Wärmehaushalt und Temperaturregulation Alexander Stahn Zentrum für Weltraummedizin Berlin Institut für Physiologie Charité Universitätsmedizin Berlin

Thermoregulation|Einführung Scott Laio US Open 2010 31 degrees, 72% humidity on the day he collapsed during a routine training session University of Florida freshman fullback 6’2”, 250 pounds Eraste Autin Core temp > 42 degrees

Thermoregulation|Einführung Deutschland 2010 Hitzewelle 2003 > 35.000 Hitzetote in Europa

Thermoregulation |Einleitung Definition Unter Thermoregulation versteht man in der Biologie die mehr oder weniger große Unabhängigkeit der Körpertemperatur eines Organismus von der Außenwelt. Homiotherm - Poikilotherm Endotherm - Ektotherm

Thermoregulation |Einleitung Homiotherm Poikilotherm Konstante Körpertemperatur Enge Grenzen Kaum Toleranz für Abweichungen Anpassung an Umgebungstemperatur Über weiten Temperaturbereich lebensfähig Endotherm - Ektotherm

Thermoregulation |Einleitung Sinn

Thermoregulation |Wärmegleichgewicht Neutralzone Bereich der Umgebungstemperatur, in dem allein durch Hautdurchblutung eine ausgeglichene Wärmebilanz erzielt werden kann. - Temperatur bei 25 °C bis 30 °C (50% Luftfeuchtigkeit, Windstille) Temperatur- bereiche - Luftfeuchtigkeit (rel. Luftfeuchte %) - Luftdruck - Windgeschwindigkeit - Strahlung - Bekleidung - Oberflächen-Volumen-Verhältnis

Thermoregulation | Wärmegleichgewicht Organismus bzw. Körperteil A/V [cm–1] Gesamt Teil 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 Temperatur- bereiche

Thermoregulation | Wärmegleichgewicht Indifferenztemperatur Bereich, 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. Temperatur- bereiche

Thermoregulation | Wärmegleichgewicht Maßeinheit für den thermischen Widerstand: 1 clo = 0,155 °C x m2 x s x J–1 Temperatur- bereiche

Verhältnisse nicht konstant! Thermoregulation | Wärmegleichgewicht Schale Kern Variation in Extremitäten, Haut und darunterliegenden Schichten (poikilo- Therm) Sinkt mit Entfernung vom Kern Zwiebelschalenförmig (Isothermen) Wärmeisolation & Wärmeaustausch mit der Umwelt Gewebetemperaturen überwiegend ca. 37 °C (homiotherm) Stoffwechselaktive Organe wie Herz, Herz, Gehirn, und Leber > 37,5 °C: Hyperthermie < 35,5 °C Hypothermie Verhältnisse nicht konstant!

Thermoregulation | Wärmegleichgewicht Temperatur- bereiche Isothermen des ruhenden, unbekleideten Menschen

Thermoregulation |Regulationssystem Regelsystem Und -kreis

Thermoregulation |Regulationsmechanismen Wärmebildung

Thermoregulation | Regulationsmechanismen - Muskelanspannung - Arbeit - Kältezittern Wärmebildung Sinkt die Lufttemperatur unter 27 °C und fällt hierdurch die mittlere Hauttemperatur unter 32 °C, kommt es – vermittelt über Kaltrezeptoren in der Haut (Kap. 15.2.1) – 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). Kältezittern Reichen diese Mechanismen nicht aus und sinkt die Körperkerntemperatur dennoch weiter ab, wird beim Erwachsenen unwillkürliches Kältezittern zur Wärmebildung eingeleitet. 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 Rückmark 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. Merke Durch das Kältezittern kann der Energieumsatz, 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. Der in der Abbildung auffallend große Streubereich des Energieumsatzes bei Kälteexposition könnte durch ein unterschiedlich dickes subkutanes Fettgewebe der Versuchspersonen erklärt werden (Fett als Isolator).

