Part 67

Weitere Versuche an den Zentren des Rückenmarks beim Frosch haben dann die wichtige Tatsache ergeben, +daß die Dauer des Refraktärstadiums bei gleicher Temperatur allein abhängig ist von der Sauerstoffversorgung+[568]. Diese Versuche, die mit der p. 552 beschriebenen Methodik ausgeführt wurden, zeigten, daß man durch Sauerstoffmangel die Dauer des Refraktärstadiums beliebig in die Länge ziehen und durch erneute genügende Sauerstoffzufuhr wieder bis auf Bruchteile einer Sekunde verkürzen kann. Bei dauerndem Sauerstoffmangel wird das Refraktärstadium immer länger, bis es schließlich unendlich ist, d. h. bis die Erregbarkeit sich überhaupt nicht wieder herstellt. Es ist aber nicht die +absolute+ Menge des zur Verfügung stehenden Sauerstoffs, welche die Dauer des Refraktärstadiums bestimmt, sondern die +relative+ Menge, d. h. die Menge im Verhältnis zum Bedarf der lebendigen Substanz. Der Bedarf aber wird bestimmt durch die Intensität des Stoffwechsels der lebendigen Substanz. Wird z. B. der Stoffwechsel sehr häufig in rhythmischer Weise durch Reize erregt, so reicht die Menge von Sauerstoff, die bei geringerer Reizfrequenz genügen würde, um nach jedem Reiz die vollständige Erholung zu gestatten, bald nicht mehr aus und das Refraktärstadium wird nach jeder Reizung länger. Das zeigt deutlich, daß das Refraktärstadium nichts weiter ist als der Ausdruck einer Arbeitslähmung. Ebenso wird natürlich der Sauerstoffbedarf abhängig sein von der Temperatur, da bei höherer Temperatur der Stoffwechsel intensiver ist als bei niedrigerer. Die Sauerstoffzufuhr, die bei niedriger Temperatur bei bestimmter Reizfrequenz eben ausreicht, um zwischen zwei Reizen immer vollständige Restitution zu gestatten, wird bei höherer Temperatur nicht genügen und daher trotz gleichbleibender Reizfrequenz zu immer längeren Refraktärstadien führen. Daß dagegen bei vollkommen ausreichender Sauerstoffversorgung die Dauer des Refraktärstadiums bei niedrigerer Temperatur größer ist als bei höherer, ist selbstverständlich, da ja Erniedrigung der Temperatur ganz allgemein verzögernd, Erhöhung aber beschleunigend auf den Ablauf chemischer Prozesse wirkt. Daher liefert z. B. das Rückenmark des Strychninfrosches, wie ~H. von Baeyer~[569] gezeigt hat, bei 1° C nur etwa 2–3 Impulse, bei 18° C dagegen etwa 12 Impulse in der Sekunde. Schließlich ist der Sauerstoffbedarf der lebendigen Substanz bei gleicher Temperatur nicht bloß abhängig von der Frequenz der Reizung, sondern bei den allermeisten Formen der lebendigen Substanz auch von der Intensität der Reize, weil fast überall innerhalb gewisser Grenzen die Größe des Reizerfolgs mit der Intensität des Reizes zunimmt. Daher wird das Refraktärstadium unter sonst gleichen Bedingungen nach einem stärkeren Reiz länger sein als nach einem schwächeren Reiz, d. h. es wird nach einem stärkeren Reiz länger dauern bis der status quo ante der lebendigen Substanz wieder hergestellt ist, als nach einem schwächeren Reiz. Es ist aber selbstverständlich zu berücksichtigen, mit welcher Reizstärke man dabei die Erregbarkeit während des Refraktärstadiums prüft. Da nach jeder Reizung die Erregbarkeit nur allmählich wieder ihren ursprünglichen Höhepunkt erreicht, so ist das Refraktärstadium für die Prüfung mit einem an der Reizschwelle gelegenen Reiz länger als für die Prüfung mit einem starken Reiz, der schon wieder einen Reizerfolg liefert, ehe die Erregbarkeit ganz auf ihr ursprüngliches Niveau zurückgekehrt ist. Daraus erklärt sich eine auf den ersten Blick sehr paradox erscheinende Tatsache, die jedem Physiologen wohlbekannt ist, nämlich die Tatsache, daß z. B. Nervmuskelpräparate für ganz schwache Reize, die eben gerade den Schwellenwert erreichen, viel leichter ermüden, als für starke Reize. Diese besonders für das Geschehen in unserem Nervensystem höchst wichtige Tatsache ist aber ohne weiteres verständlich, wenn man sich bewußt bleibt, daß die Ermüdung eben +relativ+ ist in bezug auf die Reizstärke. Ist die Ermüdung nur ganz gering, d. h. die Erregbarkeit nur sehr wenig vermindert, so wird ein Schwellenreiz eben nicht mehr wirken, während ein starker Reiz eine starke Wirkung erzielt. Die Wiederherstellung der Erregbarkeit nach einer Erregung vollzieht sich aber so, daß sie von dem tiefsten Niveau anfänglich sehr schnell, dann aber langsamer und langsamer ansteigt, bis sie schließlich wieder ihren Ausgangswert erreicht hat. Der Begriff des „+relativen Refraktärstadiums+“, bei dem ein Objekt nur für eine gewisse niedrige Reizstärke refraktär ist, muß daher geschieden werden von dem Begriff des „+absoluten Refraktärstadiums+“, bei dem das Objekt überhaupt für jede, auch für die größte Reizstärke unerregbar ist.

