Thermoregulation

Allgemeines

Unter Thermoregulation versteht man in der Biologie die Unabhängigkeit der Körpertemperatur eines Organismus von der Außenwelt. Es lassen sich Thermokonforme (poikilotherme = wechselwarme Tiere) und Thermoregulatoren (homoiotherme = gleichwarme Tiere) unterscheiden. Der Mensch ist ein homoiothermes Wesen, d.h. er versucht seine Körpertemperatur konstant auf ca. 37°C zu halten, unabhängig ob die Außentemperatur niedriger oder höher liegt.

Die Regelkreise

Der Mensch besitzt drei verschiedene Systeme, mit denen seine Körpertemperatur geregelt wird: im Hypothalamus, im Rückenmark und im autonomen sympathischen Nervensystem. Beim Hirntod kommt es zwar zu einem Ausfall des Hypothalamus und damit zum Verlust der zirkadianen Temperaturschwankunen; eine Grobregulation der Körpertemperatur kann aber durch die beiden verbleibenden Systeme aufrechterhalten werden. Hirntote zeigen eine Tendenz zur Poikilothermie, d.h. sie passen ihre Körpertemperatur der Umgebungstemperatur an. Fieber von Hirntoten erfolgt über die infektionsbedingte Sollwertverstellung der spinalen Temperaturregulation, völlig unabhängig vom Hypothalamus.^[1]

Stellglieder bei Homoiothermen

Gegen Unterkühlung

Eine Unterkühlung und im Extremfall Erfrierung wird neben der Lufttemperatur vor allem durch Faktoren wie den Niederschlag (Wirkung von Nässe) und den Wind (siehe Windchill) bedingt.

Durchblutung
Eine Durchblutungsänderung der Haut bedeutet für den Körper keinen nennenswerten Energieaufwand. Die Motorik der Blutgefäße bewirkt ihre Verengung (Vasokonstriktion) oder ihre Erweiterung (Vasodilatation). Die Steuerung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Unter Beteiligung eines Rückenmarkreflexes können Durchblutungsreaktionen ausgelöst werden (nervös). - Der Hypothalamus steht mit Kälte- und Wärmerezeptoren der Haut und mit bluttemperaturregulierenden Zentren in Kontakt und nimmt Einfluss auf das Gefäßsystem.
Kältezittern
Wie bei der normalen Muskelarbeit entsteht auch beim Zittern Wärme. Beim Zittern wird sie zur Wärmeproduktion verwendet. Allerdings ist die Netto-Ausbeute gering, falls der Körper schlecht isoliert ist: Da die Muskulatur mehr durchblutet werden muss, um arbeiten zu können, geht bei Zittern viel Wärme verloren. Die Kerntemperatur steigt erst, wenn die Muskeln warm geworden sind, siehe auch Afterdrop. Für Schiffbrüchige im Wasser gilt daher: Möglichst nicht bewegen.
Braunes Fettgewebe
Diese zitterfreie Wärmeproduktion ist nur bei Lebewesen mit braunem Fettgewebe möglich. Dies findet sich fast ausschließlich bei Säugetieren und hier auch nur bei Säuglingen und bei Arten, die in erwachsenem Zustand nicht schwerer als 10 Kilogramm sind, außerdem noch bei einigen wenigen Vogelarten (Chickadee-Meisen und Kragenhuhn). Das braune Fettgewebe lagert auf bestimmte Gebiete beschränkt: zwischen den Schulterblättern, in der Halsregion und der Thoraxgegend, in Herznähe und entlang der Aorta in der Nähe der Nieren.

Gegenüber dem weißen, normalen Fettgewebe braunes Fettgewebe in mehreren kleinen Tröpfchen gespeichert. Die Zellen enthalten wesentlich mehr Cytoplasma und sehr viel mehr Mitochondrien. Ihre Zellen sind durch marklose Nervenfasern innerviert. Braunes Fett spricht auf Noradrenalin an, weißes Fett auf Adrenalin. Das braune Fettgewebe wird in den Zellen verbrannt (chemische Thermogenese). Das Produkt – nämlich Wärme – wird mit dem Blut abtransportiert.

