mie an der Universität von Washi

Exotherm und endotherm
Nachfolgend eine Prüfungsfrage aus einer Zwischenprüfung im Fach Chemie an der Universität von Washington: Ist die Hölle exotherm (Wärme
abgebend) oder endotherm (Wärme aufnehmend)?
Die meisten Studenten untermauerten Ihre Antwort, indem Sie das BoyleMariotte-Gesetz heranzogen ("Das Volumen und der Druck eines geschlossenen Systems sind voneinander abhängig", d.h. Gas kühlt sich ab, wenn
es sich ausdehnt und erwärmt sich bei Kompression).
Antwort eines Studenten:
Zuerst müssen wir feststellen, wie sich die Masse der Hölle über die Zeit
ändert. Dazu benötigen wir die Rate der Seelen, die "zur Hölle fahren" und
die Rate derjenigen, die sie verlassen. Ich denke, wir sind darüber einig,
dass eine Seele, einmal in der Hölle, diese nicht wieder verlässt.
Wir stellen also fest: Es gibt keine Seelen, die die Hölle verlassen.
Um festzustellen, wie viele Seelen hinzukommen, sehen wir uns doch mal
die verschiedenen Religionen auf der Welt heute an. Einige dieser Religionen sagen, dass, wenn man nicht dieser Religion angehört, man in die
Hölle kommt. Da es auf der Welt mehr als eine Religion mit dieser Überzeugung gibt, und da niemand mehr als einer Religion angehört, kommen
wir zu dem Schluss, dass alle Seelen in der Hölle enden.
Auf der Basis der weltweiten Geburten- und Sterberaten können wir davon
ausgehen, dass die Anzahl der Seelen in der Hölle exponentiell ansteigt.
Betrachten wir nun die Veränderung des Volumens der Hölle, danach dem
Boyle-Mariotte-Gesetz bei gleich bleibender Temperatur und Druck das
Volumen proportional zur Anzahl der hinzukommenden Seelen ansteigen
muss. Daraus ergeben sich zwei Möglichkeiten:
1. Expandiert die Hölle langsamer als die Anzahl der hinzukommenden
Seelen, dann steigen Temperatur und Druck in der Hölle an, bis sie explodiert.
2. Expandiert die Hölle schneller als die Anzahl der hinzukommenden Seelen, dann sinken Temperatur und Druck in der Hölle, bis sie zufriert.
Zur Lösung führt uns der Ausspruch meiner Kommilitonin Teresa: „Eher
friert die Hölle zu, bevor ich mit dir ins Bett gehe...“ Da ich bis heute nicht
dieses Vergnügen mit Teresa hatte (und wohl auch nie haben werde),
muss Aussage 2 falsch sein, was uns zur Lösung bringt: Die Hölle ist exotherm und wird nie zufrieren.
Der Student bekam als einziger Prüfungsteilnehmer die volle Punktzahl.1
1
http://www.lustigestories.de/stories/hoelle_chemie.php
Regelkreistheorie und Kybernetik
Die Regelungstechnik kann als bedeutender klassischer Bereich der Ingenieurwissenschaften, insbesondere der Disziplinen Elektrotechnik und Maschinenbau, angesehen werden. Methoden der Modellbildung, des Modellexperimentes sowie der quantitativen Modellbeschreibung und Modelloptimierung wurden schon frühzeitig entwickelt und in vielen Jahren verbessert und verfeinert.
Besonderen Aufschwung erfuhr das Gebiert der Regelungstheorie durch
den zunehmenden Einsatz von Digital-, Analog- und Hybridrechnern in
den letzten Jahren. Die Erkenntnisse der Regelungstheorie konnten u.a.
für die Entwicklung und Konstruktion analoger Baugruppen eingesetzt
werden. Wichtiger aber sind die Methoden dieser Theorie für die Simulation von Regelungsmodellen (...) zum Zwecke der Beschreibung oder gar
Optimierung reeller technischer Systeme, die den Modellen zugrunde liegen. (...) Der Begriff "Regelkreistheorie" kennzeichnet diese Ausweitung
regelungstheoretischer Methoden auf neue Disziplinen wie Biologie und
Wirtschaftswissenschaften. Sie bildet den Kern der interdisziplinären Wissenschaft "Kybernetik".2
Die Kybernetik (altgriechisch: Steuermannskunst (...)) ist die
Wissenschaft von der Struktur komplexer Systeme, insbesondere der
Kommunikation und Steuerung einer Rückkopplung (engl. feedback) bzw.
