Vorwort XIII

TEIL I Die zellulären Grundlagen der Tierphysiologie 1

Kapitel 1 Grundlagen der Physiologie: Eine Einführung 3

1.1 Überblick 5
1.2 Physiologie gestern und heute 6
1.2.1 Kurze Geschichte der Tierphysiologie 6
1.2.2 Teilgebiete physiologischer Forschung 8
1.3 Einheitliche Prinzipien der Physiologie 12
1.3.1 Physik und Chemie: Die Grundlagen der Physiologie 12
1.3.2 Physiologische Regulation 14
1.3.3 Phänotyp, Genotyp und Umwelt 16
1.3.4 Physiologie und Evolution 18

Kapitel 2 Die Chemie des Lebendigen 23

2.1 Überblick 25
2.2 Chemie und Physik des Lebendigen 26
2.2.1 Energie 26
2.2.2 Chemische Bindungen 30
2.3 Eigenschaften des Wassers 33
2.3.1 Lösungsmittel und gelöste Stoffe 33
2.3.2 pH und Ionisierung des Wassers 38
2.4 Biomoleküle 43
2.4.1 Kohlenhydrate 43
2.4.2 Lipide 45
2.4.3 Proteine 49
2.4.4 Nucleinsäuren 53
2.4.5 Enzyme 56

Kapitel 3 Zellstoffwechsel und Physiologie 71

3.1 Überblick 73
3.2 Intermediärstoffwechsel 74
3.2.1 Oxidativer Stoffwechsel 74
3.2.2 Glycolyse 80
3.2.3 Kohlenhydratbiosynthese 83
3.2.4 Lipidstoffwechsel 86
3.2.5 Integration der Reaktionswege im Energiestoffwechsel 90
3.3 Zellphysiologie 93
3.3.1 Membranstruktur 93
3.3.2 Membrantransport 96
3.3.3 Strukturmerkmale tierischer Zellen 101
3.3.4 Physiologische Genetik und Genomik 107

Kapitel 4 Hormone und Signalübertragung 117

4.1 Überblick 119
4.2 Biochemische Grundlagen der Zell-Zell-Kommunikation 120
4.2.1 Allgemeine Eigenschaften der Signalübertragung von Zelle zu Zelle 121
4.2.2 Ausschüttung einer Botensubstanz aus der Signalzelle 122
4.2.3 Transport zur Zielzelle 122
4.2.4 Übertragung des Signals zur Zielzelle 124
4.3 Signalübertragungswege 127
4.3.1 Intrazelluläre Rezeptoren 127
4.3.2 Ligandengesteuerte Ionenkanäle 129
4.3.3 Signalübertragung durch Rezeptorenzyme 130
4.3.4 Signalübertragung durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 132
4.4 Systeme für die Signalübertragung zwischen Zellen 139
4.4.1 Autokrine und parakrine Signalübertragung 140
4.4.2 Signalübertragung zwischen Zellen im Nervensystem 140
4.4.3 Signalübertragung zwischen Zellen im endokrinen System 141
4.4.4 Exokrine Signalübertragung zwischen Zellen 146
4.4.5 Die Regulation der Signalübertragung 147
4.5 Die Evolution der Zell-Zell-Signalübertragung 155

Kapitel 5 Neuronale Struktur und Funktion 163

5.1 Überblick 165
5.2 Signalgebung bei einem Wirbeltier-Motoneuron 166
5.2.1 Elektrische Signale in Neuronen 168
5.2.2 Signale in den Dendriten und im Zellkörper 169
5.2.3 Graduierte Potenziale sind Kurzstreckensignale 172
5.2.4 Signale im Axon 176
5.2.5 Signalübertragung an der Synapse 184
5.3 Vielfalt neuronaler Signalgebung 187
5.3.1 Strukturelle Vielfalt von Neuronen 188
5.3.2 Vielfalt der Signalfortleitung 192
5.3.3 Vielfalt der synaptischen Übertragung 202
5.3.4 Evolution von Neuronen 213

Kapitel 6 Zellbewegungen und Muskeln 219

6.1 Überblick 222
6.2 Cytoskelett und Motorproteine 223
6.2.1 Mikrotubuli 223
6.2.2 Mikrofilamente 230
6.3 Muskeln: Aufbau und Regulation 237
6.3.1 Die Struktur des kontraktilen Apparats in der quergestreiften Muskulatur der Wirbeltiere 239
6.3.2 Regulation der Kontraktion in quergestreifter Muskulatur der Wirbeltiere 244
6.3.3 Erregung 249

TEIL II Integrierende physiologische Systeme 273

Kapitel 7 Sensorische Systeme 275

7.1 Überblick 277
7.2 Allgemeine Eigenschaften der Rezeptorzellen 278
7.2.1 Klassifizierung von Rezeptorzellen 279
7.2.2 Reizcodierung sensorischer Systeme 280
7.3 Chemorezeption 284
7.3.1 Das olfaktorische System 285
7.3.2 Das gustatorische System 289
7.4 Mechanorezeption 293
7.4.1 Berührungs- und Druckrezeptoren 294
7.4.2 Gleichgewicht und Hören 297
7.5 Photorezeption 308
7.5.1 Photorezeptoren 309
7.5.2 Struktur und Funktionsweise verschiedener Augentypen 314
7.6 Thermorezeption 324
7.7 Magnetfeldorientierung 326

