gesetze der Interferenzwirkungen zu gewinnen.
Haben wir zwei untermaximale Reize, die beide in gleichem Sinne, also beispielsweise erregend, und die beide auf die gleichen Glieder des Biotonus, also beispielsweise auf die Dissimilationsphase wirken, so werden wir im allgemeinen eine Summation der Erregungen haben, die allerdings in bezug auf Einzelheiten sich zunächst nicht ohne weiteres vorausbestimmen läßt, weil die Intensität der Reize, ihre Dauer, der Zeitmoment ihrer Einwirkung, der Erregbarkeitsgrad der betreffenden Zelle, ihr Refraktärstadium die verschieden starke Beeinflussung der einzelnen D-Glieder, die Tatsache der Selbststeuerung des Stoffwechsels etc. Faktoren sind, die eine entscheidende Rolle beim Zustandekommen des Enderfolges spielen. Hierher gehört z. B. die ganze Fülle der Tatsachen, die namentlich in der Nerven- und Muskelphysiologie als Fälle der „Erregbarkeitssteigerung“ bekannt geworden sind. Durch die Einwirkung eines erregenden Reizes, sagen wir z. B. eines thermischen Reizes, auf einen Nerven kann seine Erregbarkeit für einen zweiten, sagen wir für einen galvanischen Reiz erhöht sein, und der letztere erzielt eine stärkere Reizwirkung als wenn er allein einwirkte. Auch wenn die Intensität der beiden Reize dicht unter der Reizschwelle liegt, so daß jeder einzeln für sich keine wahrnehmbare Wirkung ausübt, können beide zusammenwirkend einen deutlichen Reizerfolg durch Summation erzielen. Man hat hier sehr unzweckmäßig von einer „Bahnung“ gesprochen und durch diese Ausdrucksweise zu vielen Mißverständnissen Anlaß gegeben, da man unter Bahnung im Nervensystem ursprünglich einen ganz anderen Vorgang, nämlich das eben besprochene „Ausschleifen der Bahnen“ verstand. Im vorliegenden Falle dagegen handelt es sich einfach um eine Summationswirkung zweier Reize.
Ein Gegenstück dazu liefern die Wirkungen, welche resultieren, wenn zwei Reize auf die lebendige Substanz einwirken, die beide in entgegengesetztem Sinne, also der eine lähmend, der andere erregend, auf die gleichen Glieder des Biotonus wirken. Hier haben wir gewöhnlich eine „Erregbarkeitsherabsetzung“ als Resultat. Lassen wir beispielsweise auf eine Zelle ein Narcoticum wirken, oder lähmen wir sie durch Ueberreizung, so wird jeder erregende Reiz einen geringeren Reizerfolg erzielen, als wenn er allein einwirkte, die Zelle wird unter Umständen vollständig unerregbar sein.
Hierher gehört nun, wie endlich durch neuere Untersuchungen entschieden werden konnte, die höchst wichtige und interessante Gruppe der Hemmungsvorgänge, die bei aller lebendigen Substanz beobachtet werden können, die aber eine ganz fundamentale Bedeutung haben für das gesamte Leben des Nervensystems.
