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978-3-437-41357-5

Physiologie – ein ganz heißes Thema

Prof. Gunga und das Herausgeberteam vor einem Skelett von Brachiosaurus brancai im Berliner Naturkundemuseum.

[T514]

Es gibt sicherlich nur wenige Leser, die sich jede neue Auflage dieses Lehrbuches kaufen und lesen. So wird es auch nur einigen auffallen, dass nur das „Kapitel 0“ in jeder Auflage komplett neu verfasst wird. Und das hat einen guten Grund: Die Physiologe ist keineswegs ein „kaltes“ Lehrbuchthema, sondern kommt oft direkt aus den Kochtöpfen von Labor und Forschung. Über diese ganz „heißen Themen“ wird leider viel zu selten und meist nur ganz unzureichend berichtet. Dazu gehört die ganz neue Welt der funktionellen „omics“ (Untersuchung des Transkriptoms, Proteoms, Metaboloms), also die Frage, wie Gene abgelesen werden, dass letztlich die physiologische Funktion entsteht, die wir aus dem Lehrbuch kennen. Wie werden die Proteine exprimiert? Wie sieht der Gesamtmetabolismus einer Zelle in Abhängigkeit von ihrer Funktion aus? Oder die spannenden Fragen der Stammzellforschung: Wie kann man eine bestimmte Gewebezelle mit ihrer speziellen Funktion im Labor aufbauen? Was sind die Vorstufen? Wie kann z.B. eine Hautzelle so reprogrammiert werden, dass aus ihr wieder die pluripotente Zelle entsteht, die sie ursprünglich gewesen ist? Und wie wird daraus dann wiederum eine Herzzelle? Für die Klärung solcher Fragen wurde der Nobelpreis für Physiologie und Medizin 2012 Shinya Yamanaka zuerkannt. Andere Rezepte, Mixturen, Düfte und Geschmäcker aus den Kochtöpfen der „neuen Physiologie“ betreffen z.B. die bildgebenden Verfahren der Hirnfunktionen wie fMRT (funktionelle Magnetresonanztomografie) und PET (Positronenemissionstomografie).

Die Physiologie bleibt aber auch spannend, wenn sie in eine Zeit zurückgeht, in der das Leben auf diesem Planeten noch ganz anders war: Wie war die Physiologie der Dinosaurier im Jura, also vor etwa 200 bis 150 Millionen Jahren? Hatten diese Organismen, die ja bis zu 100.000 kg schwer wurden, ähnliche Organe wie wir heute? Wie war die Körpertemperatur der Dinosaurier? Wie war ihre Herzfrequenz? Wie hoch war das Atemzeitvolumen? Wie kam genügend Sauerstoff an die inneren Organe dieser massiven und großen Tiere? Diesen Fragen geht u.a. der Autor des Kapitels 16, Herr Prof. Dr. med. Hans-Christian Gunga von der Freien Universität Berlin, nach. Mit ihm hatten sich die Herausgeber dieses Lehrbuchs am 30.6.2012 im Naturkundemuseum in Berlin verabredet. Hier ist ein kurzer Auszug aus den vielen Fragen und Antworten, die sich in unserem Gespräch ergaben:

Herr Gunga, wie sind Sie zu diesem Thema gekommen und wie kann man überhaupt die Funktionen von Dinosauriern messen? Wie hoch war denn z.B. die Körpertemperatur des Tyrannosaurus? Die Verteilung des Isotops O18 im Phosphat des Knochens hängt ab von der aufgenommenen Wassermenge und der Körpertemperatur, die damals bei der entsprechenden Knochenbildung herrschte. Die Verteilung des O18 in den Knochen des Tyrannosaurus rex legt nahe, dass diese Tiere etwa 38–40 °C warm waren – und zudem homöotherm (gleichwarm). Mit ca. 30–40 km/h (jedenfalls legen das die Belastungsanalysen der Gelenke nahe) waren sie ziemlich schnell, was bedeutet, dass die Tiere wohl eine quergestreifte Muskulatur besaßen. Das eröffnet ein anderes Problem, nämlich das der Wärmeabgabe: Die Abdrücke von Saurierhaut, die bisher gefunden wurden, deuten darauf hin, dass keine Schweißdrüsen vorhanden waren. Also musste die Wärme über die Lungen abgegeben werden. Diese waren offenbar nicht nur im Thorax, sondern auch als Luftsäcke entlang der Wirbelsäule bis hin zum Abdomen vorhanden, denn nur so ist eine effiziente Abgabe der Gärungswärme des Gedärms überhaupt denkbar. Spuren von Knochenansätzen für Atemmuskulatur an den Rippen gab es offenbar übrigens keine, sondern wie bei Vögeln wurde die Luft durch die Bewegungen des Tieres selbst in den Luftsäcken verteilt.

