Protokoll 1 - StV Biologie Salzburg

UE Physiologie März 2012
Protokoll
Physiologie - Übung
LV Nr. 437.028
Teil Dr. Lametschwandtner
Kurs 2 (Gruppe5)
Studierende
David Gaussner (0922148)
Gernot Haseloff (0822753)
David Roula (0807435)
26. März
Sommersemester 2012
Universität Salzburg 1 / 14

UE Physiologie März 2012
Sauerstoffverbrauch, eines homoiothermen und eines poikilothermen Tieres
Versuch 1:
Sauerstoffverbrauch eines homoiothermen Tieres (Mus Musculus) in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur
a.) Messung des Sauerstoffverbrauches bei Raumtemperatur
� Die Durchführung sowie die verwendeten Materialen wurden dem Skriptum
entnommen. Etwaige Abänderungen, Ergänzungen sowie die Beantwortung
der Fragen erfolgen im Protokoll.
Die Füllung des Luftsackes erfolgt mit Pressluft, um eine konstantes
Sauerstoff- sowie Kohlendioxidkonzentration zu erhalten.
Der Saustoff- und Kohlendioxidgehalt der Pressluft, die durch die Kammer
strömt, wird ohne Versuchstier gemessen und aufgezeichnet bis eine
Stabilisierung eintritt.
Nach 7 Minuten wurde die Maus in die Kammer gesetzt und der Verlauf der
Sauerstoff und CO2-Kurven weiter beobachtet und aufgezeichnet bis die
Werte erneut stabilisiert sind.
Abbildungen: Messaufbau und Käfig
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Messwerte:
Anfangswert Endwert
Endwert -
Anfangswert
O2Gehalt % 18,03% 17,7% 0,33 %
CO2 ppm 631ppm 3100ppm 2469 ppm =0,25%
Flussrate 0,8 L/min 0,8 L/min -
Gewicht der
Maus
26,63 g 26,34 g 0,29 g
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Verhalten der Maus bei Raumtemperatur:
- Einsetzen der Maus bei Minute 7.
- Maus anfangs ruhig (wartet ab), fängt dann an zu putzen
- Nach dem Körperputz Erkundung der Kammer mit der Schnauze
- Danach verhält sie sich ruhig, es ist dabei ein Absinken des Co2-Wertes zu
erkennen
- Maus verhält sich aktiver, steht auf Hinterbeinen erforscht die möglichen
Ausgänge der Kammer es wird ein Anstieg des Co2 Wertes erkennbar
- Abschließend wieder sehr ruhig, Putzverhalten und ein Sinken des Co2-
Gehaltes
Berechnung des Sauerstoffverbrauches pro Körpergewicht und Stunde :
1.) Sauerstoffverbrauch der Maus
Δ O2 = 0,33%
1% O2 = 10µl/ml>
0,33*10µl/ml = 3,3µl/ml
800ml/min x 3,3 µl/ml = 2640 µl/min
Versuchsdauer mit der Maus:13 min 2640µl/min x 13 min = 34320µl/13 min
> für 13 min… 34320µl/min > für 1 h
Sauerstoffverbrauch pro g:
26,63 g
=158400 µl /h
158400µl/26,63g /h
5948,18µl/g Körpergewicht/ h
5,9 ml/g/h
Literaturwerte:
Lehrbuch der Tierphysiologie (Heinz Penzlin) S 364 Tabelle 8.5
Maus (Mus): 1700 mm³/g Körpermasse/h =>1,7ml/g Körpermasse/h
Anmerkung zum Sauerstoffverbrauch:
Der Wert des Sauerstoffverbrauches liegt weit höher als jener aus der Literatur.
Dieser ergibt sich wahrscheinlich aus ihrer gesteigerten Aktivität aufgrund einer nicht
gewohnten Situation bzw. Umgebung und aus etwaigen Abweichungen aus der
Messung.
2.) Respiratorischer Quotient:
Δ O2 = 0,33%
1% O2 = 10µl/ml
Δ CO2 = 0,25 %
1% CO2 = 10µl/ml
RQ= Abgegebenes Kohlendioxid/
Aufgenommenen Sauerstoff
0,33.10µl/ml = 3,3 µl/ml
800ml/min x 3,3 µl/ml = 2460 µl/min
0,25.10µl/ml = 2,5µl/ml
800ml/min x 2,5 µl/ml =2000 µl/min
RQ = 2000 µl/min/ 2460 µl/min = 0,81
Anmerkung RQ:
Der errechnete Wert für den respiratorischen Quotienten liegt bei 0,81. Laut
Literaturangabe und Skriptum steht die Größe dieses Wertes für eine Ernährung
basierend auf Eiweiß. Fettreiche Nahrung hätte einen Wert von 0,7 und 1 für
Kohlehydrate, da diese Bilanz ausgeglichen ist.
