Bei manchen Tieren mutet es regelrecht wie ein kleines bzw. ein großes Wunder an, mit welcher effizienten Strategie sie fähig sind, Energie zu sparen. Vor allem wenn man in die Welt der Exoten blickt, zeigen sich zahlreiche außergewöhnliche Energiestrategien. Nehmen wir zum Beispiel das Faultier her: Es schläft beinahe den ganzen Tag, kann seine eigene Körpertemperatur im Energiesparmodus auf 24 Grad absenken, es muss nur etwa einmal pro Woche aufs Klo und überhaupt geht alles sehr, sehr langsam bei den süßen tropischen Regenwaldbewohnern. Sie sind sogar so „faul“, dass sie Grünalgen in ihrem Fell wachsen lassen, von denen sie sich unter anderem gemütlich am Baum ernähren können. Eine faszinierende Energiestrategie weist auch die kleinste Kolibri-Art und damit auch der kleinste Vogel der Welt auf: Der Hummel-Kolibri – ebenso Elfen-Kolibri genannt – kommt nur in der Gegend Kubas vor und schafft es, seine Körperfunktionen um ganze 90 Prozent herunter zu fahren. Und zwar jede einzelne Nacht! Damit spart er nicht nur äußerst effizient seine Energie, er wird in diesem winterschlafähnlichen Modus auch unempfindlich gegen Geräusche oder Erschütterungen, bevor er bei Sonnenaufgang wieder zu vollständigem Leben erwacht.
Tierische Energiewunder in Österreich
Aber wusstest du, dass es nicht nur unter den exotischen Tieren hochspannende Energiewunder zu bestaunen gibt? Tatsächlich leben auch hierzulande einige herausragende Energiesparmeister, die auf faszinierende Art und Weise mit ihren Ressourcen haushalten. Einige von ihnen werden am Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie der Veterinärmedizinischen Universität in Wien untersucht. Dort beschäftigen sich Wissenschafterinnen und Wissenschafter mit der Untersuchung größerer einheimischer Wildtiere. Die Hauptaufgabe der Forschenden liegt darin, die Tiere besser zu verstehen, indem die Bedürfnisse und Verhaltensweisen der Lebewesen erforscht werden. Ziel ist es dabei unter anderem, trotz der durch den Menschen intensiv genutzten Kulturlandschaft auch den Lebensraum der Tiere zu erhalten. Gleichzeitig geht es darum, bestimmte Probleme, die Tiere verursachen, wenn sie zu viele werden, zu verhindern. Geleitet wird das Institut von O.Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Walter Arnold. Wir durften mit dem renommierten Wildtierexperten über tierische Energiewunder sprechen, die vor allem jetzt in der kalten Jahreszeit ihre ganz besonderen Fähigkeiten zeigen.
Wenn man sich in unserer heimischen Tierwelt umblickt: Wer sind dann die größten Experten im Bereich des Energiesparens?
Prof. Walter Arnold: „Also die Weltmeister unter den tierischen Energiesparern sind jedenfalls die extremen Winterschläfer. Allen voran sind da hierzulande das Alpenmurmeltier oder der Siebenschläfer zu nennen, der vom Naturschutzbund Österreich heuer sogar zum Tier des Jahres gewählt wurde. Siebenschläfer können im Winterschlaf ihren Energieverbrauch auf ein Hundertstel ihres regulären Verbrauchs im Sommer reduzieren! Das ist eine Energiereduktion, die so stark ist, dass ich das als Standgas des Lebens bezeichne: Weniger geht nicht. Sonst stirbt der Motor ab. Eine solche Reduktion ist nur möglich, wenn man Energieverbrauch drastisch einspart.“
Welche Möglichkeiten gibt es denn für die Winterschläfer, um derartig krasse Einsparungen im Energieverbrauch vornehmen zu können?
