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VL Allgemeine Zoologie II (SoSe 2005)
Thorsten Burmester
Homöostase
„
ƒ osmotischer Druck
ƒ Temperatur
ƒ Ionenkonzentration ƒ O2
ƒ pH
ƒ ....
Wärmehaushalt und
Thermoregulation
1
2
Kontrolle des inneren Milieus
Homöostase - Regulation
<
„
Kosten
tödlicher Bereich
„
Vorteile
„
Interner Zustand
= die Fähigkeit eines Organismus zur
Kontrolle des inneren Milieus bei sich
ändernden äußeren Parametern.
Regulierer
„
n
Ko
<
r
me
fo r
„
„
„
externes Milieu
Besiedlung nichtoptimaler Habitate
Besiedlung von Habitaten mit schwankenden
Umweltbedingungen
Vorteile der Homöostase überwiegt meist Kosten
„
tödlicher Bereich
Hoher Energieverbrauch => hoher Nahrungsbedarf
alle Organismen haben die Fähigkeit zur Regulation!
=> inneres Milieu ≠ äußeres Milieu
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4
Temperatur und
Reaktionsgeschwindigkeit
Temperaturen um uns
Wetterekorde der Erde
Aktives Leben nur in eingeschränkten
Temperaturbereichen möglich.
„
Höchste Lufttemperatur: 57,3 °C
El Asisija/Lybien (112 m NN), August 1923
„
Tiefste Lufttemperatur:
- 89,2 °C
Wostock/Antarktis
(3420 m NN) am
21.07.1983
„
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steigende Temperatur erhöht die kinetische Energie der
Moleküle und somit die Reaktionsgeschwindigkeit
(= Reaktions-Geschwindigkeit-Temperatur [RGT]-Regel).
=> Die Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen
nimmt pro 10°C um Faktor 2-3 zu (= Q10-Regel + van 't
Hoff-Regel).
=> Bsp: Glykogenspaltung beim Frosch bei 30°C etwa
2,5 x schneller als bei 20°C.
Natürlich nur bis zu einer Höchstgrenze: Enzyme
denaturieren ab einer gewissen Temperatur.
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1
Temperatur-Weltmeister
Thermische Grenzen des Lebens
... sind allgemein speziesspezifisch
Glasschwämme am Grund des
antarktischen Weddellmeeres
gedeihen bei -2°C.
=> die meisten biochemischen Prozesse reagieren sehr empfindlich auf
Temperaturschwankungen
Minimum der Kälte: 0°C (Wasser erstarrt)
=> Ausnahmen: Gefrierpunkterniedrigung
Maximum der Wärme:
-
Pompejiwurm (Alvinella
pompejana) lebt in 2000 –
3000 m Tiefe an heißen
Quellen bei > 50°C.
Fisch: max. 43°C (Killifisch im Death Valley)
Reptil: max. 48°C (Wüsteneidechse)
Säuger: ~ 42°C
Vögel: ~ 46°C
Wüstenameise: ~55°C
Einige Invertebraten überdauern Extrembedingungen in Dauerstadien.
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Wärmeaustausch zwischen
Organismus und Umgebung
Wärmeaustausch
Konvektion
Radiation
Evaporation
Abb. aus: NA Campbell, 2003
Biologie, Spektrum
Konduktion
ƒ Konduktion (Wärmediffusion
bzw. Wärmeleitung) = Übertragung kinetischer
Energie durch direkten Kontakt.
ƒ Konvektion (Strömung) = Wärmeaustausch durch
Bewegung des Mediums: Luft- (= "Wind") oder
Wasserströmung).
ƒ Radiation (Strahlung) = Emission elektromagnetischer Wellen durch alle Objekte mit T > 0 K.
ƒ Evaporation (Verdunstung) = Wassermoleküle
verlassen Oberfläche mit hoher kinetischer Energie
=> zurückbleibende Moleküle sind energieärmer.
