Physiologische und pathologische Bedeutung der Temperatur
Beim Menschen und allen warmblütigen Tieren fungiert die Körpertemperatur als eine der wichtigsten plastischen Konstanten. Das Wesen dieses Konzepts besteht darin, dass es dem Organismus gestattet ist, vom optimalen Temperaturniveau abzuweichen, jedoch streng für einen bestimmten Zeitraum.
Die physiologische Bedeutung dieses Parameters ist enorm: Er gibt das optimale Niveau der Lebenstätigkeit vor, welches seinerseits fundamental durch die Prozesse des Gewebestoffwechsels bedingt ist.
Je nach den aktuellen Werten werden drei Hauptzustände unterschieden:
- Normothermie — die optimale Temperatur, bei der alle Stoffwechselprozesse maximal effizient ablaufen.
- Hypothermie — das Absinken der Körpertemperatur unter die physiologische Norm.
- Hyperthermie — der Anstieg der Temperaturwerte.
Aus pathophysiologischer Sicht führt ein lang anhaltender Aufenthalt sowohl im Zustand der Hypothermie als auch der Hyperthermie zu einer erheblichen Störung der normalen Lebensprozesse.
Homöothermie: Konstanz unabhängig von der Umwelt
Homöothermie (von griech. homoios — gleich) ist die Fähigkeit höherer Tiere und des Menschen, die Körpertemperatur in strengen optimalen Grenzen aufrechtzuerhalten, unabhängig davon, wie kalt oder heiß es in der Umgebung ist. Organismen mit diesem Regulationstyp werden auch als gleichwarm bezeichnet.
Der erwachsene Mensch passt sich erfolgreich an Veränderungen der Außentemperatur an, indem er zwei entgegengesetzte Prozesse ausbalanciert:
- Veränderungen der Wärmebildung (Wärmeproduktion im Gewebe).
- Veränderungen der Wärmeabgabe (Wärmeverlust an die Umwelt).
Ein wichtiges Merkmal der Homöothermie beim Menschen ist ihre schrittweise Reifung im Laufe der Ontogenese. Die Regulationsmechanismen bilden sich erst einige Monate nach der Geburt aus. Genau deshalb ist ein neugeborenes Baby völlig unfähig, den Wärmehaushalt selbstständig aufrechtzuerhalten, und kann ohne äußere Wärmezufuhr bei Auskühlung sterben.
Poikilothermie und Heterothermie
Ein evolutionär älterer Typ ist die Poikilothermie (von griech. poikilos — verschieden). Dies ist die völlige Unfähigkeit, eine konstante Körpertemperatur aufrechtzuerhalten: Sie hängt direkt von den äußeren Bedingungen ab. Zu solchen Tieren (wechselwarmen) gehören Amphibien und Reptilien.
Bei Abkühlung der Umwelt sinkt ihre Temperatur ab, und ein zielgerichtetes Verhalten in der äußeren Umgebung hört auf — die Tiere erstarren buchstäblich. Um anhaltende Kälteperioden zu überstehen, verfallen sie in Zustände des Hypobiotikums und der Anabiose, die durch einen drastischen Abfall der Stoffwechselintensität gekennzeichnet sind. Sobald sich die Umwelt erwärmt, stellen sich Funktionen und Verhalten in vollem Umfang wieder her.
Ein Glied dazwischen bildet die Heterothermie (von griech. heteros — wechselhaft). Dies ist eine fakultative (unbeständige) Homöo- und Poikilothermie.
- Fledermäuse: zeigen im aktiven Flug Homöothermie und gehen während der Ruhephase (beim vertikalen Hängen) in einen poikilothermen Zustand über.
- Winterschläfer (Bären, Ziesel): werden für die Dauer des langen Winterschlafs poikilotherm.
Der biologische Sinn der Heterothermie ist die totale Einsparung von Energiereserven in Ruhe. Die Hauptüberlebensbedingung ist, dass die Temperaturabsenkung nicht zum Gefrieren von Wasser im Organismus führen darf. Zum Schutz vor kritischen Fröschen nutzen diese Tiere aktiv Unterschlüpfe (Bauten, Höhlen, Grotten).
Evolutionärer Aspekt der Thermoregulation
Das Aufkommen einer vollwertigen Homöothermie war ein kolossaler Schritt in der Evolution der Tierwelt. Der Übergang zur stabilen Temperaturaufrechterhaltung ist untrennbar mit der Ausbildung eines komplexen, zielgerichteten Verhaltens verbunden.
Der Zusammenhang hierbei ist direkt: Eine stabil hohe Körpertemperatur ermöglicht es, eine hohe Stoffwechselintensität aufrechtzuerhalten. Im Gegenzug sorgt ein schneller Stoffwechsel für eine hohe Geschwindigkeit motorischer Reaktionen. Genau diese Kaskade von Veränderungen erwies sich als kritisch für ein erfolgreiches Nahrungserwerbsverhalten und das Überleben unter den sich verändernden Bedingungen des Planeten.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Wo befindet sich das Hauptzentrum der Thermoregulation beim Menschen?
