AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 38/2016

Physiologie Das Rätsel des Schlafs

Es ist eine der großen Fragen der Biologie: Warum müssen wir eigentlich schlafen? Forscher hoffen nun auf Antworten - durch einen winzigen Fadenwurm.

Fadenwurm C. elegans bei der Paarung
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Fadenwurm C. elegans bei der Paarung

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Wovon Fadenwürmer träumen, weiß selbst Paul Sternberg nicht. Doch wie die millimeterkleinen Tiere einschlafen und was sie wieder aus dem Schlummer reißt, das hat der Biologe vom Caltech im kalifornischen Pasadena viele Jahre lang studiert.

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Akribisch untersuchte er, warum erschöpfte Fadenwürmer in eine Art Lethargie verfallen und wie wenig später der Duft verrottender Bakterien ihre Lebensgeister wieder weckt.

Der Schlaf, dem Sternberg sich in seiner Forschung widmet, ist ein Phänomen, das viele Biologen für eines der großen ungelösten Rätsel ihres Fachs halten.

  • Wozu drosseln fast alle Tiere regelmäßig ihre Lebenskraft?
  • Warum kann ein Mensch nicht dauerhaft wachen?
  • Und wie steuert und kontrolliert der Körper den Schlaf?

Antworten verspricht sich Sternberg ausgerechnet von jenem winzigen Wurm.

Eine wichtige Erkenntnis hat der Forscher gerade publiziert. Der Schlaf, so fanden er und sein Team heraus, besteht aus mehreren unabhängigen Komponenten: Appetit, Darmtätigkeit und Muskelkontraktion werden einzeln heruntergeregelt.

Nematoden, wie die Fadenwürmer wissenschaftlich heißen, sind meist klein und unscheinbar, doch allgegenwärtig. Im Erdreich und in Tümpeln gehen sie auf Mikrobenjagd, sie fressen Fäkalien und laben sich an Tierkadavern, vielfach nisten sie sich auch als Parasiten in größeren Organismen ein. All dies tun sie in schwindelnd großer Zahl: Von fünf Tieren, die den Planeten Erde bewohnen, zählen Schätzungen zufolge vier zum Stamm der Nematoden.

Rund 25.000 Arten von Fadenwürmern sind bekannt, in den Labors der Biologen indes ist bevorzugt eine von ihnen heimisch: Caenorhabditis elegans ist anspruchslos, vermehrt sich eifrig und gedeiht gut in Petrischalen. Deshalb haben die Wissenschaftler den Wurm zum Modellorganismus erkoren, den sie inzwischen so gründlich wie kaum ein anderes Tier untersucht haben.

1998 war dieser Wurm die erste mehrzellige Kreatur, deren Erbgut entziffert wurde. Inzwischen trägt jede einzelne ihrer exakt 959 Zellen einen eigenen Namen. Auch ist C. elegans das einzige Wesen, dessen Nervenschaltplan fast vollständig kartiert ist. Das hilft Forschern wie Sternberg herauszufinden, wie im Zusammenspiel der Neuronen Verhalten entsteht.

Wie wird die grazile Schlängelbewegung der Tiere gesteuert? Wie finden sie ihre Nahrung? Und wie bringen einige wenige Neuronen die Würmer dazu, dass sie bei der Paarung geschmeidig aneinander entlanggleiten? All diese Fragen hat Forscher Sternberg im Wurmlabor des Caltech untersucht. Irgendwann fiel ihm dann auf, dass seine Nematoden manchmal auch gar nichts taten: Sie hörten auf zu fressen, sie schieden keine Exkremente aus, und auch das Geschlängel kam zum Stillstand. War es möglich, dass die Würmer schliefen?

Inzwischen sind viele Biologen der Meinung, dass die Lethargie der Fadenwürmer die Bezeichnung "Schlaf" verdient. Drei Formen werden dabei unterschieden: Vor jeder Häutung der Wurmlarven, nach üppigen Mahlzeiten und bei Stress durch Hitze, Kälte oder Verletzungen kommen die Tiere zur Ruhe, typischerweise eine Stunde lang. Unterschiedliche Schaltkreise lösen jeweils den Schlaf aus; der schläfrige Zustand selbst jedoch scheint in allen drei Fällen der gleiche zu sein.

