8. – 9. Schuljahr

Sebastian Opitz I Marie-Theres Opitz

Winterschlaf: Energiesparen als Überlebensstrategie

Siebenschläfer reagieren auf die veränderten energetischen Bedingungen des Winters. Sie halten Winterschlaf. Die Reduzierung ihres Energieumsatzes bis an die Schwelle der Überlebensfähigkeit stellt dabei mehr als eine reine Energiesparmaßnahme dar.

K 🔎 leine Tiere haben im Verhältnis zum Körpervolumen eine überproportional größere Körperoberfläche und geben dadurch viel Wärme an die Umwelt ab. Endotherme Tiere mit gleichbleibender Körpertemperatur setzen 5 –10 mal mehr Energie um als gleichgroße ektotherme Tiere. Entsprechend besitzen speziell kleine Säuger eine sehr hohe Stoffwechselrate. Da ihre Körper weiterhin eine hohe Wärmedurchgangszahl besitzen, können kleine Säuger nur für verhältnismäßig kurze Aktivitätsphasen ohne Nahrungsaufnahme ausreichend energetisch nutzbare Stoffe (hauptsächlich Körperfett) anlegen (Eckert 2002). Im Winter würde die Stoffwechselrate von kleinen Tieren bei gleichbleibender Aktivität fast doppelt so hoch liegen wie im Sommer (Campbell/Reece/Markl 2006). Da gleichzeitig die Nahrung im Winter knapper ist und eine längere, energieaufwändige Suche nötig wird, verschiebt sich die Energiebilanz besonders für kleinere Tiere zum Negativen. Kleine und mittelgroße Säuger (z.B. Siebenschläfer, Ziesel, Igel) nutzen daher häufig die Strategie, den Energieumsatz durch Winterschlaf oder ähnliche Ruhezustände massiv einzugrenzen und zwar teils um mehr als den Faktor 100 (Eckert 2002). Dass gleichzeitig ähnliche Tiere keinen (z.B. Mäuse) oder einen weniger ausgeprägten Winterschlaf halten, kann neben dem entwicklungsgeschichtlichen Hintergrund der Art daran liegen, dass spezielle Angepasstheiten gerade noch Aktivität im Winter erlaubt, während dies bei ähnlichen Arten nicht der Fall ist. Größere Tiere besitzen in Bezug auf ihre Reserven energetisch nutzbarer Stoffe einen deutlich geringeren Basalstoffwechsel und nutzen in gemäßigteren Zonen die kalten Jahreszeiten für die häufig im Verhältnis zu kleineren Tieren deutlich längeren Tragzeiten, was es wiederum ermöglicht, dass die Nachkommen zu Beginn des nächsten Winters größer und resistenter sind.
Während bei normalem Schlaf die Körpertemperatur nur geringfügig absinkt, wird diese im Zustand des Winterschlafs durch spezielle Angepasstheit teils bis knapp unter den Gefrierpunkt abgesenkt (Bachmann/Arndt 2013). Da der Unterschied zur Außentemperatur dann deutlich geringer ist, wird pro Zeit entscheidend weniger Wärme in die Umwelt abgegeben. Der Hypometabolismus, also die Absenkung physiologischer Parameter, ist die eigentliche Leistung des Winterschlafs die energetisch wichtige Verringerung der Wärmeabgabe ist deren Effekt.
Siebenschläfer sind extreme Winterschläfer
Der Siebenschläfer (Glis glis, Familie der Bilche), ein mit Schwanz ca. 30  cm langes und 120g schweres Nagetier, überdauert den Winter in einem meist sieben Monate dauernden Winterschlaf. Die Tiere verdoppeln vor dem Winterschlaf ihr Gewicht, da sie während des Winters keine Nahrung zu sich nehmen und komplett auf angefressene Fettvorräte angewiesen sind (Krystufek 2010).
