überleben in der Kälte endfassung - zoo-hannover.deb11584aa-cfc9-4a8a-9e24-32fdbd7bad... · Sachinformation Die tiefstmögliche Temperatur liegt bei 00 Kelvin oder -273,150C. Man

Zooschule Hannover

Zooschule Hannover

Überleben in der KälteUnterrichtsanregungen in Yukon BayArbeitshilfe Nr. 16.12

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung 2

Sachinformation 3

Wärmeerzeugung 4

Wärmeaufnahme 4

Wärmeabgabe 5

Isolation 6

Wärmeregulation 7

Unterrichtsanregungen 9

Pinguine - Überlebenskünstler im Meer 10

Haustiere als Wärmebilder 11

Eisbären überleben in der Kälte 12

Karibus überleben in der Kälte 13

Amurtiger überleben in der Kälte 14

Schneeeulen überleben in der Kälte 15

Timberwölfe überleben in der Kälte 16

Ohne Körperisolierung kann man nicht überleben 17

Wechselwarm oder gleichwarm? 18

Robben in Yukon Bay 19

Anleitung zur Auswertung von Wärmebildern 20

Wie fangen Robben Fische? 21

Eisbärfell - Lernen von der Natur 22

Grolan - Bären 23

Winterschlaf - Schwarzbären auf Sparflamme 24

Stoffwechselaktivität in Abhängigkeit von ... 25

Wölfe sind weit verbreitet 26

Lösungen 27

Literatur 32

Abbildungsnachweis 32

Impressum 33

Zooschule Hannover1

EinleitungEisbären sind durch die in den letzten Jahren auch

in der Arktis zu beobachtende Klimaerwärmung

ernsthaft in ihrer Existenz bedroht. Diese Aussage

erscheint zunächst einmal paradox. Denn für die

meisten Tiere ist eine langanhaltende Kälteperiode

der jährliche Härtetest, den bei weitem nicht alle

überstehen. Denn sie befinden sich im Winter oft in einer Zwickmühle, da einerseits die Nahrungs-beschaffung immer schwieriger wird bzw. gar nicht mehr möglich ist, und andererseits der Tempera-turfaktor sich dem Pessimum nähert. Somit würde

eine Klimaerwärmung vermeintlich den Selektions-druck vermindern und die Überlebenschancen er-höhen. Doch das ist, wie das Beispiel Eisbär zeigt, zu kurz gedacht. Obwohl die Bären hervorragend an extreme Kälte

angepasst sind und ihnen auch die Erwärmung an

sich wenig ausmacht, wird die Nahrungsbeschaf-fung in Form von Ringelrobben auf dem Meereis

aus besagten Gründen immer schwieriger, und den

Eisbären droht der Hungertod.

Zusammen mit Karibus, Präriehunden, Schnee-eulen, Rothörnchen, Kegelrobben, Kalifornischen

Seelöwen, Nördlichen Seebären, Waldbisons, Tim-berwölfen, Brillenpinguinen und weiteren Vogel-arten leben auch wieder drei männliche Eisbären

im Erlebnis-Zoo Hannover. Seit der Eröffnung von

Yukon Bay, der Erlebniswelt, in der Tiere der „Kalten

Zone“ gehalten werden, sind sie ein magischer Anziehungspunkt für Besucher und der Anlass für diese Arbeitshilfe.

Der Tierbestand und die Art der Präsentation er-möglichen in einer faszinierenden Weise die grund-legenden Überlebensstrategien am lebenden Objekt zu beobachten, wie es im Freiland so kaum möglich

wäre. Wie die obige Aufzählung schon deutlich macht, sind nur die Angepasstheiten und Überlebens-strategien von gleichwarmen !homoiothermen" Tieren Gegenstand dieses Themenheftes. Wo es aus

didaktischen Gründen sinnvoll ist, werden jedoch

auch wechselwarme !poikilotherme" Tiere und Tiere

anderer Erlebniswelten mit einbezogen.

Faszinieren die jüngeren Schüler vor allem die er-staunlichen Phänomene dieser Überlebenskünstler in der Kälte, lassen sich mit älteren Schülern viele

ökologische, stoffwechselphysiologische und evo-lutionsbiologische Aspekte an dieser Thematik

erarbeiten.

Stehen in diesen Lehrwerken die Auswertung von

Graphiken, Tabellen und Informationstexten im

Vordergrund, soll dies im Zoo anders sein. Das

lebende Tier wird in den Fokus gerückt, sodass

entdeckendes Lernen und Naturerfahrung ungefil-tert möglich sind. Das kann ganz ohne zusätzliche

Materialien erfolgen. In diesem Fall mag dennoch

die Sachinformation des Themenheftes hilfreich

sein. Entsprechender Unterricht vor Ort kann auch

mit Hilfe der Unterrichtsanregungen auf den Seiten

10 bis 17 vor Ort erfolgen. Die übrigen Anregungen

sind eher während der Vor- oder Nachbereitung

eines Zoobesuches einsetzbar. Sie zeigen das weite

Kompetenzspektrum auf, das am Beispiel der Tiere

in extremen Lebensbedingungen aufgebaut werden

kann.

Die Durchführung eines Unterrichtsgangs zum

Thema „Überleben in der Kälte“ und die Bearbei-tung der im weiteren Verlauf aufgezeigten Mate-rialien ist zu allen Jahreszeiten möglich. Dennoch

ist es aus nahe liegenden Gründen besonders ein-drucksvoll, wenn dies auch in der kalten Jahres-zeit geschieht.

Zooschule Hannover2

SachinformationDie tiefstmögliche Temperatur liegt bei 00 Kelvin

oder -273,150C. Man bezeichnet sie als den abso-luten Nullpunkt. Dieser Zustand liegt dann vor, wenn

alle Atome ohne Bewegung sind. Selbst solche

Temperaturen, die vielleicht im Weltall erreicht werden, können manche Lebewesen - wie das

Bärtierchen - überleben, indem sie in eine Kälte-starre fallen. Die kältesten Temperaturen, die

Säugetiere und Vögel überleben, liegen weitaus

höher. Verbürgt sind -800C bei Eisfüchsen und

Eisbären. Da die tiefsten Temperaturen, die bisher jemals auf der Erde gemessen wurden, bei - 890C

liegen, sind hinsichtlich

des Faktors Temperatur nahezu alle Gebiete der Erde potentiell bewohn-bar. Solche Temperaturen

überleben nur diejenigen

Tiere, die sowohl über be-sondere Angepasstheiten

!Adaptiertheit als Ergebnis

eines langen Evolutions-prozesses" als auch über eine ausreichende indivi-duelle Fitness !Modifika-tion" verfügen. Der daraus

resultierende Existenz-bereich !Reaktionsnorm"

bezüglich des abiotischen

Faktors Kälte ist also nicht nur genetisch festgelegt, sondern kann durch Schwächung des Körpers eine

oft dramatische Einengung erfahren. Neben Para-siten, Krankheiten oder Verletzungen resultiert die

Schwächung des Körpers in den meisten Fällen aus

dem Nahrungsmangel. Wenn Tiere erfrieren, ist die wahre Todesursache oft das Verhungern. So

ist es auch beim eingangs erwähnten Beispiel Eisbär, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Kälte ist am besten beschreibbar als das Fehlen

von Wärme. Der zweite Hauptsatz der Thermo-dynamik besagt, dass ein Wärmeübergang immer nur von der warmen zur kalten Seite erfolgen kann. Der so genannte Wärmestrom ist immer in Rich-tung des Temperaturgradienten gerichtet. Kälte

kommt nicht, sondern Wärme geht. [1]Durch permanente Wärmeproduktion weist das

Körperinnere von gleichwarmen Tieren in der Regel eine höhere Temperatur auf als seine Umgebung. Diese ist notwendig für einen effektiven Ablauf der Stoffwechselprozesse und dient als Bezugspunkt für den nach außen gerichteten Temperaturgradien-ten. Die Temperatur im Wärmekern kann von Säu-getiere und Vögeln unabhängig von der Außen-temperatur nahezu konstant gehalten werden. Aus-nahmen, wie das Schnabeltier oder einige sehr kleine

Formen wie Spitzmäuse, bestätigen hier die Regel. Je größer der Temperaturgradient von Innen nach

Außen ist, desto größer sollte der Wärmestrom

sein, und desto höher die Energieverluste eines

Tieres.

Abb. 1: Grundlegende Einflussgrößen des Wärmehaushaltes

Bei einer gegebenen, kalten Außentemperatur ist das

Überleben eines Tieres modellhaft abhängig von

folgenden Größen s. Abb 1.

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Zusammengefasst kann man sagen: Die Körper-wärme ist abhängig von der Wärmeproduktion

durch Stoffwechselprozesse + der Wärmeaufnahme

aus externen Quellen - der Wärmeabgabe an die

Umgebung. [6]

Gleichwarme Lebewesen können ihre normalen

Körperfunktionen auf Dauer nur aufrecht erhalten, wenn es ihnen gelingt, diese Faktoren im Gleich-gewicht zu halten !Homöostase". [4] [6]

WärmeerzeugungJede lebende Zelle ist an der Wärmeproduktion des

Körpers beteiligt. Da dies in erster Linie von ihrer Stoffwechselaktivität abhängt, können verschiedene

Produktionszentren unterschieden werden. In Ruhe, also beim Grundumsatz, produzieren die inneren

Organe, besonders die Leber, 50 % der Gesamt-wärme. Mit ca. 20 % ist das Gehirns beteiligt, wei-tere 20 % tragen die Muskeln bei und ca. 10 % ent-fallen auf die Knochen und die restlichen Organe.

Abb 2. Modellhafter Bau einer braunen Fettzelle

Im Leistungsumsatz, also bei körperlicher Belas-tung, produzieren die Muskeln die größte Wärme-menge, denn nur ein geringer Teil der aufgenom-menen Energie wird in körperliche Arbeit umge-setzt. Bei sehr großen Anstrengungen kann die

Wärmeproduktion durch die Muskeln sprunghaft auf ein Vielfaches des Ruhewerts ansteigen und macht dann mehr als 90% der gesamten Wärme aus. Wenn

die Körpertemperatur den Sollwert unterschreitet, machen sich Tiere diesen Effekt durch Muskel-zittern zu Nutze. Der zweite, sehr effektive Mecha-nismus um die Körpertemperatur durch Erhöhung

der Wärmeproduktion zu steigern, ist die chemi-sche Thermogenese durch Aktivierung von braunen

Fettzellen.Diese sind zentralnervös innerviert, so-

dass die reichlich vorhandenen Mitochondrien sehr schnell aktiviert werden können. Diese verstoff-wechseln das in kleinen Tröpfchen vorliegende Fett ohne ATP-Gewinn allein zum Zweck der Wärme-produktion. Die Wärme wird mit dem Blut im Kör-per verteilt. [8] [2]Die Energie zur Aufrechterhaltung der Wärmepro-duktion stammt in beiden Fällen aus der Nahrung. Die Möglichkeit einer kontinuierlichen Nahrungs-beschaffung bzw. die Fähigkeit Nährstoffe in großen

Mengen zu speichern, ist eine unbedingten Not-wendigkeit für Tiere, die längere Zeit in kalten

Gebieten aktiv sind.

