Wärmehaushalt

Die Regulation des Wärmehaushalts, auch Thermoregulation genannt, ist ein lebenswichtiger Prozess, durch den der Körper seine Kerntemperatur innerhalb enger Grenzen hält, um eine optimale Funktion der physiologischen Prozesse zu gewährleisten. Der menschliche Körper verwendet verschiedene Mechanismen zur Wärmeabgabe und -produktion, um auf wechselnde Umgebungstemperaturen zu reagieren.

Zentrale Steuerung:

• Hypothalamus: Bestimmte Gebiete des Hypothalamus erhalten Informationen aus den Temperatursensoren und initiieren entsprechende Reaktionen zur Wärmeerzeugung oder -abgabe

Temperatursensoren:

• Zentrale Temperatursensoren:
  • Hypothalamus: Der Hypothalamus enthält Neuronen, die als zentrale Temperatursensoren fungieren. Sie messen die Temperatur des Blutes, das durch das Gehirn zirkuliert, und detektieren Veränderungen der Kerntemperatur des Körpers
  • Rückenmark, Hirnstamm und Abdomen: Weitere zentrale Sensoren im Rückenmark, im Hirnstamm und im Bereich des Abdomens tragen zur Messung der internen Temperatur bei
• Periphere Temperatursensoren:
  • Haut: Periphere Sensoren befinden sich in der Haut und messen die Umgebungstemperatur. Sie können sowohl Kälte als auch Wärme detektieren und leiten diese Informationen an das Thermoregulationszentrum im Hypothalamus weiter

Die Wärmebildung im Körper, auch als Thermogenese bezeichnet, umfasst verschiedene Mechanismen, durch die der Körper seine Temperatur reguliert und aufrecht erhält.

• Grundumsatz (Basalmetabolische Rate, BMR):
  • Der größte Teil der Wärme wird durch den Grundumsatz erzeugt, also die Energie, die der Körper in Ruhe für grundlegende Funktionen wie Atmung, Blutzirkulation und Zellerneuerung benötigt
• Muskeltätigkeit (einschließlich Zittern):
  • Muskeltätigkeit, von leichter Bewegung bis hin zu intensiver körperlicher Arbeit, produziert Wärme durch erhöhten Energieumsatz
  • Bei Kälteexposition löst der Körper Muskelzittern aus, eine schnelle, unwillkürliche Kontraktion der Muskeln, die zur Wärmeerzeugung dient
  • Muskelzittern ist ein effektiver, aber energetisch kostspieliger Prozess, da er den metabolischen Umsatz und somit den Energieverbrauch erhöht
• Thermische Effekt von Nahrung (Diet-induced Thermogenesis, DIT):
  • Die Verdauung, Absorption und Verarbeitung von Nahrung erfordert Energie und erzeugt dadurch Wärme. Dieser Effekt ist besonders nach dem Konsum proteinreicher Nahrung bemerkbar
• Hormonelle Regulation:
  • Verschiedene Hormone, insbesondere Thyroxin (von der Schilddrüse produziert) und Adrenalin (von den Nebennieren produziert), können den Stoffwechsel erhöhen und somit die Wärmebildung fördern
  • Insbesondere bei Kälteexposition kann das braune Fettgewebe aktiviert werden, das auf die Produktion von Wärme durch den Prozess der non- shivering thermogenesis spezialisiert ist. Braunes Fettgewebe enthält sehr viele Mitochondrien und produziert durch die Oxidation von Fettsäuren Wärme. Es kommt insbesondere bei Neugeborenen und Säuglingen vor, da diese aufgrund ihrer relativ großen Körperoberfläche im Vergleich zu ihrem Körpervolumen ein erhöhtes Risiko für eine Unterkühlung aufweisen und die Mechanismen der Thermoregulation noch nicht vollständig ausgebildet sind
• Chemische Thermogenese:
  • Bestimmte Substanzen können die metabolische Rate erhöhen und somit zur Wärmebildung beitragen. Beispiele sind Koffein und Capsaicin
• Anpassung an Umgebungstemperatur:
  • Akklimatisierung an kalte oder warme Umgebungen kann die Effizienz der Thermogenese und der Schweißproduktion (zur Kühlung) beeinflussen

Der Wärmetransport im Körper sowie die Wärmeabgabe an die Umgebung sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur. Der menschliche Körper nutzt verschiedene Mechanismen, um überschüssige Wärme abzugeben und die Kerntemperatur zu regulieren.

