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Warum platzen Zellen von Wassertieren nicht?

Warum platzen Zellen von Wassertieren nicht?


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Wir wissen, dass Pflanzenzellen, die wir im Wasser halten, nicht aufgrund einer Zellwand platzen. Aber den Zellen von Wassertieren fehlen Zellwände, aber sie überleben trotzdem. Wieso den?


Vergleichende Physiologie der Körperflüssigkeitsregulation bei Wirbeltieren

Zellen sind keine passiven Komponenten, die immer ins osmotische Gleichgewicht zurückkehren. Durch hormonelle, zelluläre Signalübertragung und die Anzahl der Poren für den Ionen- und Wasseraustausch können Meerestiere die Osmoregulation in verschiedenen aquatischen Umgebungen aufrechterhalten. Bei Landsäugetieren ist die Osmoregulation passiver, da sie vom endokrinen System kontrolliert wird.


Säugetiere können in Notfällen durch den Anus atmen

Zwei Zwergschweine laufen auf der 10. Thailand International Pet Variety Exhibition in Bangkok herum

Nagetiere und Schweine teilen mit bestimmten Wasserorganismen die Fähigkeit, ihren Darm zur Atmung zu nutzen, findet eine Studie, die am 14. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Med. Die Forscher zeigten, dass die Zufuhr von Sauerstoffgas oder sauerstoffangereicherter Flüssigkeit durch das Rektum zwei Säugetiermodellen mit Atemversagen eine lebenswichtige Rettung darstellte.

„Künstliche Atemunterstützung spielt eine entscheidende Rolle bei der klinischen Behandlung von Atemversagen aufgrund schwerer Erkrankungen wie Lungenentzündung oder akutem Atemnotsyndrom“, sagt der leitende Studienautor Takanori Takebe von der Tokyo Medical and Dental University und dem Cincinnati Children's Hospital Medical Center. "Obwohl die Nebenwirkungen und die Sicherheit beim Menschen gründlich untersucht werden müssen, könnte unser Ansatz ein neues Paradigma bieten, um schwerkranke Patienten mit Atemversagen zu unterstützen."

Mehrere Wasserorganismen haben einzigartige Darmatmungsmechanismen entwickelt, um unter sauerstoffarmen Bedingungen mit anderen Organen als Lunge oder Kiemen zu überleben. Zum Beispiel verwenden Seegurken, Süßwasserfische, die Schmerlen genannt werden, und bestimmte Süßwasserwelse ihren Darm zur Atmung. Es wurde jedoch heftig diskutiert, ob Säugetiere ähnliche Fähigkeiten haben.

In der neuen Studie liefern Takebe und seine Mitarbeiter Beweise für die Darmatmung bei Ratten, Mäusen und Schweinen. Zuerst entwarfen sie ein System zur Beatmung von Darmgasen, um reinen Sauerstoff durch das Rektum von Mäusen zu verabreichen. Sie zeigten, dass keine Mäuse ohne das System 11 Minuten unter extrem sauerstoffarmen Bedingungen überlebten. Mit der Darmgasventilation erreichte mehr Sauerstoff das Herz und 75 % der Mäuse überlebten 50 Minuten unter normalerweise tödlichen Bedingungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt.

Da das Beatmungssystem des Darmgases einen Abrieb der Darmmuskose erfordert, ist es klinisch unwahrscheinlich, insbesondere bei schwerkranken Patienten. Daher entwickelten die Forscher auch eine flüssigkeitsbasierte Alternative mit sauerstoffangereicherten Perfluorchemikalien. Diese Chemikalien haben sich bereits klinisch als biokompatibel und sicher für den Menschen erwiesen.

Das Beatmungssystem für Darmflüssigkeiten bot Nagetieren und Schweinen, die nicht tödlichen Bedingungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt ausgesetzt waren, therapeutische Vorteile. Mäuse, die eine Darmbeatmung erhielten, konnten in einer Kammer mit 10 % Sauerstoff weiter gehen, und mehr Sauerstoff erreichte ihr Herz im Vergleich zu Mäusen, die keine Darmbeatmung erhielten. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Schweinen festgestellt. Die Flüssigkeitsbeatmung des Darms kehrte die Blässe und Kälte der Haut um und erhöhte ihren Sauerstoffgehalt, ohne offensichtliche Nebenwirkungen zu verursachen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass diese Strategie bei der Bereitstellung von Sauerstoff wirksam ist, der den Kreislauf erreicht und die Symptome der Ateminsuffizienz in zwei Säugetiermodellsystemen lindert.

Mit Unterstützung der japanischen Agentur für medizinische Forschung und Entwicklung zur Bekämpfung der Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) planen die Forscher, ihre präklinischen Studien auszuweiten und regulatorische Schritte zu unternehmen, um den Weg zur klinischen Translation zu beschleunigen.

„Die jüngste SARS-CoV-2-Pandemie überwältigt den klinischen Bedarf an Beatmungsgeräten und künstlichen Lungen, was zu einem kritischen Mangel an verfügbaren Geräten führt und das Leben von Patienten weltweit gefährdet“, sagt Takebe. „Der Grad der arteriellen Oxygenierung, der von unserem Beatmungssystem bereitgestellt wird, reicht, wenn er für die Anwendung am Menschen skaliert wird, wahrscheinlich aus, um Patienten mit schwerem Atemversagen zu behandeln und möglicherweise eine lebensrettende Oxygenierung bereitzustellen.“


Inhalt

Schlaf kann einer physiologischen oder verhaltensbezogenen Definition folgen. Im physiologischen Sinne ist Schlaf ein Zustand, der durch reversible Bewusstlosigkeit, besondere Gehirnwellenmuster, sporadische Augenbewegungen, Verlust des Muskeltonus (evtl des Zustands, letzteres als Schlafhomöostase bekannt (dh je länger ein Wachzustand dauert, desto größer ist die Intensität und Dauer des Schlafzustands danach). [1] Im Sinne des Verhaltens ist der Schlaf gekennzeichnet durch minimale Bewegung, Nichtreagibilität auf äußere Reize (dh erhöhte Sinnesschwelle), die Einnahme einer typischen Körperhaltung und die Besetzung eines geschützten Ortes, was sich in der Regel wiederholt auf eine 24-Stunden-Basis. [2] Die physiologische Definition gilt gut für Vögel und Säugetiere, aber bei anderen Tieren (deren Gehirn nicht so komplex ist) wird die Verhaltensdefinition häufiger verwendet. Bei sehr einfachen Tieren sind Verhaltensdefinitionen von Schlaf die einzig möglichen, und selbst dann ist das Verhaltensrepertoire des Tieres möglicherweise nicht umfangreich genug, um zwischen Schlaf und Wachzustand unterscheiden zu können. [3] Der Schlaf ist im Gegensatz zum Winterschlaf oder Koma schnell reversibel, und auf Schlafentzug folgt ein längerer oder tieferer Erholungsschlaf.

Wenn Schlaf nicht unbedingt erforderlich wäre, würde man erwarten, Folgendes zu finden:

  • Tierarten, die überhaupt nicht schlafen
  • Tiere, die keinen Erholungsschlaf brauchen, nachdem sie länger als gewöhnlich wach geblieben sind
  • Tiere, die durch Schlafmangel keine ernsthaften Folgen erleiden

Außer einigen basalen Tieren, die kein oder ein sehr einfaches Gehirn haben, wurden bisher keine Tiere gefunden, die eines dieser Kriterien erfüllen. [4] Während einige Haiarten wie Weißhaie und Hammerhaie ständig in Bewegung bleiben müssen, um sauerstoffreiches Wasser über ihre Kiemen zu bewegen, ist es möglich, dass sie immer noch eine Gehirnhälfte nach der anderen schlafen, wie es Meeressäuger tun. Es bleibt jedoch definitiv zu zeigen, ob ein Fisch zu einhemisphärischem Schlaf fähig ist. [ Zitat benötigt ]

Schlaf als Phänomen scheint sehr alte evolutionäre Wurzeln zu haben. Einzeller „schlafen“ nicht unbedingt, obwohl viele von ihnen einen ausgeprägten circadianen Rhythmus haben. Die Quallen Cassiopea gehört zu den primitivsten Organismen, bei denen schlafähnliche Zustände beobachtet wurden. [6] Die Beobachtung von Schlafzuständen bei Quallen liefert Beweise dafür, dass Schlafzustände nicht erfordern, dass ein Tier ein Gehirn oder ein zentrales Nervensystem hat. [7] Der Nematode C. elegans ist ein weiterer primitiver Organismus, der anscheinend Schlaf benötigt. Hier ein Lethargie Phase tritt in kurzen Perioden vor jeder Häutung auf, eine Tatsache, die darauf hinweisen könnte, dass der Schlaf primitiv mit Entwicklungsprozessen verbunden ist. Raizen et al.'Die Ergebnisse [8] legen darüber hinaus nahe, dass Schlaf für Veränderungen im neuronalen System notwendig ist.