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmebildung Zitterfreie Wärmebildung Viele kleine Säugetiere (< 10 kg), insbesondere Winterschläfer (Hibernatoren), aber auch das menschliche Neugeborene, verfügen über ein spezielles Organ, dessen Hauptaufgabe darin besteht, zitterfrei Wärme zu erzeugen: das braune Fettgewebe. Obwohl dieses Organ selten mehr als 1–2% der Körpermasse ausmacht, kann es bei Tieren bei Kälteexposition mehr als 30% zur Gesamtwärmeproduktion beitragen und erhält dann als reich vaskularisiertes Gewebe bis zu 20% des Herzminutenvolumens (!). Das braune Fettgewebe befindet sich überwiegend unter dem Schulterblatt, an Hals, Nacken und um die Nieren. Während des postnatalen Wachstums wird es beim Menschen fortschreitend in das energetisch viel unwirksamere weiße Fettgewebe umgewandelt. Die Adipozyten des braunen Fettgewebes sind dicht mit sympathischen Fasern innerviert. Bei Kältebelastung wird vermehrt Noradrenalin ausgeschüttet und bindet in erster Linie an beta-adrenerge Rezeptoren der Plasmamembran. Diese Bindung setzt intrazellulär eine Signaltransduktion in Gang, die zu einer Hydrolyse gespeicherter Lipide führt. Hierdurch werden den Mitochondrien vermehrt freie Fettsäuren zur Energiegewinnung zur Verfügung gestellt, und die Oxidationsrate der freien Fettsäuren wird gesteigert. Die im Mitochondrium ablaufenden Oxidationsprozesse und somit auch die Wärmebildung sind normalerweise eng mit der ATP-Synthese in der Zelle verknüpft. Hierzu ist ein Rücktransport von Protonen, die die innere Mitochondrienmembran im Oxidationsprozess verlassen hatten, erforderlich. Im aktivierten braunen Fettgewebe gelangen diese Protonen durch „uncoupling proteins“ (UCP) in die Mitochondrienmatrix. Hierdurch kann der Umsatz an Protonen im Mitochondrium gesteigert werden, was beschleunigte Oxidationsprozesse und damit eine gesteigerte Wärmebildung ermöglicht. Außerdem wird dadurch gewährleistet, dass die Protonen in der Oxidation nicht zur ATP-, sondern allein zur Wärmebildung genutzt werden. Dies erklärt den hohen Anteil der Wärmebildung des braunen Fettgewebes bei Kälteexposition. 50 Gramm des kalorienverbrennenden Gewebes, damit etwa 100 bis 200 Kilokalorien pro Tag verbrennen kann. Über ein Jahr summiert, könnte das braune Fett also acht Kilo Körperspeck abbauen.

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Der Wärmeaustausch zwischen 2 Objekten ist proportional zur Differenz ihrer Temperaturen. Wärmetransfer vom Körperkern zur Körperschale = innerer Wärmetransport Systemisch und lokal Wärmeatransport Gegenstromprinzip Organismus bzw. Körperteil A/V [cm–1] Gesamt Teil Mensch Erwachsener 0,2 Rumpf 0,1 Hand 1,0 Finger 2,2

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmetransfer vom Körperkern zur Körperschale = innerer Wärmetransport Wärmetransfer von der Körperoberfläche an die Umgebung = äußerer Wärmetransport Wärmeatransport Mensch A/V [cm–1] Rumpf 0,1 Hand 1,0 Finger 2,2

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

A flame on Earth (top) and under micro-g conditions (below)

Convective heat transport under terrestrial (left) and micro-g conditions (right) Veränderungen nach 120 Tagen im All Veränderungen nach 120 Tagen im All

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Anforderungen an die Bekleidung Grenzzone (4-8 mm) Materialeigenschaften: Schichtdicke und Anzahl der Schichten Dichte des Gewebes, natürliche und künstliche Fasern Hygroskopische Eigenschaften der Materialien Wind-, Gas-, und Feuchtigkeitspermeabilität mechanische Stabilität Farbstabilität Thermische Leitfähigkeit der Materialien

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Bekleidung in der Arktis

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Passiv – Perspiratio insesnisbilits (extraglandulär) Aktiv – sensibilis (glandulär) Schweißdrüsen pro cm2 Rücken ca. 55 Brust 155–250 Fußsohle 350–400 Handinnenfläche 375–425 Ellenbeuge bis zu 751 Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport

Thermoregulation | Regulationsmechanismen Wärmeatransport Überlebenszeit des Menschen in Wasser Wassertemperatur [°C] Überlebenszeit [min] unbekleidet bekleidet 12 > 12 5 20–30 40–60 10 60 220 15 90–120 240–300 20 900 > 900

Thermoregulation |Regulationsmechanismen Akklimatisation Und Adaptation

Thermoregulation |Regulationssystem Akklimatisation Und Adaptation

Thermoregulation |Regulationssystem Akklimatisation Und Adaptation

Thermoregulation |Regulationssystem Akklimatisation Und Adaptation

Thermoregulation |Regulationssystem Regelsystem Und -kreis

Thermoregulation | Wärmegleichgewicht Temperatur- bereiche