Das Leben ist ein Wunder, das die Wissenschaft Stück für Stück zu entschlüsseln versucht. Von Organen über Zellen bis hin zu Molekülen werden immer neue Zusammenhänge entdeckt, die ein mechanistisches Bild des Lebens ergeben. Dieses Bild ist zwar komplex, ermöglicht aber ein tieferes Verständnis und die Manipulation biologischer Prozesse. Zwei der wichtigsten Steuerungssysteme in diesem komplexen Zusammenspiel sind das Hormonsystem und das Nervensystem.
Die Evolution der Steuerungssysteme
Die Anpassung an die Umwelt ist ein zentraler Aspekt des Überlebens. Schon einfache Organismen entwickelten Mechanismen, um auf Reize zu reagieren und sich an veränderte Bedingungen anzupassen.
- Einzeller mit Flagellen können sich von Gefahrenquellen wegbewegen und Nahrungsquellen aufsuchen.
- Die Entwicklung von Sensoren für Licht, Temperatur oder Schallwellen liefert überlebenswichtige Informationen über die Umwelt.
- Verbesserte motorische Fähigkeiten ermöglichen schnellere und/oder weitere Bewegungen.
Aus der Notwendigkeit, Reize mit entsprechenden Reaktionen zu verknüpfen, entstanden die ersten Nervensysteme.
Einfache Nervennetze
Einfache Nervennetze, wie sie bei Süßwasserpolypen (Hydra) oder Quallen vorkommen, verbinden Sensorik direkt mit Motorik. Diese Nervennetze ermöglichen es den Tieren, auf Umweltreize wie Berührungen oder chemische Signale zu reagieren und einfache Bewegungen auszuführen.
Das Wettrüsten der Evolution
Die Evolution führte zu einem Wettrüsten zwischen Räubern und Beute. Insekten, die sich im Dunkeln sicher fühlten, wurden mit Nachtjägern wie Fledermäusen oder Eulen konfrontiert. Diese entwickelten spezielle Sensoren wie Echoortung oder ein unglaubliches Gehör, um sich in ihrer nächtlichen Nische zu ernähren. Doch auch die Beute entwickelte Tricks, wie der Luna-Falter, der mit seiner verlängerten Flügelform Fledermäuse verwirrt.
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Spezialisierung und Anpassung
Spezialisierung auf bestimmte Nahrung oder Lebensräume hilft beim Überleben. Die Anpassung an diese ökologischen Nischen führte zu faszinierenden evolutiven Lösungen, wie das Gehör der Eulen oder das elektrische Feld des Grünen Messerfisches.
- Eulen: Sie verfügen über ein Trommelfell, Gehörknöchelchen im Mittelohr und Haarsinneszellen im Innenohr, die auf unterschiedliche Frequenzen antworten. Bei Schleiereulen sitzen die Ohren asymmetrisch, was die Ortung der Schallquelle erleichtert. Im Nucleus inferior im Mittelhirn der Eule sitzen ortsspezifische Neuronen, die auf bestimmte Bereiche im Raum reagieren. So entsteht eine akustische Karte der Umgebung.
- Grüner Messerfisch: Er erspürt seine Umwelt über ein spezielles Organ, das elektrische Felder produziert. Dinge und Organismen in seiner Umgebung stören diese Felder, was der Messerfisch wiederum über weitere Organe in der Haut wahrnimmt. Bei Begegnungen mit anderen Fischen, die auf derselben Frequenz "senden", wechseln beide Fische einfach die Frequenz, um Interferenzen zu vermeiden (Jamming avoidance response).
Neuroethologie: Ein Blick in die Karten der Evolution
Die Neuroethologie untersucht, wie der funktionelle Bauplan hochspezialisierter Nervensysteme aussieht. Experten können heute mit Blick auf die Verschaltung eines auditiven Systems recht verlässlich beurteilen, wie das dazugehörige Tier hört.
