Lichteinflüsse auf die Physiologie. Physiologie Weihenstephan

Transkript

1 Lichteinflüsse auf die Physiologie Dr.Susanne E. Ulbrich Physiologie Weihenstephan

2 Licht Die Hauptquelle des Lichtes auf der Erde ist die Sonne. Licht ist lebensnotwendig für alle Lebewesen.

3 Elektromagnetisches Spektrum

4 Elektromagnetisches Wellenspektrum

5 Photosynthese direkte Effekte bei Pflanzen aus anorganischen Stoffen (H 2 O, CO 2 ) organische Stoffen

6 Auge Hornhaut Cornea Linse Netzhaut Iris Sehnerv

7 Folgen der Sonneneinstrahlung Aufnahme über Auge und Haut Unterschiedliche Strahlungen = unterschiedliche Wirkungen Positive Folgen g Vitamin D Steuerung von Tag /Nachtrhythmus Negative Folgen Akute Folgen für Auge, Haut (Verbrennung, Mutationen)

8 Verhalten Biologische Effekte von sichtbarem Licht neuro-vegetative Veränderungen, psychische Effekte, Fliegen- und Laufaktivitätsrhythmen ität th Fortpflanzung va v.a. saisonale Verteilung Wachstum Tageszunahmen, Fettansatz, Woll-, und Federwachstum Milchproduktion Eiproduktion Effekte unterschiedlich je nach Spezies. Huhn > Schaf, Ziege > Pferd > Rind > Schwein

9 Rhytmen der menschlichen Physiologie und des Verhaltens

10 Biologische Uhren: Timing mechanismen der Natur Oszillierende biologische Uhren circadiane, lunare, annuale koordinieren Ereignisse an bestimmten Zeitpunkten Circadiane Rhythmen (ca. 24 Stunden) Schlaf Wachrhythmus, Körpertemperatur, Hormonsekretion, Blutdruck, Aktivität, Leistungsfähigkeit, Nahrungsaufnahme Sanduhrmechanismen steuern Dauer von Entwicklungs und Alterungsvorgängen Schwangerschaftdauer, Zelltod Uhren Uhren sind invielen Körperzellen lokalisiert eine steuernde Zentraluhr jedoch im Gehirn suprachiasmatischer Nucleus im Hypothalamus

11 Circadiane Rhythmen Blutdruck, Körpertemperatur, Cortisol

12 Circadiane Rhythmen der Hormonsekretion Cortisol Thyroid stimulating Hormone (TSH) Growth Hormone Melatonin ,0 1,5 1,0 0,5 0, Tag Nacht

13 Steuerung Melatonin Biosynthese Auge Epiphyse (Zirbeldrüse) Hypothalamus lichtabhängiges Enzym N Acetyl Transferase Sympatische Reflexbahn

14 Steuerung Melatonin Biosynthese Schlüsselenzym (hauptsächlich nachts aktiv)

15 Melatonin steuert den Tagesrhythmus erhöht die Schlafeffizienz stimuliert das Immunsystem wirkt sich auf den Hormonhaushalt aus

16 Oszillierende Synthese von Melatonin

17 Melatonin 26 Jahre 84 Jahre alte Menschen schlafen weniger

18 Melatonin und Körperkerntemperatur p während des Versuchs gleichbleibende Aktivität des Menschen: nur Melatonin als Einflussfaktor (kein Schlaf)

19 Störungen des circadianen Rhytmus Jet lag Shiht Schichtarbeit bit Blindheit Alte Menschen Sommer Winterzeit bei schnellem Reisen über mehrere Zeitzonen gestörte Schlaf Wach Phasen, Verdauungsstörungen, Niedergeschlagenheit, geringe Leistungsfähigkeit Faustregel: pro Zeitzone (1 h) 1 Tag Gewöhnungszeit ungeregelter circadianer Rhythmus beim Menschen meist > 24 h, dh d.h. Phasenverlängerung wird als einfacher empfunden als Phasenverkürzung, deshalb Reise nach Westen einfacher als Reise nach Osten soziale Zeitgeber kompensieren nur teilweise) Melatoninmangel

20 Hauptachse Hormoneller Regelkreise GnRH LH/FSH Sexualhormone

21 Photoperiode und Eiproduktion Zu /Abnahme der Tageslichtlänge g starker Beschleunigung bzw. Verzögerung des Einsetzens der Geschlechtsreife (bzw. LH Sekretion) Tageslichtdauer bei etablierter Geschlechtsreife Jahreszyklus saisonale Verteilung der Eiproduktion circadianer Zyklus Zeitpunkt der Eiablage im Verlaufe des Tages Eiproduktion Zahl und Grösse der Eier 21

22 Photoperiode und Wachstum

23 Photoperiode und Wachstum Stimulation der täglichen Zunahmen (TGZ) und der Futterverwertung Zunahme des Futterverzehrs Zunahme des Skelettwachstumsdurch verlängerte Lichtexposition Schaf, Rind und Geflügel (>> Schwein) Rind kein Effekt bei Ochsen? Fehlende Photoperiodizität Dauernde Dunkelstallhaltung (< 12 Lux) beim Schwein meist itreduzierte TGZ Dauerbelichtung beim Geflügel Zunahme der TGZ (Zunahme der Futteraufnahme )

24 Photoperiode und Reproduktion Einfluss des Lichtregimes auf die zyklische Aktivität bei der Stute (Pferd=frühjahrsbrünstig) Lichtprogramm 16/8 h ab Dezember:Zyklus 74 d (Freiland) bzw. 50 d (Stall) früher.

