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Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte. Susanne Klaus Deutsches Institut für Ernährungsforschung in Potsdam Zukunftswerkstatt: Grundlagen.

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Präsentation zum Thema: "Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte. Susanne Klaus Deutsches Institut für Ernährungsforschung in Potsdam Zukunftswerkstatt: Grundlagen."—  Präsentation transkript:

1 Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte. Susanne Klaus Deutsches Institut für Ernährungsforschung in Potsdam Zukunftswerkstatt: Grundlagen zu kollektiver Entscheidungsfindung und Verhalten für globale Zukunftsfähigkeit

2 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 Jbzw. 1 J = 0,24 cal da diese Einheit sehr klein ist, wird normalerweise in Kilokalorien, bzw. Kilojoule gerechnet: 1000 cal = 1 kcal1000 J = 1 kJ Was ist Energie ? Physikalische GrößeEinheitUmrechnungSI-Definition KraftNewton(N)N = kg x m/s 2 Masse x Beschleunigung Energie Joule(J)J = N x m Produkt aus zurückgelegter Arbeit, = W x s Entfernung und ausgeübter Kraft Wärmemenge = kg x m 2 /s 2 LeistungWattWW = J/sArbeit pro Zeiteinheit (Wärmestrom, Energieumsatz) Physikalische GrößeEinheitUmrechnungSI-Definition KraftNewton(N)N = kg x m/s 2 Masse x Beschleunigung Energie Joule(J)J = N x m Produkt aus zurückgelegter Arbeit, = W x s Entfernung und ausgeübter Kraft Wärmemenge = kg x m 2 /s 2 LeistungWattWW = J/sArbeit pro Zeiteinheit (Wärmestrom, Energieumsatz) S. Klaus 2005

3 Sonnenenergie (100%) = 7Mc /m 2 /Tag Absorption/Reflektion in der Atmosphäre Erdoberfläche: 50 % Erwärmung Luft und Erdoberfläche Wasserverdunstung mechanische Energie (fließendes Wasser) Hydroelektrische Energie Pflanzenoberfläche: 2 % Fixierung durch Photosynthese : 0,02 % Chemische Energie in menschlicher Nahrung: 2 millionstel nach: M. Kleiber, Der Energiehaushalt von Mensch und Haustier, 1967 Sonnenenergie: Energiequelle der Organismen S. Klaus 2005

4 Verdauung organische Bausteine O2O2 nach: H. Penzlin: Lehrbuch der Tierphysiologie, Gustav Fischer Verlag Jena, Stuttgart, 6. Auflage, 1996 heterotropher Organismus (Tier) autotropher Organismus (Pflanze) Photosynthese Glucose AnabolismusKatabolismus körpereigene organische Stoffe H2OH2OCO 2 Salze AnabolismusKatabolismus körpereigene organische Stoffe Arbeit, Wärme Arbeit, Wärme H2OH2O CO 2 NH 3 H2OH2O CO 2 O2O2 Sonnen- licht Stoff- und Energiefluss in autotrophen und heterotrophen Organismen S. Klaus 2005

5 Wirkungsgrad der Sonnenenergie 00,0250,050,0750,1 (%) Kartoffeln Getreide Milch Schweine- fleisch Eier (m 2) Kartoffeln Getreide Milch Schweine- fleisch Eier Gewinnung von Nahrungsenergie notwendige Fläche zur Erzeugung der jährlichen Energiemenge für 1 Menschen S. Klaus 2005

6 aus: Clarke & Fraser, Funct Ecology, 18: , 2004 Vereinfachtes Stoffwechselmodell O2O2 CO 2 H 2 O red. N Wärme ARBEIT Synthesen Aktivität Erhaltung niedrig molekulare Intermediate KATABOLISMUS Nahrung, Reserven ADP ATP NADP NADPH S. Klaus 2005

7 Wasser Energie Adenosintriphosphat (ATP) ATP: Währung des Energiehaushaltes + ATPADP + + P i Phosphat 8 kcal pro Tag setzt ein erwachsener Mensch etwa 85 kg ATP um ! S. Klaus 2005

8 aus: Wade & Schneider, Neuroscience and Biobehavioral Reviews 16: , Energieflüsse in tierischen Organismen Beschaffung und Aufnahme Stoffwechsel und Verteilung Verbrauch Nahrung oxidierbare Substrate Fettgewebe Fettspeicher Leber Wärmeproduktion Erhalt Bewegung Wachstum Reproduktion S. Klaus 2005

