Karl Kirsch / Hanns-Christian Gunga: Körperwasser und Schwerkraft

Körperwasser und Schwerkraft

von Karl Kirsch und Hanns-Christian Gunga

So wie das Wasser den Fisch, so hat die Gravitation den Bau und die Funktion des menschlichen Körpers geprägt –  das Kreislaufsystem und den Salzwasser-Bestand des Menschen nicht ausgenommen. Es waren die wissenschaftlichen Bemühungen der Gravitationsphysiologen im vorigen Jahrhundert, die die Wirkungen der Gravitation auf den menschlichen Körper mit Hilfe von Zentrifugen und anderen Hilfsmitteln, sowie in der Schwerelosigkeit des Weltraumes die vielfältigen Wirkungen der Gravitation untersucht haben. Der aufrecht gehende Mensch war dafür ein ausgezeichnetes Studienobjekt, weil er sich im Kampf gegen die Gravitation ständig behaupten muss.

Je nach Alter, Geschlecht und Trainingszustand besteht der menschliche Körper zu etwa 60 Prozent aus Wasser. Bei Frauen und älteren Menschen liegt dieser Prozentsatz wegen des höheren Fettanteils an der Körpermasse etwas niedriger, während bei Kindern und gut trainierten Sportlern und Sportlerinnen der Wassergehalt des Körpers höher liegt.

Der Wasserbestand des menschlichen Körpers

Bei einem Körpergewicht von 70 Kilogramm muss man demnach mit etwa 42 Litern Wasser rechnen. Dies wäre der Verteilungsraum einer gut wasserlöslichen Substanz, die alle Zellgrenzen überschreiten würde, wie beispielsweise der Alkohol. Das Wasser im menschlichen Körper ist auf zwei gegeneinander abgegrenzte Flüssigkeitsräume (Kompartimente) verteilt. Von den genannten 42 Litern Wasser befinden sich etwa 25 bis 28 Liter in den Zellen. Dieses Wasser ist der Lösungsraum für die zahlreichen biochemischen Reaktionen, die sich ständig im Körper abspielen. Es verändert sich in seiner Menge und Zusammensetzung nur langsam im Vergleich zu dem Flüssigkeitsvolumen, das sich in den Blutgefäßen und in den Zwischenzellräumen befindet. Man spricht in diesem Fall von extrazellulärem Wasser, das etwa zwölf bis 15 Liter ausmacht und sich in ein intravasales und interstitielles Volumen gliedert. Das intravasale Volumen (Blutvolumen) wird vom Herzen durch das Gefäßsystem bewegt, um die Nährstoffe und den Sauerstoff an die Zellen zu transportieren und das Kohlendioxid, die Abbauprodukte des Zellstoffwechsels sowie die Wärme abzutransportieren. Während das intrazelluläre Volumen von der Schwerkraft kurzfristig kaum beeinflusst wird, ist das extrazelluläre den Einflüssen der Schwerkraft stark unterworfen. Dies wird umso klarer, wenn man zunächst einmal das Kreislaufsystem durch die Augen eines Gravitationsphysiologen betrachtet.

Das Blutvolumen macht etwa sechs bis acht Prozent des Körpergewichts aus und ist damit eines der größten Organe des menschlichen Körpers. Das Gefäßsystem kann beim aufrecht stehenden Menschen als ein langes, vertikal gestelltes Röhrensystem aufgefasst werden, das sich von der Fußsohle bis zum Scheitel erstreckt.

Etwa 80 Prozent des Blutvolumens befinden sich in den leicht dehnbaren Venen, in denen sich im Stehen das Blut knapp unterhalb des Herzens ansammelt, gekennzeichnet durch die zunehmend schwarze Schraffierung auf der Abbildung 1. Von oben nach unten nehmen die Venendrücke kontinuierlich zu. Die auftretenden Dehnungsdrücke in den venösen Abschnitten des Kreislaufes sind auf der rechten Seite der Abbildung 1 in mm Hg angegeben. Diese Werte gelten jedoch nur, wenn sich eine durchgehende Flüssigkeitssäule vom Herzen bis in die Beinvenen ausbilden würde, was aber durch Venenklappen verhindert wird. Werden die Venenklappen undicht, weiten sich die Venen stark aus und können mehr Volumen aufnehmen. Es entstehen Krampfadern. Patienten mit Krampfadern haben deshalb ein um etwa 10 bis 15 Prozent erhöhtes Blutvolumen, um das ausgeweitete Venensystem ausreichend zu füllen.

Die Schwerkraft muss also erheblichen Einfluss auf alle Mechanismen haben, die das Flüssigkeitsvolumen des Kreislaufs regulieren, weil sie die Flüssigkeitsverteilung entlang der Körperachse beeinflusst.


