Bionik - Thermoregulation

Überleben im Winter

Extreme Witterungsbedingungen stellen sehr komplexe Herausforderungen an die Thermoregulation.
Damit sie kalte Winter überleben können haben Tiere im Laufe der Evolution verschiedene Strategien entwickelt. Nachfolgend wird die Komplexität der Zusammenhänge in einem einfachen Modell beschrieben. Dazu gibt es auch eine Computersimulation, die auf den physikalischen Modell¬annahmen beruht und den Einfluss verschiedener Parameter verdeutlicht.

klicken Sie auf das Bild um die Simulation zu starten.

Sie können in der Simulation verschiedene Kenngrößen einstellen und dem virtuellen Tier „Nigno II“ helfen, einen „digitalen Winter“ zu überlebt.
Zwei Wege sind denkbar:
a) Sammeln Sie erst ein paar Erfahrungen mit der Simulation, und lesen Sie dann die Erläuterungen zu dem zugrundeliegenden Modell
oder
b) Informieren Sie sich erst über die Modellparameter und wählen Sie dann gleich sinnvolle Kenngrößen für das virtuelle Tier „Nigno II“.

Einige Details zu den Berechnungen

Für die Berechnungen zum Energieumsatz wird ein einfaches lineares Modell verwendet.
Berücksichtigt sind folgende Einflussfaktoren:

• Die Temperaturdifferenzen zwischen Körpertemperatur und Umgebungstemperatur gehen
  ein (entsprechend dem Ansatz von Fourier).
  Für die Außentemperaturen werden die monatlichen Temperaturmittel für den Ort Uppsala
  (Schweden) eingesetzt.
• Das Verhältnis von Oberfläche zu Körpervolumen des Tieres ist ein Faktor.
  (Dies ist auch die Grundlage für die Bergmanche Regel.)
• Verschiedene Isolationen aufgrund von drei unterschiedlichen Felldicken sind berücksichtigt.
  (Angesetzt sind Dicken im Verhältnis von 1 : 2 : 3 .)
• Die Nahrungsaufnahme und das Nahrungsangebot ist in grober Näherung einbezogen. Bei
  Winterruhe und Winterschlaf erfolgt keine Nahrungsaufnahme. Das Nahrungsangebot
  ist im Winter für größere Tiere stärker begrenzt.
• Ein Schutz durch eine Höhle oder ein Nest/Kobel kann berücksichtigt werden. Dabei wird die
  Temperaturdifferenz zwischen Körpertemperatur und Außentemperatur reduziert.

So wird für jede Monatshälfte ein Energieumsatz nach dem folgenden Ansatz eingerechnet:
Energieumsatz = const * ( Körpertemperatur - Außentemperatur ) * ( Größenfaktor für das Tier ) * ( Faktor für das Nahrungsangebot ) * ( Dicke der Isolation ) * ( Faktor für den Schutz der Höhle ) - ( Nahrungszufuhr bei aktiver Überwinterung )

Weitere Erläuterungen zu den Berechnungen

Zur Nahrungsversorgung:

Die Nahrungsversorgung bei großen Tieren ist im Winter schneller begrenzt als bei kleinen. Dies wird in einem Faktor zur „Nahrungssuche“ berücksichtigt. Angesetzt ist ein erschwerender Faktor von 1,4 für große Tiere, 1,2 für mittelgroße Tiere (in Relation zu 1,0 für kleine Tiere).

Zum Energieumsatz durch körperliche Aktivitäten:

Bei der Winterruhe und beim Winterschlaf ist nur ein Grundumsatz abzudecken.
Durch körperliche Aktivitäten entsteht ein zusätzlicher Energiebedarf. Andererseits kann durch die Aktivitäten die Nahrungsversorgung verbessert werden. In der Regel ist die Zufuhr dann größer als der Verbrauch durch die zusätzliche Bewegung.
Dies wird rechnerisch in einer Komponente berücksichtigt, die den verfügbaren Energierahmen vergrößert.

 Nicht berücksichtigte Einflussgrößen

Kobel/Nest:

Ein Nest mit guter thermischer Isolation ist für ein kleines Tier leichter realisierbar als für ein großes Tier. (Allein der Materialaufwand wird schnell kritisch.)

Winterruhe im Freien:

Für eine Art von Winterruhe im Freien gibt es eine Reihe zusätzlicher Strategien, z. B. Kuhle im Schnee oder das Zusammenrücken von Pinguinen, die sich gegenseitig wärmen. Dies ist in dem Modell aufgrund der unterschiedlichen Wirkmechanismen nicht berücksichtigt.