Das Gehirn ist eines der energieintensivsten Organe, da jede zweite Nervenzelle eine Vielzahl von Signalen verarbeiten muss. Insbesondere benötigen sie für ihren Betrieb große Mengen an Sauerstoff, da der größte Teil der Energie, die zur Erledigung von Aufgaben benötigt wird, durch den aeroben Stoffwechsel erzeugt wird. Tiere erhalten Sauerstoff aus der Umgebung und reichern ihr Blut mit Hilfe ihrer Lunge an. Einige Organismen, nämlich photosynthetische Pflanzen, sind in der Lage, es selbst zu produzieren, indem sie Licht als Energiequelle verwenden. Dank ihm synthetisieren sie organische Substanzen, während als Nebenprodukt Sauerstoff freigesetzt wird. Vor diesem Hintergrund interessierten sich Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München für die Möglichkeit, photosynthetische Mikroorganismen zu nutzen, um das Gehirn direkt mit Sauerstoff zu versorgen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der von Grünalgen freigesetzte Sauerstoff tatsächlich ausreicht, um das Gehirn mit Energie zu versorgen.
Grünalgen haben ihre Fähigkeit bewiesen, das Gehirn mit Sauerstoff zu versorgen
Cyanobakterien als Sauerstoffquelle für das Gehirn
Als lebensnotwendige Gasquelle entschieden sich die Wissenschaftler, Mikroorganismen zu verwenden – einzellige Grünalgen und Cyanobakterien. Letzteres hat übrigens, als die Erde ihre Rotation verlangsamte, unsere gesamte Atmosphäre mit Sauerstoff versorgt. Daher ist ihre Fähigkeit, Sauerstoff effizient zu produzieren, bekannt.
Der größte Teil des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre stammt von diesen Bakterien
Die Versuche wurden an den Kaulquappen des Krallenfrosches Xenopus laevis durchgeführt. Während des Wachstums der Vorderpfoten bei den Kaulquappen wurden die Cyanobakterien Synechocystis und Grünalgen in die Herzkammern injiziert. Ich stelle fest, dass es für Wissenschaftler wichtig war, Sauerstoffquellen in die Herzkammer einzuführen und nicht in den Herzmuskel, der die Zufuhr von Bakterien und Algen zusammen mit Blut direkt zum Gehirn sicherstellte. Natürlich verbreiteten sie sich im ganzen Körper der Kaulquappen, aber die meisten waren hier konzentriert.
Für das Experiment wurde den Kaulquappen die Möglichkeit genommen, auf natürliche Weise Sauerstoff aufzunehmen. Wenn das Gehirn jedoch Licht ausgesetzt war, erhielt es große Mengen an Sauerstoff. Die Gaskonzentration wurde in den Ventrikeln des Gehirns gemessen, also einem System von Hohlräumen, die mit Liquor cerebrospinalis gefüllt sind. Wenn das Licht ausgeschaltet wurde, in einer Umgebung mit niedrigem Sauerstoffgehalt, hörte die Aktivität der Nervenzellen der Kaulquappen vollständig auf. Aber sobald das Licht wieder an war, nahmen die Gehirnneuronen ihre Arbeit wieder auf.
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Um mögliche Ungenauigkeiten der Studie endgültig auszuschließen, machten die Wissenschaftler dasselbe mit gewöhnlichen Kaulquappen, denen keine Grünalgen und Cyanobakterien ins Gehirn injiziert wurden. Das Ergebnis war zu erwarten – in einer sauerstofffreien Umgebung hörten die Neuronen ihres Gehirns auf zu arbeiten, während das Licht die Situation in keiner Weise änderte, da der Sauerstoffgehalt in ihrem Gehirn immer auf einem niedrigen Niveau blieb. Die gleiche Situation ergab sich, wenn den Kaulquappen Algen oder mutierte Bakterien, die zur Photosynthese nicht in der Lage sind, ins Gehirn injiziert wurden. Details der Studie sind in der Zeitschrift iScience veröffentlicht.
Das Gehirn von Kaulquappen mit Cyanobakterien und Grünalgen im Inneren erhält bei Lichteinfall eine große Menge Sauerstoff
Eine neue Möglichkeit, Gewebe mit Sauerstoff zu versorgen?
Cyanobakterien ersetzen natürlich keine maschinelle Beatmung, da sie nur eine lokale Sauerstoffsättigung bewirken. Das macht die Studie aber nicht weniger aussagekräftig. Die erzielten Ergebnisse zeigen, so die Autoren, dass einzellige photosynthetische Mikroorganismen als neues Mittel zur kontrollierten Erhöhung der Sauerstoffversorgung von Geweben dienen können. Sie können beispielsweise verwendet werden, um den Sauerstoffgehalt in Zellkulturen, in explantierten Organen oder in Hirnschnitten zu erhöhen.
Außerdem produzieren photosynthetische Organismen nicht nur Sauerstoff, sondern auch Zucker. So ist es möglich, dass ihre metabolischen Fähigkeiten genutzt werden können, um Nährstoffe zu synthetisieren. Da sich Intensität, Dauer und Spektrum des Lichts mit hoher Präzision steuern lassen, bietet diese Methode auch neue Ansätze zur Erforschung der Rolle von Sauerstoff bei Stoffwechselprozessen. Lassen Sie mich abschließend daran erinnern, dass ich vorhin über eine andere, nicht weniger interessante Studie gesprochen habe, in der Wissenschaftler die Möglichkeit untersuchten, den ganzen Körper über den Darm mit Sauerstoff zu versorgen. Letzteres sollte eigentlich die Funktion der Lunge übernehmen.