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B978-3-437-41357-5.00016-8

10.1016/B978-3-437-41357-5.00016-8

978-3-437-41357-5

Einfluss von körperlicher Arbeit und Kleidung auf die Indifferenztemperatur Arbeit, körperliche:Indifferenztemperatur\"\iKleidung, Indifferenztemperatur\"\iIndifferenztemperatur:Beeinflussung\"\ibeim ruhigen Sitzen (links), langsamen Gehen in der Ebene (Mitte) und Steigen auf einer schiefen Ebene (rechts). Je höher der Energieumsatz bzw. je dicker die Bekleidung, umso niedriger muss die Außentemperatur (rote Felder) liegen, damit der Mensch sich noch behaglich fühlt. Die Größe clo (clothing) ist die Maßeinheit für den thermischen Widerstand einer Bekleidung.

(Isolationswert [16.1])

Verlauf der Isothermen im Körper Isothermen\"\ides ruhenden, unbekleideten Menschen bei 20 und 35 °C Lufttemperatur. Bei niedriger Lufttemperatur ist der homoiotherme Körperkern verkleinert (dunkelrot), und es bilden sich radiale und axiale Temperaturgradienten in der verbreiterten Körperschale aus (hellrot).

[16.2]

Faktoren, die die Wärmebildung bzw. die Wärmeabgabe erhöhen. Wärmebildung:Einflussfaktoren\"\iWärmeabgabe:Einflussfaktoren\"\iDie Umkehrung der einzelnen Faktoren hat eine Verminderung der Wärmebildung bzw. der Wärmeabgabe zur Folge.

[16.3]

Topografie der Wärmebildung in Körperkern und Körperschale.Wärmebildung:Körperkern\"\iKörperkern:Wärmebildung\"\iWärmebildung:Körperschale\"\iKörperschale:Wärmebildung\"\iDie Ruhe-Energieumsätze der verschiedenen Skelettmuskulatur:Wärmebildung\"\iMuskulatur:Wärmebildung\"\iHaut:Wärmebildung\"\iGehirn:Wärmebildung\"\iOrgangebiete sind mit unterschiedlichen Farben dargestellt. Die prozentuale Beteiligung der verschiedenen Organe an der Gesamtwärmebildung in Ruhe und bei Arbeit ist tabellarisch aufgeführt.

[16.2]

Beziehung zwischen Grundumsatz und Körpermasse Grundumsatz:Körpermasse\"\ibei homoiothermen Lebewesen unterschiedlicher Körpergröße. a Doppeltlogarithmische Darstellung: experimentell gewonnene Daten (n = 0,75; blaue Linie), Proportionalität zwischen Grundumsatz und Körpermasse (n = 1,0; rote Gerade), Proportionalität zwischen Grundumsatz und Körperoberfläche (n = 0,67; grüne Gerade). b Einfachlogarithmische Darstellung derselben Messdaten, jedoch als Grundumsatz pro Kilogramm Körpermasse (spezifischer Grundumsatz) in Abhängigkeit von der Körpermasse.

[16.2, 16.4]

Streubereich des Energieumsatzes bei verschiedenen Lufttemperaturen. Energieumsatz:Lufttemperatur\"\iDaten von 4 ruhenden, unbekleideten Versuchspersonen. Energieumsatz bezogen auf 1 cm2 der Körperoberfläche. Thermische Neutralzone dunkelblau.

[16.5]

Wärmeabgabe eines leicht bekleideten Menschen Wärmeabgabe:Ruhebedingungen\"\i(0,5–0,6 clo) unter Ruhebedingungen. Leitung und Konvektion\"\iKonvektion (grün), Strahlung\"\iStrahlung (rot) und Verdunstung\"\iVerdunstung (blau) bei einer Raumtemperatur von 24 °C (thermische Neutralbedingungen). Ein Wandschirm vermindert den Wärmeverlust durch Strahlung.

[16.6]

Gesamtwärmeabgabe und ihre Teilkomponenten sowie mittlere Hauttemperatur bei verschiedenen Lufttemperaturen Gesamtwärmeabgabe\"\i(Windgeschwindigkeit 0,1 m/s, relative Feuchtigkeit 50%) für den unbekleideten Erwachsenen unter Ruhebedingungen. Gesamtwärmeabgabe und Teilkomponenten (blaue durchgezogene und gestrichelte Kurven, linke Ordinate), mittlere Hauttemperatur (rote durchgezogene Kurve, rechte Ordinate), Indifferenzbereich (grün), fiktive Isotherme von Haut und Lufttemperatur (gepunktete rote Linie).

[16.7]

TemperaturregulationKörpertemperatur:Regulation\"\i(Schema). Verhaltensregelung (grün), autonome Regelung (orange), regeltechnische Begriffe (blau).

Verlauf der Rektaltemperatur mit und ohne äußere Zeitgeber. Körpertemperatur:Zeitgeber\"\ia Rektaltemperatur einer nackten, in einer Klimakammer ruhenden Versuchsperson. Messungen an 3 Tagen jeweils über 24 Stunden (12 : 12-stündiger Hell-Dunkel-Wechsel). b 24-Stunden-Ausschnitte aus jeweils 3-wöchigen kontinuierlichen Registrierungen der Rektaltemperatur von 3 Versuchspersonen, die ohne äußeren Zeitgeber einzeln in einem Bunker im Dauerdunkel lebten. Wegen der Desynchronisierung ist ein Bezug zur Tageszeit in b nicht möglich. Gemeinsamer Bezugspunkt für beide Kurvenscharen in a und b ist der Zeitpunkt des Aufwachens bzw. des Aufstehens. c Mittelwerte der Rektaltemperaturen von 8 weiblichen Versuchspersonen, gemessen in der ersten (präovulatorisch) bzw. zweiten (postovulatorisch) Hälfte des Menstruationszyklus (14 : 10-stündiger Hell-Dunkel-Wechsel).

[16.8, 16.9]

Regulationsbreite der autonomen und morphologischen Anpassungen Körpertemperatur:Adaptation\"\ibeim Menschen im Vergleich zur Körpertemperatur:Verhaltensanpassung\"\iVerhaltensanpassung.

Akklimatisation bei mehrwöchiger, täglich wiederholter Hitzearbeit. Akklimatisation:Hitzearbeit\"\iHerzfrequenz:Hitzeakklimatisation\"\iHerzfrequenz, Rektaltemperatur, Hauttemperatur, Hitzeakklimatisation\"\iHauttemperatur und Schweißabgabe eines mit Shorts bekleideten Mannes bei 3-stündigem Gehen (3 km/h) bei 45 °C Raumtemperatur mit 25% relativer Luftfeuchtigkeit. Mittelwerte bei 3-stündiger Arbeitszeit, Wochenenden (Sa, So) ausgenommen.

[16.1]

Einfluss der Luftfeuchtigkeit Körpertemperatur:Regulationauf die Temperaturregulations- und Arbeitsfähigkeit des Menschen bei mehrstündiger leichter Arbeit (3,5 km/h Gehen in der Ebene) in warmer Umgebung bei 2 verschiedenen Klimazuständen. a Verlauf der Herzfrequenz. b Rektal- und Hauttemperatur. c Gewichtsverlust durch Schwitzen.

[16.1]

Einfluss von Klimafaktoren auf die Effektivtemperatur. Effektivtemperatur\"\iEine Versuchsperson im Raum 1 wird einem Bezugsklima ausgesetzt (NET, Lufttemperatur 25 °C, Windgeschwindigkeit 0,1 m/s, relative Luftfeuchtigkeit 100%, gelber Bereich in der Tabelle). Nachdem sie sich an dieses Raumklima gewöhnt hat, wechselt sie in gleicher Bekleidung in den Raum 2 (Vergleichsklima). In diesem Raum sind die Einflussgrößen relative Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit anders eingestellt. Zusätzlich wird die Raumtemperatur so variiert, dass der Proband in Raum 2 das gleiche thermische Empfinden wie in Raum 1 (Bezugsklima) hat (gleiche Effektivtemperatur). Die subjektive Beurteilung erfolgt dabei nach einer vorgegebenen Skala, die von „zu heiß“ über „behaglich“ (neutral) bis „zu kalt“ reicht. Zum Vergleich ist auch eine Klimakombination außerhalb des Behaglichkeitsbereichs angegeben (roter Bereich).

[16.1]

Typischer Fieberverlauf. Fieber:Verlauf\"\iZunächst kommt es zu einer Sollwertverstellung (blaue Linie) der Körperkerntemperatur im vorderen Hypothalamus (Thermoregulationszentrum). Der Istwert (rote Linie) folgt mit zeitlicher Verzögerung (Fieberanstieg). In der Plateauphase sind Ist- und Sollwert gleich. Der Fieberabfall wird durch eine Verstellung des Sollwertes auf eine niedrigere Körpertemperatur eingeleitet, dem wiederum der Istwert zeitlich verzögert folgt. Die typischen physiologischen Begleiterscheinungen beim Fieberanstieg und Fieberabfall sind in der Abbildung aufgeführt.

Oberflächen-Volumen-Verhältnis bei Mensch und Tier.Neugeborene:Oberflächen-Volumen-VerhältnisKörperoberfläche, Verhältnis zum VolumenFrühgeborene, Oberflächen-Volumen-Verhältnis

[16.5]

Tab. 16.1
Organismus bzw. Körperteil Oberfläche [cm–2]/Volumen [cm–3]
Gesamtkörper Körperteil
Mensch
  • Erwachsener

0,2
    • Rumpf

0,1
    • Hand

1,0
    • Finger

2,2
  • Neugeborenes (3 kg)

0,6
  • Frühgeborenes (1,5 kg)

0,8
Hund (10 kg) 0,5
  • Zunge

3,6
Kaninchen (2 kg) 0,7
  • Ohr

5,6
Ratte (0,3 kg) 1,5

Überlebenszeit des Menschen in Wasser verschiedener Temperatur.

[15.11]

Tab. 16.2
Wassertemperatur [°C] Überlebenszeit [min]
unbekleidet bekleidet
0 12 > 12
5 20–30 40–60
10 60 220
15 90–120 240–300
20 900 > 900

Stadieneinteilung und Symptomatik der akzidentellen Hypothermie.

[16.16]

Tab. 16.3
Stadium Kerntemperatur [°C] Bewusstsein Stoffwechsel Herz/Kreislauf Atmung Wasser-/Elektrolythaushalt Sonstiges
I < 35 hellwach maximal („Postaggressionssyndrom“) Tachykardie, Blutdruck ↑, Herzminutenvolumen ↑ Tachypnoe, Hyperventilation Hyperreflexie, Kältezittern
erregt O2-Verbrauch ↑ Schmerzen in den Akren
verwirrt Hyperglykämie periphere Vasokonstriktion Haut weiß oder zyanotisch
II < 32 teilnahmslos Erschöpfung der Glykogenreserven Bradykardie unregelmäßig Hyponatriämie Hyporeflexie
somnolent O2-Verbrauch ↓ Rhythmusstörungen zunehmend abgeflacht starre Gesichtszüge, Muskelstarre
noch erweckbar Hypoglykämie Hämokonzentration Hyperkaliämie keine Schmerzen
III < 28 bewusstlos Gesamtstoffwechsel im „Ruhezustand“ Puls kaum tastbar, Bradyarrhythmie, Vorhofflimmern, polytope Extrasystolie, peripherer Widerstand ↓ Bradypnoe, stark abgeflacht und sehr unregelmäßig, intrazelluläres Ödem Hyponatriämie, Hyperkaliämie weite, noch auf Licht reagierende Pupillen
IV (reversibel) < 24 bewusstlos elektromechanische Entkoppelung, Kammerflimmern oder Asystolie Atemstillstand weite, lichtstarre Pupillen
V (irreversibel) Zelltod Puls nicht tastbar

Hitzeschäden und Störungen der Temperaturregulation beim Menschen.SonnenstichSonnenbrandKollaps:HitzekollapsHitzschlagHitzeschädenHitzekrämpfeHitzekollapsHitzeerschöpfungBewusstlosigkeit:HitzschlagKörpertemperatur:Regulation

[15.16]

Tab. 16.4
Krankheitsbild Pathophysiologie
Sonnenbrand lokale Schäden der Haut durch starke Sonneneinstrahlung (UV-Strahlung)
Hitzekrämpfe Elektrolytstörungen: Hyponatriämie und Hypochlorämie
Hitzekollaps orthostatische Dysregulation, Missverhältnis zwischen Blutvolumen und Volumenkapazität des Kreislaufs
Hitzeerschöpfung Kreislaufstörungen, Blutdruckabfall, Diarrhö, Erbrechen, Elektrolytstörungen
Hitzschlag („Sonnenstich“) Körpertemperatur > 40,6 °C, verminderte oder völlig sistierende Schweißabgabe, Verwirrtheit, tiefe Bewusstlosigkeit

durch starke selektive Sonneneinstrahlung auf Kopf und Nacken hervorgerufene Hyperthermie des Gehirns

Wärmehaushalt und Temperaturregulation

H.C. Gunga

  • 16.1

    Wärmehaushalt603

    • 16.1.1

      Wärmegleichgewicht603

    • 16.1.2

      Hitze- und Kältebelastung608

    • 16.1.3

      Wärmetransport609

  • 16.2

    Temperaturregulation614

    • 16.2.1

      Regelsystem und Regelkreis614

    • 16.2.2

      Zyklische Änderungen der Körpertemperaturen und hormonelle Einflüsse615

    • 16.2.3

      Temperaturakklimatisation und -adaptation616

    • 16.2.4

      Spezielle Temperaturregulation619

  • 16.3

    Störungen des Wärmehaushalts und der Temperaturregulation623

Der Autor dankt dem langjährigen Betreuer dieses Kapitels, Prof. Dr. F. W. Klußmann, auf dessen Konzeption die vorliegende Überarbeitung aufbaut.

Wärmehaushalt

Zur Orientierung

Der Mensch gehört zu den endothermen Organismen, die im Gegensatz zu ektothermen (wechselwarmen) Tieren nicht von der Umgebungstemperatur abhängig sind. Endotherme Organismen haben einen hohen Energieumsatz und können ihre Körpertemperatur innerhalb eines weiten Bereichs unterschiedlicher Umgebungstemperaturen konstant halten.

Um Wärmeverluste in kalter Umgebung auszugleichen, kann durch willkürliche Muskeltätigkeit oder durch Kältezittern die Wärmebildung gesteigert werden. Bei Neugeborenen kommt die zitterfreie Wärmebildung im braunen Fettgewebe hinzu. Unter Ruhebedingungen bei moderater Außentemperatur überwiegen die Wärmeverluste durch Strahlung. In warmer Umgebung oder bei starker Wärmebildung (körperliche Arbeit) muss der Körper überschüssige Wärme an die Umgebung abführen. Hierbei ist der Organismus auf die Verdunstung von Schweiß angewiesen.

Im Körperkern (Schädel-, Brust-, Bauchhöhle) liegt die Körpertemperatur des Menschen bei 37 °C, in der Körperschale (Haut, Unterhaut, Extremitäten) ist sie niedriger und weist regionale Unterschiede (28–36 °C) auf. Die Körperkerntemperatur ist allerdings nicht konstant. Sie zeigt im Tagesverlauf zyklische Veränderungen und bei Frauen zusätzlich hormonell bedingte Schwankungen.

Wärmegleichgewicht

WärmehaushaltWärmegleichgewichtEktothermieEktothermieBei den ektothermen Organismen (Amphibien, Reptilien, Fische) ist der Temperaturgradient gegenüber der Umwelt gering (< 5 °C). Ihre Körpertemperatur, und damit ihre Aktivität, hängen weitgehend von den vorherrschenden Umweltbedingungen ab (thermokonform). Diese Organismen bleiben daher über einen weiten Temperaturbereich lebensfähig (Eurythermieeurytherm) und können längere Phasen von Nahrungsmangel aufgrund eines niedrigen Metabolismus (BradymetabolismusBradymetabolismus) überbrücken.
EndothermieEndothermieDer Mensch benötigt wie die meisten Vögel und Säugetiere im Körperkern eine relativ konstant hohe Körpertemperatur (homoiotherm = gleich warm), die zwischen 36,4 und 37,4 °C liegt (Normaltemperatur). Abweichungen der Körpertemperatur:EndothermieKörperkerntemperatur können nur in einem sehr geringen Schwankungsbereich toleriert werden (Stenothermiestenotherm). Um diese Körpertemperatur auch bei niedrigeren Umwelttemperaturen zu gewährleisten, sind Isolationsschichten notwendig, um Wärmeverluste zu vermindern (subkutanes Unterhautfettgewebe, Behaarung). Außerdem bedarf es einer entsprechend hohen eigenen Wärmebildung (Endothermie, TachymetabolismusTachymetabolismus), die dazu führt, dass die Stoffwechselrate endothermer Organismen 3–4-mal so hoch ist wie die der Ektothermen.