Die elektrophysiologische Untersuchung des Schlafes bei kleinen Wirbellosen ist kompliziert. Insekten durchlaufen zirkadiane Rhythmen von Aktivität und Passivität, aber einige scheinen kein homöostatisches Schlafbedürfnis zu haben. Insekten scheinen keinen REM-Schlaf zu zeigen. Fruchtfliegen scheinen jedoch zu schlafen, und eine systematische Störung dieses Zustands führt zu kognitiven Behinderungen. [9] Es gibt mehrere Methoden zur Messung kognitiver Funktionen bei Fruchtfliegen. Eine übliche Methode besteht darin, den Fliegen die Wahl zu lassen, ob sie durch einen Tunnel fliegen möchten, der zu einer Lichtquelle führt, oder durch einen dunklen Tunnel. Normalerweise werden Fliegen vom Licht angezogen. Aber wenn Zucker am Ende des dunklen Tunnels platziert wird und etwas, das die Fliegen nicht mögen, am Ende des hellen Tunnels platziert wird, werden die Fliegen schließlich lernen, eher in Richtung Dunkelheit als ins Licht zu fliegen. Schlafentzogene Fliegen benötigen eine längere Zeit, um dies zu lernen und auch schneller zu vergessen. Wird ein Arthropode experimentell länger als gewohnt wach gehalten, verlängert sich die kommende Ruhephase. Bei Kakerlaken ist diese Ruhephase durch das Herunterklappen der Antennen und eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber äußeren Reizen gekennzeichnet. [10] Auch bei Krebsen wurde Schlaf beschrieben, der durch Passivität und erhöhte Reizschwellen sowie Veränderungen des EEG-Musters gekennzeichnet ist und sich deutlich von den Mustern unterscheidet, die bei Krebsen im Wachzustand gefunden werden. [11] Bei Honigbienen wurde gezeigt, dass sie den Schlaf nutzen, um Langzeiterinnerungen zu speichern. [12]

Der Schlaf bei Fischen ist Gegenstand aktueller wissenschaftlicher Forschung. [13] [14] Typischerweise zeigen Fische Phasen der Inaktivität, zeigen jedoch keine signifikanten Reaktionen auf den Entzug dieser Bedingung. Einige Arten, die immer in Schwärmen leben oder ständig schwimmen (z. B. wegen der Notwendigkeit einer Staulüftung der Kiemen), stehen im Verdacht, niemals zu schlafen. [15] Es bestehen auch Zweifel an bestimmten blinden Arten, die in Höhlen leben. [16] Andere Fische scheinen jedoch zu schlafen. Zebrafisch [17] Tilapia [18] Schleie [19] Brauner Groppe [20] und Schwellhai [21] werden nachts (oder tagsüber, im Fall des Schwellhais) bewegungslos und reaktionslos Schweinsfische und Blaukopf-Lippfische können sogar von Hand bis an die Oberfläche gehoben werden, ohne eine Reaktion hervorzurufen. [22] Eine Beobachtungsstudie von 1961 an ungefähr 200 Arten in europäischen öffentlichen Aquarien berichtete über viele Fälle von scheinbarem Schlaf. [23] Andererseits werden Schlafmuster leicht gestört und können während der Migration, des Laichens und der elterlichen Fürsorge sogar verschwinden. [24]

Säugetiere, Vögel und Reptilien haben sich aus amniotischen Vorfahren entwickelt, den ersten Wirbeltieren mit einem vom Wasser unabhängigen Lebenszyklus. Die Tatsache, dass Vögel und Säugetiere die einzigen bekannten Tiere sind, die REM- und NREM-Schlaf aufweisen, weist auf ein gemeinsames Merkmal vor der Divergenz hin. [25] Jüngste Hinweise auf REM-ähnlichen Schlaf bei Fischen deuten jedoch darauf hin, dass diese Divergenz möglicherweise viel früher aufgetreten ist als bisher angenommen. [26] Bis zu diesem Zeitpunkt galten Reptilien als die logischste Gruppe, um die Ursprünge des Schlafes zu untersuchen. Die Tagesaktivität bei Reptilien wechselt zwischen Sonnenbaden und kurzen Anfällen von aktivem Verhalten, das signifikante neurologische und physiologische Ähnlichkeiten mit Schlafzuständen bei Säugetieren aufweist. Es wird vermutet, dass sich der REM-Schlaf aus kurzen Anfällen motorischer Aktivität bei Reptilien entwickelt hat, während sich der Slow-Wave-Schlaf (SWS) aus ihrem Sonnenzustand entwickelt hat, der ähnliche Slow-Wave-EEG-Muster zeigt. [27]

Reptilien haben ähnliche Ruhephasen wie der Schlaf von Säugetieren, und es wurde eine Abnahme der elektrischen Aktivität im Gehirn registriert, wenn die Tiere geschlafen haben. Das EEG-Muster im Reptilienschlaf unterscheidet sich jedoch von dem, was bei Säugetieren und anderen Tieren beobachtet wird. [3] Bei Reptilien verlängert sich die Schlafzeit nach Schlafentzug, und es werden stärkere Reize benötigt, um die Tiere zu wecken, wenn ihnen der Schlaf entzogen wurde, als wenn sie normal geschlafen haben. Dies deutet darauf hin, dass der Schlaf, der auf Entzug folgt, kompensatorisch tiefer ist. [28]

Im Jahr 2016 berichtete eine Studie [29] über die Existenz von REM- und NREM-ähnlichen Schlafstadien beim australischen Drachen Pogona Vitticeps. Amphibien haben Phasen der Inaktivität, zeigen aber in diesem Zustand eine hohe Wachsamkeit (Empfänglichkeit für potenziell bedrohliche Reize).

Es gibt signifikante Ähnlichkeiten zwischen dem Schlaf bei Vögeln und dem Schlaf bei Säugetieren, [30] was einer der Gründe für die Idee ist, dass sich der Schlaf bei höheren Tieren mit seiner Unterteilung in REM- und NREM-Schlaf zusammen mit der Warmblüter entwickelt hat. [31] Vögel kompensieren Schlafverlust auf ähnliche Weise wie Säugetiere durch tieferen oder intensiveren Slow-Wave-Schlaf (SWS). [32]

Vögel haben sowohl REM- als auch NREM-Schlaf, und die EEG-Muster beider haben Ähnlichkeiten mit denen von Säugetieren. Verschiedene Vögel schlafen unterschiedlich viel, aber die bei Säugetieren beobachteten Assoziationen zwischen Schlaf und Variablen wie Körpermasse, Hirnmasse, relative Hirnmasse, Grundumsatz und anderen Faktoren (siehe unten) finden sich bei Vögeln nicht. Der einzige eindeutige Erklärungsfaktor für die Schwankungen der Schlafmenge bei Vögeln verschiedener Arten ist, dass Vögel, die in Umgebungen schlafen, in denen sie Raubtieren ausgesetzt sind, weniger Tiefschlaf haben als Vögel, die in geschützteren Umgebungen schlafen. [33]

