von Iris Rapoport

Mühelos abnehmen?

Wie viele wohl träumen davon? Nein, nicht von einer weiteren ultimativen Diät sei hier die Rede, sondern von der Idee, unsere Fettzellen anzuregen, übermäßig Zugeführtes selbst zu „verbrennen“.

Doch unser weißes Fettgewebe, eben jenes, von dem bei so manchem großer Überschuss herrscht, ist dazu nicht in der Lage. Denn es soll Reserven für Ausdauerleistung oder Hungerzeiten speichern und nicht etwa selbst verbrauchen. Deshalb  fehlen ihm auch die “Kraftwerke der Zelle”, die Mitochondrien, fast völlig. Wenn etwa Muskeln Energie benötigen, werden in den Fettdepots Fettsäuren mobilisiert und über den Blutstrom angeliefert. In den Mitochondrien der Muskelzellen erfolgt der Abbau zu CO2, das ausgeatmet wird, und außerdem zu Wasser. Dabei verpufft kaum Energie als Wärme, denn der Abbau ist streng mit der chemischen Speicherung der freiwerdenden Energie als ATP (Adenosintriphosphat) gekoppelt. Jedes Abnehmen erfordert, diese Energie zu verbrauchen – es kostet Mühe!

In der Säuglingszeit verfügen wir zusätzlich noch über ein anderes, ein braunes Fettgewebe. Das besitzt viele eigene Mitochondrien, deren eisenhaltige Proteine ihm auch die Farbe verleihen. In diesen Mitochondrien geschieht etwas, was in Kraftwerken sonst möglichst verhindert wird. Anstatt die Energie zu speichern, wird diese durch ein Entkopplungs-Protein (UCP1) als Wärme freigesetzt. Das sieht nach Vergeudung aus. Ist es aber ganz und gar nicht, weil es uns nach der Geburt vor vielleicht tödlicher Unterkühlung rettet.

Beim Erwachsenen greift anderer Temperaturschutz. So finden sich bei ihm nur noch wenige Reste des braunen Fettgewebes und die sind oft nicht einmal aktiv. Genau da wünscht man pharmazeutisch einzugreifen. Zellen des Fettgewebes übergewichtiger Erwachsener sollen in beigefarbene umgewandelt werden, die den braunen sehr ähnlich sind. Entkoppelt vom aktiven Energiebedarf und Verbrauch, würden in ihnen Fettsäuren stetig verbrannt. Mittels einer Verbindung, getestet an Mäusen, ist eine solche Umwandlung bereits gelungen, und gleichzeitig auch, das Gewicht der Tiere zu verringern (DOI 10.1038/ncomms8235 ) .

Das klingt sehr verlockend: Klappt es auch beim Menschen, könnten Fettpolster zukünftig vielleicht einfach als CO2 ausgeatmet und weggeschwitzt werden! Doch dazu, freudig das baldige Ende aller überschüssigen Pfunde zu feiern, ist es gewiss zu früh! Es gilt zunächst, die Ergebnisse für den Menschen zu bestätigen, und vor allem zu zeigen, dass die Nebeneffekte solchen Verfahrens sich in medizinisch vertretbaren Grenzen halten. Denn der Versuch, die gestörte Gewichtsregulation durch Eingriff in das Temperaturregulationssystem zu korrigieren, kann durchaus unkalkulierbare Gefahren bergen.

Es ist zu hoffen, dass die Entwicklung auf diesem Gebiet denen, die krankhaft an Übergewicht leiden, helfen wird. Doch an sinnvoller Ernährung und Bewegung führt zukünftig sicher auch kein künstlich vermehrtes braun-beiges Fettgewebe vorbei.

 

 

von Iris Rapoport

Einfach zu warm angezogen

Als Schwangere erspäht man gleichfalls Schwangere mit geschärftem Blick. Ein paar Jahrzehnte später ähnliches, bewirkt durch die Enkel. Plötzlich sieht man überall nette kleine Babys – und das ist in Berlin nicht anders als in Boston.

Doch eine Frage lässt mich nicht los: Sollten bostonische Eltern bessere biochemische Instinkte haben, als jene in Berlin? Es ist auffällig – bostonischer Nachwuchs ist den Temperaturen meist angemessen bekleidet. In Berlin dagegen dauern mich häufig die vermummten Babys, denen, bei durchaus vergleichbaren Bedingungen, trotz  Hitze selbst im Wohnraum das Wollmützchen nicht abgenommen wird. Gut gemeint, sicherlich, leider aus gesundheitlicher Sicht nicht unbedenklich.

