Wie Nahrung Ihren Körper antreibt

Von James Somers

Mir wurde immer gesagt, dass ich einen schnellen Stoffwechsel habe. Ich bleibe dünn, egal was ich esse; Erst in den letzten Jahren, als ich Mitte Dreißig war, habe ich die Erfahrung gemacht, dass ich horizontal gewachsen bin. Ich spiele ein paar Mal pro Woche Squash, gehe donnerstags mit einem Freund laufen und gehe mit dem Hund spazieren. Ansonsten verbringe ich ganze Tage am Computer, dann sitzend auf der Couch, dann schlafe ich. Und doch bleibe ich schlaksig und werde leicht „hungrig“; Nachmittags, nach einem ausgiebigen Frühstück und zwei Portionen zum Mittagessen, mache ich mich auf die Suche nach einer weiteren Mahlzeit. Manchmal wache ich mitten in der Nacht hungrig auf. Wohin mit dem ganzen Essen?

Unser Körper benötigt viele Kalorien und die meisten davon werden nur dafür aufgewendet, die Maschine am Laufen zu halten. Sie spüren Ihre Leber nicht besonders, aber tatsächlich ist sie immer da und lebert. ebenso Ihre Nieren, Haut, Darm, Lunge und Knochen. Unser Gehirn ist ein großer Energiefresser, der etwa ein Fünftel unserer Kalorienaufnahme verbraucht, obwohl er im Durchschnitt nur ein Fünfzigstel unseres Körpergewichts ausmacht. Möglicherweise ist meines weniger effizient als Ihres: Ich habe eine ängstliche Geisteshaltung – ich grübele – und vielleicht ist das so, als würde ich auf der Stelle laufen. Manchmal fühle ich mich beim Schreiben träge, nachdem ich einen Absatz im Kopf durchgearbeitet habe, und ich ging immer davon aus, dass ich dafür Koffein brauche. Irgendwann stellte ich fest, dass ein Sandwich besser funktionierte. Die Anstrengung des Nachdenkens hatte meine Kalorien zur Neige gebracht und es war Zeit, einen weiteren Scheit ins Feuer zu werfen.

Feuer ist nicht nur eine Metapher für den Stoffwechsel. Im 18. Jahrhundert führte der französische Chemiker Antoine-Laurent de Lavoisier eine Reihe genialer Experimente durch, um zu beweisen, dass unsere Lebenskraft Feuer ist. Zuerst fand er heraus, woraus Luft bestand; Anschließend zeigte er durch genaue Messungen, dass Feuer der Luft Sauerstoff entzog und ihn in Form von Rost ablagerte. Später baute er ein Gerät, bei dem gepacktes Eis eine Kammer umgab, die entweder mit einer brennenden Flamme oder einem kleinen Tier gefüllt werden konnte; Indem er maß, wie viel Eis schmolz, konnte er die von der Flamme verbrannte Energie mit der von der Kreatur „verbrannten“ Energie in Beziehung setzen. Er entwickelte sogar ein „Respirometer“, ein Gerät aus Schläuchen und Messgeräten, das den genauen Sauerstoffverbrauch einer Person maß, während sie verschiedene Aufgaben übernahm. Er kam zu dem Schluss, dass „die Atmung nichts anderes ist als eine langsame Verbrennung von Kohlenstoff und Wasserstoff, die in jeder Hinsicht der einer Lampe oder einer brennenden Kerze ähnelt.“ Sowohl Flammen als auch Lebewesen tauschen Energie und Gase in einer sogenannten Verbrennungsreaktion aus. Im Feuer läuft diese Reaktion schnell und außer Kontrolle: Dem Brennstoff wird mit heftiger Hingabe Energie entzogen, und fast die gesamte Energie wird sofort in Form von Licht und Wärme freigesetzt. Aber das Leben ist methodischer. Zellen entziehen ihrem Brennstoff mit exquisiter Kontrolle Energie und leiten jeden einzelnen Tropfen für ihre eigenen winzigen Zwecke. Es wird fast nichts verschwendet.

