Osmoregulation und Wasserhaushalt - Regulation des inneren Milieus -

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1 Osmoregulation und Wasserhaushalt - Regulation des inneren Milieus - -Wasserhaushalt -Regulation des Ionen Milieus (Osmoregulation) Homöostase: Konstant halten des inneren Milieus trotz wechselnder Umweltbedingungen, Umsatz von Stoffen, Energiebedarf, Verhalten

2 HOMÖOSTASE: Stabilisierung des inneren Milieus Abgeleitet vom griechischen Wort für gleichartig, ähnlich (Begriff in der Physiologie stammt vom amerikanischen Physiologen Walter B. Cannon, ) Die Vielzeller (Metazoa) haben, da viele Zellen ja zum Außenmilieu keinen Zugang mehr haben, ein ähnliches inneres Milieu, die extrazelluläre Flüssigkeit, oder das Blut, entwickelt, welches in seiner Zusammensetzung konstant gehalten werden soll (gelingt am besten den Vögeln und Säugern) Konstant gehalten wird: * O 2 - und CO 2 - Gehalt, ph-wert, Nährstoffgehalt (Blutzuckergehalt), Ionenverteilung, * Körpertemperatur, Pulsschlag, Calcium-Homöostase EXKRETION: Ausscheidung Endprodukte (aus dem Abbau von Molekülen des Stoffwechsels) werden entfernt (Entwicklung leistungsfähiger Ausscheidungsorgane)

3 Voraussetzungen: Transportsysteme passiver Transport: Diffusion, Osmose (Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran), Ionenkanäle (Fluß von Ionen durch einen Kanal, Strom) aktiver Transport: immer unter Energie-Verbrauch (ATPasen), oft mit anderen Transportmechanismen gekoppelt (Co-Transport oder Countertransport), Carrier, Pumpen Konvektiver Transport: nutzt Druckdifferenzen aus (z.b. bei Ultrafiltration hydrostatischer Druck und dagegen gerichteter kolloidosmotischer Druck) Es erfolgt eine Regelung (durch Meßfühler, Sinneszellen, rückgekoppelte Regelkreise) im Gegensatz zu einer direkten Steuerung.

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5 Homöostase von Ionen * Konstanthaltung des Milieus innerhalb und außerhalb der Zellen wichtige Voraussetzung für das Funktionieren eines Organismus - hauptsächlich Konzentration gelöster Stoffe (z.b. Ionen, auch Glucose usw.) * Trennung der intra- und extrazellulären Flüssigkeitsräume durch Membranen - extrazellulärer Flüssigkeitsraum erinnert entfernt an Meerwasser ([Na + ] hoch, [K + ] niedrig) - intrazelluläre Flüssigkeit (immer hoch an [K + ], niedrig an [Na + ], [Ca 2+ ] und mit negativ geladenen organischen Anionen, welche die Zelle nicht verlassen können) * Entwicklung eines stabilen inneren Milieus wichtige Voraussetzung für Entwicklung der Tiere, sichert Überleben bei osmotisch ungünstigen Umweltbedingungen Osmose: Bewegung von Wasser in Kompartimente mit höherer Konzentration von osmotisch wirksamen Substanzen

6 Osmoregulation

7 Osmoregulation Osmokonformer * Strikte oder begrenzte Osmokonformer schwanken mit der Osmolarität ihrer extrazellulären Flüssigkeit (Hämolymphe, Blut) mit der Umgebung (kann teilweise zwischen 1000 mosm und 500 mosm schwanken) (z.b. Brackwasser, Flußdeltas, Gezeitentümpel) vor allem im Bereich Meer-/Süßwasser lebende Invertebraten (z.b. Eriocheir sinensis, Wollhandkrabbe), aber auch Haie oder Neunaugen Problemlösung: Bildung organischer osmotisch wirksamer Substanzen (Osmolyte), die je nach Bedarf ins Blut abgegeben werden: z. B. bei Haien, Neunaugen: Freie Aminosäuren, Harnstoff oder Trimethylaminoxid Die meisten marinen Organismen sind in der Osmolarität ihres Blutes mit dem umgebenden Meerwasser im Gleichgewicht, obwohl manche ganz beachtliche Verdünnungen ertragen (Korallen, oder auch Crustaceen können ca. 20% Reduktion in der Salinität des Salzwassers ertragen: euryhalin: tolerant gegenüber größeren Schwankungen)

8 Beispiele für osmokonforme Tiere: * Echinodermen (Stachelhäuter) Population der Seesterne in der Ostsee (15 o / oo Salinität) wandern aus der Nordsee (35 o / oo ) ein und pflanzen sich nicht fort (Überschußpopulation) - weiche Haut, geringe Wärmeresistenz, größeres Körpergewicht - * Einige Anneliden ertragen Schwankungen im Salzgehalt bis zu 25 o / oo * Wollhandkrabbe wandert von der Elbmündung/Nordsee bis zur Havel Chinesische Wollhandkrabbe Seestern spec.