WärmeaufnahmeDie Fähigkeit Licht an der Körperoberfläche zu ab-sorbieren und in Wärmestrahlung umzuwandeln, hängt in erster Linie von dessen Farbe und Rauh-igkeit ab. Demnach müssten alle Lebewesen in

kalten Gebieten eine rauhe, schwarze Körperbe-deckung aufweisen, um den Anteil des reflektier-ten Lichts !Albedo" zu minimieren und damit den

Anteil der Wärmestrahlung zu maximieren. Den-noch sind die meisten extrem arktischen gleich-warmen Lebewesen weiß und haben eine glatte

Körperoberfläche. Dies kann nur bedeuten, dass

die Möglichkeiten für Gleichwarme, einen nach

innen geleiteten Wärmestrom zu erzeugen, ver-hältnismäßig gering sind. Die Isolation des Körpers

!s.u.", die Auffälligkeit der dunklen Farbe und der in der kalten Jahreszeit gegebene Lichtmangel !Po-larnacht" dürften die wesentlichen Gründe hierfür sein. Thermoregulatorisches Verhalten, wie es für wechselwarme Tiere existenziell notwendig ist,

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kann bei gleichwarmen Tieren folglich deutlich

weniger beobachtet werden. Es ist eventuell bei Pinguinen nachweisbar, doch dürften die Effekte der Gegenkontrastierung im offenen Meer wesentlich

größere Effekte haben als eine gezielte Ausrichtung

heller bzw. dunkler Körperpartien zu Sonne. Wahrscheinlich ist es falsch, dass Eisbären das

Problem einer möglichst hohen Wärmeaufnahme

einerseits und einer möglichst effektiven Tarnung

auf dem Eis andererseits perfekt gelöst hätten. Sie können aber wahrscheinlich keine Lichtstrahlen

Abb 3. Glasfaserhypothese des Eisbärenfells

wie durch ein Glasfaserkabel durch ihre hohlen Haare

auf die schwarze Haut leiten !Glasfaserhypothese

s. Abb 3". Eine Lichtabsorption im Verborgenen

gelingt deshalb wahrscheinlich nicht. Sie konnte

experimentell nicht nachgewiesen werden. Thermo-grafische Bilder zeigen , dass das Fell Eisbären so

gut isoliert, dass sie kaum Wärme abgeben. Eisbären

können auf diese Weise aus der Luft praktisch nicht detektiert werden. Das erschwert die Abschätzung

ihrer Populationsgröße erheblich. Sicher tragen die

Luftpolster zwischen und in den hohlen Haaren zu

der nahezu perfekten Körperisolierung bei. Dass

die Haut schwarz ist, gibt dennoch zu denken. [8]

WärmeabgabeWärmeverluste erfolgen über alle inneren und

äußeren Oberflächen eines Tieres sowie durch

Wärmetransporte aus dem Körperinneren an die

Peripherie. Die daran beteiligten Prozesse sind:

1. Wärmestrahlung: Aussendung von elektromag-netischer Strahlung im Infrarotbereich !10-7 -

10-5 m". Die Größe der Wärmeabstrahlung hängt direkt von der Größe der Oberfläche und der Temperaturdifferenz ab.

2. Konvektion !Wärmemitführung": Form der Wär-meabgabe, bei dem der Wärmetransport zu-sammen mit einem tragenden Medium erfolgt. Mit dem Blutstrom gelangt Wärme aus dem Kör-perkern in die Körperschale, mit dem Wind oder Wasser wird sie von der Körperoberfläche weg

getragen.

3. Verdunstung: Die Verdampfungswärme, die bei der Verdunstung von Wasser abgegeben wird, entzieht dem Körper Wärme. Sie erfolgt z.B. über Schweiß oder die Atemluft und kann durch

Steigerung der Intensität geregelt werden.

4. Konduktion !Wärmeleitung": An der Kontakt-fläche zwischen unterschiedlich warmen Körpern

erfolgt ein Wärmefluss. Diese Form des Wärme-transportes, auch Wärmediffusion genannt, erfolgt ohne Stofftransport. Seine Größe wird

nach dem Fourierschen Gesetz im wesentlichen

von der Wärmeleitfähigkeit der daran betei-ligten Stoffe, der zu überbrückenden Haut-dicke und der Temperaturdifferenz innen /außen bestimmt. Sie erfolgt immer in Rich-tung der geringeren Temperatur.

Beispiele für Wärmeleitfähigkeiten in J/cm x s:# # Luft: 0,05# # Federn: 0,05# # Fell: 0,06# # Fett: 0,4# # Muskulatur: 1,1# # Wasser: 1,4# # Eis: 6,0# # Silber: 1000

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5. Mit Kot und Urin gelangt ebenfalls Wärme aus

dem Körper. Da diese Exkretions- bzw. Stoff-wechselentprodukte aus dem Körperinneren

stammen und entsprechend warm sind, führt ihre Ausscheidung zu Wärmeverlusten.

IsolationTiere in kalten Zonen zeigen im Modell bezüglich

der Isolation viele Parallelen mit Thermoskannen:

Sie können Wärmeverluste nicht völlig vermeiden. Je dicker die Isolierschicht ist, desto besser

# ist der Schutz vor Wärmeverlust. Größere Thermoskannen kühlen langsamer ab

# als kleinere. Sie haben eine möglichst kleine äußere Ober-

# fläche ohne Griffe etc. Die Idealform ist die Kugel, da sie bezüglich

# eines gegeben Volumens die kleinste Oberfläche

# besitzt.

Man kann eine Thermosflasche als Ergebnis der bionischen Forschung begreifen, da sie im Tierreich

verwirklichte Prinzipien technisch aufgreift. Die

geringe Leitfähigkeit von Fett und Luft ist die

Grundlage des Konstruktionsprinzips der Haut, das

Tiere in kalten Zonen anwenden. Erreicht werden

soll eine möglichst gute Körperdämmung, d.h. der Verlust von Wärmeenergie nach außen soll mög-lichst weit reduziert werden.So besitzen meeresbewohnende Säugetiere ein mit der Außenhaut verwachsenes Unterhautfettgewebe, das auch Blubber genannt wird. Dieser kann über 50 cm dick werden und begrenzt den Wärmestrom

in kalter Luft und im kalten Wasser gleichermaßen

27Schulbiologiezentrum Hannover

Literaturverzeichnis

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Bezzel, Einhard: Kompendium der Vögel Mitteleuropas. Aula-Verlag Wiesbaden 1985

Bezzel, Einhard: Mein Hobby: Vögel beobachten. BLV München 1982

Bezzel, Einhard: Ornithologie. Verlag Eugen Ulmer Stutt-gart 1977

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mann Verlag München Deterts, Dorothea et. al. (Hrsg.): Federn kitzeln die Sin-

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Herzog, Karl: Anatomie und Flugbiologie der Vögel. G. Fischer Verlag Stuttgart 1968

Nachtigall, Werner: Warum die Vögel fl iegen. Rasch und Röhring Verlag Hamburg – Zürich 1985

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Peterson, Roger et. al.: Die Vögel Europas. Verlag Paul Parey Hamburg und Berlin 1968

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Abbildungsnachweis

Helge Reinhardt, FreiburgHelge Reinhardt, FreiburgHelge Reinhardt, FreiburgMarek Szczepanek, GNU Free Documentation licenseHelge Reinhardt, FreiburgHelge Reinhardt, FreiburgThermos, March 2007, GNU Free Documentation licenseAlastair Rae, June 2003, Finland, Creative Commons licenseHelge Reinhardt, FreiburgWerner George, Köln

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Abb 4 Wärmeisolation bei der Kegelrobbe

wirkungsvoll. Je dicker die Fettschicht ist, desto ef-fektiver wirkt sie. Da viele Tiere zum Winter eine

Fettschicht aufbauen, erreichen sie neben dem

Isolationseffekt auch eine wirksame Nahrungs-speicherung. Sie gehören folglich eher zu den

größeren Tieren und besitzen meist kein langes Fell. An der Luft noch wirkungsvoller sind ein langes, dichtes Fell oder ein dichtes Federkleid. Das Prinzip

hierbei ist, die Luft zwischen den Haaren möglichst unbeweglich zu machen und so vor allem eine Kon-vektion zu verhindern. Schnee bleibt so auf den

Waldbisons liegen, weil die Wärmeleitung zu ge-ring ist, um ihn zu schmelzen. Ein Effekt, den man

in kalten Wintern bei Menschen an Barthaaren beob-achten kann. [1][2] [3]

Abb 5 Wärmeisolation beim Waldbison !ohne Unterwolle"

Für die isolierende Wirkung sind dabei weniger die

langen Grannenhaaren verantwortlich, die die Fell-färbung bewirken, sondern die sogenannte Unter-wolle. Diese besteht aus wesentlich mehr feinen

Haaren und ist von Außen nicht sichtbar. Ein ana-loges Prinzip weist das Federkleid der Vögel in Form

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von Deckfedern und darunter liegenden Daunen-federn auf. [5]

Wenn diese Körperbedeckungen jedoch nass wer-den, wird die isolierende Luftschicht verdrängt und die Isolationswirkung sinkt um den Faktor 25. Es sei denn, sie sind so dicht wie bei Pingu-inen oder beim nördlichen Seebären. Dessen Pelz

ist mit ca. 25000 Haaren pro Quadratzentimeter praktisch wasserundurchlässig, sodass die Luft-schicht zwischen den Haaren erhalten bleibt. Beobachtet man die Tiere unter Wasser, was im Zoo

sehr gut möglich ist, perlen Luftblasen bei den

tauchenden Tieren hoch, was erahnen lässt, wie

groß der gesamte Luftvorrat im Fell bzw. Federkleid

ist. Der Effekt wird noch verbessert, indem die Haut-strukturen eingefettet werden und so wasserab-weisend sind. Der Isolationseffekt hängt darüber hinaus auch von

der Länge der Haare ab. Kältespezialisten weisen

deshalb Haarlängen von deutlich über 5 cm auf. Sehr kleinen Formen fehlt aus nahe liegenden Gründen

diese Möglichkeit. Sie weisen andere Angepasst-heiten z.B. ethologische Spezialisierungen auf.

Abb 6 Isolationsfähigkeit in Abhängigkeit von der Felllänge

Die wichtigsten ökologische Regeln in diesem Zu-sammenhang sind :

Bergmannsche Regel !Größenregel": Gleichwarme

Tiere einer Art oder eines Verwandtenkreises

sind in kälteren Gebieten größer als in wärmeren

Gebieten.Allensche Regel !Proportionsregel": Gleichwar-me Tiere einer Art oder eines Verwandtenkreises

besitzen in kälteren Gebieten relativ kürzere

Körperanhänge als in wärmeren Gebieten.Renschsche Regel: Säugetiere einer Art oder ei-nes Verwandtschaftskreises besitzen in kälteren

Gebieten mehr und längere Grannenhaare als

in wärmeren Gebieten. Hessesche Regel !Herz-Gewichts-Regel": Gleich-warme Tiere einer Art oder eines Verwandt-schaftskreises besitzen in kälteren Gebieten

durchschnittlich ein größeres Herzgewicht bzw. Herzvolumen als in wärmeren Gebieten.