Wir haben gesehen, daß die Arbeitslähmung der lebendigen Substanz allein abhängig ist von der +relativen Sauerstoffversorgung+, d. h. von dem Verhältnis des Sauerstoffbedarfs zur Sauerstoffzufuhr. Solange der Bruch Sauerstoffbedarf zu Sauerstoffzufuhr = 1 ist, tritt keine Arbeitslähmung ein. Erst wenn der Bruch größer wird als 1, also bei +relativem Sauerstoffmangel+, entwickelt sich die Ermüdung. Da nun das Refraktärstadium eine Form der Arbeitslähmung ist, so liegt es auf der Hand, daß von verschiedenen Formen der lebendigen Substanz, die unter gleichen Bedingungen der Sauerstoffversorgung und Temperatur sich befinden, diejenigen, welche schneller ermüden, auch ein längeres Refraktärstadium haben müssen. Ganglienzellen ermüden unter den Bedingungen, unter denen sie im intakten Körper stehen, sehr leicht, Nerven gar nicht. Es wäre also zu erwarten, daß das Refraktärstadium der Ganglienzellen verhältnismäßig lang, das der Nerven äußerst kurz ist. Das ist in der Tat der Fall. Während das Refraktärstadium der Ganglienzellen beim Frosch bei Zimmertemperatur etwa 0,1 Sekunde beträgt, ist das Refraktärstadium der Nerven so kurz, daß es kaum meßbar ist. Man hat es bei Anwendung von maximalen Reizen nur annähernd auf 0,001–0,005 Sekunden berechnen können. Daher ist der Nerv an der Luft, wo ihm Sauerstoff im Ueberfluß zur Verfügung steht, unermüdbar, denn es ist nicht möglich, eine genügend große Reizfrequenz von ausreichender Stärke auf ihn experimentell einwirken zu lassen, da mit zunehmender Frequenz der Reize die Dauer des elektrischen Einzelreizes sehr bald bis zur völligen Unwirksamkeit abnimmt. Wie ~Nernst~ und ~Barratt~[570] gezeigt haben, muß aber die Intensität des einzelnen Reizes bei zunehmender Reizfrequenz proportional der Quadratwurzel aus der Frequenzzahl wachsen, wenn der Reiz einen eben noch wahrnehmbaren Reizerfolg erzielen soll. Das ist für die Frequenzen, deren Intervalle kürzer wären als das Refraktärstadium des Nerven, experimentell mit unserer elektrischen Reizmethodik nicht zu erreichen. Nach dem oben Gesagten muß aber durch Sauerstoffmangel das Refraktärstadium des Nerven ganz beträchtlich in die Länge gezogen werden können und damit muß es auch gelingen, den Nerven zu ermüden. In der Tat hat ~Fröhlich~[571] in einer reinen Stickstoffatmosphäre das Refraktärstadium des Nerven bis auf etwa 0,1 Sekunde verlängern können und dementsprechend erzielte er auch die Ermüdung des Nerven.

