Zukunftswerkstatt: Grundlagen zu kollektiver Entscheidungsfindung und Verhalten für globale Zukunftsfähigkeit. 8.-9.4.2005 Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte. Susanne Klaus Deutsches Institut für Ernährungsforschung in Potsdam Was ist Energie ? „Energie ist.

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Transcript Zukunftswerkstatt: Grundlagen zu kollektiver Entscheidungsfindung und Verhalten für globale Zukunftsfähigkeit. 8.-9.4.2005 Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte. Susanne Klaus Deutsches Institut für Ernährungsforschung in Potsdam Was ist Energie ? „Energie ist.

Zukunftswerkstatt:
Grundlagen zu kollektiver Entscheidungsfindung
und Verhalten für globale Zukunftsfähigkeit. 8.-9.4.2005
Organisationsprinzipien organismischer
Energiehaushalte.
Susanne Klaus
Deutsches Institut für Ernährungsforschung in Potsdam
Was ist Energie ?
„Energie ist die Fähigkeit eines Systems Arbeit zu leisten“
Alle Formen von Energie (chemisch, elektrisch, kinetisch etc.) können letztendlich in
Wärme überführt werden. Daher war lange Zeit die Kalorie die gemeinsame Einheit der
Energie:
1 cal = Energie die nötig ist zum Erwärmen von 1 g Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C
Heute gilt die SI (internationale) Einheit Joule:
1 cal = 4,18 J
bzw. 1 J = 0,24 cal
da diese Einheit sehr klein ist, wird normalerweise in Kilokalorien, bzw. Kilojoule gerechnet:
1000 cal = 1 kcal
1000 J = 1 kJ
Physikalische Größe
Einheit
Umrechnung
SI-Definition
Kraft
Newton (N)
N = kg x m/s2
Masse x Beschleunigung
Energie
Arbeit,
Wärmemenge
Joule
(J)
J=Nxm
=Wxs
= kg x m2/s2
Produkt aus zurückgelegter
Entfernung und ausgeübter Kraft
Leistung
(Wärmestrom,
Energieumsatz)
Watt
W
W = J/s
Arbeit pro Zeiteinheit
S. Klaus 2005
Sonnenenergie:
Energiequelle der Organismen
Sonnenenergie
(100%)
= 7Mc /m2/Tag
Absorption/Reflektion in der Atmosphäre
Erdoberfläche: 50 %
• Erwärmung Luft und
Erdoberfläche
Pflanzenoberfläche: 2 %
• Wasserverdunstung
• mechanische Energie
(fließendes Wasser)
• Hydroelektrische Energie
Fixierung durch Photosynthese : 0,02 %
Chemische Energie in menschlicher Nahrung: 2 millionstel
nach: M. Kleiber, Der Energiehaushalt von Mensch und Haustier, 1967
S. Klaus 2005
Stoff- und Energiefluss in autotrophen und heterotrophen Organismen
autotropher Organismus
(Pflanze)
H2O
CO2
heterotropher Organismus
(Tier)
CO2
Salze
NH
H2O
3
Sonnenlicht
Arbeit,
Wärme
Photosynthese
O2
körpereigene
organische Stoffe
Glucose
Katabolismus
Anabolismus
körpereigene
organische Stoffe
Anabolismus
Verdauung
Katabolismus
O2
organische
Bausteine
Arbeit,
Wärme H O CO
2
2
nach: H. Penzlin: Lehrbuch der Tierphysiologie, Gustav Fischer Verlag Jena, Stuttgart, 6. Auflage, 1996
S. Klaus 2005
Gewinnung von Nahrungsenergie
notwendige Fläche zur Erzeugung der
jährlichen Energiemenge für 1 Menschen
Wirkungsgrad
der Sonnenenergie
30000
20000
10000
0
(m2)
Eier
0.002
30.000
Schweinefleisch
0.015
4000
Schweinefleisch
Milch
0.04
1500
Milch
Getreide
0.05
1200
Getreide
Kartoffeln
0.10
600
0
0,025
0,05
0,075
0,1
Eier
Kartoffeln
(%)
S. Klaus 2005
Vereinfachtes Stoffwechselmodell
Nahrung,
Reserven
O2
ADP
ARBEIT
ATP
KATABOLISMUS
CO2
H2O
red. N
Wärme
NADP
Synthesen
Aktivität
Erhaltung
NADPH
niedrig
molekulare
Intermediate
aus: Clarke & Fraser, Funct Ecology, 18:243-251, 2004
S. Klaus 2005
ATP: “Währung” des Energiehaushaltes
Adenosintriphosphat (ATP)
+
ATP
+
Wasser
ADP
+
Pi
Phosphat
Energie
8 kcal
pro Tag setzt ein erwachsener Mensch etwa 85 kg ATP um !
