Teilsysteme - wie Moleküle, Zellen oder Organe - können unter artefiziellen Bedingungen in vitro untersucht werden (vitreum = Glas). Untersuchungen am Gesamtsystem erfolgen am lebenden Objekt - in vivo -, Computersimulationen in silico (silicium: Halbleiter)

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Leben und System
 

Im Allgemeinen gilt: Je umfassender die physiologische Funktion, desto komplexer das (betreffende regulierende / stabilisierende) System. Mit zunehmender Komplexität des Systems pflegen auch medizinische Interventionen schwieriger zu werden.

Zwei Beispiele:
 
-- Blutungsneigung kann ebenso fatale Folgen haben wie ungenügende Blutstillung. Die Blutgerinnung ist vielgliedrig aufgebaut, das System durch zahlreiche Rückkopplungsschleifen stabilisiert.
 
-- Es ist einfacher, den Blutzuckerspiegel vorübergehend zu senken (Insulingabe) als Übergewicht nachhaltig zu bekämpfen. Systemhierarchie: Physiologie reicht von der molekularen Ebene über mehrere Komplexitätsniveaus bis zur Ebene der Evolutionsbiologie und Ökologie (<Abbildung). Mit zunehmender Komplexität sind es immer zahlreichere Bausteine aus der jeweils niedrigeren Ebene, die in ein höheres Gesamtsystem einfließen.

Vom ganz Kleinen (Atomphysik) bis zum ganz Großen (Kosmologie) zieht sich ein roter Faden, und für die Arbeit in einer gegebenen Größenordnung ist der Blick in "benachbarte" Dimensionen sehr oft inspirierend. Allgemein ist der interdisziplinäre Denkansatz hilfreich (wenn auch mühsam), wenn es um ein tieferes Verständnis der inneren Zusammenhänge geht.

Kosmische Vorgänge lassen Elemente entstehen: Wasserstoff und Helium waren im Universum primär vorhanden, bei Einwirken hoher Energiemengen entstehen aus ihnen weitere Elemente, die in die Umgebung verteilt werden (Supernova-Explosionen)

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Wasserstoff und Helium sind nach dem Urknall als primäre Elemente zuerst im Universum aufgetaucht und waren Ausgangssubstanz für weitere Elemente. So entsteht Sauerstoff in "kleinen" bis "großen" Sternen (>Abbildung), in weiterer Folge beispielsweise Alkali- und Erdalkali-Elemente (Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium) sowie z.B. Chlorid (Salze!).

Ohne diese Elemente kann Leben, wie wir es kennen, nicht stattfinden.

Große Sterne mit ≥10¹⁰ kg/m³ Dichte (Sonne ~1,4.10³ kg/m³), bei Temperaturen von über einer Milliarde Grad (1.5×10⁹ K), sind "Elementbrüter". Diese Materie kann dann in das angrenzende Universum verteilt werden (Supernova-Explosionen).

"Sternenstaub" kondensiert zu Himmelskörpern, und verschiedene planetare Vorgänge lassen auch organische Moleküle entstehen, ebenfalls Grundlage für lebende Systeme. Man geht davon aus, dass die Grundbausteine für Leben überall im Universum zu finden sind.   

Die Zahl der Elemente, die im irdischen Leben (und im Körper des Menschen) eine unverzichtbare Rolle spielen, ist im Vergleich zur Zahl der im Universum vorkommenden eher gering. Fast die gesamte Masse (99%) entfällt auf Wasserstoff, Sauerstoff (Wasser!), Kohlenstoff und Stickstoff, der Rest auf Alkali- und Erdalkalimetalle (Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium), Phosphor, Schwefel, Chlorid sowie ein Dutzend Spurenelemente (<Abbildung).

Der Körper eines Menschen enthält ungefähr 10²⁸ Atome (zehn Quadrilliarden - eine 1 mit 28 Nullen - eine Zahl, die sich unserer Vorstellungskraft entzieht: das Millionenfache der Anzahl der Sterne, die im gesamten Universum sichtbar sind). Dennoch zweifelt kaum jemand daran, dass unser Körper letztlich aus Atomen besteht und dass ihre Interaktion den Naturgesetzen folgt (Biochemie!).