Vögel weisen nicht unbedingt Schlafschulden auf, aber eine Besonderheit, die Vögel mit Wassersäugern und möglicherweise auch mit bestimmten Eidechsenarten teilen (über den letzten Punkt gehen die Meinungen auseinander [ Klärung nötig ] ), ist die Fähigkeit zu unihemisphärischem Schlaf. Das ist die Fähigkeit, mit einer Gehirnhälfte gleichzeitig zu schlafen, während die andere Gehirnhälfte wach ist (unihemisphärischer Slow-Wave-Schlaf). [34] Wenn nur eine Hemisphäre schläft, wird nur das kontralaterale Auge geschlossen, dh wenn die rechte Hemisphäre schläft, wird das linke Auge geschlossen und umgekehrt. [35] Die Verteilung des Schlafs zwischen den beiden Hemisphären und die Menge des einhemisphärischen Schlafs werden sowohl davon bestimmt, welcher Teil des Gehirns während der vorherigen Wachphase am aktivsten war [36] – dieser Teil schläft am tiefsten – und es wird auch durch das Risiko von Angriffen durch Raubtiere bestimmt. Enten in der Nähe der Herde sind wahrscheinlich diejenigen, die zuerst Raubtierangriffe erkennen. Diese Enten schlafen deutlich mehr einseitig als solche, die mitten in der Herde schlafen, und sie reagieren auf bedrohliche Reize, die mit dem offenen Auge gesehen werden. [37]

Über den Schlaf bei Zugvögeln gehen die Meinungen teilweise auseinander. [ Zitat benötigt ] Die Kontroverse dreht sich hauptsächlich darum, ob sie beim Fliegen schlafen können oder nicht. [ Zitat benötigt ] Theoretisch könnten während des Fliegens bestimmte Schlafformen möglich sein, aber technische Schwierigkeiten schließen die Aufzeichnung der Gehirnaktivität bei Vögeln während des Fliegens aus.

Säugetiere haben eine große Vielfalt an Schlafphänomenen. Im Allgemeinen durchlaufen sie Perioden mit abwechselndem Nicht-REM- und REM-Schlaf, aber diese manifestieren sich unterschiedlich. Pferde und andere pflanzenfressende Huftiere können im Stehen schlafen, müssen sich aber für den REM-Schlaf (der Muskelatonie verursacht) für kurze Zeit unbedingt hinlegen. Giraffen zum Beispiel müssen sich für den REM-Schlaf nur für einige Minuten hinlegen. Fledermäuse schlafen kopfüber hängend. Männliche Gürteltiere bekommen während des Nicht-REM-Schlafs Erektionen, und das Gegenteil ist bei Ratten der Fall. [38] Frühe Säugetiere beschäftigten sich mit polyphasischem Schlaf und teilten den Schlaf in mehrere Schübe pro Tag auf. Höhere tägliche Schlafquoten und kürzere Schlafzyklen bei polyphasischen Arten im Vergleich zu monophasischen Arten deuten darauf hin, dass polyphasischer Schlaf ein weniger effizientes Mittel ist, um die Vorteile des Schlafs zu erreichen. Kleine Arten mit einem höheren Grundumsatz (BMR) können daher weniger effiziente Schlafmuster aufweisen. Daraus folgt, dass die Entwicklung des monophasischen Schlafs bisher ein unbekannter Vorteil der Entwicklung größerer Körpergrößen von Säugetieren und daher eines niedrigeren BMR sein kann. [39]

Es wird manchmal angenommen, dass Schlaf hilft, Energie zu sparen, obwohl diese Theorie nicht völlig ausreichend ist, da sie den Stoffwechsel nur um etwa 5–10% verringert. [40] [41] Darüber hinaus wird beobachtet, dass Säugetiere sogar während des hypometabolischen Winterschlafs Schlaf benötigen, was tatsächlich ein Nettoverlust an Energie ist, wenn das Tier zum Schlafen von der Unterkühlung in die Euthermie zurückkehrt. [42]

Nachtaktive Tiere haben eine höhere Körpertemperatur, größere Aktivität, steigendes Serotonin und abnehmendes Cortisol während der Nacht – das Gegenteil von tagaktiven Tieren. Nacht- und tagaktive Tiere beide haben nachts eine erhöhte elektrische Aktivität im suprachiasmatischen Kern und eine entsprechende Ausschüttung von Melatonin aus der Zirbeldrüse. [43] Nachtaktive Säugetiere, die dazu neigen, nachts wach zu bleiben, haben nachts einen höheren Melatoninspiegel, genau wie tagaktive Säugetiere. [44] Und obwohl das Entfernen der Zirbeldrüse bei vielen Tieren den Melatonin-Rhythmus aufhebt, stoppt es den zirkadianen Rhythmus nicht vollständig – obwohl es sie verändern und ihre Reaktionsfähigkeit auf Lichtsignale schwächen kann. [45] Der Cortisolspiegel bei tagaktiven Tieren steigt typischerweise während der Nacht an, erreicht seinen Höhepunkt in den Wachstunden und nimmt während des Tages ab. [46] [47] Bei tagaktiven Tieren nimmt die Schläfrigkeit während der Nacht zu.

Dauer Bearbeiten

Verschiedene Säugetiere schlafen unterschiedlich viel. Einige, wie Fledermäuse, schlafen 18–20 Stunden pro Tag, während andere, einschließlich Giraffen, nur 3–4 Stunden pro Tag schlafen. Auch zwischen nahe verwandten Arten kann es große Unterschiede geben. Es kann auch Unterschiede zwischen Labor- und Feldstudien geben: So berichteten Forscher 1983, dass Faultiere in Gefangenschaft fast 16 Stunden am Tag schliefen, aber 2008, als neurophysiologische Miniaturrekorder entwickelt wurden, die an Wildtieren angebracht werden konnten, waren Faultiere in der Natur gefunden, nur 9,6 Stunden am Tag zu schlafen. [48]

Wie bei Vögeln gilt auch für Säugetiere (mit gewissen Ausnahmen, siehe unten) die Hauptregel, dass sie zwei grundsätzlich unterschiedliche Schlafstadien haben: REM- und NREM-Schlaf (siehe oben). Die Ernährungsgewohnheiten von Säugetieren hängen mit ihrer Schlafdauer zusammen. Der tägliche Schlafbedarf ist bei Fleischfressern am höchsten, bei Allesfressern niedriger und bei Pflanzenfressern am niedrigsten. Der Mensch schläft weniger als viele andere Allesfresser, aber ansonsten nicht ungewöhnlich viel oder ungewöhnlich wenig im Vergleich zu anderen Säugetieren. [49]

Viele Pflanzenfresser, wie Ruminantia (wie Rinder), verbringen einen Großteil ihrer Wachzeit in einem Zustand der Schläfrigkeit. weitere erklärung nötig ], was vielleicht ihr relativ geringes Schlafbedürfnis teilweise erklären könnte. Bei Pflanzenfressern zeigt sich eine umgekehrte Korrelation zwischen Körpermasse und Schlafdauer, große Säugetiere schlafen weniger als kleinere. Es wird angenommen, dass diese Korrelation etwa 25% des Unterschieds in der Schlafmenge zwischen verschiedenen Säugetieren erklärt. [49] Außerdem hängt die Länge eines bestimmten Schlafzyklus im Durchschnitt mit der Größe des Tieres zusammen, größere Tiere haben längere Schlafzyklen als kleinere Tiere. Die Schlafmenge ist auch an Faktoren wie Grundumsatz, Hirnmasse und relative Hirnmasse gekoppelt. [ Zitat benötigt ] Die Schlafdauer zwischen den Arten steht ebenfalls in direktem Zusammenhang mit der BMR. Ratten, die einen hohen BMR haben, schlafen bis zu 14 Stunden am Tag, während Elefanten und Giraffen, die einen niedrigeren BMR haben, nur 2–4 Stunden pro Tag schlafen. [50]

