Scientia - Vol. VII/Die biologische Bedeutung der Kolloide
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DIE BIOLOGISCHE BEDEUTUNG DER KOLLOIDE
Es kann kein Zweifel darüber bestehen, dass den zu der physikalisch-chemischen Gruppe der Kolloide gehörigen Substanzen, welche an der Zusammensetzung der Organismen teilnehmen, eine ausserordentlich wichtige Rolle bei den Lebensvorgängen zuerkannt werden muss; denn sobald wir uns das Wasser und die gelösten anorganischen Stoffe aus den Organismen fortdenken, so verbleiben als Rest ganz vorwiegend kolloidale Stoffe, und da unter diesen die Eiweisskörper, deren Verwandte und Abkömmlinge sowie die hochmolekularen Kohlenhydrate die Hauptmasse ausmachen, so kann wohl eben über die Bedeutung der Kolloide nicht gut gestritten werden.
Etwas ganz Anderes ist es aber, wenn man diese Einschätzung auch so verstanden wissen will, dass die Kolloide nicht oder nicht blos als chemische Verbindungen bestimmter Zusammensetzung, sondern, unabhängig von ihrem chemischen Aufbau, eben als Kolloide, das heisst hier: als quellungsfähige, schwer diffusible, durch neutrale Salze fällbare Substanzen, ihre Rolle im Lebensprozess spielen. Dies ist eine Auffassung, mit welcher man heute zunächst überhaupt nicht rechnet, wenn man von der Bedeutung der hauptsächlichsten organischen Kolloide, der Eiweisskörper, der tierischen oder pflanzlichen Stärke spricht, so wohlbekannt es auch ist, dass diese Stoffe typische Kolloide sind. Dennoch lassen sich schon viele Gründe dafür anführen, dass kolloidale Zustandsänderungen, — d. h. Änderungen der Beziehungen der Kolloide zu ihrem Lösungsmittel infolge irgendwelcher Bedingungswechsel — wesentliche Komponenten in der Dynamik der Lebenserscheinungen darstellen und vielleicht eine weit grössere Bedeutung haben, als wir heute ahnen. Und dass ein bestimmter Kolloidzustand für die Statik der belebten Materie grosse Wichtigkeit hat, darüber kann man sogar jetzt schon nur noch einer Meinung sein, wenn auch die Bedeutung der Kolloide in dieser Hinsicht oft höher eingeschätzt wird, als es bei kritischer Verwertung aller gesammelten Erfahrungen berechtigt erscheint.
Machen wir uns dies einen Augenblick etwas genauer klar! Man hat häufig das Protoplasma mit einem dickflüssigen Schleim oder mit einer weichen Gallerte verglichen und fand mit dieser Vorstellung eine gewisse Erklärung dafür, dass das Protoplasma Formen von einer den festen Körpern eigenen Starrheit zu bilden vermag, in welchen trotz der Festigkeit chemische Reaktionen sich abspielen, wie wenn die Formen aus einer Flüssigkeit beständen. Diese Ansicht kann man nun heute sicherlich nicht mehr teilen, mindestens ihr keine allgemeine Bedeutung beimessen, schon allein deshalb nicht, weil es fraglich ist, ob man für alle Sorten von Protoplasma einen einzigen, gleichen, «Aggregatzustand» anzunehmen berechtigt ist. Bestimmt haben manche, namentlich wenig differenzierte Protoplasmen, wie Amöben und manche Blastomeren, die Eigenschaften vollkommener oder doch fast vollkommener Flüssigkeit, und sind demgemäss formlos bezw. formvariabel. Andere Zellen dagegen, solche sowohl, die von Natur frei für sich existieren, als auch vor allem solche, welche, normalerweise zu einem Gewebsverband gehörig, aus diesem künstlich losgelöst und isoliert worden sind, sind im Besitz einer dauerhaften, aber nicht, tropfig-kugligen Form, gleich als wenn ihre Masse gallertige Konsistenz hätte. Aber auch ohne dass wir dies für sie annehmen, auch wenn wir bei ihnen ein flüssiges Protoplasma voraussetzen, kann die Dauerhaftigkeit ihrer typischen, sei es cylindrischen, sei es scheibenförmigen oder sonstwie beschaffenen Gestalt auf das Vorhandensein äusserer oder innerer, der Statik dienender Strukturen, wie in die Oberfläche eingelassene Fäden (z. B. bei Blutkörperchen nach Meves) oder das Innere durchquerende Stützfasern (z. B. bei manchen Darmepithelien) bezoger werden. Auch in diesen Fällen brauchen also die Kolloide als Gallerte bildende Substanzen nicht zur Erklärung der statischen Eigenschaften herangezogen zu werden. Und doch hat man sich hierbei immer und immer wieder auf die feinen Innenarchitekturen des Protoplasmas, auf die Faden-, Netz-, oder Wabenstrukturen berufen, mit scheinbar um so besseren Gründen, seit besonders von Bütschli und von Hardy gezeigt wurde, dass solche Strukturen auch bei der Entmischung mancher kolloidaler Lösungen, also bei der Abscheidung festerer Gebilde aus ihnen entstehen. Es soll natürlich nicht geläugnet werden, dass das reichliche Vorhandensein von Kolloiden im Protoplasma durch die davon abhängende relativ hohe Viscosität und zumal die ungleichmässige Verteilung der Kolloide auf ein mehrphasiges System von der Art der eben genannten Protoplasmastrukturen die Ausbildung und Festhaltung bestimmter Formen erleichtert, wenn auch daran zu erinnern ist, dass gerade die leicht deformierbaren Protoplasmen der Infusorien und der Blastomeren sozusagen die Renommierobjekte für die Demonstration der Wabenstruktur abgegeben haben.
