Oberflächenvergrößerung – ein biologisches Prinzip

Hallo! Heute möchte ich euch ein biologisches Prinzip vorstellen. Bevor wir dahin kommen, will ich von einer Fragestellung ausgehen. Ich will untersuchen, in welchem Verhältnis Volumina und Oberflächen bei Zellen und Lebewesen zueinanderstehen. Ich beginne mit dem Modell einer Zelle, die unbegrenzt wachsen kann. Sie befindet sich in einer Nährlösung. Und die hier erfolgenden Diffusionen zwischen Zelle und Außenmedium sollen ungehindert über die Zellmembran erfolgen. Die Zelle ist im ständigen Stoffaustausch und sie wächst zunächst schnell heran, denn Input ist größer als Output. Doch dann verlangsamt sich die Zunahme an Zellmasse deutlich. Obwohl die Lösung unverändert reichlich Nährstoffe bietet und zelluläre Endprodukte aufnehmen kann. Woran könnte das liegen? Nehmen wir eine embryonale Zelle an. Sie sei würfelförmig und sie hat eine Kantenlänge von zehn Mikrometern. Das Volumen beträgt dann 1000 Kubikmikrometer und die Oberfläche – wir müssen also 6•100 rechnen – beträgt 600 Quadratmikrometer. Die Zelle wächst heran auf die doppelte Kantenlänge, 20 Mikrometer. Dann beträgt das Volumen 8000 Kubikmikrometer und die Oberfläche 2400 Quadratmikrometer. Die Kantenlänge verdoppelt sich erneut, womit das Volumen auf 64000 Kubikmikrometer ansteigt und die Oberfläche kommt auf 9600 Quadratmikrometer. Wie ihr inzwischen merktet, habe ich die Volumina mit den Oberflächen bereits in Beziehung gesetzt. Es ergeben sich diese Werte für die relativen Oberflächen: 10 zu 6, 10 zu 3 und 10 zu 1,5. Es ist ganz klar eine relative Flächenabnahme festzustellen. Die Oberfläche, die zum Stoffaustausch zur Verfügung steht, bezogen auf das Zellvolumen der Zelle wird immer kleiner. Das könnte das mit der Zeit abnehmende Wachstum und die begrenzte Größe von Zellen erklären. Wie können Zellen den entstehenden Oberflächenmangel kompensieren? Welche Wege der erforderlichen Oberflächenvergrößerung könnte es geben? Eigentlich gibt es nur drei Möglichkeiten: A) Die Membran stülpt sich nach außen, und B) sie könnte sich nach innen stülpen. Und nun noch der letzte Fall: C) Die Zelle könnte sich abflachen und sich strecken und dabei eine größere Oberfläche erreichen. Hier sind Ausstülpungen von Dünndarmzellen, die sogenannten Mikrovilli, zu sehen. Die Mikrovilli vergrößern die Resorptionsoberfläche für die Nährstoffe. Und hier ein Beispiel für Pflanzen. Die Wurzelhaarzellen, die der Wasseraufnahme dienen, wachsen einfach weiter nach außen und vergrößern so die Oberfläche. Ich zeichne jetzt einen Chloroplasten und ein Mitochondrium. Klar war zu sehen, dass sich die inneren Membranen einstülpen. So entstehen Reaktionsräume und große Oberflächen, zum Beispiel durch Membranstapel. Und im dritten Fall C kann ich als Beispiel die Erythrozyten aufführen. 