Es dauerte noch einige hundert Jahre, um herauszufinden, wie genau dies bewerkstelligt wird. Der Durchbruch gelang in den dreißiger Jahren, als ein brillanter ungarischer Chemiker namens Albert Szent-Györgyi eine Studie über die Brustmuskulatur von Tauben durchführte. Der Muskel, der stark genug war, um die Vögel im Flug zu halten, erwies sich auch nach der Pulverisierung als metabolisch hyperaktiv. Szent-Györgyi gab etwas zerkleinertes Gewebe in eine Schüssel und maß dann sorgfältig das Gas und die Hitze, die beim Einbringen verschiedener Chemikalien abgegeben wurden. Er fand heraus, dass bestimmte Säuren die Stoffwechselrate der Muskeln um mehr als das Fünffache steigerten. Seltsamerweise wurden diese Säuren bei den Reaktionen nicht selbst verbraucht: Szent-Györgyi konnte so viel aus der Schüssel nehmen, wie er hineingegeben hatte. Die Säuren, so stellte er fest, beteiligten sich an einer Art chemischem Kreisverkehr, beschleunigten oder katalysierten , Stoffwechsel, obwohl sie ständig abgebaut und wieder aufgebaut wurden.

Einige Jahre später beschrieb ein deutscher Biochemiker namens Hans Krebs diesen chemischen Zyklus ausführlicher und heute ist er als Krebs-Zyklus bekannt. Vielleicht erinnern Sie sich dunkel an den Krebs-Zyklus aus dem Biologieunterricht in der Oberstufe – oder vielleicht haben Sie ihn gleich nach dem Test vergessen. Lange Zeit war der Krebs-Zyklus ein Symbol für das, was ich an der Schule nicht mochte – ein perfektes Symbol für Langeweile und Verwirrung. Als wir an in Reihen angeordneten Schreibtischen saßen, wurden uns die monströsen Namen seiner Bestandteile genannt – Succinat, Pyruvat, Acetyl-CoA, Cytochrom C –, während wir an der Tafel NAD+s und FADH2s zählten und „Redox“-Reaktionen als verfolgten Sie „oxidierten“ oder „reduzierten“ Elemente. Ich habe mir die Diagramme im Lehrbuch eingeprägt – Pfeile, kleine Schriftarten, winzige Plus- und Minuszeichen –, ohne jemals wirklich zu verstehen, wofür der Zyklus gedacht war. Ich war mit meinem Unverständnis nicht allein. In der 38-jährigen Laufzeit des modernen „Jeopardy!“ wurde der Krebs-Zyklus nur sechs Mal befragt. Es hat alle drei Spieler zweimal auf der Bühne überrascht.

Es ist eine Schande, dass die organische Chemie so schreckliche Assoziationen hervorruft, wo doch so viel Schönheit darin steckt. Wie der Biochemiker Nick Lane in seinem Buch „Transformer: The Deep Chemistry of Life and Death“ schreibt, ist der Krebszyklus besonders magisch – er ist nicht nur die Grundlage des Stoffwechsels, sondern allen komplexen Lebens auf der Erde. Und es ist gar nicht so schwer zu begreifen. Heutzutage sind sogar diejenigen von uns, die AP Bio übersprungen haben, mit Genen vertraut; Dank der Pandemie wissen wir möglicherweise sogar, wovon wir sprechen, wenn wir Wörter wie „Protein“ und „mRNA“ verwenden. Lane argumentiert, dass unsere DNA-Kompetenz tatsächlich eine Form des genetischen Chauvinismus ist. Das Geheimnis des Lebens ist nicht vollständig in unseren Genen verankert; Es hat auch damit zu tun, wie wir der Welt Energie entziehen – mit unserem anhaltenden, lebenslangen langsamen Brennen. Es lohnt sich, den Krebszyklus zu verstehen, denn es hilft Ihnen, besser zu verstehen, was es bedeutet, am Leben zu sein.

Durch den Krebszyklus gewinnen wir Energie aus der Nahrung, die wir essen. Um zu verstehen, wie der Kreislauf funktioniert, ist es hilfreich, sich daran zu erinnern, woraus Lebensmittel bestehen. Wie alles andere im Universum besteht auch der Stoff, den wir essen, aus Atomen. Ein Atom ist wie ein kleines Sonnensystem mit einem Kern im Zentrum. Elektronen umkreisen den Kern wie Planeten eine Sonne. (Obwohl man der Quantenmechanik zufolge zu keinem Zeitpunkt genau wissen kann, wo sich ein Elektron gerade befindet – und diese Umlaufbahn also eigentlich weniger eine feste Bahn als vielmehr eine Art Wolke möglicher Positionen ist.) Es könnte ein Elektron geben oder mehrere innerhalb eines bestimmten Atoms; Sie kreisen in bestimmten typischen Abständen, die Chemiker als Orbitalschalen bezeichnen. Nur eine endliche Anzahl von Elektronen kann gleichzeitig eine Orbitalschale besetzen: zwei in der ersten Schale, acht in der zweiten, achtzehn in der dritten, zweiunddreißig in der vierten und so weiter – ein Muster, das die Anordnung der Reihen definiert des Periodensystems sind ausgelegt. Die gesamte Chemie beruht auf der Tatsache, dass Elektronen, die nicht Teil vollständig gefüllter Schalen sind, weniger stabil sind, insbesondere wenn sie sich weiter vom Kern entfernen. Es ist, als ob ein Elektron nicht dazu bestimmt wäre, zu weit von zu Hause wegzuwandern.