Für die Erhaltung der Zellform bedeuten uns also bis heute die Kolloide recht wenig, auch in ihrer Anordnung zu den eben genannten Protoplasma-Gerüsten. Nun hat man sich gerade über die Bedeutung dieser als Streitobjekte der Cytologen so berühmt gewordenen Strukturen begreifllicherweise besonders besonnen, und neuerdings ist speziell für die weitverbreitete Wabenstruktur eine Auffassung aufgetaucht, nach welcher die aus einer kolloidreichen Phase gebildeten Wabenwände nicht so sehr wie tragende Mauern eines Bauwerkes, als wie die den Innenraum eines Hauses einteilenden Wände funktionieren, durch welche die notwendige Differenzierung des komplizierten chemischen Gesamtbetriebes einer Zelle in eine Anzahl von einander getrennter Einzelbetriebe ermöglicht wird. So geistreich diese von Hofmeister ersonnene Hypothese ist, so handelt es sich doch zunächst nur um eine Hypothese für den Sinn der eigenartigen Kolloidverteilung, welche freilich als ein Bild zur Erleichterung für unser Verständnis mancher Zellenvorgänge ihren Wert hat. Immerhin gibt es zu bedenken, dass, wenn man bei Froscheiern die «chemische Organisation» zerstört, indem man die Wabenwände dadurch zerreisst, dass man die durch das Ei verteilten Dotterplättchen herauszentrifugiert, nach der Angabe von Gurwitsch die Furchungsfähigkeit, also das Leben erhalten bleibt.
So können wir also ebensowenig für die Biochemie wie für die Biostatik bis hierher mit den Kolloiden etwas Rechtes anfangen. Und dies gilt nun noch in verstärktem Masse, wenn wir auf andere kolloidale Zellstrukturen, als die zuletzt genannten, Rücksicht nehmen. Von solchen kommt eigentlich das Meiste in Betracht, was man an Zellen von Strukturiertem überhaupt sehen kann; denn besonders wenn man Präparate fixierter Zellen im Auge hat, so ist es ersichtlich, dass das mikroskopische Bild im Wesentlichen auf der räumlichen Verteilung von verschiedenen Kolloiden beruht. Allerdings belehren uns die rein morphologischen, vor allem aber die morphogenetischen Forschungen aufs Bestimmteste, dass manche dieser ans Kolloiden aufgebauten Gebilde für den Lebensvorgang von grenzenloser Bedeutung sind; — man denke nur an Chromosomen, Chondriosomen, Centrosomen u. a. — ; aber die physikalischen und chemischen Grundlagen der sichtbaren Umwandlungen und Bewegungen dieser Gebilde und speziell die Beteiligung kolloidaler Zustandsänderungen dabei sind so gut wie gänzlich unbekannt, woran auch durch die Tatsache nichts geändert wird, dass manche der Strukturen, wie z. B. die Protoplasniastrahlnngen, künstlich mit Kolloidsystemen nachzuahmen sind. —
Was kann man denn nun aber schliesslich Positives über die biologische Bedeutung der Kolloide sagen? Meiner Ansicht nach bezieht sich dies bisher fast allein auf die Eigenschaften der oberflächlichen Schicht der Protoplasmen, mit welcher diese an ihr umgebendes Medium angrenzen, der sog. Plasmahaut, und zweitens auf die Eigenschaften gewisser Zwischensabstanzen, welche Zelle mit Zelle verbinden. Dies ist wenig und viel. Viel, weil sich ergeben hat, dass Zustandsänderungen in den aus Kolloiden aufgebauten Plasmahäuten folgenschwer für die ganze Funktion der Zelle sind; wenig insofern, als wir hieraus vielleicht schliessen dürfen, dass auch noch die im Innern der Protoplasmen gelegenen Kolloidmembranen und -fäden normalerweise Zustandsänderungen durchmachen können, die zum Wesen der Funktionsänderungen gehören, Änderungen, von denen wir aber heute noch nichts beweisen können, im Wesentlichen, wie mir erscheint, deshalb, weil wir mit den bis jetzt angewandten experimentellen Mitteln zur Erzeugung reversibler kolloidaler Zustandsänderungen nicht bis ins Innere der Zellen vordringen konnten. Diese Ansicht über die Lokalisation der teilen Einwirkung wird zwar nicht von allen geteilt; ich denke, sie aber weiterhin ausreichend begründen zu können. —
Der experimentellen Erforschung der Bedeutung der Kolloide steht ein Hauptmittel zu Gebote, und dies ist der Angriff auf die Kolloide mit Salzen, oder noch allgemeiner gesagt: mit Elektrolyten, d. h. also: mit in wässeriger Lösung in Ionen dissoziierten Stoffen; die Salze bzw. die Ionen sind die mächtigsten Mittel, um den Lösungs- oder Quellungszustand von Kolloiden in einer oder anderer Richtung zu beeinflussen. Diese Tatsache der Ionenempfindlichkeit der Kolloide eröffnet nun sofort eine bedeutsame Perspektive; denn wenn sich zeigen lässt, dass der Lebensprozess experimentell aus seiner normalen Bahn abgelenkt werden kann, indem man mit Hülfe von Salzen Kolloidzustaudsänderungen erzeugt, dann bekommt man ja auch mit einem Mal eine Einsicht in die Funktion der anorganischen Salze, deren Notwendigkeit für die lebenden Wesen zwar seit langem anerkannt, aber so gut wie vollkommen unverständlich war. In der Tat: erst in den letzten Jahren beginnt eine wissenschaftliche Physiologie der Salze sich aufzubauen, indem die Erfahrungen der Kolloidchemiker den Physiologen zu Induktionen verhelfen, welche Experimente über die Wirkungen der Salze nach sich ziehen. Und schon beginnt der experimentelle Erfolg sich in medizinisch-therapeutische Massnahmen umzuwandeln!
