RGT-Regel

Hast Du Dich schon einmal gefragt, wieso Reptilien sich bei Kälte kaum bewegen, bei höheren Temperaturen aber extrem schnell werden können? In diesem Fall erscheint es nur logisch, dass die Temperatur einen Einfluss auf den Stoffwechsel der Tiere hat. Aber wie genau funktioniert das nun?

Die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) kommt ursprünglich aus der Chemie und beschreibt den Zusammenhang von Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit. Aufgestellt wurde diese Regel vom Niederländer Jacobus Henricus van't Hoff, weswegen sie auch van't Hoff'sche Regel genannt wird. Er stellte fest, dass bei einer Erhöhung der Temperatur um 10 °C bzw. 10 K (Kelvin) die Geschwindigkeit einer Reaktion in etwa verdoppelt bis vervierfacht wird.

RGT-Regel – Definition

Das beschränkt sich in aller Regel jedoch nur auf den physiologischen Bereich von 1 - 37 °C, da Wasser unter diesem Bereich gefriert und die meisten Enzyme über 37 °C nicht mehr vollständig funktionsfähig sind. Der Faktor kann bei manchen Reaktionen auch deutlich variieren.

RGT-Regel – Enzyme

Um den Zusammenhang von Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit in einer Zahl beschreiben zu können, wird der Q10-Wert verwendet. Er beschreibt den Faktor, um welchen sich die Reaktionsgeschwindigkeit ändert, wenn die Temperatur um 10 K erhöht wird. Dazu gibt es folgende Formel:

$Q_{10}={\left(\frac{k_2}{k_1}\right)}^{\frac{10K}{T_2-T_1}}$

k₂ bzw. k₁ beschreiben hier die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten und T₁ bzw. T₂ die beiden Temperaturen, bei denen die Reaktion durchgeführt wurde. Da die Temperatur im Exponenten der Gleichung steht, hat die Temperatur auch einen exponentiellen Einfluss auf das Ergebnis.

Stoßtheorie

Die Tatsache, dass die RGT-Regel bei Enzymen meistens zutrifft, ist auf die Stoßtheorie zurückzuführen, die aus der Physik stammt und 1916 von Max Trautz aufgestellt wurde. Sie besagt, dass zwei Teilchen zusammenstoßen müssen, um miteinander reagieren zu können. Je höher also die Konzentration und Geschwindigkeit zweier Teilchen ist, desto häufiger können sie miteinander reagieren.

Wie hängt das mit der RGT-Regel zusammen? Teilchen bewegen sich schneller im Raum, je wärmer es ist, da sich bei Wärmeenergie ihre kinetische Energie erhöht. Das bedeutet, dass sich ebendiese Teilchen schneller aufeinander zubewegen können, wodurch es zu mehr Stößen und somit zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit kommt.

Was bedeutet das nun für Lebewesen?

RGT-Regel – Biologie

Da viele Funktionen in Lebewesen durch Enzyme gesteuert werden, beeinflusst die RGT-Regel eben auch Tiere und Pflanzen. Jedoch gibt es sowohl zwischen Tieren und Pflanzen als auch unter Tieren selbst einige Unterschiede in der Beeinflussung durch die Temperatur.

RGT-Regel – Tiere

Sowohl poikilotherme als auch homoiotherme Lebewesen haben bezüglich des Umweltfaktors Temperatur Präferenzen und Schwellenwerte, welche weder über- noch unterschritten werden dürfen. Homoiotherme Lebewesen können jedoch in einem breiteren Temperaturspektrum aktiv leben, während poikilotherme Tiere einen deutlich kleineren Temperaturbereich haben, in welchem ihnen aktives Leben möglich ist.

Beide Arten von Lebewesen haben einen präferierten Temperaturbereich, welcher durch das Minimum am unteren Ende und das Maximum am oberen Ende begrenzt wird. Fällt die Temperatur unter diesem Bereich kommt es zur sogenannten Kältestarre bzw. Unterkühlung, welche bis hin zum Kältetod gehen kann. Oberhalb dieses Bereichs kommt es bei beiden zur Hitzestarre, nach welcher der Hitzetod folgt.

Dabei ist der Toleranzbereich von gleichwarmen Tieren deutlich größer als der von wechselwarmen. Aber wieso eigentlich?