Wie alt wurden die Tiere, und was konnten sie leisten? Auf die Geschwindigkeit und Stoffwechsellage bin ich schon eingegangen. Analysen der Wachstumslinien der Knochen (Saurier hatten rein appositionelles Wachstum) zeigen, dass die Tiere etwa 80 Jahre alt werden konnten. Ein spannendes Problem ist die Blutdruckregulation: Bei einer Standhöhe von bis zu 12 m benötigt man einen systolischen Blutruck von ca. 760 mmHg (!) für die Durchblutung des Kopfes (zum Vergleich: Giraffen haben bei einer Größe von etwa 6 m einen Blutdruck von ca. 280/180 mmHg). Gleichzeitig muss der Druck in den Beinen gedämpft werden, da sonst Ödeme entstehen. Denn auch bei Sauriern muss gegolten haben, was auch heute gilt: Kapillaren halten ca. 20 mmHg aus. Die Blutflussdrosselung in den Beinen und eine gezielte Flussrichtungslenkung im Hals waren also sicher notwendig. Das macht starke periphere Widerstandsgefäße (Drosselung) und Arterienklappen im Halsbereich wie bei Giraffen (Rückfluss des Blutes in der Diastole) wahrscheinlich.

Hat es bei den Dinosauriern andere Organe gegeben oder war die gesamte Funktion schon ungefähr so, wie wir sie auch hier in unserem Lehrbuch finden? Diese Frage ist nicht leicht zu beantworten, da Organe in der Regel nicht versteinert sind. Einen Fund eines Herzens gab es jedoch – wenn auch nicht bei Tyrannosaurus rex oder seinem Zeitgenossen, dem riesigen Pflanzenfresser Brachiosaurus brancai. Daher wissen wir, dass es bereits vierkammerige Herzen gab. Anders sind die hohen Drücke wohl auch nicht aufzubringen, die in einem Brachiosaurus von 12 m Höhe notwendig sind.

Zur Neuro- und Sinnesphysiologie: Haben Saurier miteinander kommuniziert? In welchem Frequenzbereich? Gab es ein Gehör oder Gleichgewichtssinn? Einen Gehörgang? Hörknöchelchen? Wieder eine komplexe Frage: Gehörknöchelchen wurden bisher nicht gefunden. Aber einen Gehörgang gab es – und ein Gleichgewichtsorgan ebenfalls. Vermessungen ergaben, dass es in seiner Größe den Masseverhältnissen sowie den für die Sinneszellaktivierung notwendigen Winkelgeschwindigkeiten exakt angepasst gewesen ist.

Musste bei der Länge der Saurier die Nervenleitungsgeschwindigkeit nicht viel schneller gewesen sein als bei den heutigen Tieren, damit Reflexe überhaupt sinnvoll sind? Kann man dazu etwas sagen? Die Nervenaustrittsöffnungen bei Brachiosaurus sind mit einem Durchmesser von 2 cm zum Teil sehr groß. Insofern kann man davon ausgehen, dass die Nerven bereits myelinisiert waren. Allerdings ist die schiere Körperlänge noch immer ein Problem: Knapp 20 m sind selbst mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 100 m/s erst in 200 ms überwunden. Zudem war der Großteil der Fasern genau wie bei uns wahrscheinlich nicht oder nicht stark myelinisiert, sodass die Übertragungszeiten teils im Sekundenbereich lagen. Die Verdickung des Spinalkanals im Lumbalbereich deuten wir mittlerweile so, dass dort ein zweites „Gehirn“ gelegen haben könnte, welches für die distalen Körperabschnitte arbeiten konnte.

Können wir Dinosaurier wieder nachklonieren, so wie es im SciFi-, Horror- und Abenteuerfilm „Jurassic Park“ von Steven Spielberg (Buch von Michael Crichton) gezeigt wird? Nein, das geht nicht: Die Fossilien sind tatsächlich steinerne Ausgüsse der einstigen Knochen oder Organe und es ist kein organisches Material vorhanden. Mücken, die die Saurier hätten stechen können, um dann in Bernstein konserviert zu werden, gab es erst vor ca. 70 Millionen Jahren, also erst in der Kreidezeit, als die Hauptzeit und Verbreitung der Saurier schon vorbei war. Außerdem hat man bis heute zwar kleine Saurier-DNA-Bruchstücke gefunden, die aber noch zu keiner brauchbaren Sequenz, geschweige denn einem Genom zusammengesetzt werden konnten.

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