Prof. Walter Arnold: „Wir kennen da zwei Möglichkeiten: Die eine ist, dass die Tiere einfach weniger aktiv sind als normal. Das heißt, die laufen nicht mehr herum, die liegen einfach völlig still und regungslos über drei bis vier Wochen im Nest. Die zweite, weitaus wichtigere Möglichkeit ist, den Hauptenergieverbrauch jedes Säugetiers und aller Vögel zu reduzieren, – und das ist bei beiden die Aufrechterhaltung der hohen Körpertemperatur. Stellen Sie sich vor, wenn Sie jetzt im Winter beispielsweise bei minus 10 Grad draußen herumspazieren und bedenken, dass der Mensch eine Körperkerntemperatur von etwa 37 Grad hat, dann braucht der Körper in dem Fall Energie, um einen gigantischen Temperaturunterschied von weit über 40 Grad auszugleichen. Diesen enormen Energieverbrauch reduzieren Tiere im Winterschlaf, indem sie einfach auskühlen. Es ist äußerst faszinierend, dass manche Tiere dabei wirklich bis zum Gefrierpunkt auskühlen können. Die sind dann völlig steif und auch die Herzschlagfrequenz, die im Sommer beim Murmeltier zwischen 80 bis 140 Schlägen pro Minute liegt, ist drastisch reduziert. Das Herz schlägt dann nur mehr vier bis sechs Mal in der Minute. Findet man so ein Tier im Winterschlaf vor, kann man eigentlich nur mehr an dem stoßweisen Atem, der maximal noch ein paar Mal pro Minute stattfindet, überhaupt erkennen, dass es nicht tot, sondern durchaus noch lebendig ist.“
Apropos lebendig: Woher weiß denn das Tier, dass es irgendwann auch langsam wieder einmal Zeit zum Aufwachen ist?
Prof. Walter Arnold: „Das ist eine gute Frage: Wer sagt dem Alpenmurmeltier im Frühjahr, dass der Winter vorbei ist? Wie bemerkt es, dass die Winterzeit abgelaufen ist und der Frühling beginnt, obwohl es noch in seiner Meter tief von Schnee bedeckten Höhle ist? Warum weiß es exakt, dass es jetzt an der Zeit ist? Die Antwort ist, dass alle Tiere durch innere Uhren gesteuert sind. Das gilt übrigens nicht nur für die innere Jahresuhr, sondern dieses instinktive Gefühl für Zeit sorgt auch dafür, dass die Tiere Tag und Nacht unterscheiden. So weiß nicht nur das Murmeltier, wann der Frühling den Winter ablöst, sondern auch der Hamster jeden Tag aufs Neue, dass es langsam Nacht wird und er somit aktiv werden kann.“
Sie sprechen davon, dass alle Organismen über diese inneren Jahreszeit-Uhren verfügen. Gilt das im gleichen Maße auch für uns Menschen?
Prof. Walter Arnold: „Ja eindeutig. Auch unsere Physiologie und unser Verhalten wird von inneren Uhren gesteuert. Wir bemerken das ganz unangenehm als ,jet lag’, wenn wir durch einen Langstreckenflug unsere innere Tagesuhr ,verstellen’. Wir wären eigentlich auch jahreszeitlich von einer inneren Jahresuhr gesteuert. Für unsere Vorfahren war das viel ausgeprägter spürbar. Die waren im Winter viel weniger aktiv als im Rest des Jahres. Sie haben anders als im Sommer viel mehr geschlafen, weil sie sich mit Sonnenuntergang niedergelegt haben und erst bei Sonnenaufgang wieder aufgestanden sind. Das sind im Winter eben gleich einmal 14 Stunden im Gegensatz zu den 8 Stunden im Sommer. Auch für uns ist der Zeitgeber für den Jahreswechsel die Tageslänge und auch wir Menschen kennen einen Winterzustand. Nur nehmen wir unsere natürlichen Zeitgeber kaum mehr wahr. Denn durch das elektrische Licht, befinden wir uns sozusagen im Dauertag, wenn wir das wollen. Und es ist so lange Dauersommer für uns, bis wir die Heizung ausschalten. Wir haben also die äußeren Reize, die unseren inneren Jahres- und Tag-Nacht-Rhythmus steuern, sukzessive entfernt. Und es führt auch zu Schäden, wenn dieser Rhythmus ständig durcheinander gebracht wird. Das zeigt sich beispielsweise bei den gesundheitlichen Auswirkungen auf Schichtarbeitende und jahreszeitlich gesehen auch in Form der bekannten Winterdepression. Für die Natur und ihre Wildtiere ist das freilich ebenso ein ernstzunehmendes Problem. Stichwort Lichtverschmutzung: Wir wissen, dass die permanente Helligkeit, die Straßenlaternen und Co. verursachen, das Leben der Wildtiere spürbar beeinflusst.“
Wenn hingegen alles seinen natürlichen Lauf nimmt, die Tage also ganz natürlich länger werden und die Tiere dank ihrer Jahreszeituhr wissen, jetzt ist es Zeit, aus dem Winterschlaf zu erwachen: Wie gelingt es ihnen dann eigentlich, dass sie überhaupt wieder warm werden?
