4. Die Temperatur.

Außer den Bedingungen der Stoffzufuhr, von denen der Stoffwechsel

unmittelbar abhängig ist, müssen noch andere Bedingungen erfüllt sein,

wenn Leben dauernd bestehen soll. Dazu gehört vor allen Dingen eine

Temperatur innerhalb gewisser Grenzen.

Es ist bekannt, daß die chemischen Prozesse in hohem Grade unter dem

Einfluß der Temperatur stehen. Hohe Temperaturen führen im allgemeinen

zur Dissoziation von Verbindungen, die sich bei niederen Temperaturen

nur sehr langsam zersetzen. Die Wärme wirkt bei chemischen Prozessen

immer als Beschleuniger. Die lebendige Substanz ist ein Gemisch von

zahlreichen chemischen Stoffen, unter denen sich sehr komplizierte

Verbindungen in sehr labilem Zustande befinden. Es liegt also

auf der Hand, daß auch die lebendige Substanz in hohem Grade von

der Temperatur abhängig sein muß, und daß das Leben nur innerhalb

bestimmter Temperaturgrenzen bestehen kann. Diese Temperaturgrenzen,

das Temperaturminimum und das Temperaturmaximum, sind freilich für die

verschiedenen Formen der lebendigen Substanz durchaus verschieden.

Temperaturen, bei denen die einen gedeihen, sind für andere Organismen

schon tödlich. Aber es interessiert uns hier nicht, für die einzelnen

Organismenformen die obere und untere Temperaturgrenze festzustellen,

sondern es kommt uns allein darauf an, zu prüfen, welches das

Temperaturminimum und -maximum ist, bei dem überhaupt noch Leben auf

der Erdoberfläche existieren kann.

Es ist vielfach schon die Beobachtung gemacht worden, daß poikilotherme

Tiere und Pflanzen einfrieren können, ohne ihre Lebensfähigkeit dadurch

zu verlieren. So sah ~John Franklin~ auf seiner Polarreise im Jahre

1820 Karpfen, nachdem sie steinhart gefroren waren, beim Erwärmen

am Feuer wieder lebendig werden und umherspringen, obwohl an den

geschlachteten Exemplaren die Eingeweide so fest waren, daß sie als

ein einziges Stück entfernt werden konnten. Ebenso brachte ~Dumeril~

Frösche, die in kalter Luft von −4° bis −12° hart gefroren waren,

durch vorsichtiges Erwärmen wieder zum Leben, und auch ~Preyer~[281],

der eine Reihe diesbezüglicher Angaben gesammelt hat, machte die

Beobachtung, daß festgefrorene Frösche, wenn ihre Innentemperatur

−2,5° C nicht erreicht hatte, wieder belebt werden konnten. Aehnliche

Beobachtungen konnte ~Romanes~ an Medusen (+Aurelia aurita+) machen,

deren weicher, gallertartiger Körper von lauter feinen Eiskristallen

durchschossen war. Allein, alle diese Angaben sind mit einiger

Kritik aufzufassen. Zweifellos ist wohl die Tatsache, daß alle diese

Tiere wirklich fest in Eis einfrieren und dennoch nach vorsichtigem

Auftauen wieder ins Leben zurückkehren können; aber bei allen diesen

Beobachtungen ist es nicht entschieden, ob die lebendige Substanz

der Zellen selbst eine Temperatur unter 0° C besitzt. Bekanntlich

produzieren alle Zellen eine gewisse Menge Wärme durch ihren

Stoffwechsel, und ihre Innentemperatur könnte, wenn sie eingefroren

sind, infolgedessen bei kürzerem Einfrieren um ein geringes höher sein

als die des umgebenden Eises. Es wäre daher möglich, daß in allen

diesen Beobachtungen die lebendige Substanz der Zellen selbst gar nicht

eine Abkühlung auf 0° oder unter 0° C erfahren hätte. Es bedurfte also

genauerer Untersuchungen, um die Frage zu entscheiden, ob die lebendige

Zelle selbst eine Abkühlung ihrer Substanz bis auf oder unter 0° C ohne

Schaden erträgt. Derartige Versuche hat zuerst ~Kühne~ angestellt.