MERKE

Wechselnde Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftbewegung) und eine sich ändernde innere Wärmeproduktion (körperliche Arbeit) verändern das Wärmegleichgewicht und erfordern ein effektives Temperaturregulationssystem (Durchblutungsregulation, Evaporation).

Endotherme Organismen können durch diese Mechanismen (hohe Wärmeproduktion und effektive Wärmeregulation) einen hohen Temperaturgradienten gegenüber den Umgebungstemperaturen aufrechterhalten. Hierdurch werden sie in die Lage versetzt, aktiver als ektotherme Organismen zu sein – allerdings mit dem Nachteil, ständig für eine hohe Energiezufuhr sorgen zu müssen.
Temperaturbereiche
Neutralzone und Indifferenztemperatur
Thermische NeutralzoneNeutralzone, thermischeAls thermische Neutralzone bezeichnet man den Bereich der Umgebungstemperatur (ca. 25–30 °C), in dem durch Anpassung der Hautdurchblutung eine ausgeglichene Wärmebilanz erzielt werden kann. Weitere Parameter wie Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Strahlungstemperaturen wie auch die Art der Bekleidung beeinflussen zusätzlich das „Mikroklima“ in unmittelbarer Nähe der Haut.
IndifferenztemperaturIndifferenztemperaturDie Indifferenztemperatur ist der Temperaturbereich, der als behaglich oder komfortabel empfunden wird. Sie entspricht
  • für den gesunden, unbekleideten, liegenden und ruhenden Erwachsenen

  • unter Grundumsatzbedingungen

  • bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% und

  • nahezu unbewegter Luft (Windgeschwindigkeit 0,1 m/s)

einer Lufttemperatur von ca. 27–31 °C. Damit liegt die Indifferenztemperatur an der oberen Grenze des als thermische Neutralzone definierten Bereichs der Umgebungstemperatur.

MERKE

Die Höhe der individuellen Indifferenztemperatur ist beim nackten Menschen hauptsächlich von der Dicke des subkutanen Fettgewebes abhängig.

Bekleidung stellt aus Sicht der Temperaturregulation einen Widerstand für die Wärmeabgabe dar (Isolator). Abb. 16.1 zeigt den Einfluss von körperlicher Arbeit, körperliche:IndifferenztemperaturArbeit und Bekleidung:IndifferenztemperaturBekleidung auf die Indifferenztemperatur:BeeinflussungIndifferenztemperatur beim ruhigen Sitzen, Gehen und Steigen.
Körperschale und Körperkern
Das Temperaturfeld des Menschen kann in eine Körperschale und einen Körperkern untergliedert werden (Abb. 16.2).
KörperkernKörperkernDer Bereich im Körper, dessen Gewebetemperaturen überwiegend ca. 37 °C aufweisen, wird als Körperkern (Homoiothermiehomoiotherm) angesehen. Vor allem in den stoffwechselaktiven Organen im Körperkern wie Herz, Gehirn und Leber wird in Ruhe Wärme gebildet.

MERKE

Eine KörperkerntemperaturKörperkerntemperatur über 37,5 °C wird als Hyperthermie:DefinitionHyperthermie, eine unter 35,5 °C als HypothermieHypothermie bezeichnet.

KörperschaleKörperschaleIm Bereich der Extremitäten und der Haut sowie der darunterliegenden Schichten kann die mittlere Gewebetemperatur stärker variieren (Poikilothermiepoikilotherme Körperschale). Die Gewebetemperatur der Körperschale fällt mit zunehmender Entfernung vom Körperkern ab und umlagert diesen zwiebelschalenförmig (IsothermenIsothermen). Die Körperschale fungiert zum einen als Wärmeisolation des Körperkerns, zum anderen findet an ihrer Oberfläche der Wärmeaustausch zur Umwelt statt.

MERKE

Die Verhältnisse von Körperkern zu Körperschale sind nicht konstant. Muss vermehrt Wärme abgeführt werden (schwere körperliche Arbeit), dehnt sich der Körperkern bis fast unter die Haut aus. Muss hingegen die Wärmeabgabe vermindert werden, vergrößert sich der Anteil der Körperschale.

Klinik

Messung der KörperkerntemperaturDie Temperatur jedes Organs hängt entscheidend von der lokalen Wärmebildung und der Durchblutungsrate im betreffenden Organ ab. Beide Faktoren sind in der Lage, messbare Temperaturunterschiede innerhalb eines Organs hervorzurufen. So hat sich gezeigt, dass die Temperatur der Organe in Schädel, Brust- und Körperhöhle ca. 0,4 °C von der arteriellen Bluttemperatur als Referenzwert abweicht.

Zentrale BluttemperaturBeim Menschen ist der „Goldstandard“ für die Körperkerntemperatur die Bluttemperatur in der Aorta ascendens, die jedoch nur invasiv mit thermischen Sonden (Herzkatheter) zu erfassen ist. Aus diesem Grund hat man alternative Messorte und -methoden zur Bestimmung der klinisch wichtigen Körperkerntemperatur gewählt, wobei Temperaturabweichungen („Fehler“) vom Goldstandard unterschiedlich deutlich sind.

Rektale MessungBei der rektalen Messung ist zu beachten, dass die Messsonde mindestens 10 cm tief eingeführt wird. Allerdings kann das komplizierte arteriovenöse Geflecht im Becken mit oberflächlichen und tiefen Anteilen insbesondere bei stark unterkühlten Patienten eine Beurteilung der Körperkerntemperatur erschweren (Kap. 16.3). Hierin könnte auch der Grund liegen, warum sich die Rektaltemperatur bei dynamischen Prozessen erst verzögert verändert.

Tympanale MessungFür die Temperaturmessung am Trommelfell spricht, dass sie schnell durchzuführen ist und eine hohe Compliance beim Patienten besitzt. Allerdings sind Temperaturmessfehler bereits bei geringfügig falscher Platzierung des Messkopfes (Infrarotsensor) oder bei Ansammlung von Cerumen im Gehörgang erheblich. Außerdem sind aus anatomischen Gründen auch an diesem Messort Beimischungen von kühlem venösem Blut aus dem Gesicht und der Kopfhaut nicht auszuschließen.

Abdominale MessungUm die Kerntemperatur im Abdomen zu messen, kann man auf radiotelemetrische Sonden zurückgreifen. Allerdings hat diese Temperaturmessung neben den anfallenden Kosten den Nachteil, dass ihre genaue Position im Magen-Darm-Trakt nicht festgelegt werden kann.

Sublinguale und axilläre MessungDie am häufigsten praktizierten Temperaturmessungen, sublingual und axillär, weisen die größten Fehlerquellen auf. So erfasst man mit der axillären Temperaturmessung in der Regel nur die Körperschalentemperatur und nicht die Körperkerntemperatur. Zur korrekten Erfassung der Körperkerntemperatur müsste sich der Messkopf ca. 30–40 Minuten fest angepresst in der Achselhöhle befinden (!). So lange dauert es, bis der Körperkern sich in die Achselhöhle ausgebreitet hat. Bei der Sublingualtemperatur muss man je nach Lage des Thermometers mit Temperaturunterschieden am Zungengrund von 0,6–0,8 °C rechnen. Außerdem wird der Messfühler durch die Ventilation bei Ein- und Ausatmung gekühlt.

Messung:KörperkerntemperaturKörpertemperatur:tympanale MessungKörpertemperatur:rektale MessungKörpertemperatur:axilläre MessungKörpertemperatur:abdominale MessungKörperkerntemperatur:MessungBluttemperatur
Wärmebildung
Energieumsatz
Energieumsatz:WärmebildungMetabolische Wärmeproduktion und metabolische RateLebende Zellen nehmen energiereiche Nährstoffe auf, verstoffwechseln diese und scheiden letztlich energieärmere Stoffe aus. Bei diesem Prozess sind 2 Begriffe zu unterscheiden:
  • metabolische Wärmeproduktion = Umwandlung von chemischer Energie in Wärme

  • metabolische Rate = Rate, metabolischeUmwandlungsrate von chemischer Energie in Wärme und mechanische Arbeit

Die metabolische Rate entspricht unter Ruhebedingungen der metabolischen Wärmeproduktion. Die chemische Energie der aufgenommenen Nahrungsmittel kann somit zur Wärmeerzeugung, Muskelarbeit und auch für die Synthese von körpereigenen Stoffen und von ATP verwendet werden.

MERKE

Den Vorgang der Umwandlung der Energie der Nahrungsstoffe in körpereigene Energieformen und deren Nutzung bezeichnet man als Energieumsatz.

Da der Wirkungsgrad mechanischer Muskelarbeit nur bei ca. 20–30% liegt, fallen ca. 70–80% der chemischen Bindungsenergie der für die äußere Arbeit verbrannten Nährstoffe als zusätzliche Wärme an. Bei schwerer körperlicher Arbeit und Arbeit, körperliche:Wärmebildungdamit erhöhtem Energieumsatz fällt zusätzliche Wärme durch die gesteigerten chemischen und mechanischen Prozesse an. Hierdurch wird die Behaglichkeitstemperatur stark beeinflusst. Um im thermischen Gleichgewicht zu bleiben, muss die Wärmeabgabe gleichfalls gesteigert werden.

MERKE

Die BehaglichkeitstemperaturBehaglichkeitstemperatur liegt umso niedriger, je höher der Energieumsatz bei körperlicher Arbeit und je größer der Isolationswert der Kleidung ist.

Einheit METFür den Energieumsatz bei verschiedenen Tätigkeiten verwendet man die Einheit „MET“ („metabolism“), wobei MET (metabolism)1 MET den Energieumsatz bei Energieumsatz:METsitzender Tätigkeit kennzeichnet (ca. 400 kJ/h). Gleichzeitig sind der Einfluss der Windgeschwindigkeit und die Art der Kleidung zu berücksichtigen, da die Luftschicht (Grenzschicht), die dem Körper unmittelbar anliegt (Mikroklima), zur Wärmeisolation beiträgt (Kap. 16.1.3). Ein Isolationswert von 1 clo (clo (clothing)abgeleitet vom engl. Begriff für Bekleidung „clothing“) entspricht dabei 0,155 °C × m2 × s × J–1. Dieser Isolationswert nimmt bei höheren Windgeschwindigkeiten rasch ab, da die Grenzschicht dünner ist und die laminare Wärmeströmung entlang der Körperachse in eine turbulente Strömung übergeht. Die wesentlichen Faktoren, die das Gleichgewicht von Wärmebildung und Wärmeabgabe beeinflussen, sind in Abb. 16.3 zusammengestellt.
Wärmebildung in verschiedenen Situationen
RuhebedingungenBei Wärmebildung:Ruhebedingungenkörperlicher Ruhe werden rund 80% der Wärme in den inneren Organen gebildet, während die übrigen Körperteile nur etwa 20% dazu beitragen (Abb. 16.4). Unter Grundumsatzbedingungen liegen die Organe mit hoher Wärmebildung (60–140 J × 100 g–1 × min–1) ausschließlich in der Schädel-, Brust- und Bauchhöhle, also im Körperkern. Sie sind allerdings in sehr unterschiedlichem Ausmaß an der Wärmebildung beteiligt. Die Körperschale (Akren, Extremitäten) trägt hingegen nur geringfügig zur Wärmebildung bei.
Physische ArbeitBei Wärmebildung:physische Arbeitkörperlicher Arbeit ändern sich die Anteile der Organe an der Wärmebildung grundsätzlich. Dann können bis zu 90% der gesamten Wärmebildung auf die arbeitende Muskulatur zurückgeführt werden, und die Gewebetemperatur in der Muskulatur kann deutlich über der Körperkerntemperatur liegen. Da die Muskulatur im Wesentlichen in den Extremitäten liegt, hier nur geringes Unterhautfettgewebe vorhanden und das Gewebe gut durchblutet ist, kann ein Teil der anfallenden Wärmemenge gleich vor Ort an die Umgebung abgegeben werden (Kap. 16.1.3). Die hohe Durchblutung des arbeitenden Muskels dient nicht nur dem An- und Abtransport von Stoffwechselprodukten, sondern auch dem Transport von überschüssiger Wärme. Da die thermische Leitfähigkeit von nicht durchblutetem Gewebe in der gleichen Größenordnung wie die von Fett, einem sehr guten Isolator, liegt, ist die Wärmeabgabe an die Umgebung vor allem auf die gleichzeitig gesteigerte Durchblutung und Öffnung von arteriovenösen Anastomosen in Haut und Akren zurückzuführen („thermal windows“).
Geistige ArbeitUnter Wärmebildung:geistige ArbeitRuhebedingungen hat das Gehirn einen Anteil von 18% an der Gesamtwärmebildung des Organismus. Der Energieumsatz bei geistiger Arbeit nimmt messbar zu, doch ist dieser Anteil im Wesentlichen auf einen gleichzeitigen reflektorischen Anstieg des Muskeltonus zurückzuführen.
Nach NahrungsaufnahmeDer Wärmebildung:NahrungsaufnahmeAnstieg der Wärmebildung nach Nahrungsaufnahme wird als postprandiale Energieumsatz:postprandialerEnergieumsatzzunahme bezeichnet. Diese gesteigerte Wärmebildung wird durch verschiedene Faktoren hervorgerufen, die in Zusammenhang mit dem Abbau von Nahrungsmitteln und der Speicherung von Stoffen aus dem Metabolismus stehen. Vor allem eine proteinreiche Kost führt zur entsprechenden Steigerung der Wärmebildung im Organismus.
Einflussfaktoren
Grundumsatz
Eine Grundumsatzkonstante Körpertemperatur in einem engen Temperaturbereich setzt voraus, dass Wärmebildung (Energieumsatz) und Wärmeverluste ausgeglichen sind. Für die Säugetiere und Vögel liegt diese Körpertemperatur Körpertemperatur:Grundumsatzunabhängig von der Körpergröße zwischen 36 und 40 °C. Der hierzu notwendige Grundumsatz (morgens, liegend, in Ruhe, nüchtern, bei Indifferenztemperatur und normaler Körpertemperatur) steigt mit der Körpermasse an (Abb. 16.5a).
Körpermasse und Körperoberfläche
Wäre der Grundumsatz (G) Grundumsatz:Körpermasseendothermer Lebewesen unterschiedlicher Körpergröße direkt proportional zu deren Körpermasse (M), müsste der Exponent der Körpermasse 1,0 sein (Abb. 16.5a). Die experimentell gefundene Beziehung zwischen Körpermasse und Grundumsatz folgt aber der Potenzfunktion
G=288,58×M0,75[kJ/d]
Bezieht man den Grundumsatz statt auf die Körpermasse auf die Körperoberfläche, ergibt sich ein Exponent von 0,67. Der Exponent 0,75 liegt demnach genau dazwischen und deutet an, dass der Grundumsatz eines endothermen Lebewesens sowohl von der wärmebildenden Körpermasse als auch von der wärmeabgebenden Körperoberfläche bestimmt wird.
Spezifischer Grundumsatz
Den Grundumsatz:spezifischerspezifischen Grundumsatz eines Organismus erhält man, indem man den Grundumsatz durch die Körpermasse dividiert. In Abb. 16.5b ist der spezifische Grundumsatz pro Kilogramm Körpermasse pro Tag in Abhängigkeit von der Körpermasse semilogarithmisch bei Lebewesen mit sehr unterschiedlichen Körpermassen (Zwergspitzmaus bis Elefant) dargestellt. Es zeigt sich, dass der spezifische Grundumsatz der Zwergspitzmaus (0,002 kg) pro Zeiteinheit ca. 175-mal größer ist als der des Elefanten (10.000 kg; Gesetz der Stoffwechselreduktion). Da die Körpermasse mit der 3. Potenz zunimmt, die Körperoberfläche aber nur mit der 2. Potenz der Körperlänge, weisen kleine Organismen (z.B. Neugeborene) ein ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis auf (Tab. 16.1).
Erstaunlich ist hierbei in erster Linie nicht, dass der spezifische Umsatz mit wachsender Körpergröße abnimmt (Abb. 16.5b), sondern dass dieser so gering ist. Das ist in der fraktalen Struktur der Gefäßsysteme und der Körpergewebe begründet. Etruskische Spitzmaus und Elefant haben zwar unterschiedliche Verhältnisse von Körpervolumen zu äußerer Körperoberfläche, aber für Stoffaustausch, Wärmetransport und Durchmischung ist die Geometrie ihrer Gewebe und Organe entscheidend, und diese ist aus dem Blickwinkel der fraktalen Analyse konstant.

Hitze- und Kältebelastung

Regulation
Für Regulation:IndifferenztemperaturIndifferenztemperatur:Regulationeinen unbekleideten, ruhenden Erwachsenen liegt die thermische Neutralzone (Indifferenztemperatur; Abb. 16.1) mit dem geringsten Energieumsatz in einem sehr engen Lufttemperaturbereich zwischen ca. 27 und 31 °C (50% relative Luftfeuchtigkeit, Windstille). In diesem Bereich können Wärmeabgabe und Wärmeabgabe:RegulationWärmebildung alleinWärmebildung:Regulation durch Regelung der HautdurchblutungHaut:DurchblutungDurchblutung:Haut im Gleichgewicht gehalten werden. Thermoregulatorisch wird dies überwiegend über noradrenerge sympathische NervenSympathikus:Wärmeregulation (α-Rezeptoren) gesteuert. Bei Kälteexposition wird das sympathische Nervensystem aktiviert, und die Hautgefäße verengen sich, bei Wärmebelastung sinkt die Aktivität des sympathischen Nervensystems, und die Gefäße erweitern sich („trockene WärmeabgabeWärmeabgabe:trockene“).

