Der Mensch: 3 Billionen Zellen und 3,9 Billionen Bakterien

15.01.2016

Wissenschaftler haben das Verhältnis zwischen eigenen Zellen und fremden Bakterienzellen neu berechnet, wonach jeder Stuhlgang bereits zu einer Veränderung der Mehrheitsverhältnisse führen könnte

Es ist auch eine philosophisch interessante Frage, was eine Person ist, die Ich zu sich sagt. In alten Zeiten gab es den Körper-Geist-Dualismus, aber aufgrund neuer neurowissenschaftlicher Erkenntnisse wäre schon die Frage, welche Gehirnzellen oder Gehirnareale das Ich repräsentieren oder konstituieren, was gleichzeitig auch bedeutet, dass Ich kein Singular ist, sondern eben aus vielen vernetzten Zellen besteht und deswegen eigentlich ein Wir ist. So haben sich früher Adelige tituliert.

Wir haben einen Körper bzw. wir hausen in einem Körper, der gleichzeitig mit seinem Gehirn das Ich erzeugt, das einen Körper bewohnt, so die grotesk simplifizierende Vorstellung. Unsere Körper besteht aus Milliarden unterschiedlicher Zellen und ist wie unser Gehirn ein unübersehbar großes Netzwerk aus Netzwerken. Wir sind uns fremd und leben als Ich in einer Welt, die nur in einer vom Gehirn geschaffenen Illusion zur besseren Handlungsfähigkeit entspricht, während jede Handlung einer komplexen Abstimmung von vielen Kollektiven entspringt und es keine Herde von Milliarden Neuronen gibt, die zentral gesteuert wird.

Aber allein schon die unbedachte Rede von einem "Ich" mit einem Körper ist verfälschend. Jeder von uns ist eine Art Staat, in dem mehr Ausländer leben als Einheimische. Wo bleibt da die Leitkultur? Das Verhältnis der eigenen Zellen zu denen der Mitbewohner, die Mitarbeiter, Gäste, geduldet, Eindringlinge oder Schädlinge sein können, soll mindestens 1:10 betragen, wurde von vielen Wissenschaftlern behauptet. Wir wären also tatsächlich auch deswegen ein Wir, weil wir trotz unserer Grenzen und unseres Immunsystems mehr Fremde als Einheimische sind, natürlich auch deswegen, weil wir mit vielen Gästen - oder Parasiten - ein gutes oder zumindest neutrales Verhältnis haben, aber auch von anderen unerwünschten Eindringlingen überwältigt werden können, was zu Krankheit oder auch Tod führen kann.

Darmbakterien. Bild: Pacific Northwest National Laboratory/CC BY-NC-SA 2.0

Die israelischen Wissenschaftler Ron Sender, Shai Fuchs und Ron Milo haben nun aufgrund aktueller Studien versucht, die Zahl der Zellen abzuschätzen, aus denen der menschliche Körper besteht und die derjenigen, die als Gäste, Parasiten und Zuwanderer auf und in ihm leben. Korrigiert wird die weit verbreitete Annahme, dass der menschliche Körper aus sehr viel mehr Bakterien als menschliche Zellen besteht. Seit den 1970er Jahren wird das Verhältnis auf mindestens 10:1 geschätzt, manche gehen auch von 100:1 aus. Die Wissenschaftler verwiesen darauf, dass mit einer Ausnahme alle aktuellen Studie, die u.a. in Nature, Science, PNAS … erschienen sind, sich direkt oder indirekt auf ein einziges Paper aus dem Jahr 19771berufen, das sich wiederum auf eine Studie aus dem Jahr 19722 stützt.

Dort wurde ohne empirische Zählung geschätzt, dass es 1011 Bakterien pro Gramm des flüssigen Darminhalts gibt. Wenn der Verdauungstrakt das Volumen von einem Liter besitzt, was einem Kilo entspricht, ausmachen, dann würde es dort 1014 Bakterien geben, auf der Haut würden 1012 Bakterien leben. Ähnlich kommt ein Bericht der National Institutes of Health (NIH) aus dem Jahr 20123 zu dem Ergebnis, dass 1-3 Prozent der Körpermasse aus Bakterien besteht, woraus abgeleitet wird, es gebe insgesamt 1015 Bakterien, woraus ein Verhältnis von 100:1 abgeleitet wird (Volkszählung auf und im menschlichen Körper). Das wurde auch von Wikipedia verbreitet.

Bezugnehmend auf die Schätzung aus dem Jahr 1972 weisen die Autoren darauf hin, dass nur der Dickdarm dicht bevölkert ist, im Rest des Darms und im Magen gibt es hingegen nur wenige Bakterien. Das Volumen des Dickdarms kann aufgrund unterschiedlicher Messungen bei einem Referenzmenschen mit einem Gewicht von 70 kg auf etwa 400 ml geschätzt werden. Im trockenen Stuhl wurde die Bakteriendichte in Studien zwischen 1,5 und 5 x 1011 pro Gramm, im feuchten Stuhl zwischen 0,35 und 3,2 x 1011 pro Gramm, durchschnittlich 0,92, abgeschätzt. Davon ausgehend berechnen die Autoren, dass es 3,9 x 1013 Bakterien im menschlichen Dickdarm mit einem angenommenen Volumen von 0,41 Litern mit einer Ungewissheit von 24 Prozent und einer Variation von 52 Prozent unter normalgewichtigen Männern. Sie gehen überdies davon aus, dass aus anderen Organen höchstens 1012 dazu kommen. Nach ihrer Schätzung gibt es daher insgesamt mit einer Unsicherheit von 25 Prozent um die 3,9 x 1013 (39 Billionen) Bakterien auf oder im Körper, also deutlich weniger als man bislang glaubte.