Von Zeit zu Zeit stößt etwas gegen ein Atom. Handelt es sich um ein Photon – ein Lichtteilchen – dann schleudert die Energie der Kollision die Elektronen eines Atoms in Bahnen, die weiter vom Kern entfernt sind. Diese „hochenergetischen“ Elektronen sind wie Murmeln, die auf dem Rand einer Schüssel schweben – sie wollen ihre potenzielle Energie freisetzen, indem sie zurück zur Mitte rollen oder, wenn sich ein anderes Atom in der Nähe befindet, in die Schüssel hineinlaufen. In welche Richtung sie fallen, hängt vom genauen Gleichgewicht der Instabilitäten in jedem Atom ab – mit anderen Worten davon, welches Atom die Hülle hat, die am dringendsten gefüllt werden muss. Wenn ein Atom, das bereit ist, ein energiereiches Elektron abzugeben, in die Nähe eines Nachbarn kommt, der es gerne aufnehmen möchte, rollt dieses Elektron vom Rand einer Schale in die andere. Beim Fallen setzt es Energie frei. So abstrakt dies auch erscheinen mag, es ist die Essenz des Lebens. Photonen, die von der Sonne kommen, treffen in Pflanzen auf Elektronen im Chlorophyll; Durch eine Reihe chemischer Reaktionen werden diese energiereichen Elektronen von einem Atom zum nächsten übertragen, bis sie schließlich im Zucker oder in der Stärke in Früchten, Stielen und Samen gespeichert werden.

Auf molekularer Ebene unterscheidet sich eine Kartoffel nicht so sehr von Erdöl: Sie enthält Moleküle, die reich an hochenergetischen Elektronen sind. Durch unseren Stoffwechsel hoffen wir, die Energie dieser Elektronen auf beherrschbare Weise einzufangen. Szent-Györgyi wird oft die Aussage zugeschrieben, dass das Leben nichts anderes sei als ein Elektron, das nach einem Ort zum Ausruhen sucht; Die Murmeln rollen bergab, und das Leben nutzt ihre Kraft. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Elektronen mit der höchsten verfügbaren Energie nicht einfach so zur Verfügung stehen. Lebensmittel sind kompliziert und voller verschiedener Moleküle, von denen viele Rohstoffe enthalten, die wir in die physischen Strukturen unserer Zellen einbauen. Die besonders energiereichen Atome in unserer Nahrung zu finden, ist so, als würde man einen Haufen Autowracks durchsuchen, um die noch geladenen Batterien zu finden.

Ein überraschend großer Teil dieses Siebens findet statt, bevor wir unsere Nahrung überhaupt schlucken, da der Speichel in unserem Mund die Stärke aufspaltet. (Versuchen Sie, in eine Tasse Jell-O-Pudding zu spucken, und sehen Sie, was passiert.) Wir beginnen, uns schon lange vor der Verdauung satt zu fühlen, weil unser Mund unserem Gehirn mitteilt, dass Energie kommt und dass es sicher ist, einige kurzfristige Vorräte freizugeben. In der Zwischenzeit beginnen Säuren im Magen und Enzyme im Dünndarm mit der Verarbeitung des Angekommenen. Bis sie fertig sind, sind die unruhigsten Elektronen der energiereichen Moleküle in der Nahrung neu gemischt und in Glukose, einen einfachen Zucker, gepackt. Glukose ist wie ein chemischer Versandbehälter. Es ist ein idealer Elektronentransporter, unter anderem weil es eine hohe Kapazität, eine praktische Form und eine einfache Öffnung aufweist. Es ist außerdem ungewöhnlich löslich, was bedeutet, dass es gut durch den Blutkreislauf transportiert werden kann. Und es besteht nur aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Die beiden letztgenannten Atomarten sind hochreaktiv – es gibt einen Grund, warum Tanks mit Wasserstoff und Sauerstoff als „brennbar“ gekennzeichnet sind – und viele instabile Elektronen umkreisen jedes Kohlenstoffatom, begierig darauf, in andere Moleküle einzudringen. Unser Gehirn, dessen Teile einen besonders unvorhersehbaren Energiebedarf haben – wenn Neuronen feuern, erzeugen sie Bedarfsspitzen – sind fast ausschließlich auf Glukose zur Energiegewinnung angewiesen. Kolibris, die den schnellsten Stoffwechsel aller Tiere haben und keine Zeit haben, ihre Flügelschläge anzutreiben, ernähren sich ebenfalls von einer Mischung aus reiner Glukose und Saccharose.

