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Von Fröschen bis Bäumen: Welche Organismen haben unsere Kryonik inspiriert?
Kryokonservierung ist eine biowissenschaftliche Technologie mit großem Potenzial, mit der Zellen, Gewebe oder Organe wirksam konserviert werden können. Das Grundprinzip besteht darin, biologisches Material auf extrem niedrige Temperaturen (wie etwa −80 °C oder −196 °C) einzufrieren und dadurch den Zellstoffwechsel wirksam zu stoppen und die Schädigung des biologischen Materials zu reduzieren. Das Potenzial dieser Technologie beschränkt sich nicht nur auf den Ferntransport oder die Langzeitlagerung biologischer Proben, sondern umfasst auch die Möglichkeit, Probenbanken anzulegen. Einige der Organismen, die als Inspiration für unsere Gefriertechnologie dienten, stammen aus der Natur, wie etwa Bäume, Waldfrösche und Bärtierchen. Diese Organismen mit einzigartiger Kälteresistenz haben bei der Entwicklung der Gefriertechnologie eine wichtige Rolle gespielt.
Ein wichtiger Schritt in der Kryoprotektiv-Technologie ist die Zugabe von Molekülen, sogenannten Kryoprotektiva (CPAs), zum Material, um den osmotischen Schock und den physischen Stress zu reduzieren, dem die Zellen während des Gefrierprozesses ausgesetzt sind.
Ein Modell natürlicher Kryokonservierungstechnologie
Der Waldfrosch ist eines der erstaunlichen Lebewesen, die das Einfrieren ihres Blutes und Gewebes tolerieren können. Dies geschieht, indem sie vor dem Wintereinbruch Harnstoff ansammeln und so ihre Zellen vor Schäden schützen, wenn sich in ihnen Eiskristalle bilden. Der Biologe Dr. Kenneth B. Storey hat das Phänomen des „gefrorenen Frosches“ eingehend erforscht und die biologischen Prinzipien hinter diesem Phänomen aufgedeckt.
„Waldfrösche können viele Frost-Tau-Ereignisse überleben, solange nicht mehr als etwa 65 % ihres Körperwassers gefroren sind.“
Bärtierchen, auch „Wasserbären“ genannt, widerstehen dem Einfrieren, indem sie einen Großteil ihres inneren Wassers durch einen Zucker namens Trehalose ersetzen, der die Bildung von Eiskristallen verhindert. Die Eigenschaften dieser Organismen wecken nicht nur die Neugier der Wissenschaftler, sondern bieten auch potenzielle Lösungen für die Entwicklung neuer Kryoprotektionstechnologien.
Historische Entwicklung der Kältetechnik
Die Forschung zur Kryokonservierungstechnologie lässt sich bis in die 1950er Jahre zurückverfolgen. Eine der ersten Theorien stammt von James Lovelock. Er glaubte, dass Gefrierschäden an den roten Blutkörperchen größtenteils auf die Auswirkungen des osmotischen Drucks zurückzuführen seien. Mit fortschreitender Forschung wurde die Technologie zum Einfrieren von Eizellen immer weiter ausgereifter und begann, auf das Einfrieren von menschlichem Material ausgeweitet zu werden. Im Jahr 1954 wurde anhand von drei Schwangerschaften aus gefrorenen Wurmeiern die Machbarkeit dieser Technologie demonstriert.
„1967 war James Bedford der erste Mensch, der eingefroren und wiederbelebt wurde, ein Ereignis, das eine neue Herausforderung für die Kryonik-Technologie darstellte.“
Obwohl sich die Kryokonservierungstechnologie rasch weiterentwickelt hat, birgt sie noch immer viele Risiken. Beispielsweise können beim Gefriervorgang gebildete Eiskristalle Zellen schädigen. Zahlreiche Phänomene wie Lösungseffekte, Zelldehydratation und die Bildung von Eiskristallen im Inneren von Zellen erschweren die Anwendung dieser Technologie jedoch.
Wichtigste Methoden zur Überwindung von Risiken
Im Zuge der Weiterentwicklung der Kryonik-Technologie haben Wissenschaftler eine Reihe wirksamer Methoden entwickelt, um die durch den Gefrierprozess verursachten Schäden zu beheben. Häufig wird hierzu die langsame, programmierbare Gefriertechnologie eingesetzt, bei der die Zellen über mehrere Stunden hinweg langsam auf -196 °C abgekühlt werden. Dadurch wird nicht nur das Wasser aus den Zellen allmählich abgeleitet, sondern auch die mechanische Schädigung der Zellmembran durch die Bildung von Eiskristallen wird verringert.
„Durch strikte Kontrolle der Abkühlrate und Verwendung geeigneter Kryoprotektiva konnten viele biologische Proben ihre Funktion und Lebensfähigkeit erfolgreich aufrechterhalten.“
Andererseits kann die Entstehung von Eiskristallen während des Gefrierprozesses durch die Vitrifikationstechnologie wirksam verhindert werden. Diese Technologie wurde in den 1980er Jahren von Greg Fahy und William F. Rall in der reproduktiven Kryokonservierung eingeführt und verbessert die Überlebenschancen erheblich. Rate von Zellen und Geweben.
Vielseitige Einsatzmöglichkeiten der Kältetechnik
Der Anwendungsbereich der Gefriertechnologie ist äußerst breit. Von Sperma, Embryonen bis hin zu Eizellen und sogar Pflanzengewebe kann alles durch Einfrieren konserviert werden. Darüber hinaus wird diese Technologie in der assistierten Reproduktion und Reproduktionsmedizin immer wichtiger und bietet neue Hoffnung für die menschliche Fruchtbarkeit.
„Durch Kryokonservierung gab es beispielsweise Fälle, in denen Embryonen erfolgreich gezeugt und 27 Jahre später auf natürlichem Wege geboren wurden.“
Auch zum Schutz der Biodiversität und zur Konservierung von Pflanzensaatgut leistet die Gefriertechnologie einen wichtigen Beitrag. Heute arbeiten viele Umweltorganisationen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt daran, die ökologischen Ressourcen angesichts der Bedrohungen durch den Klimawandel und menschliche Aktivitäten besser zu schützen.
Angesichts des kontinuierlichen Fortschritts von Wissenschaft und Technologie können wir nicht anders, als uns zu fragen, ob die Kryonik-Technologie in Zukunft in der Lage sein wird, die Wiederauferstehung von Organismen vollständig zu realisieren. Wie wird dies das Verständnis des Menschen für die Natur des Lebens und seine Einstellung gegenüber verändern? Natur?