eines Regelkreises (...).3
Die Biologische Kybernetik (engl. biological cybernetics) ist die
Wissenschaft, die sich mit den Steuerungs- und Regelungsvorgängen in
Organismen und Ökosystemen beschäftigt. In ihren Fachbereich fallen
Prozesse wie die Regulierung der Körpertemperatur, das osmotische
Gleichgewicht, der Säurehaushalt sowie diverse Stoffwechselprozesse und
deren Regulierung durch Hormone, aber auch Wirkungsgefüge und
Gleichgewichtsprozesse in der Ökologie.4
Thermoregulation bei Gleichwarmen
Bei höheren Außentemperaturen stellt das Lauftraining eine besondere
Anforderung an die Thermoregulation des Körpers: Es erfolgt ein stärkerer
Anstieg der Körperkerntemperatur, ein höherer Energieverbrauch, ein
schnellerer Verlust an Körperflüssigkeit und eine Verschlechterung der
Laufökonomie. Die Herzfrequenz steigt deutlicher an.
2
http://134.147.252.204/biblio.nsf/90538f814cd3e02dc12569f0006cefb1/79ce54ca6f
117af7c12569d20032ccf0?OpenDocument
3
4
http://de.wikipedia.org/wiki/Kybernetik
http://de.wikipedia.org/wiki/Biokybernetik
Bei der normalen "Muskelarbeit" wird nur 20 bis 25 % der verbrauchten
Energie in Fortbewegung umgewandelt - rund 80% "verpuffen" als Wärmeenergie über die Ausatmungsluft und die Haut - unser größtes Organ.
Hättest du keine körpereigene Kühlung, so würde sich die Temperatur
nach einer Stunde Joggen um rund 10 Grad Celsius erhöhen!
(...) Die Wärme, welche beim Verbrennen von Kohlenhydraten und Fetten
entsteht, muss an die Umgebung abgegeben werden. Steigt die
Körperkerntemperatur zu stark an, kann das zu einem Hitzeschock oder kollaps führen. Eine Körpertemperatur jenseits von 42 Grad ist tödlich.
Das körpereigene Kühlsystem
Der Mensch ist auch bei wechselnder Umgebungstemperatur in der Lage,
die Kerntemperatur seines Körpers konstant auf 36.5 bis 37.5 Grad Celsius zu halten. Die äußeren Teile wie Arme, Beine und die Haut gleichen
sich der Umgebungstemperatur an. Deshalb kommt es bei Kälte zu einer
Abnahme der Temperatur und du beginnst, an Zehen und Fingern zu frieren. (...)
Wenn wir das Lauftraining aufnehmen, fangen wir je nach Außentemperatur und Bekleidung nach einigen Minuten an zu schwitzen. Die erhöhte
Temperatur veranlasst die Schweißdrüsen, kleine Wassertröpfchen auszuscheiden, welche beim Verdunsten auf der Hautoberfläche Kühlung erzeugen. Zudem erweitern sich die Blutgefäße unter der Haut, um die
überflüssige Wärme besser an die Umgebung abgeben zu können. Erweiterte
Blutgefäße
unter
der
Haut
erzeugen
den
"roten
Kopf".
Das Blut reguliert zusammen mit den Schweißdrüsen die Temperatur des
Körpers. Da bei hoher Umgebungstemperatur die Kühlung stärker läuft,
weil das Kühlsystem der Haut mehr Blut "braucht", sinkt auch die Leistungsfähigkeit für die Fortbewegung. Zudem "verdickt" sich dein Blut,
wenn der Flüssigkeitsmangel größer wird.
Hat der Körper zu wenig Wasser oder enthält die Umgebungsluft sehr viel
Feuchtigkeit, so kann er die Kühl-Aufgabe nicht mehr richtig wahrnehmen
und es kommt zum Anstieg der Körpertemperatur, zur Erhöhung der Herzfrequenz und unter Umständen zum erwähnten Schock.5
Thermoregulation bei Wechselwarmen
"Hummeln haben sehr oft Energiekrisen gewaltigen Ausmaßes zu bestehen, Menschen kennen kaum etwas vergleichbares" (Heinrich 1979, S.