Die Evolution hat Neugeborene bestens gegen Unterkühlung gewappnet. Ohne Fell und oft in Kälte hätte unsere Spezies sonst wohl kaum eine Überlebenschance gehabt. Säuglinge besitzen in den ersten Lebensmonaten neben dem gewöhnlichen weißen Fett zusätzlich braunes Fettgewebe. Dessen Hauptaufgabe ist es, Energie als Wärme freizusetzen. Dadurch wird die Körpertemperatur aufrechterhalten.

Im Unterschied dazu ist der Schutz gegen Überhitzung unglaublich schlecht! Generell geben wir überschüssige Wärme durch Schwitzen ab. Das funktioniert gut, weil Verdunstung von Wassermolekülen über die Haut viel Energie verbraucht und so kann  überschüssige Wärme abgeführt werden. Das gilt in jeder Lebensphase. Aber es gibt gewichtige altersabhängige Unterschiede! Der Säugling besitzt, da er so klein ist, viel weniger  Wasser und damit weniger Reserven.  Außerdem hat er, bezogen auf seinem Körper, eine größere, durch die Haut gebildete Oberfläche als ein Erwachsener. Das bedeutet erhöhten Wasserverlust.

Und das ist noch nicht alles. Schon das Kleinkind vermag etwas, was dem Säugling noch nicht gegeben ist: Um dem gefährlichen  Wasserverlust entgegenzuwirken, wird beim Schwitzen die Flüssigkeitsausscheidung über die Niere verringert. Das Harnvolumen wird reduziert, es wird ein konzentrierter Harn ausgeschieden. Und genau das kann der Säugling noch nicht. Es fehlt ihm das antidiuretische Hormon, (ADH auch Vasopressin genannt), das die Harnkonzentrierung ermöglicht. Dieses Hormon wird erst etwa vom ersten Lebensjahr an entsprechend dem Bedarf produziert. Aus all diesen Gründen kann der Wasserverlust beim Säugling schnell beträchtlich werden.

Unbehaglichkeit signalisierendes Schreien ist noch die mildeste Folge – wenn man davon absieht, dass das den Wasserverlust weiter erhöht. Fieber, Eindickung des Blutes,  Krämpfe drohen, im Extremfall sogar lebensbedrohliche Austrocknung. Und das alles aus missverstandener Fürsorglichkeit!

 

Was kann man tun? Nun, ganz einfach – indem man  den Säugling so kleidet, wie man es für sich selbst für angenehm hält, liegt man gewiss richtig. Und wenn man dann bei heißem Wetter  ausreichend zu trinken gibt, kann gar nichts passieren.

von Reinhard Renneberg

Lesen im Kaffeesatz

Im Sommer flüchtet sich der Biolumnist vor 40 Grad und fast 100% Luftfeuchte in Hongkong nach Germanien mit seinen kühlen und trockenen Biergärten. Als kaffeesüchtiger Gartenfreund hat er sich auch in Fernost mit vielen Pflanzen umgeben. Seine Studenten pflegen sie im Moment. Die Pflanzen bekommen täglich Kaffeesatz ins Gießwasser. Auch in Deutschland experimentiert RR mit dem anfallenden Kaffeesatz seiner Espresso-Maschine ganz nach dem Motto: Science is fun!

Viele Nährstoffe werden beim Aufbrühen des Kaffees nicht vollständig herausgelöst: Kalium, Phosphor und Stickstoff. Ein Mangel an Kalium macht sich durch eine meist gelbliche Verfärbung der Blätter bemerkbar. Kaffeesatz als Dünger hilft hier. Manche Pflanzen lieben Saures. Der leicht saure pH-Wert von 4,9 bis 5,2 von Kaffee wird auch von uns als angenehm empfunden. Cola mit pH 3 ist übrigens 10 000 mal saurer als Wasser. Schönen Gruß an die Zähne! Um den Kaffeesatz als Dünger verwenden zu können, sollten man ihn trocknen. Feuchter Kaffeesatz beginnt nämlich rasch zu schimmeln. Rhododrendren, Hortensien, Rosen und Engelstrompeten schätzen laut Internet den reichhaltigen Kaffeesatz. Bei anderen Pflanzen muss man es ausprobieren. Auch bei ausgelaugter Erde von Topfpflanzen hilft der Kaffeesatz. Unser Kaffee-Bäumchen zum Beispiel frohlockt beim täglichen Kaffeesatz-Beguss.