• Konduktion (Wärmeleitung):
  • Übertragung von Wärme durch direkten Kontakt. Beispielsweise gibt der Körper Wärme ab, wenn er in Kontakt mit einem kühleren Objekt kommt (z.B. Sitzen auf einem kühlen Stein)
  • Der Anteil der Konduktion an der gesamten Wärmeabgabe ist gering, es sei denn, der Körper ist in direktem Kontakt mit einem sehr kalten Medium
• Konvektion:
  • Übertragung von Wärme an die umgebende Luft oder Wasser. Bewegt sich die um den Körper erwärmte Luft weg und wird durch kältere Luft ersetzt, wird Wärme vom Körper abgeführt
  • Konvektion wird durch Wind oder Wasserbewegung sowie größere Temperaturunterschiede zwischen dem Körper und der Luft bzw. dem Wasser beschleunigt, was erklärt, warum ein Luftzug oder kaltes Wasser die Abkühlung verstärkt
• Wärmestrahlung:
  • Der Körper gibt kontinuierlich Wärme in Form von infraroter Strahlung ab, außer wenn er von Materialien oder Umgebungen umgeben ist, die wärmer sind als er selbst
  • Wärmestrahlung ist der Hauptmechanismus der Wärmeabgabe, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Körpertemperatur
• Verdunstung:
  • In Reaktion auf hohe Umgebungstemperaturen oder erhöhte Körpertemperaturen durch körperliche Aktivität aktiviert der Sympathikus über cholinerge Fasern die Schweißdrüsen
  • Umwandlung von Schweiß auf der Haut oder Feuchtigkeit in den Atemwegen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Diese Verdunstung kann eine erhebliche Menge an Wärmeenergie verbrauchen und so zu einer Kühlung führen
  • Effektivität hängt von der relativen Feuchtigkeit der Umgebung ab; bei hoher Feuchtigkeit ist die Verdunstung weniger effektiv. Eine Luftzirkulation kann die Effektivität steigern, indem feuchte Luft wegtransportiert und trockene Luft, die Flüssigkeit aufnehmen kann, zur Haut hin transportiert wird
  • Dieser Mechanismus ist besonders wichtig bei hohen Umgebungstemperaturen oder während körperlicher Anstrengung, wenn andere Mechanismen der Wärmeabgabe weniger effektiv sind

Die Temperaturregulation über die Hautdurchblutung ist ein wesentlicher Mechanismus des menschlichen Körpers, um die Kerntemperatur innerhalb eines optimalen Bereichs zu halten. Die Haut spielt dabei eine zentrale Rolle, da sie die Schnittstelle zwischen dem Körper und seiner Umgebung darstellt. 

• Vasodilatation:
  • Bei Erhöhung der Körpertemperatur (z.B. durch körperliche Aktivität oder hohe Umgebungstemperaturen) erweitern sich die Blutgefäße in der Haut (Vasodilatation), um die Durchblutung zu erhöhen
  • Die verstärkte Durchblutung ermöglicht einen effizienteren Wärmeaustausch mit der Umgebung 
    durch Konvektion, infrarote Strahlung und Verdunstung, was zu einer Abkühlung des Körpers führt
• Mechanismen:
  • Sympathikus ↓ → Abnahme der konstriktorischen Innervation der Hautgefäße über α-adrenerge Nerven → Vasodilatation
  • Freisetzung vasodilatierender Stoffe wie Bradykinin
• Vasokonstriktion:

• Bei niedrigen Temperaturen ziehen sich die Blutgefäße in der Haut zusammen (Vasokonstriktion), was die Durchblutung verringert und somit die Wärmeabgabe an die Umgebung reduziert
• Diese Verringerung der Hautdurchblutung hilft, die Wärme im Körperkern zu bewahren und eine Unterkühlung zu verhindern
• Mechanismus:
  • Sympathikus ↑ → Aktivierung glatter Gefäßmuskulatur über Noradrenalin (α1-Rezeptoren) → Vasokonstriktion
• Arteriovenöse Anastomosen (AVA):
  • AVAs ermöglichen es, dass Blut direkt von Arterien zu Venen fließen kann, was eine umgehende Anpassung der Blutmenge erlaubt, die durch die Haut zirkuliert
  • Diese direkte Verbindung hilft, die Kerntemperatur des Körpers effizient zu regulieren, indem sie je nach Bedarf die Wärmeabgabe an die Umgebung erhöht oder verringert
  • Bei warmen Umgebungsbedingungen erweitern sich die AVAs (Vasodilatation), was einen erhöhten Blutfluss durch die Haut ermöglicht. Diese verstärkte Durchblutung führt zu einer erhöhten Wärmeabgabe von der Haut an die Umgebung, da das wärmere Blut aus dem Körperinneren nahe an die Körperoberfläche gebracht wird
  • Bei kalten Umgebungsbedingungen verengen sich die AVAs (Vasokonstriktion), was den Blutfluss durch die Haut reduziert. Dies verringert die Wärmeabgabe an die Umgebung, indem es das warme Blut im Körperinneren behält und die Körperoberfläche kühler wird, was den Wärmeverlust minimiert
  • Ähnlich zu diesem Mechanismus erfolgt die sogenannte Zentralisierung des Blutes im Rahmen eines Schocks (z.B. durch einen Blutverlust). Bei dieser wird das Blut aus der Peripherie auf die lebenswichtigen Organe umverteilt

