Im Mittelpunkt stehen der Zusammenhang von Struktur und Funktion, die Betrachtung auf verschiedenen Ebenen: Organismus - Organsystem - Organ - Symbionten - Verdauungsstoffe - Futterteilchen und die Variabilität der Bakterien. Der Vorschlag bietet viele Aspekte, man wird nur einige auswählen.
Die Vermittlung des für die Jahrgangsstufe anspruchsvollen Stoffes verlangt eine gute methodische Vorplanung.

 

Symbiose

 

1. Einleitung

Die Schüler informieren sich vor der Unterrichtsstunde über die Fütterung von Rindern und Pferden. Sie können von einem Aufenthalt auf einem Bauernhof oder von ihren Erfahrungen bei der Pferdepflege berichten. Im Unterrichtsgespräch werden die Informationen gesammelt und vom Lehrer ergänzt.

 

1.1 Rinder

Rinder auf der Weide suchen sich die Futterpflanzen aus. Ganz offensichtlich erkennen und bewerten sie den Energiegehalt einer Pflanze und reagieren mit entsprechender Nahrungsauswahl auf Mineralstoff- und Vitaminmangel. Als ideal wird Grünfutter mit 60% Gras-, 20% Kräuter- und 20% Leguminosenanteil wie Klee angesehen.

Bis 1950 wurden Rinder im Winter hauptsächlich mit Heu gefüttert. Vor allem in Skandinavien hatte man aber mit der Grastrocknung Probleme, weil es zu feucht und zu kühl war. Das Gras verdarb, bevor es trocken war; die Rinderhaltung war schwierig. Der finnische Wissenschaftler Artturi Ilmari Virtanen (Nobelpreis 1945) entwickelte ein Verfahren, Gras, Mais, Klee, Ackerbohnen, Luzerne, Hafer, Rübenblätter in Silos zu vergären und damit haltbar zu machen. Damit die Milchsäurebakterien gut arbeiten, muss das Gras luftdicht gelagert werden. Wenn man Ameisensäure zugibt, vermehren sich die Milchsäurebakterien besser und unterdrücken andere unerwünschte Bakterienarten.
Bei dieser AIV-Methode zur Konservierung von Futtermitteln werden wichtige Inhaltsstoffe wie Vitamine nicht zerstört.
In der Natur kommen viele Bakterienstämme vor; welche Art wächst und sich vermehrt, hängt von den Bedingungen ab. Untereinander stehen sie in Konkurrenz.

 

1.2 Pferde

Pferde erhalten neben Gras / Heu zusätzlich Hafer, Gerste und Möhren. Ergänzt wird dieses Futter durch Pflanzenöl und Futterkalk. Abends erhalten sie auch eine Portion Roggenstroh. Ganz genau kann man sich auf der folgenden Seite informieren:

www.aid.de/downloads/pferdefuetterung.pdf

 

2. Futterverwertung beim Rind

In langen Wintern, wenn die Futtervorräte (Heu, Silage) aufgebraucht sind, kann man Rinder auch eine zeit lang nur mit Stroh füttern; bei Pferden ist das nicht möglich. Wie kann man diese Beobachtung erklären?

 

2.1 Der Weg der Nahrung - Struktur der Verdauungsorgane

Das Rind ist ein Wiederkäuer, das Pferd nicht.
Untersucht man die Verdauungsorgane von geschlachteten Tieren, so fällt ein großer Unterschied auf. Das Rind besitzt einen vierteiligen riesigen Magen und einen kleinen Blinddarm, das Pferd einen relativ kleinen Magen (eine Kammer) und einen sehr großen Blinddarm. Nur das letzte der vier Magenabteile des Rindes bildet Verdauungssäfte.
Da man sich gefragt hat, welche Funktion Magenräume ohne Verdauungssäfte haben, hat man sich auf die Untersuchung der ersten drei Kammern (Pansen, Netz- und Blättermagen) und deren Inhalt konzentriert. Dabei hat man auch aufgeklärt, was beim Wiederkäuen passiert.

Rindermagen

Beim Äsen wird die Nahrung nahezu unzerkaut verschluckt und im Pansen gesammelt. Er fasst etwa 100 l.
Beim Wiederkäuen werden die inzwischen eingeweichte Nahrungsportionen hoch transportiert und mit den Backenzähnen fein zerrieben und mit Speichel vermischt (100 l pro Tag beim Rind) wieder verschluckt.
Die zwei Vorgänge sind also zeitlich getrennt; Rinder käuen nur bei „behaglicher“ Stimmung wieder.

BLOCKDIAGRAMM

Überlege, welche Vorteile sich für Wildtiere (Rehe, Gnus) ergeben, wenn sie schnell große Futterengen sammeln und dann später an einer anderen Stelle wiederkäuen.

 

2.2 Die Verwertung der Nahrung - Funktion der Verdauungsorgane

Untersucht man den Nahrungsbrei des Pansens unter dem Mikroskop, so findet man pro ml 1010 Bakterien und 106 Ciliaten (kleine Lebewesen mit Wimpern).

Bakterien          Bakterien

Ciliaten

 

In dem Sektglas und auf dem Teller befinden sich 1 ml Orangensaft zur Veranschaulichung; der kleinere Würfel hat das Volumen von etwa 1 ml.

        

Die Bakterien vergären die Cellulose der Pflanzen, die das Rind nicht verdauen kann. Mit dieser Nahrung und den Mineralsalzen des Speichels und bei der Pansentemperatur von 37 bis 38°C vermehren sich die Bakterien sehr schnell.
Die „Wimpertierchen“ leben von den Bakterien und vermehren sich auch stark.

Die Bakterien und Ciliaten leben in den ersten drei Magenkammern; gelangen sie in die letzte Kammer (Labmagen), so werden sie verdaut.