Coffein entstand natürlich nicht für uns Menschen evolutionär, sondern um fressende Insekten fernzuhalten. Pflanzen, die mit Kaffeesatz gedüngt werden, werden weniger häufig von Insekten befallen. Auch andere Plagegeister sind betroffen: Man streue einen Ring von Kaffeesatz um zu schützende Pflanzen, um gierige Schnecken davon fernzuzuhalten. Regenwürmer lieben dagegen Kaffeesatz und lockern die Erde auf. Ihr Kot hinterlässt wiederum wertvolle Nährstoffe.

Was nun genau ist drin im Kaffeesatz? Carmen Monente und ihr Team von der Universität Navarra im spanischen Pamplona hat gerade den Kaffeesatz im Journal of Agricultural Food Chemistry (DOI: 10.1021/acs.jafc.5b01619) genauer analysiert. Mehrere tausend Substanzen sind drin! Es sind hauptsächlich antioxidative Phenolsäuren. Das Team schlägt vor, diese Komponenten zu isolieren und für medizinische Zwecke zu verwenden. Riesige Mengen an Kaffeesatz stünden weltweit bereit.

Fazit meines Studiums: Nach 35 Seiten Lektüre chemischer Formeln bin ich leider trotz zweier Tassen Espresso fest eingeschlafen, voller Hochachtung für die Evolution des Kaffees und seiner Chemie.

 

von Iris Rapoport

Sonne, Wind und Sauerstoff

An Tagen, an denen der Himmel blau ist und die Sonne angenehm wärmt, an solchen, an denen der laue Wind tief durchatmen lässt, da scheint unsere Umwelt wie für uns gemacht. Wirklich? Sie ist es mitnichten! All das, was wir in der Natur genießen, bedroht  uns zugleich.

Der  lebensnotwendige Sauerstoff, den wir einatmen, ist ein äußerst gefährliches Gas!  Verheerend waren die Auswirkungen, als er sich vor Urzeiten in der Atmosphäre anreicherte! Mehr als 99% des bis dahin existierenden Lebens, so schätzt man, wurde dadurch vernichtet. Unter den wenigen Organismen, die widerstanden, waren  einige zufällig genetisch so ausgestattet, dass es ihnen nicht nur gelang, seine Aggressivität biochemisch bändigen, sondern sie konnten die dabei frei werdende Energie sogar nutzen. Aus solchen frühen Lebensformen wurden vermutlich auch unsere Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle, rekrutiert. Das Mehr an Energie ermöglichte in einem enormen Entwicklungsschub auch die Entstehung mehrzelliger Lebewesen. Doch die zerstörerische Kraft des Sauerstoffs ist seitdem nicht geringer geworden.  So wie er Stahl rosten lässt, so oxidiert er auch das Eisen des roten Blutfarbstoffes, des Hämoglobins. Dabei entsteht Methämoglobin, das keinen Sauerstoff mehr von der Lunge zu den Organen transportieren kann. So entstand der  evolutionäre Zwang, Mechanismen zu entwickeln, die dieser Oxidation entgegenwirken. Selbst eine These des Alterns beruht auf den im Körper ablaufenden Oxidationsprozessen. Auch dagegen sind verschiedenste Schutzmechanismen, etwa auf der Basis von Vitamin C oder E oder anderen Antioxidantien entstanden.

Und der lau fächelnde Wind? Sicher, er kühlt uns im Sommer. Aber hätten wir nicht dieses kompliziert aufgebaute und größte all unserer Organe, das uns umfassend schützt – die Haut – dann würde selbst das laueste Lüftchen uns austrocknen und zum Sterben verdammen.

Bei der uns wärmenden Sonne wird es ganz katastrophal. Sicher, alle Energie, die wir nutzen, auch die unserer Nahrung, stammt letztlich aus ihrer Kraft. Und dennoch bedroht sie uns gleichzeitig in vielfältiger Weise. Allein ihr Gleißen ließe uns erblinden, schlössen wir nicht reflexhaft die Augen. Und selbst ihre angenehmen, für uns unverzichtbaren Strahlen, die keinen Sonnenbrand erzeugen, haben die Kraft, die Erbsubstanz unserer Haut zu schädigen. Natürlich haben sich auch dagegen Schutzmechanismen entwickelt. So legt sich der Farbstoff, der sich beim Bräunen bildet, als Schutzkappe über den Zellkern. Und da trotzdem DNA-Moleküle geschädigt werden, entstanden Enzyme, die präzise die Schäden sofort reparieren. Versagen sie, kann das Gewebe zum Tumor entarten.

