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

Ein Herz, das stillsteht, beendet den Blutfluss nicht sofort. Im Labor von Gerald H. Pollack an der University of Washington floss das Blut eines 3 Tage alten Hühnerembryos – ein Gefäßnetz von rund 3 Zentimetern Durchmesser – nach dem Herzstillstand noch rund 50 Minuten weiter – langsamer, bei etwa 25 Mikrometern pro Sekunde, aber in der normalen Richtung von der Arterie zur Vene. Wurde Infrarotstrahlung eingeschaltet, stieg die Geschwindigkeit von etwa 41 auf etwa 153 Mikrometer pro Sekunde. Wurde die Infrarot-Energie entzogen, kam der Fluss in den Kapillaren ganz zum Erliegen. Zheng Li und Gerald H. Pollack veröffentlichten diese Messungen 2023 in PLOS ONE, gestützt auf 6 Versuche nach Herzstillstand und 5 im lebenden Zustand. Ihre Erklärung führt zu einem Thema, das in der Biologie lange als Nebensache galt: dem Verhalten von Wasser an Oberflächen – und zu Pollacks Begriff der vierten Phase des Wassers. Dieser Artikel gibt die Arbeit wieder, erklärt zuerst den Mechanismus und benennt danach, was die Autoren selbst offenlassen.

Warum ein Fluss ohne Pumpe zunächst unglaubwürdig klingt

Eine Pumpe ist ein Gerät, das Flüssigkeit bewegt, indem es einen Druckunterschied erzeugt. Genau so wird der Kreislauf beschrieben, seit William Harvey 1628 seine Schrift über die Bewegung des Herzens veröffentlichte – seit fast 400 Jahren also: Das Herz baut Druck auf, der Druck treibt das Blut, und ohne Druck steht das Blut. Wer zum ersten Mal hört, dass etwas anderes als das Herz Blut bewegen soll, hat deshalb einen guten Grund, misstrauisch zu sein – der Einwand ist nicht Bequemlichkeit, sondern gute Physik.

Der Einwand lässt sich auch nicht dadurch ausräumen, dass jemand Messwerte stapelt. Solange unklar bleibt, wodurch eine Flüssigkeit ohne Druckgefälle in Bewegung geraten soll, klingt jede Zahl nach einem Messfehler. Sinnvoll ist deshalb die umgekehrte Reihenfolge: erst der Mechanismus, dann die Belege.

Der zweite Teil des Einwands lässt sich dagegen nicht halten, und das ist der eigentliche Ausgangspunkt der Arbeit. Blutfluss nach dem Herzstillstand ist keine neue Beobachtung. Li und Pollack verweisen auf Befunde an 4 Tiergruppen – Mäusen, Ratten, Hunden und Hühnerembryonen; das Phänomen wurde je nach Modell zwischen 15 Minuten und mehreren Stunden beobachtet. Manche Amphibienlarven überlebten nach der operativen Entfernung des Herzens bis zu 15 Tage und entwickelten sich sogar weiter. In der Arbeit heißt es, das Phänomen habe wegen naheliegender Erklärungen – Schwerkraft, Zusammenziehen der Gefäße – bisher "wenig Aufmerksamkeit erhalten".

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 die Innenauskleidung von Blutgefäßen. Das Pollack-Labor hatte 2020, drei Jahre vor der hier beschriebenen Arbeit, beobachtet, dass Wasser durch enge, waagerecht liegende hydrophile Röhrchen von selbst hindurchfließt, wenn man sie ins Wasser taucht. Es gab kein Gefälle, keine Pumpe und kein Ansaugen. Der Fluss hielt trotzdem an.

Die Erklärung setzt an der Grenzfläche an. Trifft flüssiges Wasser auf eine hydrophile Oberfläche, bildet sich unmittelbar an dieser Oberfläche eine Zone, die gelöste Teilchen ausschließt – die sogenannte Ausschlusszone oder exclusion zone. Beobachtet wurde sie erstmals 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 diese Zone durch eingestrahltes Licht umkehrbar und wellenlängenabhängig vergrößern lässt (Chai, Yoo & Pollack, Journal of Physical Chemistry B 113, 13953–13958, 2009). Die Zone ist negativ geladen; die dabei frei werdenden Protonen wandern in den freien Innenraum der Röhre.