S. Klaus 2005
Energieflüsse in tierischen Organismen
Beschaffung
und Aufnahme
Stoffwechsel
und Verteilung
Verbrauch
Leber
Reproduktion
Wachstum
Nahrung
oxidierbare
Substrate
Bewegung
Wärmeproduktion
Fettgewebe
Fettspeicher
aus: Wade & Schneider, Neuroscience and Biobehavioral Reviews 16: 235-272, 1992.
Erhalt
S. Klaus 2005
Biochemische Grundlagen: Temperatur-Regel (RGT-Regel)
Die Reaktionsgeschwindigkeit (RG) chemischer
Reaktionen steigt mit zunehmender Temperatur
Q10-Wert =
RG bei T1+10
RG bei T1
Der Q10-Wert für physiologische
Vorgänge liegt bei 2-3
S. Klaus 2005
Temperaturabhängigkeit von Stoffwechselraten
gemessene Stoffwechselraten von
Fischarten in ihrer natürlichen Umgebung
30
1,5
25
20
1,0
15
0,5
10
5
0
0
aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
aus: Clarke & Fraser, Funct Ecology, 18:243-251, 2004
S. Klaus 2005
Endothermie versus Ektothermie
Endothermie
Homoiothermie
(Warmblüter):
Tb wird unabhängig von
Ta reguliert
37°C
Beuteltiere: 35-36 °C
Säuger
36-38 °C
Vögel
39-41 °C
Ektothermie
Poikilothermie
(Kaltblüter, Wechselblüter):
Tb ist abhängig von Ta
0°C
0°C
37°C
Amphibien, Reptilien, Fische
alle Wirbellosen (Insekten,
Mollusken, Krebse, etc.)
S. Klaus 2005
Endothermie versus Ektothermie
Vorteile der Endothermie:
Aktivität ist unabhängig von der Umgebungstemperatur
Erschließung neuer Aktivitätsräume
- geographisch (Arktis, Antarktis, Hochgebirge)
- zeitlich (Nacht, Winter)
Nachteile der Endothermie:
Großer Energiebedarf für die Thermogenese
erhöhter Nahrungsbedarf
Notwendigkeit von Energiereserven
S. Klaus 2005
Größenabhängigkeit von Stoffwechselraten:
Oberflächengesetz
1 cm
Oberfläche = 6 cm2
Volumen = 1 cm3
Oberfläche  Volumen 2/3
Oberfläche = 24 cm2
Volumen = 8 cm3
2 cm
kleine Tiere haben eine relativ größere Oberfläche als große Tiere
und damit auch einen relativ größeren Wärme- (=Energie) Verlust
S. Klaus 2005
Größenabhängigkeit des Energieumsatzes
Spitzmaus
Maus
Erdhörnchen
Ratte
Katze
Hund
Schaf
Mensch
Pferd
Elefant
0,0048
0,025
0,096
0,29
2,5
12
43
70
650
3833
Spitzmaus
Energieumsatz
(kcal/Tag) (kcal/kg/Tag)
4
5
10
29
196
447
1107
1703
8205
30929
854
189
108
99
78
38
26
24
13
8
Energieumsatz / kg
Art
Gewicht
(kg)
Maus
Ratte
0,01
0,1
aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
1
Hund
Mensch Elefant
10
100
Körpergewicht (kg)
1000
„Gesetz der Stoffwechselreduktion“
Hätte der Mensch denselben gewichtsspezifischen Energieumsatz wie eine
Spitzmaus, müsste er pro Tag 85 kg Kartoffeln oder 38 kg Eier oder 31 kg
Schweinebraten essen !