MERKE

Außerhalb der thermischen Neutralzone steigt der Energieumsatz sowohl bei erhöhter als auch bei erniedrigter Umgebungstemperatur rasch an (Abb. 16.6).

Wärmebelastung
Wie beiWärmebelastung allen chemischen Reaktionen beeinflusst die Temperatur den Ablauf der Stoffwechselprozesse im Organismus entscheidend (Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel). Eine zusätzliche Wärmebelastung oberhalb der Neutralzone erhöht den Energieumsatz, weil die Körperkerntemperatur steigt und vom Organismus Wärmeabwehrmechanismen (gesteigerte Herz-Kreislauf-Aktivität) eingeleitet werden.
Kältebelastung
Sinkt Kältebelastungdie Lufttemperatur unter 27 °C und fällt hierdurch die mittlere Hauttemperatur unter 32 °C, kommt es – vermittelt über Kaltrezeptoren in der Haut (Kap. 16.2.1) – zur peripheren Vasokonstriktion und Zunahme der Körperschale (Erhöhung der Isolation). Durch willkürliche Muskeltätigkeit in Form von Arbeit kann die Wärmebildung gesteigert und ein Absinken der Körperkerntemperatur verhindert werden (Verhaltensanpassung).
KältezitternReichenKältezittern diese Mechanismen nicht aus und sinkt die Körperkerntemperatur dennoch weiter ab, wird beim Erwachsenen unwillkürliches Kältezittern zur Wärmebildung Wärmebildung:Kältezitterneingeleitet. Hierbei werden zunächst vermehrt tonische Muskelfasern und erst bei fortbestehender Kälteeinwirkung phasische motorische Einheiten aktiviert. Ist die Intensität des Kältezitterns noch gering, kontrahieren sich Agonisten und Antagonisten synchron, bei schwerem Kältezittern hingegen werden sie reziprok innerviert. Der Rhythmus für das Kältezittern wird im Rückenmark generiert und ist offensichtlich abhängig von der Körpermasse eines Lebewesens. Der Mensch (70 kg) hat eine Frequenz von ca. 10 Hz, ein Hund von 12 Hz und eine Maus von 40 Hz. Die tonischen Signale für das Kältezittern hingegen kommen über zentrale efferente Stimuli aus der dorsomedialen Region des hinteren Hypothalamus und werden über die zentrale Zitterbahn durch die Formatio reticularis im unteren Hirnstamm und im Rückenmark auf Segmentebene weitergeleitet.

MERKE

Durch das Kältezittern kann der Energieumsatz:KältezitternEnergieumsatz, und damit die Wärmeproduktion, kurzfristig auf etwa den 4–5-fachen Wert des Grundumsatzes gesteigert werden.

Das stärkste Kältezittern wird dann beobachtet, wenn die Körperkerntemperatur 2–3 °C unterhalb der Normaltemperatur (37 °C) liegt. Bei gefülltem Energiespeicher der Muskulatur kann starkes Kältezittern maximal 2–3 Stunden aufrechterhalten werden, da es energetisch einer Schwerstarbeit entspricht (Kap. 16.2.4, Kap. 15). Der in Abb. 16.6 auffallend große Streubereich des Energieumsatzes bei Kälteexposition könnte durch ein unterschiedlich dickes subkutanes Fettgewebe der Versuchspersonen erklärt werden (Fett als Isolator). Frösteln im Gegensatz zum Kältezittern tritt bei Temperaturen zwischen 8 und 28 °C auf und wird offenbar durch einen eigenen Rezeptor in der Haut vermittelt.
Zitterfreie WärmebildungViele kleineWärmebildung:zitterfreie Säugetiere (< 10 kg), insbesondere Winterschläfer (Hibernatoren), das menschliche Neugeborene, aber auch, wie man erst seit Kurzem weiß, der erwachsene Mensch, verfügen über ein spezielles Organ, dessen Hauptaufgabe darin besteht, zitterfrei Wärme zu erzeugen: das braune Fettgewebe. Bei Fettgewebe:braunesKälteexposition kann dieses Organ maßgeblich zur Gesamtwärmeproduktion beitragen und erhält dann als reich vaskularisiertes Gewebe bis zu 20% des Herzzeitvolumens (!). Das braune Fettgewebe befindet sich überwiegend unter dem Schulterblatt, an Hals, Nacken und um die Nieren.

Wärmetransport

Innerer Wärmetransport

MERKE

Der Wärmeaustausch zwischen 2 Objekten ist proportional zur Differenz ihrer Temperaturen.

Zur Wärmetransport:innererWärmeabgabe muss die im Körper in den verschiedenen Geweben und Organen gebildete Wärme zunächst an die kühlere Körperoberfläche transportiert werden. Dieser Wärmetransfer vom Körperkern zur Körperschale ist der innere Wärmetransport.
Systemische DurchblutungsanpassungMit Durchblutung:WärmetransportAusnahme der Kapillaren werden alle Gefäße des peripheren Kreislaufs von sympathischen Nerven innerviert. Thermoregulatorisch wird die Wärmeabgabe über das autonome efferente sympathische Sympathikus:Durchblutung, WärmetransportNervensystem gesteuert, indem die Durchblutung der Hautgefäße dieses Kreislaufabschnitts geändert wird (α-Rezeptoren der glatten Gefäßmuskulatur). Eine Vasokonstriktion nach Kälteexposition geht dabei auf eine Aktivierung des sympathischen Nervensystems zurück, eine Vasodilatation bei Wärmebelastung auf eine Aktivitätsminderung.
Lokale DurchblutungsanpassungUnabhängig von der systemischen Durchblutungsregulation lassen sich auch lokale Mechanismen feststellen. Bei schwerer körperlicher Arbeit werden die Hautgefäße z.B. im Thoraxbereich nochmals erweitert. Diese gesteigerte Gefäßdilatation wird über Bradykinin und andere Mediatoren vermittelt, die mit dem Schweiß ausgeschieden werden. Bei der sog. Kältevasodilatation (LewisKältevasodilatation-Reaktion) Lewis-Reaktionbeobachtet man, dass es bei unterkühlter Haut (Hauttemperatur ca. 15 °C) nach ca. 20 Minuten Exposition zu einer kurzfristigen (ca. 1 Minute) Vasodilatation kommt. Dieses Phänomen kann mehrfach hintereinander in entsprechenden Zeiträumen ausgelöst werden. Die Lewis-Reaktion dient vermutlich dazu, das Gewebe durch kurzfristige Wiedererwärmung vor Unterkühlungsschäden bzw. vor dem Einfrieren (Frostbeulen, Gewebenekrosen) zu schützen (Kap. 16.2.3). Die Lewis-Reaktion tritt hauptsächlich in Geweben mit zahlreichen arteriovenösen Anastomosen auf. Pathophysiologisch könnte die Gefäßdilatation auf eine lokale Freisetzung von NO aus dem Endothel, eine direkte Kälteeinwirkung auf die glatte Gefäßmuskulatur oder auch auf die Ansammlung gefäßerweiternder Stoffe in der Phase der Minderdurchblutung (Vasokonstriktion) zurückzuführen sein.
Eine gesteigerte innere Wärmeproduktion (körperliche Arbeit) und/oder äußere Wärmebelastung führen zu einer verstärkten Hautdurchblutung von Thorax und Extremitäten, Extremitäten, Wärmeabgabeinsbesondere aber der Akren (z.B. Hände, Füße, Ohren; Abb. 16.2). Diese Körperteile besitzen aufgrund ihrer Geometrie im Verhältnis zu ihrem Volumen eine relativ große Oberfläche. Hierdurch wird die Wärme leichter an die Umgebung abgegeben (Tab. 16.1). Umgekehrt werden in diesen Körperteilen Wärmeabgabe und Hauttemperatur bei Kälteexposition gesenkt, indem sich die Hautgefäße verengen (Abb. 16.2). Die Senkung der Hauttemperatur spielt eine wichtige Rolle bei den Wärmeverlusten des Körpers durch Strahlung (langwellige Infrarotstrahlung, s.u.).
WärmeaustauschmechanismusDer Wärmeaustausch findet nach dem Gegenstromprinzip statt.Gegenstromprinzip, Wärmeaustausch Beim Gegenstromprinzip werden Stoffe oder eben Wärme dadurch ausgetauscht, dass 2 Flüssigkeitsströme (z.B. Arterien/Venen) in gegenläufiger Richtung dicht aneinander vorbeiströmen. Entsprechende anatomische Strukturen sind in den Extremitäten vorhanden. Bei Kälte können hierdurch Wärmeverluste verringert werden, da das warme arterielle Blut aus dem Körperkern einen Teil seiner Wärme an das kühlere Blut der begleitenden Venen (Vv. concomitantes) aus der Peripherie abgibt. Dieses venöse Blut ist dann vor Eintritt ins Abdomen nahezu auf Körperkerntemperatur aufgewärmt (Abb. 16.2). Außerdem werden in der Peripherie tiefe arteriovenöse Anastomosen geöffnet, die einen Kurzschluss zwischen den Gefäßsystemen herstellen und verhindern, dass große Blutmengen in die oberflächlichen Hautgefäße gelangen (verminderte Schalendurchblutung).
Bei Hitzebelastung hingegen werden die tief liegenden arteriovenösen Anastomosen in den Extremitäten weitgehend geschlossen und das arterielle Blut aus dem Körperkern in das sich öffnende venöse Gefäßbett der Haut umgeleitet. Hierdurch kann die mit dem Blut transportierte Wärme leichter an die Umwelt abgegeben werden. Die weitgehende Schließung der tiefen arteriovenösen Anastomosen verhindert den Wärmerücktransport zum Körperkern.

MERKE

Die hohe Leistungsfähigkeit der Akren zur Regulation des inneren Wärmestroms ist vor allem in der großen Variabilität ihrer Durchblutung begründet (Finger 1 : 600, Hand 1 : 30 und Rumpf etwa 1 : 7).

Äußerer Wärmetransport
Die Wärmetransport:äußererphysikalischen Umweltbedingungen (Luft- und Strahlungstemperaturen, relative Luftfeuchtigkeit, Wind) sowie die Hauttemperatur und die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende effektive Körperoberfläche beeinflussen nachhaltig sowohl den Wärmestrom von der Körperoberfläche an die Umgebung als auch den Wärmestrom von der Körperoberfläche zum Körperkern. Das Prinzip zur Verringerung der effektiven Wärmeaustauschfläche (Tab. 16.1) wird z.B. von Pinguinen und anderen Tieren in Polargebieten genutzt, indem sie sich eng im Kreis aneinanderstellen (Zusammenkauern, „huddling“).
Konvektion
Wärmetransport:äußerer

MERKE

Der konvektive Wärmeaustausch zwischen Körperoberfläche und Umwelt spielt sich hauptsächlich in einer nur wenige Millimeter dicken Luftschicht (Grenzschicht), die über der Haut lagert, ab.

Bei Konvektiondiesem Wärmetransport mittels Konvektion gilt es, 2 Formen voneinander zu unterscheiden:
  • natürliche Konvektion

  • erzwungene Konvektion

Natürliche KonvektionKonvektion:natürlicheBefindet sich ein warmer Körper in einem kühleren Medium, z.B. Luft oder Wasser, kommt es entlang dem Körper zu einer Massenbewegung von kühleren Anteilen im Medium (unten) zu wärmeren Anteilen nach oben (kühlere Luft ist schwerer als warme). Das Medium nimmt dabei konvektiv Wärme auf. Dieser konvektive Massentransport beträgt beim unbekleideten Menschen immerhin ca. 600 l Luft pro Minute. Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, z.B. bei Astronauten im All, fällt dieser Massentransport weg und trägt zu thermischem Diskomfort bei. Die auf diesem Weg abgeführten Wärmemengen (W × m–2) beim Menschen lassen sich leicht abschätzen unter der Annahme, dass pro Quadratmeter effektiver Austauschfläche und pro Grad Celsius Temperaturdifferenz zwischen Haut- und Umgebungstemperatur ca. 3 W/m2 abgegeben werden. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer mittleren Hauttemperatur von 33 °C ergeben sich somit 24 W/m2. Bei einem oberflächenbezogenen Grundumsatz für einen Erwachsenen von 0,1 J pro Quadratzentimeter und Minute sind dies 4.000–4.350 kJ/d und Quadratmeter (45–50 W/m2).
Erzwungene KonvektionEine Konvektion:erzwungeneerzwungene Konvektion liegt dann vor, wenn ein Körper in ein bewegtes Medium gebracht wird (Wind, Wasserströmung) oder sich selbst in diesem Medium bewegt. Dabei spielen die Form und Größe des Objektes für die Wärmeabgabe eine wichtige Rolle. Aufgrund von physikalischen Strömungsphänomenen ist bei gleicher Geometrie der Wärmeverlust pro Flächeneinheit bei kleinen Objekten (Maus) um ein Vielfaches höher als bei großen Organismen (Elefant). Bei kleinen Organismen kann deshalb erzwungene Konvektion rasch zu Störungen des Wärmehaushalts und der Temperaturregulation führen (Hypothermie, Kap. 16.3), insbesondere dann, wenn sich durch die erzwungene Konvektion die Dicke der Grenzschicht verringert und eine laminare Strömung in der Grenzschicht in eine turbulente übergeht.
Konvektive Wärmeverluste entstehen auch über den Respirationstrakt. Allerdings ist beim Menschen im Vergleich zu anderen Säugetieren (Hund, Pferd) dieser Wärmeabgabemechanismus gering. Insgesamt entfallen beim Erwachsenen bei Indifferenztemperaturen ca. 20% der Wärmeverluste auf Konduktion und Konvektion.
Konduktion
Wärmetransport:äußerer

MERKE

Der direkte Wärmetransport zwischen 2 festen Stoffen, die in physischem Kontakt stehen, wird als Konduktion bezeichnet.

Der KonduktionWärmestrom fließt von dem Stoff mit einer höheren zu jenem mit der niedrigeren Temperatur. Die Wärme wird bei der Konduktion auf atomarer Ebene in Form von kinetischer Energie zwischen benachbarten Molekülen ausgetauscht (Wärmeleitung). Im Gegensatz zum konvektiven Wärmetransport wird also keine Masse transportiert. Die konduktive Wärmetransportrate zwischen 2 Objekten hängt ab von deren Temperaturdifferenz, der effektiven Austauschfläche, den Materialeigenschaften sowie ihrer speziellen thermischen Leitfähigkeit (Konduktivität). Silber z.B. hat eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit (430 J × s–1 × m–1 × °C–1), wohingegen Luft nur eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzt (0,024 J × s–1 × m–1 × °C–1). Aufgrund dieser geringen Wärmeleitfähigkeit ist Luft ein hervorragender Isolator.

MERKE

Die mit dem Blut aus dem Körperinneren an die Hautoberfläche transportierte Wärmemenge wird dort in der ruhenden Grenzschicht konduktiv aufgenommen und konvektiv mit dem Luftstrom abgeführt.

Beim äußeren Wärmetransport kommt der Konduktion (Wärmeleitung) nur dann eine entscheidende Rolle zu, wenn Hautoberflächen direkt mit Materialien in Verbindung treten, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen (z.B. Metalle). Ein ungeschützter Kontakt kann in diesen Fällen zu augenblicklichen Erfrierungen oder Verbrennungen führen.
Je dicker die ruhende Grenzschicht um den Körper ist, desto geringer ist der Wärmetransport zwischen Körperoberfläche und Luft. Durch eine entsprechende Auswahl von Bekleidung kann der Mensch die Dicke seiner Grenzschicht (Isolationsschicht) vergrößern (Winterkleidung) oder verringern (Sommerkleidung; Kap. 16.2.3, Abb. 16.1). Hierbei ist für den Isolationswert einer Bekleidung die Menge der in der Kleidung eingeschlossenen Luft entscheidend. Der Isolationswert ist umso größer, je größer die eingeschlossene Luftmenge ist (Daunenjacke).
Strahlung
Wärmetransport:äußererJeder StrahlungStoff mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) sendet elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge aus. Die emittierte Wellenlänge hängt von der Oberflächentemperatur ab und verhält sich zu dieser invers proportional. Kurze Wellenlängen werden also von heißen Objekten, lange Wellenlängen von kühleren Körpern abgestrahlt. Da Menschen und Tiere relativ kühle Objekte im gesamten Temperaturspektrum sind, strahlen sie im langwelligen Infrarotbereich. Die Oberflächentemperatur ist nicht nur entscheidend für die emittierte Wellenlänge, sondern auch für die Rate, mit der ein Körper Strahlungsenergie abgibt.

