Vom Zittern zum Organ

Bevor man versteht, wie Stoffe in einem Lebewesen von einem Ort zum anderen gelangen, lohnt ein Blick durch ein ganz gewöhnliches Mikroskop. Was man dort sieht, wirkt auf den ersten Blick lebendig — und ist doch reine Physik.

Der schottische Botaniker Robert Brown entdeckte bereits im Jahre 1827, dass kleinste Samenkörnchen in Wasser unter dem Mikroskop sichtbare, unregelmäßige und vibrierende Bewegungen ausführten. Er vermutete zunächst biologische Aktivität, musste diese Erklärung nach weiteren Beobachtungen jedoch ausschließen. Der Versuch lässt sich bis heute nachstellen, und er lässt sich auch abwandeln: Dieselbe regellose Zitterbewegung zeigt sich an Partikeln aus Aktivkohle oder aus zerriebenem Glas, also an unbelebtem Material. Damit scheidet die Eigenbewegung von Kleinstlebewesen ebenso aus wie eine dem organischen Material innewohnende „Lebenskraft“ — die Ursache der Bewegung ist physikalischer und nicht biologischer Natur.

Das Phänomen trägt heute Browns Namen. Als Brownsche Molekularbewegung bezeichnet man die andauernde, ungeordnete Zitterbewegung von suspendierten Teilchen, Zellen, Organellen oder Zellfragmenten, verursacht durch Stöße einzelner Moleküle des umgebenden flüssigen oder gasförmigen Mediums. Der Mechanismus dahinter ist verblüffend schlicht: Die thermische Energie hält die Wassermoleküle ständig in Bewegung, sodass sie fortwährend mit den schwereren suspendierten Partikeln zusammenstoßen. Ein Teilchen erhält diese Kraftstöße aus allen Raumrichtungen — und weil sie sich in keinem Augenblick exakt gegenseitig aufheben, gerät es in Bewegung. Zu sehen ist deshalb keine gerichtete Bahn, sondern eine Verschiebung in Form einer Zickzackbewegung, genau wie Brown sie schon 1827 beschrieb.

Wie heftig ein Teilchen zittert, hängt von der Wärme ab. Je wärmer das Wasser, desto schneller bewegen sich die Wassermoleküle und desto heftiger sind die Zusammenstöße mit den suspendierten Partikeln; deren sichtbare Bewegung wird entsprechend schneller und heftiger. Umgekehrt fällt sie umso geringer aus, je kälter das Wasser ist. Auch ein größerer Radius der Partikel und eine höhere Viskosität der Flüssigkeit bremsen das Geschehen.

Genau an dieser Stelle entsteht ein Begriff, der die halbe Biologie trägt: Die durch diese Bewegung zustande kommende Lageänderung wird Diffusion genannt. Gemeint ist damit der Stofftransport in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern unter dem Einfluss von Konzentrationsdifferenzen; er erfolgt spontan aufgrund der mikroskopischen Teilchenbewegung und strebt den Ausgleich von Konzentrationsunterschieden an. Ein Stoff rückt also in jeden Raum vor, der ihm zur Verfügung steht, bis er sich gleichmäßig darin verteilt hat. Diffusion ist demnach kein eigener Antrieb und keine Kraft, die irgendwohin zieht — sie ist nichts als die Bilanz unzählig vieler zufälliger Schritte.

Dass eine Pflanze Wasser aufnimmt, ohne dass irgendwo eine Pumpe arbeitet, wirkt auf den ersten Blick wie ein Trick. Dahinter steckt aber ein schlichter physikalischer Vorgang, den man an einem Gedankenmodell vollständig durchschauen kann. Man braucht dafür nur zwei Zutaten: einen Unterschied in der Konzentration und eine Trennwand, die wählerisch ist.

Der Fachbegriff dafür ist Osmose, und sie ist zunächst nichts anderes als Diffusion: die Diffusion eines Lösungsmittels, im Normalfall Wasser, durch eine semipermeable Membran. Der Antrieb ist das Konzentrationsgefälle. Bestehende Konzentrationsunterschiede auf beiden Seiten werden ausgeglichen, indem das Lösungsmittel entlang des Konzentrationsgradienten durch die Membran diffundiert. Das Besondere ist, was dabei nicht wandert: Während Diffusion sonst Stoffe durch Membranen und innerhalb von Zellen bewegt, transportiert Osmose ausschließlich Wasser über die Membran, weil die Membran die Diffusion der gelösten Teilchen begrenzt. Genau das meint das Wort semipermeabel, halbdurchlässig: Die Membran lässt Wasser hindurch, die darin gelöste Substanz jedoch nicht.

