Warum Giraffen mit extrem hohem Blutdruck leben können
Die Giraffe ist das höchste heute lebende Landtier. Damit ihr Gehirn trotz des langen Halses zuverlässig mit Blut versorgt wird, arbeitet ihr Kreislauf unter einem außergewöhnlich hohen Blutdruck. Bei einem Menschen wären vergleichbare Werte gesundheitlich problematisch. Giraffen besitzen jedoch eine ganze Reihe anatomischer, physiologischer und genetischer Anpassungen, die ihren Körper schützen. Die Forschung beginnt inzwischen sogar zu verstehen, welche Gene daran beteiligt sein könnten. (PubMed)
Fünf Meter gegen die Schwerkraft
Wer eine Giraffe betrachtet, sieht zuerst ihren langen Hals.
Für Physiologen steckt dahinter jedoch eine außergewöhnliche Herausforderung.
Das Herz befindet sich weit unterhalb des Gehirns. Bei einem erwachsenen Tier muss Blut deshalb mehrere Meter entgegen der Schwerkraft nach oben transportiert werden.
Wäre der Blutdruck zu niedrig, könnte das Gehirn nicht ausreichend durchblutet werden.
Messungen zeigen entsprechend einen mittleren arteriellen Blutdruck von ungefähr 200 mmHg. Das ist etwa doppelt so hoch wie bei vielen anderen Säugetieren. Dadurch kann am oberen Ende der Halsschlagadern noch ein ausreichender Druck für die Versorgung des Gehirns bestehen. (Annual Reviews)
Für die Giraffe ist hoher Blutdruck also nicht einfach ein Problem.
Er ist zunächst eine notwendige Voraussetzung für ihre außergewöhnliche Körperform.
Ein besonderes Herz – aber kein riesiges Herz
Man könnte vermuten, dass eine Giraffe dafür einfach ein ungewöhnlich großes Herz besitzt.
Die Forschung zeigt ein differenzierteres Bild.
Eine Untersuchung von 56 Giraffen mit Körpermassen zwischen 18 und 1.500 Kilogramm zeigte, dass die relative Herzmasse nicht außergewöhnlich groß ist. Sie liegt in einer Größenordnung, die auch bei anderen Säugetieren vorkommt.
Entscheidend ist vielmehr der Aufbau des Herzens.
Insbesondere die Wand der linken Herzkammer ist kräftig entwickelt. Die Wandstärke nimmt mit der Länge des Halses zu. Gleichzeitig ist der periphere Gefäßwiderstand höher als bei ähnlich großen Säugetieren.
So kann das Herz den hohen Druck erzeugen, der notwendig ist, um Blut bis zum Gehirn zu transportieren. (PubMed)
Doch hoher Blutdruck bringt ein neues Problem
Was für das Gehirn notwendig ist, könnte andere Organe belasten.
Beim Menschen kann dauerhaft hoher Blutdruck unter anderem Blutgefäße, Herz und Nieren schädigen.
Giraffen leben dagegen natürlicherweise mit ihrem hohen Blutdruck.
Wie schaffen sie das?
Genau diese Frage macht die Giraffe für die vergleichende Physiologie so interessant.
Die Antwort liegt offenbar nicht in einem einzigen Mechanismus.
Herz, Blutgefäße, Nieren und genetische Anpassungen arbeiten zusammen. (Annual Reviews)
Sogar die Nieren sind angepasst
Besonders bemerkenswert sind die Nieren.
Sie befinden sich ungefähr auf Höhe des Herzens und sind damit dem hohen arteriellen Druck ausgesetzt.
Eine 2015 veröffentlichte Studie untersuchte die Nierenfunktion von 14 Giraffen.
Die Forschenden fanden unter anderem einen ungewöhnlich hohen Druck im Nierengewebe sowie eine sehr widerstandsfähige Nierenkapsel. Zusammen mit weiteren Besonderheiten reduziert dies den effektiven Filtrationsdruck in den Nieren.
Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass diese Eigenschaften dazu beitragen können, die Nieren trotz des hohen arteriellen Blutdrucks zu schützen. (PubMed)
Die Giraffe hat also nicht einfach gelernt, hohen Blutdruck „auszuhalten“.
Ihr Organismus besitzt Strukturen, die an genau diese außergewöhnlichen Kreislaufbedingungen angepasst sind.