Prof. Walter Arnold: „Dafür müssen wir uns anschauen, wo die Wärme herkommt. Wenn zum Beispiel unsere Körpertemperatur sinkt und droht, zu tief zu werden, beginnen unsere Muskeln zu zittern. Damit wird dem Körper unter erheblichem Energieverbrauch Wärme zugeführt. Dieser Mechanismus ist allerdings ein sehr ineffizienter Weg. Deswegen haben Säugetiere früh in der Evolution ein Gewebe entwickelt, das ausschließlich Wärme produziert. Die Rede ist hier vom sogenannten ,braunen Fett’. Das ist eigentlich eine missverständliche Bezeichnung, denn bei diesem Gewebe handelt es sich weniger um tatsächliches Fett, sondern eher um eine Art Wärmedrüse. Im Gegensatz zum weißen Speicherfett, enthält das braune wahnsinnig viele Mitochondrien. Das sind die Kraftwerke der Zellen. Durch die Verstoffwechslung der Nahrung entsteht in den Mitochondrien ein Spannungsgefälle, wie in einer Batterie. Ein Eiweiß, das nur im Gewebe des braunen Fettes steckt, führt zu einem Kurzschluss dieses Spannungsgefälles und dessen gesamte Energie wird als Wärme frei. Oder anders formuliert: Fährt man mit einer Stricknadel in die Steckdose, fällt hoffentlich die Sicherung, sonst ist man tot. Steckt man allerdings einen gesicherten Draht in die Steckdose, wird er sehr, sehr heiß. Analog kann man sagen: Im Körper wird durch dieses spezielle Kurzschluss-Eiweiß im braunen Fett die gesamte elektrische Energie kurzgeschlossen, wodurch mit enorm hohen Wirkungsgrad Wärme ohne jegliches Muskelzittern erzeugt wird.“
Und mithilfe dieses Gewebes erwärmt sich jetzt der Winterschläfer?
Prof. Walter Arnold: „Genau. Das braune Fett befindet sich hauptsächlich zwischen den Schulterblättern und um den Brustkorb. Es umgibt also den Körperkern und die lebenswichtigen Organe wie eine Wärmeweste. Wenn ein Murmeltier aus dem Winterschlaf erwacht, nutzt es dieses Gewebe sehr effizient. Es ermöglicht ihm, dass es innerhalb von zwei bis drei Stunden wieder seine reguläre Körpertemperatur von 36 Grad hat. Das ist besonders spannend mit Wärmebildkameras zu beobachten. Wenn man dem Winterschläfer nämlich mit freiem Auge beim Erwärmen zusieht, sieht man erstmal gar nichts. Die bewegen sich nicht und man sieht eben auch kein Zittern. Nur im Wärmebild sieht man, wie sich zuerst die Schulterregion immer kräftiger rot färbt, bis nach und nach alle Körperregionen beginnen, rot zu ,glühen’ und dann das Murmeltier nach drei Stunden wieder putzmunter ist.“
Das klingt nach einem ziemlich großartigen Gewebe. Wäre das nicht toll, wenn wir Menschen auch ein bisschen braunes Fett hätten?
