HYPOxie und HYPOthermie bei Seeelefanten auf Nahrungssuche: Eintauchen in physiologische Rätsel („Hypo2“)

Südlicher See-Elefant (Foto Liam Quinn, Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic license)
Südlicher See-Elefant 1
 

In Zusammenarbeit mit Prof. Caroline Gilbert (PI), MECADEV, CNRS / MNHN und Dr. Christophe Guinet (Co-PI), CEBC CNRS

Forschungsteam: Dr. Fabien Pifferi (MECADEV, CNRS / MNHN), Dr. Jérôme Badaut (Institut für Neurowissenschaften CNRS Bordeaux), Dr. Sylvain Giroud (FIWI, Vetmeduni Wien), Prof. Jean-Benoit Charrassin (CNRS / IRD / MNHN), Dr. André Ancel und Dr. Audrey Bergouignan (CNRS Straßburg), Dr. Emmanuel Barbier (Institut für Neurowissenschaften Grenoble, Dr. Samuel Verges (INSERM Grenoble), Dr. Alexei Vyssotski (ETH, Schweiz)

Finanzierungsquelle: Französische Agentur für Forschung (ANR) 2 , Polar Institute Paul-Emile Victor (IPEV) 3

Field work location Possession Island on Crozet Archipelago 4

Projektdauer: 3 Jahre, 01.2021-01.2024

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Hypoxische Ereignisse im Zusammenhang mit Hypothermie sind ohne Behandlung Ursachen für Funktionsstörungen des menschlichen Gehirns. Im Gegensatz dazu weisen Tauchrobben eine außergewöhnliche Fähigkeit auf, Unterkühlung und Hypoxie des Gehirns zu tolerieren, während die kognitiven Funktionen zur Nahrungssuche und zum Fangen von Beute erhalten bleiben. Südliche See-Elefanten (Mirounga leonina) sind die besten Taucher unter den Robben, was sie zu einem einzigartigen neurologischen Modell macht für die Erforschung jener physiologischen Mechanismen, die eine wiederholte schwere Hirnhypoxie und Unterkühlung ermöglichen. Freilebende südliche See-Elefanten werden mit Loggern neuester Technologie ausgestattet, um regionale und Gehirnhypothermie, Hypoxie und neuronale Aktivität in drei Entwicklungsstadien (Welpen, Juvenile, Erwachsene) während längerer Tauchgänge zu untersuchen. Dies wird es ermöglichen, verschiedene Stoffwechselbeschränkungen und Veränderungen während des Tauchens zu vergleichen. Dieser vergleichende physiologische Ansatz wird einen neuen Weg zum besseren Verständnis der physiologischen Anpassungen von Organismen an extrem hypoxische Umgebungen bieten, welcher auch zukünftige klinische Anwendungen bieten könnte.

Durch die Untersuchung von See-Elefanten in verschiedenen Entwicklungsaltern (von Neugeborenen bis zu Erwachsenen) werden wir untersuchen, wie physiologische Reaktionen sowohl auf zerebraler als auch auf Ebene des gesamten Organismus eine Anpassung des tierischen Organismus an hypoxische Umgebungen ermöglicht. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die folgenden spezifischen Fragen beantworten.

  1. Auf der Ebene des Organismus werden wir an frisch entwöhnten Welpen, Jungtieren (also unerfahrene Robben) und erwachsenen Robben den Stoffwechsel im Zusammenhang mit regionaler Unterkühlung (d.h. Hypometabolismus) bei längerer Apnoe untersuchen, um zu verstehen, wie solche Mechanismen zu Tauchgängen beitragen können, die über das Aerobic Dive Limit (ADL) hinausgehen
     
  2. Auf Gehirnebene werden wir die zerebrale Aktivierung von Robben während des Tauchens abbilden, als Funktion von (i) dem Entwicklungsstadium vom Neugeborenen bis zum Erwachsenen, (ii) der Dauer und Tiefe der Tauchgänge und (iii) ihrem Bewusstsein und ihrer Reaktivität zu externen Reizen (Kontrollreizen oder natürlichen Reizen wie Beutetieren).
     
  3. Um Futtersuchentscheidungen und physiologische Toleranz gegenüber Hypoxie besser zu verstehen, werden wir parallel dazu bestimmen, ob es mögliche schädliche Auswirkungen von Hypoxie / Hypothermie auf die Stoffwechselkapazität, mit welcher die Robben einer Hypoxämie (niedrigerem Blutsauerstoff) widerstehen und sich in Bezug auf die Tauchdauer erholen (d.h. Muskelenergie, Blutlaktat), gibt.

Es wurde vorgeschlagen, dass Hypothermie bei Freitauchaktivitäten die ADL-Zeit bei Pinguinen und Robben verlängert. Es besteht die Möglichkeit, dass regionale Hypothermie bei Tauchrobben durch Mechanismen vermittelt wird, die jenen des Torpor ähnlich sind, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass der Eintritt in den Torpor aktiv reguliert wird, durch die Verringerung der Stoffwechselrate um 30-50% des euthermischen Grundniveaus und der Körpertemperatur. Bisher wurde ein solcher Mechanismus bei Robben nie untersucht. Während andere Tiere während der Torporphase inaktiv bleiben, müssen hypotherme Robben bei Bewusstsein bleiben, um ihre Beutetiere zu lokalisieren und zu fangen. Wie Robben während des Tauchens unter Unterkühlung die kognitive Funktion aufrechterhalten, und sowohl die Stoffwechselreduktion als auch möglicherweise den Schutz des Gehirns gewährleisten, ist unbekannt.

Im weiteren Sinne stellt sich die Frage: Wie toleriert das Gehirn regelmäßige hypoxische Beleidigungen und vermeidet schädliche Auswirkungen von niedrigem Sauerstoffgehalt, während die neuronale Aktivität für eine effiziente Entscheidungsfindung und für eine erfolgreiche Nahrungssuche erhalten bleibt?

Südlicher See-Elefant (gemeinfreies Foto der US Regierung, Wikimedia Commons)
Southern_Elephant_seal_in_Antarctica_by_US_Government_public_domain_image 5
 
 
 

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