Wenn Glukose unsere Zellen erreicht, wird sie – anders als ein Versandcontainer – systematisch abgebaut. Durch eine Reihe von Reaktionen werden ihm die energiereichsten Elektronen entzogen und daraus ein kleines „Trägermolekül“ namens NADH gebildet. Wenn Glukose wie ein Versandbehälter ist, dann sind NADHs wie Lieferwagen. Der Vorgang des Ladens der Elektronen in die Lastwagen wird Glykolyse genannt. Es ist uralt; Tatsächlich ist es die Art und Weise, wie Hefezellen Energie gewinnen. Wenn die Glykolyse unter Abwesenheit von Sauerstoff stattfindet, spricht man von Fermentation. Wenn Ihre Muskeln bis an ihre Grenzen beansprucht werden und nicht genügend Sauerstoff in Ihrem Blutkreislauf vorhanden ist, fermentieren Ihre Zellen Glukose als Notlösung für die Energieproduktion.

Wenn Sauerstoff beteiligt ist, wird der Abbau von Glukose wesentlich verfeinert. Sauerstoff ist so hungrig nach Elektronen – seine äußere Hülle braucht nur zwei weitere, um einen vollständigen Satz zu erhalten –, dass er sie tatsächlich durch den gesamten Krebszyklus zieht, der das eigentliche Kraftwerk unseres Stoffwechsels ist. Der Zyklus selbst ist komplex, mit Abfolgen chemischer Formeln, die scheinbar speziell dafür entwickelt wurden, Schüler zu traumatisieren. Aber im Wesentlichen wird Glukose in zwei Teile gebrochen und ihre Hälften werden einer Reihe von Reaktionen zugeführt, die sie in Teile zerlegen; Die Rückgrate werden dann für eine weitere Runde des Zyklus wiederverwendet. Die Hauptsache ist, dass dabei energiereiche Elektronen abgetrennt und auf noch mehr NADHs geladen werden – weit mehr als bei der Glykolyse allein. Es geht nahezu keine Energie durch Wärme verloren; Stattdessen wird es bewahrt und transformiert. Jedes Elektron, das in Glucose eine hohe Umlaufbahn hatte, ist in NADH ebenfalls auf seinem vollen Potenzial.

Diese NADH-Moleküle werden weiter umgewandelt. In einer typischen Zelle Ihres Körpers befinden sich Hunderttausende Minizellen, sogenannte Mitochondrien – Strukturen, von denen man annimmt, dass sie von einem frei schwebenden Bakterium abstammen, das vor langer Zeit von einem unserer Vorfahren aufgenommen und kooptiert wurde. Ein Mitochondrium ist durch einen gewundenen Rand mit vielen Falten, die eine riesige Oberfläche schaffen, in eine innere und eine äußere Kammer unterteilt. Aus dieser Membran ragen Proteine ​​heraus wie Kaninchen, die ihren Kopf durch eine Hecke stecken. Diese Proteine ​​​​fangen ein NADH ein und ziehen dann seine Elektronen in die innere Kammer, wo sie schließlich in Sauerstoffmolekülen zur Ruhe kommen. (Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kehren die Elektronen zurück und die Arbeit kommt zum Stillstand.) Die Bewegung jedes Elektrons ist genau so zeitlich abgestimmt und angeordnet, dass ein Proton in Form eines Hydroniumions entsteht, das positiv geladen ist. in die entgegengesetzte Richtung gehen. In dem Moment, in dem das Protein jedes Elektron nach innen zieht, gibt es auch das Proton ab und schiebt es von der inneren Kammer in die äußere. Diese Extrusion findet überall auf der Membran statt. Das Ergebnis ist, dass sich draußen viele positiv geladene Protonen ansammeln, die durch eine Wand von den negativ geladenen Elektronen im Inneren getrennt sind. Es entsteht ein elektrisches Feld. Im wahrsten Sinne des Wortes wird jedes Mitochondrium zu einer Batterie, die darauf wartet, entladen zu werden.