Es wurde vermutet, dass Säugetierarten, die in längere Schlafzeiten investieren, in das Immunsystem investieren, da Arten mit längeren Schlafzeiten eine höhere Anzahl an weißen Blutkörperchen aufweisen. [51] Säugetiere, die mit gut entwickelten Regulationssystemen geboren wurden, wie das Pferd und die Giraffe, neigen dazu, weniger REM-Schlaf zu haben als die Arten, die bei der Geburt weniger entwickelt sind, wie Katzen und Ratten. [52] Dies scheint bei den meisten Säugetierarten den größeren Bedarf an REM-Schlaf bei Neugeborenen widerzuspiegeln als bei Erwachsenen. Viele Säugetiere schlafen einen großen Teil jedes 24-Stunden-Zeitraums, wenn sie noch sehr jung sind. [53] Die Giraffe schläft nur 2 Stunden am Tag in etwa 5–15 Minuten dauernden Sitzungen. Koalas sind die am längsten schlafenden Säugetiere, etwa 20–22 Stunden am Tag. Killerwale und einige andere Delfine schlafen jedoch im ersten Lebensmonat nicht. [54] Stattdessen legen junge Delfine und Wale häufig Pausen ein, indem sie ihren Körper beim Schwimmen neben den ihrer Mutter drücken. Während die Mutter schwimmt, hält sie ihre Nachkommen über Wasser, damit sie nicht ertrinken. Dies ermöglicht jungen Delfinen und Walen, sich auszuruhen, was wiederum dazu beiträgt, ihr Immunsystem gesund zu halten und sie vor Krankheiten zu schützen. [55] Während dieser Zeit opfern Mütter oft den Schlaf, um ihre Jungen vor Raubtieren zu schützen. Im Gegensatz zu anderen Säugetieren können erwachsene Delfine und Wale jedoch einen Monat lang ohne Schlaf auskommen. [55] [56]

Vergleichende durchschnittliche Schlafzeiten verschiedener Säugetiere (in Gefangenschaft) über 24 Stunden [ Zitat benötigt ]

    – 2 Stunden [57] – 3+ Stunden [50] – 4,0 Stunden – 4,5 Stunden – 8,0 Stunden – 8,4 Stunden – 9,7 Stunden – 9,8 Stunden – 10,1 Stunden – 15,8 Stunden – 12,5 Stunden – 12,5 Stunden – 13,5 Stunden – 14 Stunden – 15 Stunden – 18,1 Stunden – 18 Stunden pro Tag – 19,9 Stunden

Als Gründe für die großen Unterschiede werden die Tatsache angeführt, dass Säugetiere, "die im Versteck ein Nickerchen machen, wie Fledermäuse oder Nagetiere dazu neigen, länger und tiefer zu dösen als diejenigen, die ständig in Alarmbereitschaft sind". Löwen, die wenig Angst vor Raubtieren haben, haben auch relativ lange Schlafzeiten, während Elefanten die meiste Zeit fressen müssen, um ihren riesigen Körper zu unterstützen. Kleine braune Fledermäuse sparen ihre Energie mit Ausnahme der wenigen Stunden pro Nacht, in denen ihre Insektenbeute verfügbar ist, und Schnabeltiere fressen eine energiereiche Krustentierdiät und müssen daher wahrscheinlich nicht so viel Zeit wach verbringen wie viele andere Säugetiere. [58]

Nagetiere Bearbeiten

Eine von Datta durchgeführte Studie unterstützt indirekt die Idee, dass das Gedächtnis vom Schlaf profitiert. [59] Es wurde eine Box konstruiert, in der sich eine einzelne Ratte frei von einem Ende zum anderen bewegen konnte. Der Boden der Kiste bestand aus einem Stahlgitter. Ein Licht würde in der Box leuchten, begleitet von einem Ton. Nach einer Verzögerung von fünf Sekunden würde ein elektrischer Schlag verabreicht. Sobald der Schock begann, konnte sich die Ratte zum anderen Ende der Box bewegen und den Schock sofort beenden. Die Ratte könnte die fünf Sekunden Verzögerung auch nutzen, um sich zum anderen Ende der Kiste zu bewegen und den Schock vollständig zu vermeiden. Die Dauer des Schocks überschritt nie fünf Sekunden. Dies wurde bei der Hälfte der Ratten 30 Mal wiederholt. Die andere Hälfte, die Kontrollgruppe, wurde in denselben Versuch eingesetzt, aber die Ratten wurden unabhängig von ihrer Reaktion geschockt. Nach jeder der Trainingseinheiten wurde die Ratte für sechs Stunden polygraphischer Aufzeichnungen in einen Aufnahmekäfig gesetzt. Dieser Vorgang wurde an drei aufeinanderfolgenden Tagen wiederholt. Während der Schlafaufzeichnungssitzung nach dem Versuch verbrachten die Ratten nach den Lernversuchen 25,47% mehr Zeit im REM-Schlaf als nach den Kontrollversuchen. [59]

Eine Beobachtung der Datta-Studie ist, dass die Lerngruppe während der Schlafaufzeichnungssitzung nach dem Versuch 180% mehr Zeit in SWS verbrachte als die Kontrollgruppe. [60] Diese Studie zeigt, dass nach räumlicher Explorationsaktivität Muster von Hippocampus-Ortszellen während SWS nach dem Experiment reaktiviert werden. Die Ratten wurden durch eine lineare Spur geführt, wobei an beiden Enden Belohnungen verwendet wurden. Die Ratten wurden dann für 30 Minuten in die Bahn gesetzt, damit sie sich anpassen können (PRE), dann liefen sie die Bahn mit belohnungsbasiertem Training für 30 Minuten (RUN) und durften sich dann 30 Minuten ausruhen.

Während jeder dieser drei Zeiträume wurden EEG-Daten gesammelt, um Informationen über die Schlafstadien der Ratten zu erhalten. Die mittleren Feuerraten von Hippocampus-Ortszellen während der SWS vor dem Verhalten (PRE) und drei 10-Minuten-Intervallen in der SWS nach dem Verhalten (POST) wurden berechnet, indem der Durchschnitt über 22 Track-Running-Sitzungen von sieben Ratten gebildet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass zehn Minuten nach der Probe-RUN-Sitzung eine Erhöhung der mittleren Feuerungsrate von Hippocampus-Ortszellen um 12% gegenüber dem PRE-Niveau auftrat. Nach 20 Minuten kehrte die mittlere Feuerungsrate schnell zum PRE-Niveau zurück. Das erhöhte Feuern von Hippocampus-Ortszellen während des SWS nach der räumlichen Exploration könnte erklären, warum es in Dattas Studie einen erhöhten Slow-Wave-Schlaf gab, da es sich auch um eine Form der räumlichen Exploration handelte.

Bei Ratten führt Schlafentzug zu Gewichtsverlust und verringerter Körpertemperatur. Ratten, die auf unbestimmte Zeit wach gehalten werden, entwickeln Hautläsionen, Hyperphagie, Verlust von Körpermasse, Unterkühlung und schließlich eine tödliche Sepsis. [61] Schlafentzug behindert auch die Heilung von Verbrennungen bei Ratten. [62] Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe zeigten die Bluttests von Ratten mit Schlafentzug eine 20%ige Abnahme der Anzahl der weißen Blutkörperchen, eine signifikante Veränderung des Immunsystems. [63]

Eine Studie aus dem Jahr 2014 ergab, dass der Schlafentzug von Mäusen das Krebswachstum steigert und die Fähigkeit des Immunsystems, Krebs zu kontrollieren, dämpft. Die Forscher fanden bei den Mäusen mit Schlafentzug höhere Konzentrationen von M2-Tumor-assoziierten Makrophagen und TLR4-Molekülen und schlugen dies als Mechanismus für eine erhöhte Anfälligkeit der Mäuse für das Krebswachstum vor. M2-Zellen unterdrücken das Immunsystem und fördern das Tumorwachstum. TRL4-Moleküle sind Signalmoleküle bei der Aktivierung des Immunsystems. [64]

