Pinguine.net - schnabelhaft

Pinguine sind Vögel und als solche haben auch sie ein Gefieder, welches sich jedoch im Lauf der Jahre speziell angepasst hat. So haben sie anstatt langer Schwungfedern, wie sie zu Fliegen benötigt werden, viele kurze Federn, die zusammen ein dichtes Gefieder bilden. Die Federn überlappen sich stellenweise, sodass sich - ähnlich wie bei Dachziegeln - ein dichtes und wasserabweisendes Gefieder bildet.Wendet nun der Besitzer täglich die Zeit auf, um es mit Hilfe des Schnabels und der Füße mit einem ölig - tranigen Drüsensekret einzureiben, welches in einer Drüse nahe des Bürzels gebildet wird, dann wird es vollständig wasserdicht. Der Sekret hält die Federn weich und geschmeidig und hemmt außerdem das Wachstum von Pilzen oder Bakterien. Pinguine wenden täglich viel Zeit auf, um dies zu tun. An besagter Drüse scheidet der Pinguin täglich an die einhundert Gramm dieses öligen Sekrets aus, welches danach - hauptsächlich mit dem Schnabel, stellenweise auch mit den Flossen - gleichförmig im Gefieder verteilt wird, um dieses zu imprägnieren. Denn ein durchnässtes Gefieder wäre besonders für Pinguine in südlicheren Regionen schädlich; sie würden zu sehr auskühlen, während das Gefieder trocknet.

Doch mit seiner Wasserdichtigkeit erschöpft sich die Funktion des Gefieders noch nicht, denn es hält den Pinguin auch noch warm. Dazu haben Pinguinfedern an ihren Federschäften zusätzliche Daunen, die Luft einschließen. Diese Luftpolster erwärmen sich durch die Körpertemperatur des Pinguins und isolieren ihn vor der eisigen Kälte, die ihn umgibt. Tauchen Pinguine allerdings tiefer als 10 m dann drückt der Wasserdruck diese gespeicherte Luft aus dem Gefieder und sie müssen dann ihren Stoffwechsel beschleunigen, um den verlorenen Kälteschutz wettzumachen.

Wenn die Pinguine einmal im Jahr ihr Gefieder erneuern, dann kann man eine weitere Besonderheit beobachten. Während bei vielen anderen Vögeln während der Mauser das Gefieder ausdünnt oder kahle Stellen sichtbar werden, ist das bei Pinguinen nicht der Fall. Bei ihnen wachsen die neuen Federn unterhalb der Federschäfte des alten Gefieders. Wenn die neuen Federn größer werden, drücken sie die alten Schäfte schrittweise nach außen, bis die Federn abfallen. Dann kommt darunter bereits eine neue Feder zum Vorschein, die die Lücke sofort schließt und die damit den Wärmeschutz aufrecht erhält.

Unter dem Pinguingefieder haben sie außerdem noch eine dicke Fettschicht, die jedoch außer beim Kaiserpinguin nicht wirklich zum Kälteschutz beiträgt. Das Gefieder macht nämlich rund 90% der Isolierung eines jeden Pinguins aus. Im Gegensatz zu Walen oder Robben dient die Fettschicht des Pinguins nur dem Nährstoffvorrat und kaum zum Kälteschutz. Wie effizient das Gefieder verhindert, dass Körperwärme nach außen dringt, zeigt sich bei Kaiserpinguinen, die nach Schneestürmen zum großen Teil mit Schnee bedeckt sind. Der Schnee beginnt praktisch nicht zu schmelzen, weil die Temperatur an der Körperoberfläche nur unwesentlich über 0 Grad liegt.

Neben seiner raffinierten Allwetterkleidung hat ein Pinguin außerdem einen speziellen Blutkreislauf, der mit einer hohen Präzision die Durchblutung der Extremitäten (Flossen etc.) und der Körperoberfläche regulieren kann. Dies geschieht, indem der Pinguin durch Kontraktion der glatten Ringmuskulation in der Tunica media einer zuleitenden Ateriole die nachgeschalteten Kapillaren praktisch vollständig verschließt, sodass nur noch eine minimale Durchblutung erfolgt. Diese Adern sind durch andere Ateriolen überbrückt, die nun geöffnet werden. Damit kann er die Durchblutung von Extremitäten, über die der Pinguin bei starker Durchblutung viel Wärme verlieren würde, auf ein Minimum reduzieren und nur temporär durchbluten. Doch die Wärme, die der Pinguin auch bei minimaler Durchblutung der Gliedmaßen und der Körperoberfläche verlöre, wäre immer noch viel zu viel. Deshalb haben Pinguine noch eine weitere Anpassung bezüglich ihres Blutkreislaufes.

