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 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.

Allgemeine Physiologie · 第 246 / 283 题