„Diese Ladung ist großartig“, schreibt Lane in „Transformer“. Das dabei erzeugte elektrische Feld, erklärt er, habe eine Stärke von rund dreißig Millionen Volt pro Meter – „das entspricht einem Blitz, der jeden Quadratnanometer der Membran durchdringt“. Jeden Moment ziehen in jeder Ihrer Zellen Wolken zusammen, die vor Potenzial knistern. Und doch unterschätzt selbst dies den absoluten Wahnsinn des Stoffwechsels; Es ist wild, was mit diesen Protonen passiert. Angezogen vom elektrischen Strom wollen sie unbedingt zurück ins Innere des Mitochondriums, wo sich die Elektronen befinden. Ihr einziger Weg zurück besteht jedoch darin, sich durch winzige pilzförmige Kanäle zu zwängen, die die Membran verunreinigen. Im Jahr 1962 entdeckten Wissenschaftler, dass es sich bei diesen Leitungen tatsächlich um kleine Turbinen handelte. Durch Elektronenmikroskope betrachtet, ähneln sie bis ins kleinste Detail Wasserrädern; Die Protonen drehen sie beim Vorbeigehen.

Bei Bären und neugeborenen Menschen im Winterschlaf erzeugen die Turbinen Wärme, die im Fett gespeichert wird. Häufiger jedoch entsteht bei jeder Umdrehung des Rades ein Molekül Adenosintriphosphat oder ATP – die Energiewährung unserer Zellen. Aufgrund seiner Struktur ist ATP äußerst bereit, seine Energie abzugeben, wird jedoch durch einige präzise kontrollierbare molekulare Bremsschwellen daran gehindert – wie eine gespannte Feder, die mit einem Schloss festgehalten wird. Die Erzeugung von ATP läuft auf die Erzeugung von Ordnung aus dem Chaos hinaus. In unserer Nahrung ist Energie willkürlich gespeichert. Aber jedes ATP-Molekül ist mit einer Standardmenge an Energie ausgestattet, die durch die physikalische Bewegung eines molekularen Zahnrads erzeugt wird. ATP wird in jeder Art von Zelle verwendet und dort in kinetische, chemische oder elektrische Energie umgewandelt. Unsere Muskeln ziehen sich zusammen, wenn ein Protein namens Myosin entlang einer Mikrofaser klettert und diese fester zusammendrückt – jeder Schritt entlang der Faser kostet ein ATP. In unseren Nieren treibt ATP eine chemische Pumpe an, die Ionen aus unserem Urin zurückgewinnt. In unserem Gehirn verleiht ATP den Neuronen ihre elektrische Ladung. Die Gewitterwolken in unseren Mitochondrien werden abgefüllt, verschifft und entkorkt.

Lane schreibt, dass die „protonentreibende Kraft“ dieser kleinen Turbinen einer der wenigen Mechanismen ist, die in allen Lebensformen vorhanden sind. In dir und mir und allem, was lebt, verlieren hochenergetische Elektronen langsam ihren Elan. Der Stoffwechsel vollbringt etwas Wunderbares: Durch sorgfältige atomare Transformationen extrahiert er aus praktisch jeder organischen Chemikalie eine universelle Energieeinheit, die in jedem Winkel jeder Zelle eingesetzt werden kann, und das, ohne dabei etwas zu verschwenden. Die Verwendung eines standardisierten Teils wie ATP im Leben ist fast tayloristisch; Die Effizienz ist unvorstellbar. Ein Körper nimmt geladene Teilchen auf und schickt sie durch winzige Windmühlen; Ein Gehirn mit hundert Billionen elektrischen Verbindungen kann mit einem Sandwich einen ganzen Tag lang mit Energie versorgt werden.

Es war mutig von Lane, ein ganzes Buch über den Krebs-Zyklus zu schreiben. Obwohl sich „Transformer“ an Laien richtet, ist es keine besonders einfache Lektüre: Neben Diagrammen chemischer Reaktionen ist von Succinat, Oxalacetat und der Reduktion dieses und jenes die Rede. Als ich es las, musste ich Wikipedia und die Khan Academy konsultieren. Und doch ist Lane begeistert von der komplexen Biochemie, die er beschreibt, auch weil er glaubt, dass das Verständnis des Stoffwechsels uns helfen könnte, noch viel mehr zu verstehen, von Krebs bis zum Ursprung des Lebens.

