Thermoregulation des menschlichen Körpers bei Wärme


Hierzulande (in D-Land) beginnt die Triathlonsaison im Mai und endet mehr oder weniger im September. Auch wenn wir uns in einer gemäßigten Klimazone befinden, sind sommerliche Tagestemperaturen über 30°C keine Seltenheit. Während beim Schwimmen das Nass dann als angenehm empfunden wird (nur die schlechteren Schwimmer bangen vor Wassertemperaturen ab 22°C und Neoprenverbot) und das Radfahren noch Fahrtwind zur Abkühlung bietet, werden die hohen Temperaturen spätestens beim Laufen zu einer Herausforderung. Wer sich nicht rechtzeitig akklimatisiert, d.h. auf einen Hitzelauf vorbereitet hat, wird mit zeitlichen Einbußen, d.h. einer schlechteren Laufleistung zu rechnen haben.

Der menschliche Körper ist ein effizienter Organismus und verfügt über einige regulative Mechanismen, um deinen Körper vor Überhitzung zu schützen. Was diese Mechanismen sind und wie sie funktionieren, erklärt dir der nachfolgende Beitrag.

Wärmeproduktion und Wärmeabgabe

Die Wärmeproduktion hängt vom Energieumsatz ab, d.h. deine körperliche Aktivität bildet Wärme. Bei steigenden Außentemperaturen kommt es bereits infolge zunehmender Kreislauf- und Atemarbeit zu einer erhöhten Metabolismusrate und damit zu vermehrter Wärmebildung. Je höher dabei deine Belastungsintensität ist, desto größer ist die Wärmebildung. Die Wärme wird über die Haut und die Schleimhäute der Atemwege an die Umgebung abgegeben.

Folgende exogene Faktoren beeinflussen die Wärmeabgabe:

+ Lufttemperatur – über 33°C wird die Wärmeabstrahlung behindert
+ Luftbewegung – gering beim Laufen in einer großen Gruppe
+ Windgeschwindigkeit
+ relative Luftfeuchtigkeit – bei trockener Umgebungsluft kann Schweiß leichter verdunsten und die Körperoberfläche kühlen
+ Sonneneinstrahlung – auf nackte Haut erhöht die Hauttemperatur
+ Art der Bekleidung

Die Haut und im besonderen die Hauttemperatur spielen eine wichtige Rolle bei der Wärmeabgabe. Desgleichen die (Haut-)Durchblutung und die Körperoberfläche sprich: Körpergröße.

Die im Körperinneren gebildete Wärme wird vom Blutstrom aufgenommen und zur Körperoberfläche transportiert. Dieser innere Wärmestrom ist nur möglich, wenn die Temperatur der Haut geringer ist als die des Körperkerns.

Messorte der Körperkerntemperatur

+ axillär (unter der Axel)
+ sublingual (unter der Zunge)
+ oesophageal (in der Speiseröhre)
+ rektal (im After)

Temperaturzonen im menschlichen Körper

„Die Körpertemperatur“ gibt es nicht. Wird an unterschiedlichen Stellen gemessen, ergeben sich unterschiedliche Temperaturen. Selbst zu unterschiedlichen Tageszeiten werden an der gleichen Stelle unterschiedliche Temperaturen gemessen (zirkidiane Temperaturschwankungen). Die Temperatur der nicht zum Körperkern gehörenden Körperteile hängt stark von der Außentemperatur, der Durchblutung und der Muskelaktivität ab.

Als Körperkern werden hauptsächlich das Innere des Rumpfes und des Kopfes bezeichnet. Dort befinden sich innere Organe mit hohem Engerieumsatz und Wärmeproduktion (Herz, Leber, Nieren und Gehirn). Ihre Masse macht nur 8% der Körpermasse aus. Ihr Anteil am Energieumsatz in Ruhe beträgt jedoch mehr als 70%.

Als Körperschale werden überwiegend die Haut und die Extremitäten (Arme, Beine) bezeichnet. Ihr Anteil an der Körpermasse beträgt ca. 52%, aber ihr Anteil am Energieumsatz in Ruhe beträgt nur 18%. Die Körperschalentemperatur nähert sich von innen nach außen der Umgebungstemperatur. Die Körperschale ist kein festumrissenes Gebiet. Ihre Ausdehnung ist abhängig von der Außentemperatur (Verschiebung von Isothermen).

Bei körperlicher Aktivität entsteht wiederum mehr Wärme in der Körperschale als im Körperkern.

Bei „normalen“ Außentemperaturen liegt zwischen Körperkern und Körperschale ein durchschnittlicher Temperaturunterschied von ca. 3-6°C vor.

