Wärmehaushalt und Thermoregulation

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Miriam Goldschmidt
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1 VL Allgemeine Zoologie II (SoSe 2005) Thorsten Burmester Homöostase = die Fähigkeit eines Organismus zur Kontrolle des inneren Milieus bei sich ändernden äußeren Parametern. Wärmehaushalt und Thermoregulation 1 Temperatur Ionenkonzentration ph osmotischer Druck O Interner Zustand Kontrolle des inneren Milieus Regulierer tödlicher Bereich Konformer externes Milieu tödlicher Bereich Kosten Homöostase - Regulation Hoher Energieverbrauch => hoher Nahrungsbedarf Vorteile Besiedlung nichtoptimaler Habitate Besiedlung von Habitaten mit schwankenden Umweltbedingungen Vorteile der Homöostase überwiegt meist Kosten alle Organismen haben die Fähigkeit zur Regulation! => inneres Milieu äußeres Milieu 3 4 Temperaturen um uns Aktives Leben nur in eingeschränkten Wetterekorde der Erde 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 Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit 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 (= Q 10 -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. 6

2 Thermische Grenzen des Lebens... sind allgemein speziesspezifisch => die meisten biochemischen Prozesse reagieren sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen Minimum der Kälte: 0 C (Wasser erstarrt) => Ausnahmen: Gefrierpunkterniedrigung Maximum der Wärme: - Fisch: max. 43 C (Killifisch im Death Valley) - Reptil: max. 48 C (Wüsteneidechse) -Säuger: ~ 42 C -Vögel: ~ 46 C - Wüstenameise: ~55 C 7 Temperatur-Weltmeister Glasschwämme am Grund des antarktischen Weddellmeeres gedeihen bei -2 C. Pompejiwurm (Alvinella pompejana) lebt in m Tiefe an heißen Quellen bei > 50 C. Einige Invertebraten überdauern Extrembedingungen in Dauerstadien. 8 Wärmeaustausch zwischen Organismus und Umgebung Wärmeaustausch Konvektion Radiation Konduktion Evaporation 9 Konduktion (Wärmediffusion bzw. Wärmeleitung) = Übertragung kinetischer Energie durch direkten Kontakt. Konvektion (Strömung) = Wärmeaustausch durch Bewegung des Mediums: Luft- (= "Wind") oder Wasserströmung). Radiation (Strahlung) = Emission elektromagnetischer Wellen durch alle Objekte mit T > 0 K. Evaporation (Verdunstung) = Wassermoleküle verlassen Oberfläche mit hoher kinetischer Energie => zurückbleibende Moleküle sind energieärmer. 10 Temperaturhaushalt der Tiere 1. Körperwärme vs. Außentemperatur poikilotherm (wechselwarm): Körpertemperatur schwankt mit Umgebungstemperatur. homoiotherm (gleichwarm): Körpertemperatur ist konstant und von der Umgebungstemperatur (weitgehend) unabhängig. 11 Körpertemperatur poikilotherm - homoiotherm homoiotherm = Termoregulator Außentemperatur poikilotherm =Thermokonformer Homoiotherme Tiere können geringere Körpertemparatur haben als poikilotherme (Bsp. Eisfische vs. Eidechse)! 12

3 ektotherm - endotherm 2. Quelle der Körperwärme ektotherm: Organismus hängt hauptsächlich von der aus der Umgebung absorbierten Wärme ab (Invertebraten, Fische, Amphibien, Reptilien). endotherm: Körperwärme wird hautsächlich aus dem eigenen Stoffwechsel bezogen (Säuger, Vögel). Einige Insekten und manche Fische: Variation der Strategie (heterotherm). Vorteile der Endothermie stabiles Milieu für biochemische Prozesse höheres Aktivitätsniveau wg. Q 10 und Kühlung längere Höchstleistung Besiedlung vielfältiger Habitate: - Leben bei < 0 C (Isolation + Wärmeproduktion) - Leben bei hohen Temperaturen (Kühlung) - Leben bei schwankenden Umweltbedingungen Nachteil der Endothermie Thermoregulation Höherer Energiebedarf als ektotherme Tiere: Bsp: Mensch: kj/d Alligator: 250 kj/d => Ektotherme haben Vorteile wenn das Nahrungsangebot begrenzt ist. Endotherme und Ektotherme mit Thermoregulation (Thermoregulierer), haben Mechanismen, die ein Gleichgewicht der Wärmezufuhr und Wärmeabgabe gewährleisten: 1. Verhaltensanpassungen 2. Kontrolle des Wärmeaustauschs zwischen Körper und Umgebung 3. Kühlen durch Verdunstung 4. Veränderungen der Produktionsrate der Stoffwechselwärme Verhaltensanpassungen 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 17 18

4 Hautdurchblutung Vasokonstriktion (Verengung der Gefäße) zur verminderten Durchblutung (geringere Wärmeabgabe). Vasodilatation (Erweiterung der Gefäße) führt zur erhöhten Durchblutung (verstärkte Wärmeabgabe). Gegenstrom-Wärmeaustausch 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 Verdunstungskühlung 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) 4. Wärmeproduktion 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) Wärmehaushalt im Tierreich Säugetiere: endotherm Vögel: endotherm Reptilien: meist ektotherm Amphibien: ektotherm Fische: meist ektotherm, einige endotherm Invertebraten: meist ektotherm, einige heterotherm 23 Säugetiere und Vögel 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 24

5 Isolationswert Wärmeisolation bei Säugern Grizzly Rentier Kaninchen Wärmeisolation bei Vögeln Federn sind nachts aufgeplustert bessere Isolation. Schlafposition vermindert die exponierte Fläche. Spitzmaus Lemming 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! 25 Wach Schlafend 26 Unterhautfettgewebe Haut als thermoregulatorisches Organ Unterhautfettgewebe: in den meisten Säugern "Blubber": massives Unterhautfettgewebe von Meeressäugern und (ant-)arktischen Vögeln => können nahe dem Gefrierpunkt überleben. 27 Musculus arector pili Fettgewebe Bindegewebe Haar Schweißpore Ausführgang der Schweißdrüse Blutgefäß Schweißdrüse Haarfollikel Nerv Unterhautfettgewebe und Haarkleid: Isolation Blutgefäße: Dilatation und Konstriktion reguliert Wärmeabgabe Haare: Aufstellen und flachlegen reguliert Wärmeabgabe Schweißdrüsen: stehen unter nervöser Kontrolle und sorgen für Verdunstungskühlung 28 Keep cool! 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. 29 EinenkühlenKopf bewahren! 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. 30

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