Am meisten Interesse beanspruchen unter den Wirkungen von Salzen auf Kolloide natürlich die Wirkungen der normalerweise in und um die Organismen vorhandenen Alkali- und Erdalkalisalze auf die den Organismen zugehörigen Kolloide. Daher werden Hofmeister’s schon im Jahre 1891 ausgeführte Studien über den Einfluss von Salzen auf die Aufquellung oder Schrumpfung von Gelatine-Gallerte stets als Grundlage und Ausgangspunkt für alle weiteren Untersuchungen zu gelten haben. Bei diesen Studien fand Hofmeister, dass den einzelnen Salzen bzw. Ionen ein verschiedenes Mass der Fähigkeit zukommt, den Wassergehalt einer Gallerte zu ändern, zu vermehren oder zu vermindern; er fand z. B., dass unter den Anionen am stärksten entquellend wirkt das Sulfat- und Citrat- Ion, dann folgen einander in immer geringerer Entquellungsfähigkeit bzw. steigender Quellungsbegünstigung die Ionen Acetat, Chlorid, Nitrat, Bromid, Jodid. Später sind analoge Versuche an anderen Kolloiden meist so ausgeführt worden, dass man die Kolloide in Wasser löste und dann die Salz-Konzentrationen aufsuchte, bei welchen die Kolloide aus ihrer Lösung gleich stark ausgefällt werden. Im Wesentlichen führen beide Methoden zu gleichem Ziel. Bei der ersten liegt aber der unmittelbare Vergleich mit der Salzwirkung auf Organismen insofern näher, als es sich ja auch hier wohl meist um die Wirkung auf feste, strukturierte Kolloidgebilde handelt, wie z. B. die Plasmahaut eines ist.
Erwähnenswert ist vielleicht noch, dass neuerdings von Porges und Neubauer sowie von Pauli gezeigt worden ist, dass die Salze auch schon in den kleinen im Leben eine Rolle spielenden Konzentrationen einen deutlichen Effekt auf den Lösungszustand der organischen Kolloide ausüben.
Durch derartige Studien ist man nun heute einigermassen davon unterrichtet, in welcher Reihenfolge sich die Wirkungen der Ionen auf die physiologisch wichtigsten Kolloide, wie Eiweiss, Gelatine, Lecithin in den Gruppen der Alkali-, Erdalkali-, Schwermetall-Kationen und der Anionen abstufen.
Gehen wir nun zur Erörterung derjenigen Beobachtungen über, welche die Salzeinflüsse auf Organismen als Einflüsse auf deren Kolloidkomponenten erscheinen lassen! Wir wollen dabei nicht historisch vorgehen, das hiesse: die Besprechung der merkwürdigen Funde voranstellen, durch welche Jacques Loeb zum ersten Mal auf die Idee gebracht wurde, Salzeinflüsse als Kolloidbeziehungen zu deuten. Diese Befunde liegen theoretisch nicht ganz einfach und werden deshalb besser erst später erörtert. Wir wollen hier mit Beobachtungen beginnen, bei denen der Vergleich mit Salzeinflüssen auf tote Kolloidsysteme möglichst nahe liegt.
Wenn man sich von einer grösseren Zahl von anorganischen Salzen Lösungen herstellt, welche alle unter einanander den gleichen osmotischen Druck haben und gleichzeitig einen Druck, der annähernd mit demjenigen von Säugetierzellen übereinstimmt, und wenn man in jede Lösung rote Blutkörperchen eines Tieres, sagen wir eines Rindes, hineinbringt, so findet man nach meinen Beobachtungen, dass der rote Farbstoff allmählich, d. h. meist im Verlauf von Stunden bis Tagen, aus den Blutkörperchen austritt, dass also die sogenannte Hämolyse eintritt, aber nicht in allen Salzlösungen gleich rasch. Vergleicht man z. B. die Chloride der verschiedenen Alkalisalze mit einander, so findet man, dass zuerst die Blutkörperchen in der Lösung von Kaliumchlorid sich auflösen, dann folgen Rubidium- und Caesiumchlorid, dann Natrium- und Lithiumchlorid. Die Alkalikationen begünstigen also die Hämolyse in der Reihenfolge: Li, Na < Cs < Rb < K. In ähnlicher Weise ist festzustellen, dass die Wirkung anorganischer Anionen durch die Reihe: SO4, < Cl < Br, NO3 < J auszudrücken ist.
Nun die Analogie der Salzwirkungen auf organische Kolloide! Es wurde schon gesagt, dass nach Hofmeister die Ionen in verschiedenem Grade auf den Quellungszustand von erstarrter Gelatine wirken, und vergleicht man jetzt die Reihenfolge der Anionen, die hierfür vorher angegeben wurde, (siehe S. 35), mit der eben genannten Anionenreihe, so wird man konstatieren, dass beide übereinstimmen. Dasselbe lässt sich für die Reihe der Alkalikationen sagen, und dasselbe gilt, wie ich neuerdings gefunden habe, auch für die Ionen organischer Säuren und Basen. Hämolyse und Kolloideinfluss gehen also parallel; es ist, als ob die Blutkörperchen Scheiben einer sehr weichen, wasserreichen roten Gallerte wären, welche unter dem Einfluss der verschiedenen Salze durch weitere, aber verschieden starke Quellung allmählich, jedoch verschieden rasch sich auflösen.