Nach einer längeren Einschlafphase verringern Siebenschläfer ihren Herzschlag von 200 – 300 auf ca. 8 Schläge pro Minute (Bachmann/Arndt 2013; Krystufek 2010). Der Stoffwechsel wird von Zucker auf Fett umgestellt, die Atmung verlangsamt sich und weist Pausen von bis zu 60 Minuten auf. Die Umstellung des Stoffwechsels auf Fett ist für die Tiere während des Winterschlafes vorteilhaft, da Körperfett im Gegensatz zu den eher kurzfristig genutzten Glykogenspeichern der Leber langfristig gut speicherbar ist. Zusätzlich stellt Fett pro Gramm ca. doppelt so viel Energie bereit wie Kohlenhydrate oder Proteine.
Im Winterschlaf kann die Körpertemperatur auf bis zu 0,7  °C sinken, womit wahrscheinlich die untere Grenze der Überlebensfähigkeit erreicht ist (Bachmann/Arndt 2013). Wie bei anderen Winterschläfern unterbricht auch der Siebenschläfer den Winterschlaf für Phasen normalen Schlafs und dies teilweise mehrmals pro Woche. Obwohl diese normalen Schlafphasen 70% des gesamten Energieumsatzes während des Winters ausmachen, ist die offensichtlich wichtige Funktion dieser Phasen noch nicht endgültig geklärt. Hierbei werden unter anderem Regenerationsphasen für Immun- und Nervensystem als mögliche Ursachen angeführt.
Reicht in einem Jahr die verfügbare Energie im Nahrungsangebot nicht für den zusätzlichen Energiebedarf einer Fortpflanzung, können die Tiere auch im Sommer in eine Ruhephase fallen (Sommerschlaf). Insgesamt verbringen die Siebenschläfer dann bis zu zehn Monate des Jahres inaktiv mehr als irgendeine andere bekannte Tierart. Die Forschung geht davon aus, dass eventuelle Nachteile durch den langen Winterschlaf, wie beispielsweise die Verschlechterung des Immunsystems, von Vorteilen der Feindvermeidung stark überwogen werden könnten, sodass selbst bei ausreichender Nahrung der Sommerschlaf in bestimmten Jahren eine erfolgreiche Strategie darstellt (Bieber/Ruf 2009).
Überlegungen zum Unterricht
Da das Wissen zu Energie gerade in der Sek. I oft undifferenziert ist und auf Alltagsvorstellungen aufbaut (Opitz/Harms/Neumann/Frank/Kowalzik 2014), ist für diese Einheit eine Einführung bzw. Wiederholung des Energiekonzepts eine wichtige Voraussetzung. Bei dem Begriff ‚Energiekonzept bezieht sich dieser Artikel auf das Verständnis der vier Energieaspekte, die im Basisartikel dieses Hefts beschrieben werden. So sollten die SuS in den unten dargestellten Inhalten zum Beispiel Prozesse von Energieübertragung, -umwandung und -entwertung identifizieren können und in ihre Überlegungen mit einbeziehen, dass die gesamte von einem Organismus aufgenommene Energie nicht verloren geht, sondern erhalten wird. Mit Blick auf Energie als Basiskonzept der Naturwissenschaften werden die Inhalte dieser Einheit mit vorhergehendem Wissen verknüpft. Hierzu können z.B. Inhalte zur energetischen Nutzbarkeit der Nahrung, zu Überwinterungsstrategien, sowie Inhalte aus Physik und Chemie (z.B. Pendel, Federn) zählen.
Die einzelnen Stationen des Unterrichtsmodells (> Material 24) können durch handlungsorientierte Aktivitäten angereichert werden (z.B. den Bau eines Modells einer Winterschlafhöhle). Die Einheit ist in einen gemeinsamen Unterrichtsabschnitt (> Material 1 🔎 🔎 ) und drei anschließende Stationen unterteilt. Eine Sicherungsphase muss angeboten werden.
