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Das Kapitel fuhrt einleitend in die Methoden der Hirnforschung ein und schliest mit Gedanken zu „Geist und Seele – nichts als Chemie und Physik?“ Das hat seine Grunde. Mancher Gelehrter wie Descartes hat sich Gedanken gemacht, warum wir die Welt aufrecht sehen, obwohl die Linse des Auges das Bild auf der Retina verkehrt projiziert. Die Antwort ist: das Auge liefert nur Daten uber eingefangene elektromagnetische Wellen, das Bild entsteht im Gehirn unter dem korrigierenden Einfluss real gewonnener Erfahrung. Wir erfahren, wohin die vom Auge gelieferte Information im Gehirn weitergereicht wird und dass das vom Auge Gelieferte von Station zu Station auf elementare Merkmale analysiert wird. So werden die Winkel von Kanten durch eine Serie von Neuronen erfasst, deren Filter um 10° vom dem Filter des nachsten Neurons abweicht. Place- und grid cells helfen, uns im Raum zu orientieren und uns an bekannte Orte zu erinnern. Wir lesen, dass Eigenschaften von Objekten („Was“) und deren Ort („Wo“) auf getrennten Bahnen reprasentiert sind. Alle erfassten Merkmale werden nach Regeln der Wahrnehmungspsychologie fur die Herstellung und Interpretation eines mentalen Bildes herangezogen, wobei der Gesichtserkennung Vorrang eingeraumt wird. Wir unterliegen bei Bildinterpretationen auch Sinnestauschungen und erfreuen uns an trickreich konstruierten unmoglichen Figuren. Wir wundern uns, dass im Experiment ein Gummiarm als korpereigener wahrgenommen werden und das ICH scheinbar den Korper verlassen kann wie in Nahtod-Erlebnissen und dass es auch unbewusstes Sehen gibt.

Es ist viel von ihnen die Rede, und es gibt sie im Gehirn und uberall im Korper verstreut zu Abermilliarden, doch sie sind winzig, mit Dimensionen unterhalb der Auflosungsgrenze des Lichtmikroskops: Synapsen, die „Erregungs“-ubertragenden Kontaktstrukturen zwischen Sinneszellen und Nervenzellen, zwischen Nervenzellen und Muskelzellen und zwischen Nervenzellen untereinander. Allenfalls motorische Endplatten, die besonders ausgedehnten neuromuskularen Synapsen zwischen der Befehlsleitung einer motorischen Nervenzelle und einer Muskelfaser, konnen noch im Lichtmikroskop lokalisiert werden. Synapsen im lebenden Gewebe zu finden und zu untersuchen, verlangt besondere Kniffe. In der Regel wird mit mehrkanaligen Elektroden der Elektrophysiologie die zuleitende Nervenfaser „gereizt“ und zugleich abgehort, und mit einer zweiten „ableitenden“ Elektrode die Antwort der angesprochenen Zelle registriert. Aus dem Vergleich des Reizmusters in der Zuleitung und der Antwort der Effektorzelle wird indirekt auf das Verhalten der Synapse geschlossen. Technisches soll hier aber nicht weiter zur Sprache kommen.

Alles muss in unserem Korper geregelt und dem Bedarf angepasst werden: Stoffwechsel, Atmung, Herz und Kreislauf, Blutdruck und vieles mehr. Einleitend wird folglich eine Einfuhrung in die Funktionsweise von Regelkreisen gegeben; denn die Regelung „vegetativer“ Funktionen basiert auf biologischen Regelkreisen mit inneren Sinnesorganen als Fuhlern der momentanen Istwerte und zentralen Instanzen im Gehirn als steuernden Kontrolleuren, die im Bedarfsfall den Sollwert verstellen. Im Weiteren wird das periphere vegetative Nervensystem vorgestellt mit Sympathikus und Parasympathikus. Bei der Thermogenese, der biologischen Warmeproduktion, lassen wir das braune Fettgewebe Energie im Leerlauf verpulvern und wir kommen ins Schwitzen.

Die Moglichkeiten der Kommunikation im Tierreich sind auserst vielseitig. Manche Tiere, besonders Meeresbewohner, senden Licht aus (Biolumineszenz), viele Tiere, besonders Insekten, benutzen eine chemische Sprache, die bei Kastenbildung und sozialer Kommunikation im Dienst der Fortpflanzung auch Pheromone umfasst. In diesem Konnex wird diskutiert, ob auch beim Menschen Pheromone geheime Botschaften vermitteln und ob bei der Partnerwahl unser genetischer Personalausweis (MHC=HLA) eine Rolle spielt. Die bewundernswerte Tanzsprache der Bienen ist Beispiel fur eine Symbolsprache, die mehrere Sinnesmodalitaten in Anspruch nimmt. Bienen benutzen sogar seismische, uber das Telefonnetz der Wabe geleitete Signale, mit denen die Entfernung einer ergiebigen Nahrungsquelle angezeigt wird. Seismische Signale und Infraschall sind weitere im Tierreich gebrauchliche Kommunikationsmittel.