Abbildung 1: Die Blutvolumenverteilung entlang der Körperachse beim Menschen im Vergleich zum Vierbeiner; Abbildung: Kirsch/Gunga

Blutvolumen, Blutvolumenverteilung und Schwerkraft

Eine Schwierigkeit für den menschlichen Körper besteht darin, das Blutvolumen möglichst herznah bereit zu halten, um es bei Bedarf auswerfen zu können. Man kann der Abbildung 1 entnehmen, dass beim Menschen etwa 70 Prozent des Volumens unterhalb des Herzens gelagert sind, woraus zu schließen ist, dass es erheblicher Anstrengungen bedarf, das Herz beim stehenden Menschen zu füllen. In dieser Hinsicht hat es der Vierbeiner leichter, denn bei ihm liegen 70 Prozent des Blutvolumens in Herzhöhe und sind bei Bedarf leicht verfügbar. Von daher ist es zu verstehen, dass der Mensch im Vergleich zum Vierbeiner, bezogen auf seine Körpermasse, ein um zehn bis 15 Prozent höheres Blutvolumen hat. Die Blutvolumenverteilung und die absolute Größe des Blutvolumens sind eng miteinander verknüpft. Dies lässt sich auch anhand eines anderen Beispiels verdeutlichen. Muss ein Mensch in horizontaler Körperstellung mehrere Tage verharren, wie durch Bettlägerigkeit, so nimmt sein Blutvolumen sehr schnell ab, denn in horizontaler Körperlage werden fast 15 Prozent des Blutvolumens, das sich normalerweise extrathorakal, das heißt außerhalb des Brustkorbs befindet, nach intrathorakal in Herznähe verlagert. Der Körper registriert dies auf die Dauer als ein Zuviel an Volumen und scheidet es aus. In den herznahen Venen und in den Vorhöfen des Herzens befinden sich Dehnungsrezeptoren, die bei einem Zuviel an Volumen Signale nach zentral senden und unter anderem die Sekretion des antidiuretischen Hormons (ADH) hemmen. Daraufhin wird in der Niere weniger Wasser zurückgehalten und infolgedessen ausgeschieden. Dieser Reflex wird nach seinen Entdeckern der Gauer-Henry-Reflex genannt. Gauer war von 1962 bis 1979 Direktor am Physiologischen Institut der Freien Universität Berlin und hat in mannigfaltiger Weise die Forschungen auf diesem wichtigen Gebiet der Medizin mitbestimmt. In der Zwischenzeit ist eine ganze Reihe weiterer hormonaler Mechanismen aufgedeckt worden, die mit der Volumenfüllung der herznahen Venen und den Vorhöfen des Herzens zusammenhängen. Auf ein weiteres, mit der Schwerkraft verknüpftes Kreislaufproblem sei hier noch hingewiesen.

Bei einem 180 cm großen Menschen befindet sich das Herz etwa 150 Zentimeter über dem Boden, ist aber immer noch 30 Zentimeter vom Gehirn entfernt. Das Herz muss also das Blut entgegen der Schwerkraft zum Gehirn pumpen. Dies kann zum Teil erhebliche Schwierigkeiten bereiten, wenn beispielsweise das Auswurfvolumen des Herzens durch Volumenmangel vermindert ist – wie bei Bettlägerigkeit und hohem Schweißverlust.


Abbildung 2: Herz und Kreislauf bei Mensch, Giraffe und Dinosaurier. Man beachte den Abstand zwischen Herz und Gehirn; Abbildung: Kirsch/Gunga

Vor welche Probleme die Schwerkraft das Kreislaufsystem, genauer gesagt den Transport des Blutvolumens, stellt, ist auf der zweiten Abbildung dargestellt. Muss das Herz des Menschen das Blutvolumen etwa 30 Zentimeter hoch zum Hirn befördern, sind dies bei der Giraffe bereits zwei Meter und mehr, bei dem abgebildeten Dinosaurier nahezu acht Meter. Bei diesen Tieren entstehen meterlange, zum Teil vertikal gestellte Flüssigkeitssäulen im Arteriensystem, in denen Blutdrücke von mehreren hundert Millimeter Quecksilbersäule entstehen, die dann überwunden werden müssen, um das Blut in Richtung Gehirn zu befördern.

Die Abbildung 3 zeigt arterielle Blutdrücke in Herzhöhe, gemessen beim Menschen und bei einer Giraffe. Der systolische Druck, der beim gesunden Menschen normalerweise bei etwa 120 mm Hg liegt, reicht bei der Giraffe bis an die 370 mm Hg heran. Diese Druckarbeit bürdet dem Herzen dieser Tiere eine erhebliche Belastung auf. Entsprechend groß sind diese Herzen auch. Bei den Dinosauriern ließen sich Herzgewichte von über 300 Kilogramm errechnen. Im Vergleich macht das Herzgewicht des Menschen nur etwa 300 Gramm aus.

