Hitze - Das Kryptonit der Kuh.

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Kühe haben Superkräfte. Menschen und Kühe haben eine lange gemeinsame Geschichte, denn der Mensch ist auf diese Tiere als Nahrungslieferant angewiesen. Die symbiotische Beziehung zwischen Kühen und ihren Pansenmikroorganismen ist entscheidend, um aus einfachen Futtermitteln, wie beispielsweise Pflanzen, oder ihren Nebenprodukten, die für andere Nutztiere ungeeignet sind - nahrhafte Lebensmittel herzustellen. Sie spielen daher eine wichtige Rolle in der Lebensmittelproduktion.

Die Kuh ist ein sogenanntes homoiothermes Lebewesen. Das bedeutet, dass sie ihre Körpertemperatur durch Stoffwechselaktivität aufrechterhalten kann. Mit ihrem ständig aktiven Stoffwechsel sind Kühe hervorragende Futterverwerter. Doch diese Superkräfte haben ihren Preis: Sie produzieren unglaublich viel Wärme. Bei einer ausgewachsenen Kuh können das fast 1,2 kWh Wärme sein – was theoretisch genug ist, um mit der überschüssigen Wärme von drei Kühen ein kleines Haus zu heizen. Eine Tatsache, die sich die Bauern seit Jahrhunderten zunutze machen.

Der Stoffwechsel der Kuh ist ein komplexes Zusammenspiel aus mikrobieller Aktivität und physiologischer Effizienz. Wärme entsteht durch Grundumsatz, Aktivität, Verdauung und Produktion. Die Wärme, die durch den Grundumsatz entsteht, stammt von den grundlegenden Zellfunktionen, die den Körper am Leben erhalten. Darüber hinaus ist sie auch die Folge von Muskelaktivität oder entsteht bei anderen körperlichen Prozessen zur Unterstützung des Wachstums, der Laktation, der Trächtigkeit und der Produktion von Proteinen oder Fetten.

Ebenso bei der Verdauung von Futtermitteln wird Wärme freigesetzt. Im Zentrum der Verdauung steht der Pansen - ein großvolumiges anaerobes Bioreaktorsystem, welches Milliarden von Bakterien, Protozoen und Pilzen enthält. Ein Großteil der hier erzeugten Wärme stammt aus der intensiven mikrobiellen Aktivität im Pansen (Abbildung 1). Die Pansenfermentation erzeugt genügend Wärme, um die Pansentemperatur um ca. 1 °C über die Körperkerntemperatur von 38-39 °C anzuheben.

Abbildung 1: Der Pansen beherbergt eine große Vielfalt an Bakterien-, Pilz- und Protozoenarten. All diese Arten bilden das Pansenmikrobiom.

Die Mikroorganismen im Pansen bauen die aus dem Futter stammenden Kohlenhydrate durch Fermentation zu flüchtigen Fettsäuren (VFA) wie Acetat, Propionat und Butyrat ab. Diese flüchtigen Fettsäuren werden über die Pansenwand absorbiert und von der Kuh als primäre Energiequelle genutzt. Durch die Umwandlung wird mehr Wärme erzeugt, insbesondere während der Glukoneogenese in der Leber. Das macht die Kuh zu einem wahren „Wärmekraftwerk auf vier Beinen“.

Obwohl die Hochleistungskuh ein biomechanisches Meisterwerk ist, reagiert sie empfindlich auf hohe Umgebungstemperaturen. Steigt die Temperatur über ein bestimmtes Maß, gerät ihr fein ausbalanciertes Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion und -abgabe aus dem Lot – mit gravierenden Folgen. Hitzestress - das weltweit unsichtbare Kryptonit der Hochleistungskühe – hat erhebliche Auswirkungen auf ihre Gesundheit, ihr Wohlbefinden und ihre Leistung.

Thermoregulation nennt man den Prozess, bei dem die Körperkerntemperatur in einem engen Bereich gehalten wird, von dem man annimmt, dass er für die Funktion von Organen und Systemen optimal ist. Homoiotherme Tiere, wie z. B. Kühe, regulieren den Wärmeaustausch zwischen ihrem Körper und der Umgebung. Dabei wird die durch den Stoffwechsel gewonnene Wärme, durch die an die Umgebung abgegebene Wärme ausgeglichen (Abbildung 2). So bleibt die Körpertemperatur stabil.