Die biologischen Hintergründe der Regeln sind

auch für Schüler relativ leicht zu erschließen:Die ersten drei Regeln zielen auf die Reduzierung

der Wärmeabgabe in kälteren Gebieten, während

die letzte Regel die Tendenz zu einem schnelleren

Wärmetransport im Körper aufzeigt. Sie sind hinrei-chend in biologischen Lehrbüchern dargestellt. [11]

WärmeregulationKein gleichwarmes Tier lebt permanent in kalten

Regionen, sodass es in wärmeren Jahresabschnitten

oder Lebensphasen vor dem Problem steht, über-flüssige Wärme nach außen abzuführen. Die Pro-blematik in sehr kalten Phasen ist entsprechend

umgekehrt. Notwendig sind fein regulierbare Sys-teme, die das innere Milieu konstant erhalten, d.h. Unterkühlungen und Überhitzungen vermeiden. Im Laufe der Evolution haben sich viele Mechanis-men bewährt:

1. Änderung des BlutstromesEine perfekte Lösung haben die Robben gefunden. Sie besitzen in der Peripherie des Körpers Blutge-fäße, die sie bei Bedarf verengen !Vasokonstriktion" oder weiten !Vasodilation" können. Somit kann

die Durchblutung nach Außen fein geregelt werden

und damit entsprechend auch die Wärmeabfuhr. Dies geschieht nicht überall an der Haut, sondern

nur an bestimmten zentralen Stellen, die als Wär-

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mefenster bezeichnet werden. Dort stehen zwei Durchblutungssysteme zur Verfügung. Der Rück-transport des Blutes erfolgt in warmer Umgebung

über sogenannte Hautvenen, über die viel Wärme

abgeführt werden kann. In kalter Umgebung da-gegen wird auf tiefer gelegene Venen umgeschaltet, die dicht neben den zuleitenden Arterien verlau-fen. Nach dem Gegenstromprinzip entzieht das

abgekühlte Blut dieser Venen dem Blut der Arterien

schon viel von seiner Wärme und gelangt so vor-gewärmt in den Wärmekern des Tieres. Das arte-rielle Blut erreicht, nun deutlich abgekühlt, die

oberflächennahen Bereiche. Die Wärmeabgabe wird

so miniminert. Deshalb können Robben auf dem

Eis liegen, ohne einzuschmelzen. Auch Pinguine

und Timberwölfe lassen auf diese Wiese exponierte

Körperteile, wie Füße/Pfoten abkühlen, sodass sie

kaum Wärme über sie verlieren.

2. FellwechselSäugetiere, die im Winter ein dichtes Winterfell ausbilden, wechseln dieses periodisch mit Beginn

der wärmeren Jahreszeit zugunsten eines kürzeren

Sommerfells. Vögel mausern sich entsprechend. Die Regulationsmöglichkeiten sind bei ihnen folg-lich deutlich geringer.

3. Haare aufrichtenDas Aufrichten von Haaren- bzw. Federn erhöht die Isolationswirkung, da mehr Luft festgehalten

wird. Als Rudiment ist diese Möglichkeit beim

Menschen noch vorhanden. Das Ergebnis wird

als Gänsehaut bezeichnet. Vögel erreichen diesen

Effekt durch Aufplustern des Gefieders.

4. Erhöhung der WärmeproduktionDas kann durch erhöhte Aktivitäten, Kältezittern

und Fettverbrennung !s.o." erreicht werden.

5. Steigerung der VerdunstungSchwitzen können nur wenige Tiergruppen, vor allem die Primaten. Viele Säugetiere und Vögel hecheln und erzeugen so die Verdunstungskälte. Manche befeuchten ihre Beine mit Exkrementen

!z.B. Störche".

6. AkklimatisationParallel zu Temperaturveränderungen finden phy-siologische Veränderungen im Körper statt, die zu

einer Adaption an die veränderten Bedingungen

führen. So nehmen wir eine kühle Temperatur zu

Beginn des Winters deutlich kälter wahr, als die

gleiche im Frühling. Viele Tiere aus tropischen

Gebieten können sich durch Akklimatisation im

Herbst an die kalten Wintertemperaturen anpassen.

7. Thermoregulatorisches VerhaltenOft reichen schon kleine Verhaltensweisen aus, um

den gewünschten regulierenden Effekt zu erzielen: Veränderung der Exposition zur Sonne, Aufsuchen

eines Schattenplatzes, ein kühlendes Bad, Einrollen

bzw. kleiner machen u.s.w. Doch wenn diese Maß-nahmen nicht greifen, ändert sich das Verhalten

der Tiere sehr. Beispiele, die Tiere aus Yukon Bay

betreffen, sind:

Rückzug unter die Erde/ unter die SchneedeckeLemminge und Schwarzschwanz-Präriehunde

legen umfangreiche Bauen an, die sie auspols-tern. Tief unter der Erde ist es im Winter deutlich

wärmer als an der Erdoberfläche.

Tier-WanderungenWaldbisons suchen im Winter regelmäßig tie-fer gelegene Täler oder wärmere Gebiete auf.

Vogelzug: Zwerg-Kanadagänse ziehen periodisch zwischenihren Brutgebieten im Nodern und den Über-winterungsgebieten im Süden.Schneeeulen ziehen nicht regelmäßig, sondernweichen vor extremer Kälte kurzfristig in wär-mere Gebiete aus, es sind Strichvögel.

Winterruhe: Rothörnchen reduzieren im Freiland ihren Stoff-wechsel, verlangsamen die Herzschlagfrequenz, senken jedoch die Körpertemperatur kaum ab. Sie fressen in bestimmten Abständen aus Nah-rungsdpots.

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Winterschlaf: Weißschwanz-Präriehunde halten einen langen

Winterschlaf. Ihre Körpertemperatur fällt nahe-zu die Umgebungstemperatur ab, nie jedoch

auf 0 0C. Wärmeproduktion und Wärmeabgabe

werden minimiert und die Tiere können so ein

halbes Jahr von angefressenen Fettdepots leben. Kurze, periodisch auftretende Aufheizphasen

dienen u. a. der Stärkung des Immunsystems.Die Schwarzschwanz-Präriehunde, die im Zoo

gehalten werden, sind ganzjährig aktiv. Sie le-ben im Freiland teilweise von eingebrachten Fut-tervorräten. [1] [2] [7] [11]

Unterrichtsanregungen

Wir können Temperaturen nur über die Haut direkt wahrnehmen. Man muss also Tiere anfassen, um

ihre Wärme zu spüren. Dies ist in der Erlebniswelt Yukon Bay jedoch nicht möglich. Als Ersatz kann

man auf andere Tiere ausweichen. Geeignet sind

hierfür:

Vögel: Rosapelikan !Huhn" Säugetiere: Tiere der Streichelwiese !Schaf, Meerschwein"Wechselwarme Tiere !Bartagame, Königsphyton, verschiedene Insektenarten"

Die geklammerten Arten können nur in Absprache

mit der Zooschule berührt werden.Temperaturmessungen sind im Prinzip mit Infrarot-Thermometern und Wärmebildkameras möglich. Die Schwäche beider Methoden ist, dass man sehr nahe an die Tiere herankommen muss um verwert-

bare Ergebnisse zu erzielen. Infrarot-Thermometer sind in der Leihstelle des Schulbiologiezentrums

ausleihbar. Ihr Einsatz lohnt besonders bei Haus-tieren. Wärmebildkameras sind allein schon auf-grund der hohen Kosten nicht für die Hände von

Schülern geeignet. Deshalb werden entsprechende

Abbildungen zur Verfügung gestellt. Weitere lassen

sich zur Auswertung in der Schule von der Home-page der Zooschule downloaden.Körperformen verraten viel über die Angepasst-heiten der Tiere. Allein durch genaues Beobachten

sind wesentliche Körpermerkmale erkennbar, die

den Tieren ein Überleben in der Kälte sichern. Be-sonders geeignete Arten hierfür sind:

EisbärKaribuSchneeuleTimber-Wolf

Sehr reizvoll ist es auch die Isolierungsmethoden

der Tiere genauer zu erfassen:

Isolation durch Fett !Seelöwe, Kegelrobbe"Isolation durch Luft !Schneeeule, Karibu, Bison"Doppelte Isolation !Pinguin, Seebär, Eisbär"Rückzug unter die Erde !Präriehunde"

Die Themen, die in den älteren Klassenstufen re-levant sind, lassen sich nur anhand von weiteren

Informationen mit Hilfe von Arbeitsblättern darstel-len. Diese greifen ökologische, sinnesphysiolo-gische, genetische, stoffwechselphysiologische und

evolutionsbiologische Themen auf. Wichtige Problemfelder der Biologie sind z.B. Klima-erwärmung, nachhaltige Entwicklung, Methoden, z.B. Arbeit mit Wärmebildern, oder Forschungs-felder, wie das der Bionik werden an diesem

Beispiel deutlich gemacht.

Die Mitarbeiter der Zooschule wünschen viel Freude

mit diesem neuen Themenheft. Über Kritik und

Anregungen würden wir uns sehr freuen.

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Brillenpinguine - Überlebenskünstler im Meer

Gehe vor das Gehege der Brillenpinguine und schaue dir die Tiere genau an.

Male die Zeichnung des Pinguins farbig aus.

Erkläre die Vorteile der Körperzeichnung des Pinguins in eigenen Worten.

Zusatzmaterial: An den Stellen, die mit roten Strichen markiert sind, wurden Temperaturen bei einem

Pinguin, der auf Eis steht gemessen. Leider sind die folgenden Messwerte durcheinander gekommen: 3 0C, 120C, 200C, 380C.

Ordne die Temperaturen den markierten Körperstellen zu und begründe deine Entscheidung.














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Haustiere als Wärmebilder

Die Bilder zeigen dir durch die Farben an wie warm die Tiere an ihrer Oberfläche sind und damit auch, an welchen Stellen sie die meiste Wärme an die kalte Umgebung verlieren.

Gehe vor die Gehege der Tiere und schreibe die Namen der Haustiere unter die Abbildungen.

Bestimme, welches Tier am meisten Wärme abgibt und welches am wenigsten.

Nenne die Körperteile, an denen die Tiere am meisten Wärme verlieren, und beobachte, warum

das so ist.


Eisbären überleben in der Kälte

Gehe vor das Gehege der Eisbären und schaue dir die Tiere genau an.

Kreise auf dem Foto die Körperstellen ein, an denen du besondere Merkmale der Bären beobachtet hast, die ihnen das Überleben in der Kälte ermöglichen.

Fülle dann die folgende Tabelle aus, indem du zunächst die Merkmale nennst und dann ihre Bedeutung.

