Nicht nur das Herz: Blut und die vierte Phase des Wassers

Blut kann weiterfließen, auch wenn das Herz schon stillsteht. Im Labor von Gerald H. Pollack an der University of Washington floss das Blut eines 3 Tage alten Hühnerembryos nach dem Herzstillstand noch rund 50 Minuten weiter, durch ein Gefäßnetz von rund 3 Zentimetern Durchmesser. Es floss langsamer, bei etwa 25 Mikrometern pro Sekunde, aber in der normalen Richtung von der Arterie zur Vene. Schalteten die Forscher Infrarotstrahlung ein, stieg die Geschwindigkeit von etwa 41 auf etwa 153 Mikrometer pro Sekunde. Entzogen sie die Infrarot-Energie, kam der Fluss in den Kapillaren ganz zum Erliegen. Zheng Li und Gerald H. Pollack haben diese Messungen 2023 in PLOS ONE veröffentlicht, gestützt auf 6 Versuche nach Herzstillstand und 5 im lebenden Zustand. Ihre Erklärung führt zu einem Thema, das in der Biologie lange am Rand stand, nämlich wie sich Wasser an Oberflächen verhält. Und damit zu Pollacks Begriff der vierten Phase des Wassers.

Warum ein Fluss ohne Pumpe zunächst unglaubwürdig klingt

Eine Pumpe ist ein Gerät, das Flüssigkeit bewegt, indem es einen Druckunterschied erzeugt. Genau so beschreiben wir den Kreislauf, seit William Harvey 1628 seine Schrift über die Bewegung des Herzens veröffentlicht hat, also seit fast 400 Jahren: Das Herz baut Druck auf, der Druck treibt das Blut, und ohne Druck steht das Blut still. Wer zum ersten Mal hört, dass noch etwas anderes Blut bewegen soll, ist deshalb natürlich erst einmal skeptisch, und zwar mit guter Physik im Rücken.

Mit Messwerten allein kommt man da auch nicht weit. Solange unklar ist, wodurch eine Flüssigkeit ohne Druckgefälle in Bewegung geraten soll, klingt jede Zahl nach einem Messfehler. Es lohnt sich also, zuerst den Mechanismus anzuschauen und danach die Messung.

Dass Blut nach dem Herzstillstand weiterfließt, ist dabei gar keine neue Beobachtung, und genau dort setzt die Arbeit an. Li und Pollack verweisen auf Befunde an 4 Tiergruppen, an Mäusen, Ratten, Hunden und Hühnerembryonen. Je nach Modell floss das Blut zwischen 15 Minuten und mehreren Stunden weiter. Manche Amphibienlarven überlebten nach der operativen Entfernung des Herzens sogar bis zu 15 Tage und entwickelten sich weiter. Weil es naheliegende Erklärungen gab, etwa die Schwerkraft oder das Zusammenziehen der Gefäße, habe das Phänomen bisher „wenig Aufmerksamkeit erhalten", heißt es in der Arbeit.

Wie eine Röhre Wasser bewegt, ohne dass jemand drückt

Eine hydrophile Oberfläche ist eine Oberfläche, an der Wasser haftet, statt abzuperlen. Glas gehört dazu, viele Kunststoffe, Gele und auch die Innenauskleidung von Blutgefäßen. Das Pollack-Labor hatte 2020, drei Jahre vor der Blutfluss-Arbeit, beobachtet, dass Wasser von selbst durch enge, waagerecht liegende hydrophile Röhrchen fließt, wenn man sie ins Wasser taucht. Da gab es kein Gefälle, keine Pumpe und kein Ansaugen, und trotzdem hielt der Fluss an.

Die Erklärung beginnt an der Grenzfläche. Trifft flüssiges Wasser auf eine hydrophile Oberfläche, bildet sich direkt daran eine Zone, die gelöste Teilchen ausschließt, die sogenannte Ausschlusszone oder exclusion zone. Zum ersten Mal beobachtet wurde sie 2003 an Polymer-Gelen: Eingebrachte Mikrokügelchen blieben aus einer Zone in der Größenordnung von 100 Mikrometern ausgeschlossen, einem Vielfachen dessen, was die herkömmliche Theorie erwarten ließ (Zheng & Pollack, Physical Review E 68, 031408, 2003). Sechs Jahre später zeigte dieselbe Gruppe, dass sich die Zone mit eingestrahltem Licht vergrößern lässt, umkehrbar und abhängig von der Wellenlänge (Chai, Yoo & Pollack, Journal of Physical Chemistry B 113, 13953–13958, 2009). Die Zone ist negativ geladen, und die dabei frei werdenden Protonen wandern in den freien Innenraum der Röhre.