Bei Pinguinen (wie auch bei allen anderen gleichwarmen Lebewesen) liegen die Arterien, die die Körperoberfläche und die Extremitäten versorgen, stets neben den Venen, die von diesen kommen, sodass ein gegenseitiger Wärmeaustausch möglich ist. Das wiederum bedeutet, dass das warme Blut, welches direkt vom Herzen des Pinguins kommt, das kältere Blut, welches in den Venen fließt, wieder aufwärmt, bevor dieses zum Herz gelangt und sich dabei selbst etwas abkühlt. Dieses biologische Gegenstromsystem sorgt dafür, dass das arterielle Blut, bevor es in die Flossen oder an die Körperoberfläche gelangt, schon stark abgekühlt ist und nur sehr wenig Wärme abgeben kann. Wie bereits erwähnt haben alle gleichwarmen Wirbeltiere ein solches biologisches Gegenstromsystem, aber bei Arten, die extremen Temperaturen trotzen müssen, wie der Kaiserpinguin, ist es besonders stark ausgesprägt. Bei Pinguinen, die eher darauf bedacht sind, überschüssige Wärme zu verlieren, ist dieses Gegenstromsystem jedoch von einer dicken Vene überbrückt. Auf diese Art und Weise können diese Pinguine, die sowohl kalte wie warme Umgebungen ertragen müssen, im Bedarfsfall ihr Gegenstromsystem fast vollständig "ausschalten". Durch Muskelkontraktion in der Tunica media verschließt sich die Vene im Gegenstromsystem, die überbrückende Vene wird geöffnet. So kann der Pinguin viel mehr Wärme abgeben, als er dies durch andere biologische Anpassungen tun könnte. Zusammen schützen beide Systeme - die reduzierbare Durchblutung und das biologische Gegenstromsystem - effizient vor Wärmeverlust, weil sie die Extremitäten auf einer Minimaltemperatur halten. Im Wasser sind die Flossen im Schnitt nur leicht wärmer als die Wassertemperatur selbst. An Land ermöglichen allein die bisher genannten Anpassungen dem Kaiserpinguine, Temperaturen von - 13 Grad Celsius zu trotzen, ohne ihren Stoffwechsel zu beschleunigen.

Apropos Stoffwechsel. Alle homoiothermen (gleichwarmen) Lebewesen halten ihre Körpertemperatur mithilfe ihres Stoffwechsels konstant. Hierbei bauen sie energiereiche Stoffe, also Kohlenhydrate, Fette, Proteine etc. zu energieärmeren organischen Stoffen, teilweise auch energieärmeren anorganischen Stoffen ab. Dabei gewinnen sie einen Teil der in den chemischen Verbindungen enthaltenen chemischen Energie für sich und machen diese für sich nutzbar. Bei diesem Vorgang entsteht, praktisch wie von selbst, Energie, die für den Körper nicht mehr direkt nutzbar ist, also Wärme. Bei so gut wie allen Vorgängen im Körper, wo Energie von einer Form in eine andere übertragen wird, fällt Energie in Form von Wärme ab, die von dem Lebewesen nicht mehr direkt genutzt wird. Dennoch ist für viele Lebewesen eine halbwegs konstante Körpertemperatur von großer Wichtigkeit, weil viele wichtige Vorgänge im Körper - beispielsweise enzymatische Vorgänge - temperaturabhängig sind. Der Körper schafft sich sozusagen während des Stoffwechsels die nötige Körperwärme, um diesen aufrechtzuerhalten. Doch gerade in kalten Klimaten reicht diese ständig anfallende Wärmeproduktion nicht aus, sodass der Körper gezielt Wärme produzieren muss. Dies geschiet sehr effizient im braunen Fettgewebe, wo eine modifizierter Komplex V der Atmungskette den H⁺ Gradienten zwischen der inneren und äußeren Mitochondrienmembran nutzt, um gezielt Wärme zu produzieren. Der Körper kann seine Körperwärme übrigens auch steigern, indem sich Muskeln bewegen und chemische Energie aus ATP in Bewegung und Wärme umgesetzt wird, weshalb Menschen auch zittern, wenn ihnen kalt ist. Pinguine zittern übrigens auch, aber sie verlassen sich mehr auf ihr außerordentlich dicke braune Fettgewebsschicht.

Generell sind sie aber eher darauf bedacht, ihren Wärmeverlust zu minimieren, anstatt mehr Wärme zu produzieren. Dennoch kommen Kaiserpinguine nicht darum herum, bei Temperaturen kälter als -13 Grad Celsius ihren Stoffwechsel zu beschleunigen, um mehr Wärme freizusetzen.

