Wir sprengen einen Elefanten (für die Wissenschaft) - Leben & Größe 2
Lasst uns einen Elefanten auf Mausgröße und eine Maus auf Elefantengröße skalieren. Warum? Weil das unser Video ist und wir sehen wollen, was passiert. Unser kleiner Elefant tapert kurz etwas unbeholfen umher und bricht kurz darauf tot zusammen. Er ist ganz kalt, denn er ist innerhalb von Minuten erfroren. Der riesigen Maus sieht man an, dass es ihr auch nicht gut geht. Dann explodiert sie, verteilt überall ihre Innereien und ist mausetot. Warum? Das liegt an der Größe. Jedes Tier ist perfekt an seine jeweilige Größe angepasst und würde grausam zugrunde gehen, wenn es plötzlich wachsen oder schrumpfen würde. Aber warum ist das so? Und was müssen wir tun, damit der Elefant auch explodiert? * Intro * Leben basiert auf Zellen. Es gibt leichte Größenunterschiede, aber allgemein kann man sagen, dass die Zellen bei allen Tieren ähnlich groß sind. Ein Blauwal hat keine größeren Zellen als ein Kolibri, sondern einfach viel mehr von ihnen. Zellen müssen ganz schön schuften, um am Leben zu bleiben und brauchen dafür Energie. Tierische Zellen wandeln deshalb Nahrung und Sauerstoff in verwertbare chemische Energie um. Das geschieht in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle. Sie sind wie kleine Maschinen, die ständig winzige ATP-Batterien ausspucken. Diese Batterien werden für fast alle Prozesse in der Zelle benötigt. Und wie jede Maschine, die auf Hochtouren läuft, werden auch die Mitochondrien sehr heiß. In menschlichen Hautzellen können sie bis zu 50°C erreichen. Und manche unserer Zellen haben bis zu 2000 Mitochondrien, die konstant Wärme abstrahlen. Am Leben zu sein bedeutet also Wärme zu produzieren. Je mehr Zellen man hat, desto mehr Wärme generiert der Körper auch. Hätten unsere Körper nicht Mittel und Wege, um mit dieser Wärme umzugehen, würden wir von innen gekocht werden. Vor allem für größere Tiere ist das problematisch, denn der Aufbau eines Körpers verändert sich mit zunehmender Größe. Tiere haben drei Eigenschaften, die hier wichtig sind: Ihre Länge, ihre Oberfläche oder Haut, und ihr Inneres, wie Organe, Knochen, Hoffnungen und Träume. Eine Sache ist hierbei besonders wichtig: Wenn ein Tier wächst, dann wächst dabei sein Volumen schneller als seine Oberfläche. Stell dir der Einfachheit halber einen Fleischwürfel vor. Verdoppelst du seine Länge, dann verdoppeln sich Oberfläche und Volumen nicht, sondern die Oberfläche vervierfacht sich und das Volumen verachtfacht sich sogar. Dieses Prinzip ist der Natur schon seit Milliarden von Jahren ein großes Ärgernis. Aber warum ist das ein Problem für große Tiere? Weil ein Objekt nur Wärme über seine Oberfläche abgeben kann. Skalieren wir also eine Maus auf die 60-fache Länge, dann hat sie zwar eine 3600 mal größere Oberfläche, über die sie Wärme abgeben kann. Aber leider hat sie jetzt auch das 216.000 fache Volumen, das mit Aberbillionen neuer Mitochondrien gefüllt ist, die alle Wärme erzeugen. Viel mehr Volumen und nicht so viel mehr Haut. Die Folge: ein schneller Tod. Aber große Tiere wie Elefanten gibt es ja trotzdem. Wie kommen die also damit klar? Zum einen haben sie anatomische Strukturen entwickelt, um Energie leichter loszuwerden, wie z.B. große, flache Ohren mit großer Oberfläche, über die sie Wärme abgegeben können. Aber damit nicht genug: Die Natur hat sich etwas ganz schön Cleveres einfallen lassen: Elefantenzellen arbeiten um einiges