Unter „Hemmung“ verstehen wir die Tatsache, daß die Erregung, die ein Reiz hervorruft, durch die Einwirkung eines zweiten an sich ebenfalls erregenden Reizes unterdrückt oder verhindert werden kann. Als typisches Paradigma kann uns die Hemmung der antagonistischen Muskeln in unserem Körper dienen, die in den ihnen zugehörigen Ganglienzellen des Zentralnervensystems sich abspielt. Unter normalen Verhältnissen ist es uns nicht möglich, zwei antagonistische Muskeln gleichzeitig in Kontraktion zu erhalten. Sind z. B. die Beugemuskeln des Arms kontrahiert und kontrahieren wir jetzt die Streckmuskeln des Arms, so erschlaffen gleichzeitig die Beuger und umgekehrt. Der Impuls, den wir entsenden, um die Streckmuskeln zu kontrahieren, hemmt gleichzeitig die in den Zentren der Beuger bestehende Erregung. Ein solches Verhältnis finden wir auf Schritt und Tritt im Leben unseres Nervensystems und auf ihm beruht zum großen Teil die Feinheit der Koordination in dem Zusammenarbeiten der Teile unseres Körpers. Ueberall, wo Antagonisten vorhanden sind, ist dieses Verhältnis realisiert. Aber nicht bloß im motorischen Gebiet, sondern auch im sensorischen Gebiete finden wir solche Hemmungsvorgänge. So kann z. B. eine Sinnesempfindung eine andere, eine neu auftretende die vorhergehende hemmen. Wir können nicht gleichzeitig ein Buch lesen und eine Oper hören, ja, wir können nicht einmal zwei Vorstellungen gleichzeitig im Bewußtseinsfelde haben, sondern immer nur nacheinander. Darin liegt eine Grundbedingung alles logischen Denkens, das nur zustande kommen kann durch gesetzmäßige Aufeinanderfolge von einzelnen Vorstellungen und das ausgeschlossen wäre bei einem Nebeneinanderbestehen zahlreicher Vorstellungen. So haben die Hemmungsvorgänge für unser ganzes Leben eine ebenso grundlegende Bedeutung wie die Erregungsvorgänge. Es ist daher begreiflich, daß die Physiologie ein ganz besonderes Interesse haben muß, den Mechanismus dieser Hemmungsvorgänge zu analysieren. Allein obwohl man die Hemmungsvorgänge bereits seit der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts kennt und obwohl mehrfach Versuche unternommen sind, das Prinzip der Hemmungsvorgänge zu ermitteln, ist doch eine endgültige Aufklärung des ganzen Gebietes erst in den letzten Jahren gelungen. Zwar hatte schon SCHIFF sich eine im wesentlichen zutreffende Anschauung über das Zustandekommen der Hemmungsvorgänge gebildet, aber er verwarf selbst diese Anschauung wieder, weil er sie mit anderen Erfahrungen seiner Zeit nicht in Einklang bringen konnte.
Fragt man sich, wie etwa die Hemmung einer bestehenden dissimilatorischen Erregung auf Grund unseres Schemas vom Stoffwechsel mechanisch verständlich wäre, so liegt von vornherein die Antwort nahe: durch die Entstehung der antagonistischen Stoffwechselprozesse. Zu einer dissimilatorischen Erregung sind aber zwei Antagonismen denkbar: entweder eine assimilatorische Erregung oder eine dissimilatorische Lähmung. Der hemmende Reiz könnte also entweder die bestehende dissimilatorische Erregung zum Verschwinden bringen, indem er die Assimilationsphase des Stoffwechsels erregt und so steigert, daß sie die Dissimilation überwiegt, oder er könnte so wirken, daß er die dissimilatorische Erregung lähmt, so daß eine dissimilatorische Lähmung entsteht.
Die erstere Ansicht ist in der Tat von GASKELL[618], E. HERING[619], MELTZER[620] und anderen vertreten worden und man muß gestehen, daß sie auf den ersten Blick sehr plausibel erscheint. Bei genauerem Zusehen aber erheben sich beträchtliche Schwierigkeiten. Es ist nämlich trotz eifrigsten Suchens nicht möglich gewesen, Reize aufzufinden, die primär die assimilatorischen Prozesse der Zelle momentan zu erregen imstande wären. Die Assimilation überwiegt immer nur über die Dissimilation entweder primär bei gesteigerter Nahrungszufuhr oder sekundär nach dissimilatorischer Erregung. Nervöse Impulse aber, die primär und momentan die Assimilation erregen, sind bisher nicht bekannt geworden und wir wissen auch, daß im Nervensystem nur dissimilatorische Erregungen fortgeleitet werden[621], daß also alle nervösen Impulse dissimilatorische Erregungsvorgänge sind, von denen man sich schwer vorstellen könnte, wie sie in irgendeiner Ganglienzelle primär assimilatorisch erregende Wirkungen hervorrufen sollten.