~Kühne~[282] setzte in einem Uhrschälchen einen Tropfen Wasser, in

dem sich viele +Amöben+ befanden, auf Eis und fand, daß allmählich,

entsprechend der Abkühlung, die Bewegungen der +Amöben+ langsamer und

langsamer wurden, bis sie schließlich ganz aufhörten und die +Amöben+

vollständig regungslos liegen blieben. Wurde der Tropfen dann wieder

auf gewöhnliche Zimmertemperatur gebracht, so stellten sich die

Bewegungen wieder ein. Die +Amöben+ waren also am Leben geblieben.

Anders aber gestaltete sich der Erfolg, wenn ~Kühne~ den Tropfen mit

den +Amöben+ selbst einfrieren ließ. Alsdann blieben die +Amöben+

auch nach dem Erwärmen regungslos und waren nicht mehr ins Leben

zurückzurufen.

Sehr eingehende Versuche stellte in neuerer Zeit ~Kochs~[283]

an +Fröschen+ und +Wasserkäfern+ an. Er ließ diese Tiere in

Gläsern mit Wasser einfrieren. Dabei blieb aber, wenn die Temperatur

nicht sehr niedrig war, um die Tiere herum, rings vom Eise umschlossen,

eine flüssige Wassermasse, deren Temperatur, wie sich nach Durchbohrung

der Eismasse zeigte, 2° über dem Nullpunkt war. Fror auch diese letzte

Wasserschicht nach der Anbohrung noch ein, so konnten die Tiere noch

durch Erwärmen zum Leben gebracht werden, wenn sie nicht länger als

5–6 Stunden eingefroren waren. Bei dem Durchsägen derartiger Präparate

stellte sich aber heraus, daß die Tiere innen noch nicht hart gefroren

waren. Wurde der Versuch dagegen so weit ausgedehnt, daß auch das

Innere der Tiere hart gefroren war, was eintrat, wenn sie in kalte

Luft von −4° C gebracht wurden, so waren alle Wiederbelebungsversuche

vergeblich.

Die umfassendsten und an interessanten Ergebnissen reichsten

Experimente hat kürzlich ~Bachmetjew~[284] an +Schmetterlingen+

angestellt, indem er sich der thermoelektrischen Methode für die

Temperaturmessung der Körperbestandteile bediente. Es hat sich bei

seinen Versuchen ergeben, daß sich die Körpersäfte der Schmetterlinge

ähnlich verhalten wie gewisse Flüssigkeiten, die unter ihren normalen

Erstarrungspunkt bis zu einem bestimmten Temperaturgrade durch

langsame Temperaturerniedrigung in flüssigem Zustande abgekühlt

werden können, ohne zu erstarren. Erst wenn die „Unterkühlung“ einen

bestimmten Temperaturgrad, den „kritischen Punkt“, erreicht hat,

tritt die Erstarrung ein, und zwar unter dem Vorgange des sogenannten

„Temperatursprunges“, d. h. einer plötzlichen Temperaturerhöhung.

Auf diese Weise können die Schmetterlinge eine beträchtliche

Temperaturerniedrigung ertragen, ohne daß ihre Körpersäfte gefrieren.

Aber auch vollständig erstarrte Schmetterlinge konnte ~Bachmetjew~

durch Erhöhung der Temperatur wieder beleben. Bezüglich der großen

Fülle von interessanten Einzelheiten, welche die Untersuchungen von

~Bachmetjew~ ergeben haben, muß auf die Originalarbeiten verwiesen

werden.