9 Biochemische Grundlagen: Temperatur-Regel (RGT-Regel) Temperatur (RG) Die Reaktionsgeschwindigkeit (RG) chemischer Reaktionen steigt mit zunehmender Temperatur Q 10 -Wert = RG bei T RG bei T 1 Der Q 10 -Wert für physiologische Vorgänge liegt bei 2-3 S. Klaus 2005

10 Temperaturabhängigkeit von Stoffwechselraten Q 10 = 3 Q 10 = 2 Temperatur (°C) Stoffwechselrate aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, ,5 1,0 0,5 0 Ruheumsatz (mmol O 2 /h) Temperatur (°C) aus: Clarke & Fraser, Funct Ecology, 18: , 2004 gemessene Stoffwechselraten von Fischarten in ihrer natürlichen Umgebung S. Klaus 2005

11 Endothermie versus Ektothermie Endothermie Homoiothermie (Warmblüter): T b wird unabhängig von T a reguliert Beuteltiere: °C Säuger °C Vögel °C Endothermie Homoiothermie (Warmblüter): T b wird unabhängig von T a reguliert Beuteltiere: °C Säuger °C Vögel °C Umgebungs- temperatur (T a ) Körper- temperatur (T b ) 37°C 0°C 0°C 37°C Ektothermie Poikilothermie (Kaltblüter, Wechselblüter): T b ist abhängig von T a Amphibien, Reptilien, Fische alle Wirbellosen (Insekten, Mollusken, Krebse, etc.) Ektothermie Poikilothermie (Kaltblüter, Wechselblüter): T b ist abhängig von T a Amphibien, Reptilien, Fische alle Wirbellosen (Insekten, Mollusken, Krebse, etc.) S. Klaus 2005

12 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

13 Größenabhängigkeit von Stoffwechselraten: Oberflächengesetz 2 cm 1 cm Oberfläche = 6 cm 2 Volumen = 1 cm 3 Oberfläche = 24 cm 2 Volumen = 8 cm 3 Oberfläche Volumen 2/3 kleine Tiere haben eine relativ größere Oberfläche als große Tiere und damit auch einen relativ größeren Wärme- (=Energie) Verlust S. Klaus 2005

14 Gewicht Energieumsatz Art (kg) (kcal/Tag) (kcal/kg/Tag) Spitzmaus0, Maus0, Erdhörnchen0, Ratte0, Katze2, Hund Schaf Mensch Pferd Elefant Größenabhängigkeit des Energieumsatzes Spitzmaus Maus Ratte Hund Mensch Elefant Körpergewicht (kg) 0,01 0, Energieumsatz / kg 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 ! 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 ! aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 S. Klaus 2005

15 aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 Energieumsatz (kcal/h) Körpergewicht (kg) Homoiotherme =Endotherme (Warmblüter, 37°C) Poikilotherme =Ektotherme (Wechselwarme, 20°C) Einzeller 20°C Größenabhängigkeit des Energieumsatzes EU Gewicht 0,75 EU = a x Gewicht 0,75 S. Klaus 2005

16 Komponenten des Energieumsatzes Wärmeproduktion Erhalt Grundumsatz (basal metabolic rate, BMR) Aktivität Reproduktion Wachstum S. Klaus 2005

17 Der tägliche Energieumsatz = Energiebedarf - Aufrechterhaltung chemischer und elektrischer Gradienten - Proteinsynthese -Herzschlag und Atmung -Aufrechterhaltung der Körpertemperatur Nahrungsinduzierte Wärmeproduktion (obligatorisch und fakultativ) % Energieumsatz (kcal pro Tag) Grundumsatz Aktivität Thermogenese % Energieumsatz des erwachsenen Menschen S. Klaus 2005

18 Anteil der Organe am Grundumsatz (BMR) beim Menschen Hirn 216,1 Herz 0,510,7 Niere 0,5 7,7 Leber 2,218,9 GI-Trakt 1,714,8 Muskel41,514,9 Lunge 0,9 4,4 Haut 7,7 1,7 Rest43,110,8 Organ % Gewicht % BMR Hirn Herz Niere Leber GI-Trakt Muskel % Körper- gewicht % Ruhe- umsatz Daten aus: LC Aiello, Br J Genetics, 1997 S. Klaus 2005