Merkmal (beobachtet) Wirkung (Erklärung/Vermutung)


Karibus überleben in der Kälte

Gehe vor das Gehege der Karibus und schaue dir die Tiere genau an.

Kreise auf dem Foto die Körperstellen ein, an denen du besondere Merkmale der Karibus beobachtet hast, die ihnen das Überleben in der Kälte ermöglichen.

Fülle dann die folgende Tabelle aus, indem du zunächst die Merkmale nennst und dann ihre Wirkung.



Amurtiger überleben in der Kälte

Gehe vor das Gehege der Tiger und schaue dir die Tiere genau an.Kreise auf dem Foto die Körperstellen ein, an denen du besondere Merkmale des Tigers beobachtet hast, die der Raubkatze das Überleben in der Kälte ermöglichen.Fülle dann die folgende Tabelle aus, indem du zunächst die Merkmale nennst und dann ihre Wirkung.



Schneeeulen überleben in der Kälte

Gehe vor das Gehege der Schneeeulen und schaue dir die Tiere genau an.Kreise auf dem Foto die Körperstellen ein, an denen du besondere Merkmale der Vögel beobachtet hast, die ihnen das Überleben in der Kälte ermöglichen.

Fülle dann die folgende Tabelle aus, indem du zunächst die Merkmale nennst und dann ihre Wirkung.



Timberwölfe überleben in der Kälte

Gehe vor das Gehege der Timberwölfe und schaue dir die Tiere genau an.Kreise auf dem Foto die Körperstellen ein, an denen du besondere Merkmale des Wolfes beobachtet hast, die ihm ein Überleben als Hetzjäger ermöglichen.Fülle dann die Tabelle aus, indem du erst die Merkmale nennst und dann ihre Bedeutung.

Merkmal (beobachtet) Bedeutung (Erklärung/Vermutung)


Ohne Körperisolierung kann man in der Kälte nicht überleben

Alle Tiere auf Yukon Bay haben besondere Körpermerkmale und Verhaltensweisen entwickelt, die ihnen

das Überleben in der kalten Zone ermöglichen. Alle verringern die Abgabe von Körperwärme durch

eine möglichst gute Isolierung ihrer Körperoberfläche. Die Isolierung erfolgt bei einigen Tieren durch Fett, das in die Unterhaut eingelagert wird !Blubber", andere bilden eine Schutzschicht aus Federn !Vögel" bzw. Haaren !Säugetiere" aus, die viel Luft einschließen und so die Auskühlung des Körpers verringern. Manche Tiere haben sogar beide Isolie-rungsmöglichkeiten verwirklicht !s. Titelzeile der Tabelle".

Aufgaben:

! Gehe durch die Erlebniswelt Yukon Bay und schaue dir alle Tiere an. ! (Eisbären, Robben und Pinguine siehst du dir am besten aus dem Inneren des Schiffes an)

! Bestimme wie sich jede Art vor Wärmeverlust isoliert und trage deine Beobachtung in einer der ! Spalten der Tabelle ein.

! Begründe die Isolierungsmethode der Tiere, die nur an Land leben!

! Erkläre, welche Tiere sich optimal vor Kälte schützen!

Fell / Federn Fett Fett und Fell / Federn


Wechselwarm oder gleichwarm?

Die Wärmebilder zeigen, wie stark die Wärmeabgabe über die Haut der Tiere ist. Die Temperaturen

kannst du in der Skala auf der rechten Seite der Bilder ablesen.

Schreibe die Namen der Tiere unter die Abbildungen.

Kennzeichne in den Kästchen die gleichwarmen Tiere mit einem G und die wechselwarmen Tiere

mit einem K.

Gib an, welche 2 Tiere am meisten Wärme abgeben, und welche 2 am wenigsten.

Erläutere deine Beobachtungen.


Anleitung zur Auswertung von WärmebildernDie Thermokamera ist ein Messgerät, mit dem berührungslos Temperaturen von Oberflächen erfasst werden können. Sie nimmt nicht das mit bloßem Auge sichtbare Licht, sondern Infrarotstrahlung auf und wandelt diese in ein Wärmebild um. Dabei wird jeder Temperatur eine Farbe zugeordnet. Anhand

dieser Farbe kann man mithilfe einer Skala, die hier rechts der Abbildungen angeordnet ist, die Temperatur an der Tieroberfläche genau bestimmen. Die Farbgebung verläuft dabei von schwarz !kälteste Temperatur" über die Farben des Regenbogens zu weiß !höchste Temperatur". Der Messbereich und die Zuordnung

der Farben sind bei jedem Bild anders, d.h. mann kann Farben nicht von einem Bild auf ein anderes übertragen, sondern muss jedes mal neu ablesen.

Am Beispiel des Elefanten Nicolai wird eine Anleitung zur Auswertung von Wärmebildern gegeben:

Schritt 1: Bestimmung der TemperaturenNotiere dir als erstes die Umgebungstemperatur der Tiere. ! hier ungefähr +5oC "

Bestimme die durchschnittliche Temperatur an der Oberfläche der Tiere. ! hier ungefähr + 20oC "

Notiere die Stellen, die am wärmsten sind. !hier Augen, oberer Kopfbereich und Rüsselspitze mit jeweils + 25,5oC"Notiere die Stellen, die am kältesten sind. !hier Spitzen der Stoßzähne, Ohren mit rund + 5oC"

Schritt 2: Deutung der gefundenen ErgebnisseAnhand der Außentemperatur kannst du feststellen, dass die Aufnahme draußen im Winter aufgenommen wurde. Da

die Haut des Elefanten rund 15oC wärmer ist als die Außentempratur, handelt es sich um ein gleichwarmes Tier. Da der Temperaturunterschied recht hoch ist, kannst du aussagen, dass der Elefant sich vor Wärmeverlust nicht sehr wirksam

schützen kann. Es handelt sich wahrscheinlich um ein tropisches Tier. Die wärmsten Stellen lassen sich so erklären, dass in diesen Bereichen die geringste Isolationswirkung besteht !Auge", die Wärmeerzeugung durch Muskelbewegung sehr hoch ist !Rüssel" und die Durchblutung besonders hoch ist !Gehirn". Die kältesten Stellen lassen sich so erklären, dass diese Körperteile sehr exponiert sind und eine große Oberfläche

besitzen, über welche die Wärme abstrahlt !Ohren". Die blauen Bereiche an den Spitzen der Stoßzähne zeigen gut die dort angebrachten wärmeleitenden Metallkappen.

Werte nach dem Muster dieser Anleitung nun das recht Bild aus. Es zeigt eine Bartagame.

Viele weitere Wärmebilder findest du auf der Homepage der Zooschule -> Materialien -> Projekte


Wie fangen Robben Fische?

Robben jagen zu ganz unterschiedlichen Tages-

und Nachtzeiten und oftmals in Tiefen von über 30

Metern. Dennoch gehen sie selten hungrig schlafen: Selbst bei tiefster Dunkelheit gelingt es ihnen, ihre

Beute zielsicher zu orten. Aber wie?

Wissenschaftler der Universitäten Bochum und Bonn

konnten nun nachweisen, dass sich die Meeressäuger zumindest unter Laborbedingungen mit Hilfe ihrer Barthaare orientieren. Die Beutetiere hinterlassen

beim Schwimmen eine Strömungsspur, der die

Robben mit den sensiblen Haaren an ihrer Schnauze

über Distanzen von bis zu 40 Metern nachspüren können. Bisher nahmen Zoologen an, dass die Robben

sich hauptsächlich durch ihr passives Gehör in den Ozeanen orientieren - anders als beispielsweise

Zahnwale, die eine aktive Echoortung als Fernerkundungssystem nutzen.

„Henry“ und „Nick“ heißen die Robben, denen Guido Dehnhardt, Björn Mauck, Wolf Hanke und Horst Bleckmann ihre Erkenntnisse verdanken. Die Wissenschaftler setzten den Meeressäugern Kopfhörer und Augenklappen auf, um ihren Hör- und Sehsinn zu blockieren. Dann steuerten sie ein Miniatur-U-Boot etwa zehn Sekunden auf einem Zick-Zack-Kurs durch das Becken und schalteten dann den Motor ab. Danach machten sich „Henry“ und „Nick“ auf die Suche nach ihrer potentiellen Beute. Sobald sie

die Spur des U-Boots kreuzten, zeigte ein deutlicher Richtungswechsel in ihrem Schwimmverhalten, dass sie die Spur gefunden hatten und ihr jetzt folgten. Analysen von Video-Aufnahmen bestätigen, dass die Tiere die Richtung des U-Boots stets richtig bestimmten und jede kleine Kursänderung genau

verfolgten. In etwa 80 Prozent der Fälle wurden sie so fündig. Lief dagegen der Motor des U- Boots noch, wenn den Robben die Kopfhörer abgenommen wurden, orientierten sie sich am Klang und

schwammen direkt auf die Schallquelle zu. Die Orientierung erfolgt in der Realität multimodal, also

mit den Ohren, der Nase und den Barthaaren. Werden - wie im Experiment - die anderen Sinne aus-geschaltet, sind die Tiere aber auf ihre Barthaare !die Vibrissen" angewiesen: Mit abgeklebter Schnauze fanden sie das Miniatur-U-Boot nie.

forsch 3/2001 universität bonn, verändert

Aufgaben:

1. Erläutere die Experimente, mit denen man nachgewiesen hat, dass Robben Fische mit Hilfe ihrer Vibrissen verfolgen können.

2. Entscheide, ob man die Ergebnisse der Labor-Experimente auf die Situation in Meeren übertragen

kann.

3. Nenne weitere Körpermerkmale der Robben, die sie zu sehr erfolgreichen Fischjägern machen.


Robben in Yukon-Bay

Im neuen Gehege leben drei Arten von Wasserraubtieren zusammen in einem Gehege, das der Situation

im Meer sehr nahe kommt. Folglich sind die Beobachtungsmöglichkeiten anders als früher.

Kalifornischer Seelöwe Nördlicher Seebär Kegelrobbe

Erkennungsmerkmale?

Fortbewegung an Land ?

Fortbewegung im Wasser?

Hauptaufenthaltsort im Gehege?

Vermute, warum die Robben in der Natur nicht zusammenleben.

Erläutere, welche Probleme sich daraus für den Zoo ergeben.


Eisbärfell - Lernen von der Natur

Schüler der Wilhelm-Raabe-Schule, Hannover haben mit einfachen Mit-teln aus kurzen Plastikschläuchen

und einem schwarzen Brett ein Mo-dell von einem Eisbärenfell gebaut !siehe Abbildung". Daran wollten sie jedoch nicht zeigen, wie sich das Tier optimal vor Kälte

schützt. Es stellt vielmehr einen Ent-wurf für eine Fassade dar, mit deren

Hilfe die Heizkosten eines so ausge-statteten Hauses deutlich verringert werden könnten. Dies ist ein Beispiel dafür, wie für technische Anwendungen Prinzipien

aus der Natur abgeleitet werden. Die Forschungsrichtung, die sich damit beschäftigt, heißt Bionik.