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3.) Stoffwechselrate
Sauerstoffverbrauch in µl /g
Körpergewicht/min = (5948,18µl/g/h :
60)= 99,14 µl/g Körpergewicht/min
Anmerkung Stoffwechselrate
Stoffwechselrate der Maus
=99,14 µl/g Körpergewicht/min x 0,0201
>Umrechnung in J/Gramm
= 1,99J/g Körpergewicht/min
Literaturwert: In „Biologie in Zahlen“ (Schlieper 1952, Vangerow 1975) ist der
Sauerstoffverbrauch der Maus in Ruhe mit 3,5 gO2/kg/h =4900µl/g/h bzw. in Bewegung mit
28 gO2/kg/h = 39200 µl/g/h angegeben. Dabei nährt sich der errechnete Wert von ca. 6000
µl/g/h aus diesem Versuch einigermaßen gut an, da die Maus ja nicht ständig und sich auch
nicht extrem in Bewegung befand.
b.) Messung des Sauerstoffverbrauches bei kalter Umgebungstemperatur
Messwerte:
Anfangswert Endwert
Endwert -
Anfangswert
O2Gehalt % 18,03 % 17,65 % 0,38%
CO2 ppm 688 ppm 3940 ppm 3252 ppm =0,33%
Flussrate 0,7 l/min 0,7 l/min -
Gewicht der
Maus
26,34 g 25,21 g 1,13 g
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Verhalten der Maus in Eiskammer:
- Einsetzen der Maus bei Minute 8
- Merklich aktiver. Maus beginnt sofort sich zügig zu putzen.
- Hektisches Erforschen der Kammer, klettert herum, auch ein Aufrichten ist zu
erkennen.
- Ein merklicher Anstieg des CO2 Verbrauchs
- Maus springt gegen Deckel der Kammer, krallt sich an den
Schlauchausgängen fest.
- Maus putzt sich wieder wird inaktiver
- Wird ruhiger und macht sich anschließend sehr klein
Berechnung des Sauerstoffverbrauches pro Körpergewicht und Stunde :
1.) Sauerstoffverbrauch der Maus
Δ O2= 0,38 %
1% O2 = 10µl/ml
0,38 x 10 µl/ml = 3,8 µl/ml
800ml/min x 3,8 µl/ml = 3040 µl/min
Versuchsdauer mit der Maus (8min.) 2660µl/min x 8 min = 24340µl/8 min
=182400 µl /h
Gewichtsmittel:25,77 g 182400 µl /25,77 g /h
7078 µl/g Körpergewicht/ h
7,08 ml/g Körpergewicht/ h
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2.) Respiratorischer Quotient:
Δ O2= 1,29 %
1% O2 = 10µl/ml
Δ CO2 = 1,109%
1% CO2 = 10µl/ml
RQ = Abgegebenes Kohlendioxid/
Aufgenommenen Sauerstoff
3.) Stoffwechselrate
Sauerstoffverbrauch in µl /g
Körpergewicht/min = 7078 µl/g
Körpergewicht/h :60
1,29 x 10 µl/ml = 12,9 µl/ml
600ml/min x 12,9 µl/ml = 7740 µl/min
1,109 x 10µl/ml = 11,09µl/ml
600ml/min x 11,09 µl/ml = 6654µl/min
RQ = 6654 µl/min/ 7740 µl/min = 0,8597
Stoffwechselrate der Maus
= 117,96 µl/g Körpergewicht/min x 0,0201
= 28,58 cal /g Körpergewicht/min
= 2,37 J / g Körpergewicht /min
Fragen aus dem Übungsskriptum:
1.) Durch eine niedrigere Umgebungstemperatur erhöht sich die Stoffwechselrate der
Maus, da sie mehr Energie aufwenden muss, um die Körpertemperatur zu erhalten.
Außerdem zeigte sich ein deutlich größerer Gewichtsverlust bei der Messapparatur
mit dem Eis.
2.) Das Verhalten der Maus äußerte sich dadurch, dass sie beiwarmen
Temperaturen eine konstante höhere Aktivität zeigte und bei kälteren Temperaturen
nach anfänglicher hoher Aktivität sie bald eine eher starre Position einnahm, in der
sie sich auch ganz klein machte, um möglichst wenig Wärme zu verlieren.
3.) Endotherme Tiere erhalten ihre Körpertemperatur über den Stoffwechsel aufrecht,
wohingegen ektotherme Tiere die Möglichkeit haben, über externe Energiequellen
(Sonnenstrahlen) ihren Körper zu wärmen und somit eine geringere Stoffwechselrate
besitzen wie ein endothermes Tier gleicher Größe.