Das Gegenstromprinzip von Arterien und Venen ist ein effizienter Mechanismus der Thermoregulation, insbesondere in Extremitäten. Es ermöglicht dem Körper, die Wärme effizient zu verteilen und zu bewahren.

• Gegenläufige Anordnung: Arterien, die warmes Blut vom Herzen wegtransportieren, und Venen, die kühleres Blut zum Herzen zurückführen, liegen eng beieinander. Durch diese Nähe können Wärmeaustauschprozesse stattfinden
• Wärmeübertragung: Während das warme Blut durch die Arterien fließt, wird Wärme an das kühlere, in den Venen zurückfließende Blut übertragen. Dies reduziert den Wärmeverlust an die Umgebung, insbesondere in kalten Umgebungsbedingungen
• Effizienz in der Temperaturregulation:
  • Wärmebewahrung in der Kälte: In kalter Umgebung hilft das Gegenstromprinzip, die Körperwärme zu bewahren, indem es verhindert, dass zu viel Wärme über die Extremitäten verloren geht. Die Gefäße werden eng gestellt und der Wärmeaustausch dadurch verbessert
  • Wärmeabgabe in der Wärme: In warmer Umgebung kann der Prozess umgekehrt ablaufen, um die Wärmeabgabe zu erleichtern. Es wird der Blutfluss in den Extremitäten erhöht, was eine effizientere Wärmeabgabe an die Umgebung ermöglicht. Dies geschieht durch Weitstellung der Gefäße, wodurch der Wärmeaustausch zwischen den Gefäßen verringert wird

Lewis-Reaktion: Die Lewis-Reaktion beschreibt eine zyklische Reaktion der Blutgefäße in der Haut auf Kälteexposition. Sie besteht aus abwechselnder

Vasokonstriktion und Vasodilatation der Blutgefäße in den Extremitäten. Dieser Mechanismus dient dazu, Frostschäden zu vermeiden und gleichzeitig eine gewisse Wärmeregulation aufrechtzuerhalten. Bei Kälte verengen sich zunächst die Blutgefäße (Vasokonstriktion), um den Wärmeverlust zu minimieren und die Körperkerntemperatur zu schützen. Nach einer gewissen Zeit öffnen sich die Gefäße wieder kurzzeitig (Vasodilatation), um die betroffenen Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen und Schäden durch zu lange anhaltende Kälteexposition zu verhindern. Diese Abfolge wiederholt sich zyklisch bei anhaltender Kälteexposition.

Fieber tritt meist als Antwort auf Infektionen durch Pathogene wie Viren,
Bakterien oder andere Mikroorganismen auf. Es handelt sich dabei um eine
Erhöhung der Körpertemperatur über den normalen Bereich hinaus. Von Fieber spricht man ab einer sublingual gemessenen Körpertemperatur von über 37,5°C oder ab einer rektal gemessenen Körpertemperatur von über 38°C. Die Erhöhung der Körpertemperatur wird durch das Zusammenspiel verschiedener Prozesse und Signalkaskaden gesteuert. Die wesentlichen Aspekte der Fieberentstehung umfassen:

• Pyrogene: Die Fieberreaktion wird durch Substanzen ausgelöst, die als Pyrogene bekannt sind. Es gibt exogene Pyrogene, wie Toxine von Bakterien, und endogene Pyrogene, wie Zytokine (z.B. Interleukin-1, Interleukin-6, Tumor-Nekrose-Faktor alpha), die von aktivierten Immunzellen freigesetzt werden
• Hypothalamus als Thermostat: Der Hypothalamus im Gehirn fungiert als das zentrale Thermostat des Körpers. Pyrogene bewirken eine „Verstellung dieses Thermostats“ auf eine höhere Solltemperatur. Dies wird teilweise durch die Produktion von Prostaglandin E2 (PGE2) vermittelt. Die Produktion von Prostaglandin E2 kann durch körpereigene Zytokine und bakterielle Pyrogene über eine Aktivierung der Cyclooxygenase gefördert werden
• Körperliche Anpassungsreaktionen: Um die neue, höhere Solltemperatur zu erreichen, initiiert der Körper mehrere zuvor dargestellte Mechanismen zur Thermogenese