Für das Verständnis des Mechanismus der sämtlichen rhythmischen Lebensäußerungen, wie Herztätigkeit, Atembewegungen, tonische Erregungen, Wimperschlag, Vakuolenpulsationen etc. ist die Tatsache des Refraktärstadiums von grundlegender Bedeutung und jede Theorie des Rhythmus wird an diesen wichtigsten Faktor anknüpfen müssen[572].

3. Die scheinbare Erregbarkeitssteigerung durch Reize.

Schon seit langer Zeit ist die Tatsache bekannt, daß gewisse Reize, die bei längerer Dauer oder oft wiederholter Einwirkung eine Lähmung der lebendigen Substanz erzeugen, im Beginn ihrer Einwirkung erst ein Stadium gesteigerter Erregbarkeit hervorrufen. So ist z. B. ein solches „Exzitationsstadium“ im Beginn der Wirkung von Narcoticis oft beschrieben worden. Dem Arzt ist das Exzitationsstadium der Morphiumwirkung eine geläufige Tatsache. Auch für die Herztätigkeit ist eine solche erregende Wirkung z. B. des Alkohols behauptet worden. Da indessen in solchen Fällen, wo es sich um die Erregung von Tätigkeiten im komplizierten Zellenstaat des Wirbeltierkörpers handelt, die Genese sehr wenig klar ist, so war zu prüfen, ob sich ein derartiges Exzitationsstadium im Beginn der Narkose auch bereits an der einzelnen Zelle beobachten läßt. In der Tat hat ~H. Nagai~[573] an Infusorienzellen eine solche erregende Wirkung des Alkohols auf die Wimperbewegung im Beginn der Einwirkung oder bei äußerst schwachen Dosen durch sehr sorgfältige Versuche nachweisen können. Er bediente sich als Maßstab für die Wimpertätigkeit der Schwimmgeschwindigkeit der +Paramäcien+, indem er ihre Galvanotaxis benutzte und die Infusorien durch einen galvanischen Strom von immer gleicher Stärke zwang, eine bestimmt abgemessene Strecke in gerader Schwimmrichtung zurückzulegen. Dabei fand er, daß bei sehr schwachen Dosen von Alkohol ganz zweifellos die gleiche Strecke in kürzerer Zeit durchschwommen wurde, als ohne Alkohol, und als bei nur wenig stärkeren Dosen. Auch an der Nervenfaser war schon früher von ~Waller~[574] beobachtet worden, daß die Aktionsströme, die der Nerv bei Reizung mit tetanisierenden Reizen liefert, im Beginn der Einwirkung von Narcoticis eine Verstärkung zeigen, und ~Boruttau~[575] konnte diese Angabe bestätigen. Er beobachtete dabei, daß diese Verstärkung des tetanischen Aktionsstromes zum großen Teil auf einer Verlängerung der Dauer der in der tetanischen Erregung enthaltenen Einzelerregungen beruht. ~Fröhlich~[576], der eine wirkliche Erregbarkeitssteigerung niemals bei der Narkose am Nerven gefunden hatte, konnte dann in gemeinschaftlichen Versuchen mit ~Boruttau~[577] nachweisen, daß im Gegenteil bei der Narkose trotz der Verstärkung des tetanischen Aktionsstromes stets eine Herabsetzung der Erregbarkeit, also eine Lähmung, vorhanden ist. Das schien zunächst sehr paradox. Aber ~Fröhlich~[578] hat sehr bald nachgewiesen, daß beim Muskel in der Entwicklung der Arbeitslähmung[579] ein ganz analoges Verhältnis vorliegt, und er ist bei weiterer Verfolgung dieser Tatsache zur Entdeckung eines Prinzips gelangt, des „+Prinzips der scheinbaren Erregbarkeitssteigerung+“, das sich als ein Prinzip von ganz außerordentlicher Verbreitung und Bedeutung herausgestellt hat.