Dann senkt die Giraffe ihren Kopf
Jetzt wird das Problem noch komplizierter.
Eine Giraffe möchte trinken.
Sie spreizt ihre Vorderbeine und bewegt ihren Kopf von mehreren Metern Höhe bis hinunter zum Wasser.
Dadurch verändert sich die Position ihres Gehirns gegenüber dem Herzen innerhalb kurzer Zeit dramatisch.
Anschließend hebt sie den Kopf wieder mehrere Meter nach oben.
Das Kreislaufsystem muss mit diesen schnellen Veränderungen umgehen, ohne dass die Versorgung des Gehirns zusammenbricht.
Genau deshalb untersuchen Physiologen nicht nur den Blutdruck einer ruhig stehenden Giraffe, sondern auch, wie sich arterielle und venöse Drücke sowie der Blutfluss verändern, wenn sie den Kopf zum Trinken senkt und anschließend wieder anhebt. (Annual Reviews)
Die nächste Antwort fand sich im Genom
Heute können Forschende noch eine Ebene tiefer gehen.
Nicht nur Herz und Blutgefäße lassen sich untersuchen.
Auch die DNA.
2016 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam eine Genomanalyse der Giraffe. Dabei fanden die Forschenden Hinweise auf evolutionäre Veränderungen in mehreren Genen, die mit Blutdruck und Herz-Kreislauf-Funktionen in Verbindung stehen. (Nature)
Doch eine besonders interessante Entdeckung folgte 2021.
Forschende erstellten ein hochwertiges Giraffengenom auf Chromosomenebene und verglichen es umfassend mit den Genomen anderer Wiederkäuer.
Dabei fiel ein Gen besonders auf:
FGFRL1.
Sieben außergewöhnliche Veränderungen
Das Giraffen-FGFRL1 besitzt sieben einzigartige Aminosäureveränderungen, die die Forschenden bei den verglichenen anderen Wiederkäuern nicht fanden.
Das war interessant, weil FGFRL1 mit biologischen Prozessen des Herz-Kreislauf-Systems und des Skeletts verbunden ist.
Aber eine genetische Besonderheit allein beweist noch nicht, was sie bewirkt.
Deshalb gingen die Forschenden einen entscheidenden Schritt weiter.
Sie führten ein Experiment durch. (PubMed)
Mäuse mit einer Giraffenvariante
Mithilfe der Genomeditierungstechnik CRISPR-Cas9 erzeugten die Wissenschaftler Mäuse, deren FGFRL1-Gen die sieben giraffentypischen Veränderungen enthielt.
Anschließend erzeugten sie experimentell einen Zustand erhöhten Blutdrucks.
Die Ergebnisse waren bemerkenswert.
Während der Blutdruck bei den normalen Vergleichsmäusen deutlich anstieg, zeigten die Mäuse mit der giraffentypischen FGFRL1-Variante eine wesentlich stärkere Widerstandsfähigkeit gegenüber der experimentell ausgelösten Hypertonie.
Auch die mit hohem Blutdruck verbundenen Veränderungen am Herzen waren geringer.
Darüber hinaus zeigten die veränderten Mäuse eine höhere Knochenmineraldichte. (PubMed Central (PMC))
Damit entstand eine faszinierende Verbindung.
Ein Gen könnte an Anpassungen beteiligt sein, die sowohl mit dem Herz-Kreislauf-System als auch mit dem Skelett zusammenhängen – zwei Systeme, die für ein Tier mit der extremen Körperhöhe einer Giraffe besonders wichtig sind.
Bedeutet das, dass FGFRL1 das Geheimnis der Giraffe erklärt?
Nein.
Das wäre wissenschaftlich zu weit gegangen.
Die Forschenden selbst weisen darauf hin, dass Herz-Kreislauf- und Sinnessysteme komplex sind und weitere Untersuchungen notwendig sind.
Die Experimente zeigen jedoch, dass giraffenspezifische Veränderungen von FGFRL1 tatsächlich funktionelle Auswirkungen besitzen können.
Damit geht die Forschung über eine reine Genomanalyse hinaus.
Sie findet eine genetische Besonderheit – und testet experimentell, was diese Besonderheit bewirken könnte. (PubMed Central (PMC))
Evolution löst nicht nur ein Problem
Das ist vielleicht der faszinierendste Teil der Geschichte.