Mit der Sinnesphysiologie geraten wir in eine Sphare, die nicht nur aufregend ist dank der erstaunlichen Leistungen menschlicher und tierischer Sinne, sondern auch dank des viel diskutierten, vielleicht nie losbaren Ratsels, wie denn unsere subjektive, mentale Erlebniswelt entsteht. Wir treten ein in den Grenzbereich von „Leib und Seele“.

Gedachtnis beruht auf Systemeigenschaften des Gehirns, die wir primar subjektiv erfahren. Den ersten und wichtigsten Zugang zu diesen fur uns so lebenswichtigen Fahigkeiten eroffnet deshalb zuallererst unsere eigene subjektive Erfahrung. Sie zu analysieren und systematisch zu gliedern ist Aufgabe der Neuropsychologie. In der Praxis beschaftigt sie sich in erster Linie mit den Folgen von Gehirnlasionen sowie in Tierversuchen gewonnenen Erkenntnissen. Aber auch klug ausgedachte Tests mit freiwillig mitarbeitenden Probanden liefern wichtige und subtile Erkenntnisse speziell uber die Fahigkeiten unseres menschlichen Gehirns.

Sprechvermogen und Sprachverstandnis werden aufgrund verletzungsbedingter Aphasien verschiedenen Gehirnregionen zugewiesen, Vermogen zu Sprechen dem Broca-Areal, Verstandnis von Sprache dem Wernicke Areal, doch gibt es mannigfache Querverbinden zwischen diesen Arealen und zu anderen Gehirnregionen. Wie kommt es, dass Sprache nicht nur in mundlicher Form, sondern auch durch Gesten und grafischen Symbolen wie Schrift vermittelt werden kann? Aufsehen erregten Berichte, das bei bestimmten, genetisch bedingten Sprachstorungen defekte Gen FOXP2 habe eine essentielle Funktion bei der Entwicklung des Sprechvermogens. Wie sieht das bei Tieren aus, welche haben das Gen? Oder hat es nur der Mensch?

Unglaubliche Leistungen fernreisender Zugvogel, die im Einzelfall bis zu 80 000 km/Jahr (Kustenseeschwalbe) zurucklegen, hat schon die weltweite Kampagne zur Beringung der Vogel offenbart und das eben gestartete ICARUS-Projekt zur telemetrischen Verfolgung Fernwanderer uber Satelliten als Signalvermittler wird noch viele neue Erkenntnisse bringen. Vor allem das Navigationsvermogen der Fernwanderer lost Erstaunen aus; Wie kann ein fernes Ziel, das nicht mit den Augen, den Ohren oder dem Geruchsinn geortet werden kann, angesteuert werden? Dies ist nicht nur fur Zugvogel ein zu losendes Problem, sondern auch fur fernreisende Langstreckenschwimmer wie Meeresschildkroten, Lachse und Aale, die nach Jahren Aufenthalt in schier unendlicher Ferne zum Laichen zur Statte ihrer Geburt zuruckkehren. Wer diese Orientierungs- und Navigationssysteme erforscht, setzt auf Sonnenkompass, Sternenkompass und auf Navigation mittels des Erdmagnetfeldes. Zu Recht oder blose Hypothesen? Das Kapitel setzt sich mit diesen spannenden Fragen und den technischen Moglichkeiten der Erforschung auseinander.

Sinneszellen und Sinnesorgane, die mechanisch einwirkende Krafte als Quelle von Information nutzen, gibt es in groser Zahl und in vielfaltiger konstruktiver Ausfuhrung. Vielfaltig ist die Struktur der Sensoren, die ihr elektrisches Membranpotential durch Zug- oder Druckkrafte modulieren lassen. Vielfaltig sind auch die Hilfseinrichtungen, welche die Reizflut filtern und selektionieren. Vielfaltig sind schlieslich auch die Empfindungen, die in unserer inneren Erlebniswelt ausgelost werden.