10). Der komplette Energiebedarf des Insekts wird durch Nektar gedeckt.
Viel Energie benötigt die Hummel für das Fliegen und das Bebrüten der
Nachkommen. "Der Brennstoffverbrauch [Honigverbrauch] hängt direkt
5
http://www.lauftipps.ch/koerper/thermoregulation.php
mit der Wärmeproduktion zusammen, die wiederum mit dem Wachstum
von Larven und Puppen in enger Verbindung steht. Je weniger Brennstoff
zur Verfügung steht, desto weniger Wärme erhält die Brut und desto länger braucht sie bis zum Erreichen des Erwachsenen-Stadiums (S. 104)."
So schlagen die Flügel 200mal in der Sekunde. (...)
Der Energiebedarf ist aber noch aus anderen Gründen enorm, denn Hummeln können nicht fliegen, wenn ihre Muskeltemperatur (= Thoraxtemperatur, siehe unten) unter 30°C fällt. Nach oben sind allerdings auch Grenzen gesetzt: Steigt die Temperatur über 44°C, kann die Hummel nicht
mehr fliegen. Dies ist der Grund weshalb Hummeln nur in den gemäßigten
Breiten vorkommen. Bei tropischen Temperaturen würden sie sehr schnell
überhitzen.
Tatsächlich ist die Hummel in der Lage, auch bei kalten Außentemperaturen ihre Muskulatur auf konstant 30°C aufzuheizen. Dies geht nur durch
eine effiziente Thermoregulation, sodass es sogar eine Hummelart gibt,
die ihre Nester im Gletschereis baut. Zum Aufwärmen "zittert" die Hummel mit der Flugmuskulatur, d.h. sie spannt die Muskeln immer wieder an.
Dabei wird viel Energie verbraucht und, wie bei einem Verbrennungsmotor, Energie in Form von Wärme frei (...). Das heizt die Muskulatur bis auf
30°C auf. Dieses Zittern ist völlig geräuschlos, auch die Flügel sind völlig
bewegungslos. Nur ein Pumpen am Abdomen ist zu erkennen, um die
Muskulatur mit reichlich Sauerstoff zu versorgen.
Kleine Hummeln schaffen dieses Aufwärmen nicht sehr gut, größere viel
leichter. Da also die kleinen Hummeln nur selten ihre Thoraxtemperatur
auf 30°C heizen können, fliegen die kleinsten Hummeln auch nie aus. Umgekehrt schafft eine große Königin dieses Aufwärmen sehr leicht, eine Arbeiterin weniger. Letztere schafft es nicht, bei Temperaturen unter 6°C
ihre Flugmuskulatur auf 30°C zu erwärmen, erst ab 6°C geht dies, weshalb Arbeiterinnen ab 6°C, Königinnen aber auch noch wesentlich darunter
fliegen können.
Des Weiteren besteht noch ein großer Energiebedarf beim Bebrüten der
Nachkommen. Fällt die Temperatur unter 30°C ab, kommt es bei den
Nachkommen zu Entwicklungsstörungen (siehe oben, z.B. verkürzte Flügel). Daher wird ein Nest von den Hummeln normalerweise auch so gut es
geht isoliert. So beobachtete Heinrich (1979), wie die Hummeln in nur einer Nacht Faser für Faser eines feuchten blauen Löschpapiers abnagten,
das er zur Regulation der Luftfeuchtigkeit in den Nistkasten gestopft hatte,
um damit ihr Nest zu überziehen. Aufgrund dieser Isolation war das Nest
am nächsten Morgen blau.
Die Wärmeproduktion bei kühlen Temperaturen ist also sinnvoll. Doch bei
Hitze kann sie gefährlich werden. Bei 35°C Lufttemperatur erreichen
Hummeln rasch die kritische Muskeltemperatur von 44°C und können
nicht mehr fliegen. Dies ist ein wichtiger Faktor für Hummelfreunde, die
einen Nistkasten aufstellen wollen. Wenn dieser in der prallen Sonne
steht, werden im Innern ohne weiteres Temperaturen von 35°C erreicht
und das Volk geht zugrunde.