<Abbildung: Periodensystem und lebenswichtige Elemente
Nach einer Vorlage bei Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Garland 2008

Rahmenbedingungen: Physiologie sieht lebende Systeme im Kontext ihrer Umgebung, der "Matrix", in der sie sich entwickeln und bewähren (woher kommen Energie, Nahrung, Sauerstoff etc, wohin gehen Kohlendioxid, Ausscheidungen, diverse Produkte menschlicher Aktivität?).

Zeitlich können solche Vorgänge von Sekundenbruchteilen (z.B. Wiederaufnahme eines synaptisch freigesetzten Transmitterstoffes) bis zu geologischen Dimensionen (z.B. Kohlenstoff: Photosynthese → Verkohlung → Verbrennung → Photosynthese) reichen (Recycling). Wie schwierig eine vollständige Balance der für das Leben notwendigen Materieflüsse künstlich herzustellen ist, zeigt das Beispiel materiell geschlossener biologischer Lebenserhaltungssysteme (Raumfahrt).

Reduktionistisch vs. integrativ
 

Leben ist aus seiner natürlichen Umwelt herausgelöst (stofflich, energetisch, zeitlich, räumlich, organisatorisch) nicht ausreichend zu verstehen. Der integrative Ansatz (Top-down-approach, holistischer Ansatz) bemüht sich um eine Sicht "vom Großen Ganzen" aus, unter möglichst vollständiger Berücksichtigung relevanter Bedingungen und Begleitfaktoren des Lebens (integrative Physiologie). Beispielsweise kann man den Menschen als Teil der belebten Natur beschreiben und die lebensnotwendigen Umweltfaktoren (Nahrung, Wasser, Luft..) sowie deren Stabilisierung (Biosphäre, ..) berücksichtigen.

Angesichts der Komplexität solcher Betrachtungsweisen ist es allerdings schwierig, bei integrativen Ansätzen wissenschaftlich wünschenswerte Präzision der Fragestellungen zu bewahren; die Falsifizierbarkeit (oder: Möglichkeit der "Entplausibilisierung") aufgestellter Hypothesen kann außer Reichweite gelangen.

 

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Keiner erkennt den Elefanten: Blinde Fokussierung auf das Detail kann den Blick auf das Ganze verstellen

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Umgekehrt kann man das Leben von seinen Elementen herzuleiten versuchen (Bottom-up-approach, Reduktionismus:) Die Isolierte Untersuchung und Beschreibung von den "Bausteinen" des Lebens her - wie interagieren Atome, Moleküle, Molekülkomplexe, Zellorganellen, Zellen..? - erlaubt es, diese Subsysteme als solche besser zu verstehen.

Diese Vorgangswseise der "Laboreinschränkung" nennt man reduktionistisch: Sie setzt bestimmte Faktoren voraus (dass z.B. Sauerstoff im Labor vorhanden ist, seine Entstehung in der Biosphäre ist in die Fragestellung nicht inkludiert).

Reduktionistische Beschreibungen (klassischer Darstellungsstil in Lehrbüchern) sind didaktisch nützlich, aber man sollte sich der Tatsache bewusst bleiben, dass sie eine fokussierte Sicht der Dinge bieten. Man kann dabei wesentliche Zusammenhänge übersehen (>Abbildung).


Der Lehrstoff der Physiologie enthält sehr unterschiedliche Aspekte, wobei die Funktion im Vordergrund steht, zum Beispiel:

     Funktionsweise von Zellen, Geweben, Organen
 
     Ernährung, Energie- und Substrathaushalt, Temperaturregulation, Wasser-und Elektrolythaushalt, Säure-Basen-Status, Calcium- und Mineralhaushalt, Knochensystem
 
     Wirkungsweise von Hormonen, Sexualität, Reproduktion, Entwicklung und Wachstum
 
     Funktion der Sinnesorgane, Körperhaltung und Motorik, Muskulatur, Funktionen des Nervensystems
 
     Abwehrvorgänge und Immunsystem

<Abbildung: Einige physiologische Systeme
Modifiziert nach einer Vorlage in wiseGEEK.com

Was die Physiologie zu einem konsistenten Fach macht, kann man an Hand gemeinsamer Aspekte identifizieren:

