Aufwachen aus dem Winterschlaf
AFB I–IIDer Europäische Ziesel, ein Erdhörnchen, hält Winterschlaf. Seine Körpertemperatur sinkt dabei auf etwa 5 °C. Beim Erwachen erwärmt sich das Tier innerhalb von rund zweieinhalb Stunden auf 37 °C, ohne sich fortzubewegen. Ziesel besitzen im Nacken und zwischen den Schulterblättern braunes Fettgewebe, das dicht von Blutgefäßen durchzogen ist.
| Zeit in min | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| braunes Fettgewebe (Nacken) in °C | 6 | 15 | 25 | 32 | 36 | 37 |
| Körperkern (Enddarm) in °C | 5 | 7 | 12 | 21 | 31 | 36 |
| Muskelzittern | nein | nein | schwach | stark | stark | nein |
- Stellen Sie dar, warum bei Energieumwandlungen im Stoffwechsel stets Wärme entsteht.
- Beschreiben Sie die Temperaturverläufe in M1.
- Erklären Sie, warum sich das braune Fettgewebe schneller erwärmt als der Körperkern.
- Vergleichen Sie eine kausale und eine funktionale Erklärung für die Wärmebildung im braunen Fettgewebe.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Nach dem Energieerhaltungssatz geht bei Umwandlungen keine Energie verloren. Keine Umwandlung verläuft jedoch vollständig in die gewünschte Energieform: Der Wirkungsgrad ist kleiner als 1, bei der Zellatmung etwa 34 %. Der Rest wird als Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Wärme kann die Zelle bei Körpertemperatur nicht mehr in ATP, Synthese oder Bewegung zurückverwandeln — die Energie ist entwertet. Lebewesen müssen daher ständig energiereiche Stoffe aufnehmen (offenes System).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beide Temperaturen steigen von etwa 5–6 °C auf 36–37 °C. Das braune Fett erwärmt sich von Beginn an schneller: Nach 60 min ist es 25 °C warm, der Körperkern erst 12 °C (Differenz 13 K, größter Abstand). Der Körperkern folgt mit etwa 30–60 min Verzögerung und erreicht nach 150 min 36 °C. Muskelzittern setzt erst nach etwa 60 min ein, ist bei 90–120 min stark und endet, sobald die Normaltemperatur fast erreicht ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Braunes Fett enthält sehr viele Mitochondrien mit dem Entkopplerprotein UCP1 in der inneren Membran. Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum; statt durch die ATP-Synthase fließen sie über UCP1 zurück in die Matrix. Die Energie des Protonengradienten wird dadurch nicht in ATP festgelegt, sondern direkt als Wärme frei; zugleich läuft die Zellatmung ohne ATP-Rückstau mit hoher Rate. Die Wärme entsteht im Fettgewebe selbst, weshalb es sich zuerst erwärmt. Über das dichte Blutgefäßnetz wird sie anschließend im Körper verteilt, der Körperkern folgt verzögert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Kausal (wie?): Protonen fließen durch UCP1 an der ATP-Synthase vorbei, die Energie des Gradienten wird als Wärme frei. Funktional (wozu?): Die Wärmebildung ermöglicht dem Ziesel, sich rasch aufzuwärmen, solange die Muskeln zum Zittern noch zu kalt sind, und erhöht so seine Überlebens- und Fortpflanzungschance; das Merkmal wurde durch Selektion begünstigt. Gemeinsam ist beiden, dass sie dasselbe Phänomen erklären. Sie unterscheiden sich in der Frage: Die kausale Erklärung nennt unmittelbare Ursachen und Mechanismen, die funktionale die biologische Bedeutung. Sie widersprechen sich nicht, sondern ergänzen einander.