Dagegen hat sich gezeigt, daß die zweite Annahme die Hemmungsvorgänge ohne Schwierigkeit zu erklären imstande ist. Die Grundtatsache, die zur Annahme geführt hat, daß die Hemmungsvorgänge auf einer dissimilatorischen Lähmung, und zwar auf einer Arbeitslähmung beruhen, liefert das Verhalten des Strychninfrosches. Durch Strychninvergiftung wird die Erregbarkeit der sensiblen Ganglienzellen des Rückenmarks[622] so gesteigert, daß sie auf den leisesten Reiz hin eine maximale Impulsentladung geben. Dadurch wird die Arbeitslähmung beschleunigt und das Refraktärstadium, wie wir gesehen haben, nach jeder Impulsentladung infolge des relativen Sauerstoffmangels länger[623]. Lassen wir nun während dieses Zustandes einen einzelnen Reiz auf eine Hautstelle einwirken, so liefert derselbe eine einzelne Zuckung, also eine dissimilatorische Entladung der von ihm erregten Ganglienzellen. Lassen wir dann einen zweiten Reiz folgen in einem Intervall, das länger ist als das Refraktärstadium in diesem Zeitpunkt, so liefert auch dieser zweite Reiz wieder eine Zuckung. Lassen wir aber den zweiten Reiz in einem Intervall folgen, das kürzer ist als das Refraktärstadium, so bleibt der Reizerfolg aus[624]. In diesem Fall also hat der erste Reiz die Wirkung des zweiten gehemmt. Und lassen wir rhythmische Reize in Intervallen aufeinander folgen, die kürzer sind als die Dauer des Refraktärstadiums, so bleiben die Ganglienzellen dauernd refraktär, weil jeder folgende Reiz von neuem ihre Erholung verhindert. So hemmt jeder vorhergehende Reiz die Wirkung jedes folgenden Reizes. Hier liegen also die Verhältnisse vollkommen klar. Dieser Fundamentalversuch der Lehre von den Hemmungsvorgängen ist kürzlich von Herrn TIEDEMANN in einer noch nicht veröffentlichten Untersuchungsreihe weiter verfolgt worden, die über die Beteiligung der einzelnen Ganglienzellstationen am Zustandekommen der mitgeteilten Tatsachen noch speziellere Aufklärung geben wird. Inzwischen hat FRÖHLICH[625] in einer Reihe von Arbeiten nachweisen können, daß in der Tat die verschiedenen Arten von Hemmungsvorgängen sämtlich auf das gemeinsame Prinzip der Entwicklung eines Refraktärstadiums, also einer dissimilatorischen Lähmung, zurückführbar sind. Untersuchungen an dem Oeffnungs- und Schließmuskel der Krebsschere haben FRÖHLICH dabei gezeigt, daß man zwei Typen von Hemmungsvorgängen unterscheiden kann. Hier besteht nämlich das eigentümliche Verhältnis, daß der Schließmuskel, wenn er kontrahiert ist, durch ganz schwache Reize gehemmt wird, während umgekehrt zur Hemmung des kontrahierten Oeffnungsmuskels nur starke Reize wirksam sind. Die Hemmung des Schließmuskels beruht auf der bereits erwähnten Tatsache, daß manche Formen der lebendigen Substanz besonders leicht für ganz schwache Reize ermüden, die in der Nähe der Reizschwelle liegen. Es handelt sich also hier um die Entwicklung eines „relativen Refraktärstadiums“, bei der Hemmung des Oeffnungsmuskels dagegen um die Entwicklung eines „absoluten Refraktärstadiums“. FRÖHLICH hat nun zeigen können, daß im Leben unseres Nervensystems gerade die Hemmungsvorgänge eine besondere Rolle spielen, denen das Prinzip des „relativen“ Refraktärstadiums zugrunde liegt. Demgegenüber sind die oben beschriebenen Hemmungsvorgänge am Strychninfrosch der Ausdruck eines „absoluten“ Refraktärstadiums, denn hier sind die Entladungen der Ganglienzellen maximal und die Reize in keiner Intensität wirksam. In allen Fällen aber beruhen die Hemmungsvorgänge immer auf einer dissimilatorischen Lähmung, welche die Wirkung dissimilatorisch erregender Reize verhindert.
