Gerhard Heldmaier

Energiehaushalt von Tieren

Tiere gewinnen die zum Leben notwendige Energie aus der Verbrennung von Nahrungsstoffen. Diese Erkenntnis war eine der grosen wissenschaftlichen Entdeckungen des 18. Jahrhunderts, und ihr Beweis ist vor allem den Experimenten von Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794) zu verdanken. Er wies nach, dass Tiere ein Gas aus der Luft entnehmen, das im Korper verbraucht wird, wie bei einer Verbrennung, und die in Tieren entstehende Warme wird an die Umgebung abgegeben. Das Gas nannte er Sauerstoff und widerlegte damit die bis dahin herrschende Vorstellung, dass bei der Verbrennung ein im Brennmaterial enthaltenes Warmeprinzip, das so genannte Phlogiston, freigesetzt wird. Um die Warmebildung von Tieren zu messen, setzte er Ratten und Meerschweinchen in eine Kammer, die von einem doppelten Eismantel umgeben war. Aus der Menge des gebildeten Schmelzwassers berechnete er die von den Tieren abgegebene Warmemenge (Box 2.1).

Temperaturwirkungen und Thermoregulation

Die Atome und Molekule eines Gasgemisches oder einer Losung sind standig in Bewegung und kollidieren miteinander. Bei den Kollisionen konnen sie Bewegungsenergie abgeben oder gewinnen. Deshalb streut die kinetische Energie der Teilchen von sehr hohen bis sehr niedrigen Werten (Box 3.1). Die Temperatur ist nichts anderes als eine Maseinheit fur die mittlere kinetische Energie der Molekule eines Korpers. Beim absoluten Nullpunkt der Temperatur (−273,15°C) kommt jede Molekularbewegung zum Stillstand, d.h. die kinetische Energie ist null, und je warmer es wird, desto groser ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Zur Messung der Temperatur wurde eine vollig willkurliche Maseinteilung geschaffen, die den Gefrierpunkt des Wasser als null und den Siedepunkt als 100°C bezeichnet. Fur thermodynamische Betrachtungen ist die Maseinheit Kelvin anschaulicher, da diese Skala beim absoluten Nullpunkt der Temperatur beginnt; die Skaleneinteilung erfolgt aber in denselben Schritten wie bei °C (dK = d°C).

Ernährung und Verdauung

Die Nahrung liefert den Tieren sowohl das Brennmaterial fur den Energiehaushalt als auch Baumaterial fur Biosynthesen. Energie wird in erster Linie aus dem Abbau von Kohlenhydraten und Fetten bereitgestellt, kann aber auch aus Proteinen gewonnen werden, denn das organische Kohlenwasserstoffgerust aller drei Stoffgruppen wird uber einen gemeinsamen Stoffwechselweg, den Citratzyklus und die Atmungskette, zur Gewinnung von ATP abgebaut (s. Kap 1.5 Bioenergetik). Als Energiequellen sind diese Nahrungsbestandteile deshalb weitgehend austauschbar. Der Citratzyklus liefert auserdem das Ausgangmaterial fur zahlreiche Biosynthesen, so dass alle Inhaltsstoffe der Nahrung auch fur den Baustoffwechsel eingesetzt werden konnen. Allerdings sind Proteine dafur von besonderer Bedeutung, da sie die einzige Quelle fur Aminosauren und Aminogruppen sind, die fur die Biosynthese korpereigener Proteine benotigt werden.

Chemische Kommunikation durch Hormone

Der Korper von Tieren besteht aus Dutzenden verschiedener Gewebe und enthalt mehrere hundert unterschiedlich spezialisierte Zellen. Wenn nicht ein heilloses Durcheinander entstehen soll, so mussen deren Funktionen dauernd aufeinander abgestimmt werden. Dafur stehen Tieren zwei Kommunikationssysteme zur Verfugung, das Nervensystem und das Hormonsystem. Nerven durchziehen den ganzen Korper und mit ihrer hohen Leitungsgeschwindigkeit erlauben sie eine rasche Informationsubertragung uber lange Strecken. Deshalb eignet sich das Nervensystem vor allem zur Steuerung von Bewegungen oder zur Verarbeitung von Sinnesreizen. Ein typisches Beispiel dafur ist die Reaktion auf Hitze. Beruhren wir mit der Hand eine heise Herdplatte, so registrieren Thermorezeptoren der Hand die hohe Temperatur, diese Information wird an das Zentralnervensystem weitergeleitet und von dort die Muskulatur des Arms erregt, so dass die Hand reflexartig zuruckgezogen wird.

Bewegung und ihre Steuerung

Muskeln arbeiten grundsatzlich unter zwei Bedingungen: einer optimalen Uberlappung der Sarkomerfilamente, was Sarkomerlangen von 2,6–1,8 μm entspricht (Strukturbedingung), einem optimalen Verhaltnis der Verkurzungsgeschwindigkeit von 0,15–0,4 der maximal moglichen (V/Vmax; Dynamikbedingung). Unter diesen beiden Voraussetzungen kann eine Muskelfaser ihre maximale mechanische Leistung erbringen.

Neurone und Zentralnervensysteme

Grundlegende Eigenschaften von Neuronen und Zentralnervensystemen werden in dem nachfolgenden Kapitel nur insoweit dargestellt, wie sie fur die Zielsetzung dieses Buches notwendig sind.

Gedächtnis und Lernen

Das Gehirn besteht aus einer unuberschaubaren Zahl flexibler Verschaltungsensembles, die Funktionen kontrollieren und Funktionszustande reprasentieren. Die Organisation der Netzwerke beruht auf einem angeborenen Bauplan von Kernen und Cortices, deren Verschaltungen untereinander und auf deren innerer Organisation in Kolumnen, topologischen Funktionskarten, Mustergeneratoren usw. Innerhalb dieses artspezifisch vorgegebenen Organisationsschemas herrscht jedoch erhebliche Flexibilitat. Der Grundbaustein „Neuron“ ist kein statisches, sondern ein dynamisches Element. Mit dem wechselnden Zustrom auserer Einflusse und dem Wechsel innerer Zustande verandern sich im Laufe einer Lebensgeschichte die Ausstattung von Synapsenmembranen mit Ionenkanalen und Rezeptoren. Die synaptischen Verknupfungsmuster von Neuronen konnen sich einengen, ganz aufgelost werden, oder aber sich auf zusatzliche Neurone ausweiten.