Abbildung 2: Um das thermische Energiegleichgewicht aufrechtzuerhalten, muss die durch den Stoffwechsel (Erhaltung, Aktivität, Wachstum, Laktation, Trächtigkeit und Futteraufnahme) erzeugte Wärme durch die an die Umgebung abgegebene Wärme ausgeglichen werden. Dieses thermische Gleichgewicht kann nicht aufrechterhalten werden, wenn ein Tier nicht genügend Wärme abgibt.

Die Beziehung zwischen der Körperkerntemperatur und der Umgebungstemperatur kann durch mehrere Zonen beschrieben werden, die verschiedene physiologische Reaktionen unterscheiden. Die engste Zone ist die thermoneutrale Zone (TNZ).

Diese Zone beschreibt den Komfortbereich der Kuh. Innerhalb der thermoneutralen Zone muss die Kuh keine zusätzliche Energie aufwenden, um ihre Körpertemperatur stabil zu halten: Wärmeproduktion und Wärmeverlust befinden sich in einem harmonischen Gleichgewicht.

Auf beiden Seiten der thermoneutralen Zone liegt der Temperaturbereich, in dem ein thermisches Gleichgewicht erreicht werden kann, in dem sich bei niedrigen Temperaturen die Stoffwechselrate erhöht oder bei hohen Temperaturen der Verdunstungswärmeverlust zunimmt, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Ein homoiothermes Lebewesen ist also immer dann thermischem Stress ausgesetzt, wenn es sich außerhalb seiner TNZ befindet. Die TNZ einer Hochleistungskuh liegt zwischen 5 und 20 °C (Abbildung 3), obwohl sie während der Laktation auch niedrigere Temperaturen ertragen kann.

Abbildung 3: Auf beiden Seiten der TNZ liegt der Temperaturbereich, in dem ein thermisches Gleichgewicht erreicht werden kann, in dem sich aber die Stoffwechselrate oder der Verdunstungswärmeverlust ändern muss, um das Gleichgewicht zu erreichen. In diesem Bereich steigt die Stoffwechselrate bei niedrigen Temperaturen und die Verdunstungskälte bei hohen Temperaturen. Dies bedeutet, dass mehr Energie oder Wasser für die thermische Homöostase benötigt wird. Ein Homoiotherm ist also immer dann thermischem Stress ausgesetzt, wenn er sich außerhalb seiner TNZ befindet.

Konduktion, Konvektion, Strahlung und Verdunstung sind einige der Möglichkeiten, wie Rinder Wärme abgeben können. Die Differenz zwischen der Körpertemperatur des Rindes und der Umgebungstemperatur bestimmt den Erfolg dieser Techniken, die schnell an ihre Grenzen stoßen können (Abbildung 4). Steigt die Außentemperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit, erreicht der Hitzestress oft kritische Werte, da die Verdunstung verschwindend gering wird.

Abbildung 4: Der Schweregrad von Hitzestress ist stark von der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit abhängig.

Temperaturen knapp über der TNZ führen zu einer Anpassung der Wärmeübertragung, indem der Blutfluss zur Haut erhöht wird. Dadurch wird mehr metabolische Wärme in die Peripherie transportiert, wo sie abgeleitet wird. Übersteigt jedoch die Umgebungstemperatur die Temperatur der Hautoberfläche (~36°C), wird Wärme von der Luft auf die kühlere Haut übertragen, wodurch die Körperwärme ansteigt. Um den Wärmehaushalt aufrechtzuerhalten, muss die Wärmeabgabe - durch Schwitzen und vermehrte Atmung - entsprechend der zusätzlichen Wärmebelastung zunehmen.

Im Gegensatz zu hitzetoleranteren Tieren wie Pferden haben Kühe nur etwa 800 Schweißdrüsen pro cm². Daher schwitzen Kühe unzureichend und sind zur Wärmeabgabe verstärkt auf die Atmung angewiesen, die von 40 bis 60 Atemzügen pro Minute auf über 100 Atemzüge pro Minute ansteigt. Die höhere Atemfrequenz beeinträchtigt den Säure-Basen-Haushalt der Kuh und kann zu einer respiratorischen Alkalose führen. Gleichzeitig steigt der Wasserbedarf dramatisch an - hitzegestresste Kühe haben einen erhöhten Wasserbedarf von bis zu 200 Litern pro Tag.