Körperkerntemperatur

Die menschlichen Lebensvorgänge (physikalische, chemische und enzymatische Stoffwechselreaktionen des Organismus) benötigen eine relativ konstante Körperkerntemperatur von ca. 37°C. Ab einer Körperkerntemperatur von 39°C nimmt die mentale und physische Leistungsfähigkeit ab. Ab 40°C besteht die Gefahr eines Hitzeschadens. Ab 41°C besteht akute Lebensgefahr. Abweichungen von +/- 4°C bedeuten somit Lebensgefahr. Extreme Körperkerntemperaturen führen zum Zelltod, d.h. bei +45°C gerinnt das Eiweiß in den Zellen.

Der Mensch kann glücklicherweise seine Körperkerntemperatur unabhängig von der Außentemperatur weitgehend konstant halten. Deshalb wird er als homoiotherm (auch homöotherm = gleichwarm) bezeichnet, im Gegensatz zu wechselwarmen (poikilotherme) Lebewesen, deren Körperkerntemperatur mit der Umgebungstemperatur schwankt. Diese gleichmäßig hohe Betriebstemperatur garantiert eine gleichmäßig hohe Aktivität. Die Körperkerntemperatur weist leichte tagesperiodische Schwankungen auf. Die Mittelwerte der Körperkerntemperatur sind bei Männern und Frauen gleich (abgesehen vom Zeitpunkt der Ovulation, in welchem die Körperkerntemperatur von Frauen um ca. 0,5°C ansteigt und bis zur nächsten Menstruation bestehen bleibt, und krankhafterweise bei Fieber).

Temperaturregelzentrum

Die Temperatur wird nicht von einer einzelnen Region des Nervensystems geregelt, sonern es existieren hierarchisch aufgebaute Strukturen: Bereits das Rückenmark und der Hirnstamm nehmen Veränderungen in der Körpertemperatur wahr und greifen grob regelnd ein. Die präzise Temperaturregelung des menschlichen Körpers erfolgt im in einem Teil des Zwischenhirns, dem präoptischen Hypothalamus (mit Thermoenterorezeptoren), in dem die Temperatur des durchfließenden Blutes gemessen wird. Das durchfließende Blut hat die Temperatur des Körperkerns. Weicht die Ist-Temperatur vom Sollwert (ca. 37°C) ab, werden vom Körper Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der optimalen Körperkerntemperatur ergriffen. Die Regulation gegen Überhitzung wird überwiegend von den inneren Temperaturfühlern im präoptischen Hypothalamus ausgelöst.

Äußere Temperaturfühler

In der äußeren Haut befinden sich Thermoexterorezeptoren: die Wärme- und Kältesensoren. Die Haut weist im allgemeinen mehr Kälte- als Wärmesensoren auf (Temperaturpunkte: Auf 1cm2 Haut befinden sich ca. 2 Wärmepunkte und 13 Kältepunkte). Über +45°C Außentemperatur erlischt die Aktivität der Wärmerezeptoren, und die Kälterezeptoren fangen an zu arbeiten. Deshalb kann es in diesem Temperaturbereich zu paradoxen Kälteempfindungen kommen (Gänsehautbildung). Diese Sensoren melden Temperaturschwankungen der Körperoberfläche auf nervösem Weg direkt an das Temperaturregelzentrum. Das wiederum kann ohne vorangegangene Änderung der Körperkerntemperatur Gegenmaßnahmen einleiten.

Thermoregulation

Die Thermoregulation (auch Temperaturregulation, Wärmeregulation) ist die Fähigkeit homöothermer Organismen Temperaturunterschiede zwischen der Umgebungstemperatur und Körperkerntemperatur mit Hilfe unterschiedlicher eigener Stoffwechselleistungen bei geringen Schwankungen auszugleichen und dadurch die Körperkerntemperatur konstant zu halten.

Mechanismen der Wärmeabgabe

Die Wärmeabgabe erfolgt durch
+ Konduktion = Wärmeleitung entlang einem Temperaturgefälle
+ Konvektion = der Transport von Wärmeenergie durch Blut oder Atemgase
+ Wärmestrahlung = Übertragung der Wärmeenergie durch elektromagnetische Wellen
+ Verdunstung = die Wärmeabgabe durch Verdampfen von Wasser an Hautoberfläche und Schleimhäuten der Atemwege

Die Gesamtwärmeabgabe berechnet sich als Summe der o.g. Mechanismen.

In Ruhe werden beispielsweise ca. 60% der körpereigenen Wärmeproduktion durch Strahlung abgegeben, 15% durch Luftbewegung (Konvektion), 25% durch Verdunstung und fast gar nichts durch Wärmeleitung (Konduktion).