MERKE

Unter Ruhebedingungen bei einer Lufttemperatur von 20–25 °C, geringer relativer Luftfeuchtigkeit und geringer Windgeschwindigkeit gibt der Mensch ca. 50–60% seiner gesamten Wärmeproduktion über Infrarotstrahlung an die Umgebung ab.

Die restlichen Anteile verteilen sich zu etwa gleichen Teilen auf Konduktion, Konvektion und Evaporation (Abb. 16.7).
Für die Größe der Wärmeverluste über Strahlung:WärmeverlusteStrahlung sind die Oberflächentemperaturen der nächstliegenden Gegenstände und Wände zur Körperoberfläche entscheidend, da Temperaturdifferenzen zwischen den Objekten mit der 4. Potenz zu Buche schlagen. Bei einer kühlen Außen- und Fenstertemperatur kann ein davor aufgestellter Wandschirm oder ein Vorhang, dessen Oberflächentemperatur sich der mittleren Raumtemperatur angleicht, die Wärmeverluste über Strahlung erheblich senken (Abb. 16.7). Eine ungeschützte Exposition des Körpers zu wesentlich kühleren Oberflächen führt dazu, dass die lokale Hauttemperatur sinkt, Kaltrezeptoren in der Haut aktiviert werden und sich die Gefäße verengen. Dadurch kühlen die betroffenen Hautareale bzw. die tiefer darunterliegende Muskulatur weiter aus – Kälteempfinden, Frösteln und Muskelverspannungen können bei längerer Exposition die Folge sein. Andererseits führen Objekte, die eine höhere Oberflächentemperatur als die Haut haben (mittlere Hauttemperatur beim Menschen 32–33 °C), auf dem Weg der Strahlung dem Organismus Wärme zu (Heizstrahler, Ofen).
Evaporation
Wärmetransport:äußererPassivEvaporation verliert der Organismus unmerklich Wasser durch Diffusion durch die Haut und die Schleimhäute der Atemwege (Atemwege:EvaporationPerspiratio insensibilis, extraglanduläre Wasserabgabe). Aktiv kann der Mensch über die Schweißdrüsen Flüssigkeit ausscheiden (Perspiratio sensibilis, glanduläre Wasserabgabe). Durch die Verdunstung von Schweiß (Evaporation) wird dem Organismus eine erhebliche Wärmemenge entzogen, da beim Übergang von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand (Wasserdampf) Energie benötigt wird (endothermer Prozess). Bei vollständiger Verdunstung reicht eine Schweißmenge von rund 2 g/min aus, um die gesamte beim Grundumsatz entstehende Wärme des Erwachsenen abzuführen (80–90 W). Da erwachsene Menschen pro Quadratmeter Körperoberfläche maximal 10–15 g/min Schweiß produzieren können, ist die Evaporation der zentrale Wärmeabgabemechanismus bei schwerer körperlicher Arbeit und/oder externer Wärmebelastung (Sauna). Entscheidend für die Funktionsfähigkeit dieses Mechanismus ist neben einer hinreichenden Hydratation des Organismus, dass der von den Schweißdrüsen erzeugte Wasserdampfdruck über dem in der Umgebung liegt.

MERKE

Je höher der Wasserdampfdruck in der Umgebungsluft ist (schwüle Luft, Tropen), umso schwieriger wird die Wärmeabgabe durch Evaporation.

Ist die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft jedoch gering (trockenes Wüstenklima), kann der Mensch kurzfristig auch extrem hohe Lufttemperaturen und externe Wärmezufuhr tolerieren, da der Gradient des Wasserdampfdrucks von der Haut zur Umgebung sehr groß ist (Kap. 16.2.3).
Perspiratio insensibilisDie Perspiratio:insensibilisFlüssigkeitsmenge, die durch Perspiratio insensibilis dem Organismus verloren geht, beläuft sich auf ca. 20–30 ml/h bzw. 400–600 ml/d. Unter thermoneutralen Umweltbedingungen und bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit führt diese Verdunstungsmenge zu einem gleichzeitigen Wärmeverlust von ca. 20–30% des täglichen Grundumsatzes (passive evaporative Wärmeabgabe).
Perspiratio sensibilisFür diePerspiratio:sensibilis glanduläre Schweißabgabe stehen beim Menschen im Durchschnitt 2 × 106 Schweißdrüsen zur Schweißdrüsen:Perspiratio sensibilisVerfügung. Allerdings ergeben sich je nach ethnischer Herkunft erhebliche Unterschiede, so ca. 1,5 × 106 bei den Ainu (Ureinwohner Nordjapans) bis 3 × 106 bei weiblichen Kaukasiern in den USA. Die Schweißdrüsen sind unterschiedlich dicht über die Körperoberfläche verteilt. So finden sich auf dem Rücken ca. 55 Schweißdrüsen pro cm2, auf der Brust hingegen 155–250/cm2, an der Fußsohle 350–400/cm2, in der Handinnenfläche 375–425/cm2 und in der Ellenbeuge bis zu 751/cm2. Bei mittleren Hauttemperaturen über 34 °C werden ekkrine Schweißdrüsen aktiviert. Dies geschieht über sympathische Fasern, deren Überträgerstoff Acetylcholin ist (Kap. 16.2.1). Die Schweißdrüsen können trainingsabhängig ihre maximale Schweißmenge von 2 bis auf 4 l/h steigern und die mit dem hypotonen Schweiß (ca. 100 mmol/l) ausgeschiedene Elektrolytmenge reduzieren (unter maximaler Belastung 2,5–5 g/h). So kommt es bei Sportlern und hitzeakklimatisierten Personen zu einer aldosteronvermittelten Aldosteron:Schweißdrüsensekretiongesteigerten Rückresorption von Natrium und Chlorid (Na+-Cl-Transporter) in den Endstücken von den Ausführungsgängen der Schweißdrüsen sowie auch bei anderen epithelialen Transportsystemen. Hierdurch kann der Elektrolytverlust über den Schweiß um den Faktor 10 vermindert (5–10 mmol/l) werden und der Schweiß verdunstet physikalisch leichter. Bei permanent hohen Schweißverlusten (10 l/d), wie z.B. bei einem längeren Tropenaufenthalt, ist daran zu denken, dass mit dem Schweiß außer NaCl auch Kalzium (ca. 30 mg/l), Magnesium (ca. 3 mg/l) und weitere wichtige Spurenelemente (Zink, Eisen, Phosphor) verloren gehen, die ggf. zu ergänzen sind.

Klinik

Zystische FibroseBei der zystischen Fibrose (Mukoviszidose), einer Gendefektkrankheit, bei der das Membranprotein CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) gestört ist, ist die Cl- und Na+-Resorption in den Ausführungsgängen der Schweißdrüsen und anderen Organen (Pankreas, Atemwege) vermindert. Dies führt dazu, dass die Elektrolyte im Schweiß 3–4-mal so hoch konzentriert sind wie beim Gesunden. Entsprechende Befunde weisen differenzialdiagnostisch deshalb auf eine Mukoviszidose hin.

Fibrose, zystischeMukoviszidoseSchweißdrüsen:Mukoviszidose
CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator)
Gesamtwärmeabgabe
In Atemwege:zystische FibroseGesamtwärmeabgabeErgänzung der Abb. 16.7 schlüsselt die Abb. 16.8 die Wärmeabgabe (linke Ordinate) nach ihren Anteilen von Konduktion, Konvektion, Evaporation und Strahlung auf und gibt den Verlauf der mittleren Hauttemperatur (rechte Ordinate) in Abhängigkeit von der Lufttemperatur (Abszisse) wieder.
Wärmeabgabe bei IndifferenztemperaturDie Indifferenztemperatur liegt in einem Bereich zwischen 27 und 31 °C Lufttemperatur (Abb. 16.8), und die Gesamtwärmeabgabe erreicht bei 31 °C ihren niedrigsten Wert. Die Wärmeabgabe durch Konduktion (Leitung)Konduktion:Wärmeabgabe und Konvektion zusammen Konvektion:Wärmeabgabesowie die Abgabe über Evaporation halten Evaporation:Wärmeabgabesich ungefähr die Waage und ändern sich bei einer Zu- oder Abnahme der Lufttemperatur innerhalb des Indifferenzbereichs kaum. Der Anteil der Strahlung überwiegtStrahlung:Wärmeabgabe deutlich, nimmt aber, je wärmer es wird, ab, da sich die Temperaturdifferenzen zwischen Luft- und mittlerer Hauttemperatur verringern (Kap. 16.1.1).
Wärmeabgabe unterhalb der IndifferenztemperaturFällt die Lufttemperatur im Bereich der Indifferenzzone um 3 °C von 31 auf 28 °C, nimmt die mittlere Hauttemperatur um ca. 1,5 °C von 35 auf 33,5 °C ab. Diese deutliche Änderung der mittleren Hauttemperatur beruht auf der rasch einsetzenden Vasokonstriktion der Hautgefäße (Körperschale) bei fallender Umgebungs- bzw. Hautemperatur. Im Bereich der Indifferenzzone werden somit Wärmeabgabe bzw. Wärmekonservierung vor allem durch eine Zunahme oder Abnahme der Hautdurchblutung geregelt („trockene WärmeabgabeWärmeabgabe:trockene“).
Sinkt die Lufttemperatur weiter, folgt die mittlere Hauttemperatur dieser Entwicklung. Der Temperaturgradient zwischen Haut- und Lufttemperatur nimmt dabei deutlich zu. Bei 20 °C Lufttemperatur liegt die mittlere Hauttemperatur bei ca. 30 °C (ΔT = 10 °C). Daher nimmt die Wärmeabgabe durch Strahlung nahezu linear mit abfallender Lufttemperatur zu. Die Schweißdrüsen sind inaktiviert, und der Beitrag von ca. 0,05 J × cm–2 × min–1 resultiert aus den Wärmeverlusten durch die Wasserabgabe per Diffusion (Perspiratio insensibilis).

MERKE

Unterhalb der Indifferenztemperatur ist die Wärmeabgabe durch Strahlung am höchsten.

Wärmeabgabe oberhalb der IndifferenztemperaturVöllig anders verhält es sich mit den Komponenten der Wärmeabgabe oberhalb der Indifferenzzone (Lufttemperatur > 31 °C). Hier kommt der Verdunstung die Verdunstung:Wärmeabgabezentrale Rolle bei der Wärmeabgabe zu, während der Beitrag von Strahlung, Konduktion und Konvektion abnimmt. Bei 36 °C Lufttemperatur führen die letztgenannten Mechanismen sogar dazu, dass dem Körper Wärme aus der Umwelt zugeführt wird (Umkehr der Wärmeströme). Dass die mittlere Hauttemperatur nicht einfach linear mit der Lufttemperatur ansteigt, verdeutlicht die fiktive Isotherme (gepunktete Linie in Abb. 16.8) der Lufttemperatur. Zwischen 33 und 38 °C Lufttemperatur zeigt die Hauttemperatur bei knapp unter 36 °C einen nahezu horizontalen Verlauf. Das erklärt sich dadurch, dass bei Überschreiten der Schwitzschwelle (mittlere Hauttemperatur > 35,5 °C) die rasch ansteigende Evaporationsrate zur Kühlung der Haut führt.

MERKE

Oberhalb der Indifferenztemperatur ist die Wärmeabgabe durch Verdunstung am höchsten.

Wärmeabgabe im Wasser
Die Wärmeabgabe:WasserIndifferenztemperatur (Behaglichkeitstemperatur) für den unbekleideten, ruhenden Menschen liegt an der Luft bei ca. 27–31 °C (Abb. 16.8), im Wasser jedoch auf einem höheren Niveau und in einem engeren Temperaturbereich (35–36 °C). Dies ist zurückzuführen auf die besonderen physikalischen Eigenschaften von Wasser im Vergleich zur Luft: Wasser besitzt im Vergleich zu Luft eine 25-fach größere Wärmeleitfähigkeit und eine 4.000-fach größere spezifische Wärmekapazität. Die Wärmeübergangszahl für Konvektion und Konvektion:WasserKonduktion im WasserKonduktion:Wasser ist erhöht, weil insbesondere die Grenzschicht über der Haut mit ihrer laminaren Strömung auf ein Zehntel ihrer Dicke in Luft verringert ist.

MERKE

Der unbekleidete Mensch kann bereits bei Wassertemperaturen unter 25 °C durch Wärmeproduktion die Wärmeverluste im Wasser nicht mehr ausgleichen (Tab. 16.2).

Die Grenzschicht zwischen Wasser und Haut stellt praktisch keine Wärmeisolation für den Organismus dar. So wird die aus dem Körperkern in die Körperschale transportierte Wärmemenge sehr rasch ins Wasser abgegeben (hoher Wärmeabgabekoeffizient). Der Wärmeabgabekoeffizient wird bei aktiven Schwimmbewegungen noch um etwa das 3-Fache gesteigert. Die einsetzende Unterkühlung führt zu einer erhöhten Viskosität der Muskulatur, sodass ein größerer Kraftbedarf erforderlich ist. Eine kältebedingt reduzierte Nervenleitungsgeschwindigkeit führt zu einer verminderten Effektivität des motorischen Systems. Die absinkende Bluttemperatur verschiebt die Sauerstoffbindungskurve nach links, was zwar die Aufnahme von Sauerstoff in der Lunge verbessert, die Abgabe des Sauerstoffs an das Gewebe jedoch verschlechtert.

Temperaturregulation

Zur Orientierung

Die Aufgabe des Temperaturregulationssystems besteht darin, die Körpertemperatur in engen Grenzen konstant zu halten. Die Steuerzentren dafür liegen im Hypothalamus. Die autonomen Mechanismen der Temperaturregulation (Hautdurchblutung, Schwitzen) erlauben unter extremen Umweltbedingungen in gewissem Umfang eine Akklimatisation, wenngleich in begrenztem Maße. Wesentlich wichtiger für den Menschen sind verhaltensabhängige Maßnahmen zur Temperaturkontrolle (Kleidung, Behausung, Heizung).

Bei extremen Umgebungsbedingungen und einem Versagen der Regulationsmechanismen sind – insbesondere bei Kindern und älteren Menschen – Hypo- und Hyperthermie möglich.

Regelsystem und Regelkreis

MERKE

Die Aufgabe des Temperaturregulationssystems besteht darin, die Körpertemperatur in einem engen Bereich zu halten, sodass ein Gleichgewicht zwischen Wärmebildung und Wärmeabgabe besteht.

Diese Regelkreis:KörpertemperaturKörpertemperatur:Regelkreiskonstante Körpertemperatur ermöglicht es anderen wichtigen regulatorischen Systemen (z.B. Herz-Kreislauf-System), ihre Aufgaben wahrzunehmen. Hierzu stehen dem Organismus eine Reihe von autonomen Regulationssystemen sowie insbesondere auch adäquate kognitive Verhaltensanpassungen zur Verfügung (Abb. 16.9). Das Temperaturregulationssystem endothermer Organismen kann man mit einem technischen Temperaturregelkreis aus verschiedenen Gliedern vergleichen (Abb. 16.9). Die Regelgröße ist die Regelgröße:KörpertemperaturKörpertemperatur, ein sich aus den lokalen Temperaturen vieler Körperstellen ergebender integrativer Wert.
Komponenten des Regelkreises
SensorenZur Erfassung von Haut- und Kerntemperaturen (Istwerte der Regelgröße) gibt es Kalt- und Kälterezeptor:KörpertemperaturregulationWarmrezeptoren in der Wärmerezeptor:KörpertemperaturregulationHaut und im Körperkern. Über afferente sensorische Nervenfasern sind diese äußeren (Körperschale) und inneren (Körperkern) Thermorezeptoren mit dem Rückenmark und dem Hypothalamus verbunden, der als Regelzentrum (Regler) der Temperaturregulation angesehen wird.
ReglerIn der präoptischen Area des vorderen Hypothalamus werden die Istwerte der Körperschale und des Körperkerns mit einem Sollwert verglichen. In technischen Systemen (z.B. Klimaanlage) wird dieser Sollwert durch ein Temperaturreferenzsignal geschaffen, das in den Regelkreis eingebracht wird. Im Hypothalamus vermutet man analog hierzu spezielle Neurone, die dieses Signal unabhängig von der Temperatur erzeugen. Diese Neurone konnten jedoch bisher nicht in hinreichender Anzahl und mit entsprechend kontinuierlicher Aktivität im Hypothalamus nachgewiesen werden.
Regulationsmechanismen
Autonome RegulationWeichen Körpertemperatur:autonome RegulationIstwert und Sollwert voneinander ab, werden durch das autonome NervensystemNervensystem:vegetatives über efferente vegetative Nervenfasern verschiedene Stellglieder im Regelkreis (motorisches System, braunes Fettgewebe, Vasomotorik, Schweißsekretion, Pilomotorik) verändert, und zwar im Sinne positiver bzw. negativer Rückkoppelung (Abb. 16.9). Ein Absinken der Körperkerntemperatur unter den vom Hypothalamus vorgegebenen Sollwert führt zu:
  • einer Vasokonstriktion der Haut- und Schalengefäße (negative RückkoppelungRückkoppelung:negative), wodurch die Wärmeabgabe über die Körperschale gedrosselt wird (Kap. 16.1.2)

  • einem Aufrichten der Haare (Pilomotorik, „Gänsehaut“), was Gänsehautdie isolierende Grenzschicht über der Haut verbreitert und damit die Wärmeabgabe vermindert (Kap. 16.1.1)

  • einer erhöhten Wärmebildung durch Kältezittern

Liegt derKältezittern:Körpertemperaturregulation Istwert andererseits über dem Sollwert, werden all jene Mechanismen, die einen weiteren Anstieg der Körpertemperatur hervorrufen könnten (motorisches System), gedämpft (negative Rückkoppelung) und die Mechanismen der Wärmeabgabe verstärkt (Vasodilatation in der Körperschale, Erhöhung der Schweißsekretion).