Ein immer längerer Hals bringt Vorteile mit sich, erzeugt aber gleichzeitig neue biologische Herausforderungen.
Das Gehirn liegt höher.
Der Kreislauf benötigt höheren Druck.
Das Herz muss diesen Druck erzeugen.
Gefäße und Organe müssen damit umgehen können.
Das Skelett muss einen außergewöhnlich großen Körper tragen.
Eine extreme Körperform kann deshalb nicht unabhängig vom restlichen Organismus entstehen.
Viele biologische Systeme müssen gemeinsam funktionieren.
Die Genomstudie von 2021 fand entsprechend giraffenspezifische Veränderungen nicht nur in Bereichen des Herz-Kreislauf-Systems, sondern auch bei Knochenwachstum, Sehen, Hören und zirkadianen Funktionen. (PubMed)
Kann die Giraffe uns sogar etwas über menschlichen Bluthochdruck beibringen?
Das ist eine besonders interessante Forschungsfrage.
Beim Menschen gehört Bluthochdruck zu den wichtigen Risikofaktoren für Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Die Giraffe lebt dagegen natürlicherweise unter Kreislaufbedingungen, die bei uns problematisch wären.
Deshalb untersuchen Wissenschaftler, ob die evolutionären Schutzmechanismen der Giraffe neue Hinweise auf die Biologie von Bluthochdruck liefern könnten.
Die Autoren der Genomstudie von 2021 weisen ausdrücklich darauf hin, dass ihre Ergebnisse neue Einblicke für die Erforschung menschlicher Hypertonie ermöglichen könnten. (PubMed)
Das bedeutet nicht, dass bereits eine neue Behandlung aus der Giraffenforschung entstanden ist.
Es bedeutet etwas anderes:
Die Evolution hat biologische Lösungen hervorgebracht, die wir noch nicht vollständig verstehen.
Und ihre Erforschung kann uns neue Fragen stellen, auf die wir selbst vielleicht nie gekommen wären.
Wissenschaft & Zukunft
Die Giraffe gehört auch zu den Tieren in „Wenn Träume Wirklichkeit werden“.
Im Buch begegnen die Kinder einem Tier, dessen außergewöhnliche Erscheinung sofort sichtbar ist.
Die Wissenschaft zeigt jedoch, dass das eigentlich Faszinierende teilweise unsichtbar bleibt.
Hinter dem langen Hals befindet sich ein hoch spezialisiertes biologisches System.
Ein kräftiges Herz.
Angepasste Blutgefäße.
Besondere Nierenfunktionen.
Ein Organismus, der enorme Druckunterschiede bewältigt.
Und genetische Veränderungen, die möglicherweise dabei geholfen haben, all diese Eigenschaften während der Evolution miteinander zu verbinden.
Die Giraffe zeigt damit etwas, das für Bücher für die Zukunft besonders wichtig ist:
Wenn wir ein Tier wirklich kennenlernen wollen, reicht es nicht, es nur anzusehen.
Wir müssen Fragen stellen.
Wir müssen forschen.
Und manchmal entdecken wir dabei Lösungen, die Millionen Jahre Evolution hervorgebracht haben und von denen sogar wir Menschen noch etwas lernen können.
Wie viele Lösungen der Natur warten noch darauf, von uns verstanden zu werden?
Wissenschaftliche Grundlage
Eine zentrale Grundlage ist die 2021 in Science Advances veröffentlichte Studie „A towering genome: Experimentally validated adaptations to high blood pressure and extreme stature in the giraffe“. Die Forschenden identifizierten giraffenspezifische genetische Veränderungen und testeten die funktionelle Bedeutung von FGFRL1 experimentell an geneditierten Mäusen. (PubMed)
Ergänzend fasst die 2021 erschienene wissenschaftliche Übersicht „The Remarkable Cardiovascular System of Giraffes“ den Forschungsstand zu Herz, Gefäßen, Nieren, Gehirndurchblutung und den Auswirkungen der extremen Körperhöhe zusammen. (Annual Reviews)
Genomstudie – PubMed
Kreislaufsystem der Giraffe – Annual Review of Physiology
Studie zur Giraffenniere – PubMed
Bücher für die Zukunft – Wissenschaft & Zukunft
www.buecherfuerdiezukunft.ch