4.) Die Endothermie bringt den Vorteil ständig aktiv sein zu können, was vor allem für
die Reproduktion von Vorteil ist.
Versuch 2: O2-Verbrauch beim Fisch
1. Datengenerierung
Einleitung
Alle biochemischen Vorgänge im Körper involvieren die Umsetzung von Energie.
Entweder es wird Energie „verbraucht“ oder sie wird am Ende einer Reaktion
freigesetzt. Mit über 70 kg täglicher Produktion ist ATP das meistgenutzte Energie-
Medium für den Menschen. ATP ist für diverseste Aufgaben zuständig, wie zum
Beispiel das Aktivieren oder Deaktivieren von Proteinen, Signalübertragung und
weiteres.
ATP entsteht in den Mitochondrien wo die Zellatmung stattfindet. Essentieller
Bestandteil dieses Vorganges ist der Sauerstoff, der mit 21% in unserer Luft
vorhanden ist. Im heutigen Versuch möchten wir uns den Sauerstoffverbrauch zweier
Wirbeltiere ansehen; dem Fisch und der Maus. Bei der Maus, die ein homoiothermer
Organismus ist, prüfen wir, wie sich der Verbrauch bei unterschiedlichen
Temperaturbedingungen verhält. Beim Goldfisch, der ein poikilothermes Tier ist,
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prüfen wir den Verbrauch bei unterschiedlicher Sauerstoffsättigung im Medium
Wasser.
Vorbereitung (Goldfisch)
Die Vorbereitung zu dem Goldfisch-Versuch ist dem Skriptum „Skriptum UE
Physiologie SS 2012 Teil Lametschwandtner“ zu entnehmen und wird daher nur kurz
angeschnitten:
� Der Sauerstoffgehalt und die Temperatur wird ohne Fisch für 10 Minuten
gemessen
� Fangen und abwiegen des großen Goldfisches
� Überführen des Fisches in die Apparatur
Abb. 1. Versuchsaufbau beim Goldfisch-Experiment
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Durchführung
Der Fisch verbraucht nun Sauerstoff. Der Versuch dauert insgesamt 30 Minuten,
wobei wir zwei bis drei mal die Kammer mit neuem O2-reichem Wasser durchfluten
und auch drei mal für eine Minute jeweils die Kiemenschläge zählen.
1. Messung ohne Fisch
Abb. 2. Dissozierter O2 gegen Zeit (kleiner Fisch)
Abb. 3. Dissozierte Temp. gegen Zeit (kleiner Fisch)
Abb. 4. Dissozierter O2 gegen Zeit (großer Fisch) Abb. 5. Dissozierte Temp. gegen Zeit (großer Fisch)
Mittelwerte
� Kleiner Fisch
o DO: 7,78898 mg/L
o Temp: 20,48418 °C
� Großer Fisch
o DO: 8,198678 mg/L
o Temp: 20,51088 °C
2. Messung mit Fisch
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Abb. 6. Sauerstoff-Verbrauch des kleinen Fisches
Abb. 7. Sauerstoff-Verbrauch des großen Fisches
2. Datenauswertung und Ergebnisse
Ergebnisse
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Kleiner Goldfisch Großer Goldfisch
Anfangsgewicht: 6,40 g
Endgewicht: 6,24 g
Kiemenschläge
Minute 10: 64 Schläge/Min
Minute 20: 57 Schläge/Min
Spülungen
Minute 9
Minute 19
Anfangsgewicht: 9,33 g
Endgewicht: 8,82 g
Kiemenschläge
Minute 8: 78 Schläge/Min
Minute 18: 72 Schläge/Min
Minute 28: 111 Schläge/Min
Spülungen
Minute 9
Minute 19
Tabelle 1: Vergleich der Gewichtswerte und der Kiemenaktivität
Kleiner Goldfisch Großer Goldfisch
Messung 1 (Ohne Fisch)
DO: 7,78898 mg/L
T: 20,48418 °C
Messung 2 (Minute 8)
DO: 6,8454079988 mg/L
T:20,603905555 °C
Messung 3 (Minute 18)
DO:7,50609898921 mg/L
T: 20,5804366439 °C
Messung 4 (Minute 28)
DO:7,86885834303 mg/L
T:20,603905555 °C
Tabelle 2: Vergleich der Sauerstoff- und Temperaturwerte
Messung 1 (Ohne Fisch)
DO: 8,198678 mg/L
T: 20,51088 °C
Messung 2 (Minute 8)
DO: 7,1809100443 mg/L
T: 20,6977543705 °C
Messung 3 (Minute 18)
DO: 7,19676403985 mg/L
T: 20,744662863 °C
Messung 4 (Minute 28)
DO: 7,05394812911 mg/L
T: 20,7212099322 °C
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Auswertung
Wir errechnen uns die Mittelwerte aus den drei Messungen mit dem Fisch:
Klein DO: 7,40678844368 mg/L
Klein T: 20,59608258463 °C
Groß DO: 7,14387407108 mg/L
Groß T: 20,72120905523 °C
Nun können wir diese Zahlen vom Ausgangswert des Plateaus abziehen:
Kleiner Goldfisch Großer Goldfisch
7,78898000000
7,40678844368
0,38219155632
8,19867800000
7,14387407108
1,05480392892
Kleiner Goldfisch Großer Goldfisch
20,4841800000020,59608258463
-0,11190258463
20,51088000000
20,72120905523
-0,21032905523
Es ergibt sich ein Sauerstoffverbrauch von 0,38 mg/L für den kleinen Fisch für eine
Zeitdauer von 10 Minuten, wobei die Temperatur um 0,1 °C ansteigt. Für den großen
Fisch ergibt sich ein Verbrauch von 1 mg/L bei einem Anstieg von 0,2 °C.Der kleine
Fisch verlor in 30 Minuten 0,16 g Körpergewicht, der Große 0,51 g. Wir wollen nun
den tatsächlichen Verbrauch der beiden Fische errechnen.