Aufgaben:

1. Beschreibe anhand der Abbildung den Aufbau des Modells eines Eisbärenfells.

2. Erläutere die Funktion der einzelnen Bestandteile.

3. Erkläre die physikalischen und biologischen Hintergründe, die zu dieser optimalen Form eines Fells

geführt haben.

4. Überprüfe, ob eine so bionisch nachgestaltete Hausfassade die energetisch beste Lösung darstellt.


Grolar-BärenVancouver - Irgendetwas kam David Kuptana merkwürdig vor: Der Eisbär, den er gerade in Kanadas Arktis erlegt hatte, sah

völlig ungewöhnlich aus. Er war so ganz anders als andere

Eisbären, dass sich der Jäger an die Behörden der kanadischen

Northwest Territories wandte. Jetzt, nachdem kanadische

Biologen DNA-Tests durchgeführt haben, steht die Sensation

fest: Der tote Bär ist eine Kreuzung aus Eisbär und Grizzly. Sein Fell ist dick und weiß wie bei einem Eisbären, aber seine

Beine und Tatzen sind braun wie bei einem Grizzly. Auch der Schädel ist breit wie bei einem Braunbären, die Klauen sind

lang. In Kanada nennt man diese Kreuzung Grolar-Bär, eine

Mischung aus den englischen Namen Grizzly und Polar Bear. In manchen kanadischen Medien wird auch die Bezeichnung

"Pizzly" verwendet.

Das ist erst das zweite Mal in der Geschichte Kanadas, dass man einen solchen "Hybriden" erlegt hat. Vor vier Jahren schoss ein amerikanischer Jäger den ersten Grolar-Bären, ein Männchen, ebenfalls in

den kanadischen Northwest Territories.Aber dieses neue Exemplar versetzt die Experten noch mehr in Aufregung als das erste, denn es handelt sich bereits um die zweite Generation Grolar-Bär. Das heißt, die Mutter war bereits eine Kreuzung, also

eine Grolar-Bärin, und der Vater war ein Grizzly. Eine Ausnahme, denn Kreuzungen !Hybride" zwischen

Arten sind normalerweise extrem selten und sie produzieren meist unfruchtbaren oder überhaupt keinen

lebenden Nachwuchs.

Eisbären und Grizzlys sind eng verwandte Arten. Genforschern zufolge sind Eisbären aus einer kleinen

Population von Grizzlys entstanden, die isoliert in einem abgelegenen Teil Alaskas in der Eiszeit gelebt haben. Experten in Nordamerika meldeten sich zu Wort mit der Überzeugung, dass solche Kreuzungen wegen

der Klimaerwärmung künftig häufiger vorkommen werden. Denn hungrige Grizzlys wandern nun weiter nach Norden und tauchen vermehrt in der Arktis auf. Dort treffen sie dann auf Eisbären, die auf das Festland ausgewichen sind, weil das Meereis in der Arktis schwindet.

Dadurch verringert sich die Populationsgröße der betroffenen und ohnehin schon bedrohten Arten noch

weiter. „Das schnell schmelzende arktische Meereis gefährdet Arten nicht nur durch Habitatverlust, sondern auch durch Hybridisierung“, so die Experten weiter. „Wenn bisher isolierte Populationen und

Arten in Kontakt kommen, paaren sie sich, bilden Hybriden und als Folge können seltene Arten aussterben.“

!SZ vom 07.05.2010/mcs, verändert"

Aufgaben1. Nenne die Gründe für die Entstehung von Grolar-Bären.

2. Erläutere, wie man nachgewiesen hat, dass der Grolar-Bär ein Art-Hybrid ist.

3. Erläutere die möglichen Auswirkungen der Hybridisierungen auf die Populationen von Grizzly und Eisbär.

4. Begründe, warum fruchtbare Nachkommen bei Art-Hybriden eine große Ausnahme darstellen.

(© Foto: AP)


Winterschlaf - Schwarzbären auf SparflammeAtmen, schnauben, brummen: Nahezu unsichtbar hebt und

senkt sich die Oberfläche des Fellbergs. Geradezu durch-dringend hingegen erklingt ein tiefes Dröhnen. Was folgt, ist Stille. Dann beginnt das Schnarchkonzert von vorn. Der Musikant ist ein Amerikanischer Schwarzbär im friedlichen

Winterschlaf.

Doch kann man bei Bären überhaupt von Winterschlaf sprechen? Ihre hohe Körpertemperatur während

der Ruhezeit ließ Forscher immer wieder daran zweifeln. Øivind Tøien, Biologe an der University of Alaska, und seine Kollegen haben nun bewiesen, dass Amerikanische Schwarzbären in der Tat im Winter auf Sparflamme fahren. Schwarzbären halten 5 bis 7 Monate im Jahr Winterschlaf. In dieser Zeit essen, trinken, urinieren sie

nicht und setzen keinen Kot ab. Danach verlassen sie ihre Höhlen nahezu in derselben körperlichen

Verfassung, in der sie zuvor waren. Besonders erstaunlich ist, dass weder Muskeln noch Knochen ab-gebaut wurden. Sie haben jedoch rund 25 % ihres Körpergewichtes verloren. In einer Langzeituntersuchung

wurden Stoffwechselrate und Körpertemperatur gemessen. Ergebnis war, dass während des Winterschlafes der Stoffwechsel auf 25% des Grundumsatzes reduziert wurde, die Körpertemperatur jedoch nur auf 30 ° bis 36 ° C. fiel. Die Herzschlagfrequenz fiel von 55 auf etwa 9 Schläge pro Minute. Nach dem Aufwachen

aus dem Winterschlaf haben die Bären diese reduzierte Stoffwechselrate noch bis zu 3 Wochen aufrecht erhalten. Die Untersuchungen legen nahe, dass der Großteil der Stoffwechsel-Absenkung während des Winterschlafs unabhängig von der Körpertemperatur ist. Bisher galt die Faustregel, dass bei zehn Grad

geringerer Körpertemperatur der Stoffwechsel nur um die Hälfte sinkt. Bei den Bären aber ging sie um

volle 75 Prozent herunter.

Die relativ hohe Körpertemperatur ist ein enormer Vorteil für das Erwachen aus dem Winterschlaf. Was sonst eine Quälerei ist, dauert bei den Schwarzbären nur wenige Minuten. Die Wissenschaftler sind

sich deshalb sicher, dass die Ergebnisse ihrer Studie weitreichend Anwendung in der medizinischen

Forschung finden könnten. Wenn Organe für Transplantationen sozusagen abgeschaltet werden könnten, sie aber erhalten bleiben, dann wäre das von enormen Vorteil. Und anstatt Patienten in ein künstliches Koma zu versetzen, könnte allein der Stoffwechsel heruntergefahren werden. Auch für Reisen ins All seien die Ergebnisse interessant. "Wenn man zum Beispiel die Astronauten auf einer Marsreise in

den Winterschlaf legen könnte, dann würde der Körper eine Menge Energie sparen und dennoch wäre es möglich, sie wieder ganz schnell auf Betriebstemperatur zu bringen", erklärt der Winterschlafforscher.

http://www.sciencemag.org/content/331/6019/906.shorthttp://www.zeit.de/wissen/umwelt/2011-02/winterschlaf-baerenhttp://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,746188,00.html

1. Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen Körpertemperatur und Stoffwechselrate. 2. Erklären Sie die Überlebensstrategie der Bären im Winter.3. Vergleichen Sie Winterruhe und Winterschlaf, und entscheiden Sie, welcher Fall hier vorliegt.4. Begründen Sie das medizinische Interesse an der Langzeituntersuchung.


Stoffwechselaktivität in Abhängigkeit von der Außentemperatur

Wenn Tiere erfrieren, ist es in Wirklichkeit oft ein Verhungern. Aus Nahrungsmangel ist dann das labile

Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabgabe nachhaltig gestört. Die wichtigste Strategie

für gleichwarme Tiere eine kalte, nahrungsarme Zeit zu überstehen, ist, möglichst viel Energie für die

Wärmeerzeugung einzusparen. Die folgenden Abbildungen zeigen drei Beispiele gleichwarmer Tiere:

1. Beschreiben Sie die Abbildung.

2. Erläutern Sie die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Temperatur und Stoffwechselaktivitäten

der Tiere.

3. Definieren Sie den thermischen Neutralpunkt der Tiere.

4. Charakterisieren Sie die tropischen und polaren Tieren hinsichtlich ihrer ökologischen Potenz in

Bezug auf den Faktor Temperatur.

5. Überprüfen Sie die Richtigkeit des folgenden Zitats anhand der Abbildung:

„Es ist also, so paradox das erscheinen mag, die Wärmebildung

vieler tropischer Tiere in ihrer heimatlichen Umgebung teilweise

mehr belastet als die mancher Polartiere während des Polarwinters“.! ! ! ! ! ! !aus Schwarzmaier. W. et al, 1981"


Wölfe

sind

weit verbreitet

Polarwolf

Canis

lupus

arctos

Timberwolf

Canis

lupus

lycaon

Europäischer Wolf

Canis

lupus

lupus

Arabischer

Wolf

Canis

lupus

arabs

Verbreitung:

75

- 82

0 n.

Br.

48

- 74

0 n. Br.

40

- 65

0 n. Br.

30

- 18

0 n. Br.

Gewicht:

50

- 80

kg

40

- 70

kg

30

- 65

kg

18

- 20

kg

Körperlänge:

90

- 140

cm

120

- 140

cm

100

- 140

cm

70-85

cm

Schulterhöhe:

65

- 80

cm

70

- 90

cm

65

- 80

cm

65

cm

1. Beschreiben

Sie

anhand

der

Abbildungen das

Aussehen der

vier Unterarten des

Wolfes in

eigenen

Worten.

2. Stellen Sie einen Zusammenhang

zwischen

Verbreitung,

Aussehen und

Körpermerkm

alen

her.

3. Wenden

Sie

Ihnen bekannte ökologische Regeln auf diese

Fallbeispiele

an.


Lösungsvorschlag: Eisbären überleben in der Kälte


Kleine Ohren Kurze Körperanhänge vermindern die Gefahr der Auskühlung

Kurzer Schwanz Kurze Körperanhänge vermindern die Gefahr der Auskühlung

Kräftige, kurze Krallen Sicherer Halt auf Eis. Helfen Robben (Nahrung aus dem Wasser zu ziehen)

„Weißes“ FellTransparente, innen hohle Haare. Luft in den Haare dient der Isolation. Farbe ist eine gute Tarnung, die verhindert, dass der Bär früh erkannt wird.

Kräftiges Raubtiergebiss Z.B. Sicheres und rasches Töten der Beute mit den Fangzähnen.