Allen früheren Erfahrungen hat aber vor einiger Zeit ~Raoul

Pictet~[285] Tatsachen hinzugefügt, nach denen wir, wie es scheint,

nunmehr unsere Vorstellungen ganz verändern müssen.

Der bekannte Forscher, der uns bereits früher mit einer Anzahl

außerordentlich wertvoller Entdeckungen über die chemischen Wirkungen

der niedrigsten Temperaturen überrascht hat, stellte vor einigen

Jahren in seinem Laboratorium Versuche an über die physiologische

Wirkung extrem niedriger Temperaturen. Die Versuchsobjekte wurden

durch Holz vor der Berührung mit den Metallwänden des Kältegefäßes,

in das sie gebracht wurden, geschützt, so daß sie nur der niedrigen

Lufttemperatur ausgesetzt waren. Dabei zeigte sich, daß sich die

verschiedenen Tiere sehr verschieden verhielten. +Fische+, die in

einem Eisblock auf −15° C abgekühlt wurden, blieben nach vorsichtiger

Erwärmung dennoch am Leben, obwohl ihre Versuchsgenossen sich wie das

Eis selbst zu Pulver zerstampfen ließen. Dagegen gingen die Fische

bei einer Abkühlung auf −20° C zugrunde. +Frösche+ ertrugen eine

Temperatur von −28° C, +Tausendfüßer+ von −50° C und +Schnecken+

sogar von −120° C, ohne zu sterben; ja, +Bakterien+ überstanden eine

Temperatur von unter −200° C! +Nach diesen überraschenden Versuchen

dürfte es jetzt kaum noch zweifelhaft sein, daß die lebendige Substanz

der Zellen selbst in einzelnen Fällen zu Eis gefrieren kann, ohne ihre

Lebensfähigkeit einzubüßen.+

In der Tat haben die Angaben ~Raoul Pictet~s durch die neuen und sehr

gewissenhaften Versuche ~Macfadyen~s[286] speziell für die Bakterien

eine volle Bestätigung erfahren; ja, sie sind sogar noch übertroffen

worden. ~Macfadyen~ konnte feststellen, daß Kulturen von verschiedenen

Bakterienarten, von den sehr hinfälligen +Choleraspirillen+ an bis zu

den sehr resistenten +Milzbrandsporen+, den Temperaturen flüssiger

Luft von ca. −190° C 1–7 Tage ausgesetzt werden können, ohne ihre

Lebensfähigkeit und Virulenz einzubüßen. Kulturen von +Bacterium

phosphorescens+ hören bei so niedrigen Temperaturen auf zu leuchten,

beginnen aber sofort wieder mit ihrer Lichtentwicklung, wenn sie

herausgenommen werden. Die Grenze, bei der die Lebensfähigkeit der

Bakterienkulturen erlischt, konnte auch ~Macfadyen~ nicht erreichen,

obwohl er mit flüssigem Wasserstoff Temperaturen von −252° C erzielte.

Aber auch bei dieser Temperatur, die nur noch 21° C über dem absoluten

Nullpunkt liegt, wurde die Lebensfähigkeit der Bakterien trotz

10-stündiger Dauer des Versuchs in keiner Weise geschädigt.

An diese Tatsachen knüpfen sich verschiedene Fragen.

[Illustration: Fig. 148. _I_ +Wässerige 2-proz. Gelatinelösung+

gefroren und sodann aufgetaut. _II_ +Amöbe+, _a_ +normal+, _b_

+eingefroren+. Innerhalb der Amöbe bildet sich an zahlreichen Punkten

unter Abscheidung von Luftbläschen (_l_) Eis auf Kosten des Plasma-

und Vakuolenwassers; dadurch wird das Plasma (_p_) samt seinen festen

Einlagerungen zwischen die Eisklümpchen (_e_) als unregelmäßiges

Gerüstwerk zusammengedrängt. _c_ +aufgetaut+. Die Amöbe zeigt deutlich

die Lakunen, die vorher von Eis erfüllt waren, dazwischen das tote

Plasmagerüst. Nach ~Molisch~.]

