Silizium und seine essenzielle Natur als Baustein des Lebens

Viele mögen sich an dieser Stelle fragen: Ist Silizium wirklich essentiell? Wir haben doch genug davon!
Haben wir wirklich genug oder ist es nur ein weiterer Unsinn, über einen Bedarf zu philosophieren, wobei doch genügend bekannt ist, dass wir Silizium überreichlich wie Sand am Meer haben?
Was macht es in uns und wie ist die Wirkweise?

Um diese und weitere Fragen zu beantworten, muss man die Evolution betrachten.
Kieselalgen sind vermutlich die ersten primitiven Lebensformen, die es auf unserer Erde gab und gibt.
Also sozusagen ein ‘Erfolgsmodell’ der Evolution.
Algen leben von Licht und Wasser; manche sind zur Photosynthese fähig. Daraus sind Meereslebewesen und letztlich auch wir entstanden, was nach heutiger Auffassung der Wissenschaft auch unbestritten ist. Bei derartiger Verteilung insbesondere von Siliziumdioxid in der Erdkruste fällt es schwer anzunehmen, dass Silizium keinerlei Einfluss auf unsere Entwicklung hatte.
Es gibt viele Publikationen zum Thema Silizium; hier möchte ich nur die wichtigsten und jüngeren aufgreifen und das beleuchten, was anderswo nicht zu finden ist.
Die Forschungen von Dr. Becker und vor allem die Forschungen von Prof. E.M. Carlisle (1), aber auch von Schwarz (2) bestätigen Silizium als essentiell (oder essenziell) für Tiere, vor allem für Hühnchen, aber auch in der Folge für Ratten und Kaninchen. Mängel verursach(t)en Minderwuchs und Missbildungen.
Auch für Menschen wird es inzwischen als ‘pseudoessentiell’ bezeichnet. Die Frage der Essentialität scheint ein Problem für die Akzeptanz als Spurenelement zu sein.
Das hat möglicherweise mehrere Gründe: das überreichliche Vorkommen in unserer Umwelt, die damit verbundene Forschungsmüdigkeit aber auch die mögliche toxische Wirkung bei Inhalation unlöslicher Stäube und übermäßigem Konsum verschiedener Formen.
Allesamt sehr wichtige, entscheidende und bis heute ebenso vernachlässigte Details.
Deshalb spreche ich hier von Silizium in Form löslicher Kieselsäure, falls nicht anders erwähnt.

Dieses überaus interessante Spurenelement scheint also die Triebkraft für Wachstum und Entwicklung zu sein.
Viele aufsehenerregende Untersuchungen folgten; die damit verbundenen Namen sind bekanntermaßen zahlreich und reichen über Kervran, Voronkov, Rühlmann, Kaufmann, Müller und vielen weiteren bis zu Jugdaosingh, Exley und weiteren aktuell wirklich spannenden Forschern, Publikationen und Erkenntnissen.
Wir haben ca. 100 mg pro kg Körpergewicht oder auf 70 kg gerechnet ca. 7 Gramm in uns – Junge (auf das Körpergewicht umgerechnet) mehr als Alte. Nur wo?
Im Laufe der Zeit wurde klar, dass Silizium nicht nur auf die Gesundheit der Knochen wesentlichen Einfluss hat, sondern auch auf die der Knorpel, des Bindegewebes und damit Haut, Haare und Nägel sowie Gefäßelastizität, auf das Immunsystem, auf das Gehirn, unsere Zähne und Wachstumsprozesse in einer fluiden Art und Weise, die bis heute nicht richtig verstanden worden ist (Beschreibung von Voronkov als ‘Feuerwehrmineral’, was von Carlisle et al. bestätigt wurde) und vieles weitere.
Dabei ist entscheidend, in welcher Form Silizium eingesetzt wird – etwa als Heilerde, Diatomeenerde, Zeolith oder lösliche Kieselsäure in Tees, Gräsern, Wurzelgemüse oder Kräutern, Beeren, Büschen und Bäumen. In tierischen Organismen findet sich interessanterweise weniger Silizium als in pflanzlichen, denn als Quellen in der Literatur werden fast ausschließlich Pflanzen erwähnt.
Um besser zu verstehen, was wofür eingesetzt werden kann, lohnt sich ein kleiner Blick auf die Chemie.