19 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

20 Erwachsener Säugling ca. 20% fast 50% Neocortex (Hirnrinde) Relativer Anteil des Gehirns am Grundumsatz S. Klaus 2005

21 Energieverbrauch des Gehirns mindestens 60% des Energieverbrauchs ist direkt für die Informationsverarbeitung im Hirn nötig Anteil verschiedener Prozesse am Energieverbrauch des Gehirns: 1. Vegetative metabolism 5–15% 2. Gated Na influx through plasma membranes 40–50% 3. Ca influx from organelles and ECF 3–7% 4. Processing of neurotransmitters 10–20% 5. Intracellular signaling systems 20–30% 6. Axonal and dendritic transport; other 20–30% aus: A. Ames, Brain Res Rev, 34:42-68, 2000 Das Gehirn hat keine größeren Energiereserven, die Speicher reichen nur für etwa 80s aus. S. Klaus 2005

22 Komponenten des Energieumsatzes Wärmeproduktion Erhalt Grundumsatz (basal metabolic rate, BMR) Aktivität Reproduktion Wachstum Wärmeproduktion S. Klaus 2005

23 Umgebungstemperatur und Energieumsatz bei Endothermen Umgebungs-Temperatur Energie- umsatz 0°C 37°C Thermoneutral-Zone Bei Temperaturen unterhalb der Thermoneutralzone steigt der Energieverbrauch für Thermogenese. Grundumsatz Thermogenese S. Klaus 2005

24 Wärmeproduktion: Vergleich Mensch / Maus MausMensch daily energy expenditure (kJ) Grund- umsatz Thermogenese Aktivität Grund- umsatz Bei Raumtemperatur (21°C) ist der Anteil der Wärmeproduktion am Energieverbrauch bei einer Maus wesentlich höher als beim Menschen S. Klaus 2005

25 Komponenten des Energieumsatzes Wärmeproduktion Erhalt Grundumsatz (basal metabolic rate, BMR) Aktivität Reproduktion Wachstum Aktivität S. Klaus 2005

26 Energiekosten für verschiedene Arten von Aktivität aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 Energie- umsatz (kcal / kg / km) Körpergewicht (kg) Fliegen Laufen Schwimmen S. Klaus 2005

27 Laufgeschwindigkeit (km/h) Energie- umsatz (lO 2 /kg*h) Hund (18kg) Hund (2,6kg) Erdhörnchen (240 g) Maus (21g) Kängururatte (41g) Kängururatte (100g) Ratte (380g) Körpergröße und Energiekosten für Laufaktivität aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 S. Klaus 2005

28 Energieumsatzes für Aktivität (Leistungs-Energieumsatz) Maximale Stoffwechselsteigerung bei Aktivität als Vielfaches vom Grundumsatz: Insekten: x Kolibri:8 x Wiederkäuer:8 x Mensch:20 x Ein höherer Grundumsatz ist mit einem höheren maximalen Leistungsumsatz verbunden ! S. Klaus 2005

29 Komponenten des Energieumsatzes Wärmeproduktion Erhalt Grundumsatz (basal metabolic rate, BMR) Aktivität Reproduktion Wachstum + Reproduktion Wachstum + Reproduktion S. Klaus 2005

30 pro Person gewichtsspezifisch Energiebedarf des Menschen: Einfluss vom Alter Alter (Jahre) Alter (Jahre) (mJ / Tag) (kJ / kg / Tag) + Daten aus: Biesalski et al., Ernährungsmedizin, 1995 S. Klaus 2005

31 Energiebedarf für Reproduktion: Vergleich Mensch / Ratte Frau Rattenweibchen basal schwanger Laktation kcal/Tag S. Klaus 2005

32 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: , 2004) 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: , 2004) S. Klaus 2005

33 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

34 verbesserte Isolierung (Reduktion des Wärmeverlustes) verbesserte Isolierung (Reduktion des Wärmeverlustes) Reduktion des Energiebedarfs S. Klaus 2005

35 Umgebungs-Temperatur (°C) Energie- umsatz (% BMR) Faultier Nasen- bär Mensch Marmoset Wiesel Lemming Erd- hörnchen Eisbär- junges Polarfuchs arktisch tropisch Affe Einfluss der Isolierung auf den Energieumsatz bei Kälte aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 S. Klaus 2005