Zunächst entsteht die Frage: Woran liegt es, daß die lebendige Substanz

mancher Organismen zugrunde geht beim Gefrieren, wenn doch andere

Fälle zeigen, daß die lebendige Substanz mancher Organismen ohne

Schaden einfrieren kann? Es sind von vornherein nicht ohne weiteres

die näheren Bedingungen für den Tod in den ersteren Fällen zu ersehen.

Dennoch haben die Bemühungen besonders der Botaniker in neuerer Zeit

ein Verständnis in dieser Beziehung angebahnt. Durch die Untersuchungen

von ~Molisch~[287] ist es im höchsten Grade wahrscheinlich geworden,

„daß der Gefriertod der +Pflanze+ im wesentlichen auf einen zu

großen, durch die Eisbildung hervorgerufenen Wasserverlust des

Protoplasmas zurückzuführen ist“. Durch den Wasserverlust wird die

chemische Struktur der spezifischen Verbindungen des Protoplasmas

offenbar in vielen Fällen so weitgehend verändert, daß infolgedessen

die Lebensfähigkeit dadurch vernichtet wird. Daß die verschiedenen

Formen der lebendigen Substanz in sehr verschiedenem Grade durch den

Wasserverlust beeinflußt werden, ist ja bekannt. Es braucht nur daran

erinnert zu werden, daß die meisten Organismen beim Eintrocknen ihre

Lebensfähigkeit verlieren, während andere dabei nur in den Zustand des

Scheintodes übergehen (p. 153 u. ff.), ohne doch ihre Lebensfähigkeit

einzubüßen. So wird es, wenn das Einfrieren durch Wasserentziehung

wirkt, verständlich, daß die einen Organismen das Einfrieren vertragen,

während die anderen dabei zugrunde gehen. Daß aber die Beschaffenheit

organischer Verbindungen durch Einfrieren wesentlich verändert werden

kann, geht z. B. aus den Versuchen von ~Molisch~ an Gelatine und

Stärkelösungen hervor, die beim Einfrieren durch Entmischungsvorgänge

eine ganz charakteristische Schwammstruktur annehmen (Fig. 148 _I_).

Dabei haben sie durch den starken Wasserverlust ihr Klebevermögen

verloren und gewinnen es erst nach Einwirkung höherer Temperatur

allmählich wieder. Ganz ähnliche Strukturveränderungen zeigen +Amöben+

nach dem Einfrieren (vergl. Fig. 148 _II_).

Eine andere Frage ist die, ob es sich in den eingefrorenen, aber

lebensfähigen Organismen wirklich um einen völligen Stillstand der

Lebensprozesse handle, eine Frage, die ~Preyer~ bejahen zu müssen

glaubt. Theoretisch würde diese Annahme durchaus nichts gegen

sich haben; denn wenn wir sehen, wie mit sinkender Temperatur die

Energie der Lebensprozesse immer mehr abnimmt, dann ist es nicht

ausgeschlossen, daß einmal ein Punkt erreicht wird, an dem die

letzteren überhaupt aufhören. Die Möglichkeit, daß die Zellflüssigkeit

selbst gefrieren kann, ohne daß die Lebensfähigkeit der Zelle dabei

vernichtet wird, würde diese Annahme sogar noch unterstützen; denn

wie wir sahen, kann das Leben ohne flüssiges Wasser nicht bestehen.

Sobald also das flüssige Wasser in der lebendigen Substanz in den

festen Zustand übergegangen ist, müßte man erwarten, daß auch die

chemischen Umsetzungen in der Zelle stehen blieben. Eine Tatsache

freilich, die, wenigstens auf den ersten Blick für gewisse Organismen

der Annahme eines völligen Stillstandes Schwierigkeiten zu bereiten

scheint, ist die von ~Pictet~ gemachte Beobachtung, daß Organismen,

die zu Eis gefroren sind, gegen ein weiteres Sinken der Temperatur

über einen bestimmten Punkt hinaus nicht mehr resistent bleiben.