Daher benötigt die Hummel auch neben der Wärmeproduktionsmöglichkeit
eine Methode zum Kühlen der Muskulatur. Dies kann man sich an einem
Verbrennungsmotor klar machen: Für kleine Motoren reicht (bei der Fahrt)
die Luftkühlung aus, doch je größer der Motor wird, desto wichtiger wird
ein Kühlsystem. Bei Motoren besteht es aus Wasser, das in einem Kreislauf um den Motor geführt wird und dort Wärme aufnimmt und an anderer
Stelle an die Luft abgibt. Um nicht zu überhitzen hat auch die Hummel ein
Kühlsystem, wobei bei ihr das Blut die Kühlflüssigkeit ist. Dabei gibt es
aber
neben
dem
Überhitzungsschutz
eine
weitere
Funktion:
Kühlen heißt, produzierte Wärme aufzunehmen und woanders abzugeben.
Um die Nachkommen zu bebrüten, wird die in der Flugmuskulatur erzeugte Wärme nämlich von der Muskulatur abgeleitet (sie kühlt ab und kann
deshalb weiter aufgeheizt werden, ohne zu überhitzen) und in den Hinterleib der Hummel abgeführt. Dieser ist an seiner Unterseite schlecht isoliert, weshalb im Flug hier die Wärme abgegeben wird, ohne dass die
Flugmuskulatur sich überhitzt. Im Nest wird hier die Wärme abgegeben,
um die Nachkommen zu bebrüten. Dazu wird einfach der Hinterleib auf die
Brutzelle gepresst, so dass in ihr Temperaturen von 30°C entstehen.
Energiekrisen im Winter
Hummelköniginnen graben sich im Winter im Boden ein, ihr Stoffwechsel
kommt zur Ruhe. Nur durch eine ergiebige Glycerin-Produktion (...) schaffen es Hummeln, den Winter zu überstehen. Dadurch überleben sie Temperaturen bis -15 °C. Durch ihr Eingraben in den Boden sind sie doppelt
geschützt: Die Temperaturen in 10 cm Bodentiefe sind bei weitem nicht so
extrem, wie im Winter erwartet. Während im Beispiel die Lufttemperatur
in Bodennähe (Bodentiefe = 0 cm) bis auf -6°C absinkt, liegt sie bei 5 cm
Bodentiefe nur noch wenige Grad unter dem Gefrierpunkt, noch tiefer im
Boden bei etwa 10 cm um den Gefrierpunkt (...).
Dabei lässt sich dieses Beispiel leider nicht leicht verallgemeinern, da es
vom Boden abhängt, wie stark die kalte Winterluft den Boden auskühlt.
Die Temperaturleitfähigkeit ist beim Felsen am größten, weshalb sich dieser leichter bis in tiefere Schichten abkühlt. Je mehr Lufträume im Boden
sind, desto stärker ist die Isolierung und der Boden kühlt sich nicht mehr
so weit ab. (...)
Überwinterungsstrategien
Wechselwarme Tiere (alle Wirbellosen, Fische, Amphibien, Reptilien):
Die Körpertemperatur wird durch die Umgebungstemperatur bestimmt.
Wechselwarme Tiere können ihre Körpertemperatur durch geeignetes
Verhalten regulieren. Einige ziehen sich bei Kälte in frostfreie Wassertiefen
oder Erdlöcher zurück und verfallen dort in eine Kältestarre. Erreicht aber
dennoch Frost das Versteck, so tritt der Kältetod ein.
Die Kältetoleranz ist sehr unterschiedlich.
Gleichwarme Tiere (Vögel und Säuger):
Gut isolierendes Fell oder Federkleid und eine dicke Speckschicht
(gleichzeitig als Energiespeicher) helfen, den Energieverlust bei Kälte
möglichst gering zu halten.
Zugvögel weichen im Winter auf wärmere Gebiete aus.
Viele Säugetiere und einige Vögel sparen in der Kältezeit Energie, ohne
nennenswerte Temperaturherabsetzung, indem die sich möglichst wenig
bewegen und kältegeschützte Orte aufsuchen (Häufige Störungen durch
Feinde gefährdet dieses Konzept in lebensbedrohlicher Weise).
Ist dieses energiesparende Verhalten extrem ausgeprägt, spricht von
von Winterruhe. Ausgeprägte Winterruher mit langen Schlafphasen in geeigneten Behausungen sind Eichhörnchen, Dachs und Bär.
Einige Säugetiere fallen für die kalte Zeit in einen Winterschlaf.