Gut entwickelte NaseKann Beute auf weite Entfernungen riechen und sich anschleichen. Dort wird zudem die Schwarze Haut sichtbar (s.o.)

weitere Möglichkeitenweitere Möglichkeiten

sehr großer Körper Verhindert große Wärmeverluste, da Oberfläche zum Wärme produzierenden Körperinneren verhältnismäßig klein ist

Sohlen mit Fell Ermöglichen sichere Fortbewegung auf glatten Flächen

Schwimmhäute zwischen den Zehen Ermöglichen rasches und ausdauerndes Schwimmen

LösungenAB Brillenpinguine - Überlebenskünstler im Meer1. siehe linke Seite

2.Die Rückenseite der Pinguine ist schwarz, die Buchseite weiß. Diesen starken Kontrast nennt man Gegen-kontrastierung. Vorteile: Möglichkeit zur Wärmeregulation an Land. Wenn einem Pinguin kalt ist, dreht er den Rücken zur Sonne und kann so viel Sonnenlicht absorbieren. Ist ihm warm, exponiert er die Bauchseite. Das weiße Gefieder reflektiert dann die meisten Sonnenstrahlen. Ein zweiter Erklärungsansatz argumentiert über die Tarnung: Potentielle Fressfeinde im Meer sehen die weiße Bauchseite vor dem hellen Himmel, wenn

sie sich von unten nähern. Nähern sie sich von oben, hebt sich die schwarze Rückenseite kaum vom dunklen

Meeresgrund ab.

3. Temperaturen von Oben nach unten: 38 0C, 20 0C, 12 0C, 3 0C. Begründungen: Die höchste Temperatur im Kopfbereich erklärt sich

zum einen aus der hohen Wärmeproduktion im Gehirn und der Tatsache, dass der Bereich um das Auge nur wenig durch Fett bzw. Federn geschützt ist. Der Körper ist dagegen weitaus besser isoliert !20 0C". Die Flügelspitzen weisen keine Fettschicht und andere

Federn auf. Sie besitzen zudem eine große abkühlende Oberfläche. Deshalb sinkt die Temperatur deutlich unter 10 0C. Die Füße

sind am kältesten. Das liegt zum einen daran, dass sie direkten und ungeschützten Kontakt zum Eis haben. Der Pinguin verringert andererseits die Durchblutung, sodass übermäßige Wärmeverluste vermieden werden.

AB Haustiere als WärmebilderName der Tiere: Schwein !Protestschwein", Truthahn !Cröllwitzer Pute" Pony !Exmoorpony", Rind !Altdeutsches Niederungsrind", Huhn !Deutsches Lachshuhn", Hund !Harzer Fuchs", Schaf !Rauhwolliges Pommersches Landschaf", Ziege !Thüringer Waldziege", Gans !Pommersche Landgans"

Am meisten Wärme geben ab: Schwein, Pony, am wenigsten: Huhn, Gans, Schaf

Die meiste Wärme wird über den Kopf abgegeben. Besonders die Bereiche um die Augen sind nur gering mit Fell oder Gefieder schützend bedeckt. Das Auge selbst hat die höchste Temperatur !weiß" da es verständlicher Weise nicht vor Wärmeverlusten

isoliert werden kann

.


Karibus - Überleben in die Kälte

Lösungsvorschläge


Kurze, durchblutete Körper-anhänge, z.B. Schwanz

Dadurch wird die Wärmeabgabe und die Gefahr von Erfrierungen minimiert (Allensche Regel)

Dichtes Winterfell mit viel Unterwolle

Extrem gute Isolierwirkung des Winterfells.(wird vom Menschen seit jeher ausgenutzt). Isolierende Luft wird zwischen den Haaren eingeschlossen.

Langes Geweih mit Aug-spross

Mit Hilfe dieser Werkzeuge kann Schnee weggeräumt werden, der die Nahrung bedeckt.

Breite Hufe mit abgespreiz-ten scharfen Klauen

Hohe Auftrittsfläche vermindert das Einsinken der Tiere im tiefen Schnee (Schneeschuheffekt). Dient zum Freischarren der Flechten unter Schneebedeckung.

Langgezogene Schnauze Dient der Erwärmung von kalter Luft beim Einatmen sehr kalter Luft und macht die Rentierflechten leichter erreichbar.

Sehr anspruchslos hinsicht-lich seiner Nahrung

Die Tiere können als Nahrungsspezialisten sich auch von Fechten ernähren, die in diesen kalten Gebieten wachsen und sonst von keinem Pflanzenfresser verwertet werden.

Timber-Wölfe sind hervorragende Hetzjäger

Gehe vor das Gehege der Timber-Wölfe und schaue dir die Tiere genau an.

Kreise auf dem Foto die Körperstellen ein, an denen du besondere Merkmale des Wolfes beobachtet hast, die ihm ein Überleben als Hetzjäger ermöglichen.

Fülle dann die Tabelle aus, indem du erst die Merkmale nennst und dann ihre Bedeutung!

Merkmal (beobachtet) Bedeutung (Erklärung/Vermutung)

Ohren Kann seine Beute aus mehreren Kilometern Entfernung orten. Dienen auch zu Verständigung

Nase Sehr gutes Riechvermögen. Kann die Spur von Beute lange verfolgen. (Geruchstier)

Raubtiergebiss/Lange Schnauze

Kräftiger Biss mit 44 Zähnen. Töten mit 4 Fangzähnen.Kann Beute in der Schnauze wegschleppen.

Lange, kräftige Beine Sehr ausdauernder und schneller Läufer. Kann über 100 km an einem Tag zurücklegen.

Dichtes Fell, besonders im Winter

Überlebt auch sehr tiefe Temperaturen. Hilft Energie zu sparen.

Langer, auffälliger Schwanz Übermittelt Stimmungen. Dient der Verständigung im Rudel und hilft die gemeinsame Jagd zu koordinieren.

Pfoten mit kräftigen Krallen Sicherer Tritt. Ermöglicht federnden Gang und rasche Beschleunigungen.

Lösungsvorschläge: Schneeeulen überleben in der Kälte


Befiederte, große FüßeSchutz vor Kälte durch Isolierung. Vergrößern die Auftrittsfläche (Schneeschuh-Effekt), sodass ein Einsinken im Schnee verhindert wird.

Lange, scharfe Krallen Dienen dem Ergreifen und Töten der Beute. Das geschieht teilweise blind unter einer Schneedecke.

Weißes, lockeres GefiederDie Färbung dient der Tarnung. Die Tiere werden so erst spät entdeckt. Im Gefieder kann viel Luft eingeschlossen werden, das isolierend wirkt.

Schnabel mit Federn umgeben

Schutz vor Kälte. Eventuell haben die Federn auch die Aufgabe das Mundfeld zu ertasten.

sehr große AugenDie Eule kann auch bei schlechten Sichtverhältnissen extrem gut sehen. Die Beute wird unter einer Schneedecke mit dem Gehör geortet.

Robben in Yukon Bay

Kalifornischer Seelöwe Nördlicher Seebär Kegelrobbe

Erkennungsmerkmale?

Recht helle Tiere. Antrieb wie bei den Seebären über die Vorder-extremitäten. Diese deutlich länger als die Hinterextremitäten. Zipfelförmige Außenohren (Ohrenrobbe)

Sehr dunkle bis schwarze Tiere. Spitzer Kopf mit großen Augen. Großer Geschlechtsdimorphis-mus. Flossenartige Extremitäten, besonders die Hinterextremi-täten sehr lang. Zipfelartige

Außenohren. Pelzrobbe, verliert im Wasser viel Luft aus dem

dichten Pelz.

Kegelförmiger Kopf. Keine

zipfelförmigen Außenohren. Walzenförmiger Körper. Geflecktes, kurzes Fell. Vortrieb im Wasser durch die

Hinterextremitäten.

Fortbewegung an Land ?

An Land: Auf den zu Flossen umgebildeten Extremitäten

laufend. Dabei können sie sehr schnell sein.An Land: Auf den zu Flossen umgebildeten Extremitäten

laufend. Dabei können sie sehr schnell sein.Robbend auf dem Bauch.Fortbewegung relativ langsam.

Fortbewegung im Wasser?

Durch Schlagen der Vorderextremitäten. Gesteuert wird vor allem mit den beiden Hintetrextremitäten.Durch Schlagen der Vorderextremitäten. Gesteuert wird vor allem mit den beiden Hintetrextremitäten.

Durch Schlagen der beiden

Hinterextremitäten, die zu

Flossen umgebildet sind.

Hauptaufenthaltsort im Gehege?

Wechselt: Kaum an Land, wenn

dann auf den Inselfelsen. Durchkreuzen ständig den

mittleren Teil des Beckens bzw. den Bereich der Scheiben.

Wechselt: halten an Land meist bei dem Boot vor dem

Innengehege auf. Im Wasser im

Bereich der linken Scheibe.

Wechselt: Fast nie an Land.Bevorzugen den Bereich vor der Tribüne

Tiger überleben in der Kälte

Lösungsvorschläge


Große Pranken mit ein-gezogenen, langen Krallen

Schlagen und Festhalten der Beutetiere. Die Krallen sind normaler-weise eingezogen und bleiben so sehr scharf. Weiche Polster erlauben das lautlose Anschleichen an die Beute. Beute im Winter ist überlebenswichtig, auch für die Wärmeproduktion.

Sehr starke Muskeln Starke Muskelpakete ermöglichen es, dass auch große und wehrhafte Tiere erbeutet werden. Der Tiger kann auf kurze Distanz schnell beschleunigen und weit springen.

Gestreiftes Fell In seinem Lebensraum ist der Tiger extrem gut getarnt. Das erleichtert ihm ein Anschleichen an die Beute. Es ist sehr dicht mit viel Unterwolle, wodurch er sehr gut isoliert ist.

Kräftiges Raubtiergebiss Mit seinen langen, dolchartigen Fangzähnen tötet er sehr schnell. Seine scharfen Reißzähne (große Backenzähne) dienen zum Abreißen von Fleischstücken und zum Zerbeißen von Knochen.

Sehr gute Sinnesorgane (Gehör, Augen)

Tiger können kleinste Geräusche wahrnehmen und darauf früh reagieren. Sie sehen extrem gut und finden so auch versteckte Beutetiere.

Lange Schnurrhaare Mit diesem Tastsinnesorgan kann sich ein Tiger auch in völliger Dunkelheit orientieren

Sehr große Katze Dadurch sind die Wärmeverluste relativ geringer als bei anderen Unterarten des Tigers.


AB Wechselwarm oder gleichwarm?Schneeeule G, Asiatischer Elefant G, Hund G, Wasserschildkröte W, Eisbär G, Känguru G, Flachlandgorilla G, Exmoorpony G, Bartagame W.

Die meiste Wärme geben der Elefant und der Gorilla ab. Die wenigste Wärme geben Eisbär und Schneeeule ab.

Nur gleichwarme Tiere !Säugetiere und Vögel" produzieren in ihrem Körper Wärme. Die wechselwarmen Tiere nehmen diese aus

der Umgebung auf. Tiere, die in kalten Gebieten leben, schützen sich vor Wärmeverlusten durch ein langes Fell und ein gut iso-lierendes Federkleid. Tropische Arten wie Elefant und Gorilla haben eher das Problem damit überflüssige Wärme abzugeben. Sie

haben entweder kein Fell !Elefant" oder es ist kurz !Gorilla".

