Michael Linkwitz

Circannuelle Rhythmen am Beispiel winterschlafender Säugetiere

Michael Linkwitz

Anpassungsmechanismen und neurobiologische Regulation

Zur Überwindung lebensfeindlicher Umweltbedingungen während der Wintermonate haben Organismen vielfältige Anpassungsstrategien entwickelt. Bei den Säugetieren findet sich eine besondere Strategie der Überwinterung: der Winterschlaf. Er setzt eine neuroendokrine Kontrolle voraus und hat grundlegende physiologische Umstellungen zur Folge.

Für die meisten Ektothermen stellt der Winter eine Zeit der Ruhe und Inaktivität dar. Ihre Körpertemperatur bzw. ihre Stoffwechselintensität ist unmittelbar von der Umgebungstemperatur abhängig, sodass sie durch die jahreszeitlich bedingten niedrigen Temperaturen in den gemäßigten und kühlen Klimazonen in eine Winterstarre fallen.
Endotherme, zu denen Vögel und Säugetiere gehören, haben dagegen eine endogene Wärmeregulation, bei der die Körpertemperatur auf einer bestimmten Norm zwischen 35 und 43 °C gehalten wird. Bei diesen Tieren ist daher der direkte Einfluss der Umgebungstemperatur auch während kalter Jahresperioden von geringerer Bedeutung. Für viele Arten kann jedoch in der kalten Jahreszeit ein limitiertes Nahrungsangebot existenzbedrohend sein, da die endogene Thermoregulation Energie erfordert. Im Laufe der Evolution entwickelten sich daher spezielle Überwinterungsstrategien. Bei einigen Vögeln und Säugetieren werden Reservestoffe im Körper eingelagert, die in Verbindung mit einer dichteren Körperbedeckung zur Verminderung der Wärmeabgabe über kritische Zeiten hinweghelfen sollen.
Unter den Säugetieren finden wir zudem eine besondere Strategie der Überwinterung, den Winterschlaf, der durch Reduktion des Stoffwechsels sowie Senkung der Atem- und Herzfrequenz und der Körpertemperatur auf Werte zwischen 1 °C und 5 °C charakterisiert ist (Opitz/Opitz 2016 in UB 411, Abb. 1 ). Er erfordert daher ein speziell adaptiertes Temperaturregulationssystem, das die Senkung der Körpertemperatur kontrolliert und auch noch bei niedrigen Außentemperaturen funktionsfähig bleibt.
Mit dem Zustand des Winterschlafes sind spezifische physiologische Veränderungen verbunden, die in ihrer Gesamtheit die Homöostase des Organismus auch während dieser Zeit aufrechterhalten. Hierzu gehört die Senkung der Atem- und Herzfrequenz auf Minimalwerte, die Reduktion des Stoffwechsels sowie spezielle biochemische Adaptationen. Das Resultat dieses sehr fein aufeinander abgestimmten Systems ist eine extreme Depression der basalen Stoffwechselrate, die zu einer Energieersparnis von bis zu 90% im Vergleich zum normothermen Zustand führt.
Die Auslösung des Winterschlafes wird durch endogene und exogene Faktoren gesteuert, die sich bei den meisten Winterschläfern in spezifischer Weise durchdringen. Nicht selten kann eine Korrelation zwischen einer ausschließlichen Auslösung durch endogene Faktoren und der geografischen Verbreitung der einzelnen Winterschläfer hergeleitet werden: In Gebieten mit sehr ausgeprägten jahreszeitlichen Temperaturamplituden scheinen sich die exogenen Faktoren genetisch manifestiert zu haben. In milderen Gebieten ist die Auslösung des Winterschlafes dagegen sehr viel stärker von äußeren Bedingungen abhängig.
Betrachtet man externe Stimuli als Zeitgeber, ergibt sich die Frage, wie die äußeren Reize in ein neurologisches Korrelat übersetzt werden. Bei den Vertebraten üben vermutlich zwei Zentren die Funktion des obersten circadianen Schrittmachers aus: das Pinealorgan, eine photorezeptive Ausstülpung des Zwischenhirndaches, und der SupraChiasmatische Nukleus (SCN), ein Kerngebiet oberhalb der in das Zwischenhirn eintretenden und sich dabei überkreuzenden Sehnerven (optisches Chiasma) (Dudel u.a. 1996).
Das Pinealorgan arbeitet als photoneuroendokrines Organ, indem es, mithilfe von Melatonin, das äußere Lichtsignal in ein inneres Hormonsignal umwandelt. Die Syntheserate von Melatonin ist bei Dunkelheit hoch und wird durch Licht gehemmt (= internes Dunkelsignal). Die Rolle des Pinealorgans als...

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aus: Unterricht Biologie Nr. 451 / 2020

Chronobiologie

Friedrich+ Kennzeichnung Unterricht (45-90 Min) Schuljahr 11-13