Es sei hier aber darauf hingewiesen, daß nicht alles in Wirklichkeit Ausdruck von Hemmungsvorgängen ist, was als solcher angesprochen worden ist. So sind z. B. die merkwürdigen Tatsachen, die man fälschlich als „tierische Hypnose“ bezeichnet hat, nicht, wie vielfach angenommen wurde, Ausdruck von Hemmungs-, sondern vielmehr im Gegenteil Ausdruck von Erregungsvorgängen. Das bekannte „Experimentum mirabile de imaginatione gallinae“ des Pater KIRCHER gehört hierher. Ergreift man ein Huhn, wenn es noch so erregt ist und schreit, plötzlich mit sicherem Griff und legt man es vorsichtig auf den Rücken, indem man seine Lagekorrektionsbewegungen mit sanftem Druck unterdrückt, so bleibt das Tier nach wenigen kurzen Versuchen, sich zu erheben, bewegungslos liegen (Fig. 268) und ebenso verhalten sich Meerschweinchen (Fig. 167, p. 422), Kaninchen, Tauben, Frösche, Eidechsen und zahllose andere Tiere. Bei allen diesen Experimenten aber handelt es sich in erster Linie, wie wir bereits an anderer Stelle sahen, um ein Tonischwerden des Lagereflexes, wie die dauernd in der Lagekorrektionsstellung innervierten Muskeln zeigen. Das Großhirn ist bei diesem eigentümlichen Verhalten gar nicht aktiv beteiligt, wie sich daraus ergibt, daß auch großhirnlose Hühner sich genau ebenso verhalten. Ob bei normalen Tieren neben dem durch das Kleinhirn vermittelten tonischen Lagereflex noch Hemmungsvorgänge im Großhirn vorhanden sind, dafür existiert keinerlei Anhaltspunkt.
Fig. 268.
I
Naja haje
(ägyptische Brillenschlange).
Experiment der ägyptischen Schlangenbeschwörer
. Links oben die Haje in erregter Angriffsstellung (Schildstellung). Rechts oben dieselbe durch einen Druck in die Nackengegend bewegungslos gemacht und auf den Rücken gelegt. Unten dieselbe bewegungslos gemacht gradeausgestreckt auf dem Bauch liegend.
II
Huhn, durch sicheres Zugreifen bewegungslos gemacht und auf den Rücken gelegt. Experimentum mirabile des Pater
K
IRCHER
.
Im Gegensatz zu dieser Gruppe von Vorgängen liegen dem uralten Experiment der ägyptischen Schlangenbeschwörer, das schon vor mehr als 3000 Jahren MOSES und AARON vor dem ägyptischen Pharao ausführten und das die Schlangenzauberer in Aegypten noch heute dem staunenden Volke demonstrieren, in der Tat echte Hemmungsvorgänge zugrunde. Durch einen leichten Druck in die Nackengegend gelingt es, die wild erregte, zischende, hochaufgerichtete Haje (Brillenschlange) plötzlich bewegungslos zu machen, so daß man das gefährliche Tier ohne seinen todbringenden Biß fürchten zu müssen, nunmehr in jede beliebige Stellung bringen kann (Fig. 268). Hierbei handelt es sich, wie experimentell nachgewiesen werden konnte[626], um eine totale Hemmung der vorher stark kontrahierten Muskeln des ganzen Körpers. Der Druckreiz in der Nackengegend hemmt die Erregung der motorischen Zentra.