Das klassische Modell dazu ist schnell erzählt. In zwei gleich großen Volumina befindet sich dieselbe gelöste Substanz, im einen Teil aber in doppelt so hoher Konzentration wie im anderen. Getrennt sind beide durch eine bewegliche Membran, die Wasser, nicht aber den gelösten Stoff passieren lässt. Nach einiger Zeit hat sich die Membran verschoben: Die Konzentrationen haben sich angeglichen, und das ursprünglich konzentriertere Volumen ist doppelt so groß wie das andere. Die konzentrierte Lösung hat also an Volumen gewonnen. Wasser kann die Membran dabei in beide Richtungen beliebig durchqueren — unter dem Strich bleibt aber eine Richtung übrig. Genau das ist gemeint, wenn man Osmose als den Nettofluss von Wasser durch eine Membran hindurch definiert. Bemerkenswert daran: Der Prozess ist exergonisch, er ist also nicht auf eine Energiezufuhr angewiesen.

Der einseitige Einstrom bleibt nicht folgenlos. Auf einer der beiden Seiten nimmt das Volumen zu, und damit entsteht ein Ausdehnungsdruck — der osmotische Druck. Durch Osmose wird auf diese Weise ein hydrostatischer Druck auf eine Membran ausgeübt, angegeben in Einheiten wie Atmosphären oder Bar. Wie groß er ausfällt, hängt ausschließlich von der Zahl der gelösten Teilchen ab, nicht von ihrer Art, also von der Molarität. Und er ist keine bloße Rechengröße: W. Pfeffer konstruierte ein Modell, ein Osmometer, mit dessen Hilfe sich der osmotische Druck quantitativ bestimmen lässt.

Der Vorgang läuft dabei nicht endlos weiter. Er hält an, bis der Konzentrationsgradient des Wassers auf null gesunken ist oder bis der hydrostatische Druck den osmotischen Druck ausgleicht. In lebenden Systemen ist dieses Wechselspiel ständig im Gang.

Eine Zellmembran stellt man sich leicht als Tür vor, die entweder offen oder verschlossen ist. Treffender ist das Bild einer Sortieranlage: Manches lässt sie ohne Weiteres passieren, anderes hält sie zurück, und für den Rest verlangt sie eine besondere Ausrüstung. Warum das so ist, verrät ein Blick auf ihren Bau.

Plasmamembranen sind amphiphil — sie besitzen wasserfreundliche (hydrophile) und wasserabweisende (hydrophobe) Bereiche. Genau diese Doppelnatur befördert die Bewegung mancher Stoffe durch die Membran und behindert die anderer. Der eigentliche Filter ist der fettartige, hydrophobe Kern in ihrer Mitte. Nichtpolare, fettlösliche Teilchen mit geringer Molekülmasse gleiten schlicht hindurch. Deshalb passieren die fettlöslichen Vitamine A, D, E und K die Membranen im Verdauungstrakt und in anderen Geweben mühelos; auch fettlösliche Medikamente und Hormone gelangen so ohne Weiteres in die Zellen. Sauerstoff und Kohlendioxid wiederum tragen keine Ladung und treten durch einfache Diffusion hindurch.

Polare Stoffe dagegen bereiten der Membran Probleme: Sie können den Lipidkern nicht ohne Weiteres durchqueren. Kleine Ionen wären zwar klein genug, um durch die Lücken des Membranmosaiks zu schlüpfen — doch ihre elektrische Ladung verhindert genau das. Natrium, Kalium, Calcium und Chlorid brauchen deshalb besondere Wege durch die Plasmamembran, und auch Einfachzucker und Aminosäuren sind auf die Hilfe von Transmembranproteinen angewiesen.

Für diese Hilfe gibt es zwei sehr unterschiedliche Bauformen. Kanalproteine tragen einen hydrophilen Kanal durch ihren eigenen Kern, der eine wassergefüllte Öffnung quer durch die Membranschichten schafft. Polare Verbindungen umgehen auf diesem Weg die unpolare Mittelschicht, die sie sonst aufhalten würde. Aquaporine sind solche Kanalproteine; durch sie strömt Wasser mit sehr hoher Rate. Manche Kanäle stehen dauerhaft offen, andere sind mit einem Tor versehen, das sich erst öffnen muss.