S. Klaus 2005
Größenabhängigkeit des Energieumsatzes
EU  Gewicht 0,75
103
EU = a x Gewicht 0,75
Energieumsatz (kcal/h)
100
10-3
10-6
1.0
0.67
10-9
10-12
10-15
10-12
10-9
10-6
10-3
100
103
Körpergewicht (kg)
aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
S. Klaus 2005
Komponenten des Energieumsatzes
Reproduktion
Wachstum
Aktivität
Wärmeproduktion
Erhalt
Grundumsatz
(basal metabolic rate, BMR)
S. Klaus 2005
Der tägliche Energieumsatz = Energiebedarf
Energieumsatz des erwachsenen Menschen
Energieumsatz (kcal pro Tag)
2500
Thermogenese
Nahrungsinduzierte Wärmeproduktion
(obligatorisch und fakultativ)
2000
Aktivität
1500
1000
- Aufrechterhaltung chemischer und
elektrischer Gradienten
Grundumsatz
- Proteinsynthese
- Herzschlag und Atmung
500
60
70 %
60 --70%
- Aufrechterhaltung der Körpertemperatur
0
S. Klaus 2005
Anteil der Organe am Grundumsatz (BMR) beim Menschen
%
Körpergewicht
Organ
Hirn
Herz
Niere
Leber
GI-Trakt
Muskel
Lunge
Haut
Rest
Muskel
GI-Trakt
%
Ruheumsatz
% Gewicht
2
0,5
0,5
2,2
1,7
41,5
0,9
7,7
43,1
% BMR
16,1
10,7
7,7
18,9
14,8
14,9
4,4
1,7
10,8
Hirn
Leber
Niere
Herz
Daten aus: LC Aiello, Br J Genetics, 1997
S. Klaus 2005
Energie-intensive Funktionen im Organismus
Zentrale Steuerung und Integration
Hirn und Nervenzellen
Nahrungs (= Energie) -resorption
Magen-Darm-Trakt (bis zu 25 % des Gesamtenergiebedarfs)
Metabolismus der Nährstoffe
Leber als Hauptstoffwechselorgan: Transformation und Synthese von
Substraten und Metaboliten
Verteilung
Pumpfunktion des Herzens: Verteilung von Substraten, Sauerstoff und
Stoffwechselprodukten
Ausscheidung von Endprodukten
Niere als Ausscheidungsorgan, Synthese von Ausscheidungsprodukten
in der Leber (z.B. Harnstoff)
S. Klaus 2005
Relativer Anteil des Gehirns am Grundumsatz
Neocortex (Hirnrinde)
ca. 20%
Erwachsener
fast 50%
Säugling
S. Klaus 2005
Energieverbrauch des Gehirns
Anteil verschiedener Prozesse am Energieverbrauch
des Gehirns:
1. Vegetative metabolism
2. Gated Na influx through plasma membranes
3. Ca influx from organelles and ECF
4. Processing of neurotransmitters
5. Intracellular signaling systems
6. Axonal and dendritic transport; other
5–15%
40–50%
3–7%
10–20%
20–30%
20–30%
mindestens 60% des Energieverbrauchs ist direkt für die
Informationsverarbeitung im Hirn nötig
Das Gehirn hat keine größeren Energiereserven, die Speicher
reichen nur für etwa 80s aus.
aus: A. Ames, Brain Res Rev, 34:42-68, 2000
S. Klaus 2005
Komponenten des Energieumsatzes
Reproduktion
Wachstum
Aktivität
Wärmeproduktion
Wärmeproduktion
Erhalt
Grundumsatz
(basal metabolic rate, BMR)
S. Klaus 2005
Umgebungstemperatur und Energieumsatz bei Endothermen
Energieumsatz
Thermogenese
Grundumsatz
0°C
37°C
Bei Temperaturen unterhalb der Thermoneutralzone steigt der
Energieverbrauch für Thermogenese.
S. Klaus 2005
Wärmeproduktion: Vergleich Mensch / Maus
Mensch
Maus
40
daily energy expenditure (kJ)
10 000
8 000
Thermogenese
Aktivität
6 000
4 000
2 000
0
Grundumsatz
Thermogenese
30
Aktivität
20
Grundumsatz
10
0
Bei Raumtemperatur (21°C) ist der Anteil der Wärmeproduktion am
Energieverbrauch bei einer Maus wesentlich höher als beim Menschen
S. Klaus 2005
Komponenten des Energieumsatzes
Reproduktion
Wachstum
Aktivität
Aktivität
Wärmeproduktion
Erhalt
Grundumsatz
(basal metabolic rate, BMR)
S. Klaus 2005
Energiekosten für verschiedene Arten von Aktivität
Energieumsatz
102
Fliegen
(kcal / kg / km)
10
Laufen
1
Schwimmen
10-1
10-2
10-6
10-3
1
103
Körpergewicht (kg)
aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
S. Klaus 2005
Körpergröße und Energiekosten für Laufaktivität
Energieumsatz
(lO2/kg*h)
Maus (21g)
6
Kängururatte (41g)
5
Kängururatte (100g)
4
Hund (2,6kg)
Ratte (380g)
Erdhörnchen (240 g)
3
2
Hund (18kg)
1
0
0
2
4
6
8
10
Laufgeschwindigkeit (km/h)
aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
S. Klaus 2005
Energieumsatzes für Aktivität (Leistungs-Energieumsatz)
Maximale Stoffwechselsteigerung bei Aktivität als
Vielfaches vom Grundumsatz:
Insekten:
20-100 x
Kolibri:
8x
Wiederkäuer:
8x
Mensch:
20 x
Ein höherer Grundumsatz ist mit einem höheren maximalen
Leistungsumsatz verbunden !