Damit steht im Rohr eine Ladungsverteilung: außen ein negativ geladener Ring, in der Mitte eine Ansammlung positiv geladener Protonen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Wächst die Abstoßung, werden die Protonen an einem Ende der Röhre hinausgedrängt, und am anderen Ende strömt Wasser nach. Der Vorgang wiederholt sich, solange die Bedingungen bestehen – aus einem chemischen Konzentrationsgefälle entsteht Bewegung.

Für Blutgefäße ist die Anwendung naheliegend: Blut besteht überwiegend aus Wasser, und die Gefäßinnenwand ist hydrophil. Li und Pollack prüften deshalb, ob derselbe Mechanismus im Kreislauf arbeitet.

Woher die Energie für diesen Fluss kommt

Infrarotstrahlung ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen oberhalb des sichtbaren Lichts, die jeder warme Körper abgibt. Sie ist die Energiequelle, auf die Li und Pollack den beschriebenen Fluss zurückführen: Der Aufbau der Ausschlusszone wird durch eingestrahlte Energie gespeist, und im Infrarotbereich ist dieser Effekt am stärksten. Nachgewiesen 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 Energiequelle ist überall verfügbar, und zwar aus zwei Richtungen. Von innen: Der Stoffwechsel jedes Lebewesens erzeugt Wärme, die nach dem planckschen Strahlungsgesetz als Infrarotstrahlung abgegeben wird. Von außen: Etwa die Hälfte der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, liegt im Infrarotbereich.

Aus dieser Überlegung ergibt sich eine überprüfbare Vorhersage. Wenn Infrarot der Treibstoff des zweiten Antriebs ist, dann muss zusätzliches Infrarot den Fluss beschleunigen und fehlendes Infrarot ihn bremsen – auch dann, wenn sonst alles gleich bleibt. Genau diese Vorhersage haben Li und Pollack im Experiment geprüft.

Was im Hühnerembryo tatsächlich gemessen wurde

Das Versuchsmodell ist das Dottergefäßnetz eines Hühnerembryos nach 72 bis 75 Stunden Bebrütung. Dieses Netz hat einen Durchmesser von etwa 3 Zentimetern und liegt fast flach auf dem Dotter – ein Aufbau, der zwei Standarderklärungen für Blutfluss ohne Herzschlag ausschließt: Die Schwerkraft scheidet aus, weil das Blut in der Ebene und teils aufwärts fließen müsste, und ein Zusammenziehen der Gefäße scheidet aus, weil die glatte Muskulatur in diesem Stadium noch nicht voll arbeitet. Das Herz wurde durch die Injektion von 10 bis 30 Mikrolitern Kaliumchloridlösung angehalten und stand binnen ein bis zwei Sekunden. Die Geschwindigkeit der roten Blutkörperchen wurde mit bis zu 80 Bildern pro Sekunde gefilmt und ausgewertet.

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

Das Fazit der Autoren im Abstract lautet wörtlich:

„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)

Was die Arbeit ausdrücklich offenlässt

Eine Einschränkung ist eine Aussage der Autoren darüber, was ihre eigenen Daten nicht tragen. Die Arbeit enthält davon mehrere, und sie gehören zum Befund.

• Die Ursachenrichtung im lebenden Embryo ist nicht getrennt. Unter Infrarot stieg nicht nur der venöse Fluss, sondern zugleich die Herzfrequenz deutlich an. Die Autoren schreiben wörtlich: „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. Der gemessene Zuwachs belegt also nicht, dass die Gefäße die Ursache waren.
• Die Ausschlusszone im Gefäß ist eine Hypothese. Die Forscher beobachteten eine zellfreie Schicht direkt an der Gefäßwand und schreiben, deren Natur sei „noch nicht untersucht"; die Zuordnung zur Ausschlusszone formulieren sie als Vermutung.
• Die Fallzahlen sind klein: einstellig in beiden Versuchsreihen.
• Das Modell ist ein Embryo, kein erwachsener Säuger. Die noch unfertige Muskulatur ist der Grund, warum das Modell gewählt wurde – und zugleich der Grund, warum die Übertragung auf den erwachsenen Kreislauf offen ist.
• Die Sprache der Schlussfolgerungen ist durchgehend bedingt. 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", nicht „ersetzen". (Quelle: Li & Pollack, PLOS ONE 18(10): e0289652, 2023 – für alle Punkte dieses Abschnitts.)

Wo die Pressemeldung und die Arbeit auseinandergehen

Eine Pressemeldung ist ein Text, der eine Fachveröffentlichung für ein breites Publikum zuspitzt. Die Meldung der University of Washington vom 25. Oktober 2023 tut das an vier Stellen so deutlich, dass ein Zitat aus ihr etwas anderes behauptet als die Arbeit.