Damit dies effizient geschehen kann, brauchen diese Pinguine eine große Körpermasse, was stark verallgemeinert einem Stoffwechsel mit ausreichend Energieumsatz und damit Wärmeproduktion entspricht, ein großes Volumen, das als Wärmespeicherfähigkeit betrachtet werden kann, sowie relativ dazu eine kleine Körperoberfläche, deren Größe maßgeblichen Einfluss auf den Wärmeverlust hat. Aus dieser Überlegung ergibt sich, dass - zumindest für die Punkte Volumen und Körperoberfläche - eine Kugel die optimale Form für einen Pinguin wäre, um den Wärmeverlust möglichst gering zu halten, weil bei dieser Form ein großes Volumen mit einer optimalen Oberfläche kombiniert ist. Auch wenn es keinen kugelförmigen Pinguin gibt, so entspricht doch der Kaiserpinguin am ehesten dieser optimalen Form. Der Kaiserpinguin ist außerdem auch der größte Pinguin, was selbstverständlich ebenfalls mit seinem temperaturextremen Lebensraum zu tun hat. Es lässt sich gar nicht genug betonen, dass ein gutes Verhältnis zwischen der Körperoberfläche und dem Volumen des Körpers für den Pinguin sehr wichtig ist. Wenn man bei der mathematisch einfachen Modellvorstellung einer Kugel bleibt, dann kann man die Oberfläche und das Volumen der Kugel mit folgenden zwei Formeln berechnen, wenn man den Kugelradius kennt:

In beiden Gleichungen geht der Kugelradius mit dem Formelzeichen r ein, außerdem steckt in jeder Gleichung noch die Konstante π und mit 4 bzw. 1 1/3 jeweils ein weiterer Koeffizient in jeder Formel. r ist die einzige Variable und dementsprechend ist nur der Kugelradius für die Oberfläche und das Volumen der Kugel wichtig. Man erkennt, dass in der Formel für die Kugeloberfläche der Radius quadriert wird, während bei der Volumenformel in der dritten Potenz steht. Das Volumen wird also bei wachsendem Radius um den Faktor r schneller größerer als die Oberfläche. Also wird das Verhältnis von Volumen und Oberfläche mit einem größeren Radius immer besser, somit ist im Hinblick auf das "Pinguinmodell" eine größere Kugel noch effizienter als eine kleine.

Auf den Kaiserpinguin bezogen bedeutet das, dass er noch so kugelförmig sein könnte, solange er nicht eine bestimmte Größe hat, ist das Verhältnis Volumen zu Oberfläche nicht ausreichend, um ihn vor zu hohem Wärmeverlust zu schützen. Schon aus diesem Grund könnte nie ein Zwergpinguin oder ein Gálapagospinguin in der Antarktis überleben - sie sind einfach zu klein. Die Temperaturbedingungen sind also maßgeblich für die Körpergröße des jeweiligen Pinguins. Je kälter die Klimata, desto größer müssen die Pinguine sein. Dieses Prinzip gilt übrigens nicht nur für Pinguine, sondern für praktisch alle Lebewesen und ist allgemein in der sog. BERGMANNschen Regel formuliert:

"Große Tiere besitzen im Verhältnis zum Volumen und zur Masse eine kleine Oberfläche und damit einen relativ geringen Wärmeverlust, d.h. sie sind in kälteren Klimaten begünstigt."

Das die BERGMANNsche Regel wirklich für Pinguine gilt, zeigt das Beispiel im Kasten rechts. Dass Kaiserpinguine nicht nur in puncto Größe ihrem temperaturextremen Lebensraum gerecht geworden sind, ist praktisch selbstverständlich.

So haben Forscher aus Messreihen an verschiedenen Vogelarten errechnet, dass ein Kaiserpinguin eine fast 20% kleinere Körperoberfläche hat, als ein durchschnittlicher Vogel mit vergleichbarer Masse. Somit ist beim Kaiserpinguin, der ja der die extremste Kälte von allen Pinguinen zu ertragen hat, außer dem Verhältnis von Körpervolumen zu Körperoberfläche auch das Verhältnis von Körperoberfläche zu Körpermasse besonders für kalte Klimata optimiert.

Je wärmer die Klimaten sind, desto freizügiger können Pinguine mit ihrer Körperwärme umgehen, bzw. müssen sogar darauf achten, nicht zu überhitzen, sodass sie relativ zu ihrer Körpergröße eine viel kleinere Masse haben. Dies ist auf der zweiten Karte oben gut ersichtlich.