So hat alles in unserer Welt seine zwei Gesichter. Die sind zunächst weder gut noch schlecht – das  werden sie erst, wenn wir uns dazu in Bezug setzen. Ja, wir können leben in dieser Welt. Aber nicht, weil die Bedingungen etwa günstig für uns gemacht wären, sondern, weil wir evolutionär den uns möglichen Platz in ihr besetzt haben.

von Iris Rapoport

Tücken der Fettsenker

Wir hätten immer gern Gewissheiten, wohl wissend, dass es die selten gibt. Gewiss ist, dass der menschliche Organismus Cholesterin benötigt. Sicher ist auch, dass ein Zuviel davon schadet. Es begünstigt Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Und die, und das ist ebenfalls sicher, sind derzeit Haupttodesursache in den Industrienationen.

Das Cholesterin unseres Körpers stammt nur teilweise direkt aus der Nahrung, den größten Teil produzieren wir selbst. Obwohl fast jedes Organ das kann, ist der Hauptbildungsort die Leber. Als Bestandteil verschiedenster Lipoproteine zirkuliert Cholesterin im Blut. Als LDL (Low Density Lipoprotein) wird es von den Zellen bei Bedarf aufgenommen, auch die Leber besitzt Rezeptoren dazu. So wird es im Blut durch Zu- und Abfluss geregelt. LDL-Cholesterin ist es auch, das uns am meisten arteriosklerotisch gefährdet.

Gewiss kann man den Cholesterin-Spiegel durch Ernährung und körperliche Aktivität beeinflussen. Obwohl dem Grenzen gesetzt sind, sollte man die eigenen Möglichkeiten dazu stets ausloten. Doch beim Älterwerden oder wenn bereits eine Erkrankung vorliegt, reicht das oft nicht aus. Mittel der Wahl sind dann meist Statine. Ihre Hauptwirkung ist wahrscheinlich die Hemmung eines der Enzyme der Cholesterinsynthese.

Statine wirken  häufig sehr effizient. Langzeitstudien zeigen, dass das tatsächlich die Herz-Kreislauf-Mortalität senkt. Doch auch der Statinwirkung sind Grenzen gesetzt. Die scheinen durch die LDL-Aufnahme in die Leber bedingt. In den Focus geraten ist dabei ein Protein, das PCSK9 genannt wird. Von der Leber gebildet und ans Blut abgegeben, bindet es gemeinsam mit LDL an dessen Rezeptor. Geschieht das, wird der Rezeptor nicht weiter genutzt, sondern zerstört. So verbleibt mehr LDL im Blut. Und so scheinen die Statine auch ihre Wirkung selbst zu begrenzen, da sie nebenher die Bildung von PCSK9 steigern. Kein Wunder, dass dieser Befund das Interesse großer Pharmakonzerne geweckt hat. Da winkt ein Milliardengeschäft! Es wurden Antikörper erzeugt, die PCSK9 reduzieren. Die ersten Ergebnisse  ihrer Anwendung liegen jetzt vor. (DOI: 10.a1056/NEJMe1502192)

Sicher ist bereits, dass bei gleichzeitiger Wirkung von Statinen und PCSK9- Antikörpern der Cholesterinspiegel auf bisher unerreicht niedriges Niveau gesenkt werden kann. Doch ungewiss ist, ob damit die Haupttodesursache drosselbar ist oder ob, ähnlich wie bei medikamentöser Hemmung der Nahrungs-Cholesterinaufnahme im Darm, nur ein geringer zusätzlicher Nutzen erzielt werden kann. Ungewiss auch, wie niedrige Spiegel wirklich wünschenswert sind. Ob mit zu wenig Cholesterin eventuell andere Erkrankungen begünstigt oder gar erzeugt werden. Denn soviel ist sicher, ganz ohne Nebenwirkungen ist ein wirksames Medikament nicht zu haben! Nutzen und mögliche Risiken müssen in akzeptablem Verhältnis stehen! Langzeitstudien dazu wurden bereits begonnen. Man darf gespannt sein, welche Gewissheiten sie bringen werden.

