Das Prinzip Wachstum

April 2016, Vivai
Manchmal geht es ganz schnell, manchmal aber auch ganz langsam. Wachstum ist eine Grundeigenschaft allen Lebens.

Jetzt im Frühling zeigt sich die Allgegenwärtigkeit des Wachstums ganz deutlich. Ringsherum brechen die Knospen der Bäume auf und innert weniger Tage quellen aus ihnen Blätter und Blüten hervor. Es ist einer der schnellsten Wachstumsvorgänge in der Natur. Dabei stellen die Pflanzen sogar die Tiere in den Schatten. Das schaffen sie dank eines genialen Tricks.

Die meisten Zellen ihrer Blätter und Blüten legen sie bereits im Vorjahr als Miniaturversion in den Knospen an. Das ist ein zeitraubender und energieintensiver Vorgang. Darum erledigen die Pflanzen diese Arbeit in den Sommermonaten, wenn die Sonne die meiste Energie liefert. Im Frühling brauchen die Pflanzen ihre vorgefertigten Blätter und Blüten nur noch mit Wasser aufzupumpen. Das geht sehr zügig und braucht fast keine Energie.

Aber Pflanzen können auch sehr, sehr langsam sein. Diesen Rekord halten Flechten, die auf schneefreien Felsen in der Antarktis gedeihen. Dort sind die Lebensbedingungen aufgrund der Kälte nur für wenige Wochen pro Jahr gut genug, um überhaupt Wachstum zu ermöglichen. Und selbst dann ist es fast nicht feststellbar. Manche Flechten dehnen sich pro Jahr gerade mal um vier Tausendstel Millimeter.

Das Prinzip Wachstum ist so alt wie das Universum selbst. Kristalle etwa wuchsen schon lange bevor das erste Leben auf der Erde entstanden ist. Manche von ihnen werden über zehn Meter gross und als kristallines Gestein erschaffen sie sogar ganze Gebirge.

Kristalle zeigen, was jedes Wachstum unbedingt braucht: ein Keim. So gibt es beispielsweise im Zentrum jeder Schneeflocke ein winziges Staubpartikel, das dem Wasser einst als Ausgangspunkt für seine Kristallisation diente. Ist das Wasser zu rein, bilden sich keine Eiskristalle, auch wenn seine Temperatur unter null Grad Celsius fällt. Auf diese Weise entsteht Eisregen. Die Tröpfchen in den Wolken sind «unterkühlt», wie Physiker sagen. Sobald sie jedoch auf der Strasse aufschlagen, finden sie genug Staub und Dreck, an denen die Eiskristalle ihr Wachstum beginnen können. Innert Sekundenbruchteilen produzieren sie so die berüchtigten spiegelglatten Fahrbahnen.

Wachstum von Organismen ist ein enorm komplizierter Vorgang. Er beinhaltet Gene, Proteine, Hormone und Botenstoffe, die alle wie in einer perfekt inszenierten Choreographie zusammenspielen müssen. Einer der wichtigsten Taktgeber bei allen Wirbeltieren ist die Schilddrüse. Sie befindet sich meist in der Nähe des Kehlkopfs und wird schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium eines Tieres angelegt. Sie schüttet Hormone aus, die bestimmen, wann was im Körper zu wachsen hat.

Der Biologe Donald Brown von der Carnegie Institution for Science in den USA erforscht die Funktion der Schilddrüsenhormone in der Entwicklung von Kaulquappen zu Fröschen. «Bei niedrigen Hormonkonzentrationen beginnen sich als erstes die Arme und Beine zu bilden», sagt er. Mit fortschreitendem Wachstum nimmt die Konzentration der Hormone zu, was eine Beschleunigung der Metamorphose zur Folge hat. «Wenn die Konzentration der Hormone ihr Maximum erreicht, passieren die meisten Veränderungen. Beispielsweise entwickeln sich dann die inneren Organe wie etwa die Lunge.»

Die Hormone funktionieren dabei wie Schlüssel. In jeder Zelle der Kaulquappe gibt es dazugehörige Schlüssellöcher. Diese sind wiederum mit den Genen der Zelle verbunden und können spezifische Abschnitte im Erbgut der Kaulquappe ein- oder ausschalten. Jedes ausgeschüttete Hormon öffnet also die Tür zu einem bestimmten Abschnitt auf dem Erbgut. Dort steht geschrieben, was die Zelle als nächstes zu tun hat. Durch die genaue Reihenfolge von Hormonen entsteht aus der Kaulquappe innert weniger Monate ein Frosch.