Umgekehrt addieren sich unterhalb des Herzens die dynamischen Drücke, die vom Herzen aufgebracht werden, zu den hydrostatischen Drücken. Schon beim Menschen finden wir, je nach Körpergröße, in den Arterien des Fußrückens Drücke von 150 bis 180 mm Hg. Es lässt sich leicht ausrechnen, wie hoch die Drücke bei den Giraffen und den Dinosauriern in den Knöchelarterien sein müssten. Die Frage erhebt sich, warum diese Gefäße nicht platzen oder warum diese Geschöpfe keine Ödeme aufweisen. Es wäre doch zu erwarten, dass durch die hohen Drücke Flüssigkeit ins Gewebe gepresst werden könnte.


Abb. 3: Arterieller Blutdruck beim Menschen und bei der Giraffe

Der Kreislauf im Weltraum

Sicher wird beim Menschen vermehrt Flüssigkeit in die Gewebe der Beine, besonders in der Knöchelgegend, gepresst, was zu Schwellungen führt, wie man abends beim Ausziehen der Socken feststellen kann. Über das Lymphsystem wird diese Flüssigkeit wieder zurück in den Kreislauf befördert. Das Hochlegen der Beine unterstützt diesen Rücktransport.

Wenn die Gravitation sowohl einen solchen Einfluss auf die Flüssigkeitsverteilung entlang der Körperachse des Menschen als auch auf die Regulation des Flüssigkeitsvolumens hat, so taucht die Frage auf, wie sich dies in der Schwerelosigkeit verhält und was bei den Astronauten passiert. Man würde eine Umverteilung der Flüssigkeiten im Weltraum erwarten. In der Tat ist dies der Fall. Schon wenige Minuten nach dem Eintritt in die Schwerelosigkeit bemerken die Astronauten, dass die Beine dünner werden und die Gesichter anschwellen: Sie bekommen Storchenbeine und Schwellköpfe. Letzteres wird als äußerst unangenehm empfunden, da die Schleimhäute des Mund-, Rachen- und Nasenraumes anschwellen und stark mit Blut gefüllt sind. Die Astronauten fühlen sich wie auf dem Kopf stehend auf der Erde. Das aus den Beinen ausgelagerte Volumen sammelt sich in den herznahen Gefäßen und dehnt die Herzkammern und die Lungengefäße. Die Astronauten fühlen sich unwohl und schränken die Flüssigkeitsaufnahme ein. Das hohe intrathorakale Volumen signalisiert dem Körper ohnehin ein hohes Blutvolumen, wodurch das Durstgefühl schwindet. Auch dies gehört zu dem bereits oben erwähnten Gauer-Henry-Reflex. Letztlich verfügen die Astronauten über ein verringertes Blutvolumen, wobei nicht nur die flüssigen Bestandteile vermindert sind, sondern auch zelluläre Bestandteile wie die roten Blutkörperchen.

Durch die Blutvolumenverlagerung – von peripher aus den Beinen nach zentral in das Herz und in die Lungen – hätte man annehmen sollen, dass die Drücke dort erhöht sein müssten im Vergleich zu den Werten, die man auf der Erde gefunden hat. Unsere Messungen auf der Spacelab Mission 1983 und später auf der D 1 Mission 1985 haben jedoch das Gegenteil ergeben. Die Venendrücke in den herznahen Venen waren drastisch abgefallen. Amerikanische Kollegen haben diese Befunde später bestätigt, indem sie Astronauten mit einem Herzkatheter versehen ins All schickten. Wir hatten auf der Erde nicht daran gedacht, dass das Herz normalerweise von der mit Blut gefüllten Lunge umgeben ist, die wie ein flüssigkeitsgefüllter Schwamm das Herz umgibt und der auf Grund der Schwerkraft einen Druck ausübt. Beim Eintritt in die Schwerelosigkeit entfällt dieser von außen ausgeübte Druck auf die herznahen Gefäße und infolgedessen fallen die Drücke schlagartig ab.

Dies war ein Beispiel, wie die Mechanik des Herzens entscheidend von der Schwerkraft beeinflusst wird, was in seinen Konsequenzen erst bedacht werden konnte, als man das Experiment im Weltraum tatsächlich durchgeführt hatte.

Die bei den Astronauten vorhergesagten und tatsächlich gefundenen Veränderungen in der Volumenverteilung entlang der Körperachse haben zu zahlreichen Überlegungen geführt, wie man dies auch im Schwerefeld der Erde langfristig bewerkstelligen könnte, um die volumenregulierenden Mechanismen eingehend studieren zu können. Dies hat zu zahlreichen Untersuchungsmodellen geführt, die in der Folge die experimentelle Kreislaufphysiologie erheblich bereichert haben.

