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Absorptionsrate von Tieren, die selten gegessen werden?

Absorptionsrate von Tieren, die selten gegessen werden?


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Es ist klar, dass Kreaturen wie wir Menschen, nachdem sie die Entropie unserer Nahrung enorm erhöht haben, den größten Teil der von uns konsumierten Masse ausstoßen.

Manche Kreaturen bekommen jedoch NICHT annähernd so oft die Gelegenheit zu essen, obwohl diese Kreaturen eher konkurrenzfähiger (und vielleicht kannibalischer!)

Ein solcher Lebensstil impliziert, dass das Wachsen groß - oder zumindest zur erwachsenen Form - schnell einen enormen evolutionären Vorteil hat.

Es stellt sich also die unangenehme Frage: Haben solche Tiere eine höhere "Resorptionsrate", wenn man so will, als Menschen und andere Vielfresser?

Mit anderen Worten, maximieren solche Tiere ihre Ernährung, indem sie mehr von der Masse ihrer Nahrung aufnehmen und weniger davon ausscheiden, oder gibt es eine Physik/Chemie, die dies erschwert?

Vielen Dank!


Ich werde das mal in Angriff nehmen.

Welcher Anteil Ihres Futters aufgenommen und welcher Anteil ausgeschieden wird, hängt davon ab, welche Art und wie viel unverdauliches Material sich im Futter befindet, und nicht davon, wie oft das Tier frisst.

Wie oft ein Tier isst, hängt von seinem Stoffwechselbedarf (wie viele Kalorien es braucht) und davon ab, wie viele Kalorien es in einer Mahlzeit aufnehmen kann. Reptilien haben als Ektotherme einen geringeren Stoffwechselbedarf als Endotherme. Darüber hinaus können Schlangen in einer Sitzung große Mengen (bezogen auf das Körpergewicht) kalorienreicher Nahrung schlucken. Infolgedessen fressen Schlangen selten. Haustierschlangen werden wöchentlich oder zweiwöchentlich gefüttert, abhängig von einer Reihe von Faktoren. Eine retikulierte Python kann bis zu ihrem eigenen Körpergewicht etwas schlucken und verdauen. Zehn Wochen Verdauung geben täglich 1,4 % des eigenen Körpergewichts, auch ohne Fasten.

Elefanten sind ein wanderndes Großsäugetier und fressen täglich etwa 4% ihres Körpergewichts, mehr oder weniger. Dies dauert nach Angaben dieser Leute etwa 12-18 Stunden.

Elefanten essen ballaststoffreiche, kalorienarme Nahrung, und als Ergebnis werden etwa 20% ihrer Nahrungsmasse direkt in Kot umgewandelt. Sie fressen oft und nehmen nicht viel auf. Kolibris fressen ständig und verbrauchen jeden Tag ihr eigenes Körpergewicht an Nahrung, aber Kacken fast überhaupt nicht. Ihr Kot enthält die unverdaulichen Teile ihrer Nahrung, genau wie der Elefantenkot. Der Unterschied besteht darin, dass große Teile der Ernährung von Elefanten aus unverdaulichen Ballaststoffen bestehen, während ein winziger Teil der Ernährung von Kolibri aus unverdaulichen Insekten-Exoskeletten besteht.

Alle Kreaturen nehmen so viel Nahrung wie möglich aus ihrer Nahrung auf und scheiden den Rest aus. Wie viel Rest übrig bleibt, hängt davon ab, welche Art von Nahrung sie essen.

Wachstumsraten im Vergleich zu Verdauungsraten und Massenaufnahme ist eine völlig andere und viel kompliziertere Frage. Im Allgemeinen ist der wachstumslimitierende Faktor die DNA-Replikation oder ein Mangel an essentiellen Säuren oder Mineralien und kein Problem der Rohmasse.


  • Autor: Jonathan Safran Foer
  • Herausgeber : Pinguin Großbritannien
  • Veröffentlichungsdatum : 2010-03-04
  • Genre: Sozialwissenschaften
  • Seiten : 352
  • ISBN 10 : 9780141932651

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Gymnospermen

Die Gymnospermen sind gekennzeichnet durch "nackte" Samen in Zapfen oder rote oder blaue "Beeren" und normalerweise immergrüne, nadel- oder schuppenartige Blätter.

Taxaceae - Eibengewächse

Mehrere Arten werden in North Carolina als Zierpflanzen kultiviert, aber T. canadensis Sumpf. kommt natürlich in North Carolina nur in den äußersten nordwestlichen Grafschaften vor. Dies sind immergrüne Sträucher mit wechselständigen, linearen Blättern und scharlachroten "Beeren", nur das äußere rote Fell (Aril) ist essbar.

Gruppennummer: 3. (Gefährlich, aber ungewöhnlich)

Giftiges Prinzip: Alkaloidtaxin Ephedrin und HCN.

Pflanzenteile: Blätter Rinde, Samen. Frisch oder trocken.

Vergiftete Tiere: Alle Arten, aber Rinder und Pferde sind am häufigsten betroffen, wenn Gartenschnitt über Zäune geworfen wird, auf denen Vieh weidet.

Symptome: Nervosität, Zittern, Ataxie, Kollaps und Dyspnoe. Bradykardie ist ausgeprägt und führt ohne Kampf zum plötzlichen Tod. Eine subakute Vergiftung kann 1-2 Tage nach der Einnahme auftreten. Die akute Vergiftung wird von einer Gastroenteritis begleitet.

Obduktion: Akut: keine Läsionen. Subakut: Leber, Milz und Lunge sind mit dunklem Blut angeschwollen Das rechte Herz ist leer, aber das linke Herz enthält dunkles, verdicktes Blut.

Pinaceae und Cupressaceae - Kiefern- und Zederngewächse

Diese Koniferen werden selten gegessen, können aber schädlich sein, wenn sie in großen Mengen gegessen werden oder wenn sie ausschließlich gegessen werden, wenn kein anderes Futter verfügbar ist.


Materialen und Methoden

Tiere und ihre Pflege

Die fünf Arten dieser Studie umfassen den geografischen Bereich und die morphologische Vielfalt der Gattung Python(Abb. 1). Python Brongersmai Stull 1938, die Blutpython, bewohnt Ost-Sumatra und benachbarte Teile Malaysias (Keogh et al., 2001). Sie sind eine extrem schwere Schlange [Körpermasse-Gesamtlängenverhältnis von 8,97 ± 0,23 (Mittelwert ± 1 sem) Abb. 1] mit einer Körpermasse von 22 kg und einer Körperlänge von bis zu 2,5 m (Shine et al., 1999 Keogh et al., 2001). Python molurus L. ist eine große Schlange mit einer Länge von bis zu 8 m und einer Masse von 100 kg, die von Indien östlich bis nach Thailand reicht (Murphy und Henderson, 1997). Python regius Shaw 1802, die Königspython, bewohnt West-Zentralafrika und ist die kleinste der Python Art (2 m) und hat eine kräftige Körperform (Obst et al., 1984). Python-Retikulatus Schneider 1801, die Netzpython, kommt in Südostasien und Indonesien vor (Papst, 1961). Gilt als die längste Schlange der Welt (gemeldete Längen von 10 m), P. reticulatushat die schlankste Körperform (Verhältnis Körpermasse zu Gesamtlänge von 4,53±0,18 Abb. 1) der Python Arten, die in dieser Studie verwendet wurden. Python sebae Gmelin 1789, die nordafrikanische Python, kommt in weiten Teilen des nördlichen Teils von Subsahara-Afrika vor und ist auch eine große Python (8 m Länge und 100 kg Masse) mit einer Körperform ähnlich der von P. molurus(Broadley, 1984). Im Allgemeinen, Python Arten werden als sitzende und wartende Sammler angesehen, die relativ selten in freier Wildbahn fressen (Pope, 1961, Murphy und Henderson, 1997). Sit-and-wait Nahrungssuche Schlangen lauern an einem getarnten Ort, von dem aus sie vorbeiziehende Beute überfallen können (Pop, 1961 Slip and Shine, 1988 Greene, 1997).