Das Prinzip Wachstum funktioniert in der Natur so gut, dass die Welt längst unter einem dicken Mantel aus Biomasse versunken sein müsste. Doch das ist sie nicht, denn bei allen Lebewesen gibt es Grenzen des Wachstums. Das zeigt sich beispielsweise bei den Bäumen. Die höchsten von ihnen sind die Küstenmammutbäume aus Kalifornien. Sie erreichen spielend hundert Meter oder mehr. Der höchste von allen ragt zurzeit 115 Meter in den Himmel. Botaniker haben berechnet, dass die maximal mögliche Höhe um die 130 Meter liegt. Dann kommt der Wassertransport des Baumes an seine physikalischen Grenzen.

Um Wasser von den Wurzeln bis in die obersten Blätter zu hieven, gibt es im Stamm eines Baumes Tausende von hauchdünnen Leitungen. In ihnen gibt es eine stehende Wassersäule, die von ganz unten bis ganz oben reicht. Der Fluss kommt dadurch zu Stande, dass die Blätter laufend Wasser ausschwitzen. Dadurch entsteht am oberen Ende des Baumes ein Unterdruck, der das Wasser nach oben zieht. Bei 130 Meter würde der Unterdruck minus 20 Bar betragen. Bei einem noch tieferen Druck würde die stehende Wassersäule wie ein überdehntes Gummiband zerreissen. Dadurch würden Lufteinschlüsse entstehen, welche den Wassertransport zum Erliegen brächten.

Aber die Physik ist nicht die einzige Begrenzung des Baumwachstums. Seit Jahrtausenden fällt, trimmt und rodet der Mensch Bäume. Heute werden pro Jahr 33 000 Quadratkilometer Wald abgeholzt. Das entspricht drei Viertel der Fläche der Schweiz. Wirklich ohne Einschränkungen wachsen, dürfen Bäume nur noch in Naturschutzgebieten.

Eine der wichtigsten natürlichen Begrenzungen des Wachstums ist der Sauerstoff in der Atmosphäre. Er ist eine Grundvoraussetzung für ein schnelles und vor allem grenzenloses Wachstum. Bei Tieren und Menschen benötigen alle Prozesse Sauerstoff: die Verdauung, die Bereitstellung von Energie oder die Bildung neuer Zellen.

Je mehr Sauerstoff es gibt, desto schneller laufen die Prozesse ab und desto grössere Mengen an Stoffen kann ein Körper verarbeiten. In der Folge werden die Lebewesen grösser. Vor 300 Millionen Jahren machte das Leben auf der Erde eine solche Phase durch. Damals stieg die Sauerstoffkonzentration an und lag für ein paar Millionen Jahre um die Hälfte höher als heute. Das hatte enorme Auswirkungen auf das Wachstum von Insekten. So gab es beispielsweise Libellen mit einer Flügelspannweite von bis zu siebzig Zentimetern, oder Tausendfüsser, die eine Körperlänge von zwei Metern erreichten.

Heute sind solche Grössen bei Insekten undenkbar, sagt der Molekularbiologe Johannes Bischof von der Universität Zürich. Die Atmosphäre kann einfach nicht genug Sauerstoff liefern, um die Prozesse im Insektenkörper am Laufen zu halten. Damit ein Insekt nicht versehentlich zu gross wird, besitzt es Gene, welche seine Grösse festlegen. «Es gibt Hunderte von Genen, die dafür sorgen, dass diese beim Wachstum nicht überschritten wird», sagt Bischof. «Im Laufe der Evolution entwickelt jedes Tiere die Grösse, die für sein Überleben am besten ist.»

Doch Wachstum bedeutet fast immer auch Tod. Das zeigt sich bei der Entwicklung des Froschs. Während seiner Metamorphose gibt es immer wieder Dinge, die weg müssen. Beispielsweise der Schwanz der Kaulquappe oder ihre Kiemen. Das geht nur mit einem «negativen Wachstum». Biologen nennen das den programmierten Zelltod. Das bedeutet die kontrollierte Zerstörung von einzelnen Zellen zum Wohle des Organismus. Das lässt sich am besten mit einer Firma in der Krise vergleichen. Wenn sie überleben will, muss sie Angestellte entlassen und sich gesund schrumpfen. Das ist zwar hart für den Einzelnen, aber dafür überlebt die Organisation als Ganzes.

In der Natur könnten sich ohne den programmierten Zelltod viele Dinge gar nicht erst entwickeln. Eine Mäusepfote beispielsweise beginnt ihren Werdegang am Embryo als spatenähnliche Platte. Die einzelnen Finger entstehen erst, indem die Zellen dazwischen gezielt abgetötet werden. Das ist auch beim Wachstum einer menschlichen Hand der Fall.

Der kontrollierte Tod ist in jede lebende Zelle in Form von Enzymen miteingebaut. Einmal aktiviert, zerlegen sie die Zelle Stück für Stück. Dabei schrumpft sie langsam in sich zusammen. Am Ende wird die tote Zelle von ihren Nachbarn gefressen. Die Nährstoffe helfen ihnen wiederum beim Wachstum.

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