RGT-Regel – Ökologie

Aus den eben erwähnten Präferenz-Bereichen ergeben sich Regelmäßigkeiten in einer Art oder einer Population. Tiere passen sich unerwünschten Temperaturen entweder durch Thermoregulation oder durch Umsiedlung in passende Gebiete an. Dieses Phänomen beschreiben die Regeln von Bergmann und Allen.

Thermoregulation

Für homoiotherme Tiere bedeutet das, dass sie Mechanismen benötigen, um ihre Körpertemperatur zu regulieren. Das wird als Thermoregulation bezeichnet und unterteilt sich in 2 Kategorien: Kurzzeit- und Langzeitmechanismen.

Kurzzeitmechanismen, wie das Hecheln bei Hunden oder das Schwitzen bei vielen anderen Tieren - einschließlich des Menschen -, senken die Körpertemperatur nur temporär. Kleidungswechsel bei Menschen oder der Fellwechsel bei Tieren gehört zu den Langzeitmechanismen, welche darauf ausgelegt sind, die Temperatur langzeitig zu stabilisieren.

Die Temperatur kann aber nicht nur das Verhalten von Tieren beeinflussen, sondern auf lange Sicht auch deren Größe und Lebensraum. Zur Veranschaulichung dieses Phänomens gibt es die Bergmann'sche und die Allen-Regel.

Bergmann'sche Regel

Die Bergmann'sche Regel besagt, dass homoiotherme Vertreter derselben Art zu den Polen hin größer werden, während Individuen nahe des Äquators kleiner bleiben. Das liegt daran, dass das Körpervolumen schneller ansteigt als die Körperoberfläche. Die Wärme, die über die zusätzliche Fläche abgegeben wird, kann durch das höhere Volumen ausgeglichen werden, wodurch die Bilanz trotzdem positiv ist.

Allen-Regel

Laut der Allen-Regel haben Individuen einer Art längere abstehende Körperteile, je wärmer ihre Umgebung ist. Dazu zählen Extremitäten, Ohren und Schwänze. Über die größere Oberfläche kann mehr Wärme abgegeben werden, was der Thermoregulation dient.

Die Umgebungstemperatur beeinflusst jedoch nicht nur Tiere, sondern auch die meisten Pflanzenarten.

RGT-Regel – Pflanzen

Das Wachstum von Pflanzen wird deshalb auch durch die RGT-Regel beeinflusst, weil die Fotosynthese unter anderem von der Temperatur abhängt. Bis zum Temperaturoptimum der Pflanze steigt die Syntheserate, genauer gesagt die Dunkelreaktion der Fotosynthese. Diese ist nämlich unabhängig von der Lichteinstrahlung. Am Temperaturoptimum arbeitet die Pflanze biologisch am effizientesten.

Übersteigt die Temperatur das Optimum, so verschließen sich nach und nach die Spaltöffnungen der Pflanze, um das Verdunsten von Wasser zu verhindern. Dadurch kann aber gleichzeitig weniger CO₂ eintreten, weil durch die Spaltöffnungen auch ein Gasaustausch stattfindet. Ist weniger CO₂ vorhanden, sinkt auch die Fotosyntheserate. Steigt die Temperatur noch weiter an, denaturieren fast alle Enzyme, sodass jegliche Stoffwechselvorgänge nicht mehr stattfinden können.

Am anderen Ende des Spektrums steht die Kälte, welche sich ebenfalls negativ auf die meisten Pflanzen auswirkt. Je näher es gegen 0 °C geht, desto weniger Fotosynthese findet statt. Gleichzeitig rückt der Gefrierpunkt von Wasser immer näher, wodurch es schließlich zur Kristallisation kommt und ebenfalls fast alle Stoffwechselvorgänge verhindert werden.

RGT-Regel – Beispiel

Ein einleuchtendes Beispiel zur RGT-Regel stellen Reptilien dar. Reptilien sind poikilotherme - also wechselwarme - Lebewesen. Ihr Kreislauf und ihr Stoffwechsel sind somit stark von der Umgebungstemperatur abhängig. In einem definierten Temperaturbereich fühlen sie sich besonders wohl, sodass sie sich bewegen und Beute jagen können.

Sinkt die Temperatur unter diesen Bereich, minimiert sich auch der Stoffwechsel von Reptilien, wodurch sie in ihrer Bewegung und ihren Fähigkeiten eingeschränkt werden. Gleiches gilt für zu hohe Temperaturen, bei denen der Stoffwechsel nicht noch weiter strapaziert werden darf, um Enzyme vor der Denaturierung zu schützen.