E12 Regionale Thermoregulierung

Thema

Regionale Endothermie ist die Fähigkeit bestimmter Fische – Thunfische, Marline, Schwertfische, Makohaie und Weiße Haie –, die Temperatur ihrer Bewegungsmuskulatur, ihres Gehirns oder ihrer Augen deutlich über der Temperatur des umgebenden Wassers zu halten. Dies gelingt ihnen dank spezialisierter Gegenstrom-Wärmetauscher, einem thermischen Wundernetz. Im Gegensatz zu Säugetieren, die vollständig endotherm sind und ihre gesamte Körpertemperatur regulieren, sind diese Fische regional endotherm: Nur bestimmte Körperregionen werden thermoreguliert, während der Rest im thermischen Gleichgewicht mit dem Wasser bleibt.

Der physikalische Mechanismus hinter dieser regionalen Endothermie ist der vaskuläre Gegenstrom-Wärmetauscher: Kaltes arterielles Blut, das von den Kiemen kommt, fließt durch Kapillaren, die direkt neben den Venenkapillaren liegen, welche das warme Blut aus der Muskulatur zurückführen. Der Wärmeaustausch zwischen der benachbarten Arterie und Vene ist so schnell, dass das arterielle Blut die Muskulatur bereits erwärmt erreicht. Dadurch bleibt die Stoffwechselwärme im Muskelkern erhalten, anstatt über die Kiemen und von dort an das Wasser abgegeben zu werden.

Die Effektivität dieses Wärmetauschers – also welcher Anteil der Stoffwechselwärme er speichert statt verliert – hängt vom Verhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers selbst und der Wärmemenge ab, die das Blut durch Konvektion transportiert: Je höher die Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zur zu speichernden Wärmemenge ist, desto effektiver speichert der Wärmetauscher Wärme.

Die Temperaturdifferenz zwischen Muskel und umgebendem Wasser ist proportional zur Rate der Stoffwechselwärmeproduktion des kontinuierlich arbeitenden roten Muskels, dividiert durch die Wärmeverluste an die Umgebung.

Diese regionale Endothermie ermöglicht es Thunfischen, in kaltem Wasser zu schwimmen und gleichzeitig eine hohe Muskelkraft aufrechtzuerhalten, da die Muskelkontraktion bei höheren Temperaturen schneller und kraftvoller ist – dieselbe Abhängigkeit zwischen Temperatur und der Geschwindigkeit biologischer Prozesse, die im Modell des thermischen Kollapses dieser Sammlung beschrieben wird. Regionale Endothermie verschafft Thunfischen somit einen Leistungsvorteil in Umgebungen mit schwankenden Wassertemperaturen.

Das zu erwartende Verhalten ist, dass diese erhöhte Muskeltemperatur sowohl mit der Schwimmgeschwindigkeit als auch mit der Körpergröße des Fisches positiv skaliert, sodass große Thunfische mit einem Gewicht von über fünfzig Kilogramm ihre Muskeltemperatur zwischen zehn und zwanzig Grad Celsius über der umgebenden Wassertemperatur halten können – derselbe Temperaturunterschied relativ zum Wasser, der zu Beginn dieses Modells als definierendes Merkmal der regionalen Endothermie beschrieben wurde.

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