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Thermoregulation of African (Loxodonta africana) and Asian (Elephas maximus) elephants
heterothermy as an adaptation of living in hot climates
Nicole Weissenböck
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Walter Arnold
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.11989
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30335.03527.886962-9
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Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Elefanten haben als größte landlebende Säugetiere die kleinste Körperoberfläche im Ver-hältnis zum Volumen. Dadurch ist der Wärmeaustausch mit der Umgebung so eingeschränkt wie bei keinem anderen Säugetier. In der Kälte kann dies vorteilhaft sein, bei Hitzeexposition jedoch enorme Probleme bereiten. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum Elefanten das Fell verloren und ihre Körperwärme maßgeblich über Veränderungen der Hautdurchblutung regulieren. Während einer Studie zum temperaturregulierenden Verhalten von Afrikanischen Zooelefanten mittels Infrarot-Thermographie konnte ich eine Abnahme der Hauttemperatur, vor allem an den sensiblen Ohren, als Reaktion auf Kälteexposition beobachten. Die effekti-ve Vasokonstriktion der Hautgefäße scheint es dem Elefanten zu ermöglichen in kühlen Kli-maten zu leben, so zum Beispiel in der Subhimalajaregion, wo Asiatische Elefanten bis zur Schneegrenze vordringen, oder in Westafrika, wo nachts Temperaturen unter dem Gefrier-punkt herrschen können. Unter gemäßigten klimatischen Bedingungen konnte an den unter-suchten Zooelefanten zahlreich auftretende, unabhängige thermische Fenster an ihrer ge-samten Körperoberfläche beobachtet werden. Die Häufigkeit dieser stark vaskularisierten Regionen nahm mit zunehmender Lufttemperatur und Körpergewicht der Tiere zu. Die fein abgestimmte und lokal beschränkbare Veränderung der Hautdurchblutung scheint es dem Tier zu ermöglichen über einen weiten Bereich von Umgebungstemperaturen seine Körper-wärme ohne zusätzlichen Energieverbrauch zu regulieren. Ob dies ausreicht auch mit hei-ßen Klimaten zurecht zu kommen, war die zentrale Fragestellung dieser Arbeit. Einige Wüstensäugetiere, so etwa die Kamele, sind in der Lage eine erhöhte Körperkern-temperatur während des Tages zu tolerieren, um dann die überschüssige Wärme während der kühleren Nachtstunden abzugeben. Diese so genannte „adaptive Heterothermie“ redu-ziert beides, den Wasser- und den Energiebedarf für die evaporative Kühlung. In der vorlie-genden Arbeit wurde untersucht, ob diese Anpassung auch bei Elefanten existiert, deren Wärmeabgabe vorrangig durch die enorme Körpergröße eingeschränkt wird. Aufgrund der Schwierigkeiten physiologische Parameter bei Elefanten kontinuierlich über längere Zeiträume zu erfassen, habe ich zuerst an der Entwicklung einer präzisen und zuver-lässigen Methode zur Messung der Körpertemperatur bei Großsäugetieren gearbeitet. Das entwickelte telemetrische Verfahren konnte erfolgreich an Afrikanischen (Loxodonta africana) und Asiatischen (Elephas maximus) Zooelefanten angewandt werden. Zur Beantwortung der Kernhypothese dieser Dissertation, habe ich schlussendlich die Kör-pertemperatur von elf adulten Asiatischen Elefanten in ihrem natürlichen Lebensraum in Thailand über längere Zeiträume erfasst. Dabei zeigte sich, dass Asiatische Elefanten, die einem feuchten und warmen Klima ausgesetzt sind, tatsächlich eine ausgeprägte Hete-rothermie zeigen, selbst wenn sie mit ausreichend Wasser und Futter versorgt werden. Die gemessene Körpertemperatur erreichte ihr tägliches Maximum kurz vor Sonnenuntergang und zeigte eine tägliche Schwankung, die etwa 2.6 mal so groß war als vom generellen allo-metrischen Zusammenhang zwischen Körpergröße und der täglichen Variationsbreite bei Säugetieren zu erwarten war. Ich berechnete, dass Elefanten 26.5 MJ Wärme in ihren mas-sigen Körpern speichern können, was in etwa 10% ihres täglichen Energieverbrauches ent-spricht. Diese überschüssige Wäre wurde nachts durch eine Erhöhung der thermischen Konduktanz wieder abgegeben. Die Wärmeabgabe nahm während der ersten Nachtstunden umso mehr zu, je höher die maximale Lufttemperatur war. Zusammenfassend lässt sich sa-gen, dass Heterothermie in Elefanten eine adaptive und reguläre Reaktion auf hohe Lufttem-peratur ist. Heterothermie ist also keine spezielle Wüstenanpassung, sondern scheint eine grundsätzliche thermophysiologische Reaktion bei Säugetieren zu sein, die an ihre physiolo-gischen Leistungsgrenzen stoßen.