Biologen sind seit der Entdeckung der Doppelhelix im Jahr 1953 in gewisser Weise von Genen besessen. Das zentrale Dogma der Molekularbiologie – es wird tatsächlich so genannt, das Zentraldogma – stellt Informationen in den Mittelpunkt des Lebens und beschreibt, wie sie daraus hervorgehen Von DNA über RNA zu Proteinen. In den neunziger Jahren gipfelte die Betrachtung des Gens im milliardenschweren Humangenomprojekt, das versprach, dass eine groß angelegte genetische Sequenzierung viele der schwierigsten Fragen der Biologie und Medizin beantworten würde. Krebsforscher neigen daher dazu, bei der Erforschung der Krankheit einen genzentrierten Ansatz zu verfolgen: Eine große Anstrengung im Stil des Human Genome Project, der Cancer Genome Atlas, hat Millionen potenziell krebserregender Mutationen in Zehntausenden von Mutationen katalogisiert Gene. Auf der Behandlungsseite kann der größte Durchbruch der letzten Zeit, die Immuntherapie, darin bestehen, Zellen des Immunsystems genetisch so zu verändern, dass sie auf Tumore abzielen, die eine einzigartige DNA-Sequenz exprimieren. Der Ansatz habe „die Therapie wirklich revolutioniert“, sagte mir Raul Mostoslavsky, der wissenschaftliche Co-Direktor des Krebszentrums des Massachusetts General Hospital. Aber Gene sind nur ein Teil der Geschichte. „Es ist sehr gut erwiesen, dass einzigartige Merkmale des Stoffwechsels entscheidend für Krebs und Alterung sind“, sagte Mostoslavsky. In den letzten Jahrzehnten habe es „eine Explosion der Forschung auf diesem Gebiet“ gegeben. Vielleicht weil es neuer ist und eher in der Biochemie als in der Genetik verwurzelt ist, hat es weniger Erfolg gehabt, sich in die öffentliche Vorstellungswelt einzuschleichen.

Ein Großteil der neuen Arbeit konzentrierte sich auf den Warburg-Effekt, benannt nach Otto Heinrich Warburg, einem deutschen Biologen, der für seine Forschungen zur Zellatmung einen Nobelpreis erhielt. Der Warburg-Effekt beschreibt die besondere Tatsache, dass Krebszellen dazu neigen, sich so zu verhalten, als ob sie sich in einem Stoffwechselnotstand befänden. Wenn normalen Zellen Sauerstoff fehlt, verlangsamen sich die mitochondrialen Turbinen; Die anaerobe Glykolyse oder Fermentation übernimmt. Das Merkwürdige ist, dass Krebszellen dies auch dann tun, wenn reichlich Sauerstoff vorhanden ist. Der Warburg-Effekt gilt bei allen Krebsarten als nahezu universell; Ein relativ häufiges Anzeichen für das Vorhandensein eines Tumors ist die Ansammlung von Laktat, die durch die Gärung der Krebszellen verursacht wird. Es ist unklar, ob diese Fermentation eine Ursache oder eine Folge der Krankheit ist. Fermentieren Krebszellen, weil sie außer Kontrolle geraten – oder treibt die Fermentation das Wachstum voran?

Vielleicht ist es beides, aber Lane vermutet, dass wir der letztgenannten Möglichkeit zu wenig Aufmerksamkeit schenken. Er argumentiert, dass dies den übergroßen Zusammenhang zwischen Krebs und Alterung erklären könnte. Im Alter von 24 bis 50 Jahren steigt Ihr Krebsrisiko um das Neunzigfache und von da an steigt es exponentiell weiter an. Eine verbreitete Hypothese besagt, dass die Hauptursache für dieses steigende Risiko die Anhäufung genetischer Mutationen ist. Einige Wissenschaftler argumentieren jedoch, dass die Akkumulationsrate bei weitem nicht schnell genug ist, um die außergewöhnliche Entwicklung des Krebsrisikos im Laufe eines Lebens zu erklären. Auch erklärt die Gen-Perspektive nicht, warum manche Tumore aufhören zu wachsen, wenn sie in eine andere Umgebung gebracht werden. Für Lane legen diese Fakten nahe, dass man sich Krebs am besten als eine Störung des Stoffwechsels vorstellen kann.

