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Sind die Zellen von Walen größer als die von Mäusen?

18. März 2020

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Die roten Blutkörperchen müssen klein sein, um ihre Funktion optimal erfüllen zu können. Foto: Arek Socha/Pixabay

Sie ist der Grundbaustein sämtlicher Lebewesen: die Zelle. Ein erwachsener Mensch besteht zum Beispiel aus rund 100 Billionen Zellen, das sind 100 000 000 000 000 einzelne Zellen. Im menschlichen Körper gibt es mehr als 200 verschiedene Zelltypen mit den unterschiedlichsten Formen und Aufgaben: Frisbeeförmige rote Blutzellen transportieren Sauerstoff, verästelte Neuronen leiten Informationen weiter und ziegelsteinförmige Hautzellen bauen die Haut auf. 

Die Größe einer Zelle hängt mit ihrer Funktion zusammen

Damit die Zelle ihre Aufgaben erfüllen kann, benötigt sie Energie. Diese kann sie selbst mit Hilfe von Sauerstoff aus Nährstoffen gewinnen. Dazu muss sie mit diesen Stoffen versorgt werden. Der Stoffaustausch findet an der Zellmembran statt und ist von der Oberfläche der Zelle abhängig. Das Oberfläche-/Volumenverhältnis der Zelle spielt dabei eine wichtige Rolle. Wächst eine Zelle, nimmt ihr Volumen deutlich stärker zu als ihre Oberfläche. Stoffwechselaktive Zellen sind daher meist klein – und haben dadurch ein günstigeres Oberfläche-/Volumenverhältnis.

Innerhalb der Säugetierfamilie ähneln sich die Baupläne der einzelnen Zelltypen stark, denn sie übernehmen meistens die gleichen Aufgaben. Jedoch unterscheiden sich Säugetiere teils deutlich in ihrer Größe. Die Etruskerspitzmaus etwa wird nur knapp fünf Zentimeter groß, der Pottwal dagegen bis zu 20 Metern lang. Sind dann auch die Zellen des Pottwals deutlich größer als die der Maus?

Rote Blutkörperchen müssen klein sein

Allgemein lässt sich das nicht sagen. Wir haben uns als Beispiel die roten Blutkörperchen herausgepickt, da ihre Zellgröße besonders wichtig für ihre Funktion ist. Die roten Blutkörperchen sind für den Gasaustausch in unserem Körper verantwortlich. In der Lunge dockt Sauerstoff an das Hämoglobin an, ein spezielles Protein in den roten Blutkörperchen. Der Sauerstoff wird dann von den roten Blutkörperchen über den Blutkreislauf zu allen Zellen des Körpers transportiert.

Um sich durch die schmalen Kapillaren quetschen zu können, müssen die roten Blutkörperchen klein und verformbar sein. Die roten Blutzellen von Säugetieren haben deshalb eine Besonderheit: Sie sind im Vergleich zu den roten Blutkörperchen anderer Wirbeltiere kernlos. Damit sie dennoch effizient Sauerstoff aufnehmen können, sind sie als runde Scheibe mit zentraler Vertiefung geformt. Dies vergrößert ihre Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Dadurch können sie den Sauerstoff besser aufnehmen und auch wieder abgeben. Aufgrund des fehlenden Zellkerns bestehen sie außerdem zu 90% (der Trockenmasse) aus Hämoglobin.

Vergleicht man die roten Blutkörperchen des Pottwals mit denen der Etruskerspitzmaus, stellt man fest: Ihre Größe unterscheidet sich nicht wesentlich. Die roten Blutkörperchen des Pottwals, der immerhin 20 Meter lang und 70 Tonnen schwer werden kann, haben einen Durchmesser von vier bis zwölf Mikrometer. Nager, wie die ein bis zwei Zentimeter große Etruskerspitzmaus, haben vier bis sieben Mikrometer große rote Blutkörperchen. Zum Vergleich: Die roten Blutkörperchen des Menschen reihen sich mit etwa sieben bis acht Mikrometern ein.

Es kommt auf die richtige Anpassung an

Pottwale können mehr als 2.500 Meter tief und länger als eine Stunde tauchen, ohne Luft zu holen. Dafür benötigen sie einen enormen Sauerstoffvorrat. Dennoch braucht der Pottwal – nur weil er selbst groß ist – dazu keine riesigen roten Blutkörperchen. Er hat andere Strategien entwickelt, um Höchstleitung bei seinen Tauchgängen zu erreichen. So haben Pottwale nicht nur doppelt so viel Hämoglobin in derselben Blutmenge wie beispielsweise der Mensch. Sie können auch deutlich mehr Sauerstoff aufnehmen, indem sie ihn im Myoglobin, einem Hämoglobin-ähnlichem Protein in den Muskeln, speichern. Pottwale haben einen etwa zehn Mal so hohen Myoglobin-Gehalt im Muskel wie der Mensch. Um möglichst wenig Sauerstoff beim Tauchen zu verbrauchen, verlangsamen die Wale zusätzlich ihren gesamten Stoffwechsel. Ihr Herz schlägt nur noch vier bis sechs Mal pro Minute und nur Gehirn, Herz und Rückenmark werden während des Tauchgangs mit Blut versorgt.

Im krassen Gegensatz dazu steht die Etruskerspitzmaus. Sie teilt sich den Titel des kleinsten Säugetiers mit der Hummelfledermaus. Je kleiner ein Tier ist, desto größer ist seine Oberfläche im Verhältnis zum Volumen und desto höher ist der Wärmeverlust. Um ihre Körpertemperatur trotzdem aufrecht zu erhalten, hat die Etruskerspitzmaus einen extrem hohen Stoffwechsel: Die knapp zwei Gramm schwere Maus verzehrt täglich das Doppelte ihres Körpergewichts. Ihr Körper ist speziell an ihren hohen Stoffwechsel angepasst: Damit ihr Blut viel Sauerstoff aufnehmen kann, hat es einen höheren Hämoglobingehalt als das anderer Säugetiere. Auch ihr Herz ist im Verhältnis zum Körpergewicht doppelt so groß wie das anderer Tiere. Es schlägt bis zu 1.500 Mal pro Minute. Zum Vergleich: Der Drum’n‘Bass Beat liegt bei 160 bis 190 bpm, der Herzschlag eines Menschen bei 50 bis 100 Schlägen pro Minute.

Die Zellen von großen Tieren müssen also nicht zwingend größer sein. Viel wichtiger ist es, dass biologische Funktionen wie Stoffwechsel, Atmung und Körperwärme optimal an die unterschiedliche Lebensweise der Tiere angepasst sind.

Bei der Beantwortung der Frage hat uns Prof. Dr. Berit Jungnickel vom Institut für Biochemie und Biophysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Dr. Karlheinz Esser, Molekularbiologe, Köln unterstützt.

Redaktion: Sina Metz

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