Die in dieser Studie verwendeten Pythons wurden in Gefangenschaft geboren und kommerziell erworben. Wir hielten Schlangen einzeln in 20 l Plastikboxen und hielten sie bei 28-32°C unter einer Photoperiode von 14 h:10 h L:D. Schlangen wurden alle 2 Wochen mit Laborratten gefüttert und hatten ständigen Zugang zu Wasser. Um mögliche Auswirkungen auf die Körpergröße zu reduzieren, haben wir Schlangen ähnlicher Masse verwendet, was zu keinem signifikanten Unterschied zwischen den fünf führte Python Arten in der Körpermasse entweder für die Stoffwechsel- oder Darmexperimente. Vor Beginn der Experimente haben wir Schlangen mindestens 30 Tage lang Nahrung vorenthalten, um sicherzustellen, dass sie postabsorptiv waren. Python molurus Es wurde festgestellt, dass die Verdauung innerhalb von 10–14 Tagen nach der Fütterung abgeschlossen ist (Secor und Diamond, 1995). Alle einzelnen Schlangen, die in dieser Studie verwendet wurden, waren zwischen 18 und 24 Monate alt, mit Körpermassen von untersuchten P. brongersmai, P. molurus, P. regius, P. reticulatus und P. sebae Durchschnitt 806±51 (n=9),760±47 (n=7), 707±71 (n=10), 757±49(n=10) und 759±47 (n=10) g. Tierpflege und Tierversuche wurden nach Protokollen durchgeführt, die vom Institutional Animal Care and Use Committee der University of Alabama genehmigt wurden.

Fotos und relative Körperform (Körpermasse, mB/Gesamtlänge, TL) der fünf PythonArten, die in dieser Studie verwendet wurden. (EIN) P. brongersmai, (B) P. regius, (C) P. sebae, (D) P. molurus, (E) P. reticulatus. Beachten Sie die signifikanten Unterschiede in der Körperform von den kurzen und stämmigen P. brongersmai zu den langen und schlanken P. reticulatus. Im Histogramm bedeuten Buchstaben über Balken, die unterschiedlich sind, signifikant (P<0.05) Differenzen zwischen den Mittelwerten, bestimmt aus post hoc Paarweise Vergleiche.

Fotos und relative Körperform (Körpermasse, mB/Gesamtlänge, TL) der fünf PythonArten, die in dieser Studie verwendet wurden. (EIN) P. brongersmai, (B) P. regius, (C) P. sebae, (D) P. molurus, (E) P. reticulatus. Beachten Sie die signifikanten Unterschiede in der Körperform von den kurzen und stämmigen P. brongersmai zu den langen und schlanken P. reticulatus. Im Histogramm bedeuten Buchstaben über Balken, die unterschiedlich sind, signifikant (P<0.05) Differenzen zwischen den Mittelwerten, bestimmt aus post hoc Paarweise Vergleiche.

Messungen der postprandialen Stoffwechselreaktion

Wir quantifizierten die postprandiale metabolische Reaktion jeder Spezies durch Messung der Sauerstoffverbrauchsraten (Ö2) von Schlangen, die 30 Tage lang und nach der Fütterung gefastet haben. Die Messungen wurden unter Verwendung der Respirometrie mit geschlossenem System wie beschrieben durchgeführt (Secor und Diamond, 1997, Secor, 2003). Jeder Stoffwechselversuch begann mit der Messung Ö2 von gefasteten Schlangen zweimal täglich (morgens und abends) für bis zu 6 Tage und Zuweisung des niedrigsten gemessenen Ö2 jeder Schlange über diesen Zeitraum als ihre Standardmetabolismusrate (SMR). Die Schlangen wurden dann mit einer Mahlzeit gefüttert, die aus einer bis drei Ratten bestand, die 25,0 ± 0,0% ihrer Körpermasse entsprach, und die Stoffwechselmessungen wurden in 12-Stunden-Intervallen für 3 Tage und in 24-Stunden-Intervallen danach für weitere 11 Tage wieder aufgenommen. Während der Stoffwechselmessungen wurden die Schlangen in 5-Tage-Intervallen aus ihren Kammern genommen, gewogen, mit Wasser versorgt und dann wieder in ihre Kammern zurückgebracht.

Wir charakterisierten die postprandiale metabolische Reaktion des Nahrungsabbaus, der Aufnahme und der Assimilation jeder Schlange durch Quantifizierung der folgenden sechs Variablen, wie von Secor und Faulkner (Secor und Faulkner, 2002) beschrieben: (1) SMR, die niedrigste gemessene Ö2 vor der Fütterung (2) Peak Ö2, der höchste aufgezeichnete Ö2nach der Fütterung (3) faktorieller Peakumfang Ö2, berechnet als Spitze Ö2geteilt durch SMR (4) Dauer, die Zeit nach der Fütterung, die Ö2 war signifikant erhöht über SMR (5) SDA, spezifische dynamische Wirkung: Gesamtenergieaufwand über SMR über die Dauer der signifikant erhöhten Ö2 und (6) SDA-Koeffizient, SDA quantifiziert als Prozentsatz der Mahlzeitenenergie. Wir quantifizierten SDA(kJ) durch Summieren der zusätzlichen O2 über SMR konsumiert während des Zeitraums signifikant erhöhter Ö2 und Multiplizieren dieses Wertes mit 19,8 J ml -1 O2 unter der Annahme, dass die Trockenmasse des katabolisierten Nagetiermehls aus 70 % Protein, 25 % Fett und 5 % Kohlenhydraten besteht, und erzeugt einen respiratorischen Quotienten (RQ) von 0,73 (Gessaman und Nagy, 1988). Der Energiegehalt von Nagetiermahlzeiten wurde berechnet, indem die Nagetier-Nassmasse mit ihrem Energieäquivalent (kJ g -1 Nassmasse) multipliziert wurde, das durch Bombenkalorimetrie bestimmt wurde. Fünf einzelne Ratten aus jeweils drei verschiedenen Größenklassen wurden gewogen (Nassmasse), getrocknet, gewogen (Trockenmasse), zu einem feinen Pulver gemahlen und zu Pellets gepresst. Drei Pellets von jeder einzelnen Ratte wurden in einem Bombenkalorimeter (1266, Parr Instruments Co., Moline, IL, USA) gezündet, um den Energiegehalt (kJ g –1 ) zu bestimmen. Für jede Ratte bestimmten wir das Nassmasse-Energieäquivalent als das Produkt aus dem Trockenmasse-Energiegehalt und dem Trockenmasse-Prozentsatz des Nagetiers. Die drei verwendeten Nagergrößenklassen wogen im Durchschnitt 45 ± 0,2, 65 ± 5,0 und 150 ± 5,0 g und hatten ein Energieäquivalent von 6,5 ± 0,3, 7,0 ± 0,4 bzw. 7,6 ± 0,3 kJ g -1 Nassmasse.

Gewebesammlung

Für jede Art töteten wir (durch Durchtrennen des Rückenmarks unmittelbar hinter dem Kopf) drei Individuen, die 30 Tage lang gefastet hatten, und drei Individuen 2 Tage nach dem Verzehr von Nagetiermahlzeiten, die 25% der Körpermasse der Schlange entsprachen. Nach dem Tod wurde ein mittlerer ventraler Einschnitt vorgenommen, um den GI-Trakt und andere innere Organe freizulegen, die jeweils entfernt und gewogen wurden. Wir entleerten den Inhalt des Magens, des Dünndarms und des Dickdarms gefütterter Schlangen und wogen jedes Organ erneut. Die Differenz zwischen Voll- und Leergewicht jedes Organs wurde als Masse des Organinhalts notiert. Die Masse des Organgehalts wurde durch die Masse der Mahlzeit dividiert, um für jede Spezies das relative Ausmaß der Verdauung 2 Tage nach der Fütterung zu veranschaulichen.