25 Überstzung von Licht in Physiologie Herbstbrünstig Short day breeder Frühjahrsbrünstig Long day breeder Hirschartige/Schafe Epiphyse Melatonin Hypothalamus GnRH Hypothalamus GnRH Epiphyse Melatonin Paarung im Herbst Geburt im Frühjahr Relativ lange Tragezeiten Paarung im Frühjahr/Sommer Geburt im Sommer Relativ kurze Tragezeiten

26 Ursachen für unterschiedliche Melatoninwirkung Rezeptorverteilung speziesspezifische zelluläre Verteilung der Rezeptoren (HT, SCN, Pars tuberalis) Rezeptorwirkung zelluläre Antwort auf das Hormonsignal kann sehr unterschiedlich h sein (G Protein gekoppelter Signalweg) Grivas et al. 2007

27 Photoperiode und Reproduktion Photoperiode alszeitgeber Saisonalität v.a. bei Geflügel, Schaf, Ziege, Pferd, Kaninchen, weniger beim (Haus ) Schwein, nur gering beim Rind, bei und Tieren Zeit der Fortpflanzung setzt normalerweise ein, wenn im Jahresgang eine bestimmte, tierartlich festliegende Tageslichtdauer erreicht wird Wurftermin der Jungen Graviditätsdauer Paarungsperiode (Ausnahme: Tiere mit verzögerter Implantation: zb Bären, Rehe) frühjahrsbrünstige Spezies Nager, Marder, Waschbär, Katze, Pferd Gonadenaktivität stimuliert durch zunehmende Beleuchtungsdauer herbstbrünstige Spezies Schaf, Ziege, (Rind), Nerz Gonadenaktivität bestimmt durch abnehmende Tageslichtlänge

28 Tagesrythmus von Prolaktin und Melatonin

29 Effekte von Melatonin auf die Hodengrösse (Chemineau et al. 1996)

30 Photoperiode und Reproduktion Schafe Geburten im Frühjahr bei max. Futterangebot Ovarialzyklus wird ausgelöst durch Abnahme der Photoperiode Progesteronsekretion nimmt ab (Abbau des Gelbkörpers) kontinuierliche Zunahme der Sekretion von LH kontinuierliche Zunahme der Sekretion von Oestradiol 17β präovulatorische Sekretion von LH (Brunst/Oestrus). Photoperiode ändert via Melatonin die Empfindlichkeit von Hypothalamus und Hypophyse gegenüber Oestradiol 17β Fortpflanzungsperiode positives Feedback von Oestradiol 17β auf LH Sekretion Anoestrische Phase negatives Feedback von Oestradiol 17β auf LH Sekretion

31 Photoperiode und Reproduktion Schafe Abnahme der Photoperiode im Herbst Sk Sekretion von FSH, LH und Testosteron t Hodengrösse Aktivität akzessorischer Geschlechtsdrüsen Aggressivität und Fortpflanzungstrieb Photoperiode vermindert via Melatonin Hemmung der LH Sekretion durch Testosteron

32 Lichteffekte auf die Milchleistung bei Kühen

33 Photoperiode: Anwendungen Verlängerung der täglichen Lichtexposition am Morgen und Abend während des Winters Lichtfarben hf Milchkuh, Schaf, Rind Futteraufnahme Milchleistung, Mastleistung und z.t. der Körperzusammensetzung (Fleisch/Fett) Geflügel, Schaf, Ziege Fortpflanzung Huhn Eiablage v.a. bei Huhn, Schwein untersucht und in der Praxis eingesetzt: Blau /Grünlicht steigert tägliche Zunahmen Rotlicht reduziert Kannibalismus

34 Biologische Wirkung von sichtbarem Licht auf Hormone Melatonin Follikel stimulierendes Hormon (FSH), LuteinisierendesHormon (LH) Prolactin (PRL) Fortpflanzung, Immunsystem, Stoffwechsel Fortpflanzung Fortpflanzung, Laktation, Haarwachstum Sexualsteroide (Progesteron, Oestrogene) Fortpflanzung, Stoffwechsel Wachstumshormon (GH) Thyroxin stimulierndes H. (TSH), Thyroxin(T4) und Trijodthyronin(T3) Adrenocorticotropes Hormon (ACTH), Cortisol β Endorphin Melanocyten stimulierendeshormon (MSH) Stoffwechsel, Fortpflanzung Stoffwechsel Stoffwechsel Verhalten Pigmentierung der Haut (Melanin)

35 Lichteffekte auf tierische Leistungen