  Evolution - Geschichte des Lebens und der zugrundeliegenden Mechanismen
  Ökosysteme - Leben existiert in Ökosystemen, bestehend aus abiotischer Umgebung und Partnerorganismen
  Kausale Mechanismen - Wissenschaftliche Deutungen als Ursache und Wirkung
  Zelle - Zellen sind die Bausteine des Lebens, wir kennen kein Leben ohne sie
  Struktur und Funktion - Leben als Wechselwirkung von Struktur und Funktion auf verschiedenen Ebenen
  Organisationsniveau - Lebewesen funktionieren auf mehreren Organisationsniveaus gleichzeitig
  Informationsflüsse - Steter Informationsfluss innerhalb und zwischen Zellen, Organismen und ihrer Umgebung
  Metabolismus - Lebewesen beziehen Materie und Energie aus ihrer Umgebung und setzen sie nach ihren Bedürfnissen um
  Homöostase - Physiologische Regelungsprozesse ermöglichen und stabilisieren optimale Bedingungen für Lebensvorgänge

    Homöostase ist die Kontrolle lebenswichtiger Zustandsvariablen, wie z.B. Blutdruck oder Sauerstoffaufnahme. Die Zahl solcher Zustandsvariablen (meistens als "Parameter" bezeichnet) ist groß, und der Organismus verwendet einen erheblichen Aufwand für ihre Stabilisierung. Homöostase ist ein dynamisches Phänomen: Geringe Abweichungen von einem jeweiligen Optimum treten ständig auf und veranlassen (im Sinne eines "Systemchecks") die laufende Feinjustrierung durch Regelsysteme, die dadurch die jeweiligen Zielgrößen in ihrem optimalen Bereich halten. Zweck der Homöostase ist die Stabilisierung des "inneren Milieus" (milieu intérieur - Claude Bernard, internal environment) im Organismus. Zu den involvierten Faktoren gehören z.B. Wasser, Elektrolyte, Nahrungsstoffe, Atemgase, pH-Wert(e), Temperatur.

Man kann Physiologie definieren als die Suche nach optimalen Funktionsweisen in lebenden Systemen. "Optimums-Punkte" können dabei im Sinne der Chaostheorie als Attraktoren - Orte der Stabilität - gesehen werden, welche funktionierende, gesunde, überlebensfähige Systeme auszeichnen. Mechanismen, die das bewerkstelligen, funktionieren homöostatisch:

 

Physiologische Systeme sind in der Lage, die Größe kritischer Zustandsvariabler so zu stabilisieren, dass die Funktion des Ganzen nicht beeinträchtigt wird

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Homöostase hat die Stabilisierung biologischer Funktionsmuster zum Ziel (>Abbildung). Lebenszustände werden durch Regelungs-, Rückkopplungs- (feedback) und Steuerungsmechanismen stabilisiert (Beispiel: Blutdruckregulation).

Äußere Rahmenbedingungen können sich ändern - und mit ihnen das Funktionsoptimum eines Systems. Allostase betrifft die Fähigkeit, Stabilität durch Veränderung - also adaptiv - zu erreichen.

"Homöostatisches" (homoios = gleich) und "allostatisches" (allos = anders) Verhalten eines Systems sind je nach Bedingungen und Erfordernissen gefragt. Parameter, Zustandsgrößen und/oder Organisationsstrukturen müssen sich an wechselnde Bedingungen anpassen; ohne Berücksichtigung veränderter Umweltbedingungen wäre Stabilität schwer zu erhalten.

Homöostatische Regelkreise arbeiten in Netzwerken im Organismus zusammen.
 
     Dabei können sie einander ergänzen (Synergismus), oder in Konkurrenz zueinander stehen (Antagonismus). Beispielsweise senkt Insulin den Blutzuckerspiegel, "antiinsulinäre" Hormone (Glukagon, Adrenalin, Cortisol) erhöhen ihn.
 
     In vielen Fällen kümmern sich mehr als nur ein System um die Stabilisierung einer Zustandsgröße (Blutzuckerspiegel, Blutdruck,..), insbesondere wenn die Regulation von kritischer Bedeutung ist (Redundanz). Fällt einer der beteiligten Regelkreise aus, kann die Regelgröße durch die Aktivität anderer Regelkreise stabilisiert bleiben.
 
     Regelkreise können in hierarchischer Ordnung zueinander stehen, etwa steuern hypothalamische Hormone hypophysäre, und hypophysäre steuern glanduläre Hormone (Beispiel CRH → ACTH → Cortisol).
 