Nährstoffaufnahme im Darm

Bei nüchternen und verdauenden Schlangen haben wir die Nährstofftransportraten durch die Darmbürstenrandmembran unter Verwendung der von Karasov und Diamond (Karasov und Diamond, 1983) entwickelten und für Schlangen von Secor et al. (Secor et al., 1994 ) und Secor und Diamond (Secor und Diamond, 2000). Der leere Dünndarm wurde umgestülpt (umgestülpt), in gleichlange Drittel geteilt, jedes Drittel wurde gewogen und in 1-cm-Segmente geschnitten. Die Segmente wurden auf Metallstäben montiert, in Reptil-Ringer-Lösung bei 30 °C für 5 Minuten vorinkubiert und dann für 2 Minuten bei 30 °C in Reptil-Ringer-Lösung inkubiert, die einen unmarkierten und radioaktiv markierten Nährstoff und einen radioaktiv markierten anhaftenden Flüssigkeitsmarker (l-Glukose .) enthielt oder Polyethylenglykol). Wir haben aus einzelnen Darmabschnitten die Gesamtaufnahme (passiv und trägervermittelt) der Aminosäuren l-Leucin und l-Prolin und die aktive Träger-vermittelte Aufnahme von d-Glucose gemessen. Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen den Aufnahmeraten der proximalen und mittleren Darmregionen berichten wir über die durchschnittlichen Aufnahmeraten dieser beiden Segmente (im Folgenden als vorderer Darm bezeichnet) und denen des distalen Segments.

Zwei Studien haben gezeigt, dass die Technik der umstülpten Hülsen die Darmschleimhaut von Vögeln ernsthaft schädigt und somit die Fähigkeit der Methode, die Darmleistung dieser Arten genau zu quantifizieren, in Frage stellt (Starck et al., 2000 Stein und Williams, 2003). Um festzustellen, ob die Methode schädliche Auswirkungen auf den Pythondarm hat, verglichen wir Sätze von Darmsegmenten, die aus dem proximalen Bereich des Dünndarms von gefütterten Tieren entnommen wurden P. molurus, P. reticulatus und P. sebae in zwei Stufen des Protokolls der umgestülpten Hülle vor der Umstülpung und nach der Umstülpung wurden Gewebe bei 30°C in ungerührten Reptilien-Ringern für 5 Minuten und in gerührten Reptilien-Ringern für 2 Minuten inkubiert. Wir bereiteten jedes Darmsegment für die Lichtmikroskopie (unten beschrieben) vor und untersuchten Querschnitte des Darms auf Schäden an der Schleimhautschicht.

Bei jeder dieser drei Pythons wurde die Schleimhautschicht durch Umstülpen, Montieren und Inkubieren von Darmsegmenten nicht beschädigt. Zwischen den beiden Verfahrensschritten konnten wir keinen signifikanten Unterschied feststellen (alle P>0,47 in Zottenlänge (n=20 pro Verfahrensschritt)für diese drei Arten. Im Gegensatz zu einigen Vögeln kann die Umstülpung durchgeführt werden, ohne die Darmschleimhaut von Pythons sowie die Schleimhaut von Eidechsen und Anuran zu schädigen (Secor,2005b Tracy und Diamond,2005).

Enzymaktivität des Bürstensaums

Von jedem Darmdrittel maßen wir die Aktivität der Bürstensaum-gebundenen Hydrolase, Aminopeptidase-N (EC 3.4.11.2), nach dem Verfahren von Wojnarowska und Gray (Wojnarowska und Gray, 1975). Aminopeptidase-N spaltet NH2-terminale Aminosäurereste aus luminalen Oligopeptiden, um Dipeptide und Aminosäuren herzustellen, die dann vom Dünndarm absorbiert werden können (Ahnen et al., 1982). Von 1-cm-Segmenten wurde geschabte Schleimhaut in PBS (1:250-Verdünnungen) auf Eis homogenisiert. Die Aktivität von Aminopeptidase-N wurde unter Verwendung von Leucyl-β-naphthylamid (LNA) als Substrat gemessen und P-Hydroxymercuribenzoesäure zur Hemmung unspezifischer Cytosolpeptidasen. Die Absorption des aus der Hydrolyse von LNA resultierenden Produkts wurde spektrometrisch (DU 530, Beckman Coulter, Inc., Fullerton, CA, USA) bei 560 nm gemessen und mit einer mit β-Naphthylamin entwickelten Standardkurve verglichen. Die Enzymaktivitäten wurden als &mgr;mol hydrolysiertes Substrat pro Minute pro Gramm Protein quantifiziert. Der Proteingehalt des Homogenats wurde unter Verwendung des Bio-Rad Protein Assay Kits basierend auf dem Verfahren von Bradford (Bradford, 1976) bestimmt.

Darmmorphologie und Organmassen

Wir quantifizierten die Auswirkungen der Fütterung auf die Dünndarmmorphologie, indem wir die Darmmasse, die Darmlänge, die Schleimhaut- und Muskularis/Serosa-Dicke und die Enterozytendimensionen von nüchternen und gefütterten Schlangen maßen. Unmittelbar nach der Entfernung und Spülung des Dünndarms maßen wir seine feuchte Masse und Länge. Aus dem mittleren Bereich des Dünndarms wurde ein 1-cm-Segment in 10 % neutralgepufferter Formalinlösung fixiert, in Paraffin eingebettet und quergeschnitten (6 µm). Mehrere Querschnitte wurden auf einen Glasobjektträger gelegt und mit Hämatoxylin und Eosin gefärbt. Wir maßen die Dicke der Schleimhaut und Muskularis/Serosa und die Abmessungen der Enterozyten von einzelnen Querschnitten unter Verwendung eines Lichtmikroskops und einer Videokamera, die mit einem Computer und einer Bildanalysesoftware verbunden waren (Motic Image Plus, Richmond, British Columbia, Kanada). Aus zehn Messungen an verschiedenen Positionen des Querschnitts haben wir die durchschnittliche Dicke der Mukosa und Muscularis/Serosa berechnet. Ebenso haben wir die Höhe und Breite von zehn Enterozyten, die an verschiedenen Positionen des Querschnitts gemessen wurden, gemittelt und ihr Volumen basierend auf der Formel für einen Würfel (Enterozytenbreite 2 × Höhe) berechnet. Um die postprandialen Auswirkungen auf die Masse anderer Organe zu beurteilen, wogen wir die feuchte Masse von Herz, Lunge, Leber, leerem Magen, Bauchspeicheldrüse, leerem Dickdarm und Nieren unmittelbar nach ihrer Entnahme aus Schlangen. Jedes Organ wurde 2 Wochen bei 60°C getrocknet und dann erneut auf Trockenmasse gewogen.

Dünndarmkapazität

Für jeden Nährstoff quantifizierten wir die Gesamtaufnahmekapazität des Darms (angegeben als μmol min -1 ), indem wir das Produkt aus Segmentmasse (mg) und massenspezifischen Raten der Nährstoffaufnahme (nmol min -1 mg -1 ) für den proximalen, mittlere und distale Segmente. Ebenso quantifizierten wir die Gesamtkapazität des Dünndarms für die Aminopeptidase-N-Aktivität, indem wir die Produkte aus der Masse des Schleimhautsegments (mg) mal der Aminopeptidase-N-Aktivität des Segments summierten, berechnet als μmol hydrolysiertes Substrat pro Minute pro mg Schleimhaut. Die Schleimhautmasse wurde aus der Masse der abgeschabten Schleimhaut von einem 1-cm-Segment des Darms berechnet und diese Masse mit der Segmentlänge multipliziert.

Statistische Analysen

Für jede metabolische Studie verwendeten wir eine Design-Varianzanalyse mit wiederholten Messungen (ANOVA), um auf signifikante Auswirkungen der Zeit (vor und nach der Fütterung) auf Ö2. Außerdem haben wir verwendet post hoc paarweise Mittelwertvergleiche (Tukey-Kramer-Verfahren) zur Bestimmung der Nachfütterung Ö2 sich nicht mehr signifikant von SMR unterschied und signifikante Unterschiede in Ö2 zwischen den Probenahmezeiten. Um die Auswirkungen der Spezies auf metabolische Variablen zu testen, verwendeten wir ANOVA für massenspezifische Raten und die Analyse der Kovarianz (ANCOVA) mit der Körpermasse als Kovariate für Ganztiermessungen. Auf bedeutende ANOVA- und ANCOVA-Ergebnisse folgten post hoc Vergleiche, um signifikante Unterschiede zwischen den Arten zu erkennen.