Um das scheinbare Paradoxon einer Erregbarkeitssteigerung bei allmählicher Lähmung zu verstehen, ist es zweckmäßig, wenn wir uns zunächst an die Veränderungen erinnern, die der Muskel bei der Ermüdung erfährt. Wir haben gesehen, daß die einzelne Zuckungskurve des ermüdeten Muskels sich von derjenigen des frischen Muskels dadurch unterscheidet, daß ihr Ablauf ganz beträchtlich verlängert ist, und zwar so, daß speziell der absteigende Schenkel der Kurve, welcher der Wiederstreckung des Muskels nach seiner Verkürzung entspricht, stark in die Länge gezogen ist. Das heißt mit anderen Worten, daß der ermüdete Muskel sich viel langsamer wieder streckt als der frische. Dazu kommt bei fortschreitender Ermüdung noch ein allmähliches Niedrigerwerden der Zuckungshöhe bis zum vollständigen Aufhören jeder Zuckung. Die Verlangsamung der Wiederstreckung des Muskels findet nun bei der allmählichen Ermüdung des Muskels durch rhythmisch aufeinander folgende Reize ihren ersten Ausdruck in der „Treppe“, d. h. in der Tatsache, daß die Zuckungen im Beginn der Reizung zunächst eine Zunahme ihrer Höhe erfahren. Hier liegt schon das scheinbare Paradoxon. Obwohl der Muskel durch die andauernde Arbeit allmählich gelähmt wird, werden seine Zuckungen dennoch höher. Dieses scheinbare Paradoxon löst sich aber sofort auf, wenn wir uns erinnern[580], daß bei einer Einzelreizung des Muskels an einem Ende desselben die Kontraktion in Form einer Welle vom gereizten nach dem anderen Ende hinläuft und daß der zuerst kontrahiert gewesene Teil des Muskels schon wieder erschlafft ist, wenn die Kontraktionswelle die entfernter gelegenen Teile erreicht hat. Es ist also, wie wir bereits gesehen haben, bei einer Einzelzuckung niemals die ganze Länge des Muskels gleichzeitig kontrahiert, sondern immer nur ein Teil. Danach ist es ohne weiteres klar, daß, wenn die Wiederstreckung der kontrahiert gewesenen Muskelsubstanz verlangsamt ist, selbstverständlich beim Ablauf einer Kontraktionswelle ein größerer Teil des Muskels gleichzeitig sich in Kontraktion befinden muß, als wenn die Streckung schneller geschieht, und das findet eben seinen Ausdruck in der größeren Verkürzung des Muskels bei der Einzelzuckung. So liegt also in Wirklichkeit gar kein Paradoxon vor. Auf Grund dieser selben Tatsache, daß durch die Ermüdung der Ablauf der Zuckungskurve verlangsamt wird, erklären sich aber auch die Verhältnisse, die man bei faradischer Reizung beobachtet. Der ermüdete Muskel zeigt, wie seit langer Zeit bekannt ist, eine gesteigerte Erregbarkeit für faradische Ströme, selbst in einem Stadium, in dem die Erregbarkeit für Einzelinduktionsschläge schon ganz beträchtlich gesunken ist. Die vorstehende Figur 263 wird dieses Verhältnis ohne weiteres verständlich machen. Das Schema gibt links vier übereinander gelagerte Zuckungen eines normalen Muskels, rechts eines ermüdeten Muskels wieder. Auf der linken Hälfte des Schemas sind die absoluten Höhen der Einzelzuckungen größer als auf der rechten Hälfte; trotzdem erreicht die Gesamtkurve bei dem ermüdeten Muskel rechts eine größere Höhe als bei dem frischen Muskel links, weil sich jede folgende Verkürzung rechts auf einen viel größeren Verkürzungsrückstand von der vorhergehenden Zuckung aufsetzt als links, wo die Streckung schon immer viel weiter vorgeschritten ist, wenn die nächste Zuckung folgt. So gibt also trotz der Abnahme der Erregbarkeit für den Einzelreiz der ermüdete Muskel für den faradischen Reiz doch stärkere Verkürzungen. Ja, man kann es sogar erreichen, daß faradische Reize von einer gewissen geringen Frequenz, die für den frischen Muskel unter der Reizschwelle liegen, und daher gar keinen Erfolg haben, beim ermüdeten Muskel wirksam sind und eine tetanische Kontraktion hervorrufen.