MERKE

Diese verschiedenen Abwehrmaßnahmen zur Aufrechterhaltung der Körperkerntemperatur laufen reflektorisch ab und sind willkürlich nicht zu beeinflussen (autonome Regelung).

VerhaltensregelungDie Körpertemperatur:Verhaltensregelungbewussten Empfindungen zum thermischen Komfort oder Diskomfort werden im sensorischen Kortex erzeugt. Dieser erhält über den Tractus spinothalamicusTractus:spinothalamicus und die unspezifischen medialen Thalamusregionen die Erregungen der inneren und äußeren Kalt- und Warmrezeptoren. Bei deutlichem thermischem Diskomfort kommt es nicht nur zur Stimulierung der autonomen Gegenmaßnahmen, sondern auch über den Kortex vermittelt zu Änderungen des Verhaltens, z.B. Auswahl wärmerer Kleidung oder Aufsuchen eines beheizten Raums bei Kälte.

Zyklische Änderungen der Körpertemperaturen und hormonelle Einflüsse

Zirkadianer RhythmusRhythmus:zirkadianerBeim Menschen sind mehr als 100 Messgrößen von Organfunktionen bekannt, bei denen eine ausgeprägte zirkadiane Rhythmik nachgewiesen ist. Hervorgerufen werden diese zirkadianen Schwankungen durch Zeitgeber, die im Hypothalamus lokalisiert sind. Diese endogenen Zeitgeber werden durch exogene Faktoren (hell, dunkel) synchronisiert. Die zirkadianen Rhythmen versetzen den Organismus in die Lage, sich möglichst frühzeitig auf regelmäßig wiederkehrende Umweltveränderungen einzustellen.

MERKE

Die Körperkerntemperatur ist in der zweiten Nachthälfte am niedrigsten und am späten Nachmittag bzw. frühen Abend am höchsten (Abb. 16.10a).

Den zirkadianen Körpertemperaturschwankungen liegt eine Sollwertverstellung des zentralen Reglers zugrunde. Der zyklische Verlauf der Körpertemperatur bleibt auch erhalten, wenn der normale Hell-Dunkel-Wechsel von Tag und Nacht als äußerer Zeitgeber entfällt (Abb. 16.10b). Ferner verlängert sich beim Menschen bei weitgehendem Entzug von äußeren Zeitgebern (Bunkerversuche) die zirkadiane Periodenlänge des Temperaturzyklus auf etwa 25,3 Stunden. Fehlen die äußeren Zeitgeber (Abb. 16.10b), treten die niedrigsten Körpertemperaturen im Dauerdunkel etwa 6–8 Stunden vor dem Aufstehen auf, mit Zeitgeber und normalem Hell-Dunkel-Wechsel hingegen ca. 0–4 Stunden vor dem Aufwachen. Außerdem erkennt man in Abb. 16.10a und b, dass die dynamischen Änderungen der Körperkerntemperatur im Tag-Nacht-Verlauf weniger ausgeprägt sind.
MenstruationszyklusDer Menstruationszyklus der Frau Menstruationszyklus:KörpertemperaturKörpertemperatur:Menstruationszyklusbeträgt 28 ± 4 Tage und untergliedert sich in eine Follikel-, Ovulations- und Lutealphase (Gelbkörperphase). Durch das luteinisierende Hormon (LH) kommt es zur Ovulation, und in der Folge produziert der rupturierte Follikel Östradiol statt Progesteron. Die Erhöhung der Kerntemperatur wird vermutlich durch eine von Progesteron vermittelte Sollwertverstellung im Hypothalamus hervorgerufen.

MERKE

Progesteron:KörpertemperaturProgesteron führt postovulatorisch zu einer Erhöhung der Kerntemperatur um ca. 0,5 °C in der Gelbkörperphase des Zyklus (Abb. 16.10c).

Schilddrüsenhormone und KatecholamineDie Schilddrüsenhormone Thyroxin Schilddrüsenhormone:KörpertemperaturKörpertemperatur:Schilddrüsenhormone(T4) und Thyroxin (T4):KörpertemperaturT4:KörpertemperaturTrijodthyronin (T3) führen Trijodthyronin (T3):KörpertemperaturT3:Körpertemperaturzur einer Steigerung des Stoffwechsels und des Grundumsatzes. Eine Überfunktion der Schilddrüse (Hyperthyreose) äußert sich u.a. in körperlicher Unruhe, Schwitzen, feuchter Haut, gesteigertem Appetit und Körpergewichtsverlust. Eine Unterfunktion der Schilddrüse (Hypothyreose) führt zu Symptomen wie Müdigkeit, Frösteln, kalter Haut, niedrigem Blutdruck und geringem Appetit. Katecholamine haben vielfältige Wirkungen auf das Herz-Kreislauf-System und den Stoffwechsel, wie z.B. eine erhöhte Freisetzung von Kohlenhydraten und Fetten aus den Speicherorganen, eine Steigerung des Herzminutenvolumens und des Blutdrucks, eine vermehrte Durchblutung der Skelettmuskulatur und eine gleichzeitige Abnahme der Durchblutung des Magen-Darm-Trakts und der Hautgefäße (Kap. 16.1.1). In Stresssituationen (Notfallreaktionen) mit vermehrter Ausschüttung von Schilddrüsenhormonen und Katecholaminen wirken diese Hormone in Bezug auf die Körpertemperatur damit synergistisch.

Temperaturakklimatisation und -adaptation

Der Körpertemperatur:AkklimatisationKörpertemperatur:AdaptationMenschAkklimatisation verfügt kaum über natürliche anatomisch-morphologische Schutzmechanismen (dichtes Fell, dickes Unterhautfettgewebe). Besonders unter extremen Umweltbedingungen (Polargebiete, Hochgebirge) besteht für den Menschen ein hoher Temperaturgradient vom Körperkern über die Haut (Mikroklima) zur Umgebung (Expositionsklima; Abb. 16.11), der zu einer raschen Auskühlung (Hypothermie) des Organismus führen kann. Auf der anderen Seite beeinflusst gerade die Temperatur die meisten Umsatzraten physikalischer, biochemischer und physiologischer Parameter. Viele endotherme und ektotherme Organismen zeigen bei mehrfachen thermischen Belastungen Anpassungsvorgänge, z.B. im Hinblick auf die Hautdurchblutung, Herzfrequenz oder den Metabolismus. Wird der Organismus diesen Umweltbedingungen nicht mehr ausgesetzt, werden die erworbenen Anpassungen zurückgenommen. Als Q10 Q10-Wertbezeichnet man in diesem Zusammenhang das Verhältnis einer physiologischen Reaktions-/Anpassungsrate bei einer vorgegebenen Temperatur im Vergleich zur Rate bei einer um 10 °C niedrigeren Temperatur. Normalerweise beträgt dieser Q10-Wert 2–3.
Neuere Untersuchungen haben nachgewiesen, dass wesentliche Schritte der menschlichen Evolution im Bereich des ostafrikanischen Grabenbruchs in moderaten Höhenlagen stattgefunden haben. Hierauf weisen zahlreiche anatomische, biochemische und physiologische Anpassungen des Menschen hin, wobei auffallend ist, dass der Mensch sich besser an eine Wärme- als eine Kältebelastung anpassen kann. Im Hinblick auf die globale Verbreitung des Menschen einschließlich der Höhen- und Polargebiete kommt diesen Anpassungsmechanismen allerdings nur eine sehr begrenzte Bedeutung zu (Abb. 16.11). Eine wesentlich wichtigere Rolle spielt ein vernünftiges Verhalten sowie die Nutzung kultureller und technischer Errungenschaften (z.B. Behausung, Bekleidung, Feuer).
Akklimatisation an Kälte
Kälte:AkklimatisationAkklimatisation:KälteKältehabituationZur Kälte:HabituationKältetoleranzakklimatisation des Menschen liegen nur wenige Hinweise vor. Dazu gehört, dass bei längerer Kälteexposition ein erhöhter Energieumsatz und damitEnergieumsatz:Kältehabituation eine vermehrte Wärmebildung Wärmebildung:Kältehabituationbeobachtet wird. Dabei ist die Schwelle sowohl zur erhöhten Wärmebildung als auch zum Kältezittern hin zu tieferen Körpertemperaturen verschoben. Gleichzeitig findet man auf sensorischer Seite, dass unbehagliche Kälteempfindungen geringer werden. Entsprechende Anpassungen werden als Kältehabituation bezeichnet und bei verschiedenen Bevölkerungsgruppen beobachtet, z.B. Alacaluf-Indianern auf Feuerland, australischen Aborigines, Lappen in Finnland sowie zum Teil auch bei jenen Personen, die wiederholt kalten Arbeitsbedingungen ausgesetzt sind (Fischer, Ama-Taucherinnen). Diese Gewöhnung beruht offenbar auf einer veränderten Verarbeitung sensorischer Reize, z.B. schlafen zu können, obgleich ein Kältezittern durch Abfall der Körperschalen- und Körperkerntemperatur ausgelöst wird. Nicht kälteadaptierte Personen sind hierzu nicht in der Lage.
Weitere AnpassungsmechanismenAma-Taucherinnen in Japan zeigen 2 weitere Anpassungsstrategien. Zum einen ist die Vasokonstriktion im Vasokonstriktion:KältehabituationBereich ihrer Finger verstärkt, was zu einem geringeren Wärmeverlust aufgrund einer vergrößerten Isolationsschicht führt. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit ihres Gewebes bei gleicher Unterhautfettschichtdicke im Vergleich zu einem nicht kälteadaptierten Kontrollkollektiv herabgesetzt. Dies beruht vermutlich darauf, dass die Ama-Taucherinnen durch ihre wiederholten Kaltwasser-Immersionen eine tiefere Kerntemperatur tolerieren, bevor sie zu zittern beginnen. Wird das Kältezittern länger Kältezittern:Kältehabituationunterdrückt, bleibt die Muskeldurchblutung in den Extremitäten erniedrigt, was die Isolationsschicht zum Körperkern verbreitert und die Wärmeverluste begrenzt. Im Vergleich hierzu führen Personen, die frühzeitig mit dem Kältezittern beginnen, mehr Wärme an das Wasser ab.
Akklimatisation an Wärme
Auch bei WärmeakklimatisationWärme:AkklimatisationAkklimatisation:Wärmeder Wärme- oder Hitzeakklimatisation können 2 verschiedene Anpassungsformen unterschieden werden. Die eine Form beschreibt die Akklimatisation von zuvor nicht adaptierten Menschen an Wärme- und Hitzebelastungen bei längerfristiger Exposition (Wochen, Monate, Jahre), wie sie z.B. bei Tropenaufenthalten oder Hochofenarbeitern auftritt. Hiervon zu unterscheiden sind jene Anpassungsformen, die man bei einheimischen Tropen- und Wüstenbewohnern beobachten kann, die seit mehreren Generationen diesen Umweltbedingungen ausgesetzt gewesen sind.
Autonome Wärmeakklimatisation
Zu den Wärmeakklimatisation:autonomewesentlichen Mechanismen der langfristigen Wärmeakklimatisation des Menschen gehören:
  • eine Senkung der Schwitzschwelle

  • eine vergrößerte Schweißmenge

  • eine Senkung des Elektrolytgehalts im Schweiß

Die maximale Schweißproduktion ist, bezogen auf die Körpermasse oder oberfläche beim Menschen, deutlich größer als bei jedem anderen Organismus.
Schwitzschwelle und SchweißmengeWenn der Mensch schneller anfängt zu schwitzen und zudem mehr schwitzt, bleibt die Hauttemperatur niedrig (wichtig für den Gradienten des Wärmestroms vom Körperkern zur Körperschale), und die Körperkerntemperatur steigt langsamer an.
ElektrolytgehaltDer Elektrolytgehalt, Schweißniedrigere Elektrolytgehalt des Schweißes hat mehrere Auswirkungen:
  • Dem Organismus bleiben Elektrolyte erhalten, d.h., einer Mangelversorgung des Organismus wird entgegengewirkt.

  • Der Schweiß verdunstet leichter.

  • Es werden mehr Plasmaproteine gebildet.

Die erhöhte Menge an Plasmaproteinen steigert langfristig das Plasmavolumen um 10–20%, der Hämatokrit sinkt entsprechend, und das Herz-Kreislauf-System ist damit – bereits vor einer entsprechenden Belastung – in einer besseren Ausgangslage. Eventuelle Flüssigkeitsverluste, die mit einer Verminderung des Plasmavolumens einhergehen (Viskositätserhöhung), können besser toleriert werden. Außerdem ist die Herzfrequenz bereits unter Ruhebedingungen vermindert. Bei Körperarbeit können deshalb vergleichbare Belastungen mit niedrigeren Herzfrequenzen bewältigt werden. All die genannten Faktoren tragen dazu bei, dass die Körperkerntemperatur (Körperkerntemperatur:WärmeakklimatisationRektaltemperatur) unter Belastungsbedingungen langsamer ansteigt als bei nicht adaptierten Personen (Abb. 16.12). Die langfristigen Hitze- und Wärmeakklimatisationsprozesse weisen damit eine große Ähnlichkeit zu jenen Anpassungen auf, die man bei Ausdauertrainierten beobachten kann.
Verhaltensanpassung
Die Akklimatisation:VerhaltensanpassungKapazität der autonomen Anpassungen ist beim Menschen relativ begrenzt. Deshalb müssen diese autonomen Anpassungen durch entsprechende Verhaltensanpassungen ergänzt werden.
ArbeitsrhythmusHierzu zählen z.B. die Anpassung des Arbeitsrhythmus an die klimatischen Bedingungen. Beim Aufenthalt in der Wüste bedeutet dies, dass die körperlichen Arbeiten entweder in den frühen Morgenstunden, in den späten Abendstunden oder in der Nacht durchgeführt werden sollten. Hierdurch werden hohe Belastungsspitzen am Tage vermieden (langwellige Strahlungsmaxima der Sonne).
FlüssigkeitszufuhrDie Flüssigkeitszufuhr und – bei sehr großen Schweißverlusten und eingeschränkter Verfügbarkeit einer ausgeglichenen Kost – auch zusätzliche Salzaufnahme müssen immer wieder bewusst vorgenommen werden. Durstempfinden und Salzappetit sind bei großen Verlusten inadäquat. Wadenkrämpfe in der Nacht weisen auf entsprechende Mangelerscheinungen im Elektrolythaushalt hin.
BekleidungDie Bekleidung:AkklimatisationBekleidung sollte möglichst viel Hautoberfläche bedecken, wasserdampfdurchlässig und weit geschnitten sein, um eine Luftzirkulation entlang der Körperachse (natürliche Konvektion, angenehmes Mikroklima) zu ermöglichen. Die Farbe der Kleidung spielt, entgegen der landläufigen Meinung, eine weitaus geringere Rolle als deren Materialbeschaffenheit und Zuschnitt.
Hitzetoleranzadaptation
Adaptive HitzetoleranzadaptationHeterothermieEine Heterothermie, adaptivespezielle Form der Hitzeadaptation lässt sich bei großen Tieren (Giraffe, Kamel) in heißen Klimazonen beobachten, die sog. adaptive Heterothermie. Diese Lebewesen setzen ihre Schwitzschwelle herauf Schwitzschwelle:adaptive Heterothermieund ihre Zitterschwelle herunter; sie verbreitern damit den Bereich, in dem Veränderungen der Körperkerntemperatur toleriert werden. Dadurch werden Schweißmengen gespart und eine frühzeitige Wärmebildung durch Kältezittern bei Abfall der Körperkerntemperatur unterdrückt. Der Körper speichert dafür über den Tag größere Wärmemengen und gibt diese bei Nacht durch Konvektion und Strahlung an die kühle Umgebung ab. Dies ist unter ariden (wüstenhaften) Umweltbedingungen mit geringer Verfügbarkeit von Wasser eine sinnvolle Strategie.
Heraufsetzung der SchwitzschwelleBei Schwitzschwelle:HitzetoleranzadaptationNaturvölkern, die in den Tropen leben, ist gleichfalls eine Heraufsetzung der Schwitzschwelle festgestellt worden. Auch diese kann man im Sinne eines Spareffekts interpretieren (Ökonomisierung). Allgemein verträgt der Mensch ein trocken-heißes Klima (Wüstenklima) besser als ein feucht heißes Klima (Tropen), da die hohe Luftfeuchtigkeit und Windstille in den Tropen die Wärmeabgabemechanismen erschweren (Abb. 16.13).