Schließlich beruhen auf einer dissimilatorischen Lähmung wahrscheinlich auch die hemmenden Wirkungen, die der galvanische Strom an gewissen Formen der lebendigen Substanz an einem Pole entfaltet. Wie wir an anderer Stelle[627] sahen, wird ein tonisch kontrahierter Muskel, durch den man einen konstanten galvanischen Strom hindurchfließen läßt, bei der Schließung des Stromes an der Anode erschlafft. Dementsprechend findet am Nerven beim Durchgang des Stromes an der Anode eine Herabsetzung der Erregbarkeit statt. Eine Amöbe, durch die ein konstanter Strom hindurchgelassen wird, erschlafft dagegen an der Kathode und fließt mit breitem Pseudopodium in dieser Richtung vor[628]. Alle diese hemmenden Wirkungen des Stromes, die HERING im Sinne seiner Auffassung der Hemmungsvorgänge als Ausdruck assimilatorischer Erregung gedeutet hat, dürften sich vielmehr im Sinne der oben entwickelten Theorie der Hemmungsvorgänge ebenfalls als Ausdruck dissimilatorischer Lähmung erweisen, und das gleiche gilt für die Deutung der antagonistischen Farbenempfindungen, bei denen gleichfalls immer die eine Farbe einer dissimilatorischen Erregung, die andere einer dissimilatorischen Lähmung entsprechen wird.
5. Die polaren Veränderungen des Biotonus und der Mechanismus der Achseneinstellung bei einseitiger Reizung.
Wir haben bisher nur die Veränderungen des Biotonus bei allgemeiner Reizung der lebendigen Substanz ins Auge gefaßt. Die Veränderungen, die bei lokaler Reizung auftreten, sind aber wert, besonders betrachtet zu werden, weil sie in gewissen Fällen zu ganz charakteristischen äußeren Folgen Anlaß geben. Das sind die bewegungsrichtenden Wirkungen der Reize an frei beweglichen Organismen, die wir als Chemotaxis, Barotaxis, Thermotaxis, Phototaxis und Galvanotaxis kennen gelernt haben. Diese interessanten Reaktionen werden, wie wir sahen, sämtlich durch Differenzen in der Reizstärke an verschiedenen Stellen der Körperoberfläche hervorgerufen und kommen zustande durch Beeinflussung der Tätigkeit kontraktiler Elemente. Es handelt sich also in diesen Fällen von Reizwirkungen um die Veränderungen derjenigen Glieder der A- und D-Reihe des Biotonus, die der Kontraktion und Expansion der kontraktilen Elemente zugrunde liegen. Nur wo Differenzen des Kontraktions- und des Expansionszustandes an zwei verschiedenen Stellen des Zellkörpers bestehen, kann eine bestimmt gerichtete Wirkung zustande kommen. Da in bezug auf den Bewegungseffekt Kontraktion (c) und Expansion (e) zwei antagonistische Phasen des Bewegungsvorganges sind, so können wir uns das Verhältnis dieser beiden Glieder des Biotonus in analoger Weise wie den Biotonus selbst durch einen Bruch veranschaulichen. Wir können uns dann die Zustände, die in einer ruhenden Zelle an zwei verschiedenen Partien des Körpers bestehen, schematisch in folgender Weise versinnlichen:
c ce e
wobei ce das Verhältnis von Kontraktion zu Expansion bezeichnet, das an zwei gegenüberliegenden Polen eines einzelligen Organismus herrscht.
Denken wir uns einen Zustand der Zelle, in dem c und e gleich groß sind, und in dem allseitig eine gleich starke Neigung zur Kontraktion und Expansion besteht, so kann nach keiner Seite hin eine Bewegung erfolgen. Das ändert sich aber sofort, wenn an zwei Stellen der Oberfläche Differenzen im Biotonus auftreten, wenn c oder e unter dem Einfluß eines einseitig wirkenden Reizes an einem Pol größer oder kleiner wird, als am andern. In diesem Falle ist die Bedingung für eine einseitig gerichtete Bewegung gegeben.