ANOVA mit wiederholtem Messdesign und post hoc Vergleiche wurden verwendet, um Positionseffekte (proximale, mittlere und distale Regionen des Dünndarms) auf die Nährstoffaufnahmeraten und Aminopeptidase-N-Aktivitäten zu testen. Wir verwendeten ANOVA, um die Auswirkungen nach der Fütterung auf die Nährstoffaufnahmeraten und die Aminopeptidase-N-Aktivität zu bestimmen, und ANCOVA (Körpermasse als Kovariate), um die Veränderungen der gesamten Dünndarmkapazität für die Nährstoffaufnahme und Aminopeptidase-N-Aktivität nach der Fütterung zu testen. Ebenso verwendeten wir ANCOVA (Körpermasse als Kovariate), um die Auswirkungen der Nahrungsaufnahme auf die Darmmasse, Länge und Morphologie sowie die Feucht- und Trockenmasse anderer Organe zu testen. Speziesunterschiede in der Darmmorphologie wurden auch von ANCOVA und post hoc Vergleiche. Wir bezeichnen das Signifikanzniveau als P<0,05 und Mittelwerte als Mittelwerte ± 1 s.e.m. angeben.


HUNGERENDE SCHLANGEN

Alle Tiere sind dem Risiko von Nahrungsentzug ausgesetzt, der zu Hunger und schließlich zum Tod führen kann. Die meisten Tiere, insbesondere Säugetiere, sind nicht gut an Nahrungsentzug und längere Hungerperioden angepasst. Aber einige Tiere, wie Pinguine und Ziesel, haben Strategien entwickelt, die es ihnen ermöglichen, mehrere Monate ohne Nahrung zu überleben. Schlangen sind jedoch in ihrer Fähigkeit, mit Nahrungsbeschränkungen umzugehen, in einer eigenen Liga und können mehrere ertragen Jahre des Hungers. Obwohl dies seit langem bekannt ist, ist über die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen nur sehr wenig bekannt. Um dieses erstaunliche Phänomen zu untersuchen, untersuchte Marshall D. McCue von der University of Arkansas, USA, Veränderungen in Physiologie, Morphologie und Körperzusammensetzung als Reaktion auf 168 Tage Hunger bei drei Schlangenarten: der Königspython (Python regius), die Rattenschlange (Elaphe veraltet) und die westliche Diamondback-Klapperschlange (Crotalus atrox).

Es ist keine einfache Aufgabe zu definieren, wann das Fasten zum Hungern wird, insbesondere bei selten essenden Tieren. In dieser Studie definierte McCue die Hungerperiode als beginnend, wenn den Tieren eine Mahlzeit vorenthalten wurde, die sie sonst freiwillig zu sich genommen hätten, also etwa 2 Wochen nach einer Mahlzeit. Vor diesem Hintergrund wurden die 62 Schlangen in vier Gruppen unterteilt: Fasten und 56.112 bzw. 168 Hungertage. Alle Tiere hatten während des Experiments Zugang zu frischem Wasser. McCue maß dann die Auswirkungen des Hungers auf die Körperzusammensetzung, Masse und Länge sowie den Ruheumsatz über einen Zeitraum von 24 Stunden.

Nach 168 Tagen Hunger hatten alle Schlangen einen Prozentsatz ihrer ursprünglichen Körpermasse verloren: Rattenschlangen 9,3%, Pythons 18,3% und Klapperschlangen 24,4%. Trotz dieses gravierenden Gewichtsverlustes und im Gegensatz zu früheren Untersuchungen an Reptilien und Fischen nahmen alle drei Arten um rund 4 % an Länge zu. Dies deutet darauf hin, dass bei diesen subadulten Schlangen ein ziemlich hoher Selektionsdruck auf die Länge besteht – die Größe spielt anscheinend eine Rolle. Hunger führte bei allen drei Arten auch zu einer hochsignifikanten Abnahme des Ruheumsatzes, insbesondere bei Klapperschlangen, die eine Stoffwechseldepression von erstaunlichen 72 % aufwiesen. Dies ist überraschend, da Schlangen schon vor dem Einsetzen des Hungers eine sehr niedrige Ruherate haben und nicht erwartet wurde, dass sie diese noch viel weiter reduzieren könnten.

Um herauszufinden, wie sich Hunger auf die Körperzusammensetzung auswirkt, maß McCue den Wassergehalt toter Schlangen durch Gefriertrocknung und maß anschließend die Menge an Lipiden, Kohlenhydraten und Proteinen in ihren Körpern. Da die Schlangen während des Experiments Zugang zu Wasser hatten, stieg der relative Wassergehalt bei allen Arten trotz Gewichtsverlust um durchschnittlich 6%. Der relative Proteingehalt stieg bei allen Spezies während des Hungers an, während der Lipid- und Kohlenhydratgehalt abnahm. Dies zeigt, dass alle Schlangen während des Hungers vorzugsweise Fettreserven anstelle von Proteinen als Energiequelle verwenden. Beim Vergleich der Körperzusammensetzung zwischen den Arten stellte McCue fest, dass Rattenschlangen Proteine ​​​​schneller abbauen als Pythons und Klapperschlangen. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass Rattenschlangen in ihrem natürlichen Lebensraum im Allgemeinen ein reichliches Nahrungsangebot haben und möglicherweise nicht so an den Hunger angepasst sind wie die anderen Arten.

Die Ergebnisse zeigen, dass hungernde Schlangen ihren Ruheumsatz reduzieren und auf metabolisierende Lipide umstellen, während sie ihre Proteinspeicher schonen. Dies geschah in einem Maße, in dem alle Schlangen trotz eines erheblichen Gewichtsverlusts in der Länge zunehmen konnten. Ob die beobachtete Stoffwechseldepression durch eine Reduktion der Proteinsynthese, eine Reduktion der Nervenaktivität oder durch etwas ganz anderes erreicht wird, muss weiter untersucht werden. Dennoch zeigt diese Arbeit sehr elegant einen der Gründe, warum Schlangen so ein evolutionärer Erfolg sind – sie sind gut angepasst, um in Gebieten mit geringer Beutedichte zu überleben.


MATERIALEN UND METHODEN

Tiere

Die kleine braune Fledermaus (Myotis lucifugus LeConte) ist insektenfressend (Fenton und Barclay, 1980). Beide Nagetiere dieser Studie (Weißfußmaus, Peromyscus leucopus Rafinesque und nördliche Heuschreckenmaus, Onychomys leucogaster Wied-Neuwied) sind etwas Allesfresser, spezialisieren sich aber mehr als viele Nagetiere auf proteinreiche Ernährung al., 1985). Myotis lucifugus wurden in Dane County, Wisconsin, in der Nähe von Nachtquartieren unter Verwendung von Nebelnetzen gefangen und innerhalb von 12 Stunden nach dem Fang in Experimenten verwendet (Tabelle 1). Onychomys leucogaster wurden in Finney County, Kansas gefangen. Peromyscus leucopus wurden in Dane County, Wisconsin, gefangen, und die Artidentität wurde durch molekulare Techniken verifiziert (siehe „Genexpression“, unten). Nagetiere wurden in Gefangenschaft an der University of Wisconsin-Madison gehalten, wo sie einzeln untergebracht und versorgt wurden nach Belieben mit Wasser und Futter (Purina 5010 Rodent Diet 23,9% Protein, 5% Fett, Masse) bis zu den Experimenten (nicht länger als 2 Monate). Um mehr Protein in die Ernährung aufzunehmen, O. leucogaster wurde mit 2 g Purina Cat Chow Complete (34% Protein, 13% Fett) täglich ergänzt, von dem beobachtet wurde, dass es vollständig konsumiert wurde. Alle Experimente wurden nachts durchgeführt, um mit den aktiven Perioden der Tiere zusammenzufallen, da alle drei Arten nachtaktiv sind. Experimentelle Protokolle wurden vom Animal Care and Use Committee der University of Wisconsin-Madison (Protokoll-Nr. A1441) genehmigt. Genehmigungen für das Fangen wurden von den zuständigen staatlichen Behörden eingeholt (Wisconsin Department of Natural Resources Genehmigungen E/T 704 und SCP-SOD-03-2011 Kansas Department of Wildlife, Parks and Tourism Genehmigung SC-126-2012).