Grundlagenforschung: Die Ebene der einzelnen Zellen
Neurowissenschaftler wie Eve Marder und Eric Kandel haben die Mechanismen diverser Nervensysteme genauestens untersucht. Dank Aplysia wissen wir zum Beispiel genau, welches Neuron nach einem schreckauslösenden Reiz dafür zuständig ist, als Reaktion den Kiemenrückziehreflex auszulösen. Letztlich hat Kandel mithilfe der Schnecke grundlegende molekulare Mechanismen des Lernens enttarnt - die so auch bei Säugetieren ablaufen. Eve Marder dagegen verdanken wir die Einsicht, wie komplex schon winzige Netzwerke agieren. Marder untersucht das Verdauungssystem von Krebsen, das aus nur 26 Neuronen besteht.
Ein feinkörniges Gesamtbild
Indem wir mit immer besseren Methoden immer genauer die Mechanismen diverser Nervensysteme untersuchen, ergibt sich ein immer feinkörnigeres Gesamtbild: Nervenzellen organisieren sich in Netzwerken. Sie kommunizieren über elektrische Impulse und chemische Botenstoffe. Vom „Sender“ ausgeschüttet werden die Botenstoffe beim „Empfänger“ über Rezeptoren und Ionenkanäle in der Zellmembran wahrgenommen und interpretiert. Kaskaden nachgeschalteter Botenstoffe auf dem Weg zum Zellkern initiieren dort das Auslesen von Genen und damit die Produktion von Proteinen. Diese Proteine ermöglichen die Plastizität - sie machen diese Netzwerke flexibel. Das verändert die Kommunikation der beteiligten Zellen und so schlussendlich das Verhalten. Auch beim Menschen.
Mechanistische Prozesse und Komplexität
Auch beim Menschen verschiebt die Eigenbewegung nach vorn das Bild der Umwelt an den Augen vorbei nach hinten. Dieser so genannte „optische Fluss“ muss vom Nervensystem verrechnet werden, sonst kommen wir durcheinander. Die Fruchtfliege löst es mit nur drei Zellen pro Hirnhälfte: Diese „HS-Zellen“ reagieren auf eine jeweils präferierte Richtung eines Lichtreizes mit gesteigerter Aktivität, auf die Gegenrichtung mit sinkender Aktivität. Das wiederum hat direkten Einfluss auf die die Laufgeschwindigkeit der Beine. Indem er die Aktivität der HS-Zellen beeinflusst, kann Alex Maus das Laufverhalten der kleinen Fliege manipulieren.
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Komplexität ist ein komplizierter Begriff - es zeigt, wie wenig wir erst wissen. Denn wo auch immer wir in den letzten Jahrzehnten einen neuen Mechanismus entdeckt haben, hat er uns immer vor neue Fragen gestellt und oft eine gänzlich neue Welt eröffnet.
Die Bedeutung der Grundlagenforschung
Was heute nutzlos erscheint, kann morgen höchstrelevant sein: Was Grundlagenforscher in Jahrzehnten über Oligodendrozyten herausgefunden haben, bildet heute die entscheidende Grundlage für Therapien bei Multipler Sklerose. Je mehr wir über die Mechanismen des Zellmetabolismus nach Schädigung lernen, umso besser können wir Schlaganfallpatienten therapieren.
Das Hormonsystem: Chemische Botenstoffe im Körper
Das Hormonsystem ist ein weiteres wichtiges Kommunikationssystem im Körper. Es steuert wichtige Körperprozesse wie Wachstum und Entwicklung, Verhalten oder Stoffwechsel sowie Fortpflanzung. Hormone sind chemische Substanzen, die von spezialisierten Zellen in endokrinen Drüsen produziert und ins Blut abgegeben werden. Über das Blut gelangen sie zu ihren Zielorganen, wo sie spezifische Reaktionen auslösen.
Bau und Einteilung der Hormone
Der Begriff "Hormon" stammt aus dem Griechischen und bedeutet "Antriebsstoff". Hormone sind chemisch genau definierte Substanzen wie Aminosäure-Derivate, Peptide, Proteine oder Steroide. Sie wirken in sehr geringen Mengen und sind nicht artspezifisch. Die Unterscheidung der Signal- oder Botenstoffe beruht auf dem Ort ihrer Entstehung bzw. ihres Wirkungsortes.