Ein einzelnes Neuron, ALA genannt, ist zuständig für die Einleitung des stressbedingten Schlafs. Ist diese Zelle defekt, plagt dauerhafte Schlaflosigkeit den Wurm. "Diese eine Nervenzelle übernimmt beim Fadenwurm die Rolle, die bei uns der Hypothalamus spielt", sagt Sternbergs Mitarbeiter Ravi Nath.

Wie das Steuerorgan im Menschenhirn, so schüttet auch die ALA-Zelle Botenstoffe aus, die das gesamte Nervensystem beeinflussen. Besonders drei Substanzen produziert sie in auffällig hohen Mengen. Eine davon bewirkt, dass das Tier aufhört zu fressen. Die zweite ist erforderlich, um die Verdauung herunterzuregeln. Die dritte schließlich lähmt die Muskeln.

Das große Rätsel, warum die Natur den Schlaf erfunden hat, vermag diese Entdeckung zwar nicht zu lösen. Über sein Wesen jedoch verrät sie etwas: Der Schlaf erweist sich als Bausatz aus mehreren Einzelteilen. Indem die ALA-Zelle alle drei Steuersubstanzen zugleich ausschüttet, versetzt sie den ganzen Wurm in Schlummer. Andererseits können die Einzelkomponenten auch unabhängig voneinander aktiviert werden, wenn nur eine oder zwei der Signalsubstanzen freigesetzt werden. Als Beispiel nennt Nath den Sex: Solange sich die Tiere paaren, wird nicht die Bewegung, wohl aber die Ausscheidung von Exkrementen unterbunden.

Nath fasziniert die Vorstellung, dass der Schlaf des Menschen vielleicht ebenfalls aus mehreren Bausteinen besteht. Denn auch beim Menschen bestimmt eine Vielzahl neuronaler Botenstoffe darüber, wie müde er sich fühlt. Möglicherweise spricht jede dieser chemischen Substanzen nur einzelne Anteile des Schlafs an.

Medizinisch, meint Forscher Nath, könnte dies durchaus von Bedeutung sein. Viele Eltern zum Beispiel würden sich wünschen, dass sie des Nachts Darm und Blase ihrer Kinder gezielt in besonders tiefen Schlaf versetzen könnten.