Hummeln heizen vor
AFB II–IIIHummeln können erst fliegen, wenn ihre Flugmuskulatur im Brustabschnitt (Thorax) etwa 30 °C warm ist. An kühlen Morgen „zittern“ sie sich warm: Die gegeneinander arbeitenden Flugmuskeln kontrahieren gleichzeitig, die Flügel sind ausgekuppelt und bewegen sich kaum. Die Energie stammt aus dem Abbau von Zucker aus Nektar.
| Lufttemperatur in °C | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aufwärmzeit bis 30 °C Brusttemperatur in min | 10 | 6 | 3,5 | 1,5 | 0,5 |
| O₂-Verbrauch der Flugmuskulatur in ml je g und h | 58 | 60 | 57 | 59 | 58 |
- Erläutern Sie, weshalb das „Zittern“ der Flugmuskeln den Thorax erwärmt.
- Werten Sie die Daten in M2 aus.
- Berechnen Sie die Masse Glucose, die eine Hummel mindestens abbauen muss, um ihren Thorax (0,1 g; spezifische Wärmekapazität 3,5 J je g und K) von 10 °C auf 30 °C zu erwärmen. Wärmeverluste an die Umgebung bleiben unberücksichtigt (\(M_{\text{Glucose}} = 180\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
- Beurteilen Sie die Aussage: „Beim Aufwärmen verschwendet die Hummel Energie, denn ihr Wirkungsgrad ist null.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Muskeln hydrolysieren ATP für die Kontraktion. Weil die Gegenspieler gleichzeitig arbeiten und die Flügel ausgekuppelt sind, entsteht kaum Bewegung nach außen: Die Energie aus ATP wird vollständig als Wärme frei. Hinzu kommt die Wärme, die schon bei der Zellatmung entsteht (rund 66 % der Glucose-Energie). Insgesamt wird die gesamte Energie der abgebauten Glucose im Thorax zu Wärme — die Energieentwertung wird hier gezielt genutzt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Je kälter die Luft, desto länger dauert das Aufwärmen: von 0,5 min bei 25 °C bis 10 min bei 5 °C. Die Aufwärmzeit wächst stärker als die Temperaturdifferenz: Bei 5 K Differenz braucht die Hummel 0,1 min je K, bei 25 K 0,4 min je K. Der O₂-Verbrauch ist mit etwa 58 ml je g und h nahezu konstant — die Muskeln arbeiten also unabhängig von der Lufttemperatur mit maximaler Stoffwechselrate. Die Wärmebildung pro Zeit ist damit gleich; bei kalter Luft verliert der Thorax aber mehr Wärme an die Umgebung, sodass der Netto-Temperaturanstieg langsamer ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 0{,}1\,\mathrm{g} \cdot 3{,}5\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}} \cdot 20\,\mathrm{K} = 7\,\mathrm{J}\). Da die gesamte Energie der Glucose am Ende Wärme wird, gilt \(n = 7\,\mathrm{J} : 2\,870\,000\,\mathrm{J\,mol^{-1}} \approx 2{,}4 \cdot 10^{-6}\,\mathrm{mol}\) und \(m = n \cdot M \approx 2{,}4 \cdot 10^{-6}\,\mathrm{mol} \cdot 180\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 4{,}4 \cdot 10^{-4}\,\mathrm{g} = 0{,}44\,\mathrm{mg}\). Wegen der Wärmeverluste liegt der tatsächliche Bedarf höher.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Bezogen auf Bewegung nach außen ist der Wirkungsgrad tatsächlich nahezu null, und physikalisch wird die gesamte Energie entwertet. Der Wirkungsgrad hängt aber davon ab, was als Nutzen gilt: Beim Aufwärmen ist die Wärme selbst das Ziel, bezogen darauf ist der Wirkungsgrad nahezu 100 %. Biologisch ist der Energieeinsatz sinnvoll: Die Hummel kann schon bei niedrigen Temperaturen Nektar sammeln, wenn Konkurrenten noch nicht fliegen, und der Aufwand (unter 1 mg Zucker) ist gering gegenüber dem Ertrag eines Sammelflugs. Die Aussage ist daher nicht haltbar: Energie wird entwertet, aber nicht verschwendet.