Herausragende Eigenschaften von Silizium als Kieselsäure sind etwa die Wasserbindungskapazität, eine hohe Oberfläche und Oberflächenaktivität, eine echte Katalysatorfunktion, die bemerkenswert selektive Bindung an Lipoproteine, die Transporterfunktion für Ionen wie Magnesium, Calcium, aber auch Eisen, Phosphat und weitere Metalle, die Aufrechterhaltung eines optimalen kolloid-physiologischen Zustandes und einer optimalen Membranpolarität…
Voraussetzung dafür ist eine kolloidale Natur, also ein kleinmolekularer löslicher Molekül- bzw. Ionenverband.
Hier geht das Verständnis bei vielen verloren: was genau ist kolloidal?
Einige beschreiben kolloidale Teilchen als kleinste ‘schwebende’ Teilchen, die allerdings auch löslich sein müssen, sonst können sie keine biologische Aktivität ausbilden.
Was ist ‘kleinst’?
Kolloidal deckt einen Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu einem Nanometer ab, also grob den Faktor 2000-3000.
Das ist unvorstellbar viel, aber verglichen mit Molekülen in unserem Körper auch logisch und sinnvoll: wir funktionieren auf kolloidaler löslicher Ebene. Insofern schadet uns ein Kolloid nicht, solange es körpereigene Substanzen enthält.
Dieser kleine Nebensatz ist dabei unglaublich wichtig.
Wenn wir uns mit der Herstellung eines Gels beschäftigen, müssen wir erst eine Lösung haben.
Ob dabei im Folgenden ein Sol (also eine Lösung) bleibt oder ein Gel (ein gallertartiges glibbriges Material) gebildet wird, hängt von vielen Faktoren ab wie Konzentration, pH, ‘Alter’ der Lösung, mechanischer Behandlung, Anwesenheit von Salzen, Temperatur, verschiedenen Grenzflächeneffekten etc., die steuerbar sind, allerdings nicht garantieren, dass ein entstandenes Gel für immer stabil bleibt.
In diesem Sinne bekommt fluide eine neue Bedeutung: der Zustand ist nur vorübergehend und impliziert eine hohe Austauschgeschwindigkeit und ‘Bewegung’ des Materials.

Aber wie liegt das Material vor? Gibt es Kieselsäure im molekularen Zustand oder im Festkörper tatsächlich?
Die Antwort ist ja.
Sato und Shimada (6) konnten 2017 zeigen, dass die gefundenen Strukturen von Mono- und Dikieselsäure sowie weiterer Kieselsäuren mit den vorhergesagten völlig übereinstimmten. Sie konnten auch zeigen, dass in unpolaren Lösungsmitteln tatsächlich völlig protonierte Formen vorliegen, also echte Kieselsäuren mit allen denkbaren OH-Gruppen.
Kristallisiert wurden Mono-, Die-, Tri-, und Tetrakieselsäuren.
Aufgrund dieser wichtigen Erkenntnisse lassen sich für die Zukunft möglicherweise modellhaft Vorgänge in unserem Körper besser verstehen und beschreiben.

Silizium kommt in der Natur an Grenzflächen und Oberflächen biologischer Systeme vor, also in Wasser, Erde, Gestein, Blättern, Biomembranen, Zellorganellen und (Makro)Molekülen.
Im Zuge der Verarbeitung unserer Lebensmittel und Entfernen von Ballaststoffen verlieren Lebensmittel an Silizium und enthalten allenfalls noch unlösliche nicht verwertbare Bestandteile.
Das ist einer der Gründe, warum wir heute paradoxerweise zu wenig Silizium aufnehmen können.
Ein zweiter sehr wichtiger ist die an Mitochondrienleistung gebundene Aufnahme (wie bei vielen anderen Mineralien und Spurenelementen auch; hier kommt allerdings die Eigenschaft des Siliziums als Ionenaustauscher und Katalysator zum Tragen).
Oft wird auch gefragt, wie hoch der tägliche Bedarf ist (20-50 mg), wie schnell Silizium wieder ausgeschieden wird (das hängt von der Form ab), ob es transdermal aufgenommen wird (das ist anzunehmen), was dabei genau passiert und wo es sich am meisten anreichert.
Ein Teil der Fragen lässt sich nur eingeschränkt beantworten aufgrund der produktabhängigen und dosisabhängigen Wirkung, der Aufnahmewege (oral/transdermal) und aufgrund der fluiden Verteilung.
Eine inhalative Aufnahme kristalliner Stäube ist ganz klar gesundheitsschädlich, wobei inzwischen diskutiert wird, ob die abrasiven Eigenschaften der Kristallite dafür verantwortlich sind (rein mechanisch bzw. anders gesagt: rein physikalisch- also von der chemischen Zusammensetzung unabhängig!; das gilt dann auch für Stäube anderer Zusammensetzung!) oder eine lokal stimulierende Wirkung auf Zellen oder eine einfache Bildung von Knoten und Knötchen aufgrund zu hoher Konzentration und osmotischer Aktivität der Teilchen (spezifisch für Silizium, zB. wasserbindende und damit austrocknende Eigenschaft).

Bekannt ist, dass amorphe Teilchen, also nichtkristalline lockere Pulver, die in der Natur unter anderem als Opal, aber auch in Diatomeenerde vorkommen, weniger ‘hart’ sind als zB. Quarzkristalle (Klassifizierung der Teilchen nach der Mohs’schen Härteskala).