Winterschlaf
Im Herbst nimmt das Nahrungsangebot für Säugetiere ab und durch die
sinkenden Temperaturen steigt der Energieaufwand, die Körpertemperatur
konstant zu halten. Einige Tiere, wie z.B. die Fledermaus, verfallen für die
kalte Jahreszeit in einen Starrezustand, den man als Winterschlaf bezeichnet. Die Herzfrequenz nimmt ab, die Stoffwechselrate sinkt drastisch ab
und die Körpertemperatur sinkt bis auf den Wert der Umgebungstemperatur. Trotzdem wird die Temperaturregulierung nicht ausgeschaltet: Sinkt
die Temperatur unter eine kritische Grenze (knapp über 0°C), so produziert das Tier Wärme. Diese Wärme und jene, die das Tier beim Aufwachen produziert, wird überwiegend in einem besonderen Gewebe, dem
braunen Fettgewebe, gebildet.
Weißes Fettgewebe
Braunes Fettgewebe
ein großer Fetttropfen in
viele kleine Fetttropfen in der Zelle
der Zelle
wenig Cytoplasma
viel Cytoplasma mit vielen Mitochondrien (bewirken braune Färbung)
Fett wird zu Glycerin
und Fettsäuren gespalten und über Blut und
Lymphe in andere Ge-
Fett wird zu Glycerin und Fettsäuren gespalten
und in den zelleigenen Mitochondrien abgebaut.
Es wird viel Sauerstoff aufgenommen.
Durch ein weiteres spezifisches Membranprotein
webe transportiert.
in der Mitochondrienmembran, durch welches die
meisten der Protonen in der Atmungskette strömen. So wird kaum ATP gebildet und die im Protonengradienten gespeicherte Energie kann direkt in Wärme überführt werden (kein Umweg
über Muskelzittern).
Das Muskelzittern, welches für nicht in den Winterschlaf fallende Säugetiere bei Unterkühlung typisch ist, wäre für Winterschläfer nachteilig. Diese
sind ausnahmslos kleine Tiere und haben damit eine große relative Oberfläche. Da die meisten Muskeln nahe der Körperoberfläche liegen, geht die
beim Zittern erzeugte Wärme schnell verloren. Das braune Fettgewebe
liegt dagegen zentral im Körperinneren6.
Bergmannsche Regel
Gleichwarme Tiere einer Art oder einer Gattung sind in kalten Gebieten
größer als in warmen Gegenden. Beispielsweise haben Amseln in Schweden Flügellängen von 136 mm, in Deutschland von 132 mm, auf den Kanarischen Inseln von 129 mm und in Nord- Marokko von 125 mm. Ein weiteres Beispiel liefert der Pinguin. Die Galapagos- Pinguine (...) sind deutlich
kleiner als ihre Verwandten vom Südpol.
Beobachtung: Es verschiebt sich das Verhältnis Oberfläche zu Volumen in
kalten Gebieten eher zugunsten der Volumens, in warmen eher zugunsten
der Oberfläche. Man hat daraus eine Regel abgeleitet, sollte diese aber
immer mit Vorsicht betrachten. Da die Körpergröße z.B. grundsätzlich auch
vom Nahrungsangebot abhängt, ist die Anwendung der so genannten
"Bergmannschen Regel" nicht immer korrekt.
Was ist (...) der Vorteil einer kleineren bzw. größeren Oberfläche?
Gleichwarme Tiere geben über ihre Oberfläche ständig Wärme ab. Diesen
Wärmeverlust muss das Tier ausgleichen oder es erfriert. Tiere, deren
Oberfläche klein bleibt im Verhältnis zum Volumen, verlieren weniger
Wärme als Tiere mit einer relativ großen Oberfläche.
Achtung: Obwohl die Tiere in kalten Gebieten (z.B. Pinguine) größer sind
als ihre Verwandten aus warmen Regionen der Erde, ist ihre Oberfläche im
Verhältnis zu ihrem Volumen kleiner als bei diesen.7
6
http://www-public.tu-bs.de:8080/~y0027271/biolkgei/ stoffwechsel/ ueberwinterung.html
7
http://www.uni-duesseldorf.de/WWW/MathNat/Biologie/Didaktik/Atmung/start/ struktur/ov/ bsp/tierrei/ebene1a/br.html