25 Billionen Blutzellen des Menschen bedecken eine Fläche von 4480 Quadratmetern. Das ist fast die Größe eines Fußballfeldes. Damit wäre geklärt, wie Oberflächen auf zellulärer Ebene vergrößert werden und wir haben das Prinzip der Oberflächenvergrößerung erstmals verstanden. Untersuchen wir nun, ob wir das Prinzip bei Geweben, Organen und Organismen wiederfinden. Unsere beiden Gehirnhälften sind gefaltet. Feiner sind die Furchung und Faltung beim Kleinhirn, das die Feinabstimmung unserer Bewegungen übernimmt. Die Fläche der blattförmigen Windungen des Kleinhirns erreichen bis zu 75% der Fläche des Großhirns und das kommt bereits auf fast zwei Quadratmeter. Zwei Quadratmeter Speicherfläche – wer hätte das gedacht? Die Haut ist unser größtes Organ. Bei den inneren Häuten können wir die Oberfläche nicht direkt wahrnehmen. Wir sehen zum Beispiel nicht, dass die Nasenschleimhaut in etwa 200 Quadratzentimeter umfasst. Der Dünndarm hat aufgerollt eine innere Fläche von 0,33 Quadratmetern. Allerdings ist er innen in Falten gelegt, wodurch wir mit dem Faktor drei multiplizieren müssen, und wir sind bei 1 Quadratmeter innerer Oberfläche angekommen. Die Dünndarmzotten sitzen dicht an dicht auf den Dünndarmfalten. Durch sie steigt die innere Oberfläche maximal auf 40 Quadratmeter an. Den Durchbruch bringen aber die Mikrovilli. Sie lassen die innere Oberfläche bis auf das Fünfzigfache ansteigen. 2000 Quadratmeter Dünndarmoberfläche stehen demnach der Verdauung und der Resorption der Nährstoffe zur Verfügung. Unsere Lungen gliedern sich auf wie ein Baum, der auf dem Kopf steht. Die Luftröhre bildet den Stamm, die Bronchien und die Bronchiolen führen zu den Lungenbläschen hin. Als Hohlräumchen sind sie von feinsten Haargefäßen, den Kapillaren, umsponnen. Hier wird die Oberflächenvergrößerung durch eine stetig zunehmend verfeinerte Aufgliederung, wie man sie auch von den Tracheen der Insekten kennt, erreicht. Die innere Oberfläche der vielen Lungenbläschen ist gewaltig. Sie macht 200 Quadratmeter aus. Das ist ungefähr die Fläche eines Tennisplatzes. Hingegen beträgt die äußere Oberfläche der Lunge nur in etwa 1 Quadratmeter. Finden wir das Oberflächenvergrößerungsprinzip bei unseren Pflanzen und Gehölzen ebenso wieder? Nehmen wir eine große Buche. Sie möge eine Krone von über 10 Metern Durchmesser haben und ungefähr 600 000 Blätter besitzen. Alle Blätter nebeneinander gelegt bedecken eine Fläche von 1200 Quadratmetern. Das ist eigentlich wenig für solch einen großen Baum. Schaut man in ein Blatt hinein, wird deutlich, dass zwischen den Zellen Hohl- und Zwischenräume sind. Es sind die Atemhöhlen und die Interzellularen. Deshalb ist die Oberfläche, die für den Gasaustausch verfügbar ist, viel größer. Sie beträgt 15 000 Quadratmeter. Die Zusammenfassung ist heute schnell erfolgt: In der Natur ist die Oberflächenvergrößerung ein biologisches Prinzip. Und die unterschiedlichsten zellulären Verformungen führen zu größeren Oberflächen, wie zum Beispiel die Ausstülpung, die Einstülpung von Membranen sowie die Abflachung von Zellen kommen vor. Das Prinzip kommt immer dann zum Tragen, wenn große Oberflächen für Austauschvorgänge und biochemische Reaktionen erforderlich sind. Als typisches Beispiel hatten wir den Dünndarm ausgewählt. Hier war das „Dreifach-Prinzip der Oberflächenvergrößerung“ ganz einfach zu verstehen. Die Darmfalten, die Dünndarmzotten und die Mikrovilli vergrößern die Verdauungs- und Resorptionsfläche auf ein Vierfaches. So, das war’s für heute. Ich sage wie immer tschüss und bis bald, euer Oktavus.