Carrierproteine arbeiten anders. Sie binden ihren Stoff, ändern daraufhin ihre eigene Form und befördern das gebundene Molekül so von der Außenseite ins Zellinnere. Jedes Carrierprotein ist dabei typischerweise auf einen einzigen Stoff spezialisiert, und in einer Membran steckt nur eine endliche Zahl davon. Sind alle mit ihrem Partner besetzt, sind sie gesättigt und die Transportrate erreicht ihr Maximum; ein noch steilerer Konzentrationsunterschied bringt dann nichts mehr.

Diesen Unterschied im Arbeitsprinzip kann man in Zahlen fassen. Kanalproteine erleichtern die Diffusion mit einer Rate von Zehnermillionen Molekülen pro Sekunde, Carrierproteine schaffen tausend bis eine Million Moleküle pro Sekunde. Wer nur ein Tor aufhält, ist eben schneller als wer jedes Teilchen einzeln an die Hand nimmt.

Manche Bauteile einer Zelle sind so selbstverständlich, dass lange niemand nach ihnen sucht. Dass Wasser durch Membranen kommt, war klar — wie genau, blieb erstaunlich lange offen. Die Geschichte der Aquaporine ist deshalb ein Lehrstück darüber, wie ein zentrales Bauteil der Zelle jahrzehntelang unbemerkt bleiben konnte.

Die Suche steckte fest. Aus Experimenten wusste man, dass Quecksilberverbindungen den Wassertransport in roten Blutzellen hemmen und Reduktionsmittel ihn wiederherstellen — daraus ließ sich schließen, dass ein Wasserkanal ein Protein mit Schwefelwasserstoffgruppen sein müsste. Doch keiner der markierten Kandidaten wurde je isoliert und als Wassertransporter nachgewiesen. Peter Agre nennt den Ausweg aus dieser Sackgasse in seinem Nobelvortrag selbst „sheer blind luck“, schieres blindes Glück.

Gefunden wurde ein Protein von 28 Kilodalton, das man mit den üblichen Farbstoffen wie Coomassie-Blau schlicht nicht sah; erst die Silberfärbung machte es als eigene Bande sichtbar. Niemand hatte es zuvor beschrieben — und doch steckten rund 200.000 Kopien davon in einer einzigen roten Blutzelle, womit es zu den Hauptproteinen der Membran zählte. Agre vergleicht die Überraschung damit, auf einer Fahrt durch Nordschweden auf eine Stadt mit 200.000 Einwohnern zu stoßen, die auf keiner Karte verzeichnet ist. Die Bauform — ein aus vier Untereinheiten bestehendes, die Membran durchspannendes Protein — legte nahe, dass es ein Kanal war. Nur wofür? Im Nobelvortrag steht die Frage genau so: „suggesting that it was a channel, but a channel for what?“

Die Antwort war Wasser. Agre gab der Familie den Namen Aquaporine. Kanalproteine besitzen wassergefüllte Poren, die die Zellmembran durchqueren; Aquaporine lassen Wasser mit sehr hoher Rate hindurch. Angetrieben wird dabei nichts: Wasser strömt passiv per Osmose durch den Kanal, von der niedrigeren zur höheren Konzentration gelöster Stoffe.

Die eigentliche Kunst liegt woanders. Der Kanal ist an beiden Enden weit und im Inneren lang und eng — kleine Moleküle wie Wasser passen hindurch, größere nicht. Im engen Abschnitt reihen sich die Wassermoleküle in Einerreihe auf. Genau das wäre normalerweise die perfekte Kette, um Protonen durchzureichen, was für die Zelle tödlich wäre. Ein Aminosäurepaar in der Mitte des Kanals hält die Wassermoleküle so in Position, dass es, wie es in der Beschreibung der Struktur heißt, „prevents ‚proton jumping‘ yet keeps the water flowing“ — den Protonensprung verhindert und das Wasser trotzdem fließen lässt.

Transportvorgänge an der Zellmembran lassen sich nach einem einzigen, verblüffend einfachen Kriterium sortieren: Kostet der Vorgang die Zelle etwas — oder nicht? An dieser Frage verläuft die Trennlinie zwischen passivem und aktivem Transport, und sie ist schärfer gezogen, als der Blick auf die beteiligten Moleküle vermuten lässt.