Empfehlenswert aus diesen Gründen ist eine lösliche kleinmolekulare Form in oraler oder transdermaler Anwendung, aber zumindest eine Verwendung amorpher und in meinen Augen sauberer Materialien. Auch ‘organisch’ meint eine organisch gebundene Form an etwa Polysaccharide (Stärke) oder unlösliche Fasern (Achtung, es gibt einige Verwechslungen im Deutschen im Vergleich zum Englischen. Darüber habe ich an anderer Stelle schon geschrieben (8). So kann ‘organic’ im Englischen sowohl ‘biologisch’ als auch der organischen Chemie entstammend, also eine Si-C-Bindung enthaltend bedeuten). Deshalb muss auf die ‘richtige’ Zubereitung geachtet werden, um eine optimale Wirkung zu erzielen. Dabei scheint es ein Optimum der Zufuhr zu geben, das allerdings nicht näher beziffert werden kann.
In Form kolloidaler Kieselsäure in Konzentrationen von 2,8-3,5% dispers-kolloidaler Kieselsäure bei bestimmungsgemäßer Verwendung konnte in bisherigen Studien über 3 Monate keine negative Wirkung festgestellt werden (9).

Die Wirkung auf unseren Körper wurde und wird an verschiedenen Studien erforscht und weiter bearbeitet; interessant ist dabei die Bindung an Proteine, an Lipide = Fette und an Kombinationen daraus (10).
Aktuell wird eine weitere Studie vorbereitet; ich werde noch darüber berichten.

Jugdaosingh (7) beschreibt in einer neuen Publikation, erschienen in Nature 2020, die Rolle von Silizium als genetischen Schalter – so könnte man das vereinfacht ausdrücken. Interessant ist außerdem, dass hier Dental-Follikel-Zellen verwendet wurden, also Zahnmaterial.
Silizium hat also Einfluss auf die Genexpression – das ist neu und erklärt den ‘Impact factor’ (damit ist die Wichtigkeit einer Schrift für die Wissenschaft gemeint) für ein Erscheinen in der renommierten Zeitschrift ‘Nature’.
Neu an dieser Untersuchung ist auch, dass es offenbar dosisabhängige Effekte der Genregulation gibt, die sich zwischen 25 und 100 µg/ml bewegen.

Fazit:
Silizium ist essenziell für die Kollagenbildung an verschiedenen Stellen im menschlichen Körper und scheint eine fluide Rolle zu spielen.
Dabei ist auf eine möglichst lösliche kolloide Art der Zufuhr zu achten, um eine Mineralisierung des Körpers zu gewährleisten.
Dass hier eine GENETISCHE Eigenschaft eine im wahrsten Sinn tragende Rolle spielt, ist neu.
Wir dürfen alle gespannt sein, was sich in Zukunft noch ergeben wird in der Biologie von Kieselsäuren in lebenden Organismen.

Literatur (Auswahl!)
1. Carlisle, E. M. (1972): Silicon. An essential element for the chick. In: Science (New York, N.Y.) 178 (4061), S. 619–621. DOI: 10.1126/science.178.4061.619
2. Carlisle, E. M. Silicon as an essential trace element in animal nutrition. Ciba Found. Symp. 121, 123–39 (1986).
3. Schwarz, K.; Milne, D. B. (1972): Growth-promoting effects of silicon in rats. In: Nature 239 (5371), S. 333–334. DOI: 10.1038/239333a0
4. Voronkov M. G. G. I. Zelchan und E. Lukevitz, Silizium und Leben; Biochemie, Toxikologie und Pharmakologie der Verbindungen des Siliziums, Berlin, Akademie Verlag (1975).
5. Iler, R. K. The chemistry of silica: solubility, polymerization, colloid and surface properties, and biochemistry: Wiley (1979).
6. Igarashi, M., Matsumoto, T., Yagihashi, F. et al. Non-aqueous selective synthesis of orthosilicic acid and its oligomers. Nat Commun 8, 140 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00168-5
7. Uribe, P., Johansson, A., Jugdaohsingh, R. et al. Soluble silica stimulates osteogenic differentiation and gap junction communication in human dental follicle cells. Sci Rep 10, 9923 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-66939-1
8. weitere Informationen auf https://www.facebook.com/groups/Silizium/ bzw. aus persönlichen Mitteilungen.
9. weitere Info bei K. Kaufmann bzw. auf der Internetseite von Anton Hübner GmbH.
10. A.A. Chuiko, A.A. Pentyuk, and V.K. Pogorelyi in: colloidal-silica-fundamentals-and-applications, Kapitel 13: Enterosorbent Silics: Properties and Clinical Application, S. 177-85.
11. Klaus Kaufmann: Silizium – Heilung durch Ursubstanz, Helfer Verlag E. Schwabe GmbH, 1997 (ISBN 3-87323-049-6).

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