Monotreme Bearbeiten

Da Monotremen (eierlegende Säugetiere) als eine der entwicklungsgeschichtlich ältesten Säugetiergruppen gelten, haben sie ein besonderes Interesse bei der Erforschung des Säugetierschlafs. Da frühe Studien an diesen Tieren keinen klaren Beweis für den REM-Schlaf finden konnten, wurde zunächst angenommen, dass ein solcher Schlaf bei Monotremen nicht existierte, sondern sich entwickelte, nachdem sich die Monotreme vom Rest der Säugetier-Evolutionslinie abgezweigt hatten und eine separate, eigenständige wurden Gruppe. EEG-Aufnahmen des Hirnstamms bei Monotremen zeigen jedoch ein Feuermuster, das den Mustern im REM-Schlaf bei höheren Säugetieren ziemlich ähnlich ist. [65] [66] Tatsächlich findet sich die größte Menge an REM-Schlaf, die bei jedem Tier bekannt ist, im Schnabeltier. [67] Die elektrische REM-Aktivierung erstreckt sich bei Schnabeltieren überhaupt nicht auf das Vorderhirn, was darauf hindeutet, dass sie nicht träumen. Die durchschnittliche Schlafzeit des Schnabeltiers in einem Zeitraum von 24 Stunden soll bis zu 14 Stunden betragen, obwohl dies an ihrer kalorienreichen Krustentierernährung liegen kann. [58]

Wassersäugetiere Bearbeiten

Die Folgen eines Tiefschlafs für Meeressäuger können Ersticken und Ertrinken sein oder leichte Beute für Raubtiere werden. So verbringen Delfine, Wale und Flossenfüßer (Robben) beim Schwimmen einen einhemisphärischen Schlaf, der es einer Gehirnhälfte ermöglicht, voll funktionsfähig zu bleiben, während die andere einschläft. Die schlafende Hemisphäre wechselt sich ab, sodass beide Hemisphären vollständig ausgeruht sein können. [55] [68] Genau wie terrestrische Säugetiere fallen Flossenfüßer, die an Land schlafen, in einen Tiefschlaf und beide Gehirnhälften werden abgeschaltet und befinden sich im Vollschlafmodus. [69] [70] Säuglinge von aquatischen Säugetieren haben im Säuglingsalter keinen REM-Schlaf. [71] Der REM-Schlaf nimmt mit zunehmendem Alter zu.

Zu den Wassersäugetieren gehören unter anderem Robben und Wale. Ohrenlose Robben und Ohrenrobben haben das Problem des Schlafens im Wasser durch zwei verschiedene Methoden gelöst. Ohrenrobben zeigen, wie Wale, einen einhemisphärischen Schlaf. Die schlafende Gehirnhälfte erwacht nicht, wenn sie zum Atmen auftaucht. Wenn eine Gehirnhälfte einer Robbe einen langsamen Schlaf zeigt, sind die Flossen und Schnurrhaare auf der gegenüberliegenden Seite unbeweglich. Im Wasser haben diese Robben fast keinen REM-Schlaf und können ein oder zwei Wochen ohne ihn auskommen. Sobald sie an Land gehen, wechseln sie in bilateralen REM-Schlaf und NREM-Schlaf, vergleichbar mit Landsäugetieren, was die Forscher mit ihrem Mangel an "Erholungsschlaf" überrascht, nachdem sie so viel REM verpasst haben.

Ohrlose Robben schlafen wie die meisten Säugetiere bihemisphärisch, unter Wasser, hängend an der Wasseroberfläche oder an Land. Sie halten den Atem an, während sie unter Wasser schlafen, und wachen regelmäßig auf, um aufzutauchen und zu atmen. Sie können auch mit ihren Nasenlöchern über Wasser hängen und in dieser Position REM-Schlaf haben, aber sie haben keinen REM-Schlaf unter Wasser.

REM-Schlaf wurde beim Grindwal, einer Delfinart, beobachtet. [72] Wale scheinen weder REM-Schlaf zu haben, noch scheinen sie deswegen irgendwelche Probleme zu haben. Ein Grund, warum REM-Schlaf in Meeresumgebungen schwierig sein könnte, ist die Tatsache, dass REM-Schlaf Muskelatonie verursacht, d. h. eine funktionelle Lähmung der Skelettmuskulatur, die schwer mit der Notwendigkeit zu verbinden ist, regelmäßig zu atmen. [49] [73]

Bewusst atmende Wale schlafen, können es sich aber nicht leisten, lange bewusstlos zu sein, weil sie ertrinken könnten. Während das Wissen über den Schlaf bei wildlebenden Walen begrenzt ist, wurde bei gezahnten Walen in Gefangenschaft festgestellt, dass sie unihemisphärischen Slow-Wave-Schlaf (USWS) aufweisen, was bedeutet, dass sie mit einer Seite ihres Gehirns gleichzeitig schlafen, damit sie schwimmen und bewusst atmen können und vermeiden Sie während ihrer Ruhezeit sowohl Raubtiere als auch sozialen Kontakt. [74]

Eine Studie aus dem Jahr 2008 ergab, dass Pottwale bei passiven flachen „Drift-Tauchgängen“ in vertikalen Haltungen knapp unter der Oberfläche schlafen, im Allgemeinen während des Tages möglicherweise während solcher Tauchgänge schlafen. [75]

Unihemisphärischer Schlaf bezieht sich auf das Schlafen mit nur einer einzigen Gehirnhälfte. Das Phänomen wurde bei Vögeln und Wassersäugern [76] sowie bei mehreren Reptilienarten beobachtet (letztere ist umstritten: Viele Reptilien verhalten sich so, dass man sie als einhemisphärisches Schlafen interpretieren könnte, aber EEG-Studien haben widersprüchliche Ergebnisse geliefert). Gründe für die Entwicklung des unihemisphärischen Schlafs sind wahrscheinlich, dass es dem schlafenden Tier ermöglicht, Reize – zum Beispiel Bedrohungen – von seiner Umgebung zu empfangen, und dass es dem Tier ermöglicht, zu fliegen oder periodisch zu atmen, wenn es in Wasser eingetaucht ist. Nur NREM-Schlaf existiert unihemisphärischen, und es scheint ein Kontinuum im unihemisphärischen Schlaf hinsichtlich der Unterschiede in den Hemisphären zu geben: Bei Tieren, die einen unihemisphärischen Schlaf aufweisen, reichen die Bedingungen von einer Hemisphäre im Tiefschlaf, während die andere Hemisphäre wach ist, bis hin zu einer Hemisphäre, die leicht mit die andere Hemisphäre ist wach. Wenn einer Hemisphäre bei einem Tier mit unhemisphärischem Schlaf selektiv der Schlaf entzogen wird (eine Hemisphäre darf frei schlafen, die andere wird jedoch beim Einschlafen geweckt), nimmt die Menge des Tiefschlafs in der Hemisphäre, der der Schlaf entzogen wurde, selektiv zu, wenn beide Hemisphären dürfen frei schlafen.

Der neurobiologische Hintergrund für den unihemisphärischen Schlaf ist noch unklar. In Experimenten an Katzen, bei denen die Verbindung zwischen linker und rechter Hirnstammhälfte durchtrennt wurde, zeigen die Hirnhemisphären Perioden eines desynchronisierten EEGs, in denen die beiden Hemisphären unabhängig voneinander schlafen können. [77] Bei diesen Katzen wurde der Zustand beobachtet, in dem eine Hemisphäre NREM schlief und die andere wach war, sowie eine Hemisphäre, die NREM schlief, während die andere Hemisphäre REM schlief. Die Katzen schliefen nie im REM-Schlaf mit einer Hemisphäre, während die andere Hemisphäre wach war. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass der REM-Schlaf, soweit bekannt, nicht unihemisphärischer Natur ist.

Als Argument für die Notwendigkeit des Schlafens wurde die Tatsache angeführt, dass es unihemisphärischen Schlaf gibt. [78] Es scheint, dass kein Tier die Fähigkeit entwickelt hat, gänzlich auf Schlaf zu verzichten.