 

von Reinhard Renneberg

Gutes Riesenvirus


Viren – der blanke Horror? Nein! Gerade hat der Biolumnist einen tollen Virus-Vortrag erlebt. Das marine Virus trägt den harmlosen Namen CroV:  Cafeteria roenbergensis Virus. (Klingt ein wenig, als hätte ich ihn entdeckt, aber das wäre  dann der Cafeteria rennebergensis Virus.) Sein Genom ist sehr viel größer als das vieler zellulärer Organismen. “Viren werden allgemein als kleine, ziemlich gemeine und einfache Wesen betrachtet, mit nur wenigen Genen,“ sagt  Prof. Curtis Suttle am Dienstag, den 28. April 2015, in meiner Uni. „Dabei regeln sie sogar das Weltklima!“

Der Titel seines Vortrags: „Sind Viren die wahren Beschützer unseres Planeten?“ Das Audimax meiner Hongkonger Uni platzt aus allen Nähten, wie eine Zelle voller Viren. Viren sind  pure DNA- (oder RNA-) Information mit einer Eiweiß-Hülle herum und „tot“. Scheintot, bevor sie nämlich eine lebende Zelle attackieren. Dann „hijacken“ sie deren Kommandozentrale und die Zelle produziert bis zum Bersten komplette Viren. Es ist fast so wie bei technischen Computer-Viren. Antibiotika sind deshalb machtlos gegen Viren, weil Viren keinen Stoffwechsel wie Bakterien haben.

Suttle jagt Viren auf den Weltmeeren schon seit 25 Jahren. Cafeteria ist nun ein Geißeltierchen, ein Flagellat. Das sind einzellige Lebewesen. Sie besitzen typische Geißeln, mit denen sie sich fortbewegen können. Sie gehören zum Zooplankton und ernähren sich von Phytoplankton, also vegetarisch. Das Phytoplankton produziert mit Sonnenlicht in der Fotosynthese Sauerstoff. Cafeteria veratmet Nährstoffe und Sauerstoff zu Kohlendioxid. „Die genetische Maschinerie des Einzellers Cafeteria würde man nur in höheren zellulären Organismen vermuten. „Cafeteria hat fast alles, fast wie eine menschliche Cafeteria: Zucker, Eiweiße, DNA, mRNA“, scherzt vom Podium der sehr engagierte Biologe von der Universität British Columbia in Vancouver. Curtis fand, dass CroV Geißeltierchen befällt. Das Virus-Genom umfasst etwa 730 000 Basenpaare. CroV ist das größte bekannte Virus im Meer. Es wird noch verrückter. Das Cro-Virus wird  nun seinerseits von einem kleineren Ma-Virus mit 19 063 DNA-Basen befallen.

Der evolutionäre “Sinn“? CroV infiziert Cafeteria, lässt es platzen und setzt so dessen Nährstoffe frei. Dann überlebt mehr Phytoplankton und hat auch Nährstoffe zum Leben. Es bildet aus Kohlendioxid und Wasser Sauerstoff. Wenn das Gemetzel aber überhand nimmt, wird CroV durch das parasitierende Ma-Virus gebremst. Das Ma-Virus steuert also letztlich den Sauerstoff- oder den Kohlendioxid-Ausstoß der Weltmeere und damit auch unser Klima. Unglaublich! Die Weltozeane enthalten 10 hoch 30 Viren. Das sind 10 Millionen mal mehr Viren als Sterne im Universum! Wir großen Menschen sind erst ganz am Anfang, das Virom zu verstehen.

von Reinhard Renneberg

Wer Sorgen hat…

Sie sind jung, männlich und wurden nicht nur einmal, sondern gleich Dutzende Male von offenbar sehr attraktiven Weibchen abgelehnt. Dann machen sie flugs, was frustrierte Männer so tun: Alkohol als Balsam auf die wunde Seele gießen. Die Rede ist von männlichen Fruchtfliegen in Glas-Containern, nicht in der Disco!

Der Neurogenetiker Dr. Galit Shohat-Ophir vom Howard Hughes Institute auf dem Janelia Farm Research  Campus, im US-amerikanischen Ashburn  experimentierte nach einem Bericht der Science mit 24 männlichen Drosophila melanogaster. Die Hälfte wurde in drei Vierergruppen mit 20 (!) Weibchen pro Gruppe verbracht. Zustände wie im orientalischen Harem. Alle Fliegen-Frauen waren bereit zur Paarung also hatte jeder Bursche mehrere Geliebte. Die andere Hälfte wurde allein mit einer einzigen Dame etabliert, also streng monogam. Das Komplizierte daran war, dass die Einzige, Miss Drosophila,  bereits befruchtet war und sie sich dem neuen Galan standhaft sexuell verweigerte. Nach vier Tagen wurde das Experiment beendet und die Kerle kamen in neue Container mit Kapillaren, gefüllt mit Futtersaft mit und auch ohne Ethanol. Jede Fliege konnte nun frei entscheiden. Die Forscher maßen den exakten Futter- und Alkohol-Verbrauch.