Mit der Feststellung dieser Analogie wollen wir uns aber nicht begnügen, sondern etwas tiefer in das Wesen des hämolytischen Vorgangs einzudringen suchen. Es wurde einleitend gesagt, dass es die Plasmahaut der Zellen oder vielmehr die sie formierenden Kolloide sind, welche den Salzen die Angriffsfläche darbieten. Wie ist man zu dieser Ansicht gekommen? Um das zu verstehen, ist es nötig, mit ein paar Worten auf die Genese des Begriffs «Plasmahaut» einzugehen. Unter der Plasmahaut versteht man die oberflächlichste Schicht des Protoplasmas, welche meistens nicht so gegen das übrige Protoplasma differenziert ist, dass sie optisch sich bemerkbar macht; dennoch kann man viele Eigenschaften der Zellen nicht verstehen, wenn man ihre Existenz nicht annimmt. Machen wir uns das an dem eben verwendeten Beispiel der roten Blutkörperchen klar! Die Blutkörperchen enthalten in ihren Innern eine Menge Kalisalze, während die Flüssigkeit, in der sie schwimmen, das Blutplasma, davon fast frei ist. Nun sind anorganische Salze ganz leicht diffundierende Verbindungen; es ist also nicht einzusehen, warum die Kalisalze nicht aus den Körperchen ins Plasma herausdiffundieren — wenn man nicht annimmt, dass sie daran gehindert werden; und dies Hindernis ist die für die Salze undurchlässige Plasmahaut. Man könnte meinen, dass der lebenslängliche Verbleib der Kalisalze im Innern daran liegt, dass das Kali chemisch fest gebunden und dadurch indiffusibel ist; aber, abgesehen davon, dass derartige chemische Verbindungen nicht bekannt sind — was freilich nichts gegen ihre Existenz beweist — spricht dagegen erstens, dass bei leichter Schädigung der Blutkörperchen von aussen her schon vor dem roten Hämoglobin die Kalisalze austreten, und zweitens, dass für den osmotischen Druck des Inhalts der Blutkörperchen, ihrer ganzen chemischen Zusammensetzung nach, kaum andere Stoffe in Frage kommen können, als eben die Salze. So erscheint also durch die Tatsache des erschwerten bzw. gehinderten Austritts die Annahme der undurchlässigen Oberflächenhaut gerechtfertigt.
Noch mehr sprechen aber für die Existenz der Plasmahaut die Beobachtungen über die Möglichkeit des Eintritts von Stoffen in die Zellen. Legen wir unseren Betrachtungen darüber wiederum Experimente an Blutkörperchen zu Grunde! Wiederum seien die Blutkörperchen in die Lösungen verschiedener Salze übertragen, welche alle den gleichen osmotischen Druck haben, mit dem einen Unterschied gegen vorher, dass der Druck jetzt den osmotischen Druck der Blutkörperchen bzw. des Plasmas, in dem sie sonst schwimmen, übersteigen soll. Alsdann findet man, dass zunächst die Blutkörperchen in allen Lösungen in gleichem Masse durch Wasserabgabe ihr Volumen verkleinern, und diese Volumenänderung ist umso erheblicher, je mehr der osmotische Aussendruck über den Innendruck überwiegt. Diese Tatsache findet die einleuchtendste Erklärung in der Annahme, dass die Blutkörperchen von einer sogenannten halbdurchlässigen Membran, d. h. einer Membran, welche für das Wasser durchlässig, für die darin gelösten Stoffe dagegen undurchlässig ist, umhüllt sind; es findet alsdann so lange Wasserbewegung von innen nach aussen unter Volumenverringerung statt, bis die osmotischen Drucke innen und aussen gleich geworden sind.
Man könnte freilich die Erscheinungen auch anders erklären. Aus verschiedenen Gründen sind manche Autoren vor der Annahme zurückgeschreckt, dass die Plasmahaut der Blutkörperchen für die Salze ganz undurchlässig sein soll, und namentlich Loeb hat dafür die Vorstellung ausgebildet, dass die Durchlässigkeit für Wasser nur viel grösser als für die Salze sein soll, und dass daher der Ausgleich der osmotischen Drucke unter Volumänderung durch Wasserbewegung und nicht durch Bewegung der gelösten Stoffe ohne Volumänderung zustande komme. Loeb hat aber vergessen, die Konsequenz zu ziehen, dass dann auch die in den Blutkörperchen sich vorfindenden Kalisalze reichlich im Verlauf des Lebens der Körperchen Zeit finden sollten, herauszudiffundieren, und dass ebenso die Natriumsalze des Plasmas sich durch Diffusion im Innern ansammeln sollten, und vor dieser gegen die Tatsache verstossenden Konsequenz könnte Loeb sich blos durch die komplizierte Annahme retten, dass durch eine besondere Arbeit die Zellen diese Diffusionen immer wieder rückgängig machen. Wir werden später auf andere Schwierigkeiten, die sich der Loeb’schen Annahme bieten, zu sprechen kommen. Es sei nur an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass derartige Annahmen in ihren Folgen von grösster Tragweite für die Physiologie sind; handelt es sich doch um nichts Geringeres als um Stellungnahme zu einem der Grundphänomene des Lebensvorgangs, dem bisher so rätselhaften Prozess der Stoffaufnahme und-Abgabe von Seiten de Zelle.
Kehren wir nunmehr, nachdem wir wenigstens ganz flüchtig die Beweggründe zur Plasmahauthypothese skizziert haben, zu den hämolytischen Experimenten zurück! Wenn wir also die Salze wirksam fanden, so werden wir uns nunmehr vorstellen, dass sie gegen das Hindernis anrennen, das sich ihnen zunächst in den Weg stellt, d. h. dass sie auf die Plasmahaut einwirken. Diese besteht aber, wofür sich viele Gründe namhaft machen lassen, zum gross ten Teil aus Eiweiss, Lecithin, Cholesterin, alles kolloidal sich lösende und quellbare Stoffe. Wenn wir zudem nun finden, dass die Salze im Verhältnis zu einander gerade so wirken, wie sie auf tote Kolloidsysteme wirken, so liegt nichts näher als die Vorstellung, dass die Salzwirkung kolloidale Zustandsänderung ist. Wir nehmen an, dass die Salze die Plasmahaut der Blutkörperchen auflockern, jedes in spezifischer Intensität, und dass dadurch sekundär die Plasmahaut durchlässig wird, eine der Folgen dieser Durchlässigkeit ist der Austritt des roten Farbstoffs. Zu Gunsten dieser Argumentierung lässt sich noch anführen, dass andere als Hämolytica bekannte Substanzen, wie Saponin, Gallensäuren u. a. nachweislich mit Biweiss, Lecithin oder Cholesterin, also den Plasmahaut-Komponenten reagieren.