Indifferenztemperatur

Die Indifferenztemperatur (auch Neutraltemperatur, Thermoneutrale Zone) ist die Außentemperatur, bei der sich Wärmeproduktion und Wärmeabgabe die Waage halten. Der Organismus kann ohne zu Regulationsmechanismen greifen zu müssen, die Körperkerntemperatur im Sollwert konstant halten, d.h. der Grundumsatz ist ausreichend. Die Indifferenztemperatur beträgt im unbekleideten Zustand ca. 28°C und im bekleideten Zustand ca. 20°C. Unbekleidet steigt bei einer Außentemperatur von über ca. 28°C die Abgabe von Wärme. Unter 28°C wird mehr Wärme produziert.

Hitzestress-Index

Der Hitzestress-Index zeigt dir ab welchen Feuchttemperaturen sich Hitzeschäden entwickeln und gibt dir einen Hinweis darauf, ab welchen Temperaturen du aus gesundheitlichen Gründen lieber auf das Training verzichten solltest.

Hitzestressindex
Hitzestressindex

Hitzeschäden

Es gibt Menschen, die Hitze gut vertragen und andere, die sie schlecht vertragen unabhängig von Akklimatisation und/oder Training. Hitzeverträglichkeit oder Hitzeresistenz ist somit eine individuelle Sache deren Ausprägung jeder für sich selbst vorsichtig austesten muss.

Folgende Hitzeschäden können auftreten:
+ Sonnenbrand
+ Überhitzung (Hyperthermie)
+ Hitzekrampf
+ Hitzeerschöpfung
+ Hitzschlag (hyperthermisches Koma)
+ Sonnenstich

Hitzeakklimatisation

Ein längerer Aufenthalt in heißer Umgebung bewirkt eine Anpassung im Organismus, die den Menschen in die Lage versetzt, diesem Klima besser zu widerstehen. Die Akklimatisation erfolgt durch allmählich ansteigende Belastungen. Für Sportler ist es nicht ausreichend sich nur passiv der warmen Umgebung auszusetzen.

Folgende Veränderungen ergeben sich bei erfolgreicher Hitzeakklimatisation:

+ Die Schweißproduktion setzt früher ein und nimmt zu. Die abgegebene Schweißmenge kann bis auf fast das Doppelte ansteigen.
+ Die Erhöhung der Schweißmenge erfolgt mit einem Anstieg der aktiven Schweißdrüsen. Von den ca. 2-2,3 Millionen Schweißdrüsen sind normalerweise nur 1-1,7 Millionen Drüsen aktiviert.
+ Die Elektrolytkonzentration (v.a. Kochsalz) im Schweiß sinkt von 0,3 auf 0,03%.
+ Die Hauttemperatur sinkt ab und
+ die Körperkerntemperatur sinkt ab, da über die erhöhte und ökonomisierte Schweißabgabe mehr Verdunstungskälte erzeugt wird. Die Hautdurchblutung wird verringert. Es kommt zu einer Blutumverteilung zugunsten der Arbeitsmuskulatur und infolgedessen zur besseren Leisungsfähigkeit.
+ Das extrazelluläre Flüssigkeitsvolumen (erhöhtes Gesamtblutvolumen mit gesteigerter Schweißkapazität – erhöhtes Wasserreservoir!) nimmt zu. Parallel dazu steigt der Venentonus, der den venösen Rückstrom zum Herzen verbessert. Beide Faktoren vergrößern das Herzschlagvolumen und verringern die Herzfrequenz, bei gleichbleibendem Herzminutenvolumen, und führen zu einer erhöhten körperlichen Leistungsfähigkeit.
+ Das Durstempfinden nimmt zu. Flüssigkeit wird frühzeitiger und vermehrt aufgenommen. Der Athlet gleicht das Wasserdefizit besser aus. Dadurch bleiben die Temperaturregulationsmöglichkeiten über die Schweißabgabe relativ konstant und auf einem optimalen Niveau.
+ Das Behaglichkeitsgefühl verschiebt sich in höhere Temperaturbereiche.

Allgemeine Empfehlungen

Eine Hitzeakklimatisation ist unbedingt erforderlich, wenn der Wettkampf in einem heißen Klima stattfindet. Der Effekt geht (analog zum Höhentraining) nach der Rückkehr in gemäßigtes Klima relativ rasch verloren. Der Zeitraum zwischen Ende der Hitzeakklimatisation und Wettkampf sollte vierzehn Tage nicht überschreiten.

Da die Startzeiten für Volks-/Jedermann-/Sprintdistanzen und Kurzstrecken- und Olympische Distanzen durchweg am späten Vormittag liegen, aber auch die Mittel- und Langdistanzler bei den höchsten Tagestemperaturen noch unterwegs sein werden, sei es jedem ambitionierten Athleten angeraten sich rechtzeitig und langsam an das Training bei hohen Temperaturen zu gewöhnen.

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