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3. Symbiose

Diese Untersuchungsergebnisse haben auch die Wissenschaftler überrascht. Nun wollte man wissen, welche Bedeutung die Bakterien und Ciliaten für das Rind haben.

 

3.1 Ciliaten

Der Magen des neugeborenen Kalbes ist frei von diesen Lebewesen. Es wird gesäugt und lebt zuerst von Milch.

Die Übertragung von Bakterien und Ciliaten erfolgt durch Mund-zu-Mund-Kontakt mit Alttieren, die ja regelmäßig Pansenbrei aufwürgen, um ihn im Mund wiederzukauen.

Lässt man das Rind 3 - 4 Tage hungern, sind alle Ciliaten gestorben. Außerhalb des Körpers können sie nicht überleben. Das Rind ist für die Ciliaten lebensnotwendig. Das Rind kann aber auch ohne Ciliaten leben. Sind sie vorhanden, sind sie eine sehr gute Zusatznahrung.

 

3.2 Bakterien

In dem folgenden Artikel

Science 30 September 1966: Vol. 153. no. 3744, pp. 1603 - 1614
Artturi I. Virtanen : Milk Production of Cows on Protein-Free Feed

berichtet der oben schon erwähnte Nobelpreisträger über eine neue Entdeckung.
Kühe blieben gesund und gaben Milch, wenn er sie mit völlig proteinfreier (eiweißfreier) Nahrung fütterte, wenn er nur Harnstoff und Ammoniumsalze zusetzte. Für arme Länder bedeutet das, dass man Rinder mit Stroh und preiswerten Futterzusätzen aus Holzprodukten ernähren kann. Dabei waren weitere / andere Bakterienarten in dem Kuhmagen aktiv.
Kein Säugetier kann ohne Proteine (Eiweiße) überleben; d.h. die Bakterien setzen nicht nur Fettsäuren und andere Stoffe frei, die die Kuh über ihre großen Magenoberflächen aufnimmt, sondern stellen auch Eiweiße her, die die Kuh nutzen kann, nachdem sie die Bakterien verdaut hat. Viele Vitamine der Milch werden auch von den Bakterien gebildet.

Später hat man entdeckt, dass das Rind Harnstoff (den wir im Urin ausscheiden) direkt über das Blut durch die Magenwand oder indirekt über die Speicheldrüsen in den Magen abgibt und so zusätzlich „seine“ Bakterien füttert.

Ohne die Bakterienarten könnte das Rind nicht von der minderwertigen Nahrung leben und Milch bilden.

 

3.3 Bullenmast

Je schneller Bullen wachsen, desto mehr Geld verdient man. Damit Mastbullen möglichst rasch wachsen, füttert man sie mit leichtverdaulichem und energiereichem Getreide. Die Stärke (Mehl) kann von den Bakterienstämmen, die auf Cellulose spezialisiert sind, nicht bzw. nur schlecht verdaut werden. Nun werden Bakterienstämme, die die Stärke gut vergären können, im Magen bevorzugt, vermehren sich und verdrängen die ursprünglichen Bakterien. Dabei produzieren sie große Mengen Milchsäure und der Magenbrei wird sauer (sonst ist er durch die Wirkung des vielen Speichels neutral).
Die Wände der ersten drei Kammern sind nicht mit einer schützenden Schleimschicht ausgekleidet; sie entzünden sich durch die Säureeinwirkung und es entstehen Geschwüre. Bakterien nisten sich ein und können auch auf andere Organe übergreifen (Leber);
andere Bakterien, die auch Getreide vergären können, produzieren zähen Schleim, in dem die Gasblasen sich verfangen - das Tier bekommt Blähungen.

Die Bullen wachsen jetzt schneller, werden aber auch krank.

Sie erhalten „Magentabletten“ (Bicarbonat, Kalk, Magnesiumoxid zur Neutralisation) und Antibiotika. Die Antibiotika sind teilweise noch in dem Fleisch enthalten, wenn wir es essen.

3.4 Wanderungen in der Serengeti

http://www.bossert-bcs.de/biologie/serengeti/index.html

Auf dieser Internetseite wird im Kapitel „Die Wanderungen“ auf die großen Herden und die Reihenfolge der Tierarten und ihre ökologische Bedeutung eingegangen.
Die Folge Zebras – Gnus – Gazellen kann unter dem Blickwinkel Symbiose – keine Symbionten im Verdauungssystem betrachtet werden.

3.5 Nasenaffen

Martin Amrein: Die Rückkehr der langen Nasen, NZZ vom 31.08.2011
http://www.nzz.ch/nachrichten/hintergrund/wissenschaft/die_rueckkehr_der_langen_nasen_1.12247408.html

Außerhalb Asiens scheiterten bisher alle Versuche, Nasenaffen in Zoos zu halten. Ein Zoo in den Niederlanden unternimmt einen Versuch.

„Ähnlich wie Flusspferde, Faultiere oder Kühe besitzen sie einen vergrößerten mehrkammerigen Vormagen, in dem Mikroorganismen für die Verdauung der zellulosereichen pflanzlichen Nahrung sorgen.

Die Adaption erlaubt den Nasenaffen, Pflanzen im Übermaß zu sich zu nehmen, macht sie gleichzeitig aber auch anfällig. Nahrung mit hohem Zuckeranteil wird von den Magenbakterien vergärt, was zur Bildung von großen Mengen Gas und Säure im Magen führt. Reife Früchte, ein gängiges Futtermittel in Zoos, sind reich an Zucker; eine Magenübersäuerung hat für die Tiere oft tödliche Folgen.“

Nasenaffe

 

 

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März 2007 ; erg. Nov. 2011
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