Akklimatisation
Bei der Akklimatisation finden physiologische Änderungen statt, wenn sich eine langfristige Veränderung des Milieus einstellt. Dies geschieht durch eine enzymatische Reaktion, eine Änderung der Molekularstruktur oder andere Faktoren, die das Verhalten beeinflussen.
Winterschlaf und Winterruhe
Um eines von beiden tun zu können, ist ein System zur Temperaturregulation nötig. Daher kommen Winterschlaf und Winterruhe nur bei Homoiothermen vor – und zwar fast ausschließlich bei Säugetieren. - Bei Poikilothermen nennt man den Zustand Kälte- oder Winterstarre. Diese ist auf die sinkende Umgebungstemperatur zurückzuführen, die ihre Körpertemperatur und damit ihre Stoffwechselrate ebenfalls sinken lässt. Manche Poikilothermen haben die Fähigkeit entwickelt, auch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu überstehen. Der Mehlkäfer kann beispielsweise −17 °C überstehen. Arten aus tropischen Gebieten sterben eher, ein Alligator schon bei Temperaturen knapp über 0 °C.
- Winterschlaf
  Echte Winterschläfer finden sich nur in fünf Ordnungen: bei den Insektenfressern (Igel), bei einigen Nagetieren (Hamster, Murmeltier), bei einem Primaten (Fettschwanzmaki), bei den Fledertieren (Fledermäusen) und den Schildkröten. - Nur wenn die Körpertemperatur um 0,2–5 K absinkt, darf man den Begriff "Winterschläfer" verwenden. Beim Winterschlaf sinkt die Atem- und Herzschlagfrequenz, der Gesamtenergieumsatz wird reduziert und das Tier verfällt in einen stärkeren Starrezustand als im Schlaf.^{[Anm. 1]}
- Winterruhe
  Bei der Winterruhe wird der Stoffwechsel bei weitem nicht so drastisch reduziert wie beim Winterschlaf. Bei Bären etwa sinkt zwar die Herzfrequenz, aber sie erreicht jeden Tag etwa für 30 Minuten einen höheren Wert. Außerdem bringen viele Arten während der Winterruhe ihre Jungen zur Welt, was auf jeden Fall ein geregeltes endokrines System erfordert. Winterruher bewegen sich, während sie ruhen. Die Tiere zehren in dieser Zeit von ihrem weißen Fettgewebe oder betreiben Vorratshaltung.
Wanderung
Bei Tierwanderungen, wozu auch der Vogelzug zählt, handelt es sich um Verhalten. Aber auch Verhalten kann zur Temperaturregulation eingesetzt werden. Die meisten Tierwanderungen geschehen allerdings nicht wegen der schlechten Witterung, sondern wegen der damit verbundenen Nahrungsmittelknappheit.^{[Anm. 2]}
Haare und Fell
Ein Fell besteht aus Haaren und ist neben den Milchdrüsen ein Schlüsselmerkmal der Säugetiere. Haare sind den Reptilienschuppen oder den Vogelfedern homologe Bildungen der Haut. - Für alle nicht in den Tropen lebenden Arten ist der Haarwechsel im Allgemeinen eine temperaturregulatorische Maßnahme: Viele Tiere legen sich in unterschiedlichen Jahreszeiten ein Fell mit anderen wärmedämmenden Eigenschaften als das vorige zu. Ein Winterfell hat in der Regel längere und auch dichter stehende Haare als ein Sommerfell und kann in der kalten Jahreszeit eine dickere ruhende Luftschicht festhalten als im Sommer. Durch Aufrichten der Haare mit Hilfe von Haarmuskeln kann die ruhende Luftschicht noch vergrößert werden. Außerdem sorgen die im Haarmark eingeschlossenen Luftmassen für eine thermische Isolation. Im Wasser lebende Arten nutzen den Effekt, dass Luft ein wesentlich schlechterer Wärmeleiter ist als Wasser. Viele Arten machen ihre Haare wasserabstoßend, indem sie sie mit einem öligen Drüsensekret einreiben.
Verhalten
Tiere können sich auch durch ihr Verhalten vor Unterkühlung schützen, indem sie bewusst warme Orte (z.B. Thermalquellen, sonnige Plätze, von der Sonne erwärmte Steine) aufsuchen. Die tropischen Seidenspinnen (Gattung Nephila) richtet bei morgendlicher Kälte der Tropen sich im 90-Grad-Winkel zur Sonne aus, so dass sie ihre Körpertemperatur um bis zu 7 K erhöhen kann.

Gegen Überhitzung

Starke Überhitzung des Körpers führt zu Schäden am zentralen Nervensystem. Beim Menschen liegt die Schwitzgrenze knapp oberhalb von 30°C. Steigt die Umgebungstemperatur weiter, so kann der Organismus dies so lange ertragen, wie die Maßnahmen gegen Überhitzung ausreichen. Ab einer bestimmten Temperatur ist dies nicht mehr möglich und die Überhitzungsgrenze ist erreicht. Sie ist von der Luftfeuchtigkeit abhängig und wird für den Menschen durch den Hitzeindex quantitativ beschrieben. Bei 30% relativer Luftfeuchtigkeit kann ein Mensch 50°C über Stunden ertragen. Steigt die Luftfeuchtigkeit auf 70%, liegt die erträgliche Höchsttemperatur nur noch bei 40°C. - Wird der Körper überhitzt, kommt es zum Hitzschlag. Dabei sind die Blutgefäße maximal erweitert, die Menge des Blutes reicht nicht mehr, sie zu füllen.

Verdunstungskälte
Schwitzen ist eine Maßnahme, die fast ausschließlich Primaten zur Verfügung steht. Durch das Schwitzen entsteht Verdunstungskälte.^{[Anm. 3]}
Thermische Fenster
Thermische Fenster sind Bereiche mit nur dünnem Fellbewuchs. An diesen Stellen ist die Isolation weniger gut. So hat der Hund beispielsweise thermische Fenster zwischen den Vorderbeinen, am Brustkorb und in der Lendengegend. Je nach Körperhaltung sind diese Fenster geöffnet oder geschlossen.
Verhalten
Verhalten kann ebenfalls gegen Überhitzung helfen. So suchen Tiere Schatten auf, sind nachts aktiv oder führen einen "Sonnenschirm" mit sich, wie es das Afrikanische Borstenhörnchen (Xerus inauris) tut, das seinen Schatten in Form seines buschigen Schwanzes immer dabei hat. Die tropischen Seidenspinnen (Gattung Nephila) richten sich bei starker Sonneneinstrahlung so zur Sonne aus, dass nur der schmale Hinterleib direkt bestrahlt wird. Bei stärker ansteigender Körpertemperatur ziehen sie sich in den Schatten eines selbstgewebten Sonnenschutzes in der Mitte ihres Radnetzes zurück. Viele Wüstentiere wie die Schwarzkäfer graben sich tagsüber im Sand ein, um sich so vor der Sonnenstrahlung zu schützen.