     Schließlich existieren Prioritäten, z.B. wenn bei körperlicher Belastung die Stabilität des Blutvolumens vor derjeniger der Körpertemperatur rangiert (Schwitzen kühlt den Körper, verringert aber das extrazelluläre Flüssigkeitsvolumen).
 
Stresseinwirkungen, die Anpassung erfordern, sind z.B. orthostatische Belastung, körperliche Arbeit, mikrobielle Herausforderung, extreme physikalische Umweltbedingungen (veränderte Druck- oder Temperaturbereiche), variierende Nahrungszufuhr etc.
 
Für die Medizin ist der physiologische Rahmen die Referenz für die Beurteilung eines unphysiologischen Zustandes. Dabei reicht es nicht immer, am unbelasteten Körper etwas zu messen; vielmehr ist es oft notwendig, den Organismus einer Herausforderung zu unterziehen und seine Reaktion darauf zu erfassen (funktionelle Untersuchung). So kann etwa der Nüchtern-Blutzuckerspiegel im Normbereich liegen, bei einer Zuckerbelastung (Glucose-Toleranztest) zeigt sich erst eine diabetische Regulationsschwäche.

Zu einer richtigen Einordnung ist es notwendig, die Bandbreite der Verteilung von Messgrößen (Referenzbereich) und deren Abhängigkeit von gegebenen Größen (Alter, Geschlecht..) und Situationen (Körperlage, Muskelaktivität, Stress..) zu kennen. Krankheit kann - im Sinne dieser Betrachtungsweise - als ein Zustand suboptimaler Funktion und mangelnden Anpassungsvermögens aufgefasst werden.

Ursachen können primäre (z.B. Herzinfarkt → Kreislaufversagen) oder sekundäre pathologische Effekte hervorrufen (z.B. Kreislaufversagen → Ödembildung) und finden sich
 
      im Organismus selbst (Genschäden, endogene Depression, Alterungsvorgänge, Infekte...) oder
 
      in seiner Umwelt (z.B. Fehlernährung, die den Organismus schwächt und für Störungen empfänglich macht; Veränderung der physikalisch-chemischen Umweltkomponenten, wie Sauerstoff- oder Substratmangel; Einwirkungen, die zu Verletzungen führen; Strahlung; etc), oder (sehr oft)
 
      im Zusammenwirken von Faktoren, die im Organismus einerseits, in seiner Umwelt andererseits zu finden sind.

 

Meaning of life? Die Sinnfrage verlässt den Boden der Naturwissenschaften - sie orientiert sich an der Bedeutung bzw. dem Zweck des Lebens an sich, sie ist teleologisch   ausgerichtet. Ist die Sinnfrage in diesem Rahmen überhaupt sinnvoll? Warum etwas so und nicht anders funktioniert, bleibt im wissenschaftlichen Terrain letztlich unbeantwortet, auch wenn man nachvollziehen kann, wie es funktioniert.

Geht man davon aus, dass sich das Phänomen Leben Schritt für Schritt bewähren muss und zahlreiche Versuche in Fehlentwicklungen münden (die - im darwinistischen Sinne - wieder aus der Reproduktionskette verschwinden), mag es akzeptabler erscheinen, den Mechanismus der Lebensvorgänge eher als offenes Spiel als in einem deterministischen Licht zu sehen.

Eine zielgerichtete Entwicklung des Lebens ist - aus wissenschaftlicher Sicht - nicht erkennbar, wohl aber ein ständiger Anpassungsmechanismus, gepaart mit besseren Überlebenschancen von Lebewesen, die mit den jeweils herrschenden Bedingungen ihrer Umwelt am ehesten harmonieren ("survival of the fittest"). Dabei ist unter "Fitness" nicht nur Stärke und Durchsetzungsvermögen, sondern ganz allgemein der Grad der Anpassung an biologische Erfordernisse zu verstehen.

Physiologische Adaptation kann in ganz unterschiedlichen Zeiträumen erfolgen, z.B. werden motorische Programme reflektorisch innerhalb von Sekundenbruchteilen adjustiert; hormonelle Reaktionen auf wechselnde Situationsprofile können innerhalb von Minuten erfolgen; die Regelung des Blutdrucks wird über Sekunden, Minuten, Stunden, Tage oder Monate an die jeweiligen Bedingungen angepasst; Organismen können auf Veränderungen von Umgebungsfaktoren über noch längere Zeiträume (z.T. epigenetisch) reagieren.

     Über Genetik und Epigenetik s. dort