Gehen wir nun zur Betrachtung eines zweiten Falles von Salzwirkungen über, wobei die von den Salzen bewirkte kolloidale Zustandsänderung physiologisch belangreicher ist, als das nun gerade für die künstliche Permeabilitätssteigerung von Blutkörperchen durch allerlei Salze gelten kann. Dies zweite Beispiel ist der Einfluss der Salze auf Muskeln.
Wenn man, wie vorher die Blutkörperchen, Muskeln etwa vom Frosch in die Lösungen der verschiedenen Salze einlegt, so findet man, dass in manchen Lösungen die Erregbarkeit der Muskeln bald, oft in wenigen Minuten schwindet, in anderen sinkt und wieder in anderen ziemlich erhalten bleibt. Am bekanntesten ist wohl die Wirkung der Kalisalze; diese lähmen rasch. Dabei verändern sich die Muskeln äusserlich gar nicht, und wenn man sie der Wirkung der Salze entzieht, und sie in ihr normales Medium zurückversetzt, so erhalten sie ihre ursprüngliche Erregbarkeit zurück. Per analogiam werden wir auch hier, wie bei den Blutkörperchen, und aus den gleichen Gründen, genau den gleichen Erfahrungen über Ein- und Austritt von Stoffen (siehe S. 37-39) schliessen, dass die Salze an der Plasmahaut angreifen. Wnn wir dies folgern, dann kommen wir freilich zu einer gänzlich neuen Auffassung von der Bedeutung der Plasmahaut; denn daran war bisher nicht zu denken gewesen, dass die Plasmahaut auch für die normale Erregbarkeit mit verantwortlich gemacht werden müsste. Aber warum nicht? Ueber das Wesen der Erregbarkeit bestehen bisher doch gewiss keine klaren Vorstellungen! Immerhin sträuben sich manche gegen die Konsequenz einer solchen Erweiterung der Machtstellung der Plasmahaut. Jacques Loeb sagt z. B. wörtlich: «Es ist falsch, sich vorzustellen, dass die Zellen von Membranen umgeben sind, welche nur Wasser.... durchlassen, für andere Stoffe aber undurchgängig sind.... Der gewöhnliche Muskel verliert seine Erregbarkeit in kurzer Zeit, wenn er in Kochsalzlösung gebracht wird, die Kaliumsalze in nicht zu geringer Konzentration enthält.... Die Geschwindigkeit, mit der die Erregbarkeitshemmung durch Kaliumsalze eintritt, hängt von der Konzentration der letzteren in der umgebenden Lösung ab. Es ist also sicher, dass die Kaliumsalze relativ leicht in die Muskelzelle hineindiffundieren können.» (Dynamik der Lebenserscheinungen Seite 74). Allein in der Tatsache der Wirksamkeit sieht also Loeb schon den Beweis der Passage der als blosse tote Barriere erachteten Plasmahaut. Aber das beruht doch offenbar auf einer vorgefassten Meinung über die Grundlagen des Erregbarkeitsphänomens. Wir haben keine Ursache, davor zurückzuscheuen, in die Grenzschichten lebender Gebilde Funktionen oder Teilfunktionen zu verlegen; manche haben das ja übrigens auch schon früher bei den sozusagen unverfälschtesten erregbaren Gebilden, den Nerven, getan, als sie den Erregungsvorgang als eine Grenzpolarisation auffassten, und heute haben wir neue Anhaltspunkte dafür gewonnen, wovon noch weiterhin die Rede sein wird. Loeb’s Ansicht lässt sich aber auch direkt widerlegen. Overton hat gezeigt, dass, wenn man Muskeln in eine Lösung von Kaliumsulfat einlegt, deren osmotischer Druck mit dem der Muskelsubstanz übereinstimmt, nach ganz kurzer Zeit Lähmung eintritt, dass sich dann aber der gelähmte Muskel Stunden, eventuell Tage lang gar nicht verändert, d. h. vor allem, sein anfängliches Volumen behält, und dass er schliesslich seine Erregbarkeit zurückgewinnen kann, wenn man ihn in Kochsalzlösung überträgt. Würde nun das Kalisalz rasch ins Muskelinnere eindringen, so rasch, wie die Lähmung sich vollzieht, so würde alsbald der osmotische Druck im Innern um den der Salzkonzentration entsprechenden Druck ansteigen, der Innendruck würde den Aussendruck überwiegen und durch osmotische Wasserbewegung nach innen hinein müsste das Muskelvolumen rasch zunehmen. Das Ausbleiben dieser Volumenvergrösserung ist der Beweis gegen Loeb’s Ansicht und der Beweis dafür, dass, wie es Overton auch ausgesprochen hat, der Einfluss der Salze auf die Muskelerregbarkeit in Einflüssen auf Plasmahautvorgänge bestehen muss. Wie ist nun dieser Einfluss zu denken?
Es ist mir aufgefallen, dass die Alkalikationen nach Overton in zunehmendem Masse in der Reihenfolge: Li, Na < Cs < Rb < K die Muskelerregbarkeit vermindern; ein Blick auf Seite 7 lehrt, dass diese Reihenfolge dieselbe ist, wie bei der Hämolyse und die bei den Zustandsänderungen der toten Kolloidsysteme gefundene Reihe. Auch für die Anionen lässt sich das Gleiche konstatieren. Wir kommem also zu dem gleichen Ergebnis wie früher: physiologische Zustandsänderung, hier Erregbarkeitsänderung wie dort Permeabilitätsänderung, und kolloidale Zustandsänderung gehen parallel! Indem die Konsistenz der kolloidalen Plasmahaut sich ändert, ändert sich die Erregbarkeit.
So sehen wir also das normale Funktionsvermögen der Muskeln abhängig von gewissen Kolloiden, und darin stehen nun, wie zu vermuten, die Muskeln nicht einzig da. Aus ihrem Verhalten gegenüber den Salzen kann man denselben Schluss für die Nerven ziehen, und das Gleiche gilt auch, wie mich neuerdings Versuche überzeugt haben, für die Verrichtungen des Flimmerepithels. Ich bin daher der Meinung, dass dem Kolloidzustand im Allgemeinen eine grosse physiologische Bedeutung zukommt, und dass im Speziellen die Plasmahaut auch durch ihr Kolloidmaterial zu einem wichtigen Organ der Protoplasten wird.