Im Rohr sitzt dann außen ein negativ geladener Ring und in der Mitte eine Ansammlung positiv geladener Protonen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Wird die Abstoßung stärker, drängt sie die Protonen an einem Ende der Röhre hinaus, und am anderen Ende strömt Wasser nach. Das wiederholt sich, solange die Bedingungen bestehen, und so wird aus einem chemischen Konzentrationsgefälle Bewegung.

Für Blutgefäße liegt der Gedanke nahe, denn Blut besteht überwiegend aus Wasser, und die Gefäßinnenwand ist hydrophil. Li und Pollack haben deshalb geprüft, ob derselbe Mechanismus im Kreislauf arbeitet.

Woher die Energie für diesen Fluss kommt

Infrarotstrahlung ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen oberhalb des sichtbaren Lichts, und jeder warme Körper gibt sie ab. Auf diese Energiequelle führen Li und Pollack den Fluss zurück: Eingestrahlte Energie speist den Aufbau der Ausschlusszone, und im Infrarotbereich ist dieser Effekt am stärksten. Gezeigt hatten die beiden das 2020 in Science Advances an technischen Röhrchen, unter dem Titel Surface-induced flow: A natural microscopic engine using infrared energy as fuel.

Diese Energie ist eigentlich überall. Der Stoffwechsel jedes Lebewesens erzeugt Wärme, die nach dem planckschen Strahlungsgesetz als Infrarotstrahlung abgegeben wird. Von außen kommt die Sonne dazu, denn etwa die Hälfte der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, liegt im Infrarotbereich.

Daraus ergibt sich eine Vorhersage, die man prüfen kann. Wenn Infrarot der Treibstoff ist, dann muss zusätzliches Infrarot den Fluss beschleunigen und fehlendes Infrarot ihn bremsen, auch wenn sonst alles gleich bleibt. Genau das haben Li und Pollack im Experiment getestet.

Was im Hühnerembryo gemessen wurde

Das Versuchsmodell ist das Dottergefäßnetz eines Hühnerembryos nach 72 bis 75 Stunden Bebrütung. Das Netz hat einen Durchmesser von etwa 3 Zentimetern und liegt fast flach auf dem Dotter, und damit scheiden die üblichen Erklärungen für Blutfluss ohne Herzschlag aus. Die Schwerkraft kommt nicht infrage, weil das Blut in der Ebene und teils aufwärts fließen müsste. Ein Zusammenziehen der Gefäße ebenso wenig, weil die glatte Muskulatur in diesem Stadium noch nicht voll arbeitet. Das Herz hielten die Forscher mit 10 bis 30 Mikrolitern Kaliumchloridlösung an, und es stand nach ein bis zwei Sekunden still. Die roten Blutkörperchen filmten sie mit bis zu 80 Bildern pro Sekunde und werteten ihre Geschwindigkeit aus.

Bedingung	Gemessenes Ergebnis
Nach Herzstillstand	Fluss hält rund 50 Minuten an, in natürlicher Richtung, in allen Versuchen
Venöse Geschwindigkeit ohne Herzschlag	stabilisiert sich bei etwa 25 Mikrometern pro Sekunde
Infrarot nach Herzstillstand (n = 6)	von etwa 41 auf etwa 153 Mikrometer pro Sekunde, Rückgang nach Abschalten
Infrarot im lebenden Zustand (n = 5)	venöse Geschwindigkeit rund 30 Prozent höher
Infrarot-Mangel bei 19 bis 23 °C	Kapillarfluss kommt zum Erliegen, rote Blutkörperchen bleiben stecken; umkehrbar

Im Abstract fassen die Autoren ihr Ergebnis so zusammen:

„Hence, this IR-dependent, vessel-based flow-driving mechanism may indeed operate in the circulatory system, complementing the action of the heart."