Sie sind nach dem Auftauen nicht mehr zum Leben zurückzurufen.

Man könnte sagen: Stände bei diesen Organismen das Leben wirklich

absolut still, so wäre es schwer zu verstehen, wie ein weiteres

Sinken der Temperatur noch von Einfluß sein sollte. Indessen ein

wirklicher Einwand gegen die Annahme eines völligen Stillstandes der

Lebensvorgänge liegt hierin bei genauerem Zusehen doch nicht. Daß

auch bei sehr niedrigen Temperaturen noch chemische Veränderungen

auftreten können, wissen wir. Wenn also wirklich von einer gewissen

Temperatur an abwärts die Lebensvorgänge stillstehen, so können doch

durch weiteres Sinken der Temperatur sehr wohl noch andere chemische

Vorgänge hervorgebracht werden, welche die Lebens+fähigkeit+ der Zellen

vernichten. Schließlich kann man sich doch angesichts der von ~Pictet~

und ~Macfadyen~ für Bakterien erreichten ganz außerordentlich niedrigen

Temperaturen kaum der Vorstellung verschließen, daß hier das Leben

wirklich vollständig zum Stillstand gekommen sein muß. Allein, um mit

Sicherheit diese Frage zu beantworten, fehlen uns doch bis jetzt noch

die entscheidenden Experimente. Erst wenn sich herausstellen sollte,

daß lebendige Substanz in gefrorenem Zustande jahrelang lebensfähig

erhalten werden kann, wie sich gewisse Organismen in getrocknetem

Zustande Jahre, Jahrzehnte, ja Jahrhunderte lebensfähig erhalten

lassen, erst dann würde die Wahrscheinlichkeit, daß das Leben in den

gefrorenen Organismen wirklich stillsteht, der Gewißheit nahekommen.

Vorläufig fehlen diese Feststellungen noch. Wir müssen deshalb auf eine

definitive Lösung der Frage nach dem absoluten Stillstand des Lebens in

der Kälte vorläufig noch verzichten.

Auf ähnliche Schwierigkeiten wie die Feststellung des Minimums

der äußeren Temperatur stößt auch die des +Maximums+. Das Maximum

ist mindestens gegeben durch den Punkt, wo die Eiweißkörper in der

lebendigen Substanz der Zelle gerinnen. Die Eiweißkörper spielen,

wie wir wissen, im Leben der Zelle die wesentlichste Rolle, und es

ist begreiflich, daß, wenn das gelöste Eiweiß in den festen Zustand

übergeht, der Stoffwechsel, also das Leben, stillstehen muß. Hiernach

könnte es sehr einfach scheinen, das Temperaturmaximum, bei dem

noch Leben bestehen kann, zu ermitteln. Indessen ist einerseits

die Gerinnungstemperatur für verschiedene Eiweißkörper eine sehr

verschiedene, anderseits gibt es Berichte über Organismen, die selbst

bei Temperaturen noch lebten, bei denen längst alles Eiweiß geronnen

sein müßte.

~Kühne~[288] stellte in gleicher Weise wie über das Temperaturminimum

auch über das Temperaturmaximum an +Amöben+ Versuche an, bei denen

er fand, daß sich die vorher lebhaft kriechenden +Amöben+ bei einer

Temperatur von 35° C kontrahierten, aber noch lebensfähig blieben,

daß sie dagegen nach einer Erwärmung auf 40–45° C nicht mehr durch

Abkühlung zum Leben zurückzurufen waren. Dabei konnte ~Kühne~

feststellen, daß ein Eiweißkörper der +Amöben+zelle, den er für die

kontraktile Substanz hält, bereits bei 40° C, ein anderer erst bei

45° C gerinnt. Für Pflanzenzellen ermittelte ~Max Schultze~[289]

eine Temperatur von 47° C als den Punkt, an dem der Tod eintrat.