AB Wie fangen Robben Fische?1. Grundprinzip: Wenn man alle Sinnesorgane (Auge, Ohr, Nase) funktionsunfähig macht und die Tiere eine künstlich gelegte

Strömungsspur aufspüren können, der sie dann sicher folgen, kann dadurch der Nachweis erbracht werden, dass die Vibrissen strömungssensitiv sind.

2. Die Ergebnisse können nur teilweise auf die Situation im Meer übertragen werden. Zwar kann man davon ausgehen, dass die Vibrissen auch im Meer wirksam sind. Unbekannt bisher ist, welchen Einfluss bisher nicht erfasste Außenfaktoren auf Reichweite und Sensibilität der Vibrissen haben. Besonders Strömungen und wechselnde Salzgehalte sind sicher modifizierende Faktoren.

3. Wesentliche Körpermerkmale sind unter anderem: Eine dicke Fettschicht, die ein Überleben im kalten Wasser ermöglicht, eine sehr flexible Wirbelsäule, die eine sehr hohe Wendigkeit beim Schwimmen und Tauchen bewirkt, die Fähigkeit schnell zu schwimmen, ein Gebiss mit einzeln stehenden, spitzen Zähnen, die Fähigkeit mindesten 20 Minuten lang zu tauchen und dabei Tiefen von über 200 m zu erreichen.

AB Robben in Yukon BayDie Lösung zur Tabelle findet sich auf Seite 28. Alle drei Arten ernähren sich als Raubtiere hauptsächlich von Fischen. Sie würden sich im Freiland Konkurrenz um Nahrung machen. Bei sonst ähnlicher Lebensweise würde sich langfristig eine der Arten auf Kosten der anderen durchsetzen !Konkurrenzausschlus-sprinzip".

Da bei der gegebenen Größe des Außengeheges sich die Tiere jeden Tag begegnen, muss sicher gestellt werden, dass es dabei nicht zu aggressiven Handlungen kommt, bei denen sich die Tiere potenziell verletzen können. Das ist nur in einem langfristigen Prozess

möglich. Als erstes müssen optimale Haltungsbedingungen geschaffen werden. Dies betrifft nicht nur die Nahrung, Wasserqualität, Innengehege..., sondern auch die Gruppenzusammensetzung. Die Tiere werden - jede Art zunächst einzeln - an das Gehege gewöhnt. Wenn sie sich dort sicher und angstfrei fühlen, werden die Tiere der verschiedener Arten vorsichtig aneinander gewöhnt, bis ein

gewisses Vertrauen aufgebaut ist. Unter Beobachtung werden dann zunächst zwei, dann alle drei Arten im Außengehege zusammen-geführt und das Verhalten der Tiere beobachtet. Meist bilden die Tiere in dieser Zeit eine stabile Rangordnung aus, die ein konflikt-freies Zusammenleben ermöglichen.

AB Eisbärfell - Lernen von der NaturDargestellt sind viele transparente, kurze Plastikschläuche, die mit einem Ende nebeneinander auf einem schwarzen Brett aufgeklebt sind und mit dem anderen Ende in die Luft ragen. Die Plastikschläuche symbolisieren die Haare von Eisbären, die ebenfalls trans-parent und innen hohl sind. Das schwarze Brett symbolisiert die Haut des Eisbären, das ebenfalls eine schwarze Farbe besitzt.

Die Funktion der langen und hohlen Haare ist es, möglichst viel Luft um den Körper der Tiere festzuhalten. Da Luft ein sehr schlechter Wärmeleiter ist, isolieren sie sehr gut, sodass man auf Wärmebildern Eisbären in Ruhe mit einer Wärmebildkamera kaum detektieren

kann. Die transparenten Haare erscheinen durch die Lichtbrechung weiß, sodass Eisbären auf Eis sehr gut getarnt sind.

Einer immer wieder vorgebrachten Hypothese nach sollen sie zudem das Sonnenlicht einfangen und im Inneren auf die schwarze

Haut der Tiere leiten. Dort wird die Lichtstrahlung in Wärmestrahlung umgewandelt. Die Wärmestrahlung trägt dazu bei, in der kalten Jahreszeit den Körper des Eisbären aufzuwärmen.

Physikalische Hintergründe: Ein Vakuum ist der beste Isolator. Luft ist, wie auch andere Gasgemische, ein guter Isolator, da Gase

im Verhältnis zu Flüssigkeiten !Wasser" nur eine geringe Dichte haben. Bei der Wärmeleitung wird die Energie durch Stöße der Moleküle untereinander übertragen. Da Luft nur relativ wenige Moleküle pro Volumeneinheit aufweist, ist auch die Häufigkeit gering, dass Moleküle aufeinander stoßen und Wärme übertragen. Bei einer Absorption wird kurzwellige Strahlung !Licht" und längerwellige Strahlung !Wärme" umgewandelt. Das Absorptionsvermögen

von Licht ist im Wesentlichen abhängig von der Färbung des absorbierenden Stoffes. Dabei absorbieren schwarz gefärbte Struk-turen, wie die Haut des Eisbärs am Besten, während rein weiße Oberflächen nahezu alle Lichtstrahlen reflektieren. Eisbärenhaare sollen wie Glasfasern funktionieren. In ihnen wird das Licht innerhalb der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien mit unterschiedlicher Brechzahl nahezu verlustfrei reflektiert und somit geleitet. Dies ist jedoch für die

Haare widerlegt, zumindest nicht nachgewiesen.

Biologische Hintergründe:


Für den Eisbären besteht die Notwendigkeit sich zu tarnen, wenn er erfolgreich jagen will. Er muss sich folglich der Umgebung

farblich angleichen. Diese ist im Jagdgebiet weiß. Dies ist jedoch die schlechtest mögliche Farbe für eine Reflexion. Wenn er das

Licht auf die nichtsichtbare schwarze Haut übertragen könnte, hätte er eine verdeckte Absorption erreicht. Eisbären jagen vor allem

Im Südwinter. Beleuchtungsdauer und Strahlungsintensität sind dann jedoch so gering, dass dieses komplexe System kaum Selek-tionsvorteile bringen dürfe. Im Sommer wären dagegen sogar Nachteile zu erwarten, da die Gefahr einer potenziellen Überhitzung

droht.

Eine Übertragung auf eine Hausfassade ist nicht optimal. Zum einen besteht nicht die Notwendigkeit einer weißen Außenhaut. Wie

ein Eisbärenfell würde auch eine Fassade bei Nässe !Regen" einen Großteil der Isolationswirkung verlieren.

AB Grolar-Bären1. Die Artbildung der Eisbären begann am Ende der letzten Eiszeit durch Isolierung einer kleinen Population im Norden des

Verbreitungsgebietes der Braunbären. In der Isolation und unter den extremen Lebensbedingungen im Eis erfolgte eine rasche

Artbildung nach dem Modell der allopatrischen Artbildung. Die Zeitspanne zur genetischen Isolation reichte seit dem nicht. Eine

Hybridisierung war seitdem vor allem durch eine allopatrische Lebensweise von Eisbär und Grizzly gewährleistet. Als Folge der Klimaerwärmung begannen die Grizzly-Bären nach Norden zu wandern. Umgekehrt wurden die Eisbären durch das immer dünner werdende Meereis nach Süden auf die Küstenbereiche abgedrängt. In diesenKüstenbereichen des Festlandes treffen nun

die beiden Arten häufiger aufeinander und so kommt es gelegentlich zu Verpaarungen. Die daraus resultierenden Arthybriden

sind die Grolar-Bären.

2. Das beste Verfahren hierbei ist die DNA-Sequenzanalyse. DNA-Proben werden von Eisbären, Grizzlies und Grolarbären genommen. Diese werden durch das Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion amplifiziert und anschließend mit spezifischen Restriktions-enzymen geschnitten. Durch das Verfahren der Gelelektrophorese werden die Bruchstücke unter Gleichspannung spezifisch

aufgetrennt. Diese können sichtbar gemacht und verglichen werden. Die DNA-Fragmente des Grolar-Bärs müssten in Teilen

mit denen des Grizzlies und in Teilen mit denen des Eisbären übereinstimmen.

3. Artbastarde kommen relativ selten im Freiland vor, da prä- und postzygotische Isolationsmechanismen wirksam sind. So finden

entsprechende Kopulationen kaum statt, bzw. es entwickeln sich keine lebensfähigen Nachkommen. Wenn sie dennoch erzeugt werden, sind sie entweder steril, zeugen schwächere Nachkommen oder sind im Konkurrenzkampf so unterlegen, dass es zu

keiner Fortpflanzung mehr kommt. So bleiben sie in der Evolution eine Randerscheinung.

4. Sterile Artbastarde blieben ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Populationen der Grizzlies und Eisbären. Wenn sich jedoch die

Umweltbedingungen drastisch verändern und - wie im Fallbeispiel - fruchtbare Hybrid-Bären der zweiten Generation entstehen, kann es dazu kommen, dass sich diese im Grenzgebiet etablieren. Es würde so eventuell eine neue Bärenart durch Hybrisierung

entstehen. Diese wäre eine überaus große Konkurrenz für die Eisbären, die dann in ihrem Bestand noch stärker bedroht wären, da sie ihrer Rückzugsgebiete im Sommer beraubt wären. Es wäre ein vielleicht entscheidender Schritt für das Aussterben der Eisbären. Die Areale für die Grizzlies würden im Norden ebenfalls beschnitten, ohne dass es dadurch zu einer ernsthaften

Bestandsgefährdung käme.

AB Winterschlaf - Schwarzbären auf Sparflamme1. Selbst ohne jegliche Anstrengung im Schlaf weisen gleichwarme Tiere eine Mindeststoffwechselrate auf. Man spricht vom

Ruheumsatz. Dieser wird im wesentlichen bestimmt durch die Umsetzungsrate von Enzymen, die jeden Stoffwechselschritt katalysieren. Wie jede chemische Reaktion kann man die Wechselrate der Enzyme und damit ihre Reaktionsgeschwindigkeit mit der RGT-Regel !Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel" grob umschreiben. Danach verdoppelt sich die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, wenn die Temperatur um 10oC erhöht wird. Enzyme besitzen zumeist ein Temperaturoptimum, das der normalen Körpertemperatur des jeweiligen Tieres entspricht, sie arbeiten also unter Normalbedingungen am effizientesten. Bei weiter ansteigender Körpertemperatur nimmt die Stoffwechselrate zwar zunächst noch zu, doch die Enzyme drohen zu

denaturieren. Die Wasserstoffbrückenbindungen des Proteins lösen sich und die katalytische Wirkung geht durch die resultierende

Konformitätsänderung zunehmend verloren. Im Normalfall hängt also die Stoffwechselrate nicht direkt von der Körpertemperatur, sondern - neben dem aktuellen physiologischen Zustand des Tieres - vom ATP-Verbrauch der Regelmechanismen, die die

Körpertemperatur konstant halten, ab.