Abstract
(Englisch)
Being the largest terrestrial animal on earth today, elephants have the smallest surface to volume ratio. Therefore, heat exchange with the environment is greatly restricted, as in no other terrestrial mammal. This may be of considerable advantage in the cold, but disadvan-tageous during exposure to heat. While studying the thermoregulatory behaviour of African zoo elephants via infrared thermography I observed, as a consequence of cold exposure, a reduction in skin temperature, particularly of the ears. The effective cutaneous vasoconstric-tion may enable the elephant to cope with low temperatures, e.g. in the sub-Himalayan re-gion, where Asian elephants travel up to the snow-line, or during the night in West Africa where temperatures can drop below freezing. Under moderate temperate conditions, how-ever, the studied zoo elephants abundantly showed small, independent thermal windows over their whole body surface. The frequency of these highly vascularised skin areas in-creased with increasing ambient temperature and body weight. The fine-tuned and locally restricted cutaneous blood flow may enable an animal to regulate its body heat without addi-tional expenditure of energy over a wide area of ambient temperatures. Whether this is suffi-cient to cope with hot climate conditions was the central question of this thesis. Some desert mammals, such as camels, tolerate elevated core body temperature during the day and dissipate the excess heat during the cooler night hours. This so-called “adaptive heterothermy” reduces both water and energy requirements for evaporative cooling. In this thesis I investigated whether this response also exists in elephants when primarily large body size constrains heat dissipation. Owing to the difficulty obtaining physiological parameters continuously from large megaher-bivores like elephants, I first had to develop a precise and reliable non-invasive method for determining the body temperature of large-bodied mammals. The telemetric procedure was employed successfully on African (Loxodonta africana) and Asian (Elephas maximus) zoo elephants. Finally, to answer the core hypothesis I measured body temperature over longer periods in eleven adult Asian elephants living in their natural habitat in Thailand. It became clear that Asian elephants exposed to the humid and hot climate, indeed showed pronounced hetero-thermia, even when supplied with plenty of water and food. Body temperature reached its daily peak before sunset and fluctuated with a daily range 2.6 times larger than expected from allometric relations between body size and daily range of body temperature in mam-mals. I estimate that elephants can store up to 26.5 MJ heat per day in their huge bodies, equivalent to about 10% of their daily energy expenditure. This heat load was dissipated dur-ing the night through an elevated thermal conductance. Heat dissipation increased during the first part of the night with a greater increase on days with higher maximum ambient tempera-ture. Heterothermy, therefore, is not a special desert adaptation, but rather seems to be a basic thermophysiological reaction of mammals pushed to their physiological limits.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
allometric relationship core body temperature elephants Elephas maximus heat adaptations heterothermia large body size Loxodonta africana megaherbivores physiological limits thermography thermoregulation
Schlagwörter
(Deutsch)
Allometrische Zusammenhänge Elefanten Elephas maximus große Körpergröße Heterothermie Hitzeanpassungen Körperkerntemperatur Loxodonta africana Megaherbivoren physiologische Limits Thermographie Thermoregulation
Autor*innen
Nicole Weissenböck
Haupttitel (Englisch)
Thermoregulation of African (Loxodonta africana) and Asian (Elephas maximus) elephants
Hauptuntertitel (Englisch)
heterothermy as an adaptation of living in hot climates
Paralleltitel (Deutsch)
Thermoregulation Afrikanischer (Loxodonta africana) und Asiatischer (Elephas maximus) Elefanten: Heterothermie als Anpassung an ein Leben in heißen Klimaten
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
73 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Heiko Rödel ,
Hanns-Christian Gunga
Klassifikationen
42 Biologie > 42.17 Allgemeine Physiologie ,
42 Biologie > 42.60 Zoologie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.63 Tierphysiologie ,
42 Biologie > 42.66 Ethologie ,
42 Biologie > 42.68 Tiergärten, Aquarien, Terrarien ,
42 Biologie > 42.84 Mammalia
AC Nummer
AC08448249
Utheses ID
10813
Studienkennzahl
UA | 091 | 439 | |
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