Wir konzipieren ein ideales, okologisch vertragliches Kraftwerk (Abb. 1.1): Es gehore dem Konzern „Grune Pflanze“ und sei zweigeteilt. Ein erstes Teilkraftwerk, wir nennen es Chloroplast, bezieht Energie von der Sonne, und fuhrt sie in transportfahige und speicherbare Form uber. Dieses erste Teilkraftwerk verbraucht keinen materiellen Kraftstoff, es stellt vielmehr solchen Kraftstoff in Form organischer Molekule her. Das zweite Teilkraftwerk, es heise Mitochondrium, setzt aus dem biologisch synthetisierten Kraftstoff die gespeicherte Energie in arbeitsfahiger Form wieder frei.

Kein Lebewesen kann fur sich allein bestehen. Das Leben aller Organismen ist eingebunden in ein Netzwerk von Beziehungen. Jeder Organismus ist Mitglied einer Fortpflanzungsgemeinschaft und zugleich Mitglied einer Lebensgemeinschaft, die viele Arten umfasst. Koordination zwischen den Mitgliedern einer Fortpflanzungsgemeinschaft verlangt wechselseitige Absprachen. Man muss aufeinander eingehen. In den Staaten der Insekten und in den Verhaltensmustern eines Affenclans wird die Bedeutung der sozialen Kommunikation auch dem aufmerksamen Laien unmittelbar augenfallig.

Auch wenn uns die Vorstellung fremd sein mag, trifft sie doch zu: Wir alle existieren als ein Staat von Zellen. Die Abermilliarden Einzelzellen sind freilich in ihrer Existenz voneinander abhangig und mussen miteinander kooperieren, um den Staat als Ganzes lebensfahig zu halten. Es gibt eine unuberschaubare Fulle von Moglichkeiten, wie Zellen miteinander kommunizieren konnen. Beispielsweise konnen sie auf ihrer Zelloberflache Signalmolekule exponieren, die von Nachbarzellen abgetastet und abgelesen werden konnen. Solche im Nahbereich wirksamen Kommunikationssysteme haben fundamentale Bedeutung in der Embryonalentwicklung. Sie bleiben zeitlebens bedeutsam bei der Kontrolle lokaler Prozesse wie z.B. Entzundungen und Immunreaktionen (s. Kap. 6, Immunologie). Wir betrachten in diesem Kapitel Systeme der Fernkommunikation, besonders die Kommunikation uber Botenstoffe, die unter dem Begriff Hormon (engl.: hormone, von griech.: horman = antreiben, in Gang setzen;) bekannt geworden sind.

So vielgestaltig Lebewesen sind, so mannigfach ihre besonderen Fahigkeiten, die sie in der Evolution erworben haben, um ihre besondere Nische in Okosystemen zu nutzen, so haben sie doch alle auch eine Fulle gleicher Probleme zu bewaltigen. Beispielsweise mussen alle ihre ATP-Akkus nachladen. Zum Gluck fur die Studierenden, die fur Prufungen lernen mussen, benutzen fast alle Lebewesen die gleichen zentralen Stoffwechselwege, um Energie aus Molekulen herauszuholen und in die ATP-Akkus zu leiten.

Wir sprechen noch heute von „vegetativer“ Physiologie, weil die bisher besprochenen Funktionen des Korpers nach Meinung von Gelehrten der Antike (Aristoteles) und ihrer gelehrigen europaischen Schuler bis in die fruhe Neuzeit als „pflanzenhaft“ eingestuft worden sind. Empfindungen und Bewusstsein hatten wir ja bisher allenfalls als weit entfernte schemenhafte Randerscheinungen ins Spiel gebracht, und Geist war, so scheint es, nur zum Verstehen und Lernen des Stoffes notig. Doch das tauscht: Unbewusst war unser Gehirn immer schon im Spiel. Sogar im Schlaf hat sich unser Gehirn mit vegetativen Funktionen befasst.

Es sind nicht nur Minusgrade, die lebensgefahrlich sein konnen. Fallt die Aquarienheizung aus und kuhlt das Wasser von 23°C auf 10°C ab, kippt unser Guppy wie andere Warmwasserfische tot um. Ab 0°C wird es aber fur alle Lebewesen gefahrlich.

Leben beruht auf unaufhorlichem Energieumsatz. Unsere Zellen fordern standig Sauerstoff O2 an, mussen andererseits das in den Mitochondrien anfallende Kohlendioxid CO2 rasch loswerden. Der Mensch kann wochenlang, manche Tiere monatelang, ohne Nahrungsaufnahme leben, aber nur wenige Minuten ohne Atemzug. Auch scheinbar anspruchslose Tiere sind hier recht empfindlich. Eine Verarmung des Wassers an Sauerstoff kann schnell dazu fuhren, dass Fische mit dem Bauch nach oben an die Wasseroberflache kommen – aber tot.

