Stoffwechselraten-Rechner für Tiere

Berechnen Sie Grund- und Feldstoffwechselraten unter Verwendung allometrischer Beziehungen

Tiergruppe

Stoffwechselratentyp

Körpermasse (kg)

Masse in Kilogramm eingeben (z.B. 0,02 kg = 20 g)

Stoffwechselrate von Tieren verstehen

Die Stoffwechselrate ist die Rate, mit der ein Organismus gespeicherte chemische Energie in nutzbare Energie für biologische Prozesse umwandelt. Sie ist grundlegend für das Verständnis von Tierenergetik, Ökologie und Lebenszyklusstrategien.

Arten von Stoffwechselraten

Grundumsatz (BMR)

Der minimale Energieaufwand, der erforderlich ist, um grundlegende physiologische Funktionen in Ruhe, in einer thermoneutralen Umgebung, im postabsorptiven Zustand aufrechtzuerhalten.

Kleibers Gesetz (Säugetiere): BMR = 70 × M^0,75 kcal/Tag

Alternative (Säugetiere): BMR = 293 × M^0,75 kJ/Tag

Vögel: BMR = 78,3 × M^0,723 kcal/Tag (höher als Säugetiere aufgrund von Fluganpassungen)

Feldstoffwechselrate (FMR)

Der durchschnittliche tägliche Energieverbrauch von freilebenden Tieren in ihrem natürlichen Lebensraum, einschließlich aller Aktivitäten.

Säugetiere: FMR ≈ 3-5 × BMR (variiert mit Aktivitätsniveau)

Vögel: FMR ≈ 2,5-4 × BMR (Fliegen ist energetisch teuer)

Stoffwechselrate von Ektothermen

Reptilien bei 20°C: BMR = 10 × M^0,825 kJ/Tag

Temperatureffekt (Q10): Rate verdoppelt sich für jeden 10°C-Anstieg

Stoffwechselraten von Ektothermen sind typischerweise 5-10× niedriger als Endothermen ähnlicher Masse bei gleicher Temperatur.

Aus Sauerstoffverbrauch

Energieäquivalent: 1 mL O₂ ≈ 4,48-5,05 kcal (abhängig von RQ)

RQ = 0,7: Fettoxidation (4,69 kcal/L O₂)

RQ = 0,85: Gemischte Ernährung (4,86 kcal/L O₂)

RQ = 1,0: Kohlenhydratoxidation (5,05 kcal/L O₂)

Allometrische Skalierung: Kleibers Gesetz

Kleibers Gesetz beschreibt die empirische Beobachtung, dass die Stoffwechselrate mit der Körpermasse hoch 3/4 (M^0,75) skaliert, nicht proportional.

BMR = a × M^b

Wobei:

a = Normalisierungskonstante (variiert nach Taxon)
M = Körpermasse (kg)
b = Skalierungsexponent (≈0,75 für die meisten Tiere)

Biologische Bedeutung: Größere Tiere haben niedrigere massenspezifische Stoffwechselraten. Ein 1 kg Säugetier verbraucht ~10× mehr Energie pro Gramm als ein 100 kg Säugetier.

Stoffwechselraten bei Tiergruppen

Tierbeispiel	Masse (kg)	BMR (kcal/Tag)	Massenspezifisch
Maus	0,02	~4	200 kcal/kg/Tag
Ratte	0,3	~28	93 kcal/kg/Tag
Katze	4	~200	50 kcal/kg/Tag
Mensch	70	~1800	26 kcal/kg/Tag
Pferd	500	~7500	15 kcal/kg/Tag
Elefant	5000	~42000	8,4 kcal/kg/Tag
Kolibri	0,003	~1,2	400 kcal/kg/Tag
Eidechse (20°C)	0,1	~2	20 kcal/kg/Tag

Faktoren, die die Stoffwechselrate beeinflussen

Intrinsische Faktoren

• Körpergröße: Skaliert mit M^0,75
• Körperzusammensetzung: Magermasse metabolisch aktiver
• Alter: Höher bei Jungtieren (Wachstum), niedriger bei Älteren
• Geschlecht: Männchen haben oft höheren BMR als Weibchen
• Genetik: Vererbbare Variation in metabolischer Effizienz
• Physiologischer Zustand: Fortpflanzung, Mauser, Migration