Spezielle Temperaturregulation

Temperaturregulation bei körperlicher Arbeit
Wärmeproduktion bei körperlicher Arbeit
Körpertemperatur:RegulationDie Wärmebildung:körperliche Arbeitmaximale SauerstoffaufnahmeSauerstoffaufnahme:maximale ( O2max) hängt entscheidend von der maximalen Herzfrequenz (HFmax), dem maximalen Schlagvolumen (SV) und der maximalen arteriovenösen Sauerstoffdifferenz (avDO2) ab:
V˙o2max[mlO2/min]=HFmax[Schläge/min]×SVmax[ml]×avDO2[mlO2/ml]
Die Umweltbedingungen (PO2, Lufttemperatur und Strahlungstemperaturen, Luftfeuchtigkeit, Windbewegungen) können die maximale Sauerstoffaufnahme nachhaltig beeinflussen. Verringert sich im Zuge einer körperlichen Ausdauerbelastung z.B. das Blutvolumen (starkes Schwitzen, unzureichende Flüssigkeitsaufnahme), fällt auch das SV und damit die O2max ab. Muss aus thermoregulatorischen Gründen die Schalendurchblutung gesteigert werden, geht dieses Blutvolumen der stoffwechselaktiven Muskulatur verloren, und die maximale avDO2 ist vermindert. Unter Ruhebedingungen liegt die Sauerstoffaufnahme des Skelettmuskels bei ca. 1,5 ml × kg–1 × min–1 und kann unter körperlicher Aktivität auf das 10-Fache gesteigert werden. Die gesamte Wärmeproduktion des erwachsenen Menschen unter Ruhebedingungen (Kap. 16.1.1) entspricht einer Leistung von ca. 80 W und kann bis auf 1.000 W ansteigen. Diese Wärmeproduktion wird z.B. bei Ausdauerbelastungen wie einem Marathon oder Triathlon bei ausreichenden Energiereserven bzw. kontinuierlicher Energie- und adäquater Flüssigkeitszufuhr über mehrere Stunden aufrechterhalten. Hätte der Mensch die entsprechenden Wärmeabgabemechanismen wie die gesteigerte Evaporation nicht, würde eine derartige Wärmeproduktion die Ausdauerleistungsfähigkeit auf ca. 20 Minuten begrenzen, da alle 5–8 Minuten die Körperkerntemperatur um ca. 1 °C ansteigen würde – mit der Folge einer rasch einsetzenden letalen Hyperthermie.
Wärmeabgabe
Die Wärmeabgabe:körperliche ArbeitGesamtwärmeabgabe vom Körperkern zur Hautoberfläche setzt sich aus 2 Komponenten zusammen:
  • fixe Größe, die Wärme konduktiv (passiv) über die inaktive Muskulatur und die subkutanen Hautschichten weiterleitet

  • stark variabler Wärmetransport mithilfe des konvektiven Wärmetransports des Blutes/Kreislaufs

Der gesteigerte Wärmeabtransport vom Wärmetransport:körperliche ArbeitKörperkern zur Körperschale durch eine gesteigerte Muskeldurchblutung und eine durchschnittlich bis zu 20-fache Steigerungsmöglichkeit der Hautdurchblutung sowie die Abgabe von überschüssiger Wärme von der Haut an die Umgebung durch Verdunstung von Schweiß ermöglichen eine länger ausgeglichene Bilanz zwischen Wärmeproduktion und Wärmeabgabe.
HautdurchblutungHaut:DurchblutungLokal weist die Hautdurchblutung recht unterschiedliche Werte auf. So kann sie am Rumpf um den Faktor 7, an der Hand um das 30-Fache und an den Fingern um den Faktor 600 gesteigert werden. Zwar haben die Hände nur einen relativ kleinen Anteil an der Gesamtoberfläche des Körpers, dennoch wird der Wärmehaushalt hier über entsprechende Durchblutungsveränderung ganz wesentlich geregelt.
SchwitzenPro Gramm Schwitzen, körperliche Arbeitverdunsteten Schweiß, einem Ultrafiltrat des Plasmas, gehen dem Organismus ca. 2,5 kJ verloren, wobei die Schweißdrüsen etwa 2–4 l/h, also 30 g/min Schweiß produzieren können.

MERKE

Die maximale Schweißproduktion und auch die Zusammensetzung des Schweißes sind variabel. Neben einer generell niedrigeren Normaltemperatur liegt beim Trainierten bzw. Hitzeadaptierten die Schwitzschwelle niedriger.

Der Trainierte schwitzt früher, sodass seine Körpertemperatur unter vergleichbaren Bedingungen niedriger ist als bei weniger gut Trainierten. Er ist dadurch bei gleichen Umweltbedingungen und gleichen Belastungen in der Lage, eine Leistung länger aufrechtzuerhalten.

MERKE

Die Kühlung der Körperschale durch das Schwitzen ist wichtig, um eine niedrigere Hauttemperatur und somit einen Wärmegradienten vom Körperkern zur Körperschale aufrechtzuerhalten.

Ist die Körperschale wärmer als der Körperkern, wird dem Körperkern über die Gefäße Wärme aus der Körperschale zugeführt (Sauna). Die Wärmeströme kehren sich um, die Körperkerntemperatur steigt.
AtmungDie Atmung:WärmeabgabeWärmemenge, die über die Atmung an die Umwelt abgegeben werden kann, spielt in der Gesamtbilanz der Wärmeströme nur eine untergeordnete Rolle, um eine Hyperthermie zu verhindern. Allerdings können dem Körper bei sehr kalter Lufttemperatur erhebliche Wärmemengen auf diesem Weg entzogen werden.
Altersabhängige Temperaturregulation
Körpertemperatur:RegulationNeugeborenesDie Neugeborene:Körpertemperaturregulationthermische Neutralzone des Neugeborenen liegt mit einer Umgebungstemperatur von 32–34 °C (relative Luftfeuchtigkeit ca. 60%) deutlich höher als beim Erwachsenen. Der Grund dafür ist, dass das Neugeborene im Vergleich zum Erwachsenen ein sehr ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis (3-fach größer) besitzt und das Unterhautfettgewebe sehr dünn ausgebildet ist. Es kann aber über das sympathische Nervensystem die zitterfreie Wärmebildung im braunen Fettgewebe aktivieren (Kap. 16.1.2). Bereits 6–8 Wochen nach der Geburt lassen sich deutliche zirkadiane Schwankungen der Kerntemperatur feststellen mit den niedrigsten Werten zwischen 2 und 4 Uhr in der Nacht.
PubertätDie Pubertät:KörpertemperaturregulationSchweißproduktion nimmt mit dem Beginn der Pubertät deutlich zu. Dies ist bei sportlichen Ausdauerbelastungen unter warmen, insbesondere feuchtwarmen Umweltbedingungen zu berücksichtigen (adäquate Flüssigkeitszufuhr).
AlterÄltere Alter:KörpertemperaturregulationMenschen zeigen wie Neugeborene ein größeres Wärmebedürfnis. Dies könnte auf eine insgesamt abnehmende Stoffwechselrate, die Abnahme des Wassergehalts der Haut, ein dünnes Unterhautfettgewebe und/oder eine herabgesetzte Fähigkeit zur Vasomotorik zurückzuführen sein. Neben einer Unterkühlung sind Neugeborene und alte Menschen insbesondere auch durch eine Überwärmung (Hyperthermie, Hitzeperiode im Sommer) gefährdet (Kap. 16.3).
Temperaturregulation und andere Regelsysteme
KreislaufregulationKreislauf:RegulationBlutkreislauf:RegulationInsbesondere unter extremen Umweltbedingungen (hohe Lufttemperatur, hohe relative Luftfeuchtigkeit) kann die gleichzeitige Beanspruchung des Herz-Kreislauf-Systems durch die metabolischen Erfordernisse für die arbeitende Muskulatur (Sauerstoffantransport, Nährstoffversorgung, Abtransport von Stoffwechselprodukten) wie auch des Temperaturregulationssystems (gesteigerte Durchblutung der Haut zur Wärmeabgabe) die Leistungskapazität des Herz-Kreislauf-Systems übersteigen. Die Hautdurchblutung kann dann auf mehrere Liter pro Minute ansteigen und einen beträchtlichen Anteil des Herzminutenvolumens ausmachen. Gleichzeitig erhöht sich bei einem Anstieg der Körperkern- und Körperschalentemperatur die Compliance im venösen System der Haut, und der vasokonstriktorische venöse Tonus sinkt. Beides führt dazu, dass das zentrale Blutvolumen, welches für die physische Leistungsfähigkeit entscheidend ist, abnimmt. Bereits in Ruhe bei Indifferenztemperatur befinden sich beim aufrecht stehenden Menschen ca. 70% seines Blutvolumens unterhalb des Herzens und hier zu 85% im Niederdrucksystem. Physische Arbeit unter den genannten Umweltbedingungen führt deshalb leicht zu einer Volumenverteilungsstörung (Hitzekollaps) mit Kollaps:HitzekollapsAbsinken von arteriellem Druck, Füllungsdruck und Schlagvolumen. Die orthostatische Intoleranz ist somit im Sinne einer Notfallreaktion zu sehen, die über die Bewusstlosigkeit zur horizontalen Körperlage und zur erneuten Umverteilung des Blutvolumens von peripher nach zentral führt. Beim Hitzekollaps kann diese Umverteilung durch Hochlagerung der Extremitäten von peripher nach zentral unterstützt werden.
Wasser-/SalzhaushaltDie Wasserhaushalt:KörpertemperaturSalzhaushalt:KörpertemperaturEvaporation (Schweißabgabe) ist ein bedeutender Wärmeabgabemechanismus für den Menschen und kann bis zu mehrere Liter stündlich betragen.

MERKE

Mit dem Schweiß gehen dem Organismus neben Körperwasser auch Elektrolyte verloren. Dies kann den Wasser-Salz-Haushalt nachhaltig beeinflussen. Können die Flüssigkeits- und Elektrolytverluste nicht umgehend ausgeglichen werden, besteht die Gefahr einer Dehydratation und Hyponatriämie/Hypokalzämie.

Da in erster Linie das Plasmavolumen zur Produktion des Schweißes herangezogen wird, reduziert starkes Schwitzen das zirkulierende Blutvolumen mit den nachteiligen Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System (Abnahme des Füllungsdrucks und des Schlagvolumens). Ein hypotoner Schweiß erleichtert die notwendigen Flüssigkeitsverschiebungen zur Aufrechterhaltung des zirkulierenden Blutvolumens, denn durch den Verlust von hypotonem Schweiß steigt intravasal der kolloidosmotische Druck an. Dies ist die treibende Kraft für den Einstrom von Wasser aus dem interstitiellen Raum und bei größeren Schweißverlusten auch aus dem intrazellulären Kompartiment.
Ernährungs- und EnergiehaushaltAutonome Mechanismen der Temperaturregulation, insbesondere des sympathischen Nervensystems, beeinflussen den Ernährungs- und Energiehaushalt. So zeigt sich z.B. bei den Pima-Indianern in Nordamerika, bei denen überdurchschnittlich häufig Obesitas bzw. Adipositas auftritt, eine deutliche negative Korrelation zwischen basaler Sympathikusaktivität und Gewichtszunahme. Ferner liegen Hinweise dazu vor, dass Leptin (Kap. 19.2.10) über eine Stimulierung der Thermogenese zur Gewichtsreduktion beitragen kann.
MotorikDie Körpertemperatur spielt für die Funktion sowohl der Fein- als auch der Grobmotorik eine entscheidende Rolle. Sinkt die Körpertemperatur, sind feinmotorische Tätigkeiten erheblich eingeschränkt. Mit dem Einsetzen von Kältezittern sind auch grobmotorische Fähigkeiten nachhaltig gestört. Sportveranstaltungen in der Leichtathletik, bei denen neue Rekorde gebrochen werden sollen, werden u.a. aufgrund dieser Tatsache gern in die Nachmittags- und Abendstunden gelegt, da in diesem Zeitraum die zirkadianen Körperkerntemperaturen am höchsten und die Umweltbedingungen eher gemäßigt sind – wichtige Grundvoraussetzungen für motorische Höchstleistungen.
Temperaturregulation und Klima
Die Umweltbedingungen haben entscheidenden Einfluss auf die Temperaturregulation und das Behaglichkeitsgefühl des Menschen.
Definitionen
AtmosphäreAls AtmosphäreAtmosphäre wird die aus verschiedenen Gasen (Stickstoff, Sauerstoff, CO2, Edelgase) bestehende Lufthülle bezeichnet, die von der Schwerkraft der Erde festgehalten wird. Bis zu einer Höhe von über 20 km liegt ein relativ konstantes Mischungsverhältnis dieser Gasanteile vor.
KlimaUnter KlimaKlima fasst man in der Meteorologie die spezifischen Qualitäten der Atmosphäre über einem definierten Bereich der Erde zusammen. Diese Qualitäten werden entscheidend durch die Lage über der Erdoberfläche bestimmt. Voraussetzung zur Charakterisierung eines Klimas (Höhen-, Tropen-, Wüsten- und Polarklima) ist ein Beobachtungszeitraum von über 20 Jahren. Die dabei erfassten meteorologischen Faktoren sind u.a. Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit sowie Strahlungsanteile und Strahlungstemperaturen.
Ein spezielles Bioklima für den Menschen ist das Raumklima. Denn neben den klimatischen Einflussgrößen spielen nichtklimatische Größen wie z.B. Schutzfunktion (Haus) oder der thermische Widerstand der Bekleidung eine wichtige Rolle für das Behaglichkeitsgefühl des Menschen.
Witterung, WetterAls WitterungWetterWitterung bezeichnet man den Zustand der Atmosphäre über einen Zeitraum von 3–4 Monaten (Jahreszeiten Frühjahr, Sommer, Herbst, Winter). Kann der Zustand der Atmosphäre für 48 Stunden vorausgesagt werden, spricht man vom Wetter.
KlimasummenmaßeDie Klimasummenmaßegenannten klimatischen und nichtklimatischen Faktoren können einzeln oder als Klimasummenmaße dargestellt werden. Für das Verständnis der Klimasummenkurven ist wichtig, dass einzelne Klimagrößen durch gleichzeitige Änderung von anderen klimatischen und/oder nichtklimatischen Einflussgrößen kompensiert, gemildert oder in ihrer Wirkung auf den Organismus verstärkt werden können. Wird z.B. eine Lufttemperatur, die als behaglich empfunden wurde, erhöht, entsteht dann kein Wärmegefühl, wenn gleichzeitig die Windbewegung gesteigert wird. Die erhöhten konvektiven Wärmeverluste kompensieren in diesem Fall die Effekte der erhöhten Lufttemperatur. Klimasummenmaße geben somit Zahlenwerte für die einzelnen Klimawerte an, die in einer Zusammenschau zu einer gleichen Wirkung auf den Menschen führen. In Abb. 16.14 ist neben der Raumtemperatur und der Windgeschwindigkeit als Windgeschwindigkeit, Klimasummenmaßeweitere wichtige klimatische Einflussgröße die relative Luftfeuchtigkeit aufgeführt. Es zeigt sich, dass z.B. bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit (10%) undLuftfeuchtigkeit:Klimasummenmaße hoher Windgeschwindigkeit (3,0 m/s) eine tatsächliche Lufttemperatur von 37 °C vom Organismus wie 25 °C (Komfort) empfunden wird. Hingegen wird eine Kombination von hoher relativer Luftfeuchtigkeit (95%), geringer Windgeschwindigkeit (0,1 m/s) und einer Raumtemperatur von 29 °C als ein unangenehmes, schwül-warmes Raumklima empfunden (Diskomfort).
EffektivtemperaturenEffektivtemperaturEntsprechend detaillierte Untersuchungen mit den verschiedensten klimatischen Kombinationen haben zum Begriff der „Effektivtemperaturen“ geführt (Abb. 16.14). Dabei werden unterschieden:
  • Normal-Effektivtemperatur (NET): Normal-Effektivtemperaturgilt für Personen mit üblicher Straßenkleidung

  • Basis-Effektivtemperatur (BET): Basis-Effektivtemperaturgilt für Personen mit unbekleidetem Oberkörper

Individuelle Unterschiede thermischer Empfindungen
Die gleiche Raumtemperatur wird von verschiedenen Personen bei gleicher Bekleidung und Aktivität durchaus sehr unterschiedlich beurteilt. In leichter Sommerbekleidung und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% und einer Windgeschwindigkeit von 0,1 m/s empfinden die meisten Versuchspersonen ein Raumklima mit 25–27 °C als behaglich, für andere ist dieses Raumklima aber bereits „zu kühl“ oder sogar „zu kalt“. Die Ursache für dieses subjektiv unterschiedliche thermische Empfinden liegt in den individuell verschiedenen Gleichgewichten von Wärmebildung und Wärmeabgabe, die von zahlreichen Faktoren wie Lebensalter, Körpergröße, Körperzusammensetzung, Hormonspiegel u.a. abhängen.

