In aller Regel hat der Mensch zuerst ein neues technisches Prinzip erfunden und hernach überrascht festgestellt: Es ist in der belebten Natur längst verwirklicht. Das jüngste Beispiel dafür, daß die Technik die Phantasie in der biologischen Forschung aufzulockern vermag, lieferten dieser Tage zwei New Yorker Wissenschaftler mit ihrer wohlbegründeten Hypothese, nach der alle pflanzlichen, tierischen und menschlichen Gewebe die Eigenschaft piezoelektrischer Stoffe besitzen, das heißt, sie verwandeln mechanische Beanspruchung in elektrische Ladungen oder Impulse.

Lange Zeit war der "piezoelektrische Effekt" (das griechische "piezo" heißt "Druck") nur von bestimmten Kristallen bekannt, bei denen, wenn sie in einen Schraubstock gespannt werden, zwischen den Druckflächen eine elektrische Spannung entsteht. Dieser Effekt wird zum Beispiel im Tonabnehmerkopf des Plattenspielers ausgenutzt. Seine Nadel gleitet in den Rillen der Platte und wird dabei zu mechanischen Schwingungen veranlaßt, die einen piezoelektrischen Kristall zur Erzeugung elektrischer Schwingungen zwingen. Die elektrischen Impulse können nun verstärkt und im Lautsprecher wieder in Schallschwingungen umgesetzt werden.

Was aber geschieht im inneren Ohr beim Hören? Dort nehmen die Gehörknöchel die Schallschwingungen vom Trommelfell ab und leiten sie weiter an einen Raum, der mit Lymphe erfüllt ist. Die Sinneszellen in diesem Raum müssen die Druckwellen der Lymphe in elektrische Impulse umwandeln, denn nur solche können die Nerven ins Gehirn leiten. Beim Gleichgewichtssinn und beim Tastsinn muß gleichfalls Druck in Elektrizität verwandelt werden. Wie das geschieht, gilt noch immer als Naturgeheimnis. Wenn nun das Gewebe piezoelektrische Eigenschaften hat, so wäre dieses immerhin bedeutende Problem der Sinnesphysiologie gelöst.

Seit einigen Jahren ist bekannt, daß Holz, Wolle, Haare und Knochen piezoelektrisch sind. Der Physiker Morris H. Shamos und der Mediziner Leroy S. Lavine konnten jetzt, wie sie in der britischen Wissenschaftszeitung "Nature" (21. Januar 1967) mitteilten, erstmals bei weichen Gewebsarten, Haut, Bindegewebe und Knorpel, den piezoelektrischen Effekt nachweisen. Eine Probe von getrockneter Haut oder getrocknetem Knorpel wurde Zug- und Druckkräften ausgesetzt und die dabei entstehenden elektrischen Ladungen durch Elektroden von der Probenoberfläche abgenommen, einem Verstärker und schließlich einem Meßgerät zugeleitet. Maximal war die elektrische Ladung stets bei Sicherungskräften, wenn also Druck oder Zug die Proben in einem Winkel von 45 Grad beanspruchte.

Wesentlicher Bestandteil der untersuchten Gewebsarten ist das Kollagen, ein Gerüsteiweiß. Es findet sich im Bindegewebe, in Sehnen, Faszien (Muskelhüllen) und Bändern, im Knorpel und in der Oberhaut, der es die Zerreißfestigkeit verleiht. Aber auch das Ossein der Knochen besteht aus diesen Eiweißmolekülen, die lange Fäden bilden. Wenn nun diese Faserbündel piezoelektrisch sind, so müßten sie von kristallähnlicher Struktur sein; zwischen den einzelnen Fadenmolekülen müßten chemische Querbindungen auftreten, die bei scherenden Kräften verdrillt werden, wodurch elektrische Potentiale entstehen. So läßt die bioelektrische Eigenschaft des Kollagens Rückschlüsse auf seinen Feinbau zu.

Doch nicht allein deshalb und für das Verständnis der Vorgänge in den mechanischen Sinnesorganen sind die Befunde und Deutungsversuche der Forscher von Interesse. Die piezoelektrische Eigenschaft könnte auch die Ursache dafür sein, daß sich Organe auf Umwelteinflüsse einstellen. Wird ein Knochen in bestimmter Richtung beansprucht, so wandern Knochenbildungszellen herbei und verstärken ihn dort, wo die Beanspruchung ansetzt. Wahrscheinlich werden die knochenbildenden Zellen von der negativen Ladung dieser mechanisch strapazierten Seite angezogen. So mag die Entdeckung der Piezoelektrizität zu neuen medizinischen Praktiken in der Wund- und Knochenheilung führen. Dem ebenfalls in New York tätigen Chirurgen Professor R. O. Becker gelang es bereits, durch schwache elektrische Ströme Knochengewebe in gewünschter Weise wachsen zu lassen.

Gustav Adolf Henning