In letzterer Beziehung ist sogar noch nicht alles gesagt, was gesagt werden sollte. Denn bis hierher wurde eigentlich blos gezeigt, dass nur ein gewisses statisches Verhalten der Plasmahaut, ein bestimmter, durch den gewöhnlichen Salzgehalt des Mediums normierter Kolloidalzustand mit dem physiologischen Erregbarkeitsgrad verträglich ist. Es giebt aber verschiedene Gründe, welche indessen hier nicht weiter erörtert werden sollen, dafür, dass neben einer Plasmahautstatik auch von einer Plasmahautdynamik geredet werden kann; es hat meiner Meinung nach einen hohen Grad von Wahrscheinlichkeit, dass, wenn ein Nerv oder Muskel erregt wird, eine Kolloidzustandsänderung mit der Erregung Hand in Hand geht, oder wohl richtiger: einen Teilvorgang der Erregung ausmacht. Mit dieser Anschauung würde auch gut übereinstimmen, dass Nernst durch seine geistvollen Untersuchungen über die elektrische Erregung von Nerven und Muskeln die Vorstellung angebahnt hat, dass der elektrische Strom, wenn er irgend wirken soll, eine bestimmte elektrolytische Konzentrationsänderung an einer beschränkt durchlässigen Membrane hervorrufen muss, dass also, im Sinne meiner Ausführungen, bei der Reizung die Bedingungen für eine kolloidale Zustandsänderung in einer Plasmamembran gesetzt werden müssen. Vielleicht gelingt es bald, den präsumptiven Kolloidvorgang als Begleiterscheinung der Erregunswelle direkt zu beobachten. —
Zur weiteren Illustrierung der physiologischen Bedeutung der Kolloide komme ich nun zu den schon kurz erwähnten, interessanten Experimenten von Loeb, deren Ergebnis zuerst den Gedanken an eine besondere Funktion der organischen Kolloide nahelegte. Loeb machte 1901 die seltsame Entdeckung, dass, wenn man die befruchteten Eier eines kleinen Meeresfisches, des Fundulus heteroclitus, in eine reine Kochsalzlösung vom osmotischen Druck des Meerwassers bringt, sich auch nicht ein einziges Ei entwickelt, obgleich doch auch das Meerwasser von Salzen hauptsächlich Kochsalz enthält. Es enthält allerdings neben Kochsalz auch noch kleine Mengen von Kali-, Calcium- und Magnesiumsalzen, und diese kleinen Zusätze sind in der Tat, wie sich weiter zeigte, von höchster Bedeutung. Denn es genügte z. B. schon der Zusatz von 0,004% Caiciumsulfat zu der genannten Kochsalzlösung, um 20 Prozent der befruchteten Eier die Entwicklung zu ermöglichen, und bei einem Zusatz von 0,008 Prozent stieg der Prozentgehalt der weiterkommenden Eier sogar auf 75. Ähnlich günstig wirkten kleine Magnesium- Mengen, während Kalizusatz nichts half. Aber nicht blos, dass Loeb auf diese Weise dahinter kam, dass die kleinen Beimengungen von Calcium und Magnesium zum Meerwasser von höchster biologischer Bedeutung sind — eine Erfahrung, die übrigens nach Züchtungsversuchen an Pflanzen von Seiten der Botaniker nicht ganz unerwartet kam und auch in Beobachtungen von Herbst über die Entwicklungsbedingungen für Seeigeleier bereits, eine gewisse Parallele vorfand — sondern Loeb fand nun weiter, dass an Stelle von Magnesium und Calcium auch Metalle Verwendung finden können, die keineswegs im Meerwasser enthalten sind, und die man von vorne herein sogar eher für schädlich zur Entwicklung, denn für nützlich ansehen sollte, wie Zink, Nickel, Blei. Die folgende Tabelle gibt davon eine Vorstellung, was besten Falls durch Zusatz solcher Metallsalze zu einer Kochsalzlösung für die Entwicklung der Fischeier erreicht werden kann:
| Kulturflüssigkeit | Prozentsatz der sich entwickeluden Eier | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Wie sind nun diese sonderbaren Erscheinungen zu erklären? Es muss jedem chemisch Geschulten sofort auffallen, dass sämtliche wirksamen Zusätze zum Kochsalz Zusätze von Salzen zweiwertiger Metalle sind, und das ist auch der springende Punkt. Loeb zeigte, dass nicht Zusätze von Salzen einwertiger Metalle die Kochsalzlösung zu einer günstigen Kulturflüssigkeit für die Eier umzuwandeln vermögen, sondern dass es Salze zwei- oder richtiger mehrwertiger Metalle sein müssen. Und diese Verallgemeinerung liefert dann den Schlüssel zu einer Erklärung. Denn eine ähnliche Präponderanz der elektrochemischen Eigenschaft der Wertigkeit über die elementaren chemischen Eigenschaften war nur noch in einem Fall bekannt, nämlich bei den Kolloidausflockungen, bei denen Schulze gefunden hatte, dass alle Salze einwertiger Metalle gleichmässig, aber schwach, alle Salze zweiwertiger Metalle annähernd gleichmässig, aber stark die Kolloide zu fällen vermögen. Diese «Schulze’sche Regel» liess auch bei den Erscheinungen an den Eiern an Kolloidvorgänge denken. Allerdings ist auch heute, 8 Jahre nach Loeb’s Entdeckung, trotz der grossen Entwickelung, welche die physikalische Chemie der Kolloide seitdem durchgemacht hat, die Beziehung des biologischen Vorgangs zu den Kolloidprozessen noch nicht recht klar. Denn die Schulze’sche Regel sagt ja nichts von einer antagonistischen Wirkung ein- und zweiwertiger Metallionen, wie sie sich aus Loeb’s Versuchen zu ergeben scheint, sondern von einer gleichgerichteten und nur intensiv verschiedenen Wirkung. Am nächsten kommt man wohl den wirklichen Vorgängen mit der Annahme, dass bei alleiniger Gegenwart von Salzen einwertiger Metalle, also Kochsalz, die Plasmahäute bzw. die Plasmahautkolloide eine zu weiche Beschaffenheit erhalten, und dass erst die kleinen, aber wirksamen Mengen von Salzen mit zweiwertigem Kation den Kolloiden den notwendigen Grad von Konsistenz verleihen. Mit dieser Vorstellung stimmen manche weitere Beobachtungen, die nachher noch erwähnt werden sollen, am besten überein.