Klinik

KlimatherapieDie atmosphärischen Einflussgrößen (z.B. Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Strahlung) prägen dauernd den lebenden Organismus. Der Mensch muss daher Anpassungen an seine natürliche Umwelt eigenregulatorisch unterhalten bzw. sich aufgrund der klimatischen Veränderungen stetig diesen neuen Gegebenheiten anpassen. Der Einfluss klimatischer Größen auf den Menschen ist nicht nur belastend (Sauerstoffmangel bei Aufenthalt in großen Höhen), sondern kann vom behandelnden Arzt auch in Form der Klimatherapie zur Heilung bzw. Linderung von Krankheiten herangezogen werden. Hierbei nutzt der Arzt z.B. den geringen Allergengehalt im Höhenklima für einen Kuraufenthalt von Patienten mit allergischen Erkrankungen. Er muss daher wissen, welche speziellen Bioklimate (z.B. Seeklima, Höhenklima) bei Erkrankungen genutzt bzw. vermieden werden sollen.

Störungen des Wärmehaushalts und der Temperaturregulation

Hypothermie
Wenn KlimatherapieHypothermie\bWärmeverluste die Wärmeproduktion des Organismus längere Zeit übersteigen, sinkt die Körperkerntemperatur Körperkerntemperatur:Hypothermiekontinuierlich ab.

MERKE

Eine Unterkühlung (Hypothermie) liegt vor, wenn die Kerntemperatur bei oder unter 35,5 °C liegt. Dieser Wert kann im kalten Wasser (5–10 °C) schon nach 10–20 Minuten unterschritten sein.

Ursachen
KälteexpositionKühle Kälte:HypothermieUmgebung (–2 bis +5 °C), hohe Windgeschwindigkeit und durchnässte Kleidung können binnen 30–40 Minuten zu einer irreversiblen Hypothermie mit tödlichem Ausgang führen (Tab. 16.2). Eine durch Alkoholgenuss ausgelöste Vasodilatation beschleunigt die Auskühlung. Alte Menschen (Stoffwechselreduktion) sowie Kleinkinder (ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis) sind besonders bedroht.
Krankheit, MedikamentePatienten können im Zuge von akuten Krankheiten (z.B. Urämie) und durch verschiedene Arzneimittel (z.B. Neuroleptika) bei normalen Umgebungstemperaturen eine Hypothermie entwickeln. Vermutlich kommt es zu Störungen des Temperaturregulationszentrums im Hypothalamus. Diese Patienten sind im Allgemeinen älter und weisen Körpertemperaturen um 33 °C auf. Neben Herzrhythmusstörungen besteht eine metabolische Azidose. Das Bewusstsein der meisten dieser Patienten ist in der Regel schwer eingetrübt. Sie unterscheiden sich von denjenigen mit unfallbedingter (akzidenteller) Hypothermie nur durch das Fehlen einer Kälteexposition.
Stadien der Hypothermie
Basierend aufHypothermie:Stadien\b pathophysiologischen Untersuchungen und klinischen Erfahrungen lassen sich beim Menschen 5 Stadien der Hypothermie unterscheiden (Tab. 16.3):
  • Milde Hypothermie (I, 35–32 °C): Die autonomen Kälteabwehrmechanismen werden in Gang gesetzt, um ein weiteres Absinken der Körperkerntemperatur zu verhindern. Dieses Stadium ist durch Kältezittern, Kältezittern:HypothermieHyperventilation, TachykardieHyperventilation:Hypothermie sowie einsetzende Verwirrtheit, Desorientierung und inadäquates Verhalten („paradoxal undressing“) paradoxal undressinggekennzeichnet. Häufig ist die Diurese gesteigert (Diurese:KälteexpositionKältediurese).

  • KältediureseModerate Hypothermie (II, 32–28 °C): Bei einer Körperkerntemperatur unterhalb von 32 °C ist das Bewusstsein zunehmend Bewusstsein:Hypothermie\bgestört, Schläfrigkeit und Apathie treten auf. Unter 30 °C Körperkerntemperatur ist die betroffene Person komatös. Zunehmend sind Hypotonien, Bradykardien und Herzrhythmusstörungen zu beobachten. Das Muskelzittern (Kältezittern) verschwindet.

  • Schwere Hypothermie (III, 28–24 °C): Muskeln und Gelenke sind starr, evtl. zeigen sich bereits weite, lichtstarre Pupillen. Es treten Mydriasis:Hypothermiezunehmende Hypoventilation und Bradykardie auf. In Bradykardie:Hypothermiedieser Phase besteht die ständige Gefahr von Kammerflimmern. Schon die Kammerflimmern:HypothermieVerlagerung eines unterkühlten Patienten in diesem Stadium kann ein tödliches Kammerflimmern auslösen (Cave: Transport!).

  • Reversibler hypothermer Kreislaufstillstand (IV, < 24 °CKreislaufstillstand:hypothermer): Kurz vor dem Todeseintritt kommt es zum Stillstand von Atmung und Kreislauf. In der Regel beobachtet man bei Kerntemperaturen zwischen 22 und 24 °C den Atemstillstand und unter 22 °C eine Asystolie.

  • Irreversibler hypothermer Kreislaufstillstand (V).

MERKE

Bei zunehmender Hypothermie durchläuft der Organismus in der Regel ein Erregungs-, Erschöpfungs- und Lähmungsstadium, bevor der Tod eintritt. Die Mortalität ist bei hypothermen Personen über 75 Jahre 5-mal höher als bei Jüngeren.

Wiederbelebung und Wiedererwärmung bei Hypothermie
Hypothermie:WiedererwärmungPathophysiologieDurch die Hypothermie ist die Aktivität der Na+/K+-ATPase vermindert; dies hat einen Na+-Einstrom und K+-Ausstrom zur Folge mit entsprechenden Elektrolytveränderungen im extra- und intrazellulären Raum. Es kommt zur Ödembildung, da dem Na+-Einstrom das Wasser folgt.
HämodialyseBei Hämodialyse, Hypothermieeinsetzender Hypothermie führt die Hyperventilation zunächst zu einem Anstieg des pH-Werts, bei Wiedererwärmung des Unterkühlten hingegen gelangen saure Metaboliten aus den Zellen in den Extrazellulärraum (Azidose). In diesem Stadium sind Wiedererwärmungsversuche besonders erfolgreich, wenn eine Hämodialyse zur Verfügung steht, weil dies eine Erwärmung des Unterkühlten vom Körperkern her erlaubt. Ferner können hierdurch der Säure-Basen-Haushalt und die Elektrolytverschiebungen besser kontrolliert und korrigiert werden.
WiedererwärmungsschockDer WiedererwärmungsschockSchock:WiedererwärmungWiedererwärmungsprozess kann je nach Grad der Unterkühlung mehrere Stunden dauern. Die Wiedererwärmung tief unterkühlter Patienten ohne Dialyse, also nur mithilfe externer Wärmezufuhr, birgt die Gefahr eines Wiedererwärmungsschocks („after drop“). Dieser ist gekennzeichnet durch einen plötzlichen Abfall der Kerntemperatur um 0,5–1,0 °C während der Wiedererwärmung. Dieser Temperaturabfall kommt im Wesentlichen dadurch zustande, dass es nach externer Wärmeapplikation zur Eröffnung von Gefäßgebieten in der kalten Körperschale kommt. Hierdurch gelangt kaltes Blut von peripher nach zentral. In Verbindung mit den Veränderungen im Säure-Basen-Haushalt (Azidose) können dadurch Störungen im Reizleitungssystem des Herzens ausgelöst werden (Kammerflimmern).

Klinik

Wiederbelebung bei HypothermieBei Wiederbelebungsmaßnahmen von Unterkühlten ist immer zu berücksichtigen, dass bei Hypothermie die ionalen Membranprozesse eher gestört sind als die Kontraktilität der Herzmuskelfasern. Wiederbelebungsversuche sind daher auch bei schwersten EKG-Veränderungen sinnvoll. Ein Unterkühlter darf erst dann für tot erklärt werden, wenn er wiedererwärmt ist und die Wiederbelebungsmaßnahmen keinen Erfolg gezeigt haben.

Anapyrexie
DefinitionBei AnapyrexieSauerstoffmangel (Hypoxie) kommtSauerstoffmangel:Anapyrexie es nichtHypoxie:Anapyrexie nur zu einem Anstieg der Ventilation, sondern auch – und dies bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Organismen von Protozoen bis zu Säugetieren – zu einem Abfall der Körpertemperatur durch die Verschiebung des Sollwerts auf ein niedrigeres Niveau (Anapyrexie). Anapyrexie ist damit das Gegenteil von Fieber, welches durch eine Heraufsetzung des Sollwerts gekennzeichnet ist.
UrsacheAls Mediatoren für die Sollwertverstellung in den neuronalen Strukturen der präoptischen Area des vorderen Hypothalamus werden neben dem Stickstoffmonoxid (NO), dem eine Stickstoffmonoxid:AnapyrexieNO (Stickstoffmonoxid):Anapyrexiezentrale Rolle bei der Auslösung der Anapyrexie zugeschrieben wird, verschiedene weitere Substanzen diskutiert: antidiuretisches Hormon (ADH, Vasopressin), Laktat, Adenosin, Histamin und endogene Opioide. Diese Substanzen fasst man als „Kryogene“ zusammen – KryogeneSubstanzen, die in der Lage sind, den Sollwert der Körpertemperatur zu senken.
FolgenPhysiologisch beobachtet man bei der Anapyrexie eine Herabsetzung der metabolischen Rate und eine gesteigerte Wärmeabgabe. Ist der neue Sollwert erreicht, ist der Organismus auf einem niedrigeren Niveau euthermisch und weist weder Wärmeabgabe- noch wärmekonservierende Maßnahmen auf. Die Anapyrexie ist damit deutlich von der Hypothermie abzugrenzen, da Letztere von autonomen Maßnahmen zur gesteigerten Wärmeproduktion und Wärmekonservierung begleitet wird. Anapyrexie senkt den Sauerstoffverbrauch und verschiebt die Sauerstoffbindungskurve nach links, was die Beladung der Erythrozyten mit Sauerstoff in der Lunge fördert. Sauerstoffverbrauchende Antworten des Herz-Kreislauf-Systems als Reaktion auf die Hypoxie sind abgeschwächt.
Hyperthermie durch Hitzeexposition
Definition und Ursachen
Die Hyperthermie:HitzeexpositionHyperthermieHitzeexposition, Hyperthermie ist gekennzeichnet durch ein Missverhältnis zwischen Wärmeabgabe und innerer Wärmebildung bzw. Wärmezufuhr von außen, allerdings ohne dass es zu einer Verschiebung des Sollwerts gekommen ist, wie man dies beim Fieber beobachtet. Bei gesteigertem endogenem Metabolismus (sportliche Ausdauerleistungen) oder externer Wärmezufuhr (Sauna) können Körpertemperaturen über 41 °C beobachtet werden. Nach Beendigung der körperlichen Belastung bzw. nach Beendigung der Hitzeexposition kehrt die Körpertemperatur auf ihren Ausgangswert zurück. Neuere Untersuchungen zeigen, dass insbesondere Hitzeepisoden von längerer Dauer und hoher Temperatur die größte Sterblichkeitsrate aufweisen. In den letzten 100 Jahren hat die Häufigkeit dieser extremen Klimabedingungen infolge globaler Erwärmung auch in sonst gemäßigten Bereichen signifikant zugenommen. Diese Hitzewellen führen am Tage zur Aufheizung der dicht bebauten Innenstädte, sodass die Temperaturen nachts nicht unter 28–30 °C abfallen. Die dort lebenden Menschen sind insbesondere in Dachgeschossen einem 24-stündigen Hitzestress ausgesetzt. Kinder (< 1 Jahr), alte Menschen, Diabetiker und Herz-Kreislauf-Kranke sind hiervon betroffen. Da sie häufig gleichzeitig immobil (bettlägerig) sind, ist die konvektive Wärmeabgabe bei diesem Personenkreis vermindert. Der Kreislauf ist gezwungen, über ein ständig erhöhtes Herzminutenvolumen den Herzzeitvolumen:HitzeexpositionHerzminutenvolumen:HitzeexpositionWärmetransport vom Kern zur Schale aufrechtzuerhalten, um über eine erhöhte Hautperfusion den Wärmeübergang von der Haut an die Umgebung zu gewährleisten.
Als Folge hoher Umgebungstemperaturen können Hitzekrämpfe, Hitzekollaps, Hitzeerschöpfung und ein Hitzschlag auftreten (Tab. 16.4).

Klinik

Prophylaxe von HitzeerkrankungenProphylaktische Flüssigkeitszufuhr vor Exposition, leichte Kleidung, häufige kühle Bäder, kühle Umgebung und reduzierte physische Tätigkeit (besonders alte und sehr junge Menschen) können Hitzeerkrankungen, insbesondere den Hitzschlag, vermeiden helfen. Um Hitzekrämpfe und Hitzekollaps zu vermeiden, sollte darauf geachtet werden, körperliche Anstrengungen bei einer hohen Lufttemperatur (> 26 °C) und hoher Luftfeuchtigkeit sowie geringer Windbewegung einzuschränken bzw. zu vermeiden. Langstreckenläufer sollten auch während des Wettkampfs alle 3–4 km ca. 250 ml Flüssigkeit zu sich nehmen.

Sonnenbrand
Beim Sonnenbrand Sonnenbrand\bentstehen durch starke Sonneneinstrahlung (UV-Strahlung) lokale Schäden der Haut, ohne dass die Körpertemperatur primär beeinflusst wird. Der Sonnenbrand zählt daher nicht zu den Hyperthermieformen.
Hitzekrämpfe
UrsachenBei Hitzekrämpfe\bschwerer körperlicher Arbeit – insbesondere bei Umgebungstemperaturen über 27 °C und hoher relativer Luftfeuchtigkeit – kann der Luftfeuchtigkeit:relative, HitzekrämpfeFlüssigkeitsverlust durch Schwitzen leicht 5–10 l/d betragen. Mit dem Schweiß kommt es zu Elektrolytverlusten, insbesondere von Na+, Cl, Mg2+ und Ca2+. Das Trinken von elektrolytarmem Wasser verstärkt den Abfall der extrazellulären IonenkonzentrationenIonenkonzentration:Extrazellulärraum weiter.

Klinik

SymptomeDer Verlust von Na+ und Mg2+ kann Hitzekrämpfe u.a. in der Wadenmuskulatur nach sich ziehen. Gelegentlich betreffen die Krämpfe auch die Abdominalmuskulatur und täuschen dann eine abdominale Notfallsituation vor. Der Verlust von Cl-Ionen begünstigt eine Hypazidität des Magens. Besonders in tropischem Klima begünstigt diese Achylie die Aufnahme von pathogenen Keimen in den Magen-Darm-Trakt. Die tägliche Trinkmenge sollte eine tägliche Urinmenge von 800–1.000 ml/d garantieren.

TherapieDie Behandlung besteht in der Verabreichung von Kochsalz.

Hitzekollaps
Definition und UrsachenHitzekollaps\bKollaps:Hitzekollaps\bDer Hitzekollaps ist wahrscheinlich das häufigste Hitzesyndrom. Dabei handelt es sich um eine hypodyname Kreislaufstörung, die besonders in den ersten Tagen eines Aufenthalts in heißem Klima – insbesondere bei älteren Personen, welche unter einer Diuretikatherapie stehen – auftritt. Diuretika:HitzekollapsAuslöser des Hitzekollapses ist ein Versagen der kardiovaskulären Reaktion auf hohe Umgebungstemperaturen und damit eine Volumenverteilungsstörung im Kreislauf.
PathophysiologieAls Ausdruck des Missverhältnisses zwischen Wärmeproduktion, Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe ist zunächst die Hautdurchblutung durch periphere Vasodilatation gesteigert. Dies Vasodilatation:Hitzekollapserfordert selbst in Ruhe eine Steigerung des Herzminutenvolumens. Durch die periphere Vasodilatation verrringert sich das intrathorakale Volumen, was über eine Phase der orthostatischen Labilität schließlich zum Hitzekollaps führen kann.

MERKE

Anders als beim Hitzschlag (s.u.) ist die Schweißsekretion, HitzekollapsSchweißsekretion intakt, sodass die Haut feucht ist. Auch liegt die Körpertemperatur niedriger (38,5–41 °C), verglichen mit der Körpertemperatur von über 41 °C beim Hitzschlag.