S. Klaus 2005
Komponenten des Energieumsatzes
Reproduktion
Wachstum
Wachstum
+
Reproduktion
Aktivität
Wärmeproduktion
Erhalt
Grundumsatz
(basal metabolic rate, BMR)
S. Klaus 2005
Energiebedarf des Menschen: Einfluss vom Alter
pro Person
gewichtsspezifisch
14
500
+
400
(kJ / kg / Tag)
(mJ / Tag)
12
10
8
6
300
200
4
100
2
0
0
0
10
20
30
40
50
Alter (Jahre)
Daten aus: Biesalski et al., Ernährungsmedizin, 1995
60
70
0
10
20
30
40
50
60
70
Alter (Jahre)
S. Klaus 2005
Energiebedarf für Reproduktion: Vergleich Mensch / Ratte
Frau
Rattenweibchen
basal
schwanger
650
Laktation
300
140
2000
15
70
kcal/Tag
S. Klaus 2005
Die evolutionäre „Trade-off“ Theorie
„Der Grundumsatz jeder Spezies bei ihrer normalen
Umgebungstemperatur repräsentiert eine evolutionäre
Optimierung für die jeweilige Spezies, die durch
Temperatur, Ökologie und individuelle Lebensgeschichte
beeinflusst wird.“
(aus: Clarke & Fraser, Functional Ecology, 18:243-251, 2004)
S. Klaus 2005
Anpassung an limitierte Energie-Ressourcen
Reduktion des Energiebedarfs:
Ausbildung von „Dauerstadien“ (z.B. Insekten)
Überwintern in Kältestarre (z.B. Reptilien, Amphibien)
Saisonale Reproduktion
Verringerung der Wärmeabgabe
Isolierung durch Fell, Federkleid
Verhalten (Nestbau, „Huddling“)
Absenkung der Körpertemperatur bzw. Hypometabolismus
Torpor
(Vögel, Zwerghamster, Mäuse)
Hibernation (Winterschlaf, z.B. Murmeltiere, Siebenschläfer)
Estivation
(Sommerschlaf, z.B. Fledermäuse, Lemuren)
Anlage von Energiereserven:
externe Energiereserven (Hamster, Eichhörnchen)
körpereigene Energiereserven
Fettgewebe (subkutan, viszeral, Fettschwanz, Höcker)
Migration:
Vogelzug
S. Klaus 2005
Reduktion des Energiebedarfs
verbesserte Isolierung
(Reduktion des Wärmeverlustes)
S. Klaus 2005
Einfluss der Isolierung auf den Energieumsatz bei Kälte
arktisch
tropisch
400
Marmoset
Energieumsatz
300
Eisbärjunges
Erdhörnchen
Wiesel
Nasenbär
Mensch
Affe
Lemming
(% BMR)
Faultier
200
100
Polarfuchs
0
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Umgebungs-Temperatur (°C)
aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
S. Klaus 2005
Reduktion des Energiebedarfs
Torpor und Hibernation
(hypometabolische Zustände)
S. Klaus 2005
Hypometabolismus bei Endothermen (Säuger & Vögel)
Energieumsatz
Daily Torpor
Tag
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
8
9
10
Energieumsatz
Hibernation
Tag
1
2
3
4
5
6
S. Klaus 2005
Energieeinsparung durch Torpor und Hibernation
Energieeinsparung
daily Torpor
daily Torpor :
bis zu 60%
Hibernation:
bis zu 90%
Hibernation
aus: Heldmaier et al., Respiratory Physiology & Neurobiology 141: 317–329, 2004
S. Klaus 2005
Vorkommen von Torpor und Hibernation bei Säugern
daily
Torpor
Hibernation
Beuteltiere
Nagetiere
Primaten
Fledermäuse
aus: Heldmaier et al., Respiratory Physiology & Neurobiology 141: 317–329, 2004
S. Klaus 2005
Anlegen von Energiereserven
Fettreserven als endogene
Energiespeicher
S. Klaus 2005
Tageszeitliche Strukturierung von Energie Input und Output
Mittagessen
200
Abendessen
150
