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23.7:

Beträchtliche Ausscheidungssysteme

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Comparative Excretory Systems

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Biologische Makromoleküle, Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren sind die wichtigsten großen Moleküle im Körper. Proteine und Nukleinsäuren enthalten Stickstoff, der bei der Zersetzung dieser Moleküle häufig als Nebenprodukt anfällt. Überschüssiger Stickstoff im Körper neigt zur Bildung von Ammoniak, das hochgiftig ist und entweder direkt oder nach Umwandlung in Harnstoff oder Harnsäure entfernt werden muss. Die meisten Wassertiere setzen Ammoniak direkt in ihre Umwelt frei. Ein Großteil des Ammoniaks geht durch Diffusion verloren, daher ist dieser Prozess nicht energieintensiv. Da Ammoniak jedoch nur in geringen Konzentrationen toleriert werden kann, benötigen diese Tiere viel Wasser, um es zu verdünnen. Für viele Organismen sind diese Wasserkosten zu hoch. Säugetiere, viele ausgewachsene Amphibien und einige Meeresorganismen wandeln Ammoniak in Harnstoff um, bevor es aus dem Körper ausgeschieden wird. Harnstoff ist viel weniger giftig als Ammoniak und benötigt daher weniger Wasser zur Entfernung. Die Umwandlung von Ammoniak in Harnstoff erfordert jedoch Energie. Vögel, Reptilien und Insekten wandeln Ammoniak hauptsächlich in Harnsäure um. Harnsäure kann in festerer Form ausgeschieden werden und benötigt nur sehr wenig Wasser. Die Umwandlung von Ammoniak in Harnsäure ist jedoch noch energieintensiver als die Umwandlung in Harnstoff. Die Vorteile und Kosten dieser Ammoniakentfernungsmethoden, die direkte Freisetzung oder Umwandlung in Harnstoff oder Harnsäure, spiegeln die Anpassungen der Organismen an verschiedene Lebensräume wider. Fossile Beweise deuten darauf hin, dass das Leben im Wasser begann. Während sich Organismen ans Land bewegten, beschleunigten trockene Bedingungen wahrscheinlich die Entwicklung des Harnsäurewegs und ermöglichten den Tieren, mehr Wasser zu sparen. Unterschiedliche Fortpflanzungsmerkmale begünstigten auch unterschiedliche Verfahren zur Entfernung von stickstoffhaltigem Abfall. Zum Beispiel ermöglicht die Wasserlöslichkeit von Harnstoff Säugetierembryonen, Abfallprodukte im Blut ihrer Mutter zu entfernen. Andererseits ermöglicht die feste Natur der Harnsäure, dass Abfallprodukte von Vogelembryonen harmlose Klumpen in Eiern bilden, welche harte Schalen haben, durch die Harnstoff nicht dringen kann.

23.7:

Beträchtliche Ausscheidungssysteme

Tiere haben verschiedene Strategien für die Ausscheidung bzw. Beseitigung von Abfallstoffen entwickelt. Die meisten Abfallstoffe müssen im Wasser gelöst werden, damit sie ausgeschieden werden können, dadurch wirkt sich die jeweilige Strategie der Ausscheidung eines Tieres direkt auf den Wasserhaushalt aus.

Stickstoffhaltige Ausscheidungen zählen zu den wichtigsten Formen der tierischen Abfälle. Stickstoff wird freigesetzt, wenn Proteine und Nukleinsäuren zur Energiegewinnung oder bei der Umwandlung in Kohlenhydrate und Fette abgebaut werden. Dabei werden Proteine in Aminosäuren und Nukleinsäuren in stickstoffhaltige Nukleinbasen zerlegt. Die stickstoffhaltigen Aminogruppen der Aminosäuren und die stickstoffhaltigen Nukleinbasen werden dann in stickstoffhaltige Abfälle umgewandelt.

Typische stickstoffhaltige Abfälle, die von Tieren freigesetzt werden, sind Ammoniak, Harnstoff und Harnsäure. Diese Ausscheidungsstrategien umfassen Kompromisse zwischen Energie- und Wassereinsparung.

Die verschiedenen Strategien der Ausscheidung der stickstoffhaltigen Abfälle spiegeln unterschiedliche Lebensräume und Entwicklungsgeschichten wider. So scheiden beispielsweise die meisten Wasserorganismen Ammoniak direkt aus und werden daher als ammonotelische Tiere bezeichnet. Dieser Ansatz ist weniger energieintensiv als die Umwandlung von Ammoniak in Harnstoff oder Harnsäure vor der Ausscheidung, benötigt aber auch mehr Wasser. Für terrestrische Organismen, die vielleicht keiner größeren Bedrohung als die Dehydrierung ausgesetzt sind, ist die Wassereinsparung die zusätzlichen Energiekosten wert.

Ureotelischen Tiere, wie Säugetiere und Haie, wandeln Ammoniak vor der Ausscheidung in Harnstoff um. Harnstoff ist weniger giftig als Ammoniak und benötigt weniger Wasser für die Ausscheidung aus dem Körper. Viele Amphibien, die sich von aquatischen zu terrestrischen Lebensräumen bewegen, scheiden Ammoniak in erster Linie als Kaulquappen aus, aber scheiden hauptsächlich Harnstoff als Erwachsene an Land aus.

Uricotelische Organismen, zu denen Reptilien, Vögel und viele Insekten gehören, wandeln Ammoniak vor der Ausscheidung in Harnsäure um. Harnsäure ist nicht wasserlöslich und wird als Paste oder Pulver mit sehr wenig Wasser ausgeschieden. Harnsäure ist sogar noch weniger giftig als Harnstoff. Die Umwandlung von Ammoniak in Harnsäure erfordert jedoch noch mehr Energie als die Umwandlung in Harnstoff.

Diese verschiedenen Ausscheidungsstrategien ermöglichen den Tieren, den einzigartigen Wasser-und Energiebedarf ihrer Umgebung zu erfüllen.

Suggested Reading

Wright, P A. “Nitrogen Excretion: Three End Products, Many Physiological Roles.” The Journal of Experimental Biology 198, no. 2 (February 1, 1995): 273.[Source]>

Spring, Jeffrey H., S. Renee Robichaux, and John A. Hamlin. “The Role of Aquaporins in Excretion in Insects.” Journal of Experimental Biology 212, no. 3 (February 1, 2009): 358. [Source]