Da die merkwürdigen Tatsachen der Chemotaxis, Barotaxis, Thermotaxis, Phototaxis und Galvanotaxis noch bis in unsere Zeit vielfach als ganz rätselhafte „Anziehungen“ und „Abstoßungen“ der einzelligen Organismen von seiten der Reizquelle betrachtet worden sind, deren Zustandekommen noch nicht mechanisch erklärt werden konnte, so ist es von großem Interesse, zu sehen, wie sich auf Grund von polaren Differenzen im Biotonus der Mechanismus dieser eigentümlichen Reizreaktionen mit zwingender Notwendigkeit aus der speziellen Bewegungsart einer jeden Zellform von selbst ergibt. Eine derartige Betrachtung muß um so mehr Interesse fordern, als viele der genannten Reizwirkungen, vor allem die Chemotaxis der Bakterien und Leukocyten, auch in der Pathologie des menschlichen Körpers eine weitgehende Bedeutung besitzen.
Wenn man folgende drei Faktoren: die spezielle Bewegungsart eines jeden Organismus (Protoplasma-, Geißel-, Flimmerbewegung etc.), dann die Veränderung dieser Bewegung unter dem Einfluß der Reize und schließlich die Stelle des Körpers, an der bei einseitiger Reizung das Maximum der Wirkung in jedem Fall lokalisiert ist, ins Auge faßt, dann erscheint der Mechanismus dieser durch ihre große Gesetzmäßigkeit imponierenden Reizwirkungen so einfach, daß seine Analyse sich jedem, der sich überhaupt Bewegungsmechanismen im Geiste in ihre Teile zu zerlegen gewöhnt ist, geradezu von selbst aufdrängen muß.
Stellen wir uns vor, ein einzelliger Organismus, der nach einer Längsachse differenziert ist, bewege sich ungestört nach beliebigen Richtungen durch das Medium, in dem er sich befindet, und es wirke plötzlich von irgendeiner Seite her ein Reiz auf ihn ein, so wäre zum Zustandekommen einer Annäherung an die Reizquelle oder einer Entfernung von derselben vor allem eine bestimmte Achseneinstellung des Organismus erforderlich, so daß er mit dem vorderen oder hinteren Pol seiner Längsachse nach der Reizquelle gerichtet würde. Nun ist es eine allgemeine Regel, daß alle einachsig differenzierten Organismen sich in völlig ungestörtem Zustande in der Richtung ihrer Längsachse bewegen. Ist daher diese Achseneinstellung einmal ausgeführt, so muß bei vollständigem Fehlen aller anderweitigen Impulse durch die gewöhnliche Lokomotionsart des Organismus eine Bewegung nach der Reizquelle hin oder von ihr fort zustande kommen, und die weitere Einwirkung des Reizes verhindert oder korrigiert nur gelegentliche Abweichungen von dieser Bewegungsrichtung, die etwa durch anderweitige Impulse erzeugt werden. Das wesentliche Moment bei allen bewegungsrichtenden Reizwirkungen ist also die Achseneinstellung des Zellkörpers, und der Kernpunkt der Mechanik dieser Reizreaktion liegt in der Erklärung der Achseneinstellung. Verfolgen wir daher den Mechanismus der Achseneinstellung bei verschiedenen Typen freilebender Zellen etwas genauer.
Fig. 269.
Schema der Achseneinstellung einer Amöbe bei kontraktorischer Erregung von rechts her
. Die Dicke des Konturs deutet die Erregung an. Die Pfeile bezeichnen die Kriechrichtung.