Bewertung der parazellulären Resorption bei intakten Tieren

Bei Nagetieren haben wir die parazelluläre Absorption von Sonden durch die Uringewinnung untersucht (Fasulo et al., 2013a). Wir ziehen die Urinentnahme der Blutentnahme vor, weil dadurch die Notwendigkeit wiederholter Blutentnahmen bei Kleintieren entfällt und wir die Anzahl der verwendeten Tiere reduzieren konnten. In separaten Studien erhielten die Patienten die Dosis über eine intraperitoneale Injektion (in Kochsalzlösung) oder eine orale Sonde (in Kochsalzlösung mit 50 mmol l –1 d-Glukose). Nach der Dosierung wurden die Nager in Stoffwechselkäfige mit Drahtboden und Zugang zu Wasser (mit 50 mmol l –1 Glukose), aber ohne Nahrung gesetzt. Die Zugabe von Glukose zum Wasser fügt etwas Nahrung hinzu und regt die Tiere an, häufiger zu trinken und zu urinieren. Die Käfige wurden ungefähr stündlich untersucht und der Urin wurde gesammelt und gewogen. Unterproben wurden in 5 ml Ecolume Szintillationscocktail in 8 ml Glasfläschchen unter Verwendung eines Wallac 1414 Flüssigszintillationszählers (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) gezählt, und wir bestimmten die Gesamtrückgewinnung der Sonde nach 24 h. Die fraktionierte Absorption der Sonden wurde bestimmt, indem die Wiederfindung (Prozentsatz der wiedergewonnenen Dosis) nach der Sonde durch die Wiederfindung nach der Injektion dividiert wurde.

Den Tieren wurden die folgenden Sonden verabreicht: [ 3 H]-3-Ö-Methyl-d-Glucose (3OMD-Glucose), [ 14 C]-l-Arabinose, [ 3 H]-Lactulose und [ 14 C]-Kreatinin. 3OMD-Glukose (mR 194) ist ein Glucoseanalogon, das nicht metabolisiert wird, sondern sowohl über Glucosetransporter als auch über Tight Junctions resorbiert wird. Um die parazelluläre Absorption eines „aminosäureähnlichen“ Moleküls abzuschätzen, wählten wir Kreatinin (mR 113), das ähnlich groß ist wie Prolin (mR 115) und enthält Stickstoff. Es gibt Berichte über einige Proteine, die Kreatinin in der Niere transportieren können, insbesondere OAT2 (Lepist et al., 2014). Die Expression von OAT2 ist jedoch im Darm entweder gering oder nicht vorhanden (Maubon et al., 2007 Meier et al., 2007 Estudante et al., 2013), und die Kreatinin-Absorption im Darm wird im Allgemeinen dem parazellulären Weg zugeschrieben (Dominguez und Pomerene, 1945 Pappenheimer, 1990 Turner et al., 2000). Darüber hinaus haben wir die Sättigungskinetik der intestinalen Kreatininabsorption getestet (siehe „Validierung parazellulärer Sonden“, unten). Arabinose (mR 150) und Lactulose (mR 342) sind Kohlenhydrate, die keine Affinität zu Darmtransportern haben und aufgrund ihrer Ähnlichkeit bzw. Unähnlichkeit zur Glukosegröße ausgewählt wurden (mR 180). Nagetiere wurden in mehreren Versuchen getestet, die mindestens 3 Tage voneinander getrennt waren.

Fledermäuse urinieren selten und es kann schwierig sein, ihren Urin von ihrem Kot zu trennen. Aus diesen Gründen haben wir die fraktionierte Wiederfindung durch serielle Blutentnahmen bestimmt (für Details siehe Caviedes-Vidal et al., 2008 Karasov et al., 2012). Den einzelnen Fledermäusen wurde eine orale Schlundsonde (in Kochsalzlösung und 50 mmol l -1 Glukose) oder eine intraperitoneale Injektion (in Kochsalzlösung) verabreicht, und eine Blutprobe wurde aus der Antebrachial- oder Uropatagialvene entnommen

5, 15, 30, 45, 60 und 90 Minuten. Daraus erstellten wir eine Kurve der dosiskorrigierten Plasmakonzentration gegen die Zeit. Die Fläche unter der Kurve haben wir über die Trapezregel bestimmt. Um die Fläche unter der Kurve nach dem Endpunkt zu bestimmen, haben wir ln(Konzentration) gegen die Zeit aufgetragen und die Eliminationskonstante (Kel) als negative Steigung der Linie, die die letzten beiden Punkte der Kurve verbindet. Wir haben den Durchschnitt gemittelt Kel für alle Injektionsversuche und wendete diese Steigung dann auf die Magensondenversuche an. Die Fläche unter der Kurve nach dem Endpunkt wurde als Endkonzentration dividiert durch berechnet Kel. Für jede Sonde wurde die fraktionierte Absorption bestimmt, indem die durchschnittliche Fläche unter der Kurve bei Sondennahrungsversuchen durch die durchschnittliche Fläche unter der Kurve bei Injektionsversuchen geteilt wurde. Einzelne Fledermäuse konnten nur in Einzelversuchen eingesetzt werden und wurden dann eingeschläfert.

Vor Ort luminale Perfusionen

Wir führten Perfusionen des Darmlumens wie zuvor beschrieben durch (Price et al., 2013a). M. lucifugus Individuen waren naiv, während die Nagetiere zuvor (mindestens 3 Tage zuvor) in der intakten Tieraufnahmestudie verwendet worden waren. Die Tiere wurden bei 37ºC mit einem isothermen Deltaphase-Heizkissen (Braintree Scientific, Braintree, MA, USA) gehalten, während sie unter Isofluran-Narkose standen. Der Bauch wurde geöffnet und wir kanülierten den Dünndarm nahe dem Magen. Eine Austrittskanüle wurde 9,1 ± 0,45 cm distal platziert, und vorgewärmte Kochsalzlösung wurde durch den Darm gepumpt, um jeglichen Darminhalt auszuspülen. Dann begannen wir die experimentelle Perfusion mit einer peristaltischen Pumpe, um einen Puffer (10 mmol l -1 d -Glucose, 10 mmol l -1 l -Prolin, 1 mmol l -1 l -Arabinose, 1 mmol l -1 Kreatinin, 1,2 mmol l −1 NaHPO4, 110 mmol l −1 NaCl, 5 mmol l −1 KCl, 1 mmol l −1 MgSO4, 2 mmol l −1 CaCl2, 20 mmol l −1 NaHCO3, pH 7,4) bei einem Fluss von 1 ml min –1 . In M. lucifugus und P. leucopus, haben wir die Absorption der Sonden durch Zugabe von Tracermengen von [ 3 H]-Prolin, [ 3 H]-3OMD-Glucose, [ 14 C]-Kreatinin und [ 14 C]-Arabinose gemessen. Aus Tiermangel haben wir nur Messungen an O. leucogaster unter Verwendung von markiertem [ 3 H]-Prolin und [ 14 C]-l-Arabinose mit Flüssigszintillationszählung und gemessene Glucosekonzentration unter Verwendung eines Kits (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA). After exiting the intestine, the perfusate returned to a reservoir (which was kept at 37°C in a water bath) and recirculated for 104±4 min and was then collected. Animals remained alive throughout the perfusion.

We weighed the perfusate prior to and following the perfusion. Subsamples (50 μl) collected before and after the perfusion were counted. After each experiment, the perfused length of the intestine was measured using calipers. The intestine was then cut longitudinally and laid flat to measure the circumference using the average of three measurements along its length. We calculated the nominal surface area (which is the surface area of a smooth bore tube and does not account for villous magnification) as the product of length×circumference. Absorption of each probe was calculated from the loss of total radioactivity during the perfusion experiment and was normalized among experiments by dividing by contact time on the intestine (min) and nominal surface area (cm 2 ). Readers can re-express absorption per milligram of wet intestine using the following conversion factors for M. lucifugus und P. leucopus, respectively: 78.3 mg cm −2 and 63.1 mg cm −2 (not measured for O. leucogaster). For arabinose and creatinine, we also calculated clearance (μl min −1 cm −2 ) by dividing absorption by (CInitialCFinale)/(CInitial/CFinale), wo C is concentration (Sadowski and Meddings, 1993). Because they are not transporter mediated (and therefore do not exhibit saturation kinetics), absorption of arabinose and creatinine vary linearly with concentration. Dividing absorption by the concentration to calculate clearance thus provides a value that can be compared with other studies that employ other concentrations.