Tiere, die Winterschlaf halten, befinden sich in einem Zustand der Erstarrung, der sich vom Schlaf unterscheidet. Der Ruhezustand reduziert den Schlafbedarf deutlich, beseitigt ihn aber nicht. Einige überwinternde Tiere beenden ihren Winterschlaf mehrmals im Winter, damit sie schlafen können. [42] Überwinternde Tiere, die aus dem Winterschlaf aufwachen, gehen aufgrund von Schlafmangel während der Winterschlafperiode oft in den Rebound-Schlaf. Sie sind definitiv ausgeruht und sparen Energie während des Winterschlafs, brauchen aber Schlaf für etwas anderes. [42]


Ausgangspunkte

Verbinden und in Beziehung setzen

  • Was nutzt Ihre Gemeinde, um vereiste Gehwege und Straßen weniger rutschig zu machen – Sand oder Salz? Warum denkst du, ist dies der Fall?
  • Warst du schon mal beim Eisfischen? Warum friert der Fisch nicht unter dem Eis ein?

Verbinden und in Beziehung setzen

  • Was nutzt Ihre Gemeinde, um vereiste Gehwege und Straßen weniger rutschig zu machen – Sand oder Salz? Warum denkst du, ist dies der Fall?
  • Warst du schon mal beim Eisfischen? Warum friert der Fisch nicht unter dem Eis ein?

Wissenschaft und Technologie mit Gesellschaft und Umwelt in Verbindung bringen

  • Wie hat sich das Wissen über Frostschutzproteine ​​auf andere Bereiche der Wissenschaft ausgewirkt?
  • Could antifreeze proteins be a more ecologically-friendly alternative to road salt? What barriers might exist to using this technology for road safety?

Relating Science and Technology to Society and the Environment

  • How has knowledge about antifreeze proteins impacted other areas of science?
  • Could antifreeze proteins be a more ecologically-friendly alternative to road salt? What barriers might exist to using this technology for road safety?

Exploring Concepts

  • What is convergent evolution? Can you think of another example of convergent evolution that is not presented in this article?
  • How are proteins formed in a living thing?
  • Why does salt water freeze at a lower temperature than freshwater?
  • What other adaptations do fish have that live in very cold waters?
  • As arctic waters warm up, how might this antifreeze adaptation in arctic fish impact on fish survival?

Exploring Concepts

  • What is convergent evolution? Can you think of another example of convergent evolution that is not presented in this article?
  • How are proteins formed in a living thing?
  • Why does salt water freeze at a lower temperature than freshwater?
  • What other adaptations do fish have that live in very cold waters?
  • As arctic waters warm up, how might this antifreeze adaptation in arctic fish impact on fish survival?

Nature of Science/Nature of Technology

  • In light of what you have learned by reading this article, why is protecting and preserving the existing biodiversity on Earth of value?

Nature of Science/Nature of Technology

  • In light of what you have learned by reading this article, why is protecting and preserving the existing biodiversity on Earth of value?

Teaching Suggestions

  • This article supports learning in biology related to adaptations and evolution of organisms. It introduces the concepts of convergent evolution and ectothermic organisms. .
  • After reading the article student could also read the Learn More articles to find out more about antifreeze protein adaptations and the animals that have this adaptation..
  • Students could complete a Concept Definition Web for the concept of antifreeze proteins or convergent evolution. Download ready-to-use Concept Definition Web reproducibles in [Google doc] or [PDF] formats.

Teaching Suggestions

  • This article supports learning in biology related to adaptations and evolution of organisms. It introduces the concepts of convergent evolution and ectothermic organisms. .
  • After reading the article student could also read the Learn More articles to find out more about antifreeze protein adaptations and the animals that have this adaptation..
  • Students could complete a Concept Definition Web for the concept of antifreeze proteins or convergent evolution. Download ready-to-use Concept Definition Web reproducibles in [Google doc] or [PDF] formats.

Photosynthesis in Aquatic Plants and Land Plants

Sie möchten für uns schreiben? Nun, wir suchen gute Autoren, die das Wort verbreiten wollen. Melde dich bei uns und wir reden.

So, is there any difference between photosynthesis in land plants and aquatic plants? Well, the process of producing food with the help of light energy remains the same for both aquatic and land plants. In addition to light, they require the basic raw materials – carbon dioxide (CO2) and water (H2O) for synthesis of glucose (C6h12Ö6). What is special about food production by plants under water is, deriving these raw materials and light energy from their immediate environment.

The balanced equation of photosynthesis is represented as: 6CO2 + 12H2O + Light → C6h12Ö6 + 6O2 + 6H2Ö. In case of land plants, the required gases and light energy are available easily. They absorb carbon dioxide from atmospheric air through their stomatal openings (present in upper and lower side of leaves), water from the soil through their root system, and last but not the least, radiant energy from sunlight. Hence, land plants undergo photosynthesis naturally without any special adaptations.


Zellen finden ihre eigenen Lösungen

Die in dem heute veröffentlichten Papier beschriebenen Experimente waren bemerkenswert einfach. Das gleiche Forscherteam, zusammen mit Emma Lederer von Levins Labor, entfernte Zellen aus sich entwickelnden Froschembryonen, die sich bereits auf Epithelzellen spezialisiert hatten, und ließ sie in Clustern ohne den Rest des Embryos sich entwickeln, der normalerweise die Signale liefert, die Führungszellen, um der „richtige“ Typ an der „richtigen“ Stelle zu werden.

Was die Zellen zuerst taten, war unauffällig: Sie versammelten sich zu einer Kugel, bestehend aus Dutzenden von Zellen oder einigen Hundert. Ein solches Verhalten war bereits bekannt und spiegelt die Tendenz der Hautzellen wider, nach Gewebeschäden ihre Oberfläche so klein wie möglich zu machen, was die Wundheilung unterstützt.

Dann wurde es seltsam. Die Froschhaut ist im Allgemeinen mit einer schützenden Schleimschicht bedeckt, die sie feucht hält, um sicherzustellen, dass der Schleim die Haut gleichmäßig bedeckt. Die Hautzellen haben kleine haarähnliche Vorsprünge, die Zilien genannt werden, die sich bewegen und schlagen können. Wir haben sie auch an der Auskleidung unserer Lunge und unserer Atemwege, wo ihre schlagende Bewegung hilft, Schmutz im Schleim zu entfernen.

Dieses stark vergrößerte Bild von Xenobots zeigt die Flimmerhärchen, die auf ihrer Oberfläche wachsen und es ihnen ermöglichen, durch koordiniertes „Rudern“ zu schwimmen. Die Flimmerhärchen von Froschepithelzellen dienen normalerweise einem ganz anderen Zweck.

Aber die Zellcluster der Froschhaut begannen schnell, ihre Flimmerhärchen für einen anderen Zweck zu verwenden: um herumzuschwimmen, indem sie in koordinierten Wellen schlugen. Auf dem Cluster bildete sich eine Mittellinie, „und die Zellen auf der einen Seite reihen sich nach links und die auf der anderen Seite reihen sich nach rechts, und dieses Ding hebt ab. Es fängt an, herumzuzoomen“, sagte Levin

Wie entscheidet der Xenobot, wo die Mittellinie gezeichnet wird? Und was sagt ihr überhaupt, dass dies sinnvoll wäre? Das ist noch nicht klar.

Aber diese Entitäten bewegen sich nicht nur, sie scheinen auf ihre Umgebung zu reagieren. „Manchmal gehen sie geradeaus, manchmal im Kreis“, sagte Levin. „Wenn sich ein Partikel im Wasser befindet, werden sie es umkreisen. Sie werden Labyrinthe machen – sie können Kurven nehmen, ohne gegen etwas zu stoßen.“

Er fügte hinzu: "Ich bin mir ziemlich sicher, dass sie viele Dinge tun, die wir noch nicht einmal erkennen."

Vier der Xenobots, die sich in den neu veröffentlichten Experimenten spontan aus Schnipseln von embryonalem Froschgewebe gebildet haben.

