Organgrößen und Energiehaushalt bei Murmeltieren

Die Größe von Organen erwachsener Tiere, insbesondere solcher Organe, die an der Verar-beitung von Nahrungsbestandteilen beteiligt sind, ist nicht konstant, sondern wird flexibel an den veränderlichen Energiebedarf angepasst. So schrumpfen z.B. die Organe des Verdau-ungstrakts bei Zugvögeln vor Langstreckenflügen oder werden bei Säugetieren bei der Milch-abgabe vergrößert. Man vermutet, dass die Größe von Organen den langfristigen Energieum-satz von Säugern und Vögeln limitiert, und dass ein Nachteil des Erhalts großer, energiezeh-render Gewebe in einem erhöhten Grundumsatz (BMR) besteht. Die Ergebnisse von Untersu-chungen zu diesem Zusammenhang sind aber nicht eindeutig. In einigen Fällen konnte keine Beziehung zwischen der Größe bestimmter Gewebe und der Stoffwechselrate gefunden wer-den. Bisher existiert auch keine Studie mit einer detaillierten, energetischen Kosten-Nutzen Analyse solcher Organveränderungen. Ein ideales Tiermodell zur Untersuchung dieser Fragen könnten pflanzenfressende Winterschläfer, wie das Alpenmurmeltier (Marmota marmota) darstellen. Während ihres 7-monatigen Winterschlafs fressen Murmeltiere nicht, sondern le-ben nur von körpereigenen Energiereserven. Auch im Frühjahr ist die Nahrungsverfügbarkeit begrenzt. Wir stellten in einer Vorstudie fest, dass sich bei Murmeltieren im Winter die Größe von Organen des Verdauungstrakts enorm verringert. Wir planen, neben den Organgrößen, auch den Grundumsatz (mit indirekter Kalorimetrie) und den täglichen Energieumsatz (mit doppelt markiertem Wasser) bei Murmeltieren zu messen. Hierzu sollen Tiere in ihrem natür-lichen alpinen Lebensraum in der Schweiz untersucht werden, die zur Schadensbegrenzung von Wildhütern regelmäßig erlegt werden müssen. Die drei wesentlichen Ziele dieses Projekts sind: 1.) Mögliche Zusammenhänge zwischen Organgröße, BMR und täglichem Energieum-satz zu identifizieren. 2.) Den Einfluss der Veränderung von Organgrößen auf jährliche Ener-giebudgets zu bestimmen. 3.) Die Mechanismen der Regulation von Organgrößen zu untersu-chen, mittels Analyse der Beziehung zwischen Veränderungen von Gewebegrößen und Nah-rungsmenge/Nahrungszusammensetzung. Die Ergebnisse dieses Projekts könnten wesentlich zu unserem Verständnis der Grenzen des Energieumsatzes bei Säugetieren generell, und der speziellen jahreszeitlichen Anpassung des Energiehaushalts von Winterschläfern beitragen. Darüber hinaus werden hier Fragen angesprochen, die für die Produktion von Biomasse (z.B. Energieverwertung in der Fleischproduktion), klinische Anwendungen (Hyperthrophie von Organen, Gewebeerneuerung) oder für die Sportmedizin (physiologische Grenzen des Trai- nings) relevant sind.

Die Größe von Organen, insbesondere von Organen der Nährstoffaufnahme, ist auch bei ausgewachsenen Tieren nicht konstant, sondern wird an den Energiebedarf angepasst. Wir fanden bei Murmeltieren (Marmota marmota), die als herbivore Tiere während ihres siebenmonatigen Winterschlafs keine Nahrung aufnehmen, dass die Organe des Gastrointestinaltrakts in dieser Zeit um rund die Hälfte schrumpfen. Dies gehört zu den stärksten Veränderungen von Organgrößen, die bisher bei Wirbeltieren beobachtet wurden. Alimentäre Organe, wie Leber und Nieren, wurden ebenfalls (um rund 30 %) verkleinert, andere Gewebe, wie Herz, Gehirn, Lungen und Skelettmuskulatur, blieben jedoch unverändert. Dieser Befund weist auf eine differentielle Regulation von Organgrößen hin: Gewebe mit wichtigen Funktionen während der wiederkehrenden Aufwärmphasen im Laufe des Winterschlafs oder solche, die für Bewegung und Nahrungssuche im Frühjahr wichtig sind, werden unverändert beibehalten, obwohl auch sie im Winter deutlich weniger beansprucht werden. Die Verkleinerung des Dünndarms, des Magens und anderer Teile des Gastrointestinaltrakts hatte deutliche Wirkungen auf die energetischen Kosten der Erhaltung, d.h. auf den Grundumsatz. Durch die Reduktion ihres Gastrointestinaltrakts verringerten Murmeltiere ihren Grundumsatz im Frühjahr um rund 20 %, zu einer besonders kritischen Jahreszeit also, in der die Fortpflanzungstätigkeit ein Ende des Winterschlafs erzwingt, die Nahrung im alpinen Lebensraum aber noch knapp ist. Es stellte sich heraus, dass Organverkleinerung auch zur deutlichen Energieeinsparung während der Winterschlafsaison selbst beiträgt, da diese Strategie - zusätzlich zur Reduktion der Erhaltungskosten von Geweben - auch die Masse des Gewebes verringert, das während jeder Aufwachphase im Winterschlaf (bei Murmeltieren etwa alle 12 Tage) von ca. +3 C auf +36 C erwärmt werden muss. Bemerkenswert ist, dass die Kosten der saisonalen Anpassung von Gewebegrößen, die durch Gewebewachstum während des Sommers entstehen, vernachlässigbar gering sind und nur ca. 0.5 % der täglichen Energieausgaben ausmachen. Unsere Studie belegt deutlich den Zusammenhang zwischen Organgröße und Grundumsatz, ein Zusammenhang, der aufgrund früherer Studien an anderen Tiermodellen mehrfach in Frage gestellt worden war. Die Regulation von Gewebegrößen ist offensichtlich ein integraler Bestandteil der jahreszeitlichen Anpassung von Winterschläfern (und wahrscheinlich von vielen saisonalen Säugetieren). Wir glauben, dass phänotypische Plastizität "im Inneren des Körpers" bisher möglicherweise unterschätzt wurde, und dass weitere Forschungen auf diesem Gebiet relevant werden könnten für Fleischproduktion, klinische Anwendungen (Organhypertrophie, Gewebereparatur) oder die Sportmedizin.