Klinik

SymptomeMögliche Vorboten des Kreislaufkollapses sind Blutdruckabfall, Bradykardie (Schwäche, Schwindel, Müdigkeit), Kopfschmerzen, Appetitlosigkeit, Übelkeit, Erbrechen und ein Drang zur Defäkation. Als weitere Symptome beobachtet man Piloarrektion (Gänsehaut) auf der Brust und an den Oberarmen, Hyperventilation, Muskelkrämpfe und teils auch neuronale Zeichen wie Ataxie und inkohärente Sprache.

LabordiagnostikDie Laboruntersuchungen lassen u.a. eine Hämokonzentration, Hypernatriämie, Hypophosphatämie und Hypoglykämie erkennen.

Hitzschlag
Labordiagnostik:HitzekollapsHyperventilation:HitzekollapsGänsehaut:HitzekollapsBradykardie:HitzekollapsDefinition und UrsachenEineHitzschlag\b länger dauernde Überwärmung über 40 °C führt zum Hitzschlag (Desorientiertheit, Krämpfe, Delirium), bei dem das dabei auftretende Hirnödem u.U. rasch zum Tod führen kann. Der Hitzschlag ist eine lebensbedrohliche Störung der Temperaturregulation, die besonders häufig bei älteren Menschen, die unter chronischen Krankheiten (Arteriosklerose, Herzinsuffizienz, Diabetes mellitus) leiden, in den ersten Tagen einer Hitzewelle auftritt. Ferner sind Hitzschläge nach Gabe von Anticholinergika, die die Schweißproduktion hemmen, unter Diuretikatherapie sowie bei Menschen mit Hautkrankheiten bekannt, bei welchen die Wärmeabgabe erschwert ist (z.B. ektodermale Dysplasie, kongenitales Fehlen der Schweißdrüsen, schwere Sklerodermie). Allerdings können auch junge Menschen nach extremer körperlicher Belastung und fehlender Kopfbedeckung bei starker Sonneneinstrahlung vom Hitzschlag betroffen sein.
PathophysiologieDie Temperaturregulation im Hypothalamus ist gestört, sodass es trotz hoher thermischer Belastung zu einer Vasokonstriktion der peripheren Hautgefäße kommt und die Schweißproduktion sistiert. Patienten mit Hitzschlag weisen daher eine trockene, heiße Haut auf. Pro 1 °C Temperaturerhöhung steigt der Grundumsatz um 7%. Bei 41 °C bedeutet dies eine Grundumsatzsteigerung von annähernd 40%. Häufig ist das Blutvolumen vermindert und der Hämatokrit erhöht. Im pulmonalen Gefäßbett kommt es zu einer Widerstandserhöhung.

Klinik

SymptomeZu den Warnsymptomen eines drohenden Hitzschlags zählen kurzfristig auftretende, heftige Kopfschmerzen, Schwindel, Schwächegefühl, Abdominalbeschwerden, Verwirrung oder Hyperpnoe. Der Blutdruck ist gewöhnlich niedrig. Die Muskeln sind schlaff, und die Sehnenreflexe können vermindert sein. Die Pulsfrequenz ist gesteigert und die Atmung rasch und schwach. Je nach dem Schweregrad liegt eine Lethargie, ein Stupor oder ein Koma vor. Bei tödlich ausgehenden Fällen findet sich häufig ein Schock. Wichtiges Kriterium für das Vorliegen eines Hitzschlags ist die Körperkerntemperatur, die meist über 40,5 °C liegt. Es sind auch Fälle mit bis zu 44,4 °C beschrieben worden. Die Haut ist rot, trocken und heiß.

PrognoseDie Letalität des Hitzschlags liegt bei immerhin 10%. Die Patienten sterben akut innerhalb weniger Stunden nach ihrem Auffinden oder in den folgenden Tagen und Wochen an den Folgen verschiedener Komplikationen, z.B. Nierenversagen, Herzinfarkt oder Bronchopneumonie.

TherapieWird bei Hyperthermie nicht rasch für eine ausreichende Wärmeabfuhr gesorgt, steigt die Temperatur weiter an. Weil die wärmeregulierenden Mechanismen versagen und auch Schwitzen nicht mehr möglich ist, müssen externe Mittel, die der Wärmeabgabe dienen, eingesetzt werden (Eiswasserbad).

„Endogene“ Hyperthermie
Maligne Hyperthermie
UrsachenEine maligne Kopfschmerzen:HitzschlagAtmung:HitzschlagHyperthermie:maligne\bHyperthermie:endogeneHyperthermie tritt bei einigen seltenen vererbten Krankheiten (Familienanamnese wichtig) nach Verabreichung von Inhalationsanästhetika (Halothan, Methoxyfluran, Cyclopropan, Ethyläther) oder Muskelrelaxanzien (Succinylcholin) auf.
PathophysiologieDas auslösende Anästhetikum setzt Ca2+ aus den Membranen des muskulären sarkoplasmatischen Retikulums frei (Abb. 5.11), welches dieses Ion nicht richtig zu speichern vermag. Als Folge kommt es zu einer plötzlichen Zunahme von Ca2+ im Myoplasma. Das Ca2+ aktiviert die Myosin-ATPase, welche ATP zu ADP und Phosphat umwandelt. Bei diesem Prozess wird Wärme freigesetzt, das Troponin gehemmt, die oxidative Troponin:maligne HyperthermiePhosphorylierung entkoppelt, die Phosphorylasekinase aktiviert und die Glykolyse gesteigert.

Klinik

SymptomeDie erhöhten Kalziumkonzentrationen führen zu vermehrter Muskelkontraktion, was die Wärmeproduktion erhöht. Ein Trismus oder eine verminderte Relaxation während der Narkoseeinleitung kann ein erster Hinweis auf eine maligne Hyperthermie sein. Ohne Therapie, welche die zytoplasmatische Ca2+-Konzentration senkt, führt die maligne Hyperthermie rasch zum Tod.

TherapieDie intensivmedizinische Therapie besteht aus Eisbad, Sauerstoffbeatmung, Natriumbikarbonat (schwere metabolische Azidose), Volumenzufuhr zur Aufrechterhaltung der Diurese (Myoglobinämie, Hyperkaliämie) sowie intravenöser Gabe von Dantrolen-Natrium zur Hemmung der Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum.

Malignes Neuroleptika-induziertes Syndrom (MNS)
UrsachenDas Syndrom tritt nach Gabe Syndrom:malignes Neuroleptika-induziertesMNS (malignes Neuroleptika-induziertes Syndrom)potenter Neuroleptika (Haloperidol, Thiothixen, Perphenazin-Phenothiazien) auf. Junge erwachsene Männer sind am häufigsten betroffen. Die Mortalität beträgt 20%.
SymptomeDieses Syndrom ist durch Muskelrigidität, Hyperthermie, eine veränderte Bewusstseinslage und autonome Dysfunktion gekennzeichnet (Tachykardie, labiler Blutdruck, profuses Schwitzen, Dyspnoe, Inkontinenz). Rigidität und Akinesie treten zusammen mit Körpertemperaturen bis 41 °C auf.
Fieber
Ursache
Der Fieberanstieg beruht auf einer Fieberakuten Fieber:UrsacheSollwertverstellung, die durch pyrogene Substanzen ausgelöst wird. Man unterscheidet exogene und endogene Pyrogene. Die exogenen Pyrogene sind Viren, PyrogeneBakterientoxine, Lipopolysaccharide sowie Muramyldipeptide von Bakterienmembranen. Sie stimulieren Granulozyten und Makrophagen zur Freisetzung einer ganzen Reihe von großen hydrophilen Polypeptiden oder Proteinen (Interleukin-1β, IL-6, TNFα, Interferon) ins Blut. Diese Zytokine werden als Zytokine:Fieberendogene Pyrogene bezeichnet. Man geht heute davon aus, dass nicht nur ein einziges Zytokin für die Auslösung von Fieber verantwortlich ist, sondern dass hierzu die gleichzeitige Stimulierung verschiedener Zytokine notwendig ist („Zytokin-Cocktail“). Diese Zytokine müssen, um beim Fieber eine Heraufsetzung des Sollwerts zu erreichen, mit den neuronalen Strukturen der präoptischen Area des vorderen Hypothalamus in Verbindung treten.
Fieberverlauf
Man unterscheidet beim Fieber 3 Phasen (Fieber:VerlaufAbb. 16.15):
  • Fieberanstieg

  • Plateauphase

  • Fieberabfall

MERKE

Fieber folgt meist dem normalen Schwankungsmuster der Körpertemperatur, nur auf einem deutlich höheren Niveau. Daher ist Fieber – ebenso wie die normale Körpertemperatur – am Abend höher (abendliche „Spitzen“) als am Morgen.

FieberanstiegDie Sollwertverstellung bedingt, dass die Fieber:AnstiegKörperkerntemperatur deutlich unter dem Sollwert liegt. DerKörperkerntemperatur:Fieber Körper reagiert in der Phase des Fieberanstiegs also, als ob er einer kalten Umgebung ausgesetzt wäre. Dies führt zu einem gesteigerten Kälteempfinden, einer starken Vasokonstriktion in den Hautgefäßen (Verminderung der Wärmeabgabe) und dem Auftreten von Muskelzittern (Schüttelfrost). Die betroffene Person sieht in dieser SchüttelfrostPhase blass aus, ist an den Akren kühl und in den Regionen, die nahe dem Körperkern liegen (Hals, Stirn), warm bzw. heiß.
PlateauphaseIst der neue Sollwert erreicht, schließt sich Fieber:Plateauphaseje nach Krankheit eine unterschiedlich lange Plateauphase an. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass kein Schwitzen zu beobachten ist. Die periphere Hautdurchblutung liegt in einem mittleren Bereich. Dieses Fehlen gesteigerter Wärmeabgabemechanismen bei einer Kerntemperatur deutlich über der Normaltemperatur unterscheidet das Fieber von der Hyperthermie, z.B. durch körperliche Belastung oder starke Wärmezufuhr von außen. Denn eine entsprechende Erhöhung der Körpertemperatur würde unter den genannten Bedingungen eine deutliche Steigerung der Wärmeabgabemechanismen hervorrufen (Vasodilatation in der Haut, Schwitzen). Wie es dazu kommt, dass die Temperatur beim Fieber auf erhöhtem Niveau bleibt, ist nicht vollständig geklärt. Vielleicht sind die humoralen Zytokine für die Persistenz des Fiebers verantwortlich, wohingegen die über periphere Nerven vermittelten neuronalen Signale in der initialen Phase des Fiebers eine entscheidende Rolle übernehmen können.
FieberabfallBeim Fieberabfall (Entfieberung) wird der Fieber:AbfallSollwert auf das Niveau der EntfieberungNormaltemperatur zurückgestellt. Hierdurch liegt der Sollwert in der Regel deutlich unter der Körpertemperatur, was zu einer gesteigerten Aktivierung der Wärmeabgabemechanismen führt (Schwitzen, gesteigerte Hautdurchblutung). Bei der kritischen Entfieberung kann es aufgrund der raschen Vasodilatation und des dadurch bedingten relativ zu geringen Blutvolumens zu einem febrilen Kreislaufkollaps mit warmer, feuchter Haut, Tachykardie und niedrigem diastolischem Blutdruck kommen.

ZUSAMMENFASSUNG

Wärmegleichgewicht

Der Mensch zählt zu den endothermen Organismen (Säugetiere, Vögel), deren Körpertemperatur (36–40 °C) deutlich über der durchschnittlichen Temperatur ihres Lebensraums liegt. Dieser hohe Temperaturgradient kann nur aufrechterhalten werden, wenn sich Wärmebildung und Wärmeabgabe im Gleichgewicht befinden. Das Wärmegleichgewicht wird ermöglicht durch einen hohen Energieumsatz (Tachymetabolismus), Isolationsschichten zur Verminderung von Wärmeverlusten (subkutanes Unterhautfettgewebe, Behaarung) sowie komplexe Mechanismen der Temperaturregulation (Durchblutungsregulation, Schwitzen). Hierdurch sind endotherme Organismen in der Lage, ihre Körpertemperatur innerhalb eines weiten Bereichs verschiedener Aktivitätszustände und bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen konstant zu halten. Ektotherme Organismen (Reptilien, Fische) hingegen haben einen 3–4-fach niedrigeren Stoffwechsel (Bradymetabolismus) und passen sich weitgehend den Umwelttemperaturen an. Die hohen Körpertemperaturen endothermer Lebewesen ermöglichen eine ganzjährige aktivere Lebensweise – weitgehend unabhängig von den Umweltbedingungen.
Die Temperatur innerhalb des Körpers ist allerdings an verschiedenen Stellen unterschiedlich hoch und hängt von der jeweiligen Stoffwechselaktivität der Organe ab (Wärmebildung). Im Körperkern (Kopf-, Brust-, Bauchhöhle) liegt die Temperatur bei 37 °C, in der Körperschale (Haut, Unterhaut, Extremitäten) ist sie unter Ruhebedingungen niedriger (28–36 °C).
Das Temperaturempfinden ist individuell sehr verschieden. Es wird nicht nur von der Lufttemperatur, sondern auch von der Luftfeuchtigkeit und der Windgeschwindigkeit beeinflusst. Die Temperatur, die in Ruhe weder als zu heiß noch als zu kalt empfunden wird, nennt man Indifferenztemperatur. Unter diesen Bedingungen stehen Wärmebildung und Wärmeabgabe im Gleichgewicht.

Wärmetransport

Für den Wärmetransport vom Körperkern zur Körperschale (innerer Wärmetransport) und von dort an die Umwelt (äußerer Wärmetransport) stehen verschiedene Wärmetransportmechanismen zur Verfügung. Der innere Wärmetransport erfolgt hauptsächlich mit dem Blutkreislauf auf konvektivem Weg (Konvektion = Wärmetransport mithilfe eines bewegten Mediums). Der letzte Abschnitt des inneren Wärmetransports vom vaskularisierten Unterhautgewebe an die Körperoberfläche, in die Alveolen bzw. den Respirationstrakt ist konduktiv (Konduktion = Wärmeleitung auf molekularer Ebene, kein Massentransport). Durch Vasokonstriktion und Vasodilatation, insbesondere in den Extremitäten und Akren, kann der innere Wärmestrom zur Körperschale je nach Bedarf erhöht oder erniedrigt werden. Für den äußeren Wärmetransport stehen neben Konvektion und Konduktion zusätzlich die Evaporation (Verdunstung von Schweiß) und Strahlung (langwellige, infrarote Strahlung) zur Verfügung. Unter Ruhebedingungen und Indifferenztemperatur (27–31 °C) überwiegen die Wärmeverluste durch Strahlung. Bei körperlicher Arbeit und/oder warmen Umgebungsbedingungen ist der Organismus auf eine evaporative Wärmeabgabe angewiesen.

Regelkreis

Physikalische und chemische Prozesse, die Wärmeproduktion oder verlust bewirken, werden im Hypothalamus (präoptische Area) gesteuert, indem die afferenten Informationen mit einem intrinsischen Sollwert verglichen werden. Dieser Sollwert wird im Hypothalamus generiert und zeigt zyklische Veränderungen, u.a. im Tagesverlauf (zirkadian).

Hyperthermie

Eine Hyperthermie (Körperkerntemperatur > 37,5 °C) ist gekennzeichnet durch ein Missverhältnis zwischen Wärmeabgabe und Wärmebildung bzw. Wärmezufuhr von außen auf den Organismus, allerdings ohne dass es zu einer Verschiebung des Sollwerts gekommen ist, wie man dies beim Fieber beobachtet. Bei gesteigertem endogenem Metabolismus (sportliche Ausdauerleistungen) oder externer Wärmezufuhr (Sauna) können Körpertemperaturen bis über 41 °C auftreten. Als Folge können Hitzekrämpfe, Hitzekollaps, Hitzeerschöpfung und ein Hitzschlag auftreten.
Beim Fieber kommt es durch die Vermittlung exogener und endogener Pyrogene zu einer Sollwertverstellung im Hypothalamus. Dies führt während des Fieberanstiegs zu einem Kälteempfinden und einer gesteigerten Wärmebildung (Schüttelfrost). Ist der neue Sollwert erreicht, schließt sich je nach Krankheit eine unterschiedlich lange Plateauphase an. Beim Fieberabfall kommt es zu einer Sollwertverstellung zurück auf das Niveau der Normaltemperatur, was zur Forcierung der Wärmeabgabemechanismen wie Schwitzen und gesteigerte Hautdurchblutung führt.

Hypothermie

Wenn dagegen Wärmeverluste die Wärmeproduktion des Organismus längere Zeit übersteigen, sinkt die Körperkerntemperatur kontinuierlich ab. Eine Unterkühlung (Hypothermie) liegt vor, wenn dieKerntemperatur bei oder unter 35,5 °C liegt. Dieser Wert kann im kalten Wasser (5–10 °C) schon nach 10–20 Minuten unterschritten sein (vgl. Fallbeispiel). Alte Menschen (Stoffwechselreduktion) und Kleinkinder (ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis) sind besonders gefährdet, Hyper- oder Hypothermien zu erleiden.

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