langsamer als Mäusezellen. Je größer ein Tier ist, desto weniger aktiv sind seine Zellen. Stufen wir Tiere nach Ihrem Grundumsatz ein und vergleichen den mit ihrem Gewicht, können wir es deutlich sehen. Das trifft nicht in 100 % der Fälle zu, ist aber eine gute Grundregel. Elefanten sind im Grunde nichts anderes als große Fleischsäcke, gefüllt mit Abertrillionen von Maschinen, die nicht zu heiß laufen dürfen. Ihr Stoffwechsel ist deshalb sehr langsam und alle Prozesse laufen ziemlich relaxt ab. Kleine Tiere müssen genau das Gegenteil tun. Sie haben eine sehr große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen. Sie haben also nicht so viele Mitochondrien und verlieren die Wärme, die sie produzieren, außerdem sehr schnell. Sehr kleine Säugetiere mussten sich deshalb etwas einfallen lassen: Zum Beispiel die Etruskerspitzmaus. Sie ist eines der kleinsten Säugetiere der Welt. Ein maulwurfähnliches Etwas, das näher mit Igeln als mit Mäusen verwandt ist. Bei einer Länge von 4 cm wiegt sie nur 1,8 g. Gerade mal so viel wie eine Büroklammer. Sie ist ein winziges, geradezu lächerliches Lebewesen, das sofort auskühlen würde, wenn ihre Zellen nicht ständig auf Hochtouren laufen würden. Ihre Mitochondrien geben alles, ihr Herz schlägt bis zu 12.000 mal pro Minute und sie atmet bis zu 800 mal pro Minute. Dadurch braucht die Spitzmaus ständig extrem viel Energie. Nach nur vier Stunden ohne Nahrung verhungert sie. Ein Afrikanischer Elefant muss täglich nur 4% seines Körpergewichts essen, während unsere Spitzmaus täglich 200 % ihres Körpergewichts zu sich nehmen muss. Stell dir vor, du müsstest 2000 Burger pro Tag essen, mehr als einen pro Minute. Das hört sich erstmal lustig an, ist es aber nicht. Ein cm3 Spitzmaus braucht 40 mal mehr Nahrung als ein cm3 Elefant. Wenn also die Zellen eines Elefanten auf einmal das Aktivitätslevel einer Spitzmaus erreichen, werden wahnsinnige Mengen von Wärme generiert und der Elefant wird von innen gekocht. Und dann explodiert er in einen Schwall aus dampfenden, heißen Elefantenteilen. Tatsächlich würde es gar nicht erst soweit kommen. Vorher würden die Proteine in seinen Zellen denaturieren und könnten keine Wärme mehr erzeugen. Aber eine Fleischexplosion ist eine lustigere Vorstellung als eine Elefantenpfütze. Trotzdem gibt es Situationen, in denen sich die Stoffwechsel- geschwindigkeit anpassen kann. Zum Beispiel bei schwangeren Frauen. Ein Embryo im Mutterleib verhält sich so, als wäre er Teil der Mutter. Seine Zellen haben eine ähnliche Stoffwechselrate wie die Organe der Mutter. Er ist Teil eines übergeordneten Systems und noch kein Individuum. Bis zum Moment der Geburt. Dann wird ein Schalter umgelegt und die internen Prozesse des Babys werden beschleunigt. 36 Stunden nach der Geburt hat ein Baby schon die für seine Größe angemessene Stoffwechselrate. Babys werden in nur wenigen Stunden von einem Organ zu einem Individuum. Es gibt aber eines, das sehr große und sehr kleine Tiere gemeinsam haben: die Anzahl ihrer Herzschläge. Die meisten Säugetiere haben in ihrem Leben ca. 1 Mrd Herzschläge. Auch wenn eine Spitzmaus und eine Elefant sehr unterschiedlich sind, die Anzahl ihrer Herzschläge ist gleich. Am Ende leben sie trotz aller Unterschiede doch mit der gleichen Geschwindigkeit. Und für ein Video, in dem wir Elefanten in die Luft gejagt haben, ist das das romantischste Ende, das uns eingefallen ist. Untertitel: ARD Text im Auftrag von Funk (2018)