Die einfachsten und durchsichtigsten Verhältnisse haben wir wie immer bei den nackten Protoplasmamassen, wie sie z. B. die Zellen der Amöben und Leukocyten vorstellen. Denken wir uns eine Amöbe in Kugelform, die im Begriff ist, zu kriechen, und stellen wir uns vor, daß an einer Stelle infolge eines einseitig wirkenden Reizes eine kontraktorische Erregung einträte (Fig. 269 a), so würde an der gegenüberliegenden Stelle der Kugeloberfläche die kontraktorische Erregung am geringsten sein. Hier würde das Protoplasma ungehindert vorfließen, während an der gereizten Seite die starke Kontraktion kein Vorfließen des Protoplasmas gestatten würde. Das Protoplasma der Amöbe würde also nach der ungereizten Seite hin ein Pseudopodium bilden (Fig. 269 b). So würde eine Amöbe, die sonst unter ringsherum gleichen Bedingungen nach allen Seiten hin Pseudopodien ausstreckt und bald hierhin, bald dorthin kriecht, eine axial differenzierte Gestalt annehmen (Fig. 269 c), wie es bei den Amöben der Fall ist, die man unter dem Namen Amoeba limax als besondere Form bezeichnet hat. Bei andauernder Reizung von derselben Seite her müßte unter diesen Umständen ein allmähliches Fortkriechen der Amöbe von der Reizquelle eintreten, wie wir es ja in der Tat bei der negativen Chemotaxis und Thermotaxis der Amöben, Myxomyceten, Leukocyten etc. vor uns haben. Umgekehrt: stellen wir uns vor, daß auf die kugelförmige Amöbe von einer Seite her ein Reiz einwirke, der lokal eine expansorische Erregung erzeugt, so wird das Protoplasma nach dieser Seite am stärksten vorfließen, so daß sich die Amöbe bei andauernder Reizung der Reizquelle nähern muß. So erklärt sich die positive Chemotaxis der Leukocyten, Amöben, Myxomyceten und anderer nackter Protoplasmamassen. Wirkt von der einen Seite ein expansorischer, von der anderen ein kontraktorischer Reiz auf die Amöbe ein, so muß der Erfolg sich natürlich in gleichem Sinne äußern, d. h. die Amöbe muß von der kontraktorisch erregten Seite weg und nach der expansorisch erregten Seite hin kriechen. Die Galvanotaxis der Amöben liefert einen ungemein klaren Beleg dafür. (Vergl. Fig. 220 auf p. 495.)
Etwas komplizierter ist der Mechanismus der Achseneinstellung bei denjenigen Mikroorganismen, die nicht mehr formwechselnde Protoplasmamassen vorstellen, sondern wie die Bakterien und Infusorien einen formbeständigen, achsial differenzierten Körper besitzen, der sich mit besonderen Bewegungsorganoiden, den Geißeln und Wimpern, durch das Wasser bewegt. Durch rhythmisches Schlagen der Geißeln oder Wimpern wird der Körper dieser Organismen nach Art eines Ruderbootes durch das Wasser getrieben. Die Analogie der Bewegungen mit dem Mechanismus eines durch Ruder bewegten Bootes ist in der Tat vollkommen und läßt sich bis in die feinsten Einzelheiten durchführen. Es sind völlig die gleichen Mittel, welche die Bewegungen des geruderten Bootes und die Bewegungen der freischwimmenden Flimmerzelle in feinster Weise lenken und richten, und wir können uns das eigentümliche Verhalten der Bakterien und Infusorien bei ihrer Achseneinstellung gegenüber einseitig wirkenden Reizen nicht besser versinnlichen, als wenn wir an das Bewegen und Lenken eines Bootes mittels der Ruder denken. Unter den verschiedenen Formen, die durch Geißel- und Wimperschlag ihren langgestreckten Körper durch das Wasser treiben, können wir als wichtigste Typen diejenigen Formen unterscheiden, die mit einer einzigen Geißel, diejenigen, die mit zwei Geißeln und diejenigen, die mit mehreren oder sehr vielen Wimpern ihren Körper bewegen, entsprechend einem durch ein zwei, oder viele Ruder getriebenen Boote. Konstruieren wir uns zunächst einmal schematisch die Wirkungen, die sich aus einseitiger Erregung oder Lähmung der kontraktorischen oder expansorischen Phase des Geißel- oder Wimperschlages ergeben müssen.
