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Sonntag, 23.07.2017
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Bären: Winterschlaf enthüllt einzigartige Fähigkeiten

Schwarzbären können Körpertemperatur und Stoffwechsel entkoppeln

Schwarzbären gehören zu den Säugetieren, die jeden Winter monatelang in den Winterschlaf fallen. In „Science“ berichten Forscher jetzt, dass die Bären dabei einige überraschende Besonderheiten aufweisen: Sie senken ihre Stoffwechselaktivität und Herzrate auf nur noch ein Viertel der normalen Rate, ohne die Körpertemperatur im gleichen Maße zu reduzieren. Diese Entkopplung von Temperatur und Stoffwechsel ist bisher einmalig unter den Großsäugern.
Schwarzbär in überwachter Schlafhöhle

Schwarzbär in überwachter Schlafhöhle

Die Schwarzbären Alaska verbringen jedes Jahr fünf bis sieben Monate ohne Nahrung, ohne zu trinken und ohne Kot oder Urin abzugeben – sie sind im Winterschlaf. Während bei kleineren winterschlafenden Säugetieren wie dem Igel recht gut bekannt ist, wie Körperfunktionen und Stoffwechsel während der Ruhepause laufen, war dies für große Säuger wie die Bären bisher nahezu unerforscht. Jetzt haben Forscher der Universität von Alaska erstmals den Winterschlaf der Schwarzbären unter natürlichen Bedingungen untersucht – und Überraschendes entdeckt.

Für die Studie wurden Schwarzbären in naturähnliche Höhlen tief im Wald gebracht, die mit Infrarotkameras, Aktivitätsdetektoren und anderen Sensoren ausgestattet waren. Um die Körpertemperatur, Herzfrequenz und Muskelaktivität der Bären zu überwachen, pflanzten die Forscher jedem Tier außerdem einen Mess-Chip mit Sender ein. Fünf Monate lang wurden die Bären dann während ihres Winterschlafs kontinuierlich überwacht.

Ungewöhnliche starke und lange Temperaturschwankungen


Die Auswertung der Daten erstaunte: Die Körpertemperatur der Schwarzbären schwankte in langsamen Zyklen von zwei bis sieben Tagen zwischen 30 und 36° Celsius. So starke, über mehrere Tage reichende Zyklen sind für kein anderes winterschlafendes Tier bisher bekannt. Sank die Temperatur auf 30°C ab, begannen die Bären zu zittern, bis sie sich wieder erhöhte.


„Ein wichtiges Indiz um zu verstehen, was mit dem Stoffwechsel der Bären geschieht ist ihre Körpertemperatur“, erklärt Øivind Tøien vom Institut für arktische Biologie der Universität von Alaska in Fairbanks. „Wir wissen, dass die Bären beim Winterschlaf ihre Körpertemperatur in gewissem Maße senken, aber in Alaska stellten wir fest, dass diese Schwarzbären ihre Kerntemperatur in variablen Zyklen über die Zeit von mehreren Tagen regulieren. Das tun kleinere Winterschläfer nicht und unseres Wissens nach wurde dies bei Säugetieren auch noch niemals zuvor beobachtet.“

Stoffwechsel um 75 Prozent gedrosselt


Die Messung der Stoffwechselraten über den Sauerstoffverbrauch der Tiere zeigte zudem, dass diese während des Winterschlafs um rekordverdächtige 75 Prozent gegenüber den Sommerwerten absanken. Gleichzeitig verlangsamte sich auch der Herzschlag von rund 55 Schlägen pro Minute auf rund 14 Schläge pro Minute.

Amerikanischer Schwarzbär aus Alaska

Amerikanischer Schwarzbär aus Alaska

Diese starke Reduktion ist äußerst ungewöhnlich, da sie nicht direkt mit der Absenkung der Körpertemperatur gekoppelt zu sein scheint: Von anderen Winterschläfern ist bekannt, dass chemische und biologische Prozesse jeweils bei zehn Grad Temperaturreduktion um rund die Hälfte verlangsamt werden. Die Schwarzbären jedoch senkten ihre Kerntemperatur um nicht mehr als fünf bis sechs Grad und trotzdem fiel ihre Stoffwechselleistung um gewaltige 75 Prozent und damit deutlich stärker als erwartet.

Herzschlag von Atmung beeinflusst


Und noch eine Besonderheit zeigten die Tiere: „Sinus-Arhythmie ist eine Variation der Herzfrequenz relativ zur Atmung und die Bären zeigen eine extreme Form davon”, so Tøien. „Wenn sie einen Atemzug machen, ist ihr Herzschlag fast normal. Aber zwischen den Atemzügen schlägt das Herz der Bären sehr langsam. Manchmal liegen bis zu 20 Sekunden zwischen den Schlägen. Jedes Mal, wenn der Bär einatmet, beschleunigt sich sein Herz für kurze Zeit. Wenn er ausatmet, verlangsamt sich das Herz wieder.“

Interessanterweise kehrte die Stoffwechselaktivität im Frühling, nach Ende des Winterschlafs, nicht sofort zu voller Leistung zurück. Die überraschten Forscher stellten stattdessen fest, dass die metabolischen Raten noch zwei bis drei Wochen lang auf halber Kraft blieben, bevor sie wieder die volle Leistung erreichten.

Anwendung auch in der Medizin denkbar


Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse ein einzigartiges Bild des Winterschlafs bei einem menschengroßen Säugetier. Die neuen Funde eröffnen neue Impulse für die Forschung, aber auch für zukünftige medizinische Anwendungen. „Wenn die Schwarzbären im Frühling aus ihren Winterhöhlen auftauchen, haben sie kaum an Muskel- und Knochenmasse verloren“, erklärt Brian Barnes, ebenfalls von der Universität von Alaska. Würde ein Mensch so lange nahezu bewegungslos überwintern, wären bei ihm Knochen und Muskeln stark abgebaut und nur noch eingeschränkt funktionsfähig. Offenbar besitzen die Bären spezielle genetische Anpassungen, die einen solchen Abbau verhindern.

„Wenn wir die genetische und molekulare Basis dieser Anpassungen entdecken könnten, gäbe es vielleicht die Möglichkeit, neue Therapien und Medikamente zu entwickeln, die beispielsweise Osteoporose und Muskelabbau beim Menschen verhindern. Oder wir könnten Schwerverletzte in eine Art Ruhestadium versetzten, bis sie in entsprechende medizinische Behandlung gebracht werden können.“ Nach Ansicht der Forscher könnte das Wissen um die Mechanismen des Winterschlafs in der fernen Zukunft sogar für Langzeit-Weltraumreisen nützlich sein – um Astronauten in den Kälteschlaf zu versetzen. (Science, 2011; DOI: 10.1126/science.1199435)
(American Association for the Advancement of Science, 21.02.2011 - NPO)
 
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