Temperaturanpassung und Akklimatisierung

Wie Tiere ihre Physiologie und Biochemie an die Temperatur ihrer Umgebung anpassen, über eine Saison, ein Leben oder evolutionäre Zeiträume hinweg.

Definition

Temperaturanpassung ist die evolutionäre Anpassung der Physiologie und Biochemie eines Tieres an seine thermische Umgebung, während Akklimatisierung die reversible physiologische Anpassung ist, die ein Individuum als Reaktion auf saisonale oder experimentelle Temperaturänderungen vornimmt, wobei beide dazu dienen, die Funktion bei thermischen Herausforderungen aufrechtzuerhalten.

Scope

Dieses Thema behandelt die Anpassung von Tieren an die Temperatur: den Einfluss der Temperatur auf biologische Raten, die metabolische Kompensation, die die Leistung über verschiedene Temperaturen hinweg puffert, die biochemische Anpassung von Enzymen und Membranen sowie die Strategien der Kälte- und Hitzetoleranz, einschließlich Frostschutz und Gefriertoleranz. Es unterscheidet die reversible Akklimatisierung innerhalb eines Individuums von der evolutionären Anpassung über Populationen hinweg. Die Darstellung ist vergleichend und mechanistisch.

Core questions

• Wie beeinflusst die Temperatur die Raten biologischer Prozesse?
• Wie können Tiere über einen Temperaturbereich hinweg leistungsfähig bleiben?
• Wie werden Enzyme und Membranen angepasst, um bei verschiedenen Temperaturen zu funktionieren?
• Wie überleben Tiere Gefrier- oder nahezu Gefrierbedingungen?

Key theories

Metabolische Temperaturkompensation

Durch Akklimatisierung und Anpassung können Tiere die starke Abhängigkeit biologischer Raten von der Temperatur abmildern, sodass die Leistung eines Individuums oder einer Art bei seiner üblichen Temperatur gleichmäßiger ist, als es die reine Temperaturempfindlichkeit von Reaktionen vorhersagen würde.

Biochemische Anpassung von Proteinen und Membranen

Tiere passen Enzymvarianten, Proteinkonzentrationen und die Lipidzusammensetzung der Membranen (homöoviskose Anpassung) an, sodass die katalytische Funktion und die Membranfluidität bei der vorherrschenden Temperatur angemessen bleiben.

Mechanisms

Da die chemischen Reaktionsraten mit der Temperatur ansteigen, beschleunigen sich die Prozesse eines Ektotherms, wenn es sich erwärmt, und verlangsamen sich, wenn es sich abkühlt, zusammengefasst durch den Temperaturkoeffizienten. Um dies auszugleichen, passen sich Tiere im Laufe der Zeit an: Akklimatisierung verändert Enzymmengen und Stoffwechselwege, sodass ein kälteakklimatisiertes Tier bei gleicher Temperatur in der Kälte besser funktioniert als ein wärmeakklimatisiertes. Auf molekularer Ebene exprimieren Organismen Enzymvarianten, die an ihre Temperatur angepasst sind, und modifizieren die Lipidzusammensetzung von Membranen, um die Fluidität konstant zu halten (homöoviskose Anpassung). Kälteangepasste Tiere können Frostschutzproteine oder gelöste Stoffe ansammeln, die die Eisbildung verhindern oder kontrollieren, und einige tolerieren das Einfrieren ihrer extrazellulären Flüssigkeiten. Hitzetolerante Tiere verlassen sich auf Schutzproteine und stabile molekulare Strukturen. Diese Anpassungen umfassen reversible Akklimatisierung innerhalb eines Lebens und längerfristige evolutionäre Anpassung.

Clinical relevance

Studien zur thermischen Anpassung klären, wie zelluläre und molekulare Funktionen über verschiedene Temperaturen hinweg aufrechterhalten werden, und bilden die Grundlage für Anwendungen wie die Kältekonservierung von Zellen und Geweben. Dieser Eintrag ist ein lehrreiches Referenzmaterial und bietet keine medizinische Beratung.

History

Die Arbeiten von Hochachka und Somero zur biochemischen Anpassung etablierten, wie Enzyme und Membranen an die Temperatur angepasst sind, und DeVries' Entdeckung von Antifreeze-Glykoproteinen bei polaren Fischen offenbarte eine bemerkenswerte molekulare Lösung für das Leben in gefrierenden Meeren, wodurch die Temperaturanpassung als ein auf molekularer Ebene gelöstes Problem dargestellt wurde.

Key figures

• Peter Hochachka
• George Somero
• Knut Schmidt-Nielsen
• Arthur DeVries

Seminal works

• hill2016
• schmidtnielsen1997
• randall2002

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Anpassung (Adaptation) und Akklimatisierung?

Anpassung (Adaptation) bezieht sich auf vererbte Anpassungen, die durch Evolution über Generationen hinweg geformt wurden, während Akklimatisierung eine reversible Anpassung ist, die ein Individuum innerhalb seines eigenen Lebens vornimmt, beispielsweise als Reaktion auf den Wechsel der Jahreszeiten.

Wie vermeiden einige Fische das Einfrieren in polaren Meeren?

Sie produzieren Frostschutzproteine, die an winzige Eiskristalle binden und deren Wachstum stoppen, wodurch die Fische in Wasser, das kälter ist, als ihr Blut sonst gefrieren würde, ungefroren bleiben können.