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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-47955
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4795/


Effects of ambient temperature on tropical hibernation in the lesser hedgehog tenrec, Echinops telfairi

Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den tropischen Winterschlaf des kleinen Igeltanreks, Echinops telfairi

Wein, Jens

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SWD-Schlagwörter: Winterschlaf , Überwinterung , Torpor <Zoologie> , Tropen , Madagaskar , Körpertemperatur , Sauerstoffverbrauch , Energieverbrauch , Kleiner Igeltanre
Freie Schlagwörter (Englisch): hibernation, tropics, lesser hedgehog-tenrec, Echinops telfairi, energy consumption
Basisklassifikation: 42.63 , 42.84 , 42.17
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Tiere (Zoologie)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Dausmann, Kathrin (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.08.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 01.10.2010
Kurzfassung auf Englisch: Energy in the form of food is a important resource for animals. This is especially true for mammals which use considerably more energy than ectotherms. Evolution has thus led to diverse adaptations that lower energy consumption. Mammals from temperate and arctic regions often use torpor and hibernation to save energy. Torpor and hibernation are physiological states that are characterized by a reduced body temperature and metabolic rate. Hibernation bouts can last from several days up to several weeks and are interrupted by short and energetically-costly arousals during which the animals warm until they reach normal body temperatures.
However, animals from the tropics can use torpor and hibernation as well, albeit at higher ambient temperatures. These higher ambient temperatures could affect energy consumption. Depending on the choice of hibernaculum, tropical hibernators are not only exposed to high ambient temperatures but also to significant daily fluctuations of ambient temperature. This in turn could affect the frequency as well as the energetic costs of arousals since fluctuating ambient temperatures offer the opportunity of passive heating to aid restoration of normal body temperature.
The effect of ambient temperature on hibernation by a tropical mammal, the lesser hedgehog tenrec (Echinops telfairi), was investigated. E. telfairi is a small insectivore weighing 140 g, that is endemic to Madagascar and superficially resembles a European hedgehog. From a total stock of 27 animals, a randomized sample of tenrecs was exposed to different ambient temperatures in a climate chamber. The experimental regimes included constant and fluctuating ambient temperatures both during the summer (Sconst: 25°C and Sfluc: 20-30°C) and during the winter (Wconst: 20°C, Wlow: 15°C and Wfluc: 15-25°C). Energy consumption of the animals was measured by respirometry while the animals stayed within nestboxes in the climate chamber. Body temperature was measured with miniaturized temperature loggers (iButton), that were taped to the animals' abdomen.
E. telfairi can be considered an obligate heterotherm because all animals entered torpor or hibernated on every day, except for one female that remained normothermic for more than 24 h on two occasions. Obligatory heterothermy and a lack of thermogenic capacity in this species are likely an ancestral trait. Body temperature in the summer followed ambient temperature closely during daily torpor bouts and reached maxima of 30.8°C (Sconst) and 29.8°C (Sfluc) during the activity phase. Normothermic oxygen consumption was 0.67 mlO2 g-1 h-1 for Sconst and 0.43 mlO2 g-1 h-1 for Sfluc. During torpor bouts, oxygen consumption was reduced by around 80% to 0.18 mlO2 g-1 h-1 and 0.08 mlO2 g-1 h-1 for Sconst and Sfluc, respectively. Overall daily energy expenditure was 0.38 mlO2 g-1 h-1 for Sconst and 0.16 mlO2 g-1 h-1 for Sfluc. Re-warming under regimes of fluctuating ambient temperature was largely a passive process, reducing the cost of re-warming by 75%. This led to a reduction of 60% in overall energy requirements. Furthermore, fluctuating ambient temperature acted as a zeitgeber during daily torpor and triggered and/or synchronized the activity phases.
The lesser hedgehog tenrecs hibernated during winter and hibernation bout duration was negatively correlated with ambient temperature. The duration of hibernation bouts averaged 4.3 d under the Wconst regime and 8.5 d under Wlow with the highest observed bout lasting 12 d. In the fluctuating ambient temperature condition, the duration of hibernation bouts was reduced by 50% to 1.9 d. During hibernation, body temperature followed ambient temperature closely. Body temperature maxima during arousals were 28.1°C and 29.5°C under the Wconst and Wfluc regimes, respectively. Maximum body temperature at the lowest ambient temperature (15°C) dropped to 19.6°C, partly due to unsuccessful arousals. This suggests the existence of a lower temperature limit below which E. telfairi cannot successfully arouse and thus suggests a limited thermoregulatory ability. Oxygen consumption during hibernation was reduced to 0.06 mlO2 g-1 h-1 and 0.10 mlO2 g-1 h-1 for Wconst and Wfluc, respectively. Although energy savings by hibernation in tropical species appears lower than in arctic and temperate hibernators, the overall energy requirements were still reduced by 50% compared to the summer. The reduced effectiveness of tropical hibernation is presumably caused by the higher ambient temperature at which tropical mammals hibernate. Warming costs during arousals in fluctuating ambient temperature were reduced by 85%. Although passive heating reduced the energetic cost of arousals, overall energy consumption was unaffected by fluctuating ambient temperatures because of the more frequent arousals.