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10
Temperaturhaushalt der Tiere
ƒ poikilotherm (wechselwarm): Körpertemperatur
schwankt mit Umgebungstemperatur.
ƒ homoiotherm (gleichwarm): Körpertemperatur ist
konstant und von der Umgebungstemperatur
(weitgehend) unabhängig.
<
Körpertemperatur
1. Körperwärme vs. Außentemperatur
poikilotherm - homoiotherm
homoiotherm
= Termoregulator
<
er
erm nform
h
t
o
oko
ikil
po erm
h
=T
Außentemperatur
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Homoiotherme Tiere können geringere Körpertemparatur
haben als poikilotherme (Bsp. Eisfische vs. Eidechse)!
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2
ektotherm - endotherm
Vorteile der Endothermie
2. Quelle der Körperwärme
ƒ ektotherm: Organismus hängt hauptsächlich von
der aus der Umgebung absorbierten Wärme ab
(Invertebraten, Fische, Amphibien, Reptilien).
ƒ endotherm: Körperwärme wird hautsächlich aus
dem eigenen Stoffwechsel bezogen (Säuger,
Vögel).
ƒ Einige Insekten und manche Fische: Variation der
Strategie (heterotherm).
ƒ stabiles Milieu für biochemische Prozesse
ƒ höheres Aktivitätsniveau wg. Q10 und Kühlung
ƒ längere Höchstleistung
ƒ Besiedlung vielfältiger Habitate:
- Leben bei < 0°C (Isolation + Wärmeproduktion)
- Leben bei hohen Temperaturen (Kühlung)
- Leben bei schwankenden Umweltbedingungen
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Nachteil der Endothermie
Thermoregulation
„
Höherer Energiebedarf
als ektotherme Tiere:
Bsp:
Mensch: 6-7000 kJ/d
Alligator: 250 kJ/d
1.
2.
=> Ektotherme haben
Vorteile wenn das
Nahrungsangebot
begrenzt ist.
Abb. aus: NA Campbell, 2003
Biologie, Spektrum
3.
4.
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16
1. Verhaltensanpassungen
„
„
Endotherme und Ektotherme mit Thermoregulation
(Thermoregulierer), haben Mechanismen, die ein
Gleichgewicht der Wärmezufuhr und Wärmeabgabe
gewährleisten:
Verhaltensanpassungen
Kontrolle des Wärmeaustauschs zwischen
Körper und Umgebung
Kühlen durch Verdunstung
Veränderungen der Produktionsrate der
Stoffwechselwärme
sowohl endotherme als ektotherme zeigen
Verhaltensanpassungen zur Regulation der
Körpertemperatur.
=> Veränderung der Körperhaltung oder
Ortswechsel.
2. Wärmeaustauschrate
Tiere können den Wärmeaustausch zwischen dem
Körper und dem umgebenden Medium kontrollieren:
„
„
„
Isolation des Körpers z.B. durch Haare, Federn
oder Unterhautfettgewebe (permanent)
Veränderungen der Hautdurchblutung (temporär)
Gegenstrom-Wärmeaustauscher (permanent)
Bsp. Sonnende
Eidechse, Löwe im
Schatten
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3
Hautdurchblutung
„
„
Gegenstrom-Wärmeaustausch
Vasokonstriktion
(Verengung der Gefäße) zur
verminderten Durchblutung
(geringere Wärmeabgabe).
Vasodilatation
(Erweiterung der Gefäße)
führt zur erhöhten
Durchblutung (verstärkte
Wärmeabgabe).
Wärme des arteriellen Blutes
wird auf die benachbarte
Vene übertragen
(Gegenstromprinzip) statt
an die kalte Umgebung
abgegeben zu werden.
=> Extremitäten können bei
geringem Wärmeverlust mit
Blut versorgt werden.
Abb. aus: NA Campbell, 2003
Biologie, Spektrum
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3. Verdunstungskühlung
4. Wärmeproduktion
Tiere verlieren Wasser über die Atmung und über
die Haut.