To estimate the proportion of glucose absorption that was paracellular, we used arabinose, and to estimate paracellular proline absorption we used creatinine. l -Arabinose and creatinine absorptions were measured at 1 mmol l −1 , whereas glucose and proline absorptions were measured at 10 mmol l −1 . Because the absorption of arabinose and creatinine is not carrier mediated (see ‘Validation of paracellular probes’, below), their absorption rates are directly proportional to their luminal concentrations. Therefore, we multiplied arabinose or creatinine absorption by 10, divided by total glucose or proline absorption at 10 mmol l −1 , and multiplied this quotient by 100%. For this calculation, we assumed that absorption of 3OMD-glucose was representative of glucose absorption, although the larger size of 3OMD-glucose and lower affinity for the glucose transporter may make this an underestimation. The effects of probe choice for estimating paracellular nutrient absorption are considered further in the Discussion.

Validation of paracellular probes

To verify that our l -arabinose and creatinine probes have no affinity for intestinal transporters, we used an everted sleeve technique to test for saturation kinetics (Karasov and Diamond, 1983 Lavin et al., 2007). Seven naïve M. lucifugus und P. leucopus were euthanized with CO2 and the entire small intestine was immediately removed and perfused with ice cold Ringer solution (125 mmol l −1 NaCl, 4.7 mmol l −1 KCl, 2.5 mmol l −1 CaCl2, 1.2 mmol l −1 KH2Bestellung4, 1.2 mmol l −1 MgSO4 and 20 mmol l −1 NaHCO3, pH 7.3–7.4). We everted the intestine and cut it into sections that were then secured to the tip of a metal rod (2 or 3 mm diameter). Six 1-cm sections were mounted using surgical thread with the aid of grooves at 1 and 11 mm from the rods' ends excess tissue was cut away. Throughout preparation, tissues were kept cold in Ringer solution gassed with 95% O2 and 5% CO2.

We prepared experimental incubation solutions modified from the Ringer solution using isosmotic replacement of NaCl. We tested for saturation of intestinal transporters using pairs of adjacent sections of intestine one section was incubated with 100 mmol l −1 mannitol (with only tracer amounts of the probe of interest,

1 μmol l −1 ) while the other section was incubated with a probe at high concentration (100 mmol l −1 d -glucose, 100 mmol l −1 l -arabinose or 100 mmol l −1 creatinine). Each pair of solutions was labeled with an impermeant marker to account for adherent fluid ([ 3 H]polyethylene glycol, mR 4000) as well as the appropriate probe ([ 14 C] d -glucose, [ 14 C] l -arabinose or [ 14 C]creatinine).

For 5 min prior to testing, mounted intestinal tissue was pre-incubated in the Ringer solution gassed with 95% O2 and 5% CO2 at 37°C. Tissues were then transferred to the experimental solution where they were incubated for 2 min (glucose) or 4 min (arabinose and creatinine), during which the solution was gassed at 37°C and mixed at high speed with a spin bar. The tissue was then removed, blotted to remove excess solution, cut from the mounting rod with a scalpel, and placed in a tared scintillation vial and weighed. We added 1 ml Soluene-350 tissue solubilizer (PerkinElmer) and incubated the tissue overnight at 55°C, before adding 5 ml scintillation cocktail for counting. Samples of the incubation solutions were taken prior to incubation and prepared similarly for counting.


Materialen und Methoden

Tiere und Unterbringung

We used 18 adult Gila monsters Heloderma suspectum Cope 1869 (11 males, mean mass 468 g, range 401–632 g, and 7 females, mean mass 490 g,range 332–605 g), acquired from the Arizona Game and Fish Department captive collection of non-releasable animals. Animals were transported by air to the University of Alabama and maintained prior to experimentation in large fiberglass cages (67 cm×30 cm×18 cm), 4–5 Gila monsters per cage, at a temperature of 25–28°C. Within the cages, Gila monsters were provided with refugia and water. Prior to study, Gila monsters were fasted for a minimum of 30 days to ensure that they were postabsorptive.

Experimentelle Verfahren

Gila monsters experience significant elevations in plasma exendin-4 concentrations after biting or feeding on rodent prey however, if force-fed rodents while under anesthesia, they do not increase plasma exendin-4 concentrations (Christel and DeNardo,2006). Likewise, when feeding upon chicken egg white and yolk they do not experience an elevation in plasma exendin-4(Christel and DeNardo, 2006). To examine the metabolic responses of Gila monster to different meals and to circulating plasma exendin-4 concentrations, we used the following three meal treatments: (1) pre-killed neonate rats (∼20 g) fed voluntarily, (2)pre-killed neonate rats fed under anesthesia, and (3) chicken egg white and yolk fed voluntarily. For the second meal treatment, which was designed to prevent endogenous exendin-4 release, we lightly anesthetized each Gila monster by placing it in a chamber containing isoflurane until it was unresponsive to touch. We then used a bird speculum to keep the mouth open and a pair of hemostats to push the pre-killed neonate rat into the Gila monster's stomach. For each meal treatment we used six Gila monsters and meal mass was equal to 10.02±0.01% of Gila monster body mass.

To explore the postprandial responses of Gila monsters for intestinal function and morphology, and the potential regulatory role of exendin-4 for those responses, we compared intestinal structure, nutrient uptake and hydrolase activity among four feeding treatments. Twelve Gila monsters were divided equally among four treatment groups so that there would be no significant difference in mean body mass among treatments. The four treatment groups were: (1) after a 30-day fast with no expected circulating exendin-4(Fasted) (2) 1 day following the voluntary consumption of a pre-killed neonate rat meal with expected elevated plasma exendin-4 levels (1DPF) (3) 1 day following the force-feeding under anesthesia (described above) of a pre-killed neonate rat with no expected release of exendin-4 (1DPF-anes) and(4) 3 days following the voluntary consumption of pre-killed neonate rat meal with expected elevated plasma exendin-4 levels (3DPF). For the three feeding treatments, meal mass was equivalent to 10.01±0.004% of Gila monster body mass. After treatment, Gila monsters were killed by severing their spinal cord, immediately posterior to the head. A mid-ventral incision was made to expose the internal organs, which were removed and weighed. For fed animals,the stomach and small intestine were emptied of their contents and reweighed. The difference between organ full mass and empty mass was recorded as the wet mass of organ contents.

Metabolic rate and specific dynamic action (SDA)

We quantified pre- and postprandial metabolism of Gila monsters by measuring rates of oxygen consumption(Ö2) and carbon dioxide production(CO2) using closed-system respirometry as described by Secor(Secor, 2003). Gila monsters were placed individually into opaque respirometry chambers (volume 9 l) and maintained at 30°C within an environmental chamber. Each respirometry chamber was fitted with incurrent and excurrent air ports, each attached to a three-way stopcock. With the exception of sampling periods, air was continuously pumped into chambers through the incurrent air port.

For each measurement of gas exchange, we withdrew a 50 ml air sample from the excurrent air port, and closed both ports to seal the chamber. 0.5–1 h later, the excurrent air port was opened and a second 50 ml air sample was withdrawn. Air samples were pumped (125 ml min –1 ) through a column of water absorbent material (Drierite™ W. A. Hammond Drierite Co., Xenia, OH, USA) and CO2 absorbent material (Ascarite IIThomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA) into an O2 analyzer(S-3A/II AEI Technologies, Pittsburgh, PA, USA) and through a column of water absorbent material into a CO2 analyzer (CD-3A AEI Technologies). We calculated whole-animal (ml h –1 ) and mass-specific (ml g –1 h –1 ) rates of Ö2 und CO2, corrected for standard pressure and temperature as described previously(Vleck, 1987).

We began the metabolic trial by measuring rates of gas exchanges of each Gila monster twice a day (at ∼08:00 h and 20:00 h) for 4 days. We assigned for each Gila monster its standard metabolic rate (SMR) as the lowest Ö2 and accompanied CO2measured over those days. Following SMR determination, each Gila monster was fed, returned to its respirometry chamber, and measurements resumed at 12 h intervals (∼08:00 h and 20:00 h) for 3 days and thereafter at 1-day intervals (∼08:00 h) for 7 more days.