Passiver Transport ist ein natürlich ablaufendes Phänomen, das der Zelle keinerlei eigene Energie abverlangt; die Stoffe wandern dabei von einem Bereich höherer zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Die Triebkraft liefert die thermische Eigenbewegung der Moleküle — Stoffwechselenergie wird dafür nicht benötigt. Für die Osmose gilt dasselbe: Wasser strömt entlang eines abfallenden Wasserpotential-Gradienten, der Prozess ist exergonisch und somit nicht auf eine Energiezufuhr angewiesen. Kehrt man die Richtung um, kehrt sich auch die Bilanz um: Wasser von Orten mit niedrigem zu Orten mit höherem Wasserpotential zu befördern, gelingt nur unter Energieaufwand — diese Bewegung ist endergonisch.

Genau dort beginnt der aktive Transport. Seine Mechanismen verlangen Energie der Zelle, in der Regel in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Soll ein Stoff gegen sein Konzentrationsgefälle bewegt werden — ist seine Konzentration im Zellinneren also bereits höher als in der Außenflüssigkeit oder umgekehrt —, muss die Zelle Energie aufwenden, um ihn zu verschieben. Das Musterbeispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe (Na+-K+-ATPase), eine der wichtigsten Pumpen tierischer Zellen: Sie schleust K+ in die Zelle hinein und gleichzeitig Na+ hinaus, und zwar im Verhältnis von drei Natrium-Ionen nach außen zu zwei Kalium-Ionen nach innen. Weil aktiver Transport am Stoffwechsel hängt, ist er empfindlich gegenüber Stoffwechselgiften, die die ATP-Versorgung stören.

Bemerkenswert ist dabei, dass nicht das Protein darüber entscheidet, ob bezahlt werden muss. Dieselben drei Carrier-Bauformen — Uniporter, Symporter und Antiporter — sind auch an der erleichterten Diffusion beteiligt, dort allerdings ohne ATP. Die Rechnung stellt nicht die Maschine, sondern die Richtung.

Osmose ist ein einziges physikalisches Gesetz, aber sie stellt nicht jede Zelle vor dieselbe Aufgabe. Wo eine Zelle lebt und was sie umgibt, entscheidet darüber, ob der Wassereinstrom eine Gefahr, eine Stütze oder eine Stellschraube ist. Drei Lebewesen zeigen das besonders anschaulich.

Zellwandlose Zellen in wässriger Lösung sind in der Regel hypertonisch: In sie erfolgt ein kontinuierlicher Wassereinstrom, der von innen einen Druck auf die Membran ausübt. Wie ernst das ist, zeigt verdünntes Blut — gibt man Wasser hinzu, platzen die roten Blutkörperchen, weil die Membran dem osmotischen Druck des Zellinneren nicht standhält. Wandlose Einzeller im Süßwasser besitzen dagegen ein Gegenmittel: die kontraktile oder pulsierende Vakuole, ein Organ, das vor allem der Osmoregulation dient. Durch sie wird Wasser, das durch Osmose in die Zelle eingedrungen ist, wieder heraustransportiert; bei Ciliaten wie Paramecium geschieht das ständig und unter Energieaufwand. Die Entleerung erfolgt in rhythmischen Intervallen durch eine kurze Fusion mit der Plasmamembran — beim Pantoffeltierchen Paramecium lässt sie sich bereits mit einem Lichtmikroskop gut beobachten.

Bei Pflanzenzellen ist die Lage nur deshalb anders, weil sie von einer elastisch dehnbaren Zellwand umgeben sind. In einer hypotonischen Lösung nehmen sie Wasser auf, bis das Wasserpotential innen und außen ausgeglichen ist; das Wasser im Inneren steht dann unter einem zusätzlichen hydrostatischen Druck, dem Turgor. Der Einstrom stoppt erst, wenn der Druck der dehnbaren Zellwand dem osmotischen Druck entspricht. Dieser Turgor spannt die Zellwand, erzeugt Gewebespannung und ist entscheidend für Stabilität und Steifheit pflanzlicher Gewebe — Pflanzen, die Wasser verlieren, werden schlaff, erholen sich nach Bewässerung aber wieder. Kehrt sich das Gefälle um und stellt man die Zellen in eine hypertonische Lösung, wird dem Protoplasten Wasser entzogen, er schrumpft: Diese Erscheinung heißt Plasmolyse und ist umkehrbar.