Genau wie bei der Ermüdung verhält sich der Muskel bei der +Narkose+ oder bei der +Abkühlung+, denn alle diese Faktoren wirken in gleicher Weise auf den Ablauf der Zuckungskurve, indem sie in erster Linie den absteigenden Schenkel der Kurve, also die Wiederstreckung nach der Kontraktion verzögern. Sehr interessant ist es schließlich, daß auch die Symptome der sogenannten „+Entartungsreaktion+“ bei Muskeln, die sich in Inaktivitätsatrophie[581] befinden, wie ~Reinecke~[582] kürzlich durch eine sehr eingehende Analyse gezeigt hat, genau identisch sind mit den Symptomen bei Ermüdung, Narkose, Abkühlung, und daß sie sämtlich zurückzuführen sind auf das Prinzip der scheinbaren Erregbarkeitssteigerung, dem in Wirklichkeit eine Lähmung zugrunde liegt.

Vollkommen identisch mit der scheinbaren Erregbarkeitssteigerung des Muskels ist ferner die Wirkung der gleichen Faktoren am Nerven. Bei der Arbeitslähmung, bei der Narkose, bei der Erstickung, bei der Abkühlung ist der Ablauf der Erregungskurve am Nerven in der gleichen Weise verändert wie am Muskel, wenn wir auch am isolierten Nerven keinen Ausdruck dafür in einer Verkürzung haben, sondern nur in dem Verhalten seines Aktionsstromes. Der absteigende Schenkel der Kurve des Aktionsstromes erfährt durch alle die genannten Faktoren eine starke Verzögerung. Infolgedessen finden hier genau die gleichen Verhältnisse Anwendung wie bei der Muskelzuckung, und wir bemerken bei faradischer Reizung trotz der lähmenden Wirkung der genannten Faktoren eine Verstärkung des Aktionsstromes.

Nach dem, was wir über die Vorgänge bei allen diesen Beeinflussungen kennen gelernt haben, ergibt sich nun für die Mechanik der scheinbaren Erregbarkeitssteigerung, wenigstens bei den aeroben Formen der lebendigen Substanz, ein einheitliches Prinzip, das allen speziellen Fällen zugrunde liegen dürfte: es ist die Verlangsamung der Oxydationen in der lebendigen Substanz. Zunächst liefern alle diejenigen Faktoren, die den Quotienten der relativen Sauerstoffversorgung, d. h. den Bruch Sauerstoffbedarf: Sauerstoffversorgung in dem Sinne ändern, daß er größer wird als 1, d. h. daß +relativer Sauerstoffmangel+ eintritt, die Bedingungen für die scheinbare Erregbarkeitssteigerung. Bei der Erstickung ist das selbstverständlich der Fall. Für die Narkose haben ~Winterstein~[583] an der Ganglienzelle und ~Fröhlich~[584] am Nerven im Göttinger Laboratorium nachweisen können, daß während derselben eine Aufnahme von Sauerstoff seitens der lebendigen Substanz, auch wenn der Bedarf noch so groß ist, nicht stattfindet. Für die Arbeitslähmung haben wir oben gesehen, daß sie unter physiologischen Bedingungen allein auf einem relativen Sauerstoffmangel beruht. Es ist im höchsten Grade wahrscheinlich, daß auch bei der Atrophie die relative Sauerstoffversorgung der lebendigen Substanz eine Aenderung erfährt. Schließlich wird auch in der Kälte eine scheinbare Erregbarkeitssteigerung beobachtet, die z. B. auch die oben[585] angeführte, von ~Biedermann~ beobachtete Steigerung der Erregbarkeit des Rückenmarks verständlich macht. Diese Wirkung der Kälte ist ohne weiteres klar, wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß die Kälte alle chemischen Prozesse verzögert, also auch die Sauerstoffversorgung der lebendigen Substanz.

Nachdem einmal das Prinzip der scheinbaren Erregbarkeitssteigerung entdeckt war, zeigte sich, daß es überall im Organismenreiche beobachtet werden kann. Es wird daher nötig sein, die ganze Summe von paradoxen Erregbarkeitssteigerungen unter dem Einfluß schädigender, d. h. lähmender Momente, für die namentlich die Pathologie eine Fülle von Beispielen kennt, zu analysieren und in jedem Einzelfalle zu prüfen, ob die Erregbarkeitssteigerung nicht eine scheinbare ist und auf dem hier entwickelten Prinzip beruht.