Extrinsische Faktoren

• Temperatur: Kritisch für Ektothermen (Q10-Effekt)
• Jahreszeit: Wintertorpor, Sommerestivation
• Nahrungsverfügbarkeit: Fasten reduziert Stoffwechselrate
• Aktivitätsniveau: Bewegung erhöht Energieverbrauch
• Höhe: Hypoxie beeinflusst Sauerstoffverbrauch
• Klima: Kälteanpassung erhöht BMR

Endothermen vs. Ektothermen

Endothermen (Vögel & Säugetiere)

• Erzeugen Wärme intern
• Hohe, konstante Stoffwechselrate
• Unabhängig von Umgebungstemperatur (innerhalb von Grenzen)
• Energetisch teuer (benötigen häufige Fütterung)
• Aktiv in weiten Temperaturbereichen
• Schnelle anhaltende Aktivität möglich

Ektothermen (Reptilien & Amphibien)

• Abhängig von externen Wärmequellen
• Niedrige, variable Stoffwechselrate
• Stark abhängig von Umgebungstemperatur
• Energieeffizient (können länger ohne Nahrung überleben)
• Aktivität durch Temperatur begrenzt
• Verhaltenstherm regulierung essentiell

Ökologische und physiologische Bedeutung

Energiebudgets: Bestimmen Nahrungsbedarf und benötigte Futtersuchzeit zur Deckung metabolischer Anforderungen
Lebenszyklusstrategien: Hohe Stoffwechselraten verbunden mit kürzeren Lebensspannen und früherer Fortpflanzung
Geografische Verbreitung: Metabolische Einschränkungen begrenzen Artenbereiche (Bergmannsche Regel)
Populationsdynamik: Energieverfügbarkeit beeinflusst Populationsdichte und Tragfähigkeit
Klimawandel: Steigende Temperaturen beeinflussen Stoffwechselraten und Energiebedarf von Ektothermen
Naturschutz: Stoffwechselraten helfen, Nahrungsbedarf für Populationen in Gefangenschaft und in freier Wildbahn zu schätzen
Vergleichende Physiologie: Verstehen von Anpassungen an verschiedene Umgebungen und Lebensweisen

Messtechniken

Direkte Kalorimetrie

Misst Wärmeproduktion direkt in einer Kalorimeterkammer. Am genauesten, aber teuer und unpraktisch für große Tiere oder Feldstudien.

Indirekte Kalorimetrie

Misst O₂-Verbrauch und CO₂-Produktion. Häufigste Methode. Verwendet Respirometrie-Ausrüstung (Stoffwechselkammern, Gasanalysatoren). Kann im Labor und im Feld angewendet werden.

Doppelt markiertes Wasser (DLW)

Goldstandard für die Messung von FMR bei freilebenden Tieren. Injiziert Isotope (²H und ¹⁸O), verfolgt dann Eliminationsraten. Nicht-invasiv, aber teuer.

Herzfrequenz-Telemetrie

Korreliert Herzfrequenz mit Stoffwechselrate unter Verwendung von Kalibrierungskurven. Ermöglicht kontinuierliche Überwachung bei freilaufenden Tieren über Funksender.

Wichtige Überlegungen

Standardbedingungen: BMR erfordert spezifische Bedingungen - postabsorptiv, ruhend, thermoneutrale Zone
Skalierungsexponenten: Der 0,75-Exponent ist empirisch; mechanistische Erklärungen bleiben umstritten
Taxon-spezifische Gleichungen: Verschiedene Gruppen haben unterschiedliche Normalisierungskonstanten und Exponenten
FMR-Variation: Feldstoffwechselraten variieren 2-10× zwischen Arten ähnlicher Masse
Torpor und Winterschlaf: Einige Endothermen können Stoffwechselrate um 90-95% reduzieren, um Energie zu sparen
Oberfläche vs. Masse: Historische Debatte - Rubners Oberflächengesetz vs. Kleibers 3/4-Potenz-Gesetz
Phylogenetische Effekte: Nahe verwandte Arten können systematisch von allgemeinen Gleichungen abweichen

Referenzen

Kleiber, M. (1947). "Body size and metabolic rate." Physiological Reviews, 27(4), 511-541.
Schmidt-Nielsen, K. (1984). "Scaling: Why is Animal Size so Important?" Cambridge University Press.
McNab, B. K. (2002). "The Physiological Ecology of Vertebrates: A View from Energetics." Cornell University Press.
Nagy, K. A. (2005). "Field metabolic rate and body size." Journal of Experimental Biology, 208(9), 1621-1625.
White, C. R., & Kearney, M. R. (2013). "Determinants of inter-specific variation in basal metabolic rate." Journal of Comparative Physiology B, 183(1), 1-26.