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10 Osmoregulierer * Tiere mit Ionenhomöostase, halten stets internes Milieu stabil gegen äußere Schwankungen z.b. Blut der Wirbeltiere (hypoosmotisch gegenüber Meerwasser, aber hyperosmotisch gegenüber Süßwasser) * Alle Wirbeltiere (mit Ausnahme der Haie und Neunaugen) und viele terrestrische Invertebraten sind Osmoregulierer Bei der Bildung eines gegenüber der Umgebung hyperosmotischen Urins (Verlust an Ionen, Glukose etc) gibt es zwei Strategien: * Vermeidung: Reduktion von Wasser- und Ionenflüssen * Kompensation: Erzeugung entgegen gesetzter Ionen- und Wasserflüsse Nur Säugetiere, Vögel (und einige Insekten!) können einen Urin bilden, der konzentrierter (hyperosmotisch) ist als das Blut

11 Osmoregulation Fisch im Süßwasser * Blut hyperosmotisch zu Umgebung * Wasser dringt ständig ein

12 Probleme der Osmoregulation im Süßwasser * dauernd dringt Wasser in den Organismus ein (Anschwellen der Zellen) und der Organismus erleidet einen Salzverlust an die Umgebung (NaCl, KCl, CaCl 2, MgCl 2 ) Problemlösung: * Bildung eines wässrigen Harns * Reabsorption der Ionen in der Niere (Salze) Salze werden mit Nahrung aufgenommen * Aktive Aufnahme von Ionen aus dem wässrigen Milieu über spezielle Transportepithelien (Ionen über interstitielle Flüssigkeit ins Blut transportiert) z. B. Fischkieme, Amphibienhaut Fischkieme: Süßwasser enthält 1 mmol/l NaCl, Fischblut enthält 100 mmol/l NaCl Gegen dieses enorme Gefälle werden die Na + -Ionen bewegt * Chloridzellen der Kiemen bewegen Cl - und damit Na + über die Kiemen mittels einer Na-K-Pumpe (Na-K-ATPase) nach innen, und H 3 O +, Protonen, werden nach außen abgegeben (aktiver Transport) * Mit Ouabain vergiftbar (dann kein aktiver Transport und damit Osmoregulation mehr möglich) Froschhaut: transportiert Salze von außen nach innen

13 Frosch im Süßwasser: Osmoregulation

14 Osmoregulation Fisch im Salzwasser * Blut hypoosmotisch zum Salzwasser * verliert dauernd Wasser, muss Salzwasser trinken und Salze aktiv ausscheiden se

15 Probleme der Osmoregulation im Salzwasser * Wegen der hohen Osmolarität des Salzwassers verliert Organismus Wasser (Blut ist hypoosmotisch zum Meerwasser) Lösung: Salzwasser trinken Problem: Aufnahme von zuviel Salzen, d. h. Salze müssen ausgeschieden werden * über die Nieren (Fische, Reptilien, Vögel und Säuger * über das Kiemenepithel (aktiver Transport!) bei Fischen * über besondere craniale Organe (Salzdrüsen) bei marinen Reptilien und marinen Vögeln (z.b. die Röhrennasen, Albatrosse, Sturmtaucher, Wellenläufer) Bei Tieren, welche wie die Lachse oder Aale Wanderungsbewegungen zwischen Süßwasser und Salzwasser vornehmen, kehrt sich die Pumprichtung des Kiemenepithels um (beim Lachs geht das innerhalb eines Tages). * Hormone und endokrine Prozesse spielen dabei eine Rolle z.b. beim Lachs Steroidhormone und Cortisol beim Übergang Süßwasser/Salzwasser oder Prolactin beim Übergang Salzwasser/Süßwasser

16 Salzdrüsen bei Meeresvögeln aktiver Transport Fig Copyright 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

17 Probleme terrestrisch lebender Organismen * Ständiger Wasser/Salzverlust über Körperoberfläche, über Tracheen oder Lungen (Atemluft ist feucht!), über Exkretion (Niere) Lösung: Reabsorption von Wasser (und Salzen) aus der Niere (auch Darm!) Spezielle Anpassungen bei Wüstentieren Viele mit raffinierten Mechanismen zur Rückgewinnung von Wasser und zur Minimierung von Wasserverlusten * Abendliche oder nächtliche Lebensweise (unter Tags in Höhlen oder Schattenplätzen), Nutzung von Kondenswasser, Tau am Morgen * Absorption von Wasser aus der Luft (Luftfeuchtigkeit), einige Arthropoden (Insekten sind die besten Wassersparer ) * Känguruhratte, Kamele: Luft beim Ausatmen wird abgekühlt (KONDENSWASSER) und beim Einatmen wieder befeuchtet, (Gegenstromaustauscher in der Nase) * Wassergewinnung aus dem Stoffwechsel (Känguruhratte, Kamele) Das durch metabolische Prozesse entstehende Wasser (besonders viel beim Abbau der Fette) kann genutzt werden

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