Jablonka ist der Meinung, dass die meisten Tierentwicklungsbiologen von den Ergebnissen solcher Experimente nicht überrascht sein werden – aber sich selbst ärgern, weil sie nicht danach gesucht haben. „Sie würden wahrscheinlich sagen: ‚Ja, natürlich! Warum haben wir dieses einfache Experiment nicht früher gemacht?’“, sagte sie. Solé vermutet, dass andere zufällig über ähnliche Beobachtungen gestolpert sind, aber "dachten, es sei ein Fehler oder einfach unmöglich".

Oder es wurde einfach übersehen – weil die meisten Entwicklungsforschungen nur darauf abzielen, aufzudecken, wie ganze Organismen oder Teile davon unter normalen oder leicht manipulierten Bedingungen wachsen, sagte Jablonka. Aber Levins Arbeit hat ein neues Ziel, sagt sie: „Ein autonomes Wesen zu konstruieren, das nichts mit der spezifischen Form des [ursprünglichen] Organismus zu tun hat.“

Xenobots leben normalerweise etwa eine Woche und ernähren sich von den Nährstoffen, die von der befruchteten Eizelle weitergegeben werden, aus der sie stammen. Aber in seltenen Fällen konnte Levins Team Xenobots mehr als 90 Tage lang aktiv halten, indem es sie mit den richtigen Nährstoffen „fütterte“. Die langlebigeren bleiben nicht gleich, sondern beginnen sich zu verändern, als befänden sie sich auf einem neuen Entwicklungspfad – Ziel unbekannt. Keine ihrer Inkarnationen sieht aus wie ein Frosch, der vom Embryo zur Kaulquappe heranwächst.


Osmose

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Tasse mit 100 ml Wasser und fügen dem Wasser 15 g Haushaltszucker hinzu. The sugar dissolves and the mixture that is now in the cup is made up of a gelöst (the sugar) that is dissolved in the Lösungsmittel (the water). The mixture of a solute in a solvent is called aLösung.

Stellen Sie sich jetzt vor, Sie haben eine zweite Tasse mit 100 ml Wasser und fügen dem Wasser 45 Gramm Haushaltszucker hinzu. Genau wie bei der ersten Tasse ist der Zucker der gelöste Stoff und das Wasser das Lösungsmittel. Aber jetzt haben Sie zwei Mischungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gelöster Stoffe. Beim Vergleich zweier Lösungen mit ungleicher Konzentration des gelösten Stoffes ist die Lösung mit der höheren Konzentration des gelösten Stoffes hypertonic, and the solution with the lower solute concentration is hypotonisch. Lösungen gleicher Konzentration der gelösten Stoffe sind isotonisch. Die erste Zuckerlösung ist gegenüber der zweiten Lösung hypoton. Die zweite Zuckerlösung ist hypertonisch zur ersten.

You now add the two solutions to a beaker that has been divided by a selectively permeable membrane, with pores that are too small for the sugar molecules to pass through, but are big enough for the water molecules to pass through. Die hypertone Lösung befindet sich auf der einen Seite der Membran und die hypotone Lösung auf der anderen. Die hypertone Lösung hat eine niedrigere Wasserkonzentration als die hypotone Lösung, so dass nun ein Konzentrationsgradient von Wasser über die Membran besteht. Wassermoleküle bewegen sich von der Seite der höheren Wasserkonzentration zur Seite der niedrigeren Konzentration, bis beide Lösungen isotonisch sind. At this point, Gleichgewicht is reached.

Osmose ist die Diffusion von Wassermolekülen durch eine selektiv permeable Membran von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Wasser bewegt sich durch Osmose in die Zellen hinein und aus ihnen heraus. If a cell is in a hypertonic solution, the solution has a lower water concentration than the cell cytosol, and water moves out of the cell until both solutions are isotonic. Zellen, die in eine hypotonische Lösung gegeben werden, nehmen Wasser durch ihre Membran auf, bis sowohl die externe Lösung als auch das Zytosol isotonisch sind.

A cell that does not have a rigid cell wall, such as a red blood cell, will swell and lyse (burst) when placed in a hypotonic solution. Zellen mit einer Zellwand schwellen an, wenn sie in eine hypotonische Lösung gegeben werden, aber sobald die Zelle prall (fest) ist, verhindert die zähe Zellwand, dass mehr Wasser in die Zelle eindringt. Wenn eine Zelle ohne Zellwand in eine hypertonische Lösung gegeben wird, verliert sie Wasser an die Umgebung, schrumpft und stirbt wahrscheinlich ab. In einer hypertonischen Lösung verliert auch eine Zelle mit Zellwand Wasser. The plasma membrane pulls away from the cell wall as it shrivels, a process called Plasmolyse. Tierische Zellen neigen dazu, in einer isotonischen Umgebung am besten zu funktionieren, Pflanzenzellen neigen dazu, in einer hypotonen Umgebung am besten zu funktionieren. This is demonstrated inAbbildung unter.

Unless an animal cell (such as the red blood cell in the top panel) has an adaptation that allows it to alter the osmotic uptake of water, it will lose too much water and shrivel up in a hypertonic environment. If placed in a hypotonic solution, water molecules will enter the cell, causing it to swell and burst. Pflanzenzellen (unteres Feld) werden in einer hypertonischen Lösung plasmolysiert, neigen jedoch dazu, in einer hypotonen Umgebung am besten zu funktionieren. Wasser wird in der zentralen Vakuole der Pflanzenzelle gespeichert.

Osmotischer Druck

Wenn Wasser durch Osmose in eine Zelle eindringt, kann sich innerhalb der Zelle osmotischer Druck aufbauen. If a cell has a cell wall, the wall helps maintain the cell&rsquos water balance. Osmotic pressure is the main cause of support in many plants. Wenn sich eine Pflanzenzelle in einer hypotonen Umgebung befindet, erhöht der osmotische Wassereintritt den auf die Zellwand ausgeübten Turgordruck, bis der Druck verhindert, dass mehr Wasser in die Zelle eindringt. At this point the plant cell is turgid (Abbildung unter). The effects of osmotic pressures on plant cells are shown in Abbildung unter.

The central vacuoles of the plant cells in this image are full of water, so the cells are turgid.

Die Wirkung der Osmose kann für Organismen, insbesondere solche ohne Zellwände, sehr schädlich sein. Wenn beispielsweise ein Salzwasserfisch (dessen Zellen mit Meerwasser isotonisch sind) in Süßwasser gelegt wird, nehmen seine Zellen überschüssiges Wasser auf, lysieren und der Fisch stirbt. Ein weiteres Beispiel für eine schädliche osmotische Wirkung ist die Verwendung von Speisesalz zur Abtötung von Nacktschnecken.

Osmose kontrollieren

Organismen, die in einer hypotonen Umgebung wie Süßwasser leben, brauchen eine Möglichkeit, um zu verhindern, dass ihre Zellen durch Osmose zu viel Wasser aufnehmen. EIN kontraktile Vakuole ist eine Art von Vakuole, die überschüssiges Wasser aus einer Zelle entfernt. Freshwater protists, such as the paramecium shown in Abbildung below, have a contractile vacuole. Die Vakuole ist von mehreren Kanälen umgeben, die durch Osmose Wasser aus dem Zytoplasma aufnehmen. Nachdem sich die Kanäle mit Wasser gefüllt haben, wird das Wasser in die Vakuole gepumpt. Wenn die Vakuole voll ist, drückt sie das Wasser durch eine Pore aus der Zelle.


Why a Special Transport System is Needed in Multicellular Animals

All cells, whether free living or part of a larger organism, need certain basic things to survive. If they are animal cells, they need oxygen for respiration and they must rid themselves of the waste gas, carbon dioxide. Plant cells must have access to carbon dioxide for photosynthesis and they also need oxygen when they are breaking down sugars to release energy in the process of cellular respiration. Animal cells, not able to make their own sugars through photosynthesis, also need nutrients to burn for energy and in order to grow and eventually reproduce. These activities produce waste products which must be voided from the cell. The build up of waste products can poison a cell and eventually kill it.