Kleiner Fisch
Verbrauch (10 Minuten): 0,3821mg/L = 0,0003821 g/L
Wir wissen die Molare Masse M von Sauerstoff(32 g/mol) und können uns somit die
Mol-Anzahl errechnen:
0,0003821 g L -1 / 32 g mol -1
= 0,000011941 mol
Wir gehen von einem idealen Gas aus und können somit mit dem Volumen von 22,4
L arbeiten.
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0,000011941 mol* 22,4 L
= 0,00026747 L
Ergebnis für 10 Minuten: 267 µL/L
Ergebnis für 60 Minuten: 1604,82 µL/L/h
Nun dividieren wir das Ergebnis durch das Gewicht des Fisches (6,4 g):
O2-Verbrauch des kleinen Fisches: 250,75 µL/L/h/g KG
Großer Fisch
0,001054 g L -1 / 32 g mol -1
= 0,000032963 mol * 22,4 L
= 0,000738 L
Ergebnis für 10 Minuten: 738,36 µL/L
Ergebnis für 60 Minuten: 4430,176 µL/L
Nun dividieren wir das Ergebnis durch das Gewicht des Fisches (9,33 g):
O2-Verbrauch des kleinen Fisches: 474,83 µL/L/h/g KG
Diskussion
Mit sinkendem Sauerstoffpartialdruck (und dementsprechend dem Gehalt) steigt das
Atmunsverhalten des Fisches. Bei unseren drei Zählungen haben wir mit Ausnahme
der dritten Zählung keine wesentlichen Unterschiede feststellen können. Eine
Zählung unmittelbar nach einer Spülung als Referenzwert wurde nicht durchgeführt.
Während der gesamten Versuchsreihe verhält sich der Fisch relativ ruhig und
schwimmt gegen den Strom. Teilweise war eine seitliche Drehung merkbar,
jedenfalls war dieses Verhalten so willkürlich, dass wir es nicht dem sinkendem O2-
Gehalt zuordnen können. Grundsätzlich erwarteten wir eine körperliche Reaktion wie
etwa Unruhe bei O2-Armut. Da es sich bei dem Goldfisch jedoch um einen Oxo-
Regulierer handelt, passt er sich diesem Stress einfach durch Erhöhung der
Atemfrequenz an. Es wird also auch bei schwankendem Umgebungssauerstoff eine
konstante Menge O2 vom Tier aufgenommen.
Durch eine frühzeitige Spülung wurden Ergebnisse teilweise verfälscht.
Grundsätzlich ist zu erwähnen, dass bei steigender Wassertemperatur die
Sauerstoffkonzentration sinkt. Da im natürlichen Habitat des Goldfisches starke
Temperaturschwankungen vorkommen, hat sich die Fähigkeit der Regulierung im
Laufe der Evolution verfestigt.
Beim Vergleich mit Literaturwerten (Flory 1976, Heidermanns 1957, Prossner 1973)
zeigt sich eine starke Annährung. Der Literaturwert entspricht 0,042 bis 0,07 ml/g/h.
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Beim kleinen Fisch hatten wir 0,025 ml/g/h, beim großen Goldfisch waren es 0,474
ml/g/h.
Literatur
� Skript zur Physiologie-Übung SS2012 von A.Lametschwandtner (Version
2012)
� http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzym
e/5atp/atp.htm
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