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insgesamt 4 Beiträge
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Seite 1
mal_anders 23.09.2016
1. journalistisches Anwendungsbeispiel
Spannende Geschichte, aber ich hoffe mal, dass die genannte Anwendung, dass "Eltern des Nachts Darm und Blase ihrer Kinder gezielt in besonders tiefen Schlaf versetzen könnten", im Wesentlich der vom Autor angestrebten "Lesernähe" geschuldet ist und der Forscher selbst etwas visionärer und gesellschaftsdienlicher ausgerichtet ist. Weil das am Ende ist, zieht es den ganzen Artikel im Niveau herunter.
murksdoc 23.09.2016
2. Ganz Einfach
Unser Gehirn besteht aus Millionen von Rezeptoren pro Kubikmillimeter. Ein Rezeptor reguliert den Kanal zwischen Zellinnerem und -Äusserem. Wird dieser geöffnet, kommt es zu einem elektrischen Ladungsausgleich, es fliesst ein Strom. Die gleichzeitige Öffnung oder Blockade einer bestimmten Kombination von Rezeptoren ergibt einen Gedanken, einen Sinneseindruck oder ein Gefühl. Das ist das Klavier auf dem wir spielen, aber wie bei jedem Klavier mit hunderten von Trillionen von Tasten, bleibt mal eine stecken, das heisst, ein Blocker oder ein Transmitter kann nicht mehr entfernt werden. Diese "Taste" muss dann wieder "gängig" gemacht werden. Wie bei einem Klavier, bei dem diese Arbeit einen Ton erzeugen würde, erzeugt das bei uns Gedanken, also kann das nicht im Wachzustand passieren, wir könnten sonst die Realität nicht mehr erkennen. Deshalb macht man es in einem Zustand, in dem das Bewusstsein auf "Stand By" geschaltet wird und dieser Zustand nennt sich "Schlaf". Die Gedanken, die durch die "Reparaturarbeiten" erzeugt werden, nennen sich "Traum". Diejenigen, bei denen dieser Mechanismus nicht richtig funktioniert, nennt man "Psychotiker" oder "Schizophren". Das sind die, die diese Arbeiten im Wachzustand erdulden müssen und deshalb "Halluzinationen" haben. Die, bei denen die Reparaturmechanismen nicht ausreichend funktionieren, verlieren progressiv immer mehr Rezeptoren, eine Krankheit, die man "Senile Demenz" oder "Morbus Alzheimer" nennt. Das ist zumindest meine Theorie. Da ich aber beruflich mit diesen Mechanismen zu tun habe, ist es nur die logische Integration der Prinzipien, die bis heute schon bekannt sind.
testuser2 23.09.2016
3. Aufwach-Vorgang aus Halbschlaf
Faszinierend finde ich manchmal das Gefühl, aus einem Halbschlaf (nicht unbedingt aus dem Nachtschlaf) aufzuwachen. Es fühlt sich an, als ob einem mit hoher Geschwindigkeit eine Haube oder eine Mütze vom Kopf gezogen wird und man in wenigen Augenblicken wieder voll da ist. Die Empfindung scheint dabei vom Halsbereich nach oben gerichtet zu sein und ein leichtes Kribbeln zu verursachen. Die Abläufe sind wohl in dem Bereich der Neurophysiologie mit Reizaufnahme und -weiterleitung im Gehirn zu sehen. Die Fähigkeit, schnell aus einem Schlaf aufwachen zu können, wie sie auch bei Katzen oder Hunden gut zu beobachten ist, ist auch sinnvoll, um im Fall einer Gefahr schnell reagieren zu können.
Putin-Troll 23.09.2016
4. Theorie ist grau
Zitat von murksdocUnser Gehirn besteht aus Millionen von Rezeptoren pro Kubikmillimeter. Ein Rezeptor reguliert den Kanal zwischen Zellinnerem und -Äusserem. Wird dieser geöffnet, kommt es zu einem elektrischen Ladungsausgleich, es fliesst ein Strom. Die gleichzeitige Öffnung oder Blockade einer bestimmten Kombination von Rezeptoren ergibt einen Gedanken, einen Sinneseindruck oder ein Gefühl. Das ist das Klavier auf dem wir spielen, aber wie bei jedem Klavier mit hunderten von Trillionen von Tasten, bleibt mal eine stecken, das heisst, ein Blocker oder ein Transmitter kann nicht mehr entfernt werden. Diese "Taste" muss dann wieder "gängig" gemacht werden. Wie bei einem Klavier, bei dem diese Arbeit einen Ton erzeugen würde, erzeugt das bei uns Gedanken, also kann das nicht im Wachzustand passieren, wir könnten sonst die Realität nicht mehr erkennen. Deshalb macht man es in einem Zustand, in dem das Bewusstsein auf "Stand By" geschaltet wird und dieser Zustand nennt sich "Schlaf". Die Gedanken, die durch die "Reparaturarbeiten" erzeugt werden, nennen sich "Traum". Diejenigen, bei denen dieser Mechanismus nicht richtig funktioniert, nennt man "Psychotiker" oder "Schizophren". Das sind die, die diese Arbeiten im Wachzustand erdulden müssen und deshalb "Halluzinationen" haben. Die, bei denen die Reparaturmechanismen nicht ausreichend funktionieren, verlieren progressiv immer mehr Rezeptoren, eine Krankheit, die man "Senile Demenz" oder "Morbus Alzheimer" nennt. Das ist zumindest meine Theorie. Da ich aber beruflich mit diesen Mechanismen zu tun habe, ist es nur die logische Integration der Prinzipien, die bis heute schon bekannt sind.
Dass der Schlaf gewissermaßen dem Zurücksetzen des Gehrins dient ist durchaus nicht nur Ihre Theorie. Aber: nicht alles, was sich plausibel anhört ist in der Natur tatsächlich auch so. Hier ist noch viel Forschungsarbeit nötig.
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