Mit zunehmendem Alter kommt es zu einer Abnutzung Ihrer Mitochondrien. Die Ursache ist häufig eine Entzündung – sei es durch Krankheit, Verletzung oder Stress. Die Entzündung selbst wird mit zunehmendem Alter chronisch, aus Gründen, die noch nicht vollständig geklärt sind. Unterdessen verlangsamt sich ein Prozess namens Mitophagie, bei dem alte Mitochondrien vom Körper gefressen werden, damit an ihrer Stelle neue wachsen können. Das Ergebnis all dessen ist, dass unsere Mitochondrien müde werden und ihre Arbeit etwas schlechter erledigen. „Insgesamt“, schreibt Lane, „haben wir weniger Energie, neigen dazu, an Gewicht zuzunehmen, haben es schwerer, in explosive Action auszubrechen und leiden unter chronischen, leichten Entzündungen.“ („Altern, äh!“, bemerkt er.) Die Bedingungen für Krebs werden reif: Mitochondriale Abfallprodukte beginnen sich anzuhäufen, wie an einem kaputten Fließband; Wenn es schlimm genug wird, könnte eine Zelle vielleicht glauben, dass der Rückstau auf einen Sauerstoffmangel zurückzuführen ist. Es werden Alarmsignale an den Zellkern gesendet, um eine Reihe epigenetischer Schalter umzulegen – „Wir ersticken!“ –, die die Zelle in den Fermentationsmodus versetzen. Wenn in diesem Modus Glukose ankommt, besteht die Priorität darin, sie nicht von ihren hochenergetischen Elektronen, sondern von molekularen Bausteinen zu befreien. Die Zelle kehrt zu einem ihrer frühesten Programme zurück, das während der Embryonalentwicklung aktiv war und bei dem die oberste Anweisung nicht darin besteht, zu arbeiten, sondern zu wachsen. „Was macht eigentlich eine Zelle krebsartig?“ Lane fragt. Eine krebsartige Umgebung könnte „durch Mutationen, Infektionen, niedrige Sauerstoffwerte ... oder den mit dem Altern selbst verbundenen Rückgang des Stoffwechsels hervorgerufen werden“.

Als Forscher gilt Lanes Hauptinteresse dem Ursprung des Lebens, und auch hier bietet die Betonung des Stoffwechsels eine dramatisch revisionistische Darstellung. Wenn wir darüber nachdenken, wie das Leben begann, neigen wir dazu, uns eine Geschichte über Gene zu erzählen. Wir sagen, dass flache Küstenbecken am Anfang mit einer ursprünglichen chemischen Suppe gefüllt waren; Zu den Chemikalien gehörte RNA, eine einzelsträngige, weniger stabile Version der DNA. RNA hatte die Fähigkeit, den Aufbau anderer Moleküle zu katalysieren, und schließlich entstand eine Version, die ihr eigenes Kopieren katalysieren konnte. Irgendeine Energiequelle muss diese chemischen Reaktionen angetrieben haben – vielleicht ein Blitz oder ultraviolettes Licht der Sonne. Unabhängig davon sagen wir: Sobald das Kopieren begann, setzten sich Mutationen durch, die zu einer schnelleren oder robusteren Replikation führten. Der Stoffwechsel entstand erst später, als die Vorfahren unserer Zellen lernten, andere organische Chemikalien in der Nähe zu verdauen.

Diese Geschichte wurde durch die Entdeckung von Leben in einigen der tiefsten und dunkelsten Teile des Ozeans im Jahr 1977 etwas komplizierter. Meeresbiologen fanden heraus, dass riesige Röhrenwürmer an Orten lebten, an denen es kein Licht und keine Pflanzen zum Fressen gab. Wie haben die Würmer überlebt? Es dauerte Jahrzehnte, aber Wissenschaftler entdeckten schließlich das erste Glied in dieser dunklen Nahrungskette. Scharen primitiver Bakterien leben neben Vulkanschloten im Meeresboden und sind ungewöhnliche „Autotrophen“. Das Wort beschreibt die Tatsache, dass diese Bakterien wie Pflanzen ihre Biomasse nicht durch Nahrungsaufnahme, sondern direkt aus anorganischen Stoffen aufbauen, beispielsweise aus im Wasser schwimmenden Kohlendioxidmolekülen. Damit die Autotrophie funktioniert, ist eine stabile Energiequelle erforderlich. Pflanzen nutzen Sonnenlicht. Aber diese Bakterien leben in völliger Dunkelheit. Wie könnten sie möglicherweise Autotrophen sein?