Wirkungsweise des Hormonsystems
Die Abgabe von Hormonen erfolgt entweder ereignisgesteuert oder stoßweise in regelmäßigen Rhythmen. Hormondrüsen werden von der Hypophyse und dem Hypothalamus gesteuert. Der Hypothalamus empfängt Nachrichten des vegetativen Nervensystems und des limbischen Systems und produziert Hormone, die die Hypophyse beeinflussen. Die Hypophyse wiederum reguliert die Hormonbildung der endokrinen Drüsen.
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Wirkungsbereiche von Hormonen
Die funktionelle Wirkung der Hormone lässt sich in vier Hauptbereiche gliedern:
- Steuerung von Wachstum und Differenzierung von Zellen, Geweben und Organen
- Regulierung von Stoffwechselwegen
- Beeinflussung von Verdauungsvorgängen
- Kontrolle der Aufrechterhaltung der Ionen-Konzentration
Die Produktion und Abgabe von Hormonen wird über einen negativen Rückkopplungsmechanismus reguliert.
Stressreaktion: Ein Zusammenspiel von Nerven- und Hormonsystem
Unser Körper ist darauf eingerichtet, uns so gut wie möglich vor Gefahren zu schützen. Das Gehirn spielt dabei eine maßgebliche Rolle. In den frühen evolutionären Zeiten, aus denen die Stressreaktion stammt, ging es oft um Gefahren für Leib und Leben. Heute stehen in vielen Gesellschaften andere Gefahren im Vordergrund. Menschen erleben beispielsweise Stress, wenn ihr Selbstwert bedroht ist, wenn sie Angst haben, zu versagen oder von wichtigen anderen Menschen getrennt zu sein. Oder manchmal ganz einfach, wenn etwas nicht so läuft, wie sie es gerne möchten. Doch egal was die Ursache ist, die Stressreaktion läuft immer noch nach dem gleichen alten Muster ab - selbst wenn man sich die stressige Situation nur vorstellt. Dann werden verschiedene Regionen unseres Gehirns aktiv. Wie bei einem guten Team arbeiten diese Regionen zusammen, um uns für Kampf oder Flucht fit zu machen. Manche Teile des Gehirns sind eher für die emotionale Verarbeitung "zuständig", andere fürs Planen und Denken. Wieder andere sorgen dafür, dass die Vorgänge in Gang gesetzt werden, die notwendig sind, damit die Stresshormone ausgeschüttet werden.
Amygdala: Die "Angstzentrale"
Eine sehr wichtige Hirnregion für unsere Erleben von Stress und Angst ist die Amygdala, ein kleiner, mandelförmiger Komplex von Nervenzellen im unteren Bereich des Gehirninneren. Sie ist Teil des sogenannten Limbischen Systems. Das ist ein Verbund verschiedener Hirnstrukturen im Innern des Gehirns, der eine große Rolle bei der Verarbeitung von Emotionen spielt. Die Amygdala steuert - zusammen mit anderen Hirnregionen - unsere psychischen und körperlichen Reaktionen auf stress- und angstauslösende Situationen. Treffen bei ihr Signale ein, die höhere Aufmerksamkeit erfordern, zum Beispiel, wenn etwas neu oder gefährlich ist, dann feuern ihre Nervenzellen. Wir werden wacher und aufmerksamer. Dies geschieht bereits, bevor wir die Gefahr bewusst erkennen. Ab einer bestimmten Schwelle der Nervenaktivität setzt die Amygdala die Stressreaktion in Gang und aktiviert so die Kampf- und Flucht-Reaktion.
Zwei Wege der Stressreaktion
Um die Kampf- und Fluchtreaktion auszulösen, nutzt die Amygdala zwei Wege. Der schnellere Weg läuft über das sogenannte sympathische Nervensystem, das den Körper auf Aktivität einstimmt. Etwas langsamer ist der Weg über den Hypothalamus. Der Hypothalamus ist ein komplexes Gebilde im Zwischenhirn, das grundlegende Funktionen unseres Körpers steuert. Für die Stressreaktion setzt er eine ganze Kaskade von Hormonen in Gang.