„ bei niedriger Luftfeuchtigkeit verdunstet das
Wasser => Tiere verlieren Wärme (Evoporation).
„ Endotherme Tiere müssen Wärme abgeben, da sie
sonst überhitzen:
- Viele Säugetiere und Vögel hecheln =>
Verdunstungskühlung durch Atmung
- Schweißbildung (z.B. Mensch)
- Baden (z.B. Elefanten)
„
„
„
„
Veränderungen der Stoffwechselrate
führen zu einer Veränderung der
Wärmeproduktion.
z.T. spezielle wärmeproduzierende
Gewebe (z.B. braunes Fettgewebe)
Wärmeproduktion nur bei
Endothermen (v.a. Säuger und Vögel)
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22
Säugetiere und Vögel
Wärmehaushalt im Tierreich
„
„
„
„
„
„
20
Säugetiere: endotherm
Vögel: endotherm
Reptilien: meist ektotherm
Amphibien: ektotherm
Fische: meist ektotherm, einige
endotherm
Invertebraten: meist ektotherm, einige
heterotherm
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„
„
„
„
Säugetiere: ~36-38 °C, Vögel: ~40-42 °C
hohe Stoffwechselrate kompensiert
den Wärmeabfluss an die Umgebung
Fell, Federn und Fettschichten
reduzieren Wärmefluss => Isolation
Häufiges Problem: Gefahr der
Überhitzung:
=> Verdunstungskühlung
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4
Wärmeisolation bei Vögeln
Wärmeisolation bei Säugern
„
Isolationswert
Grizzly
„
Rentier
Federn sind nachts aufgeplustert – bessere Isolation.
Schlafposition vermindert die exponierte Fläche.
Kaninchen
Lemming
Spitzmaus
Felldicke
Isolationsfähigkeit des Fells hängt von der eingeschlossenen Luft ab (=
schlechter Wärmeleiter): Aufstellen der Fellhaare verbessert Isolation
("Gänsehaut").
„ Fell kleiner Tiere trägt wenig zur Isolation bei => müssen Temperatur
über hohe Stoffwechselrate ausgleichen!
„
Wach
Schlafend
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Haut als thermoregulatorisches Organ
Unterhautfettgewebe
„
„
Musculus arector pili
Unterhautfettgewebe:
in den meisten
Säugern
"Blubber": massives
Unterhautfettgewebe
von Meeressäugern
und (ant-)arktischen
Vögeln => können
nahe dem Gefrierpunkt
überleben.
Haar
Schweißpore
Ausführgang der
Schweißdrüse
Blutgefäß
Schweißdrüse
Haarfollikel
„
Fettgewebe
Bindegewebe
Abb. aus: NA Campbell, 2003
Biologie, Spektrum
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Einen kühlen Kopf bewahren!
Keep cool!
„
ƒ Unterhautfettgewebe und
Haarkleid: Isolation
ƒ Blutgefäße: Dilatation und
Konstriktion reguliert
Wärmeabgabe
ƒ Haare: Aufstellen und
flachlegen reguliert
Wärmeabgabe
ƒ Schweißdrüsen: stehen
unter nervöser Kontrolle und
sorgen für Verdunstungskühlung
Nerv
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„
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Hohe Aktivität lässt Körpertemperatur steigen
Problem: Wie vermeiden Säuger Überhitzung?
- Hitzetoleranz (z.B. Kamele bis 41°C)
- Schwitzen
- Hecheln
- Fell! (verringere Wärmeaufnahme!)
Gehirn am empfindlichsten: Spezielle
Kühlmechanismen notwendig.
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Kühlung des
Gehirns der
Antilope
Carotide (Hirnarterie) teilt sich – bevor sie das Gehirn erreicht –
in viele kleine Arteriolen, die durch eine Region mit kaltem
venösen Blut aus dem Nasalraum führen und somit gekühlt
werden.
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