Demgegenüber haben verschiedene andere Autoren Angaben gemacht von

merkwürdigen Fällen, in denen Organismen noch unter viel höheren

Temperaturgraden existieren. Die wunderbarste Angabe war bisher immer

die Beobachtung von ~Ehrenberg~[290], der in den heißen Quellen

von Ischia bei einer Temperatur von 81–85° C zwischen Filzen von

+Oscillarien+ ciliate +Infusorien+ und +Rädertierchen+ lebend antraf.

~Hoppe-Seyler~[291], der in Casamicciola auf Ischia diese Angabe

~Ehrenberg~s einer Prüfung unterzog, fand freilich nur bedeutend

niedrigere Temperaturen. Algen lebten, wenn sie heißen Dämpfen

ausgesetzt waren, zwar bei 64,7° C, aber im Wasser betrug die höchste

Temperatur, bei der sie existierten, nur 53° C.

Vor mehreren Jahren sind aber von neuem sehr eingehende Untersuchungen

in Amerika an den heißen Quellen des Yellowstone-Park unternommen

worden, bei denen wieder lebendige Algen unter +viel+ höheren

Temperaturen gefunden wurden. Die alte ~Ehrenberg~sche Angabe scheint

also doch nicht unrichtig gewesen zu sein.

Für einige Bakterienformen hat in neuester Zeit ~Macfadyen~[292]

nachgewiesen, daß sie sehr hohe Temperaturen ertragen können. Es gibt

„+thermophile+“ Bakterien, die das Optimum ihres Wachstums erst bei

einer Temperatur von 50–65° C haben, und manche wachsen sogar in ihren

Kulturen noch bei 72° C.

Sind diese Tatsachen schon wunderbar genug, so kennen wir doch noch

eine sicher verbürgte, leicht zu beobachtende Tatsache, die auf den

ersten Blick noch viel auffallender ist. Das ist das Verhalten gewisser

+Sporen+ von Bakterien gegenüber hohen Temperaturen. ~Koch~, ~Brefeld~

u. a. haben gezeigt, daß die Sporen des Milzbrandbacillus (+Bacillus

anthracis+), sowie des Heubacillus (+Bacillus subtilis+) Temperaturen

von mehr als 100° C ertragen können, ohne ihre Lebensfähigkeit

einzubüßen.

Für diese rätselhaften Tatsachen fehlt uns vorläufig noch jede

Erklärung. Wir können nur annehmen, daß in diesen Organismen die

Eiweißkörper resp. Eiweißverbindungen sich wie trockenes Eiweiß in

einem Zustande befinden, in dem sie durch hohe Temperaturen, ja, wie

bei den Sporen der Heubazillen, selbst durch Siedehitze nicht zum

Gerinnen gebracht werden können, denn die Annahme, daß die lebendige

Substanz in diesen Organismen trotz der äußeren Hitze des umgebenden

Mediums nicht bis zum Gerinnungspunkt des Eiweißes erwärmt werden

sollte, ist selbstverständlich ausgeschlossen, und dasselbe gilt

von der Annahme, daß die Lebensfähigkeit +trotz+ der Gerinnung der

Eiweißkörper in ihnen erhalten bleiben sollte. Wir wissen vorläufig

noch nicht, in welchen molekularen Veränderungen das Wesen des

Gerinnungsprozesses begründet ist, und von welchen Bedingungen sein

Eintreten, abgesehen von den wenigen bekannten Faktoren, noch sonst

beeinflußt wird. Erst wenn wir über diese Fragen besser unterrichtet

sein werden, wird vermutlich auch einiges Licht auf die rätselhaften

Tatsachen fallen, die wir eben kennen gelernt haben.

Allgemeine Physiologie · 第 179 / 283 题