Kapitel 8 Funktionelle Organisation des Nervensystems 333

8.1 Überblick 335
8.2 Organisation von Nervensystemen 336
8.2.1 Evolution der Nervensysteme 337
8.2.2 Struktur und Funktion des Säugergehirns 345
8.3 Das periphere Nervensystem 353
8.3.1 Autonome Bahnen 353
8.3.2 Somatische motorische Bahnen 360
8.4 Integrative Funktionen des Nervensystems 360
8.4.1 Koordination von Verhalten 361
8.4.2 Lernen und Gedächtnis 366

Kapitel 9 Kreislaufsysteme 375

9.1 Überblick 377
9.2 Kreislaufsysteme 378
9.2.1 Bestandteile von Kreislaufsystemen 379
9.2.2 Evolution von Kreislaufsystemen 381
9.3 Herzen 388
9.3.1 Arthropodenherzen 389
9.3.2 Wirbeltierherzen 390
9.3.3 Herzzyklus 394
9.3.4 Kontrolle der Herzkontraktion 397
9.4 Der Kreislauf 405
9.4.1 Physik der Blutströmung 405
9.4.2 Konstanz des Gesamtflusses, über alle Teile des Kreislaufsystems gesehen 407
9.4.3 Blutgefäße bei Wirbeltieren 409
9.4.4 Blutfluss im Kreislaufsystem von Wirbeltieren 411
9.4.5 Regulation des Wirbeltierkreislaufs 420
9.5 Blut 424
9.5.1 Zusammensetzung des Blutes 424
9.5.2 Wirbeltierblut 426

Kapitel 10 Atmungssysteme 435

10.1 Überblick 437
10.2 Atmungsstrategien 438
10.2.1 Zur Physik von Atmungssystemen 438
10.2.2 Atmungssysteme: Verschiedene Typen 442
10.3 Ventilation und Gasaustausch 447
10.3.1 Ventilation und Gasaustausch im Wasser 448
10.3.2 Ventilation und Gasaustausch in der Luft 453
10.4 Gastransport in die Gewebe 469
10.4.1 Sauerstofftransport 469
10.4.2 Kohlendioxidtransport 478
10.5 Regulation des Atmungssystems bei Wirbeltieren 481
10.5.1 Regulation der Ventilation 481
10.5.2 Umweltbedingter Sauerstoffmangel 483

Kapitel 11 Ionen- und Wasserhaushalt 493

11.1 Überblick 496
11.2 Ionen- und Wasserhaushalt 497
11.2.1 Strategien für eine ionale und osmotische Regulation 497
11.2.2 Die Rolle der Epithelgewebe 503
11.2.3 Stickstoff-Exkretion 513
11.3 Die Nieren 520
11.3.1 Nierenbau und -funktion 521
11.3.2 Regulation der Nierenfunktion 530
11.3.3 Evolutionäre Vielfalt in Bau und Funktion von Exkretionssystemen 537

Kapitel 12 Verdauung 549

12.1 Überblick 551
12.2 Beschaffenheit und Erwerb von Nährstoffen 552
12.2.1 Nährstoffe 553
12.2.2 Nahrungssuche und Nahrungsaufnahme 563
12.3 Zusammenwirken von Verdauung und Stoffwechsel 571
12.3.1 Verdauungssysteme 571
12.3.2 Stoffwechselabläufe zwischen Mahlzeiten 589

Kapitel 13 Fortbewegung 597

13.1 Überblick 599
13.2 Lokomotorische Systeme 600
13.2.1 Muskelfasertypen 600
13.2.2 Energiestoffwechsel 608
13.2.3 Durchblutung und Sauerstofftransport zur Muskulatur 614
13.2.4 Skelettsysteme 617
13.2.5 Die Übersetzung von Kontraktion in Bewegung 622
13.3 Fortbewegung im Lebensraum 626
13.3.1 Schwerkraft und Auftrieb 626
13.3.2 Strömungsdynamik 629
13.3.3 Aerodynamik und Hydrodynamik 632
13.3.4 Leben an Land 638
13.3.5 Die Energetik der Fortbewegung 641

Kapitel 14 Thermoregulation 653

14.1 Überblick 655
14.2 Wärmeaustausch und thermoregulatorische Strategien 656
14.2.1 Kontrolle der Wärmeflüsse 657
14.2.2 Thermoregulatorische Strategien 661
14.3 Wechselnde Körpertemperaturen meistern 666
14.3.1 Makromolekulare Struktur und Metabolismus 666
14.3.2 Leben bei hohen und niedrigen Körpertemperaturen 671
14.4 Erhalt einer konstanten Körpertemperatur 678
14.4.1 Thermogenese 678
14.4.2 Regulation der Körpertemperatur 681

Kapitel 15 Fortpflanzung 693
15.1 Überblick 695
15.2 Sexuelle Fortpflanzung 696
15.2.1 Hormone im Dienst der Fortpflanzung 698
15.2.2 Geschlechtsbestimmung 701
15.2.3 Oogenese 705
15.2.4 Spermatogenese und Fertilisation 709
15.2.5 Fortpflanzungszyklus von Säugern 717

Anhang 729

A Mathematische Grundlagen 730
B Literaturverzeichnis 733
C Index 745