Erwartet wurde ganz klar von den Forschern, dass alle nach dem Ausflug dem Alkohol zusprechen würden, aber weit gefehlt: Die erfolgreichen Jungs hatten sogar eine gewisse Aversion gegen das berauschende Futter! Dr. Shohat-Ophir schreibt: ”Aber die zuvor abgelehnten Männchen tranken im Durchschnitt immerhin VIERMAL MEHR als die Glückspilze!“ Shohat-Ophir vermutet, dass Neuropeptide F (NPF) im Gehirn der Fliegen eine Rolle spielen. Abgelehnte Fliegenmänner hatten nämlich nur die halbe NPF-Konzentration im Gehirn. Wenn umgekehrt die Rezeptoren für NPF experimentell im Hirn vermindert wurden, tranken auch die sexuell Erfolgreichen mehr Alkohol. Wenn die NPF-Sensitivität aber erhöht wurde, waren die enttäuschten Männer auch nicht mehr alkoholsüchtig.

Shohat-Ophir sagt, dass „soziale“ Erfahrungen übersetzt werden in Moleküle über das NPF-Niveau im Körper. Umgekehrt steuert NPF aber auch das soziale Verhalten: Trinken oder Abstinenz, so dass das Belohnungssystem des Körpers zum Normalwert zurückfindet. In Säugetieren gibt es ein ähnliches Protein, das Neuropeptid Y (NPY). Studien haben gezeigt, dass Menschen mit Depressionen und posttraumatischem Stress-Syndrom niedrigere Konzentrationen von NPY im Blut haben. Bei Ratten korreliert das mit erhöhtem Alkohol- und Drogenkonsum. Ob NPY mit sozialen menschlichen Erfahrungen zusammenspielt, bleibt zu untersuchen.

WIE funktioniert das Zusammenspiel nun mit der menschlichen Seele auf Molekül-Ebene? Wir sind gottseidank keine Fliegen, aber doch verwandt. Ganz einfach, was schwer zu machen ist: Rundum glücklich sein! Und Alkohol? Der weise Kenner des Menschen Wilhelm Busch meinte: „Es ist ein Brauch von alters her: Wer Sorgen hat, hat auch Likör“.

von Reinhard Renneberg

Der Sensor, der aus dem Osten kam

Wie kann man nun den BSB5-Wert blitzschnell in effektiven 5 MINUTEN statt in 5 TAGEN messen? Das fragte sich der Mikrobiologe Dr. Klaus Riedel in Ost-Berlin schon 1978. Wenn man den „veratmeten“ Sauerstoff der Mikroben nach 5 Tagen messen kann, muss das auch nach nur 5 Minuten gehen! Man muss nur sehr empfindlich messen können. Klaus Riedel nahm den von Dr. Leland Clark jr. in den USA erfundenen Sauerstoff-Mess-Sensor und fixierte Abwassermikroben auf deren Oberfläche. Er schloss sie in polymere Gele ein und sie lebten erstaunlicherweise weiter. Der O2-Sensor maß nun direkt die Atmung der Winzlinge. Tauchte man diesen Mikroben-Biosensor in sauberes (also nährstofffreies) Wasser ein, geschah einfach nichts. Die Mikroben hatten nichts zu futtern, brauchten also auch keinen Sauerstoff zum Atmen. Das zeigte der Sauerstoff-Sensor sofort zuverlässig an.

Anders dagegen, wenn das Wasser verwertbare Nährstoffe enthielt. Dann wurden die Mikroben munter, verputzten das im Wasser gelöste „Futter“. Der dazu verbrauchte Sauerstoff wurde angezeigt: je mehr Futter, desto größer der Sauerstoffverbrauch! Genial, denn die verstärkte Atmung sah man schon nach 5 Minuten. Ein Problem waren jedoch die verwendeten Mikroben. Hunderte verschiedene Arten tummeln sich im Belebtschlamm. Mit solch unberechenbaren Verhältnissen kann man keinen industriellen Standard-Biosensor produzieren. Man brauchte EINE Mikrobe, einen stabilen Allesfresser.