We characterized the postprandial metabolic response to meal digestion,absorption and assimilation for each animal by quantifying the following seven variables as described by Secor and Faulkner(Secor and Faulkner, 2002):(1) SMR, the lowest measured Ö2 prior to feeding (2) peak Ö2, the highest recorded Ö2following feeding (3) factorial scope of peak Ö2, calculated as peak Ö2divided by SMR (4) respiratory exchange ratio (RER) calculated as CO2/Ö2(5) duration, the time after feeding that Ö2 was significantly elevated above SMR (6) SDA (specific dynamic action), the total energy expenditure above SMR over the duration of significantly elevated Ö2 and (7) SDA coefficient, SDA quantified as a percentage of meal energy. We quantified SDA(kJ) by summing the extra O2 consumed above SMR during the period of significantly elevated Ö2 and multiplying that value by 19.8 J ml O2 consumed, assuming that the dry matter of the catabolized meal is 70% protein, 25% fat and 5%carbohydrates, and generates a respiratory quotient (RQ) of 0.73(Gessaman and Nagy, 1988). The energy content of the rodent and egg meals was calculated by multiplying meal mass by its specific energy equivalent (kJ g –1 wet mass)determined by bomb calorimetry. Five neonate rat and five eggs (minus the shell) were weighed (wet mass), dried, reweighed (dry mass), ground to a fine powder, and pressed into pellets. Three pellets from each individual rat or egg were ignited in a bomb calorimeter (1266, Parr Instruments Co., Moline,IL, USA) to determine energy content (kJ g –1 ). For each meal,we determined wet-mass energy equivalent as the product of dry mass energy content and dry mass percentage. The neonate rats had a dry mass percentage of 26.0±0.3% and an energy equivalent of 6.82±0.13 kJ g –1 wet mass, whereas the shell-less eggs had a dry mass percentage of 24.6±0.3% and an energy equivalent of 7.14±0.17 kJ g –1 wet mass.

Intestinal morphology and organ masses

We examined the effects of feeding treatment on small intestinal morphology by measuring intestinal mass, intestinal length, mucosa and muscularis/serosa thickness, and enterocyte dimensions from fasted and fed Gila monsters. For each Gila monster, we weighed the emptied small intestine and measured its length. A 1 cm segment from the middle region was fixed in 10%neutral-buffered formalin solution, embedded in paraffin, and cross-sectioned(6 μm slices). Several cross-sections were placed on a glass slide and stained with Hematoxylin and Eosin. The thickness of the mucosa and muscularis/serosa layers and the height and width of ten enterocytes were measured at ten sites on each cross-section using a light microscope and video camera linked to a computer and image-analysis software (Motic Image Plus,British Columbia, Canada). For each Gila monster we report the average thickness of the mucosa and muscularis/serosa layers, the average height and width of enterocytes, and the average enterocyte volume, calculated using the formula for a cube (enterocyte width 2 ×height). To determine treatment effects on the mass of other organs, we determined the wet mass of the heart, lungs, liver, empty stomach, pancreas, empty large intestine and kidneys immediately upon their removal, dried each organ at 60°C for 2 weeks, and reweighed each to obtain dry mass.

Intestinal aminopeptidase-N activity

For fasted and fed Gila monsters, we measured the activity of the brush border bound hydrolase, aminopeptidase-N (APN EC 3.4.11.2) from the proximal third of the small intestine, following the procedure of Wojnarowska and Gray(Wojnarowska and Gray, 1975)and used previously on pythons (Ott and Secor, 2007a). Aminopeptidase-N cleaves NH2-terminal amino acid residues from luminal oligopeptides to produce dipeptides and amino acids that then can be absorbed by the small intestine(Ahnen et al., 1982). Scraped mucosa from intestinal segments was homogenized in PBS (1:250 dilutions) on ice. We used leucyl-β-naphthylamide (LNA) as the substrate and P-hydroxymercuribenzoic acid to inhibit nonspecific cytosol peptidases to quantify APN activity. Absorbance of the product resulting from the hydrolysis of LNA was measured spectrophometrically (DU 530, Beckman Coulter, Fullerton, CA, USA) at 560 nm and compared to a standard curve developed with β-naphthylamine. We quantified APN activity as μmol substrate hydrolyzed min –1 g –1 mucosal protein. Protein concentration of the homogenate was determined using Bio-Rad(Hercules, CA, USA) Protein Assay kit based on the Bradford method(Bradford, 1976).

Intestinal nutrient uptake

We measured nutrient transport rates across the intestinal brush border membrane of fasted and fed Gila monsters using the everted sleeve technique as described by Karasov and Diamond (Karasov and Diamond, 1983) and Secor and Diamond(Secor and Diamond, 2000). This method can be performed on the intestines of lizards and snakes without damaging the intestinal mucosal (Ott and Secor, 2007a Tracy and Diamond, 2005). The small intestine was removed, cleared of its contents, everted and divided into equal-length thirds (proximal, middle and distal). Each third was weighed and then sectioned into 1 cm segments. Segments were mounted on metal rods, preincubated in reptile Ringer's solution at 30°C for 5 min, and then incubated for 2 min at 30°C in reptile Ringer's solution containing an unlabeled and radiolabeled nutrient and a radiolabeled adherent fluid marker ( l -glucose or polyethylene glycol) (Secor et al., 1994). From intestinal segments we measured the total uptake (passive and carrier-mediated) of the amino acids l -leucine and l -proline, as well as the active, carrier-mediated uptake of d -glucose. Nutrient uptake rates were quantified as nanomol nutrient transported min –1 incubation mg –1 segment wet mass. In addition, we quantified the intestine's total uptake capacity (reported as μmol min –1 ) for each nutrient by summing together the product of segment mass (mg) and mass-specific rates of nutrient uptake (nmol min –1 mg –1 ) for the proximal, middle and distal segments.

Statistische Analyse

For each of the three SDA trials, we used repeated-measures analysis of variance (RM-ANOVA) to test for significant effects of time (before and after feeding) on Ö2. Concurrently, we used post hoc pairwise mean comparisons (Tukey test)to determine when postfeeding Ö2 was no longer significantly different from SMR, and to identify significant differences in Ö2 between sampling times. To test for meal treatment effects on metabolic variables, we used ANOVA for mass-specific rates and analysis of covariance (ANCOVA), with body mass as the covariate, for whole-animal measurements. To identify positional effects on nutrient uptake rates, we employed RM-ANOVA for each treatment (fasted and fed). Among treatments we used ANOVA to compare nutrient uptake rates for each intestinal position and APN activity for the middle segment, and ANCOVA to compare intestinal nutrient uptake capacities. We followed significant ANOVA and ANCOVA results with post hoc tests to identify significant differences between meal treatments. We calculated each statistical analysis using SAS and designated the level of statistical significance as P=0.05. Mean values are reported as mean ± 1 s.e.m.


Crikey! How Crocs Digest Animals Whole

Crocodiles are ferocious creatures that will eat snakes, buffalo, cattle and even people. New research explains crocodiles' spectacular method of digesting large meals that lets them eat 23 percent of their body weight at once, bones and all.

If people could gorge like crocodiles, a 130-pound woman could down a 30-pound hamburger in one sitting.

The secret behind this champion eating is a heart valve that crocs control neurologically, which lets blood bypass the lungs and flow through a special aorta straight to the stomach, enabling them to secrete gastric acid at rates 10 times faster than those measured in any other animal.

Crocodiles, alligators and other crocodilians all share this ability, said biologist C. G. Farmer at the University of Utah, who discovered the connection between the heart valve and digestion in research that will be detailed in the March-April issue of the journal Physiological and Biochemical Zoology.

"It's been known for many years that reptiles can shunt blood past the lungs, but the function has not been understood," Farmer told LiveScience. Many possible explanations for the purpose of the heart valve have been proposed, including the suggestion that the process is important for diving underwater for long periods of time, although no data has yet been found to support this hypothesis.

"Some people in the field are pretty sure this is explained by diving, so I think they're going to be surprised," Farmer said.

Farmer and her colleagues surgically altered some crocodiles so that they could not use the valve to send blood past the lungs. The biologists then measured how quickly the crocs could secrete stomach acid and found that those with the valve intact produced acid at a much higher rate.

When blood bypasses the lungs, it holds on to the carbon dioxide that would have normally been released into the gases in the lungs. Carbon dioxide is a chemical ingredient of gastric acid, so the more CO2 in the blood when it reaches the stomach, the more acid can be produced. This is essential for digesting large amounts of food.

"If any animal eats a meal that size, they can't process it immediately," Farmer said. "As the meal is being broken down, the stomach holds on to the bulk of the food and sends little bits on to the intestine. If they weren&rsquot able to secrete a lot of acid in their stomachs, the food there would putrefy due to the overgrowth of bacteria. Eating big meals infrequently has selected for this ability."

