Physiologische Grenzen des Energieumsatzes bei Säugetieren

Traditionell hat man energetische Limitierungen von Tieren auf begrenzte Futterverfügbarkeit zurückgeführt. In den vergangenen zwei Jahrzehnten stellte sich aber heraus, dass Säugetiere und Vögel auch bei uneingeschränkter Nahrungsverfügbarkeit während Phasen hohen Energiebedarfs, etwa bei der Laktation, physiologische Obergrenzen des Energieumsatzes erreichen. Es ist noch nicht eindeutig geklärt, ob die Ursachen für diese physiologischen Grenzen in der Kapazität "peripherer", energieverbrauchender Organe (z.b. Skelettmuskeln, Milchdrüsen) zu finden sind, oder aber die "zentrale" Kapazität des Verdauungstrakt zur Assimilation von Nährstoffen limitierend ist. Bisher fand man bei Untersuchungen an Mäusen mehr Hinweise in Richtung einer peripheren Limitierung durch die Milchdrüsen. Es lassen sich aber weder die Existenz zentraler Limitierungen ausschließen, noch sind solche Grenzen bei allen Säugetieren notwendigerweise auf dieselben Ursachen zurückzuführen. Wir wollen daher in einer Studie am europäischen Feldhasen feststellen, ob der Energieumsatz von Häsinnen während der Laktation durch zentrale oder periphere Mechanismen begrenzt wird. Feldhasen stellen aus zwei Gründen ein hervorragendes Modell für diese Fragestellung dar: Zentrale Limitierungen, falls sie existieren, sollten am ehesten bei herbivoren Tieren mit großem Gastrointestinaltrakt auftreten. Darüber hinaus lässt sich bei Hasen die tägliche Milchleistung exakt messen, da die Jungen von der Häsin nur einmal am Tag innerhalb weniger Minuten gesäugt werden. Der Energietransfer ergibt sich direkt aus dem Gewichtszuwachs der Jungen in dieser Phase und dem bekannten Energiegehalt der Milch. Die Laktationsleistung kann dabei wesentlich exakter erfasst werden als z.b. durch Wachstumsraten der Jungtiere, die von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst sind. Bei dem vorgeschlagenen Experiment sollen weibliche Feldhasen während der Laktation auf zwei verschiedenen Diäten (energiereiche- vs. Standarddiät) gehalten werden und gleichzeitig jeweils drei Junghasen säugen. Wir erwarten, dass bei einer zentralen Limitierung laktierende Häsinnen aus der Standarddiätgruppe ihre hohen Energieansprüche nicht durch eine höhere Nahrungsaufnahme kompensieren können. Wir wollen speziell die Hypothese testen, dass Häsinnen bei energiearmer Nahrung die Kapazität ihres Darmtraktes nicht so schnell anpassen können wie es die optimale Milchleistung erfordern würde. Wir glauben mit dieser Studie wesentlich zum grundsätzlichen Verständnis physiologischer Limitierungen von Säugetieren beitragen zu können. Diese Erkenntnisse könnten auch zu verbesserten Methoden in der Sportmedizin, Tierernährung und Fleischproduktion beitragen.

Die höchsten Stoffwechselraten, die Menschen über einen längeren Zeitraum leisten können, werden bei der Tour de France erreicht. Die weltbesten Radfahrer leisten dabei etwa das Vierfache ihres Grundstoffwechsels - jener Rate des Energieumsatzes, die die Sportler hätten, würden sie bewegungslos im Bett liegen. Für die meisten von uns scheint diese Rekordleistung utopisch hoch und unerreichbar. Tatsächlich können jedoch weibliche Feldhasen während der vierwöchigen Jungenaufzucht mehr als das Sechsfache ihres Grundumsatzes leisten, wie wir im Rahmen unseres Projektes herausfinden konnten. Feldhasen tragen während der vierwöchigen Säugezeit der Jungen sehr hohe energetische Kosten, in der dritten Woche der Jungenaufzucht erreicht der Energieumsatz ein Plateau und wird nicht weiter gesteigert. Bei einer Zunahme der Wurfgröße von einem auf bis zu drei Jungen sinkt die Milchaufnahme pro Jungtier. Diese und weitere Beobachtungen ließen zunächst darauf schließen, dass Häsinnen während der Laktation an physiologische Grenzen stoßen. Worin genau bestehen diese physiologischen Grenzen und welche Faktoren bestimmen den maximalen Energieumsatz? Diesen Fragen gingen wir durch Messungen der Energiebilanz von reproduzierenden Feldhasen in einer Laborstudie nach. Damit alle Häsinnen der gleichen energetischen Belastung ausgesetzt waren, flossen in die Untersuchung nur Daten ein, die aus Würfen mit je drei Junghasen stammten. Dabei stellte sich heraus, dass Häsinnen im Frühling die hohen Energiekosten während der Säugezeit weitgehend durch die Mobilisation von Fettreserven decken, die im vorangegangenen Herbst angelegt wurden. Im Laufe des Sommers sank der Milchfettgehalt aber kontinuierlich. Bei der Aufzucht von Würfen im Herbst jedoch, wenn die Häsinnen kein Depotfett mehr hatten, erhöhten sie ihre Energieassimilation deutlich über die zuvor erreichten Werte. Nur wenn die Jungen kalten Umgebungstemperaturen ausgesetzt waren, steigerten die Mütter die Milchabgabe noch weiter. Diese unerwarteten Befunde zeigen, dass der Energieumsatz von säugenden Häsinnen normalerweise nicht durch physiologische Grenzen bestimmt wird. Vielmehr regulieren die Tiere ihre Energieausgaben je nach Vorhandensein körpereigener Reserven und Bedarf der Jungtiere, vermeiden es aber, eine "Schmerzgrenze" zu übertreten, die ihr eigenes Überleben beeinträchtigen würde. Wir vermuten, dass diese "Deckelung" des maximalen Energieumsatzes dazu dient, die übermäßige Produktion von schädlichen Sauerstoffradikalen zu vermeiden, die sich lebensverkürzend auswirken kann. Dieser Nachteil extrem hoher Stoffwechselraten würde erklären, warum die bei unseren Experimenten deutlich gewordene präzise Regulation der Energieausgabe - unter dem physiologisch möglichen Niveau - den Lebenszeit-Fortpflanzungserfolg und damit die "fitness" der Tiere maximiert.