Als Biochemie-Student in Moskau fuhr Biokolumnist RR jährlich von 1970-75 zur Erntehilfe auf  Kolchosen, wo es stets an Eiweißfutter für hungrige Nutztiere mangelte. Die erfinderischen Russen kamen darauf, ihre riesigen Natur-Ressourcen in Futter-Eiweiß zu wandeln, z. B. das Holz der scheinbar endlosen Taiga mit Säure aufzuschließen. Die Celluloseketten wurden in Zuckerbausteine gespaltet. Die Säure wurde danach mit Lauge neutralisiert. Diese billigen „Taiga-Zucker“ könnte man an Hefen verfüttern und hätte so hochwertiges Hefe-Eiweiß im Überfluss. Die Sowjet-Mikrobenjäger zogen begeistert los und fanden Dutzende Hefe-Stämme. Alle versagten aber, denn wenn man starke Säure mit starker Lauge neutralisiert, bildet sich Salz. Die nahrhafte Zuckerbrühe war also gleichzeitig eine starke Salz-Lake! Die ersehnte Wunder-Hefe musste Salz-Sirup vertragen, also halophil sein. So wurde die Hefe Arxula entdeckt, die prächtig auf Salz-Sirup gedieh. Riedel und sein Team vernetzten und stabilisierten Arxula mit Polymeren und konnten die Winzlinge so immer wieder benutzen. Mit einem Berliner Biosensor-Gerät konnte einen Monat lang exakt der BSB von Wasserproben in nur 5 Minuten bestimmt werden. Heureka!

20 Jahre nach der Wende ruft Wasser-Guru Prof. Reinhard Niessner von der TUM in Bayern bei RR in Hongkong an: „Wir brauchen 2,5 Millionen BSB-Biosensoren allein für deutsche Klein-Kläranlagen! Gibt es Euren Biosensor noch? Ihr wart der Zeit einfach mal 30 Jahre voraus!“

 

 

 

von Reinhard Renneberg

Die Luft wird knapp, Teil 1

Na, schon die neue Abwasserrechnung bezahlt? Bereits 1898 erfanden die Briten, wie man die Qualität von Abwasser messen kann. Wie hoch ist die Belastung an biologisch abbaubaren Substanzen im Wasser? Zucker, Eiweiße, Stärke, Zellulose und Fette – alle können durch sauerstoffliebende (aerobe) Mikroben zu Energie, Wasser und CO2 veratmet und somit zu sauberem Wasser abgebaut werden. Geschirrspüler, Waschmaschinen und WC belasten unser munizipales Abwasser. Die Landwirtschaft reinigt ihre Ställe mit scharfem Wasserstrahl. In Tausenden deutschen Kläranlagen bauen aerobe Mikroben biologische Stoffe ab. Sie brauchen zur Atmung, wie wir auch, den Sauerstoff aus der Luft, der sich im Wasser löst.

Nun weiß jeder Aquarien-Liebhaber, dass Sauerstoff nur sehr begrenzt in Wasser löslich ist. Deshalb blubbern die Aquarianer pausenlos feine Luftbläschen in den Fischtank. Kaltes Wasser löst viel mehr Sauerstoff als warmes. Polarmeere haben deshalb sauerstoffreichere Strömungen als warme südliche Meere. Bei 10 Grad Celsius lösen sich im Liter Wasser 6,5 mg O2, bei 30 Grad aber nur noch 4,6 mg O2. Die Luft wird dann im erwärmten Wasser sehr knapp. Fische sterben oft im Hochsommer in kleinen Teichen an O2-Mangel. Anaerobe Mikroben übernehmen dann sofort die Macht. Diese archaischen Einzeller brauchen keinen Sauerstoff, produzieren aber giftiges H2S und Ammoniak wie zu besten Urzeiten. Das tote Wasser stinkt faulig-schweflig.

Die Briten also maßen als erste den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) – und zwar in fünf Tagen (BSB5). Man nimmt eine Wasserprobe, verdünnt sie, blubbert Luft bis zur Sauerstoff-Sättigung hinein und misst danach die O2-Konzentration mit einer Elektrode. Danach beimpft man die Probe mit lebenden Abwasser-Mikroben und verschließt sie dicht. Sie wird dunkel bei 25 Grad fünf Tage lang automatisch geschüttelt.