In der Evolution des Vielzellers ist es zu einer Aufgabenverteilung unter den verschiedenen Zellen, Geweben und Organen gekommen. Die einen besorgen das Geschaft der Verdauung, die anderen konzentrieren sich darauf, Information aus der Ausenwelt aufzunehmen und auszuwerten, wieder andere bringen den Organismus voran, indem sie als Muskeln seine Lokomotion bewerkstelligen. Diese Arbeitsteilung ermoglichte es den Zellen und Organen, ihre spezifischen Funktionen zu optimieren. Allerdings ging diese Spezialisierung auf Kosten der individuellen Vielseitigkeit. Eine Nervenzelle oder Muskelzelle kann keine feste Nahrung mehr erschliesen. In diesem Konzert der Spezialisten hat die Leber eine bedeutende Rolle im Dienste des Ganzen ubernommen. Sie erfullt stellvertretend fur viele andere Zellen evolutiv alte Funktionen (z. B. Harnstoffsynthese) und hat sich daruber hinaus zur leistungsfahigsten chemischen Fabrik entwickelt.

Der Funktion des Gehirns nachzugehen, ist wohl die groste Herausforderung, der sich die Naturwissenschaft heute und in Zukunft stellt. Das Gehirn des Menschen soll nach einer vielzitierten Schatzung 100 Milliarden Nervenzellen enthalten, wobei die einzelne Nervenzelle mit vielleicht 100 bis 10 000 anderen Neuronen synaptischen Kontakt hat. Die Leitungsbahnen summieren sich, so wird geschatzt, auf 750 000 km, der doppelten Entfernung zum Mond. Die Nervenzellen werden begleitet von einigen Milliarden Gliazellen, die die Funktionen der Neurone unterstutzen und modifizieren. Es ist schlechterdings unmoglich, die Funktionen des Gehirns bis in alle Details aufzuschlusseln. Das ware vielleicht auch gar nicht sonderlich interessant. Interessanter sind die ubergeordneten Strategien der Datenauswertung und die Systemeigenschaften der multizellularen Netzwerke. Wir beschranken uns auf wenige Hinweise im Bereich des Sehens.

Zahlreiche physiologische Prozesse sind an den naturlichen Wechsel von Tag und Nacht, an den Wechsel der Tageslange im Laufe des Jahres, an den Wechsel von Sommer und Winter, Regenzeit und Trockenzeit, oder an den Wechsel der Gezeiten in den Meeren angepasst. Den naturlichen Rhythmen folgen die Rhythmen physiologischer Funktionen, der Wanderaktivitaten und der Fortpflanzung. Wir gliedern den reichhaltigen Stoff in Tagesrhythmen, Jahresrhythmen, Mondund Gezeitenrhythmen.

Exkretion ist Abfallentsorgung. Wenn es um Exkretion geht, steht die Niere im Mittelpunkt. Wenn „etwas an die Nieren geht“ wird es lebensgefahrlich. Dies unterstreicht die lebensnotwendige Funktion der Niere. Andererseits ist keineswegs nur die Niere mit der Beseitigung von Abfall befasst. Das im Stoffwechsel der Zellen (Citratcyclus) anfallende CO2 geben wir uber die Lunge an die Ausenwelt ab. Die von Wasser umspulten Kiemen der Fische dienen nicht nur dem Austausch der Atemgase O2 und CO2, sondern sind auch die Orte, wo der Fisch Stickstoff in Form von Ammoniak oder Harnstoff loswird. Auch Ionen werden uber die Kiemen transportiert, uberschussige nach ausen ins umgebende Wasser, benotigte vom Ausenwasser nach innen ins Blut. Die Entsorgungsfunktion des Immunsystems wird in einem eigenen Kapitel (6) besprochen.

Sinnesleistungen, die uber unser eigenes Vermogen hinaus gehen, faszinieren uns und stimulieren die Frage, ob uns vielleicht unbewusst ebenfalls ein entsprechender Sinn zur Verfugung steht. Der verbreitete, vom Wunschdenken getragene Glaube an verborgene Quellen der Erfahrung hat es andererseits dem Tierphysiologen nicht immer leicht gemacht, seine durchaus erstaunlichen Befunde gegen Legenden und Aberglaube abzugrenzen. Gesichert ist, dass es mehrere Tierarten gibt, die elektrische Felder erspuren konnen. Andere nutzen das Magnetfeld der Erde zur Navigation. Manche konnen in der Nacht ihre Opfer orten, weil sie die von Warmblutern ausgehende Warmestrahlung detektieren konnen.