Zwei dieser Modelle werden auf der Abbildung 4 gezeigt. Zum einen kann man den Menschen – wie im oberen Teil dargestellt – in einem Winkel von sechs Grad kopftief legen. Dies ist gut verträglich und kann über Tage und Wochen aufrechterhalten werden. Dabei wird Flüssigkeit aus den Beinen in den Brustkorb und in den Kopf verschoben. Als Folge davon kommt es zu einer erhöhten Urinausscheidung und das Plasmavolumen, das heißt die Blutflüssigkeit, nimmt um etwa 15 Prozent ab. Gleichzeitig nimmt die Durchblutung im Kopfbereich zu. Nach sechs bis acht Stunden hätte ein Proband nach dem Aufstehen große Mühe, sich aufrecht zu halten, er würde sich unwohl fühlen und ihm würde schwarz vor Augen. Das Blut würde sich in den Beinen ansammeln und das Herz hätte weniger Volumen zur Verfügung. Ein Kreislaufkollaps wäre die Folge. Genau dies sind Symptome, die Astronauten empfinden, wenn sie aus dem All zurückkehren.

Die Anwendung dieses Kopftieflage-Modells brachte weitere Erkenntnisse zutage. Belässt man Probanden über mehrere Wochen in der Kopftieflage, kommt es zu einer Dickenzunahme der Schädelknochen, wohl durch die gesteigerte Kopfdurchblutung bedingt, während die Gewicht tragenden Knochen in der unteren Körperhälfte an Substanz verlieren. Zuvor dachte man, allein die Ruhigstellung des Körpers wäre für den Knochenschwund verantwortlich. Heute wissen wir, dass auch die Durchblutungsverteilung entlang der Körperachse ein wesentlicher Faktor für die Knochenentwicklung ist.


Abbildung 4: Blutvolumenverteilung beim Menschen in Kopftieflage (oben) und im Wasser stehend; Abbildung: Kirsch/Gunga

Darunter ist auf der Abbildung 4 ein weiteres Modell zur Umverteilung von Körperflüssigkeiten dargestellt, das uns aus dem Alltagsleben bekannt ist. Steht man bis zur Brust oder zum Hals im Wasser, drückt der hydrostatische Druck des Wassers die leicht kompressiblen Beinvenen zusammen und das Blut entweicht zunächst in die Gefäße des Bauchraumes und Brustkorbes (Bildmitte B) und später, wenn einem das Wasser bis zum Halse steht, wie ganz rechts dargestellt (C), fast ausschließlich in die Brustorgane. Die Herzkammern werden gedehnt und damit wird ein Zuviel an Volumen angedeutet. In Wirklichkeit ist es nur ein Zuviel an einer ungewohnten Stelle. Diese Volumenverteilung stellt sich auch ein, wenn man sich horizontal in die Badewanne legt. Das Schnorcheltauchen hat den gleichen Effekt. In all diesen Situationen ist die Lunge dem normalen atmosphärischen Druck ausgesetzt, während der hydrostatische Druck unter Wasser in den übrigen Körperpartien hinzukommt.

Der Körper reagiert darauf, wie bereits oben beschrieben: Es kommt zu einer gesteigerten Urinausscheidung. Der Gauer-Henry-Reflex kommt ins Spiel und der Flüssigkeitsbestand des Körpers wird vermindert. Unter anderem war dies ein Teil des Kureffektes, den man in früheren Jahrhunderten den Bädern zuschrieb, als man bei Herzkranken die Anwendung entwässernder Medikamenten (Diuretika) noch nicht zur Verfügung hatte. Der Aufenthalt in einem Bade führte auch zu einer Entwässerung des Patienten, was für den kranken Kreislauf eine Entlastung bedeutete. Diese Beobachtung ist schon bei dem römischen Schriftsteller Livius beschrieben. Die Schnorcheltaucher der römischen Flotte, die man heute als Kampfschwimmer bezeichnen würde, wurden urinatores genannt.

Es waren also die Schwerkraft-Physiologen, die nach 2.000 Jahren im Rahmen von Weltraumexperimenten den Mechanismus der Badediurese aufgeklärt haben. Man sieht, die Wissenschaft muss oft große Umwege gehen, um ans Ziel zu kommen. Einfache Vorhersagen sind bei einem so komplexen System, wie es der menschliche Organismus darstellt, nicht möglich.

Unnötig zu sagen, dass vieles von dem, was hier geschildert und von den Gravitationsphyiologen erarbeitet wurde, heutzutage gängiges Lehrbuchwissen für den Mediziner darstellt. Nötig zu sagen ist dagegen, woher dieses Wissen stammt.