Sinngemäß: Dieser infrarotabhängige, gefäßgestützte Antriebsmechanismus könnte demnach tatsächlich im Kreislaufsystem wirken und die Arbeit des Herzens ergänzen. — Li & Pollack, On the driver of blood circulation beyond the heart, PLOS ONE 18(10):e0289652 (2023)

Wie sorgfältig Li und Pollack ihre Ergebnisse einordnen

Eine Einschränkung ist in einer Fachveröffentlichung die Stelle, an der die Autoren selbst sagen, wie weit ihre Daten reichen. Li und Pollack gehen damit sehr sorgfältig um:

• Herz und Gefäße im lebenden Embryo. Unter Infrarot stieg im lebenden Embryo neben dem venösen Fluss auch die Herzfrequenz deutlich an. Die Autoren schreiben dazu: „the reciprocal causation between the cardiac output and venous return makes it difficult to distinguish whether the added IR impacted venous blood flow via the heart or via the blood vessels." Sinngemäß: Die wechselseitige Verursachung zwischen Herzleistung und venösem Rückstrom macht es schwer zu unterscheiden, ob das zusätzliche Infrarot über das Herz oder über die Gefäße gewirkt hat.
• Die Schicht an der Gefäßwand. Die Forscher beobachteten eine zellfreie Schicht direkt an der Gefäßwand und schreiben, ihre Natur sei „noch nicht untersucht"; die Zuordnung zur Ausschlusszone formulieren sie als Vermutung.
• Die Versuchsreihen. Untersucht wurden 6 Embryonen nach Herzstillstand und 5 im lebenden Zustand.
• Das Modell. Gearbeitet haben die beiden am Hühnerembryo, gerade weil seine Muskulatur noch unfertig ist. Wie sich der Mechanismus im erwachsenen Kreislauf verhält, ist die nächste spannende Frage.
• Die Sprache der Schlussfolgerungen. In der Arbeit steht „may indeed operate", „may well be the dominating driver" und für den lebenden Zustand „may merely augment the heart-driven flow", also „ergänzen". (Quelle: Li & Pollack, PLOS ONE 18(10): e0289652, 2023, für alle Punkte.)

Was die Pressemeldung der Universität anders formuliert

Eine Pressemeldung ist ein Text, der eine Fachveröffentlichung für ein breites Publikum aufbereitet. Die University of Washington hat die Arbeit am 25. Oktober 2023 so vorgestellt, und an einigen Stellen klingt die Meldung zugespitzter als die Arbeit selbst:

Meldung	Arbeit
„the circulation has two independent drivers" (zwei unabhängige Antriebe)	„may indeed operate … complementing the action of the heart"; im lebenden Zustand „may merely augment"
„could confirm … infrared energy – was the driver"	„IR energy appears to fuel this postmortem blood flow"
„observed in half a dozen laboratories … but their conclusions had been ignored"	„confirmed in mice, rats, dogs, and chick embryos"; das Phänomen habe „wenig Aufmerksamkeit erhalten"
Titel: „On the Driver of the Circulation Beyond the Heart"	Titel: „On the driver of blood circulation beyond the heart"

Wer die Ergebnisse zitieren möchte, nimmt deshalb am besten den Wortlaut der Veröffentlichung. Sie steht unter der Lizenz Creative Commons Attribution 4.0 frei im Netz, und jeder kann sie nachlesen.

Was die vierte Phase des Wassers damit zu tun hat

Die vierte Phase des Wassers ist Pollacks Name für den geordneten Zustand, den er in der Ausschlusszone neben hydrophilen Oberflächen beschreibt, als Zustand neben fest, flüssig und gasförmig. Auf seiner Fakultätsseite an der University of Washington schreibt er: „My laboratory has discovered that water has a fourth phase, which has a central role in human health." Sinngemäß: Mein Labor hat entdeckt, dass Wasser eine vierte Phase besitzt, die eine zentrale Rolle für die menschliche Gesundheit spielt.

Wie man die Zone deutet, wird in der Fachliteratur diskutiert. Beobachtet haben die Ausschlusszone mehrere Gruppen unabhängig voneinander. Eine Übersichtsarbeit von 2020 hält eine Erklärung über Diffusiophorese, also Teilchenwanderung entlang von Konzentrationsgefällen, für überzeugender als eine eigene Phase des Wassers. Beide Sichtweisen haben wir ausführlicher aufgeschrieben, in Kohärentes Wasser: Was die Forschung wirklich misst und in Strukturiertes Wasser: was am Trend gemessen ist.

Die Messungen am Embryo stehen dabei für sich, ganz gleich, wie man die Wasserphysik dahinter am Ende deutet.

Warum uns diese Forschung interessiert

Qi Blanco arbeitet an Wasser und an Zellen, und deshalb verfolgen wir Veröffentlichungen wie diese genau. Li und Pollack beschreiben, wie sich Wasser an Grenzflächen im Körper verhält und dabei Kräfte erzeugt, und das ist eben das Feld, in dem wir uns bewegen. Besonders spannend finden wir die Rolle des Infrarots: Es ist die Wärme, die jeder Körper abgibt, und etwa die Hälfte dessen, was von der Sonne bei uns ankommt, also etwas, das im Alltag ständig da ist. Die Arbeit kommt aus Pollacks Labor an der University of Washington. Wer verstehen will, wie Wasser im Zellinneren beschrieben wird, findet den größeren biophysikalischen Rahmen in Zelluläre Hydration: Was die Biophysik sagt.