Die BERGMANNsche Regel ist nebenbei gesagt nicht die einzige Regel betreffend des abiotischen Faktors Temperatur, die bei Pinguinen Gültigkeit hat. Auch die Aussage der ALLENschen Regel kann bei Pinguinen sehr gut beobachtet werden:

"Exponierte Körperteile, z.B. lange Ohren und Schwanz, die leicht auskühlen, sind bei den meisten Arten in kälteren Gebieten kleiner ausgebildet, als bei verwandten Arten wärmerer Gebiete."

Wenn diese Regel auch für Pinguine gilt, müsste man beobachten, dass die Größe exponierter, gut durchbluteter Körperteile bei in kälteren Gebieten lebenden Arten im Vergleich zur Körpergröße abnimmt... Und tatsächlich: Kaiserpinguine haben zum Beispiel, verglichen mit ihrem massigen Körper nur sehr kurze, schmale Flossen. Schon der Unterschied zum nahen Verwandten des Kaiserpinguins, dem Königspinguin, ist gravierend. Obwohl der Kaiserpinguin doppelt so schwer und rund 30 cm größer ist als sein Verwandter, hat dieser einen längeren Schnabel und längere Flossen. Außerdem sind seine Beine und Füße federlos, während die des Kaiserpinguins bis auf die Zehen ganz mit Federn bedeckt sind. Die Galápagospinguine leisten sich sogar den Luxus der, in Relation zu ihrem kleinen Körper, größten Flossen aller Pinguinarten.

Solch große Flossen kann ein Galapagospinguin nur haben, weil er nicht darauf achten muss, zu sehr auszukühlen. Überhitzung ist, zumindest an Land, für ihn die weitaus größere Gefahr. Im Wasser müssen auch der Galápagospinguin darauf achten, nicht zu schnell zu sehr auszukühlen. Dazu reduziert er - wie auch der Kaiserpinguin - im Wasser die Durchblutung seiner großen Flossen stark, sodass über diese nur noch ein Minimum an Wärmeenergie verloren geht.

Bei Pinguinen, die in kalten Regionen leben, kann übrigens schon das Atmen maßgeblich zur Auskühlung des Körpers beitragen. Zwar haben Pinguine keine menschenähnliche Lunge, die in zwei Flügel unterteilt ist, doch verfügen Sie über einen Luftsack, dessen Wände, wie in der menschlichen Lunge von dünnen Kapillargefäßen durchzogen sind, um den Gasaustausch zu ermöglichen. Wie beim Menschen ist auch beim Pinguin der Luftsack stark durchblutet, um eine ausreichende Versorgung des Körpers mit Sauerstoff zu gewährleisten und die ausreichende Abgabe von Kohlenstoffdioxid zu garantieren. Somit ließe zu kalte Luft im Luftsack schnell den ganzen Pinguin über seinen Blutkreislauf auskühlen. Um dieses Problem zu lösen, haben Pinguine ein System entwickelt, um die kalte Umgebungsluft vorzuwärmen, bevor sie in den Luftsack strömt. Die Schleimhaut im Nasengang der Pinguine ist stark durchblutet und die eingeatmete Luft wird im Vorbeiströmen angewärmt. Beim Ausatmen strömt die Luft wieder an dieser Schleimhaut vorbei und gibt einen großen Teil der Wärme in den Blutkreislauf zurück. Diese Abkühlung der ausströmenden Luft, bevor sie endgültig ausgeatmet wird, hat noch einen weiteren Vorteil: Die meiste Feuchtigkeit der Atemluft kondensiert noch im Nasengang und verleibt im Körper. Somit verliert der Pinguin weniger Wasser und die Gefahr der Dehydrierung ist minimal.

Damit dieses System jedoch wirkungsvoll arbeiten kann, muss der Pinguin langsam atmen. So atmet ein Kaiserpinguin in Ruhe nur 5 bis 8 mal pro Minute und nutzt den in der Luft vorhandenen Sauerstoff immerhin zu 65% aus, während der Mensch nur wenig Sauserstoff verbraucht und den größeren Teil ungenutzt wieder ausatmet. Pinguine in wärmeren Gebieten, die Wärme abgeben müssen, atmen daher auch wesentlich schneller, bis zu 56 mal in der Minute. Pinguine haben sich ganz allgemein physisch bestens an ihre Lebensräume und an die dort herrschenden Temperaturen angepasst, doch besonders die Kaiserpinguine müssen noch mehr können. Alle bisher genannten körperlichen Anpassungen gelten mehr oder weniger für alle Pinguinarten und sind nur in der Größe und Ausprägung unter den Arten verschieden.