Hier die ergänzende Präsentation über den Winterschlaf als Beispiel für circannuelle Rhythmen. Hier ist der gesprochene Inhalt enthalten

1. Circannuelle Rhythmen bei
winterschlafenden Säugern

2. • Grob in drei teile unterteilen
• 1. Einführung in die chronobiologie
• Was sind biologische Rhythmen überhaupt
• Grundsätzlicher Aufbau biologischer Rhythmen geklärt
• Zwischen verschiedenen rhythmen unterscheiden
• 2. im zweiten Teil spreche ich über die regulation biologischer Rhythmen
• Hier spreche ich sowohl die genetische Ebene an als auch neuronale Strukturen, die für
circannuelle Rhythmen verantwortlich sind
• 3. der dritte Teil beschäftigt sich mit dem winterschlaf an sich
• Hier erkläre ich, wie der winterschlaf eingeleitet wird, was im tier während dem
winterschlaf passiert und wie das tier im frühjahr aufwacht
• Am ende wird eine Kosten nutzenanalyse vom winterschlaf vorgestellt

3. Einführung: Biologische Rhythmen
• Gehört in das Themenfeld der Chronobiologie, welche ihren Ursprung schon im 18. Jahrhundert
bei pflanzen nahm
• Beschäftigt sich mit physiologischen Prozessen (zeitliche Organisation)
• Biologische Rhythmen, zu dem der Winterschlaf gehört, sind wiederkehrende physiologische
prozesse mit einer gewissen periodik, die aber durch endogene Ursachen hervorgerufen werden
• Also es sind nicht einfache Reaktionen auf wiederkehrende Reize in der Natur
• Nämlich wenn auch keine Reize gesendet werden, werden Rhythmen beibehalten
• Besteht meist aus zwei Teilen
• Einem endogenen Teil (biologische Uhr)
• Und einem exogenen Teil (äußere Zeitgeber)
• So können die innere Uhr und die Umwelt synchronisiert werden
• Veränderung der Periodenlänge eines spezifischen Rhythmus
• Die rhythmen sind durch anpassung an die natur entstanden, sodass es natürlich sinnvoll wäre wenn sowohl der innere
Rhythmus als auch der äußere Rhythmus (also zum Bsp. Tag Nacht) synchron verlaufen und nicht versetzt
• Die innere Uhr besteht aus 3 Teilen
• Sinnesorgan
• Der Kontakt zur Umwelt und leitet das signal über nerven weiter
• Oszillator, auch genannt Taktgeber (Gibt Impulse für den Start bestimmter physiologischer Prozesse)
• Immer im gewissen tempo wiederholende Impulse
• Ausgangskanäle (Output)
• Jede Zelle an sich hat innere Uhren
• -> damit alles passend abläuft werden die inneren Rhythmen der einzelnen Zellen durch den Schrittmacher (SCN)über
Nervensignale und Hormone synchronisiert

4. Unterscheidung der Rhythmen
• Es haben sich bei Tieren verschiedene innere Rhythmen im laufe der zeit
herausgebildet, man unterscheidet sie nach ihrer periode
• 1. ultradiane sind die schnellsten
• Herzschlag oder Atmung
• Sie sind kürzer alls 24 stunden
• 2. circadiane wie schon im Namen, sind rhythmen die eine Periode von ca 24
stunden haben
• prominentestes Tag – Nacht – Rhythmus
• 3. rhythmen über 24 stunden: infradiane Rhythmen
• => circannuelle Rhythmen -> Winterschlaf
• Sie haben die eigenschaften, dass
• Periodenlänge ca. aber nicht exakt 12 Monate ist
• Meist kürzer ca 10 Monate
• Wenn exakt 12 Monate, vllt. Ein unbekannter Zeitgeber
• Endogener Jahresrhythmus durch exogene Zeitgeber auf 12 Monate synchronisierbar

5. Genetische steuerung innerer Uhren
• Wie kann auf genetischer Ebene gewährleistet werden, dass ein rhythmus seine Periode
beibehält und genau zum richtigen zeitpunkt benötigte Proteine exprimiert
• Für circadiane Rhythmen wurde der Mechanismus sehr genau an Fruchtfliegen erforscht es wird aber
vermutet, dass die grundsätzlichen Kontrollmechanismen bei circannuellen Rhythmen analog verlaufen
• Um physiologische prozesse in Gang zu setzen benötigt man Gene, welche die spezifischen
Proteine exprimieren
• Sodass innere Uhren bestehen immer aus uhrengenen welche auf dem klassischen weg die
uhrenproteine exprimieren
• Dafür werden sie in Uhren-mRNA transkribiert welche danach ins cytoplasma transportiert wird
• Daraufhin werden im cytoplasma die Uhren-mRNA in Uhrenproteine translatiert
• Ein teil der gebildeten Proteine gelangt wieder in den Nucleus und blockiert die Transkribtion der Uhrengene
• Der andere teil wird währenddessen chemisch verändert und abgebaut, sodass die Konzentration allmählich
wieder sinkt, bis die uhrengene nicht mehr blockiert sind
• Danach fängt der ganze prozess von Neuem an und es entsteht eine selbstoszillierende innere Uhr
• Dieses Prinzip ist bekannt als eine Transkriptions-Translations-Feedback-Schleife