Was passiert in diesen fünf Tagen? Sauberes Wasser ohne Nährstoffe bietet den hungrigen Mikroben in der Schüttelflasche keine Nahrung. Sie verharren im Schlafzustand und „halten förmlich die Luft an“, verbrauchen keinen Sauerstoff. Anders im hochbelasteten Abwasser: Ein Mikroben-Schlaraffenland! Die Winzlinge schlagen sich die Bäuche voll und vermehren sich wild. Sie verzehren den hineingeblubberten Sauerstoff. Je mehr Futter sie haben, desto mehr Sauerstoff schlucken sie. Nun misst man nach fünf Schüttel-Tagen den Sauerstoff-Gehalt beider Proben: Unverändert hoher Sauerstoff für sauberes Wasser. Nahe Null O2 für das belastete. Die Differenz von beiden nennt man BSB5-Wert. Ihn benötigt man für die zuverlässige Kontrolle und Steuerung von Klärwerken aber sofort und das macht die fünftägige Wartezeit zum Problem.

Das SOS kam übrigens aus deutschen U-Booten im Zweiten Weltkrieg. Inzwischen ist Deutschland darin Export-Weltmeister.

 

 

von Reinhard Renneberg

Mutig nur im Team

Mit “reifen Persönlichkeiten” beschreibt man eher selten die unappetitlichen krabbelnden Gesellen, auf die man täglich in Hongkong stößt. Persönlichkeit umfasst ein bestimmtes soziales Verhalten: hartnäckig, mutig, bezaubernd, bescheiden, aggressiv etc. Einige Wirbellose sind das zweifellos: Bienen,  Spinnen, Octopusse. Aber niemand hat bisher Küchenschaben darauf untersucht. Der Name Küchenschabe, auch Kakerlake, wird für eine Reihe von Arten der Schaben, Familie Blattidae, verwendet, die in menschlichen Behausungen leben und als Vorratsschädlinge betrachtet werden.

Dr. Isaac Planas-Sitjà, Verhaltens-Ökologe an der Freien Universität Brüssel, interessieren die Schaben, weil sie hierarchielos, also relativ unabhängig, in Gruppen leben. Zur Identifizierung klebte er 304 männlichen Schaben winzige elektronische Chips auf den Brustkorb. Langjährige Biolumnen-Leser erinnern sich an meine nummerierten Fliegen und Spatzen. 19 Gruppen mit je 16 männlichen, vier Monate alten Schaben wurden gebildet. Dreimal in der Woche wurden die Lichtscheuen in eine quälend hell erleuchtete Arena gesetzt. Zwei identische Plexiglasscheiben mit Rotlichtfiltern lieferten allerdings Kreise als Fluchtorte für die Insekten. Alle 16 Schaben passten ohne Drängelei gut in die Schutzzone. Etwa 3 Stunden lang maßen die Forscher nun wiederholt die Zeiten der Schaben im Fluchtort und wie lange es bis zum ersten Besuch dauerte. Wenn alle Insekten Übereinstimmung zum Ort gefunden hatten, wurde das als Indikator für „Gruppen-Persönlichkeit“ gewertet.

Die „Angsthasen“ rannten natürlich nach Betreten der Arena sofort panikartig in die Schutzzone. Die “Mutigen” erkundeten dagegen zuerst das Terrain. In jedem Test benahmen sich beide Extreme reproduzierbar. Einmal Angsthase, immer Angsthase! Aber am Ende jedes Experiments kauerten alle Gruppen erfolgreich zusammengedrängt im selben Schutzort. Dies ist offenbar ein kollektiver dynamischer Effekt. In der (Schaben-) Gruppe endet man letztlich immer mit einem ähnlichen Verhalten und richtet sich nach den Anderen, und das ohne Anführer. Die Gruppen-Persönlichkeit ist also nicht etwa die Summe der Persönlichkeiten. Das Ganze ist größer als die Summe seiner Teile, sagte schon Aristoteles. Das Ergebnis war typisch für die großmäulige Amerikanische Großschabe (Periplaneta americana). Ob das auch für die bescheidenere, weitaus aktivere Deutsche Schabe (Blattella germanica) zutrifft?

Zum Schluss eine Hongkonger Anekdote: Vor einiger Zeit verweigerte ich „mutig“ als Einziger im Bereich Chemie die radikale Schabenbekämpfung mit hochgiftigen Insektiziden. Als ich am Morgen danach mein Büro aufschloss, stockte mir der Atem: Es begrüßten mich zahllose putzmuntere Krabbeltiere aus den besprühten Zimmern meiner Kollegen. Tapfere Team-Arbeit der Schaben! Wenig später gab es ein lautstarkes schadenfrohes Gelächter über mich naive Langnase! Mutige Gruppen-Persönlichkeit „meiner“ Chinesen?