Atmen im Untergrund: Ungewöhnliche Strategien zum Überleben bei Sauerstoffknappheit

Die medizinischen Sofortmaßnahmen sind klar: Beatmung und Herzmassage, um so die Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff sicher zu stellen. Ansonsten drohen dem Patienten schon wenige Minuten nach einem Herzinfarkt und Gehirnschlag irreversible Schäden, besonders im empfindlichen Nervensystem.

Umso erstaunlicher ist, dass einige Säugetiere in ihren natürlichen Lebensräumen Zeiten von Sauerstoffmangel ohne Schädigung ihrer Nervenzellen überstehen. So lebt die israelische Blindmulle Spalax, ein etwa 20 cm langes Nagetier, dauerhaft in ihren unterirdischen Gängen bei Sauerstoffkonzentrationen im Boden, die der Todeszone des Mount-Everest-Gipfels entsprechen.

Robben wiederum können während des Tauchens bis zu über einer Stunde den Atem anhalten. Gerade von solchen „extrem-begabten“ Tieren wollen die Mainzer Forscher Thomas Hankeln, Frank Gerlach und Stefan Reuss in enger Zusammenarbeit mit ihren Hamburger Kollegen Thorsten Burmester und Stephanie Mitz sowie Forschern in Israel und Norwegen lernen, wie vielleicht zukünftig lebensbedrohliche Sauerstoffmangelsituationen beim Menschen zu behandeln sind.

Dazu untersuchen die Molekularbiologen die Aktivität von sauerstoffbindenden Atmungsproteinen, sogenannten Globinen. Dass Globine in Nervenzellen vorkommen, haben Burmester und Hankeln vor etwa 10 Jahren als erste entdeckt. Und in der Tat, die Proteine Neuroglobin und Cytoglobin, die entweder kurzzeitig Sauerstoff speichern oder für die Zelle giftige reaktive Sauerstoffverbindungen beseitigen, werden im Gehirn der Blindmulle um ein Vielfaches stärker gebildet als bei Ratten, also Tieren, die wie Menschen sehr sensibel auf Sauerstoffmangel reagieren.

Als auffällige Gemeinsamkeit von Spalax und Robbe zeigt sich ein weiterer Unterschied, der vielleicht die eigentliche Ursache der Anpassung beider Arten an Sauerstoffmangel darstellt: Speziell Neuroglobin wird hier in Stützzellen des Nervensystems, den Astrozyten (Gliazellen), gefunden, während Mensch, Maus und Ratte dieses Atmungsprotein nur in Nervenzellen selbst bilden. Die Wissenschaftler vermuten daher, dass Säugetiere, die besonders gut mit Sauerstoffmangel zurechtkommen, während der evolutionären Anpassung an ihren extremen Lebensraum ihren gesamten Gehirn-Energiestoffwechsel umgestellt haben.

Spekuliert wird, dass die gegenüber Sauerstoffmangel toleranten Arten ihre sauerstoffverbrauchenden Stoffwechselwege primär in die Gliazellen verschoben haben. Umgekehrt scheinen die höchst empfindlichen Nervenzellen dadurch vor Schäden bewahrt zu werden, dass sie ihre Energie vor allem aus Stoffwechselvorgängen beziehen, die keinen Sauerstoff benötigen. Diese Erkenntnisse könnten zukünftige Wege aufzeigen, wie durch einen gezielten Einsatz der Atmungsproteine im Nervensystem kritische Phasen der Sauerstoffunterversorgung vielleicht besser zu bewältigen sind.

Veröffentlichungen:
Aaron Avivi, Frank Gerlach, Alma Joel, Stefan Reuss, Thorsten Burmester, Eviatar Nevo, and Thomas Hankeln
Neuroglobin, cytoglobin, and myoglobin contribute to hypoxia adaptation of the subterranean mole rat Spalax

PNAS published ahead of print November 29, 2010, doi:10.1073/pnas.1015379107

Stephanie A. Mitz, Stefan Reuss, Lars P. Folkow, Arnoldus S. Blix, Jose M. Ramirez, Thomas Hankeln, Thorsten Burmester
When the brain goes diving: glial oxidative metabolism may confer hypoxia tolerance to the seal brain

Neuroscience (2009) 163:552-560; doi:10.1016/j.neuroscience.2009.06.058

Weitere Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Thomas Hankeln
Institut für Molekulargenetik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23277
Fax +49 6131 39-25846
E-Mail: hankeln@uni-mainz.de
Prof. Dr. Thorsten Burmester
Zoologisches Institut und Museum Grindel
Abteilung Tierphysiologie
Universität Hamburg
D 20146 Hamburg
Tel. +49 40 42838-3913
Fax +49 40 42838-3937
E-Mail: thorsten.burmester@uni-hamburg.de