6. Endogene Ursachen:
Das SCN (suprachiasmatic nucleus)
• Zwei zentrale Regionen im Gehirn für circannuelle Rhythmen sind der
syprachiasmische Kern und das Pinealorgan
• Zunächst zum suprachiasmischen kern kurz SCN
• Kerngebiet im Hypothalamus
• Befindet sich über der Kreuzung beider Sehnerven dem sogenannten optischen chiasma
• Und ist über den retinohypothalamischen Trakt (kurz RHT) mit dem Auge verbunden
• Wichtigster Oscillator des circadianen Schlaf-Wach-Rhythmus
• Wichtigster Taktgeber für Circannuelle Rhythmen (zum Beispiel auch Winterschlaf)
• Dieses Gebiet besteht aus ca 20 000 selbstoszillierenden Zellen, welche innere Uhren
im ganzen Körper synchronisieren
• Knotenpunkt zwischen dem Lichtsignal und Hormonsignal der die Physiologie und
das Verhalten beeinflusst
• Seine Rolle konnte man durch Läsionsexperimente beweisen, da bei entnahme des
SCN die Tiere keine circadianen und circannuellen Rhythmen aufrechthalten konnten

7. • Das zweite wichtige Steuerelement ist das Piealorgan
• Es liegt an der spitze der Zirbeldrüse (im englischen pineal gland) und ist direkt
mit der Retina und dem SCN verbunden
• Man konnte belegen, dass es der Signalwandler für die Photoperiode ist
• Das von speziellen photosensitiven Ganglienzellen in der Retina übertragene Signal wird im
Pinealorgan in ein Hormonsignal umgewandelt
• Das Hormon ist das Melatonin, welches eine zentrale Rolle beim Schlaf-Wach-Rhythmus hat,
aber auch für circannuelle rhythmen relevant ist
• Durch eine erhöhte Melatoninkonzentration kann die Periode circannueller rhythmen
verlängert werden
• Sodass der Körper durch Melatoninspiegelveränderungen an das Hell dunkel angepasst wird
• Das Pinealorgan ist im Gegensatz zum SCN kein Oszillator, hat aber eine
beeinflussende Funktion auf die rhythmen durch die änderung der photoperiode
Endogene Ursachen:
Das Pinealorgan

8. Exogene Zeitgeber
• Photoperiode
• Länge der täglichen Belichtungszeit also das Verhältnis von Tag zu Nacht
• Wie schon erwähnt ist das zentrale Verbingungselement das Melatonin
• Die Photoperiode wirkt durch das melatonin
• Neben der Photoperiode gibt es aber noch andere exogene Zeitgeber, die zur
Synchronisation dienen
• Umgebungstemperatur
• Nahrungsangebot
• Hier konnte man noch nicht vollständig klären inwiefern diese auf
physiologischer Ebene wirken, deswegen erwähne ich sie auch nur kurz
30 – 45 Sek

9. Winterschlaf allgemein
• Der dritte Teil Der Winterschlaf
• in der fachsprache auch Hibernation genannt
• Ist ein Zustand in den sich homoiotherme Tiere begeben können um in Winter der energieaufwendigen
thermoregulation bei 37°C zu entgehen
• Es ist eine Periode einer sehr niedrigen Stoffwechselrate
• die mit einer Senkung der Atem und Herzfrequenz einhergeht
• Zentrales Element ist das Runterregulieren der Körpertemperatur auf 1 bis 5 °C
• Initiiert und Kontrolliert wird es durch das SCN und das Pinealorgan
• Grafik Winterschlaf
• Sie stellt die Körpertemperatur eines Arktischen Erdhörnchens im Verlauf des Jahres dar
• Wie man erkennen kann wird Torpor-Phase und kurze Aufwachphasen unterbrochen
• Ein innerer Oszillator bringt die Tiere ungefähr alle 14 Tage für weniger als 24 Stunden wieder auf ihre Normtemperatur
• Die Dauer ist abhängig von der Außentemperatur -> je höher die Temperatur desto kürzer die Torporphasen
• Diese Peaks werden auch „arousals“ genannt
• Im Gegensatz zur Hypothermie wird beim Winterschlaf die Körpertemperatur bei genauer physiologischen
Kontrolle gehalten halt bei 4°C, sodass der Körper eigenständig zu 37° C zurückkehren kann
• Es gibt sehr viele weitere Prozesse, die sich im Körper während dem Winterschlaf verändern
• Um nur ein Beispiel zu nennen
• Der Säure-Base-Zustand des Körpers
• Tiere reichern C02 im körper an, sodass der pH-Wert minimal sinkt
• Dadurch funktionieren Enzymeschlechter -> z.B sinkt die Aktivität der Phosphofruktokinase um 80 %, wenn pH um 0,1 sinkt -> katalysiert
Geschwindigkeitsbestimmendenschritt in der Glycolyse
2:30 Min