36 Torpor und Hibernation (hypometabolische Zustände) Torpor und Hibernation (hypometabolische Zustände) Reduktion des Energiebedarfs S. Klaus 2005

37 Hypometabolismus bei Endothermen (Säuger & Vögel) Energieumsatz Tag Energieumsatz Tag Daily Torpor Hibernation S. Klaus 2005

38 aus: Heldmaier et al., Respiratory Physiology & Neurobiology 141: 317–329, 2004 Energieeinsparung durch Torpor und Hibernation daily Torpor Hibernation Energieeinsparung daily Torpor : bis zu 60% Hibernation: bis zu 90% S. Klaus 2005

39 aus: Heldmaier et al., Respiratory Physiology & Neurobiology 141: 317–329, 2004 Vorkommen von Torpor und Hibernation bei Säugern daily Torpor Hibernation Beuteltiere Nagetiere Fledermäuse Primaten S. Klaus 2005

40 Fettreserven als endogene Energiespeicher Fettreserven als endogene Energiespeicher Anlegen von Energiereserven S. Klaus 2005

41 aus: K Frayn, Metabolic Regulation,Portland Press, 1996 Tageszeitliche Strukturierung von Energie Input und Output Energie-Input (Nahrung) Energie-Output (Grundumsatz, Aktivität) Tageszeit (Stunden) (kJ/min) mit Rad zur Uni mit Rad zum/vom Mittag Squash- spiel Frühstück Snack Abendessen Mittagessen (kJ/min) S. Klaus 2005

42 Energiespeicher Gewicht (g) physiologischer Brennwert (kcal) = Energiegehalt Kohlenhydrate Proteine Lipide (Stärke, Zucker) (Eiweiß) (Fett, Öl) 111 4,2 9,3 S. Klaus 2005

43 Energiespeicher Kohlenhydrate Protein Lipide gebundenes Wasser iso-energetisches Gewicht x 3-5 x 0,1 S. Klaus 2005

44 Energiespeicher des Menschen Fettgewebe Muskel + Leber Blutplasma 15 kg Fett (Lipide) 6 kg Protein 450 g Glycogen 12 g Glukose reicht theoretisch für: Tage (10-12 Tage) Stunden 30 Minuten S. Klaus 2005

45 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

46 Körpergewicht vor Winterschlaf: 4000g nach Winterschlaf: 2800g Verlust: 1200g Energiebedarf im Winterschlaf ca kJ = 770 g Lipide bzw. = 1025 g Fettgewebe Körpergewicht (kg) Gewichtsänderungen bei Murmeltieren Fett als Energielieferant: Winterschläfer aus: S. Ortmann, Dissertation, Marburg 1997 S. Klaus 2005

47 Benefit von Energiereserven: Größenabhängigkeit theoretische Überlebensdauer bei 10% Körperfettreserven Überlebensdauer (Tage) 0,0010,010, Körpergewicht (kg) Spitzmaus Maus Ratte Hund Mensch Elefant Pferd Schaf Katze Spitzmaus Maus Ratte Katze Hund Schaf Mensch Pferd Elefant < Spezies Tage Daten aus: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 S. Klaus 2005

48 Energieverbrauch des Menschen Vergleich metabolischer und nicht-metabolischer Energieumsatz (pro Person, USA 2000) nicht metabolisch Watt (= kcal/Tag) 120 Watt (= 2500 kcal/Tag) Daten aus: Moses & Brown, Ecology Letters 6: , 2003 S. Klaus 2005

49 Nicht-metabolischer Energieverbrauch und Fertilität aus: Moses & Brown, Ecology Letters 6: , 2003 Humane Fertilität (pro Person) in den USA von 1850 bis 2000 per capita power consumption (W) Fertility Geburten pro 1000 Personen Lebenszeit-Geburten pro Frau S. Klaus 2005

50 Annual fertility rate ( births /captia / year ) aus: Moses & Brown, Ecology Letters 6: , 2003 Fertilitätsrate als Funktion des Energieverbrauchs per capita consumption or metabolic rate (W) Säuger Primaten Nationen ppit S. Klaus 2005

51 Zukunftswerkstatt: Grundlagen zu kollektiver Entscheidungsfindung und Verhalten für globale Zukunftsfähigkeit Vielen Dank für ihr Interesse ! Organisationsprinzipien organismischer Energiehaushalte. S. Klaus 2005


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