Wenn die Wärmeabgabe nicht mehr ausreicht, treten physiologische Regulationsmechanismen in Kraft. Unter anderem reduziert die Kuh die Futteraufnahme, da die mikrobielle Fermentation im Pansen zusätzliche Wärme erzeugt. Dies löst eine Kaskade physiologischer Reaktionen aus (Abbildung 5). Da das Blut zur Wärmeabfuhr in die Haut geleitet wird, nimmt die Durchblutung von Organen wie dem Pansen und der Leber ab, was die Verdauungseffizienz und die Stoffwechselprozesse weiter beeinträchtigt. Dies kann zu einer verminderten Energieversorgung, erhöhtem oxidativen Stress, Mobilisierung von Körperreserven, hormonellen Ungleichgewichten und verminderter Milchleistung führen. Auch die Immunabwehr wird beeinträchtigt, so dass die Tiere anfälliger für Infektionen und Entzündungen werden.

Abbildung 5: Hitzestress ist eine Kombination innerer und äußerer Reize, die zu einer Erhöhung der Körpertemperatur und physiologischen Reaktionen führen.

Die negativen Auswirkungen von Hitzestress auf Milchkühe sind weitreichend belegt. Neben einer verminderten Gesundheit und Leistung ist auch die Reproduktion und Fruchtbarkeit von Hochleistungskühen stark beeinträchtigt, was sich wiederrum auf die nächste Generation auswirkt. Die Fruchtbarkeit von Hochleistungskühen wird von vielen Faktoren beeinflusst, aber Umweltfaktoren scheinen die wichtigste Rolle zu spielen.

Hitzestress kann die Dauer der Brunst, die Funktion der Gebärmutter, den endokrinen Status sowie das Wachstum und die Entwicklung der Follikel beeinflussen. Anhaltender Hitzestress kann die frühe Embryonalentwicklung sowie das Überleben und das Wachstum des Fötus oder auch die Qualität des Kolostrums beeinträchtigen. Darüber hinaus werden die Konzeptionsraten durch längere Hitzeperioden negativ beeinflusst, was zu längeren Zwischenkalbezeiten führt.

Die rückläufigen Trächtigkeitsraten sind werden häufig auf physiologische Veränderungen, Änderungen im Management und erhöhte Milchleistung zurückgeführt. In Zeiten von Hitzestress gehen die Konzeptionsraten jedoch noch stärker zurück als in Zeiten ohne Hitzestress. In einer Studie konnte festgestellt werden, dass die Konzeptionsrate von Kühen, die unter Hitzestress leiden, im Vergleich zu Kühen ohne Hitzestress um bis zu 23 % sink. Eine weitere Studie zeigte, einen Rückgang der Konzeptionsrate von 21 % auf 15 %, sobald die Körpertemperatur über 39,1 °C anstieg. . Eine dritte Studie zeigte schließlich, dass Hitzestress 3 Wochen vor der künstlichen Besamung die Konzeptionsrate negativ beeinflussen kann. Nur in der TNZ können Kühe ihr volles genetisches Potential mit den geringsten physiologischen Kosten und der höchsten Produktivität erreichen.

Es gibt verschiedene Ansätze, um die Belastung der Kühe durch Hitzestress deutlich zu reduzieren. Sie verfolgen alle das gleiche Ziel: Wie kann ich erreichen, dass meine Herde in Hitzeperioden weniger Milchverluste erleidet und gesundheitlich weniger stark belastet wird? Die Ansätze reichen von der Optimierung der Haltungsbedingungen, wie der richtigen Platzierung, Ausrichtung und Stärke von Ventilatoren oder Beregnungssystemen, über das Management mit angepassten Fütterungszeiten bis hin zu unserem Spezialgebiet: der Tierernährung.

Wir erforschen innovative Ansätze wie den Einsatz von phytogenen Zusätzen, um die natürlichen Stoffwechselprozesse der Kuh zu unterstützen und Hitzestress nachhaltig zu reduzieren. Unsere bisherigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend - bleiben Sie dran für diese spannende neue Lösung. Lassen Sie uns diese Herausforderung gemeinsam angehen!