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 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"

Aus diesem Abgleich folgt eine schlichte Regel, die für jede Berichterstattung über Forschung gilt: Zitiert wird aus der Veröffentlichung, nicht aus ihrer Ankündigung. Die Arbeit ist unter der Lizenz Creative Commons Attribution 4.0 frei zugänglich; jeder kann sie nachlesen.

Was die vierte Phase des Wassers damit zu tun hat

Die vierte Phase des Wassers ist Pollacks Bezeichnung für den geordneten Zustand, den er an der Ausschlusszone neben hydrophilen Oberflächen beschreibt – neben fest, flüssig und gasförmig. Auf seiner Fakultätsseite an der University of Washington steht dazu der Satz: „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.

Der Deutungsstreit darüber ist offen, und er wird in der Fachliteratur geführt. Die Ausschlusszone selbst ist mehrfach unabhängig beobachtet worden; ihre Erklärung ist es nicht. Eine kritische Übersichtsarbeit von 2020 hält eine Deutung über Diffusiophorese – Teilchenwanderung entlang von Konzentrationsgefällen – für überzeugender als die Annahme einer eigenen Phase des Wassers. Wir haben diesen Streit an anderer Stelle ausführlicher aufgeschrieben, in Kohärentes Wasser: Was die Forschung wirklich misst und in Strukturiertes Wasser: was am Trend gemessen ist.

Für die Blutfluss-Arbeit ist dieser Streit wichtig, weil er ihre Reichweite begrenzt: Die Messungen am Embryo bleiben Messungen, gleich wie man die zugrunde liegende Wasserphysik am Ende deutet. Die Deutung ist der strittige Teil, nicht die Beobachtung.

Warum wir über diese Forschung schreiben

Qi Blanco arbeitet an Wasser und an Zellen – das ist der ganze Grund, aus dem uns diese Veröffentlichung interessiert. Eine Arbeit, die beschreibt, wie sich Wasser an Grenzflächen im Körper verhält und dabei Kräfte erzeugt, betrifft das Feld, in dem wir uns bewegen.

Diese Arbeit stammt nicht von uns, sie ist nicht in unserem Auftrag entstanden, und sie sagt nichts über uns aus. Wir leiten aus ihr keine Aussage über irgendein Produkt ab und knüpfen keine daran an. Wer verstehen will, wie Wasser im Zellinneren beschrieben wird, findet den breiteren biophysikalischen Rahmen in Zelluläre Hydration: Was die Biophysik sagt.

Häufige Fragen zu dieser Studie

Fließt Blut wirklich weiter, wenn das Herz stehenbleibt?

Blutfluss nach dem Herzstillstand ist mehrfach beobachtet worden – 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?

Nein, und die Autoren behaupten das an keiner Stelle. Ihre Formulierung lautet, der Mechanismus „ergänze" die Arbeit des Herzens; im lebenden Zustand verstärke er den vom Herzen getriebenen Fluss möglicherweise lediglich. Der Fluss ohne Herzschlag war deutlich langsamer als der normale.

Ist der Befund unabhängig bestätigt?

Der Blutfluss nach Herzstillstand ist von mehreren Gruppen über mehr als ein Jahrhundert beobachtet worden. Die Erklärung über einen oberflächengetriebenen, infrarotgespeisten Fluss stammt bisher aus einer einzigen Arbeitsgruppe, und die zugrunde liegende Deutung der Ausschlusszone ist fachlich umstritten.

Kann man daraus etwas für die eigene Gesundheit ableiten?

Aus dieser Arbeit lässt sich keine gesundheitsbezogene Aussage ableiten, und dieser Artikel trifft daher keine. Es handelt sich um Grundlagenforschung an einem Embryonenmodell mit einstelligen Fallzahlen.

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, Infrarot liefert die Energie.
• Die Autoren formulieren durchgehend bedingt – „ergänzt die Arbeit des Herzens", nicht „ersetzt sie" – und trennen im lebenden Embryo die Wirkung über das Herz nicht von der über die Gefäße.
• Die Pressemeldung der Universität ist deutlich schärfer als die Arbeit, unter anderem mit „zwei unabhängigen Antrieben" und einem falsch wiedergegebenen Aufsatztitel.
• Die Deutung als vierte Phase des Wassers ist fachlich umstritten; die Ausschlusszone als Beobachtung ist es nicht (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.