Häufige Fragen zu dieser Studie

Fließt Blut wirklich weiter, wenn das Herz stehenbleibt?

Ja, das haben Forscher mehrfach beobachtet, an Mäusen, Ratten, Hunden und Hühnerembryonen, je nach Modell über Minuten bis Stunden. Im Versuch von Li und Pollack floss das Blut des Hühnerembryos knapp eine Stunde weiter, in allen Versuchen ohne Ausnahme und in der natürlichen Richtung.

Heißt das, das Herz ist nicht nötig?

Die Autoren beschreiben den Mechanismus als Ergänzung zum Herzen. Sie schreiben, er „ergänze" die Arbeit des Herzens, und im lebenden Zustand verstärke er den vom Herzen getriebenen Fluss möglicherweise lediglich. Ohne Herzschlag floss das Blut deutlich langsamer als normal.

Ist der Befund unabhängig bestätigt?

Den Blutfluss nach Herzstillstand haben mehrere Gruppen über mehr als ein Jahrhundert beobachtet. Die Erklärung über einen oberflächengetriebenen, von Infrarot gespeisten Fluss kommt aus dem Labor von Gerald Pollack, und wie man die Ausschlusszone dahinter deutet, diskutiert die Fachwelt noch.

Kann man daraus etwas für die eigene Gesundheit ableiten?

Untersucht haben Li und Pollack Hühnerembryonen nach 72 bis 75 Stunden Bebrütung, in 6 Versuchen nach Herzstillstand und 5 im lebenden Zustand. Es ist Grundlagenforschung dazu, wie Blut durch feine Gefäße fließt und welche Rolle Wasser und Infrarot dabei spielen.

Kernaussagen auf einen Blick

• Blut floss im Hühnerembryo nach dem Herzstillstand rund 50 Minuten weiter, langsamer und in natürlicher Richtung, in allen Versuchen (Li & Pollack, PLOS ONE 2023).
• Infrarotstrahlung beschleunigte diesen Fluss auf mehr als das Dreifache; fehlendes Infrarot brachte den Kapillarfluss zum Erliegen, umkehrbar.
• Der vorgeschlagene Mechanismus ist ein oberflächengetriebener Fluss: An hydrophilen Oberflächen bildet sich eine geladene Ausschlusszone, die abgestoßenen Protonen treiben Flüssigkeit durch die Röhre, und Infrarot liefert die Energie.
• Die Autoren beschreiben den Mechanismus als Ergänzung zum Herzen, mit den Worten „complementing the action of the heart".
• Die Ausschlusszone ist mehrfach unabhängig beobachtet; ihre Deutung als vierte Phase des Wassers wird in der Fachliteratur diskutiert (Elton et al., IJMS 2020).

Quellen und weiterführende Literatur

Alle Belege sind an der jeweiligen Stelle im Text verlinkt. Vollständige Angaben:

• Li, Z., Pollack, G. H.: On the driver of blood circulation beyond the heart. PLOS ONE 18(10): e0289652 (2023). DOI 10.1371/journal.pone.0289652. Lizenz CC BY 4.0. Volltext bei PLOS
• Li, Z., Pollack, G. H.: Surface-induced flow: A natural microscopic engine using infrared energy as fuel. Science Advances 6(19): eaba0941 (2020). DOI 10.1126/sciadv.aba0941.
• University of Washington, Department of Bioengineering: Pollack lab shows that it's not just the heart that pumps blood, Meldung vom 25. Oktober 2023.
• Fakultätsseite Gerald Pollack, University of Washington, Department of Bioengineering.
• Zheng, J. M., Pollack, G. H.: Long-range forces extending from polymer-gel surfaces. Physical Review E 68, 031408 (2003). DOI 10.1103/PhysRevE.68.031408.
• Chai, B., Yoo, H., Pollack, G. H.: Effect of radiant energy on near-surface water. Journal of Physical Chemistry B 113, 13953–13958 (2009). DOI 10.1021/jp908163w.
• Pollack, G. H.: The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor. Ebner and Sons, Seattle (2013).
• Elton, D. C., Spencer, P. D., Riches, J. D., Williams, E. D.: Exclusion Zone Phenomena in Water – A Critical Review of Experimental Findings and Theories. International Journal of Molecular Sciences 21, 5041 (2020). DOI 10.3390/ijms21145041.