Fig. 270.
Schema des Geißelschlages einer Geißelinfusorienzelle
.
Fassen wir dabei zuerst die Formen mit einer Geißel ins Auge, wie sie viele Bakterien und Geißelinfusorien vorstellen, und wählen wir als Vertreter das zierliche grüne Geißelinfusor Euglena, das im Sommer mit seinen ungezählten Scharen das Wasser stehender Pfützen in eine tiefgrüne Flüssigkeit verwandelt. Die Geißel der Flagellaten befindet sich am vorderen Körperpol und bewegt sich in schraubenförmiger Bahn durch das Wasser. Indessen brauchen wir für die Konstruktion unseres Schemas, ohne einen Fehler zu begehen, die Bewegung der Geißel der Einfachheit halber nur in einer einzigen Ebene zu betrachten. Dann sehen wir die Geißel durch abwechselnde Kontraktion rhythmisch nach rechts (b) und nach links (b′) um die gerade Mittellage (a) herum pendeln, und zwar entspricht die Schwingung aus der Mittellage (a) in eine der beiden extremen Schlaglagen (b oder b′) der Kontraktionsphase, die Rückkehr aus einer der extremen Schlaglagen in die Mittellage (a) dagegen der Expansionsphase (Fig. 270) der Geißelbewegung. Die Geißel wirkt also wie ein Ruder, das am Vorderende des Bootes abwechselnd nach rechts und nach links bewegt wird. Es liegt auf der Hand, daß der Infusorienkörper in gerader Richtung nach vorn sich bewegen muß, wenn das Infusor ungestört unter ringsumher gleichen Bedingungen die Geißel gleich stark nach rechts und links schlagen läßt, d. h. wenn Kontraktion und Expansion nach rechts ebenso schnell verlaufen, wie nach links. Wirkt aber von einer Seite her plötzlich ein kontraktorischer Reiz auf das Flagellat ein, und ist die Längsachse des Körpers nicht schon von vornherein in der Richtung des einfallenden Reizes mit dem hinteren Körperpol nach der Reizquelle zu eingestellt, so wird diese Einstellung durch einige Schläge der Geißel von selbst herbeigeführt, denn da die Geißel bei jeder schrägen oder queren Lage der Längsachse auf derjenigen Seite, von welcher der Reiz einfällt, stärker kontraktorisch erregt wird als auf der entgegengesetzten Seite, so führt sie nach der Reizseite stärkere Schläge aus, als nach der entgegengesetzten Seite, und bewirkt so, daß sich der Vorderteil des Körpers von der Reizquelle abwendet (Fig. 271). Wir haben hier genau das gleiche Verhältnis wie bei dem mit einem einzigen Ruder bewegten Boot. Auch das Vorderteil des Bootes wendet sich, wenn es auf der einen Seite stärker abgestoßen wird, nach der entgegengesetzten Seite. Die ungleiche Stärke des Geißelschlages nach beiden Richtungen dauert aber so lange an, und der Vorderteil des Körpers wendet sich so lange immer mehr von der Reizquelle ab, bis der Körper seine Längsachse in der Richtung des einfallenden Reizes eingestellt hat (Fig. 271 d). Dann werden beide Seiten der Geißel gleich stark erregt, und das Protist schwimmt, solange der Reiz andauert, geradeaus. So ergibt sich eine negative Chemotaxis, Phototaxis etc. bei eingeißeligen Bakterien und Flagellaten als notwendige Folge einer einseitigen kontraktorischen Erregung des Geißelschlages.