Prof. Walter Arnold: „Tatsächlich haben alle menschlichen Neugeborenen dieses braune Fettgewebe. Da ist es auch ganz wichtig, denn bei der Geburt erlebt das Baby, wie es plötzlich statt wohlig warm so richtig kalt wird. Aufgrund unserer Körpergröße speichern wir im Verlauf unseres späteren Lebens aber so viel Wärme, dass wir das braune Fett einfach nicht mehr in dem Maße brauchen. Aber neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass man das braune Fett tatsächlich auch bei Erwachsenen biochemisch nachweisen kann und dass es prinzipiell noch funktionsfähig ist. Man kann es mit freiem Auge nicht sehen, aber es ist eine sehr wichtige Entdeckung, dass braunes Fett und zitterfreie Wärmebildung prinzipiell auch beim Erwachsenen noch vorhanden ist. Fände sich ein Weg, mit Medikamenten dieses Gewebe quasi ,einzuschalten’, dann wäre das eine medizinische Sensation, denn damit wäre die perfekte Diätpille geboren. Aber das ist leider noch Science Fiction.“
Wie Science Fiction mutet es vielleicht auch für viele Menschen an, dass man eine gewisse Zeit im Jahr nicht nur so viel essen darf, wie man kann, sondern das tatsächlich auch noch soll. Für die Winterschläfer ist das hingegen keine Utopie, sondern Überlebensstrategie. Im Winter bekommen sie ja eher wenig zwischen die Zähne, oder?
Prof. Walter Arnold: „Teilweise nicht nur ,wenig’. Das Alpenmurmeltier lebt bis zu einem halben Jahr ausschließlich von Körperfettreserven. Darum haben die Tiere in der Sommerzeit auch ständig Hunger und sie werden wirklich sehr, sehr fett. Das Alpenmurmeltier hat im Frühling ein Gewicht von drei Kilogramm und frisst sich teilweise doppelt so dick, damit es im Herbst zwischen fünfeinhalb und sechs Kilo auf die Wage bringt. Aber die absoluten heimischen Weltmeister im Energiemanagement der Nahrungsaufnahme sind die Siebenschläfer. Die fressen nicht nur während des ganzen Winterschlafs nichts. Wir konnten auch mit einem winzigen implantierten Chip nachweisen, dass die manchmal nicht nur einen Winter lang, sondern sogar auch einmal eineinhalb Jahre durchschlafen können. Das liegt daran, dass die Siebenschläfer Nahrungsspezialisten sind, die sehr stark davon abhängig sind, dass es im Herbst ausreichend Bucheckern und Eicheln gibt, wenn sie sich zeitgerecht fett fressen wollen. So kommt es, dass der Siebenschläfer Ende Mai vielleicht einmal kurz rausschaut aus seinem Überwinterungsquartier und feststellt, dass die Bäume dieses Jahr nur mickrig blühen. Dann kann der Siebenschläfer davon ausgehen, dass es im Herbst nicht besonders viele Früchte zum Essen geben wird. Und dann legt er sich quasi wieder hin und schläft weiter. Bis zum nächsten Frühjahr.“
Faszinierend! Eineinhalb Jahre durchschlafen. Und wenn wir schon dabei sind: Es wird doch auch zwischen Winterschlaf und Winterruhe unterschieden, richtig? Worin liegt dieser Unterschied?
Prof. Walter Arnold: „Energietechnisch unterscheidet man eigentlich nicht mehr zwischen Winterschlaf und Winterruhe. Denn in der prinzipiellen physiologischen Reaktion gibt es keinen Unterschied zu beobachten. Der Unterschied liegt schlicht im Ausmaß, in dem die Reduktion des Stoffwechsels stattfindet und im Wärmeaustausch mit der Umgebung, die stark von der Körpergröße abhängt. Sibirische Kleinhamster zum Beispiel machen, im Gegensatz zu unseren heimischen Feldhamstern, keinen Winterschlaf, aber auch sie gehen jeden Tag in eine Art Kältestarre. In jeder täglichen Ruhephase senken sie ihren Energieverbrauch deutlich auf etwa 20 bis 30 Prozent ab. Weil sie sehr klein sind, kühlen sie dadurch im wenigen Stunden aus und werden kältestarr. Bevor sie zur nächsten Nacht wieder aktiv werden, wärmen sie den Körper mit dem braunen Fett wieder auf. Das machen auch Fledermäuse so. Im Winter halten sie tiefen, langandauernden Winterschlaf, im Sommer setzen sie diese Fähigkeit zur drastischen Energieeinsparung bedarfsbeding ein. An kalten, regnerischen Tagen hat die Fledermaus keine lohnenswerte Mahlzeit zu erwarten, weil bei einem solchen Wetter kaum Insekten herumfliegen. An solchen Tagen geht sie auch im Sommer in ihren winterlichen Energiesparzustand. Aber um noch einmal auf den Unterschied Winterruhe und Winterschlaf zurück zu kommen: Dem Bär hat man früher quasi nur eine Ruhe zugesprochen, weil er einfach nicht kalt wird und tatsächlich sofort aufstehen und sich bewegen kann. Aber: Mit Messungen des Energieverbrauchs fand man heraus, dass dieser im Winter fast genauso deutlich reduziert ist, wie beim Murmeltier. Nur kühlt der Bär kaum aus, weil bei ihm diese geringe Wärmeproduktion ausreicht, um seinen massigen Körper relativ warm zu halten. Kleine Säugetiere werden bei vergleichbar geringer Stoffwechselaktivität dagegen schnell eiskalt, denn im Verhältnis zum Volumen haben sie eine sehr große Körperoberfläche, über die viel Wärme verloren geht.