The excess of stomach acid is also helpful in dissolving the bones of prey crocodiles swallow whole.

While the neurologically-controlled valve is found only in crocodilians, all reptiles have some kind of shunting system for moving blood past the lungs.

Farmer said it would be interesting to see if Burmese pythons also use the system for digestion, because they can eat meals that weigh more than 100 percent of their body mass.

"They do have a shunt system, and I'll bet you they're using it," she said. "It's just hard to study for technical reasons. But I bet you money this is going to apply to all reptiles."


Predation and Food Webs

Walter K. Dodds , Matt R. Whiles , in Freshwater Ecology (Second Edition) , 2010

Adaptations of Predators

Predation can be characterized logically by a sequence of events. Prey must be encountered and detected, then attacked and captured, and finally ingested ( Brönmark and Hansson, 1998 ). Adaptations are evident at all stages this section is organized by the natural sequence of events.

The behavioral strategy used by organisms to obtain prey can vary from remaining immobile and allowing prey to approach to active foraging. The specific strategy that has evolved presumably allows for the most efficient harvesting of food given morphological, abiotic, and community constraints. The simplest encounter strategy is to “sit and wait” for prey. For example, pike (Esox) lay hidden, waiting for prey to come close. Pike have large tail (caudal) fins and pull their bodies into “S” shapes from which they can accelerate explosively to catch prey. Odonate dragonfly nymphs also wait for prey. They have a hinged labial jaw that ejects very rapidly and snatches prey. Hydra capture larval bluegill (Lepomis macrochirus) that contact its stinging nematocysts, a form of sit-and-wait predation that can have considerable impact on the populations of the larval fish (Elliot et al., 1997).

Carnivorous plants in wetlands are notable sit-and-wait predators on insects. Most species tolerate or require saturated soils and are wetland species ( Juniper et al., 1989 ). Passive trapping strategies are used, which include the use of adhesive traps such as in sun dew (Drosera), chambers that can be entered but not left as in the pitcher plants (e.g., Sarracenia ), snap traps such as the Venus flytrap (Dionaea), and triggered chambers as in the bladderworts (Utricularia). These plants also need to attract insects, and adaptations include visual stimuli such as UV patterns visible to insects. Olfactory substances can be produced, including those with nectar scent or the smell of putrefaction, and nectar rewards may be used to lure insects. Tactile stimuli are also important in some cases, such as that of the bladderwort, Utricularia, which has filamentous extensions on submerged gas-filled bladders that mimic filamentous algae and attract epiphyte feeders when the invertebrate contacts the extensions, the bladder fills rapidly with water and sucks in the prey ( Juniper et al., 1989 ). Carnivorous plants are generally found in low-nutrient environments and are photosynthetic, so they use their prey as a source of nitrogen and phosphorus. Carnivorous plants are an excellent example of convergent evolution leading to solution of a problem (nutrient limitation) from divergent plant lineages using a wide variety of capture and attraction mechanisms.

Sensing prey can be accomplished by a variety of adaptations, depending on the organisms and their prey. Invertebrates use visual (in a few organisms with well-developed eyes), mechanical, tactile, and chemical cues ( Peckarsky, 1982 ). In an ingenious demonstration of the importance of the use of mechanical cues, Peckarsky and Wilcox (1989) recorded hydrodynamic pressure wave patterns associated with escaping Baetis nymphs. Predatory stonefly nymphs (Kogotus modestus) attacked Baetis models in greater frequency when the wave patterns were played back than when they were not.

Fishes can sense prey visually, chemically, electrically, or hydrodynamically. Electrical sensory systems in fishes are highly developed the paddlefish (Polyodon spathula) can sense the electrical activity of a swarm of Daphnien 5 cm away ( Russell et al., 1999 ).

The idea that evolution through selection leads to maximization of net energy gained per unit time feeding, led to the concept of optimal foraging ( Pyke et al., 1977 Schoener, 1987). This simple concept can be applied to all phases of predation (encounter, detection, attack, capture, and ingestion). We have already discussed the relative merits of sitting and waiting for prey as opposed to active searching. Food quality, quantity, and spatial distribution are often additional considerations for optimal foraging. Optimal foraging has been well established for several fish species (Mittelbach and Osenberg, 1994). A food item may not be preferred if it is high quality but very rare relative to a lower quality food source. All items, even remotely suitable items, may be taken when food is limiting, but only the most profitable may be taken when more is available. For example, bluegill will capture all sizes of zooplankton in equal amounts when the food is at low density but will take large Daphnien preferentially at higher zooplankton concentrations ( Fig. 20.6 ).

Figure 20.6 . Selectivity of bluegill (Lepomis macrochirus) on size of prey (Großer Wasserfloh) at two prey densities. At low densities, all sizes of Daphnien are equally represented in the bluegill guts. At high densities of prey, the larger zooplankton are preferred (selectivity of 1 means consumption is the same as expected relative to random encounter rates).

(Data from Werner and Hall, 1974 ).

Predictions can also be made regarding how long a predator will remain in a patch of food. If a patch is of low quality, then moving to another patch may be more beneficial. However, if the cost of moving to another patch is high, it can be beneficial to extract more food from the current patch. Obviously, temporal and spatial scale are important considerations when making predictions using optimal foraging models. Similar considerations form the basis of the field of landscape ecology, discussed in Chapter 22 .

A problem with using optimal foraging theory to make predictions about behavior of predators is that an investigator may not be able to identify the most important selective forces (Gatz, 1983). For example, we could predict that large prey items are preferable to smaller items because they contain more energy. However, large prey may be encountered infrequently and may take more energy to capture. Taking many small prey items may be more energy efficient and seems to be the strategy used by many predatory freshwater fishes (Juanes, 1994).

The number of prey eaten per unit prey density is referred to as the functional response. The number of predators per unit prey density is referred to as the numerical response. A functional response curve can take one of three general forms ( Fig. 20.7 ).

Figure 20.7 . Holling's three types of functional response curves and the proportion of prey consumed assuming constant predator numbers.

In a type I functional response, predation is linearly related to prey density until some saturation is reached this is the simplest predation model. In a type II response, there is a hyperbolic response to prey density. The form of this response is similar to that seen in the Michaelis–Menten uptake kinetics described in Chapter 17 . This form of response is typical of predators that do not have a complex behavioral response to acquiring prey. Just as an enzyme can react with only so many molecules per unit time, a predator can only take a maximum number of prey items per unit time.

The type III response is seen in more advanced predators. At very low prey densities, few or no prey items are taken (optimal foraging theory predicts that there is not enough energy gain to profitably take prey). At intermediate prey densities the rate of capture increases, and eventually the predator is saturated, as in types I and II. Numerical response generally occurs over longer time periods because it requires changes in the predator's populations (from birth, death, immigration, and emigration), unlike functional responses that are primarily limited by behavioral and physiological aspects of the predator and distribution of prey in the environment.

Several strategies are used to consume prey. Many predators need to consume prey whole. These are referred to as gape-limited predators, and the size of prey they can consume is limited by the size of their mouth or gape ( Zaret, 1980 ). The dominant vertebrate predators in freshwaters are mostly of this type. Generally, gape-limited predators are highly dependent on the size of their prey, whereas others may be dependent to various degrees.


Zusammenfassung

Eine Fütterungsmaschine in Serienanordnung mit 36 Käfigen wird beschrieben, mit der die Mahlzeitenhäufigkeit und die zeitliche Aufeinanderfolge für bis zu 6 Gruppen von Ratten, Hamstern oder Mäusen unabhängig voneinander programmiert werden kann. Die Apparatur kann für 2 prinzipiell verschiedene Zwecke benützt werden: erstens zur Ausschaltung unspezifischer Wirkungen von Nahrungsbestandteilen auf die Futteraufnahme, und zweitens zum Erzwingen extrem variierender Mahlzeitenfolgen mit dem Zweck, den Einfluss verschieden häufiger Futteraufnahme auf die Kariesaktivität zu untersuchen. Es wird ein Experiment an Ratten beschrieben, in dem programmierte Fütterung 12 ×, 18 ×, 24 × oder 30 × täglich zu einer hoch signifikanten positiven Korrelation zwischen Fütterungshäufigkeit und Kariesbefall führte.