Kurzfassung auf Deutsch: Energie in der Form von Nahrung stellt für Tiere eine entscheidende Ressource zum Überleben dar. Im Laufe der Evolution sind diverse Anpassungen entstanden, die den Energieverbrauch senken. So nutzen Säugetieren aus temperaten und arktischen Regionen häufig Torpor und Winterschlaf, um Energie zu sparen. Dabei handelt es sich um physiologische Zustände, die durch eine Absenkung der Körpertemperatur und der Metabolismusrate gekennzeichnet sind. Die mehrtägigen oder -wöchigen Winterschlafphasen sind durch kurze, energetisch kostspielige Aufwachphasen unterbrochen, in denen die Tiere ihre normale Körpertemperatur erreichen.
Doch auch tropische Tiere nutzen Torpor und Winterschlaf, allerdings bei höheren Umgebungstemperaturen, welche sich auf den Energieverbrauch der Tiere auswirken können. Abhängig von der Wahl ihres Winterschlafquartiers sind tropische Winterschläfer nicht nur hohen, sondern täglich stark fluktuierenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Dies kann sich nicht nur auf die Häufigkeit, sondern auch auf die energetischen Kosten der Aufwachphasen auswirken, da fluktuierende Umgebungstemperaturen die Möglichkeit zur passiven Erwärmung bieten.
Die Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den tropischen Winterschlaf wurden beim kleinen Igeltenrek (Echinops telfairi), als einem Modellorganismus für tropischen Winterschaf, untersucht. E. tefairi ist ein kleiner, 140 g schwerer Insektenfresser, der endemisch auf Madagaskar vorkommt und äußerlich einem Europäischen Igel gleicht. Eine randomisierte Auswahl von Igeltenreks wurde in einer Klimakammer verschiedenen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Die Versuchsbedingungen umfassten konstante und fluktuierende Umgebungstemperaturen sowohl im Sommer (Sconst: 25°C und Sfluc: 20-30°C) als auch im Winter (Wconst: 20°C, Wlow: 15°C und Wfluc: 15-25°C). Dabei wurde der Energieverbrauch der Tiere respirometrisch als Sauerstoffverbrauch innerhalb ihrer Nistbox erfasst. Die Körpertemperatur wurde mit miniaturisierten Temperaturloggern (iButton) aufgezeichnet, welche mit Klebeband auf dem Abdomen der Tiere befestigt wurden.
E. telfairi kann als obligat heterotherm bezeichnet werden. Alle Tiere gingen jeden Tag entweder in Torpor oder Winterschlaf, mit der Ausnahme eines Weibchens welches zweimal länger als 24 Stunden normotherm war. Die obligate Heterothermie und die fehlende thermogenetische Kapazität sind wahrscheinlich ursprüngliche Merkmale. Während des Torpors im Sommer folgte die Körpertemperatur der Umgebungstemperatur und erreichte Maxima von 30,8°C (Sconst) und 29,8°C (Sfluc) während der Aktivitätsphase. Der normotherme Sauerstoffverbrauch lag bei 0,67 mlO2 g-1 h-1 für Sconst und 0,43 mlO2 g-1 h-1 für Sfluc. Während der Torporphasen wurde der Sauerstoffverbrauch um 80% auf 0,18 mlO2 g-1 h-1 und 0,08 mlO2 g-1 h-1 für Sconst beziehungsweise Sfluc reduziert. Der Gesamtenergieverbrauch pro Tag lag 0,38 mlO2 g-1 h-1 (Sconst) und 0,16 mlO2 g-1 h-1 (Sfluc). Das Aufwärmen während der Aktivitätsphasen war unter fluktuierenden Umgebungstemperaturen zum großen Teil ein passiver Prozess. Dies führte zu einer Reduzierung der Aufwärmkosten um 75% und erniedrigte den Gesamtenergieverbrauch um 60%. Des weiteren fungierte die fluktuierende Umgebungstemperatur als ein Zeitgeber während des Torpors und synchronisierte die Aktivitätsphasen.
Der kleine Igeltenrek hielt während der Wintermonate Winterschlaf, wobei die Dauer der Winterschlafphasen negativ mit der Umgebungstemperatur korrelierte. Im Durchschnitt dauerten die Winterschlafphasen 4,3 Tage für Wconst und 8,5 Tage für Wlow, wobei die längste gemessene Winterschlafphase 12 Tage betrug. Im Versuchsansatz mit fluktuierenden Umgebungstemperaturen verringerte sich die Dauer der Winterschlafphasen um 50% auf 1,9 Tage. Während des Winterschlafes folgte die Körpertemperatur der Umgebungstemperatur und erreichte in den Aufwachphasen Maxima von 28,1°C und 29,5°C für Wconst, bzw. Wfluc. Die maximale Körpertemperatur während des kältesten Versuchsansatzes (15°C) fiel auf 19.6°C, teilweise durch unerfolgreiche Aufwärmversuche. Dies legt ein unteres Temperaturlimit nahe, unterhalb dessen sich E. telfairi nicht mehr erfolgreich aufwärmen kann und welches für eine eingeschränkte Fähigkeit zur Thermoregulation spricht. Der Sauerstoffverbrauch während der Winterschlafphasen fiel auf 0,06 mlO2 g-1 h-1 für Wconst, bzw. 0,10 mlO2 g-1 h-1 für Wfluc ab. Der Gesamtenergieverbrauch wurde im Vergleich zum Sommer um 50% reduziert. Die verringerte Effektivität von tropischem Winterschlaf ist vermutlich durch die höheren Umgebungstemperaturen bedingt, unter denen tropische Säugetiere Winterschlaf halten. Die Kosten der Erwärmung während der Aufwachphasen wurden durch fluktuierende Temperaturen um 85% erniedrigt. Obwohl passives Aufwärmen die Energiekosten für die Aufwachphasen senkte, blieb der Gesamtenergieverbrauch durch das häufigere Auftreten von Aufwachphasen unter fluktuierenden Temperaturbedingungen unbeeinträchtigt.

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