(kJ/min)
Energie-Input
(Nahrung)
Frühstück
Snack
100
Snack
50
0
Energie-Output
(Grundumsatz,
Aktivität)
(kJ/min)
60
Squashspiel
45
30
mit Rad
zur Uni
mit Rad
zum/vom
Mittag
15
0
0
aus: K Frayn, Metabolic Regulation,Portland Press, 1996
4
8
12
16
Tageszeit (Stunden)
20
24
S. Klaus 2005
Energiespeicher
Kohlenhydrate
(Stärke, Zucker)
1
4,2
Proteine
(Eiweiß)
1
4,2
Lipide
(Fett, Öl)
1
9,3
Gewicht
(g)
physiologischer
Brennwert
(kcal)
=
Energiegehalt
S. Klaus 2005
Energiespeicher
gebundenes Wasser
Kohlenhydrate
Protein
x 3-5
iso-energetisches
Gewicht
8 - 10
1
Lipide
x 0,1
S. Klaus 2005
Energiespeicher des Menschen
reicht theoretisch für:
Fettgewebe
15 kg Fett (Lipide)
Muskel
6 kg
Muskel
+ Leber
Blutplasma
450 g
12 g
50-60 Tage
Protein
(10-12 Tage)
Glycogen
18-24 Stunden
Glukose
30 Minuten
S. Klaus 2005
Energiespeicher: Kohlenhydrate versus Fett
Kohlenhydrate (Glykogen und Glukose):
- Energiesubstrat für das Hirn
- Kurzzeit-Energiespeicher
- schnelle Mobilisierung (z.B. bei Aktivität)
Fett (Fettsäuren):
- Langzeit-Energiespeicher
(z.B. für Laktation und längere Hungerperioden)
- langsamere Mobilisierung
S. Klaus 2005
Fett als Energielieferant: Winterschläfer
Gewichtsänderungen bei Murmeltieren
Körpergewicht
vor Winterschlaf: 4000g
nach Winterschlaf: 2800g
Verlust:
1200g
Körpergewicht (kg)
6
5
4
Energiebedarf
im Winterschlaf
ca. 30 000 kJ = 770 g Lipide
bzw. = 1025 g Fettgewebe
3
2
1
0
1988
1989
1990
aus: S. Ortmann, Dissertation, Marburg 1997
1991
1992
S. Klaus 2005
Benefit von Energiereserven: Größenabhängigkeit
theoretische Überlebensdauer bei 10% Körperfettreserven
150
Überlebensdauer (Tage)
Elefant
100
Pferd
Schaf
50
Hund
Maus
0,01
Tage
Spitzmaus
Maus
Ratte
Katze
Hund
Schaf
Mensch
Pferd
Elefant
<1
5
8
12
24
35
37
71
112
Mensch
Ratte
Spitzmaus
0
0,001
Spezies
Katze
0,1
1
10
100
1000
10000
Körpergewicht (kg)
Daten aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983
S. Klaus 2005
Energieverbrauch des Menschen
Vergleich metabolischer und nicht-metabolischer Energieumsatz
(pro Person, USA 2000)
nicht
metabolisch
metabolisch
11 000 Watt (= 230 000 kcal/Tag)
120 Watt (= 2500 kcal/Tag)
Daten aus: Moses & Brown, Ecology Letters 6: 295-300, 2003
S. Klaus 2005
Nicht-metabolischer Energieverbrauch und Fertilität
Humane Fertilität (pro Person) in den USA von 1850 bis 2000
60
30
Fertility
Geburten pro 1000 Personen
10
5
3
Lebenszeit-Geburten pro Frau
1
300
500
1000
3000 5000
10000
per capita power consumption (W)
aus: Moses & Brown, Ecology Letters 6: 295-300, 2003
S. Klaus 2005
Annual fertility rate ( births /captia / year )
Fertilitätsrate als Funktion des Energieverbrauchs
Säuger
10
pit
1
Nationen
Primaten
0.1
0.01
1
100
10000
per capita consumption or metabolic rate (W)
aus: Moses & Brown, Ecology Letters 6: 295-300, 2003
S. Klaus 2005
Zukunftswerkstatt:
Grundlagen zu kollektiver Entscheidungsfindung
und Verhalten für globale Zukunftsfähigkeit. 8.-9.4.2005
Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte.
Vielen Dank für ihr Interesse !
S. Klaus 2005