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 stickstoff+freien+ Stoffwechselprodukte herbeiführt, aber
keine Vermehrung der stickstoff+haltigen+. 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.
[Illustration: Fig. 266. +Ganglienzellen aus dem Kleinhirn des
Kaninchens.+ _A_ Zur Zeit der Geburt, _B_ am 6. Tage nach der Geburt.
Nach ~Athias~.]
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.
[Illustration: 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 ~Berger~.]
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.