Die Ergebnisse von Loeb sind anfangs vielen Zweifeln begegnet, und sie sind ja in der Tat absonderlich und unverhofft genug, um Zweifeln Vorschub zu leisten. Aber heute ist wohl um so weniger daran zu rütteln, als noch mehrere analoge Fälle aufgefunden worden sind. Lillie beobachtete, dass auch für die schlagenden Wimpern von Zellen gewisser Würmer und Muscheln die reinen Lösungen der Salze einwertiger Metalle relativ schädlich sind, und dass der Zusatz kleiner Mengen von Salzen der mehrwertigen Metalle auch hier günstig auf den Wimperschlag wirkt; Loeb selbst gab vor zwei Jahren an, dass der Zerfall befruchteter Seeigeleier, welcher in schwach alkalischer Kochsalzlösung ziemlich rasch eintritt, durch Zusätze von Calcium-, Strontium-, Baryum-, Zink-, Nickel- oder Bleisalzen hintangehalten werden kann.
Man wird nun fragen, woher in den 8 Jahren seit Loeb’s frappierender Entdeckung nur so wenige Parallelen zu dieser theoretisch wie biologisch doch sicherlich sehr interessanten Versuchsreihe gezogen worden sind. Denn der Deutung nach, welche die Versuche gefunden haben, sollte man doch erwarten, dass fast bei beliebigen Objekten der Nachweis gegenseitiger Vertretbarkeit der mehrwertigen Kationen geführt werden könnte. Das ist nun aber gerade durchaus nicht der Fall, in den meisten Fällen können die normalen zweiwertigen Kationen Calcium und Magnesium keineswegs durch beliebige andere zweiwertige ersetzt worden. Am ersten scheint es noch zu gelingen, Strontium und Baryum an Stelle von Calcium und Magnesium einzuführen; diese vier gehören ja auch chemisch zusammen, sie bilden die Gruppe der Erdalkalien. Oft gelingt auch dieser Ersatz nicht. Aber für einige Pflanzen hahen Molisch und Osterhout es doch gezeigt, dass, wenn ihr Wachstum in reinen Lösungen eines Kali- oder Natronsalzes ganz oder fast ganz ausbleibt, durch Baryum- oder Strontium- Zusatz eine Wachstumsförderung erzielt werden kann; ferner habe ich gefunden, dass gewisse elektrische Vorgänge an Muskeln, welche bei der Vergiftung mit Kalisalzen entstehen, durch Strontium- und Baryumsalze unterdrückt werden können, während diese selben Salze, namentlich die Baryumsalze, beim Binfluss auf die Erregbarkeit von Muskeln mit den Kalisalzen gleichsinnig, nämlich schädlich wirken. In sehr vielen anderen Fällen sind aber schliesslich die einzigen zweiwertigen, die brauchbar sind, um die Eigenschaften von Lösungen einwertiger als Funktionsmedien aufzubessern, Calcium und Magnesium. Das ist besonders von Herbst, Loeb und Wolfgang Ostwald für einige wirbellose Tiere des Meer- und Süsswassers gezeigt worden, für Pflanzen scheinen nach den Untersuchungen von Osterhout und Benecke die Bedingungen ähnlich zu sein, und für die Organe höherer Tiere ist schon lange, besonders durch die Untersuchungen von Ringer und Locke, die Bedeutung von Calcium und Magnesium bekannt. Bei einem Teil dieser Experimente ist die Hauptaufmerksamkeit dem Calcium zugewandt worden, welches die ausgesprocheneren und auch eindentigeren Wirkungen ausübt, während die schwierigere Analyse der Magnesiumwirkungen noch weiterer Vertiefung bedarf; wahrscheinlich hängt das Verhalten des Magnesium mit seiner Zwitterstellung zwischen den Alkalien einerseits, den Erdalkalien andererseits zusammen.