Der schnelle Weg: Das sympathische Nervensystem
Über die Nervenstränge des sympathische Nervensystem im Rückenmark gelangt die Information "Gefahr" zum Mark der Nebenniere. Dort werden Adrenalin und - in geringerem Maß - Noradrenalin ausgeschüttet. Diese Hormone nennt man auch Katecholamine. Sie treiben zum Beispiel den Herzschlag und den Blutdruck in die Höhe, sorgen für eine größere Spannung der Muskeln und bewirken, dass mehr Blutzucker freigesetzt wird, so dass die Muskelzellen besser versorgt werden können.
Der "langsame" Weg über den Hypothalamus
Parallel informiert die Amygdala den Hypothalamus, dass Gefahr im Verzug ist. Der Hypothalamus schüttet hormonelle Botenstoffe aus, unter anderem das Corticotropin-releasing-Hormon. Dieses Hormon wirkt auf die Hirnanhangdrüse im Gehirn - auch Hypophyse genannt. Es sorgt dafür, dass sie ein weiteres Hormon freisetzt, das Adrenocorticotropin, kurz ACTH. Es gelangt mit dem Blut zur Rinde der Nebenniere und veranlasst diese, das Stresshormon Kortisol auszuschütten. Kortisol ist ein lebenswichtiges Glukokortikoid, das auch viele andere Funktionen im Körper hat. Ist es im Übermaß vorhanden, kann es den Körper aber auch schädigen.
Was die Hormone bewirken
- Der Atem beschleunigt sich
- Puls und Blutdruck steigen an
- Die Leber produziert mehr Blutzucker
- Die Milz schwemmt mehr rote Blutkörperchen aus, die den Sauerstoff zu den Muskeln transportieren
- Die Adern in den Muskeln weiten sich. Dadurch werden die Muskeln besser durchblutet
- Der Muskeltonus steigt. Das führt oft zu Verspannungen. Auch Zittern, Fußwippen und Zähneknirschen hängt damit zusammen
- Das Blut gerinnt schneller. Damit schützt sich der Körper vor Blutverlust
- Die Zellen produzieren Botenstoffe, die für die Immunabwehr wichtig sind
- Verdauung und Sexualfunktionen gehen zurück. Das spart Energie
Stress und Gedächtnis
Die Amygdala setzt nicht nur die Stressreaktion in Gang. Sie veranlasst auch eine bedeutende Gedächtnisregion im Gehirn, den ganz in der Nähe gelegenen Hippocampus, sich die stressauslösende Situation gut zu merken. Auf diese Weise lernen wir, uns vor dem Stressor in Acht zu nehmen. Kommen wir erneut in eine derartige Situation, läuft die Stressreaktion noch schneller ab.
Denken und Stress
Auch mit dem "denkenden" Teil des Gehirns ist die Amygdala eng verbunden, vor allem mit einem stammesgeschichtlich jüngeren Teil unseres Hirns, dem Stirnlappen. Er ist wichtig für die Kontrolle der Emotionen. Wie der Name sagt, sitzt er hinter der Stirn. Er wird auch präfrontaler Cortex genannt. Mit seiner Hilfe können wir durch logische Analyse und Denken unsere Emotionen beeinflussen. Er spielt eine große Rolle bei der Bewertung, ob wir einen Stressor für bewältigbar halten oder nicht, und für unser Verhalten in der stressigen Situation.
Eingebaute Stressbremse
Zum Glück regen wir uns meistens nach Stress auch wieder ab. Dabei hilft eine eingebaute Stressbremse. Ist nämlich das Stresshormon Kortisol in ausreichendem Maß im Blut vorhanden, merken das bestimmte Rezeptoren im Drüsensystem und im Gehirn, die Glucocorticoidrezeptoren. Daraufhin stoppt die Nebennierenrinde die Produktion von weiterem Kortisol. Das parasympathische Nervensystem - der Teil des Nervensystems, der unseren Körper zur Ruhe kommen lässt - wird aktiv. Wir werden wieder ruhiger und entspannen uns.