Tiere im Winter
1. Unterrichtsabschnitt
In der Einstiegsphase wird ein Bild von einem Tier gezeigt, das im Schnee nach Futter sucht. Die SchülerInnen sammeln (a) Vorwissen und (b) offene Fragen zu Angepasstheiten von Tieren an die Bedingungen im Winter. Das vorhandene Wissen und die Fragen werden von der Lehrkraft in einer Mind Map an der Tafel sortiert. Die Mind Map wird fotografiert und in einer abschließenden Sicherungsphase wieder aufgegriffen. Anschließend erhalten die SchülerInnen Material 1. Sie erarbeiten die Unterschiede in der Energiebilanz von Tieren zwischen Sommer und Winter und lernen die Bedeutung des Winterschlafes als Angepasstheit an veränderte energetische Bedingungen kennen. Für die Durchführung des Versuchs in Material 1 sollte ein Warmwasservorrat (38  °C, ca. 1,5  l) vorbereitet werden dies ist, z.B., leicht durch ein Wasserbad aus dem Labor möglich.
Energiesparen mit Winterschlaf
2. Unterrichtsabschnitt
Im Anschluss bearbeiten die SchülerInnen die Stationen 1– 3. Für leistungsstärkere SchülerInnen gibt es an jeder Station eine Zusatzaufgabe. An der ersten Station (> Material 2 🔎) beschreiben die SchülerInnen anhand der Gewichtsentwicklung des Siebenschläfers während des Winterschlafs den Zusammenhang zwischen der Abgabe von Energie durch Wärme, dem Abbau von energiespeicherndem Fettgewebe und der Gewichtsabnahme der Tiere. In Station 2 (> Material 3 🔎) werden zentrale Veränderungen von Körperfunktionen (z.B. Atmung, Kreislauf) während des Winterschlafs erarbeitet. Die SchülerInnen beschreiben den Nutzen dieser Angepasstheiten mit Blick auf die begrenzte Verfügbarkeit von gespeicherter Energie und die Einschränkung der Wärmeabgabe im Winter. In Station 3 (> Material 4 🔎) gehen die SchülerInnen über die rein energetische Betrachtung des Winterschlafs hinaus. Sie beschreiben im Hinblick auf Fortpflanzung Schlafphasen als erfolgreiche Lebensstrategie. Anhand von Schlafprofilen entwickeln die SchülerInnen Vermutungen, warum Phasen normalen, energieaufwändigen Schlafs während des Winterschlafs dennoch für die Tiere lohnenswert und wichtig sind.
Mehr Wissen mit
unterricht-biologie.de
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Die Spielkärtchen für Station 1
finden Sie unter
Literatur
Bachmann, K./Arndt, I. (2013). Schlaf, Igelchen, Schlaf. GEO, 1, Seite 68 –78
Bieber, C./Ruf, T. (2009). Summer dormancy in edible dormice (Glis glis) without energetic constraints. Naturwissenschaften, 96, S. 165 –171. doi: DOI 10.1007/s00114-008-0471-z
Campbell, N. A./Reece, J. B./Markl, J. (2006). Biologie (6. Auflage ed.). München: Pearsons Education
Eckert, R. (2002). Tierphysiologie (3. Auflage ed.). Stuttgart: Thieme
Krystufek, B. (2010). Glis glis (Rodentia: Gliridae). Mammalian Species, 42, 195 – 206. doi: 10.1644/865.1
Opitz, S./Harms, U./Neumann, K. (2014). Students Energy Concepts at the Transition between Primary and Secondary School. Research in Science Education. doi: 10.1007/s11165-014-9444-8
Autoren
Marie-Theres Opitz, geb. 1963; Studium der Biologie an der Universität Gießen; Umweltpädagogin; seit 2014 Lehrerin für Biologie und Chemie in Bad Segeberg.
Sebastian Opitz, geb. 1985, Biologie- und Englischstudium an der Universität Kiel; Promotionsarbeit am IPN (Kiel) zum Energieverständnis im Fach Biologie