Blutzellen machen 90 Prozent aller Körperzellen aus

Auch bei der Anzahl der Körperzellen eines Menschen weichen die Schätzungen voneinander ab, wenn auch nicht so stark. Meist wird davon ausgegangen, es gebe zwischen 1012 und 1014 Zellen. Hier berücksichtigen die Autoren die sechs häufigsten Zelltypen, die 97 Prozent der Körperzellen ausmachen, inklusive die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) und die Blutplättchen (Thrombozyten). Die roten Blutkörperchen, die keinen Zellkern und keine Organellen besitzen, sind bei weitem die häufigste Zellenart. Die Autoren gehen im Abgleich mit Studien und Zählungen von 2,5 x 1013 Erythrozyten in 4,9 Liter Blut aus. Nach einer neueren Studie ist die Anzahl der Glia-Zellen und Neuronen mit jeweils 8,5 x 1010 etwa gleich. Die Endothel-Zellen der Blutgefäße schätzen sie auf 6 x 1011, die Fibroblasten der Haut auf 2,6 x 1010.

Verteilung der Körperzellen. Bild: Ron Sender, Shai Fuchs, Ron Milo/ CC-BY-NC-ND 4.0

Nach ihrer Schätzung übertreffen die roten Blutkörperchen der übrigen Körperzellen noch viel mehr als bislang angenommen. Mit 25 x 1012 stellen sie 84 Prozent aller Körperzellen dar, nimmt man die Blutplättchen, die auch keinen Zellkern besitzen, noch hinzu, schrumpft der Anteil der Nicht-Blutzellen auf 10 Prozent. Die Muskel- und Fettzellen, die jeweils eine Masse von 20 kg aufweisen, haben wegen ihrer Größe nur einen Anteil von 0,2 Prozent oder weniger an der Gesamtzahl. Sie machen allerdings bei einer Gesamtzellmasse von 47 kg bei einem Referenzmenschen von 70 kg mit 33 kg fast die Hälfte aus, während die Blutzellen nur ein Gewicht von 2,5 kg haben. Es gibt also, wie die Autoren nach ihren Einschätzungen sagen, eine "evidente Diskrepanz zwischen Beiträgern zur gesamten Zellmasse und der Zahl der Zellen".

Wenn man nur Körperzellen mit Zellkern heranzieht, bleibt es beim Verhältnis Bakterien/Zellen von 10:1

Das Ergebnis der Überlegungen ist, dass die Zahl der Bakterien, die von denjenigen, die im Dickdarm leben, dominiert werden, in etwa der Zahl der Körperzellen gleichkommt. Es sind jeweils um die 4 Billionen Zellen. Nach den Berechnungen wäre das Verhältnis Bakterien zu Körperzellen bei 1,3:1, aber es müsse eine Unsicherheit von 25 Prozent veranschlagt werden. Vermutlich gibt es mithin immer noch eine leichte zahlenmäßige Überlegenheit der Bakterienzellen. Würde man allerdings die Zahl der Bakterien, die Gäste oder Parasiten des Körpers sind, und die der Körperzellen mit Zellkern - 0,3 x 1013 - vergleichen, dann käme in etwa das Verhältnis von 10:1 heraus. Wichtig für eine realistische Einschätzung ist auf Bakterienseite das Volumen des Dickdarms und die dort vorhandene Bakteriendichte und auf der Seite der Körperzellen die Blutzellen und das Blutvolumen. Die geringere Zahl der Bakterien würde aber nicht bedeuten, dass die Gesamtheit der Bakterien oder das Mikrobiom deswegen unwichtiger würde, betonen die Autoren.

Interessant könnten die neuen Zahlen, sofern sie die richtige Größenordnung erfassen, im Hinblick auf Krankheiten und andere Veränderungen sein, die das ungefähre Gleichgewicht kippen lassen. Als Beispiel führen sie den täglichen Stuhlgang an, mit dem etwa ein Drittel der Bakterien des Dickdarms ausgeschieden würde. Das könnte kurzzeitig das Verhältnis zwischen dem Eigenen und dem Fremden zugunsten der Körperzellen verschieben und möglicherweise entsprechende Folgen haben. Solche Verschiebungen könnten auch mehrmals täglich auftreten. Bei Erkrankungen wie Durchfall wären die demografischen Verschiebungen weitaus extremer. Zudem greifen manche medizinische Verfahren ebenfalls stark, beispielsweise die Einnahme von Antibiotika oder die für eine Darmspiegelung erforderliche Darmentleerung, was das Verhältnis für Stunden bis Tage kleiner als 1 macht.

Die Autoren verstehen ihre Überlegungen vor allem als interessant für die quantitative Ausbildung von Biologen. Wenn man solche Berechnungen anstellt, würde man "mit den Grenzen unseres gegenwärtigen Verstehens vertraut" werden, was dem wissenschaftlichen Fortschritt dienen könne. Und ein solches quantitatives Training, das beim menschlichen Körper beginnt, würde zudem der Maxime "Erkenne Dich selbst" auf eine "wahrhaft quantitative Weise" entsprechen.

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