Wenn die Hormone aus dem Ruder laufen
Anders sieht es aus, wenn das Zusammenspiel der Hormone nicht optimal funktioniert. Zum Beispiel, wenn nicht genug Rezeptoren vorhanden sind, die merken könnten, dass genug Kortisol vorhanden ist. Oder wenn die vorhandenen Rezeptoren nicht richtig arbeiten. Dann wird die Achse aus Hypothalamus, Hirnanhangdrüse und Nebenniere zu aktiv. Sie produziert zu viel Kortisol.
So etwas kann in schlimmen Fällen zu Denkstörungen, zu Gewebeschwund im Hirn und zu Störungen des Immunsystems führen. Auch die Entstehung von Depressionen wird auf diesen Einfluss zurückgeführt, ebenso Stoffwechselstörungen, die Diabetes fördern.
Frühe traumatische Erfahrungen beeinflussen die Stressreaktion
Intensiver Stress in der frühen Kindheit kann die Arbeitsweise von Genen, die an der Stressreaktion beteiligt sind, so beeinflussen, dass Stresshormone schneller und intensiver ausgeschüttet werden. Dieser Effekt bleibt lebenslang bestehen. Ähnliche Ergebnisse scheint es unter bestimmten genetischen Bedingungen auch bei Menschen zu geben, die ein Trauma erlebt haben, etwa durch eine Naturkatastrophe, durch Missbrauch oder durch Gewalt.
Endokrine Disruptoren: Störungen von außen
Die chemische Kommunikation in Organismen ist anfällig für Störungen von außen. Endokrine Disruptoren sind chemische Substanzen oder Stoffgemische, die in die Umwelt gelangen und in das Hormonsystem von Tieren und Menschen eingreifen. Prominente Beispiele sind Weichmacher für Kunststoffe oder Hormone aus der Antibabypille.
Auswirkungen auf Wasserlebewesen
Sammelbecken dieser hormonaktiven Stoffe sind Oberflächengewässer, daher sind auch Fische und Amphibien besonders gefährdet. Sie können dann beispielsweise mehrheitlich verweiblichen, Zwitter ausbilden oder für immer Kaulquappen bleiben.
Das EATS-Modell und seine Grenzen
Bisher werden endokrine Disruptoren für regulatorische Zwecke nach dem so genannten EATS-Modell kategorisiert. Dieses gibt an, ob sie östrogene, androgene, thyroidale oder weitere steroidale Wirkungen haben. Das Modell deckt also den Teil des Hormonsystems ab, der mit der Fortpflanzung über Sexualsteroide, der Steroidogenese und dem Stoffwechsel sowie der Entwicklung verbunden ist. Das Forschungsteam weist jedoch darauf hin, dass in dem EATS-Modell nicht alle Hormonsysteme berücksichtigt werden und dass es weitere hormonell wirkende Faktoren gibt, die nicht reguliert werden.
Nicht erfasste Hormonsysteme
Ein Hormonsystem, das nicht über das EATS-Modell klassifiziert wird, sind die Gestagene, auch Gelbkörperhormone oder Schwangerschaftshormone genannt. Ein bekannter endokriner Disruptor dieses Hormonsystems ist Levonorgestrel, ein gängiger Wirkstoff zur Empfängnisverhütung in der „Minipille". Weitere Beispiele für Hormonsysteme, die im EATS-Modell bisher nicht berücksichtigt wurden, sind die Insulinrezeptor-Signalgebung, Hormone des Magen-Darm-Trakts und kardiovaskuläre Hormone.
Natürliche endokrine Disruptoren
Hormonell aktiv können aber nicht nur vom Menschen hergestellte chemische Substanzen sein, sondern auch natürliche Stoffe. Phytoöstrogene zum Beispiel wirken wie das weibliche Geschlechtshormon. Auch die Verwendung von Futtermitteln auf Sojabasis könnte ein Risiko für die Fortpflanzung von Wiederkäuern oder Fischen in Aquakultur sein.
Weitere Einflussfaktoren
Auch steigende Temperaturen können das Hormonsystem beeinflussen. Parasiten wie der Fischbandwurm Ligula intestinalis können die Entwicklung der Geschlechtsorgane beim Wirtsfisch blockieren. Lichtverschmutzung wirkt auf das Schlafhormon Melatonin und kann ebenfalls als endokriner Disruptor wirken.