2. Bären benötigen durchschnittlich ca. 2% des Körpergewichtes täglich an Nahrung. Diese steht im Winter nicht zu Verfügung und

die angefressenen Fettreserven reichen nicht aus, um im Ruhezustand bei normaler Körpertemperatur den langen Winter zu

überstehen. Die Überlebensstrategie vor Ort kann also nur darin bestehen, die Körpertemperatur drastisch abzusenken, sodass

dann durch die dadurch bewirkte geringere Stoffwechselrate die Fettvorräte ausreichen. Um dies effektiv zu leisten,müsste ein

Schwarzbär nach der RGT-Regel dann eine Körpertemperatur von wenigen Grad über Null aufweisen. Er hat jedoch eine Möglichkeit entwickelt, die Stoffwechselaktivität und damit den ATP-Verbrauch von der Temperatur abzukoppeln. Obwohl seine Körper-temperatur nur um 3 - 9oC abgesenkt wurde, sinkt die Herzschlagfrequenz - ein Maß für die Stoffwechseleaktivität - auf unter 20%. Die Fettvorräte reichen also über 5 Mal länger. Diese Abkopplung wird heute auf ein HIT - Hormon !Hibernation Induction

Trigger" zurückgefüht, welches z.B. auch bei Murmeltieren nachgewiesen wurde.


3. Der Hauptunterschied zwischen Winterruhe und Winterschlaf war bisher, in wieweit die Körpertemperatur während der inaktiven

Zeit abgesenkt wird. Da dies bei den Schwarzbären kaum der Fall ist, wird er in den meisten Quellen als klassischer Winterruher aufgeführt. Betrachtet man dagegen den entscheidenden Energie-Einspareffekt, muss man ihn, wie auch in der Quelle, als

Winterschläfer bezeichnen. Er erreicht Einspareffekte, wie es anderen Winterschläfer nur bei einer drastischen Absenkung ihrer Körpertemperatur möglich ist. Da auch in der Vergangenheit die Übergänge zwischen beiden Formen der Winterüberdauerung

fließend waren, und auch Sonderfälle !Torpor" zunehmend auch bei Säugetieren nachgewiesen werden, sollten beide Begriffe

neu gefasst werden.

4. Die Vorteile einer hormongesteuerten Langzeitunterdrückung des Stoffwechsels liegen auf der Hand. Jeder, der schon einmal einen Knochenbruch erlitten hat, weiß, wie rasch sich Skelettmuskulatur ohne regelmäßige Belastung abbaut. Ähnliches gilt für die Muskulatur in langer Schwerelosigkeit . Bei Langzeitflügen im All hätte ein dosierter Hormon-Einsatz gute Effekte und

würde zusätzlich den Energieverbrauch der Astronauten drastisch senken .

AB: Stoffwechselaktivität in Abhängigkeit von der Außentemperatur2. Wenn die Außentemperatur absinkt, erhöhen sich die Temperaturunterschiede zum Inneren Milieu eines gleichwarmen Tieres

und die Wärmeabgabe nimmt zu. In Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie der Größe des Tieres, der Qualität der isolierenden Schichten u.s.w. kann das zunächst toleriert werden. Der Stoffwechsel bleibt bei einem ruhenden Tier auf dem

Niveau des Grundumsatzes. Sinken die Außentemperaturen jedoch weiter ab, sinkt auch die konstant zu haltende Temperatur im Körperinneren. Das Tier kompensiert das, indem es die Wärmeproduktion erhöht. Dies geschieht durch Ankurbelung des

Stoffwechsels, der dann proportional mit der weiteren Temperaturabnahme außerhalb des Tieres ansteigt.

3. Der thermische Neutralpunkt ist die Außentemperatur, die ein gleichwarmes Tier gerade noch erträgt, ohne durch zusätzliche

Stoffwechselaktivitäten für eine zusätzliche Wärmeproduktion einen Ausgleich seiner Wärmebilanz sorgen zu müssen.

4. Tropische gleichwarme Tiere, wie das Extrembeispiel Faultier, sind warm stenotherm. Sie ertragen nur geringe Temperatur-schwankungen mit einer Amplitude von ca. 20oC. Arktische Tiere dagegen sind extrem eurytherm. Ein Eisbär erträgt Tem-peraturunterschiede von über 90oC. Die Hintergründe sind wie folgt: Den tropischen Tieren fehlen leistungsfähige Schutz-mechanismen vor kalten Temperaturen. Diese kommen im Tageszeitenklima ihres Lebensraumes nicht vor, bzw. sind extrem

selten. Das Fehlen von entsprechenden Schutzmechanismen ist eine Angepasstheit, die wertvolle Stoffwechselenergie spart. In arktischen Gebieten dagegen herrscht ein ausgesprochenes Jahreszeitenklima und extrem hohen Temperaturamplituden

im Jahresgang sind die Regel.

5. Dieser Aussage ist nur bedingt zu zustimmen. Sie trifft bei Wetteranomalien zu, die nur in unregelmäßigen Abständen, z.B. bei El Nino-Phänomen auftreten. Dann ist der Kältestress für die in der Abbildung angegebenen tropischen Tiere jedoch enorm hoch. Viele kleine Tiere haben entsprechende Schutzmechanismen gegen übermäßige Energieverluste durch Wärmeentzug entwickelt, wie zum Beispiel die Möglichkeit in einen Torpor zu verfallen. Ausgewachsene, arktische Tiere haben tatsächlich nur geringe

Probleme damit ihren Wärmehaushalt stabil zu halten. Ihr großes Problem ist die Aufrechterhaltung des Grundumsatzes im

Polarwinter !Eisfuchs" bzw. im Polarsommer !Eisbär" infolge von Nahrungsmangel.

AB Wölfe sind weit verbreitet

2. Das Verbreitungsgebiet des Polarwolfs erstreckt sich weit über den Polarkreis hinaus. Entsprechend dient seine weiße Fellfärbung

als Tarnung. Deutlich erkennbar ist, dass sein Fell länger ist als das der anderen Wolfsunterarten. Er hat zwar nominal das größte

Gewicht, ist jedoch nicht die größte Unterart. Seine Körperform ist sehr kompakt. Die Ohren sind dicht mit Fell umwachsen und

so gegen Auskühlung gut geschützt. Das Verbreitungsgebiet der Timberwölfe schließt südlich an das der Polarwölfe an. Der abgebildete Wolf besitzt ein dunkles Fell, doch ist die Fellfärbung der Unterart sehr variabel. Er hat besonders lange Beine und auch die größte Schulterhöhe. Das hilft ihm

im tiefen Schnee und bei der Überwindung großer Distanzen. Das Verbreitungsgebiet des Europäischen Wolfs erstreckt sich über weite Teile in Europa und etwas südlicher als das der Timberwölfe

in Kanada. Größe und Gewicht der Tiere sind entsprechend sehr variabel. Die Körperfärbung ist - ähnlich wie bei einem Schäferhund -

bräunlich bis grau. Sie kann als Tarnfärbung in Wäldern gedeutet werden. Der Arabische Wolf hat mit Abstand die südlichste Verbreitung. Er hat bei Weitem das geringste Gewicht, ist jedoch recht hochbeinig. Seine Ohren sind lang. Er lebt in Wüstengebieten und hat folglich auch mit Abstand das kürzeste Fell.

3. Denkbar sind hier Bezüge zur Bergmannschen Regel !Gewicht/Größe" und der Allenschen Regel !Relative Ohrlänge, rel. Länge

der Extremitäten". Die Tendenzen sind zwar gegeben, dass es jedoch auch mit der Bergmannschen Regel nicht zu vereinbarende

Angaben zu entdecken gibt, liegt in der Natur der Sache.Nicht nur die Temperatur hat Einfluss auf die Körpergestalt der Wölfe.


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Internetadressen:http://www.sciencemag.org/content/331/6019/906.shorthttp://www.zeit.de/wissen/umwelt/2011-02/winterschlaf-baeren http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,746188,00.htmlhttp://www.sueddeutsche.de/wissen/baeren-mischung-pizzly-auf-eis-1.942154

Abbildungsnachweis# # # Titelbild: Schneeeule, Erlebnis-Zoo Hannover,# # # Bild 1, S. 2: Eisbär, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 2, S. 3: Karibu, Erlebniszoo Hannover# # # Abb 1, S. 3: Einflussgrößen des Wärmehaushaltes, eig. Entwurf# # # Bild 3, S. 4: Schwarzschwanz-Präriehund, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Abb 2, S. 4: Braune Fettzelle: http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.zum.de/Faecher/Materialien/hupfeld/Aufgaben/Stoffwechsel/braunes-fett/Abb4.jpg

# # # Bild 4, S. 5: Nördliche Seebären, Erlebnis-Zoo-Hannover# # # Abb 3, S. 5: Glasfaserhypothese, eig. Entwurf# # # Bild 5, S 6: Timberwölfin, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Abb. 4, S 6:Wärmeisolation bei derKegelrobbe, Bertsch, A. 1977, verändert# # # Abb 5, S. 6: Wärmeisolation beim Waldbison, Bertsch, A, 1977, verändert# # # Bild 6, S. 7: Brillenpinguin, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Abb 6, S. 7: Isolationsfähigkeit in Abhängigkeit von der Felllänge, Nachtigall, W. 2005# # # Bild 7, S. 8: Waldbison, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 8, S. 9: Rothörnchen, Hyder, Kanada# # # Abb.7, S 10: Brillenpinguin, eig. Entwurf# # # Bild. 9 - 17: Wärmebilder von Haustieren, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 18, S.12: Eisbär, Erlebni-Zoo Hannover# # # Bild 19, S. 13: Karibu, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 20, S. 14: Amurtiger, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 21, S. 15: Schneeeule, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 22, S. 16: Timberwolf, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 22 - 27, S. 17: Tiere in Yukon Bay, Erlebnis_Zoo Hannover# # # Bild 28 - 36, S. 18: Wärmebilder ausgewählter Tiere, Erlebnis-Zoo Hannover # # # Bild 37 - 38, S. 19 Asiatischer Elefant, Bartagame. Wärmebilder, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 39, S. 20: Junge Kegelrobbe, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 40 - 42, S. 21: Drei Robben-Arten, Erlebnis-Zoo Hannover# # # Bild 43, S. 22: Modell Eisbärfell, Wilhelm-Raabe-Schule Hannover# # # Bild 44, S. 23: Grolar-Bär: http://www.sueddeutsche.de/wissen/baeren-mischung-pizzly-auf-eis-1.942154# # # Bild 45, S. 24: Amerikanischer Schwarzbär: Jasper, Kanada# # # Abb. 8, S. 25: Stoffwechselaktivität in Abhängigkeit von der Temperatur, Schwarzmaier. W. et al, 1981# # # Bild 46 - 53, S. 26: Polarbär: Zoo Berlin, Timberwolf und Europäischer Wolf: Erlebnis-Zoo Hannover. Arabischer Wolf: Wikipedia


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1. Auflage

Stand August 2011

Autor Erwin Bastian

Fotos Erwin Bastian

Satz Erwin Bastian

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überleben in der Kälte endfassung - zoo-hannover.deb11584aa-cfc9-4a8a-9e24-32fdbd7bad... · Sachinformation Die tiefstmögliche Temperatur liegt bei 00 Kelvin oder -273,150C. Man