Wie soll man sich nun erklären, dass in manchen Fällen fast unterschiedslos zur Paralysierung der Wirkung von Salzen mit einwertigem Kation irgend welches zweiwertige Kation Verwendung finden kann, in anderen Fällen die Auswahl nur unter einer kleinen Zahl freisteht, und in weiteren zahlreichen Fällen eigentlich nur noch zwei, Calcium und Magnesium, in Betracht kommen? Stehen jene ersten Fälle, die doch in den Eigenschaften der Kolloide eine plausible Erklärung zu finden schienen, vielleicht nur in losem Zusammenhang mit den letzten Fällen? Manche Forscher, unter ihnen Loeb (Dynamik der Lebenserscheinungen), neigen dieser Ansicht zu, indem sie zwischen Schutzwirkung und ernährender Wirkung der Salze unterscheiden. Ein Teil der Salze, die Nährsalze, soll sich durch chemische Bindungen am Stoffwechsel beteiligen, ein anderer Teil durch Kolloidreaktion mehr Stützfunktion haben. Es erscheint mir indessen fraglich, ob diese Auffassung nicht den bisherigen Erkenntnissen Zwang antut, und ob nicht eine einheitliche Auffassung der Salzwirkungen auch heute noch die gegebene ist. Halten wir uns vor allem an das, was wir vom Calcium wissen! Daraus können wir erstens einmal den Schluss ziehen, dass es auf die organischen Kolloide wirkt: wenn irgend welche Salzeinflüsse als unmittelbare Wirkungen auf die Kolloide gedeutet werden dürfen, so sind es doch gewisse die früher genauer erörterten Wirkungen der Alkalisalze auf die Blutkörperchen, die Muskeln und Nerven, und für all diese Wirkungen ist festgestellt worden, dass das Calcium sie antagonistisch beeinflusst; wenn z. B. die Alkalisalze, teils mehr, teils weniger, hämolytisch wirken, indem sie die Plasmahaut auflockern, so wirkt, wie Nolf zeigte, das Calcium, dank der in seiner Zweiwertigkeit begründeten höheren Kolloidfällungskraft, antihämolytisch, wenn Kalium- oder Rubidiumsalze Muskeln rasch lähmen, indem sie deren Plasmahautkolloide quellen machen, so kann Calcium der Lähmung entgegenarbeiten. Es liessen sich noch mehr derartige Thatsachen anführen. Auf jeden Fall sind wir nach allem berechtigt, die Calciumwirkung uns als Kolloidwirkung vorzustellen, mit mindestens so viel Recht, wie wir in der Loeb’schen Versuchsreihe über die Gleichwertigkeit der zweiwertigen Kationen ein Argument für das Bestehen von Kolloidbeeinflussungen erblicken. Wenn wir gerade dann aber fragen, warum Calcium denn nicht durch beliebige andere zweiwertige Kationen vertreten werden kann, so ist auch das meiner Ansicht nach begreiflich. Zwar sind all diese gute Kolloidfällungsmittel, aber sie sind deshalb noch nicht in ihrer Wirtung genz gleich. Erstens haben die Erdalkalisalze unter den Salzen der zweiwertigen das kleinste Fällungsvermögen und die schwächsten sind dabei Calcium und Magnesium. Zweitens erzeugen die Salze mit zweiwertigem Kation im Gegensatz zu den einwertigen irreversible kolloidale Zustandsänderuugen, wobei jedoch die Erdalkalisalze und unter diesen voran wieder Calcium und Magnesium durch das geringe Mass ihres Einflusses Vermittler zwischen den beiden Gruppen abgeben. Der Charakter der Zweiwertigkeit tritt also bei den physiologisch begünstigten Erdalkalien nur wenig ausgeprägt zu Tage. Aber gerade das befähigt sie vielleicht zu besonders vielseitiger Verwendung. Ich kann mir wohl vorstellen, dass, wo es sich nur um die Gewährleistung gewisser statischer Bedingungen im Organismus handelt, alle zweiwertigen einigermassen gleich gut zur Consolidierung der Kolloide verwendet werden können; sobald aber eine Kolloiddynamik mit in Frage kommt, wie meiner Ansicht nach bei sämtlichen Erregungsvorgängen, da bedarf es beweglicher und vor allem reversibel funktionierender Gerüste, deren Consistenz nicht grösser und nicht dauerhafter sein darf, als es gerade mit einigen der Erdalkalisalze erzielt werden kann. Es soll gewiss zugegeben werden, dass in diesen zuletzt gegebenen Erklärungen noch viel Hypothese darinsteckt, aber die Basis dafür ist insofern eine solide, als das Meiste der experimentellen Prüfung zugänglich ist, und eine gewisse Berechtigung zu solchen Hypothesen darf weiter vielleicht auch daraus hergeleitet werden, dass der Gedanke der physiologischen Bedeutung kolloidaler Zustandsänderungen bereits viel gefördert, ja eigentlich erst den Grund zu einer Theorie der physiologischen Salzwirkungen gelegt hat.
Bis hierher konnten wir uns für berechtigt halten, die Salzwirkungen als Einflüsse auf die Plasmahaut-Kolloide aufzufassen. Es bleibt mir nun übrig, mit wenigen Worten auf einige Fälle noch besonders hinzuweisen, in denen es sich bei der Salzwirkung wohl vorwiegend um die Wirkimg auf kolloidale Zwischensubstanzen handelt, wiewohl solche vielleicht auch schon bei einigen der bisher erörterten Vorgänge mit im Spiel waren. Herbst fand, dass die Furchungszellen von Echinodermen sich von einander lösen, wenn man sie in einem von Kalk befreiten Meerwasser sich entwickeln lässt; und ein botanisches Analogon hierzu bietet die Beobachtung von Benecke, dass die Fäden von Spirogyren bei Calcium-Mangel in ihre einzelnen Zellen zerfallen. Man kann diese Vorgänge wohl so auflassen, dass in dem an zweiwertigen Kationen verarmten Medium es zu einer Verflüssigung des Zellenkittes kommt; ich hätte schon früher erwähnen können, dass an Cilien in reinen Alkalisalzlösungen von Lillie sogar wirkliche Verflüssigungen und Auflösungen beobachtet worden sind. Natürlich ist es noch nicht auszuschliessen, dass diese Vorgänge komplizierteren Folgen des Kalkmangels entspringen, als nun gerade blos dem Nachlassen der normalen Kolloidkonzistenz. Schliesslich ist es vielleicht dann auch noch berechtigt, mit Overton hier die von Locke gefundene interessante Erscheinung anzugliedern, dass in einer kalkfreien Kochsalzlösung bald die indirekte Erregbarkeit eines Muskels vom Nerven aus erlischt, und dies so zu deuten, dass bei Abwesenheit von Kalk ein normaler und notwendiger Kontakt zwischen Muskel und Nerv gelöst wird.
Ich glaube hiermit das Wesentliche von dem gesagt zu haben, was gegenwärtig von der physiologischen Bedeutung der Kolloide gesagt werden kann; ich denke, dass sich dem Leser die Ueberzeugung aufgedrängt haben wird, dass hier in der angewandten Physikochemie des Kolloidalen ein Schlüssel gefunden ist, der einen neuen und auch breiten Eingang ins Gebiet des Biologischen öffnet.
- Kiel, Universität.