10. Einleitung des Winterschlafs
• Man kann nicht allgemein einen Zeitpunkt nennen wann der Winterschlaf eingeleitet wird
• Da es ein Zyklus ist werden gewisse Vorbereitungen schon im Spätsommer getroffen (Fettanlagerungen)
• Sprechen wir jedoch über die Veränderungen unmittelbar vor dem Winterschlaf, so findet man
eine hormonelle Veränderung
• Die zwei wichtigsten Hormone, deren Produktion erhöht wird, sind Melatonin und Serotonin
• Melatonin wird ja in der Zirbeldrüse produziert, sodass ein direkter Bezug zur kürzer werdenden Photoperiode hergestellt
werden kann
• Da die Melatoninproduktion bei Helligkeit gehemmt wird (wie man hier in der Grafik sehen kann) nimmt die
Melatoninkonzentration mit kürzer werdenden Photoperiode zu, da es nicht vollständig abgebaut werden kann
• Die Steigende Melatoninkonzentration führt zur erhöhten allgemeinen Kälteresistenz des Körpers
• Serotonin das zweite wichtige Hormon ist auch bekannt als „heat loss factor“, da es wärmebildende Mechanismen hemmt
• Mit steigender Serotoninkonzentration sinkt demnach die Körpertemperatur
• Andere Hormone, z.B. für Gewebewachstum werden hingegen weniger produziert
• Wichtige Zusatzinfo:
• Wie schon besprochen sind beim Auslösen des Winterschlafs, sowohl exogene als auch endogene Faktoren
beteiligt
• Abhängig in weclher Region ein Tier lebt ist das verhältnis zwischen exogenen Zeitgebern und genetisch festgelegter Uhr
unterschiedlich
• In extremeren Regionen versetzt sich ein Tier in Winterschlaf, ohne wirklich äußere Faktoren zu benötigen
• In milderen Regionen benötigt man äußere Stimuli (zB niedrige Umgebungstemperatur) um einen Winterschlaf auszulösen
• Tiere in milderen Regionen sind also stärker auf hormonelle Signale ihrer Rezeptoren angewiesen, um den Winterschlaf
auszulösen
• Das ist genetisch bedingt, da es für tiere in milden Regionen vor allem auf Flexibilität ankommt und tieren in extremeren Lagen
eher auf planbarkeit
2 Min

11. Aufwachen aus dem Winterschlaf
• Da das Tier, wenn es sich im Winterschlaf befindet von der Umwelt
abgeschottet ist, kann es keine Signale empfangen
• muss das Aufwachen endogen reguliert werden
• Zum Aufwachen aus dem Winterschlaf lässt sich leider noch nicht viel
sagen, da die Ursachen noch nicht gut erforscht sind
• Aber es wird vermutet, dass auch bei der Beendigung des Winterschlafes der
SCN eine besondere Rolle spielt, da die Hypophyse auch ein Bereich im
Hypothalamus beim Aufwachen eine starke Hormonausschüttung aufweist
• Bei den „Arousals“ geht man davon aus, dass die Körpertemperatur durch
Noradrenalinausschüttung hochreguliert wird, wie der Körper das jedoch
initiiert ist noch nicht bekannt
30 sek

12. Kosten-Nutzen-Analyse
• Klar machen: oftmals kleine Tiere, die winterschlaf halten
• Nutzen:
• Überlebensmöglichkeit in Gebieten mit extremeren klimatischen Bedingungen
• Weniger Konkurrenz um natürliche Ressourcen wie Essen
• Entfliehen von Fressfeinden, die in kalten Regionen nicht überleben (Reptilien polikotherme)
• Effiziente Methode der Energieeinsparung
• Unterschied klar machen
• Möglichkeit gegen Nahrungsmittelknappheit im Winter
• 4-6 Monate ohne Fressfeinde
• Kosten:
• Einbüßungen auf zellulärer Ebene
• Verkürzung der Schutzkappen von Chromosomen (Telomere)
• Schlechtes Erinnerungsvermögen
• Schlechte Reaktion auf äußere Stimuli (sind stärker der Umwelt ausgeliefert)
• Die Immunreaktion ist erniedrigt,
• höhere Anfälligkeit gegenüber Mikroorganismen
• Risiko im Winter zu früh aufwachen (wenn ausgewählter Ort scheiße ist) und nicht rechtzeitig einen neuen Ort finden -> Tod