Herausforderungen für die Risikobewertung
Eine Herausforderung bei der Risikobewertung von hormonell aktiven Substanzen ist, dass sie indirekt über Störungen des Hormonsystems und nicht über direkte toxische Wirkungen ihren Schaden entfalten. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass ein einziger endokriner Disruptor das Potenzial hat, mehrere endokrine Systeme parallel zu stören.
Alternativen zum Tiermodell
Um diese Wechselwirkungen beurteilen zu können, bedarf es spezieller Testansätze. Häufig werden dazu immer noch Tierversuche durchgeführt, da die Komplexität der Vorgänge nur im Gesamtorganismus erfasst werden kann. Die erstaunlichen Fortschritte bei der Etablierung von Organoid-Kulturen bieten aber zunehmend faszinierende Möglichkeiten, verschiedene endokrine Organsysteme in einem in vitro-System zu kombinieren.
Neuropeptide: Botenstoffe für das Mikrobiom
Forscher haben erstmals belegt, dass Nervenzellen Neuropeptide produzieren, die als Botenstoffe die Zusammensetzung und Ansiedlung spezifischer Bakterienarten im Körper bestimmen. Sie fanden zelluläre, molekulare und genetische Belege dafür, dass Neuropeptide eine antibakterielle Wirkung entfalten können und damit die Zusammensetzung und räumliche Verteilung der Bakterienbesiedlung beeinflussen.
Hydra als Modellorganismus
Dabei konzentrierten sie sich auf die Ausbildung des Nervensystems des Süßwasserpolypen Hydra in der individuellen Entwicklung vom Ei bis hin zum ausgewachsenen Tier. Seine einfachen Strukturen erleichtern die Erforschung der grundlegenden Strukturen und Funktionsweise des Nervensystems.
Auswirkungen auf die Bakterienbesiedlung
Unter dem Einfluss der antimikrobiellen Wirkung der Neuropeptide nahm die Konzentration einer bestimmten Untergruppe von Bakterien, der sogenannten grampositiven Bakterien, im Laufe von etwa vier Wochen stark ab. Am Ende dieses Reifeprozesses herrscht eine typische, insbesondere von gramnegativen Curvibacter-Bakterien dominierte Zusammensetzung des Mikrobioms vor.
Fazit
Das Nervensystem hat im Laufe der Evolution neben seinen sensorischen und motorischen Aufgaben auch eine steuernde Funktion für das Mikrobiom übernommen.
Bombesin-ähnliche Neuropeptide: Regulation des Fressverhaltens
Forschende haben die Entdeckung und funktionelle Charakterisierung eines Bombesin-ähnlichen Neuropeptid-Signalwegs in einem Stachelhäuter, dem Seestern Asterias rubens, beschrieben.
Struktur und Funktion
Mittels in silico-Analysen identifizierten die Forschenden in A. rubens ein einzelnes Bombesin-artiges Neuropeptid-Gen mit hoher Homologie zu Neuromedin B (NMB) aus Vertebraten. ArBN wird in neurosekretorischen Zellen des zentralen Nervenrings des Seesterns synthetisiert. Der ArBN-Rezeptor wurde hingegen in entfernten Nervenzellen exprimiert, was auf ein parakrines Signaling hindeutet.
Auswirkungen auf Fortbewegung und Fressverhalten
Als Folge einer Inaktivierung der ArBN-Expression wiesen die Tiere Fehlfunktionen in der Fortbewegung und in der Reaktion auf Lichtreize auf. Wurde ArBN in die Tiere injiziert, zog sich der Seesternmagen wieder in den Mund zurück, was die Nahrungsaufnahme beendet.
Bedeutung
Die Ergebnisse sprechen dafür, dass der Bombesin-artige Signalweg in A. rubens eine konservierte neuroendokrine Funktion erfüllt, vergleichbar mit der von analogen Systemen in Wirbeltieren, etwa bei der Regulation von Stress, Thermoregulation oder Verhalten.
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