Wie gehen eigentlich die anderen heimischen Tiere, die im Winter nicht schlafen gehen, mit der Kälte um?
Prof. Walter Arnold: „Das ist interessant, wenn wir uns dazu Rehe, Rothirsche oder Gämsen ansehen. Auch die haben teilweise sehr harte Winterbedingungen und machen eigentlich das gleiche wie die Winterschläfer. Nur eben nicht so extrem. Auch sie senken ihre Stoffwechselaktivität ab. Beim Hirsch macht sie im Winter tatsächlich nur mehr die Hälfte, beim Steinbock nur mehr ein Drittel im Vergleich zum Sommer aus. Das geht, weil sie eine tiefere Körpertemperatur akzeptieren. Sie werden vor allem an den äußeren Körperregionen sehr kalt und auch sie bewegen sich kaum mehr. Ein Steinbock im Winterzustand steht meistens nur herum und wenn er sich bewegt, dann nur in Zeitlupe. Das ist zum Beispiel der Nachteil an einem Corona-Winter, wo plötzlich alle in Massen rausströmen und spazieren gehen, Schneeschuhwandern, oder Skitouren gehen. Es wurden in dieser Saison zum Beispiel so viele Tourenski wie noch nie verkauft. In solchen Massen behindern wir mit unserer Freizeitaktivität die Tiere dabei in ihrer Winterruhe und stören ihren Energiesparzustand. Das ist problematisch.“
Wir haben jetzt viel über unsere heimischen Säugetiere gesprochen. Wie sieht es denn eigentlich in der Vogelwelt aus? Haben wir da auch Vorbilder in Punkto Energiesparen?
Prof. Walter Arnold: „Wenn man davon ausgeht, dass eine gute Isolierung beim Energiesparen ein wichtiges Element ist, auf jeden Fall. Alle unsere Kleinvögel haben im Winter ein super isolierendes Gefieder, das noch wesentlich effektiver vor Wärmeverlusten schützt, als das ohnehin schon toll isolierende Winterfell der Säugetiere. Gerade unsere Winzlinge wie die Meisen sind da besondere Isolierweltmeister. Aber auch unsere Wasservögel haben großartige Energiestrategien. Haben Sie sich zum Beispiel schon einmal gefragt, warum eine Ente nicht durchs Eis schmilzt, wenn sie auf der zugefrorenen Donau herumspaziert, obwohl sie mit 40 Grad sogar eine noch höhere Körperkerntemperatur hat als wir Menschen? Das liegt daran, dass die Enten über einen Mechanismus verfügen, der ähnlich dem Wärmetauscher im Heizraum funktioniert, und dank dem die Füße der Enten kaum wärmer sind als das Eis. Die Enten haben ihren effizienten ,Wärmetauscher’ in den Beinen. Damit wird das 40 Grad warme, arterielle Blut, das die Füße der Ente mit Nährstoffen, Sauerstoff versorgt, so abgekühlt, dass es in den Beinen nur mehr kalt ankommt. Darum schmilzt die Ente nicht durchs Eis und verliert fast nichts an Körperwärme.“
Quellen: Interview mit O.Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Walter Arnold (Jänner 2021), derstandard.at und welt.de / Fotocredits: © Martin Bächer und Lutralutra via Pixabay, privat, kalhh und Julius Silver via Pixabay, Unim0g KS – Own work/CC BY-SA 4.0, Matej Madar, Jacky Barrit und Elsemargriet via Pixabay
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