All this is easy for a single celled organism. Protozoa and single celled algae inhabit aquatic and marine environments, so they are surrounded by water. Single celled organisms are defined by the cellular membrane, which separates them from the surroundings, Being semipermeable, it also allows gases and nutrients to flow into the cell as needed, and waste products to move out. The movement does not have to be forced. Simple diffusion means that nutrients and gases will flow from areas of high concentration to areas of low. If the cell needs oxygen, it will move inward. If the levels of carbon dioxide go up, it will move out. The same is true of nutrients and waste products.

But what about cells buried deep in a multicellular organism? How do these cells, which need them as much as single cells, get oxygen and nutrients. How do they get rid of waste products? This is where transport systems become so necessary in higher animals and plants.

The simplest multicellular animals do not have special transport systems. Jellyfish and sponges pump water through and around their cells and no cell is buried so deep that it cannot get access to food, water and oxygen. Even the smallest and simplest worms do not need special transport systems, but this limits how big they can get. Flatworms, phylum Platyhelminthes, have only two cell layers, ectoderm and endoderm. The cells on the outside, which are muscular and move the animal about, are in contact with water and so can access food and oxygen and get rid of wastes. Platyhelminthes have one opening that serves as both mouth and anus and leads to a two way digestive system. By swallowing water and food, the cells on the inside can access the nutrients and oxygen and rid themselves of wastes. They are in direct contact with the ectoderm and so can pass broken down nutrients on to the outer cells as well.

But get a little bigger, add a mesoderm or middle layer, and the game plan has to change. In order to get bigger, organisms had to develop transport systems to supply cells that were no longer in direct contact with the environment. My first paid research work as a biologist was to study an ectoparasite of oysters, the polychaete worm, Polydora websteri, which makes mud burrows on the insides of the oyster shells, thus ruining a potentially valuable food item. When I looked at them under the microscope, I discovered that they had red blood, just like we do. They don’t have a heart but move the blood around the body with muscular movements. The food they eat and the oxygen they need moves in the blood cells to all the cells of the body. Then the blood moves waste products back out to the gut where they can be voided through the anus, just as in higher animals

By the time we get to arthropods and vertebrates, we find that these two very different animal groups have separately evolved an organ to move the blood, a muscular heart that pumps the blood around. This is the basic animal transport system: heart and blood vessels. In aquatic and marine animals, the blood passes through gills which puts the blood in contact with oxygen-rich water. In land animals, lungs have evolved and the blood capillaries pass through the oxygen-rich cells of the lungs where they can pick up oxygen and release carbon dioxide, still simply by the process of diffusion. Nutrients are picked up from the digestive system and waste products delivered to the excretory system. All this is only possible with an efficient transport system.

Was ist mit Pflanzen? How have they solved the problems of feeding their cells and removing waste products? Primitive plants are limited in size and cannot leave aquatic or marine environments because they lack transport systems. Higher plants have specialised tissues called xylem and phloem that perform the functions of the blood vessels in higher animals. Xylem carries water up and down the stems of higher plants while phloem carries nutrients. Phloem is responsible for moving sugars from the leaves down to the stem and root cells while moving minerals from the roots up to the above-ground cells.

How does this movement occur without a heart? It all has to do with the flow of water in the process of diffusion. Leaves have large cells called stomates from which water transpires into the surrounding environment. This causes water to be drawn up from the soil, through the roots and up xylem till it replaces the water that has been lost. Nutrients continue to move by diffusion from cells of high concentration (phloem) to other cells with low concentrations of nutrients. Waste products flow the opposite direction for the same reason.

Multicellular organisms need to provide their cells with water, oxygen and nutrients in order to maintain healthy cells. They do this with transport systems because those cells are no longer able to collect these ingredients or release waste products themselves. Without transport systems, higher organisms from redwood trees to humans, would not be possible.


Learning from the axolotl

To even begin to think about how we can one day be able to regrow lost human limbs, scientists must become intimately familiar with the changes that axolotl cells undergo during regeneration. One approach that has been successful thus far is discovering molecular tweaks that cause an axolotl to lose its regenerative ability, which can reveal regeneration’s most important components and contributors. For instance, the immune system was found to be an important player the limb regeneration process. Macrophages, which are cells that serve a critical role in the inflammation response after injury, were previously connected to regeneration. In fact, injecting a drug to get rid of macrophages in an axolotl’s limb before amputation leads to the accumulation of scar tissue instead of regrowth. This scarring, which happens when a protein called collagen becomes disordered, is a normal part of wound healing in humans, but it is unusual in axolotls. This result suggests that macrophages may be essential for regeneration. Tweaking the nervous system has also been shown to interfere with regeneration. Scientists have observed that surgically removing a limb’s nerves prior to amputation can hinder regeneration, though work is still being completed to better understand why this happens.

All of these previous methods, though, rely on needing to remove an otherwise crucial part of a healthy body (e.g. immune cells and parts of the nervous system). But scientists are now diving down to the level of genes to search for new insights. To accomplish this, researchers first attempted to answer the question of how many times an axolotl limb can successfully regenerate. By repeatedly amputating limbs, it was seen that by the fifth time, few limbs could regrow to their previous potential. Further, when the limbs that could not regenerate were studied further, researchers again found extensive scar tissue build-up, paralleling what is often seen in human injuries. By comparing the genes that were turned on or off when the axolotl’s limb wasn’t able to regrow, scientists have found more molecules and processes to study that hold promise for kick-starting regeneration in humans. Perhaps one day, drugs can be made to modulate these genes, causing them to turn on and help a human limb to regrow after amputation.


Frage : Osmosis Pre-Lab Questions What is the water potential of an open beaker containing pure water? Why don’t red blood cells swell or shrink in blood? How do osmotic power plants work? Research the structures that protect plant and animal cells from damage resulting from osmotic pressure. Write a few paragraphs explaining what they are, how they work, and where

What is the water potential of an open beaker containing pure water?

Why don’t red blood cells swell or shrink in blood?

How do osmotic power plants work?

Research the structures that protect plant and animal cells from damage resulting from osmotic pressure. Write a few paragraphs explaining what they are, how they work, and where they are located.

Experiment 1: Tonicity and the Animal Cell

Table 1: Osmosis Results

Solution Type

Before Osmosis

After Osmosis

10% Corn Syrup/90% Distilled Water

Table 2: Observations of Eggs After Osmosis

100% Distilled Water

100% Corn Syrup

10% Corn Syrup/
90% Distilled Water

Record your hypothesis from Step 15 here. Be sure to include scientific reasoning to support your predictions.

How do each of the three eggs placed in solution compare to the control egg?

For each beaker, identify whether the solution inside was hypotonic, hypertonic, or isotonic in comparison to the control beaker.

What was the direction of osmosis in the beaker labeled “100% distilled water”? Did the egg in this beaker burst?

Was there any liquid in the “control” beaker after 24-48 hours? If so, why do you think this is? If not, why do you think this is?

Which solution contained a dehydrated cell? Think about someone with a high sugar diet. Hypothesize how their cells might be affected by osmosis.

Experiment 2: Tonicity and the Plant Cell

Table 3: Water Displacement per Potato Sample

Potato Type

Potato Observations

Initial Displacement (mL)

Final Displacement (mL)

Net Displacement (mL)

How did the physical characteristics of the potato vary before and after the experiment? Did it vary by potato type?

What does the net change in the potato sample indicate?

Different types of potatoes have varying natural sugar concentrations. Explain how this may influence the water potential of each type of potato.

Based on the data from this experiment, hypothesize which potato has the highest natural sugar concentration. Erklären Sie Ihre Argumentation.

Did water flow into or out of the plant cells (potato cells) in each of the samples examined? How do you know this?

Would this experiment work with other plant cells? What about with animal cells? Warum oder warum nicht?

From what you know of tonicity, what can you say about the plant cells and the solutions in the test tubes?

What do your results show about the concentration of the cytoplasm in the potato cells at the start of the experiment?

If the potato is allowed to dehydrate by sitting in open air, would the potato cells be more likely to absorb more or less water? Erklären.


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