4. Tod durch Ueberreizung.

Wir haben im vorigen Abschnitt gesehen, daß durch Ueberreizung Lähmungswirkungen hervorgerufen werden können. +Diese Tatsache ist wichtig, denn sie zeigt uns, daß dieselben Reize, die bei geringer Intensität oder kurzer Dauer Erregung hervorrufen, bei höherer Intensität und längerer Dauer gerade die entgegengesetzten Wirkungen, d. h. Lähmungen, erzeugen können.+

Die Arbeitslähmung, die wir soeben kennen gelernt haben, ist aber nur ein einzelnes Beispiel für dieses Verhältnis zwischen Erregung und Lähmung, das im übrigen viel weiter verbreitet ist. Die erregenden und lähmenden Wirkungen der Reize, die wir früher kennen lernten, liefern uns noch eine lange Reihe anderer Beispiele dafür. Hier sei z. B. erinnert an die Wirkungen des +Wärmereizes+. Die Lebensäußerungen erfahren im allgemeinen mit zunehmender Temperatur eine Steigerung bis zu einem gewissen Temperaturgrade, der für die verschiedenen Formen der lebendigen Substanz und für die verschiedenen Lebensäußerungen derselben Form sehr verschieden hoch gelegen ist. Hier erreicht die Erregung ihr Maximum. Wird aber dieser Temperaturgrad überschritten, so nimmt die Erregung schnell ab und macht einer vollkommenen Lähmung, der Wärmestarre, Platz. Das Wachstum und die Entwicklung der Eizellen, die Protoplasma- und Flimmerbewegung der einzelligen Organismen liefern deutliche Beispiele dafür.

Des weiteren sei daran erinnert, daß im Gebiete des +Lichtreizes+ sich das gleiche Verhältnis findet. Geringere Intensität und kurze Einwirkung namentlich kurzwelliger Strahlen rufen an den verschiedensten Objekten Erregungswirkungen hervor. Bei längerer Dauer oder starker Intensität desselben Reizes tritt vollständige Lähmung ein.

Aus dem Gebiete anderer Reize würden sich leicht ebenfalls Beispiele für die Tatsache anführen lassen, daß steigende Reizintensität oder andauernde Reizung zunächst steigende Erregung, dann Lähmung erzeugt.

+Der Enderfolg andauernder oder starker Ueberreizung ist schließlich stets der Tod; doch ist die Art, wie er sich entwickelt, je nach den Umständen im einzelnen Fall verschieden.+

Bei andauernder, nicht allzu starker Reizung stellt er sich ziemlich allmählich ein, und man kann die Stadien des Reizerfolgs in solchen Fällen am besten verfolgen.

Ein Beispiel mag uns die Wirkung der Narcotica liefern. Setzen wir z. B. eine Infusorienzelle, etwa das Wimperinfusorium +Spirostomum+, der Einwirkung von Aether- oder Chloroformdämpfen aus, so sehen wir zuerst das Stadium scheinbarer Erregung. Allmählich tritt bei andauernder Einwirkung die Lähmung deutlicher hervor, bis vollständiger Stillstand des Wimperschlages eingetreten ist. Aus diesem Stadium läßt sich durch Unterbrechung der Reizwirkung und Wiederherstellung der normalen Lebensbedingungen das Leben meist noch zurückrufen. Dauert dagegen die Einwirkung noch weiter fort, so ist dies nicht mehr möglich: die Narkose ist unmittelbar in den Tod übergegangen. Eine etwas längere Folge von Wirkungen zeigt bei stetiger Zunahme seiner Intensität der Wärmereiz. Die Protoplasmabewegung der +Amöben+ nimmt mit steigender Temperatur zu bis gegen 35° C. Hier nimmt die Bewegung plötzlich ab; die +Amöben+ verharren im Kontraktionsstadium und machen höchstens noch ganz schwache Bewegungen, die bei wenig höherer Temperatur ganz aufhören. Das ist der Punkt der Wärmestarre. Nach Abkühlung von diesem Temperaturgrad kehrt die Bewegung wieder zurück. Steigt aber die Temperatur über 40°, so geht die Wärmelähmung in den Tod über. +Bei der Wärmereizung haben wir, von dem Temperaturminimum beginnend bis zum Temperaturmaximum hinauf, eine lange Folge verschiedenartiger Reizwirkungen in größter Deutlichkeit vor uns: Stillstand der Lebensäußerungen in Kältestarre, steigende Erregung, Lähmung in Wärmestarre und schließlich Tod.+