Das Hauptzentrum der Thermoregulation beim Menschen liegt im Hypothalamus. Die übergeordneten Zentren der Thermoregulation befinden sich in der hypothalamischen Region und halten die Konstanz der Körpertemperatur aufrecht.
- Vorderer Hypothalamus — ist überwiegend für die Wärmeabgabe zuständig.
- Hinterer Hypothalamus — ist überwiegend für die Wärmebildung zuständig.
Humorales Bindeglied: Der Hypothalamus wirkt auf endokrine Drüsen ein, deren Hormone den Stoffwechsel modulieren.
Auf welchen physikalischen Wegen erfolgt die Wärmeabgabe an die Umwelt?
Die Wärmeabgabe an die Umwelt erfolgt über mehrere wesentliche physikalische Wege.
- Wärmeleitung (Konduktion) — Übertragung von Energie von schwingenden Molekülen eines erwärmten Körpers auf Moleküle der Umgebung bei direktem Zusammenstoß.
- Evaporation — Wärmeverlust durch den Aufwand thermischer Energie für den Phasenwechsel von Flüssigkeit in Dampf von der Oberfläche der Haut und der Schleimhäute der oberen Atemwege.
- Konvektion — Bewegung von Umgebungsvolumina (Luft oder Wasser) um den Körper herum.
- Wärmestrahlung (Radiation) — Abgabe von Wärme an die Umgebung durch Strahlung.
Worin besteht der Unterschied zwischen kontraktilem und nicht-kontraktilem Thermogenese?
Der Unterschied liegt in den Mechanismen der Wärmeproduktion: Die kontraktile Thermogenese ist mit Muskelzittern und tonischer Muskelanspannung verbunden, während die nicht-kontraktile mit der Aktivierung exothermer Stoffwechselreaktionen und der Entkopplung von Atmung und Phosphorylierung zusammenhängt.
| Merkmal | Kontraktile Thermogenese | Nicht-kontraktile Thermogenese |
|---|---|---|
| Mechanismus | Muskelzittern; übermäßige tonische Muskelanspannung; bei der Muskelkontraktion findet eine ATP-Hydrolyse statt | Aktivierung exothermer Stoffwechselreaktionen; Entkopplung von Atmung und Phosphorylierung |
| Energie | Da keine mechanische Arbeit verrichtet wird, wird ein beträchtlicher Teil der ATP-Energie als Primärwärme abgestrahlt | Die Energie des Protonengradienten wird nicht für die ATP-Synthese verwendet, sondern als Wärme abgegeben |
| Genannte Gewebe/Strukturen | Muskeln | Braunes Fettgewebe, Leber |
Welche Arten von Thermorezeptoren sind an der Wahrnehmung von Temperaturveränderungen beteiligt?
An der Wahrnehmung von Temperaturveränderungen sind Kälte- und Warmrezeptoren der Haut beteiligt.
- Kälterezeptoren — liegen oberflächlich (in ca. 0,17 mm Tiefe), sind aktiv im Bereich von ~10 °C bis 40 °C mit einem Aktivitätsgipfel bei 25–28 °C.
- Warmrezeptoren — liegen tiefer (ca. 0,3 mm), funktionieren im Bereich von ~30 °C bis ~48 °C mit einem Entladungsmaximum bei 42–44 °C.
Bei einer raschen Änderung der Hauttemperatur kann ihre Impulsfrequenz kurzzeitig auf bis zu 100 Imp/s ansteigen.
Begriffe lassen sich leicht über griechische Wurzeln merken: homöo- — „gleich“ (stets eine Temperatur), poikilo- — „verschieden“ (ändert sich mit der Umwelt), hetero- — „wechselhaft“ (kombiniert beide Varianten).
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Was bedeutet der Begriff „plastische Konstante“ in Bezug auf die Temperatur?
Das bedeutet, dass die Körpertemperatur keine starre, feste Zahl ist. Der Organismus lässt eine Abweichung vom Optimum für einen bestimmten Zeitraum zu, um sich an die Bedingungen anzupassen, und ist bestrebt, sie danach wieder auf den Normwert zurückzuführen.
Warum ist die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur evolutionär so wichtig?
Eine hohe und stabile Temperatur gewährleistet einen intensiven Zellstoffwechsel. Dies ist für schnelle motorische Reaktionen erforderlich, was für ein zielgerichtetes nahrungssuchendes Verhalten von entscheidender Bedeutung ist.
Wie überleben poikilotherme Tiere eine starke Abkühlung?
Sie verfallen in Zustände des Hypobiosis oder Anabiosis – eine drastische Verringerung der Stoffwechselintensität. Bei Erwärmung regenerieren sich ihr Stoffwechsel und ihre motorische Aktivität vollständig.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Mechanismen der Wärmeproduktion und Wege der Wärmeabgabe im menschlichen Körper
- Pathophysiologie der Entwicklung von Hyperthermie und Hypothermie
- Physiologische Grundlagen von Hypobiose und Anabiose
- Ausbildung der Thermoregulationsmechanismen in der Ontogenese von Neugeborenen
- Nervöse und humorale Regulation des Wärmehaushalts
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