Es stellt sich heraus, dass Salzwasser an der Grenzfläche zwischen Meer und Mantel mit der Erde in einem Prozess reagiert, der Serpentinisierung genannt wird. Durch die Serpentinisierung entstehen energiereiche Chemikalien, und Lane vermutet, dass sie die ursprüngliche Energiequelle waren, die die Vorfahren der Autotrophen mit Energie versorgte. In unserem Stoffwechsel läuft der Krebszyklus in eine Richtung: Nahrungsmoleküle gehen hinein und Energie kommt heraus. Aber das Fahrrad kann sich tatsächlich in beide Richtungen drehen, wie ein Plattenspieler. Die Bakterien rund um die Tiefseeschlote durchlaufen den Krebszyklus in umgekehrter Reihenfolge, indem sie Energie aus den Schloten aufnehmen und diese nutzen, um die Materie ihres Körpers aus einfacheren Teilen zusammenzusetzen. Sie sind wie Kerzen, die nicht brennen. Erst später, als Membranen diese Reaktionen umschlossen, wäre der Bedarf an RNA entstanden. Als die ersten Protozellen von den Schloten wegschwebten, verloren sie den Kontakt zu ihrer Energiequelle; Nur diejenigen, die die richtige Art von RNA in sich trugen, hätten die notwendigen Werkzeuge zum Überleben gehabt. Die Aufgabe der RNA hätte darin bestanden, Reaktionen zu katalysieren, die früher von den Entlüftungsöffnungen abhingen. Im Laufe der nächsten paar Milliarden Jahre hätten die Nachkommen dieser primitiven Organismen damit begonnen, Sauerstoff als Abfallprodukt in die Atmosphäre auszustoßen. Erst dann wäre der Krebszyklus, wie wir ihn kennen, entstanden: Durch die Umkehrung des Stoffwechsels der Autotrophen könnte ein Organismus den gesamten Sauerstoff nutzen und seinen Körper in eine Art Ofen verwandeln. Es war diese Umkehrung, behauptet Lane, die die kambrische Explosion hervorbrachte, eine enorme Ausbreitung der Vielfalt und Komplexität des Lebens, die vor etwa fünfhundert Millionen Jahren stattfand.

Jedes Buch über nur eine Sache, insbesondere wenn der Autor das Gefühl hat, nicht genug Aufmerksamkeit erhalten zu haben, läuft Gefahr, zu einer Theorie für alles zu werden. Der Eindruck, den ich durch „Transformer“ gewann, war, dass der Krebszyklus nicht nur der Schlüssel zum Leben und seinen Ursprüngen, sondern auch zu Alter, Krebs und Tod war. Wahrscheinlicher ist, dass es nur ein Teil all dieser Dinge ist.

Dennoch spricht einiges für das Eintauchen. Kürzlich habe ich ein langes Wochenende in einem kleinen gemieteten Haus ein paar Stunden nördlich von New York City verbracht. Die ganze Zeit über hatte ich den Stoffwechsel im Gehirn. Eines Morgens fuhren ein Freund und ich zu einem späten Frühstück in ein Restaurant im Freien. Der Kraftstoffverbrauch des Autos ging zur Neige; Ich auch. Während wir auf den Kellner warteten, saß ich ruhig da und fühlte mich ein wenig sauer und deprimiert. Die Sonne brannte auf meinen Rücken – Elektronen in der falschen Form. Erst nach den ersten Bissen meines Rühreiers spürte ich die Flut von Glukose und wurde wieder ich selbst. Ich konnte mir vorstellen, was in meinen Zellen geschah. Das Bild hätte einem Philosophen des 18. Jahrhunderts gefallen: Ich war ein Uhrwerkmann, der sich durch das Drehen von einer Milliarde winziger Wasserräder in die Höhe trieb.

Später, zurück im Haus, spielten wir in der Einfahrt Basketball. Wie viele ATPs kostet ein Sprungwurf? Nachdem ich zum Korb gelaufen war, um mich zu legen, dachte ich darüber nach, was alles nötig war, um meinen Körper durch die Luft zu schleudern: eine Spannung aus Protonen, eine Million gleichzeitiger Entladungen über synaptische Spalten. Jede Bewegung war ein perfekt kontrollierter Blitzschlag.

Nach dem Spiel beobachteten wir am späten Nachmittag vor dem Fenster kleine Vögel mit rasendem Herzschlag. Ich stellte mir die Schnelligkeit ihrer Welt vor. Wenn sich Ihr Stoffwechsel ausreichend beschleunigt, verlangsamt sich dann die Zeit? Ist es deshalb so schwer, sich einen Käfer einzufangen?

Wir beschlossen, an diesem Abend S'mores zu machen. Ein Freund und ich haben das Feuer gemacht. Wir sammelten Elektronen von einem Holzhaufen in der Nähe, lösten sie mit etwas Butan und einem Funken aus und sahen dann zu, wie die Sonne unterging. Es war seltsam, sich vorzustellen, dass die Energie aus der Fusion in einer Entfernung von 92 Millionen Meilen nun die Form eines Marshmallows angenommen hatte. Glücklicherweise steckte ich mir eins in den Mund. ♦