Beim Menschen wird der Wasserhaushalt nachgeregelt. Er hängt von der Aufnahme über den Durst und der Abgabe in der Niere ab, gesteuert vom antidiuretischen Hormon Vasopressin. Osmorezeptoren im Gehirn registrieren einen Anstieg der Plasmaosmolalität; der Hypophysenhinterlappen schüttet daraufhin Vasopressin aus — ebenso bei sinkendem Blutvolumen. In der Niere bindet das Hormon an den Vasopressin-Rezeptor vom Typ 2 und steigert den osmotischen Wassertransport, indem es den Wasserkanal Aquaporin-2 in Verbindungstubuli und Sammelrohren reguliert. Durch solche Aquaporine strömt Wasser passiv per Osmose. Spricht die Niere nicht auf Vasopressin an, kann sie den Harn nicht mehr konzentrieren; die Folgen sind vermehrtes Wasserlassen, starker Durst und das Risiko einer schweren Dehydratation.

Dasselbe Gefälle, drei Antworten: hinauspumpen, aushalten, nachregeln.

Diffusion kostet nichts. Sie braucht weder Pumpe noch Motor, sondern nur die Wärmebewegung der Moleküle selbst: Stoffe wandern entlang eines Konzentrationsgefälles, bis der Unterschied ausgeglichen ist, und dafür wird keine Stoffwechselenergie benötigt. Ein Transportweg zum Nulltarif — man könnte meinen, damit lasse sich jede Zelle versorgen, egal wie groß sie wird. Genau hier steckt der Haken.

Denn wie schnell die Diffusion arbeitet, hängt von der Strecke ab: Je weiter ein Stoff reisen muss, desto langsamer wird die Diffusionsrate. Auf den Distanzen, in denen Zellen gebaut sind, ist das kein Problem — eine menschliche rote Blutzelle misst rund acht Mikrometer, etwa 250 von ihnen passten auf einen Stecknadelkopf. Auf größeren Strecken dagegen zieht sich derselbe Vorgang hoffnungslos in die Länge. Damit ist der Zellgröße eine harte Obergrenze gesetzt. Eine große kugelförmige Zelle stirbt schlicht: Nährstoffe erreichen ihr Zentrum nicht mehr, und Abfallstoffe finden von dort nicht mehr heraus. Zellen müssen deshalb entweder klein bleiben, wie viele Prokaryoten, oder abgeflacht sein, wie viele einzellige Eukaryoten.

Dass die Lage mit jedem Wachstumsschritt schlechter wird, zeigt eine schlichte Rechnung. Wächst ein Würfel, nimmt seine Oberfläche im Quadrat zu, sein Volumen aber im Kubik: Eine Fläche von 1 m × 1 m ergibt 1 m², ein Rauminhalt von 1 m × 1 m × 1 m dagegen 1 m³. Die zu versorgende Masse legt also schneller zu als die Fläche, über die versorgt wird.

Die Gegenmaßnahme steckt in derselben Regel. Eine vergrößerte Oberfläche erhöht die Diffusionsrate, eine dickere Membran senkt sie. Aus dem Fickschen Diffusionsgesetz lassen sich genau diese Bedingungen ableiten: möglichst dünne Diffusionsbarrieren mit möglichst großer Oberfläche, dazu zu- und abführende Transportsysteme, die die Konzentrationsunterschiede groß halten. Die vielfältigen Strukturen der Atmungsorgane und die Oberflächenvergrößerungen transportierender Epithelien in der Verdauung sind als solche Anpassungen entstanden.

Vielzeller lösen das Problem also nicht, indem sie eine Zelle aufblasen, sondern indem sie viele kleine staffeln. Mehrere gleichartige Zellen, die miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Aufgabe erfüllen, bilden ein Gewebe; Gewebe fügen sich zu einem Organ zusammen — Magen, Herz, Gehirn —, mehrere Organe zu einem Organsystem, mehrere Systeme zum Organismus. Auf jeder Stufe differenzieren sich Zellen zu solchen mit speziellen Aufgaben; durch diese Arbeitsteilung geben sie ihre Unabhängigkeit auf und werden Teil eines größeren Organismus.

Der Bauplan aus Gewebe und Organen ist damit keine Zierde der Evolution, sondern die Antwort auf eine physikalische Grenze. Weil Diffusion nur auf kurzer Strecke taugt, bleibt die einzelne Zelle klein — Größe entsteht erst dadurch, dass viele kleine Zellen zusammenarbeiten.