Als homoiotherm, das heißt gleichwarm, wird der menschliche Organismus in Bezug auf dessen Körpertemperatur bezeichnet. Die Temperatur im Körperkern, also im Inneren des Rumpfs und im Kopf beträgt relativ konstant 37 °C – egal ob im Sommer oder Winter, ob Sie schlafen oder wach sind.
Gerade bei körperlicher Belastung läuft das System der Temperaturregulation Ihres Organismus auf Hochtouren. Der Energieumsatz bei körperlicher Arbeit steigt in Abhängigkeit von der Arbeitsweise an. Ein Großteil der dabei umgesetzten Energie wird dadurch in Wärme umgewandelt. Die nötige Körperkühlung erfolgt größtenteils über Schweißbildung. Ein Grund, warum Trinken während des Sports gerade in heißen Umgebungstemperaturen so wichtig ist!
Im Gegensatz zum recht konstant 37 °C warmen Körperkern unterliegen die Extremitäten, bezeichnet als Körperschale, Temperaturschwankungen. Je nach Außentemperatur vergrößert oder verkleinert sich der homoiotherme Körperkern. Die Körperschale reagiert entsprechend darauf und nimmt einmal mehr und einmal weniger Fläche ein. Ihr Organismus ist nur für kurze Zeit in der Lage, größere Schwankungen der Körperkerntemperatur zu überleben. Um eine optimale physiologische Funktion zu gewährleisten, ist eine Körperkerntemperatur zwischen 36-40°C nötig.(1) (Ein heikles Thema – lesen Sie unseren Ratgeber-Artikel zum Thema: Darf ich mit Fieber Sport treiben?)
Wärmebildung und Wärmeabgabe
Die Regulation der Körpertemperatur erfolgt durch ein kompliziertes Mess- und Regelsystem mit dem Hypothalamus als Temperaturregelungszentrum. Temperaturfühler im Organismus dienen der Kontrolle und Temperaturregulation. Die 1. Gruppe der Fühler sitzt direkt im Hypothalamus im Gehirn und misst die Temperatur des Bluts, die durch diesen Gehirnabschnitt führt. Die 2. Gruppe, die Wärme- und Kältesensoren, befinden sich in der äußeren Haut. Die 2. Gruppe misst Erwärmung und Abkühlung der Körperoberfläche und leitet die Informationen auf nervösem Weg direkt an das Temperaturregelzentrum. Je nachdem, ob die Sensoren ein Abkühlen oder eine Erwärmung registrieren, stehen dem Organismus Mechanismen der Wärmebildung und der Wärmeabgabe zur Verfügung. Beide Mechanismen finden parallel statt und variieren in ihrem Verhältnis.(2)
Wärmebildung – Energie aus dem Abbau der Hauptnährstoffe
Wärmebildung erfolgt mit dem Abbau der Hauptnährstoffe. Bei diesem Prozess entsteht Energie in Form von ATP, welches für die Muskelarbeit benötigt wird, und Energie in Form von Wärme. Zwischen 60 und 90 % der Energie aus den Nährstoffen ergeben Wärmeenergie. Diese Wärmeproduktion steht Ihrem Körper zur Regelung seiner Körpertemperatur zur Verfügung. Neben der Oxidation der Nährstoffe verfügt der Organismus über 3 weitere Möglichkeiten zur Wärmeproduktion. Dazu zählen die willkürliche Muskelbewegung und die unwillkürliche Muskelbewegung. Letztere wird als sogenanntes „Kältezittern“ bezeichnet. Die 3. Möglichkeit stellt die zitterfreie Wärmebildung im braunen Fettgewebe dar. Bei sinkender Außentemperatur kann die Wärmebildung bis auf den 5- bis 10-fachen Wert des Grundumsatzes ansteigen. Allerdings kommt es auch bei ansteigender Außentemperatur zu einer erhöhten Wärmebildung infolge der zunehmenden Kreislauf- und Atemarbeit und der damit einhergehenden Erhöhung des Energiestoffwechsels. Gerade bei körperlicher Aktivität steigt die Wärmeproduktion merklich an und kann in Verbindung mit hohen Außentemperaturen zum störenden Faktor werden.(3)
Wärmeabgabe – es bestehen viele Möglichkeiten
Die Mechanismen der Wärmeabgabe sind vielfältiger Art. Zu ihnen zählen die Wärmeabgabe durch Konduktion, Konvektion, Wärmestrahlung und Verdunstung. Konduktion beschreibt den Transport von Wärmeenergie mittels Weiterleitung. So wird beispielsweise, wenn Sie eine warme Hand an eine Eisenstange legen, die Wärme aufgrund molekularer Vorgänge zur Eisenstange weitergeleitet und diese erwärmt. Unter Konvektion versteht man den Transport von Wärmeenergie durch strömende Flüssigkeiten oder Gase wie zum Beispiel Blut und Atemgase. Durch elektromagnetische Wellen kommt es zur Übertragung der Wärmeenergie bei der Wärmestrahlung. Verdunstung beschreibt die Wärmeabgabe durch Verdampfen von Wasser an der Hautoberfläche und den Schleimhäuten der Atemwege.
Vom Körperkern zur Umgebung – der Wärmetransport
Der Wärmetransport vom Körperkern zur Umgebung lässt sich in 2 Abschnitte gliedern: Zum Einen der Wärmetransport vom Körperkern zur Körperschale, zum Anderen von der Körperschale an die Umgebung. Der Wärmetransport vom Körperkern zur Haut wird vorwiegend durch Konvektion mit dem Blutstrom geleistet. Der Anteil der durch Konvektion transportierten Wärme ist wesentlich größer als der Transport mittels Leitung direkt durch das Gewebe, da Blut eine große Wärmekapazität besitzt. Hauptsächlich an den Extremitäten – bevorzugt an Händen und Füßen – wird die Körperwärme durch Konduktion, Konvektion, Strahlung und Verdunstung abgeben. Unter Konduktion, der so genannten Wärmeleitung, wird die Wärmeabgabe in die auf der Körperoberfläche ruhende Luftschicht (Grenzschicht) verstanden. Die Wärmekonvektion geschieht durch Wärmeabgabe an die vorbeiströmende Luft außerhalb der sogenannten Grenzschicht. Die abgegebene Wärmemenge beider soeben beschriebenen Mechanismen steigt mit zunehmender Differenz zwischen höherer Haut- und niedrigerer Lufttemperatur. Die Wärmeverluste durch Strahlung sind verhältnismäßig groß. Die durch Wärmestrahlung vom Menschen abgegebene Wärmemenge pro Flächenund Zeiteinheit nimmt mit steigender Hauttemperatur stark zu. Zugleich nimmt der menschliche Organismus eine gewisse Wärmemenge pro Flächen- und Zeiteinheit auf, d. h. er absorbiert Wärmestrahlung, die von Wärme aussendenden Körpern in der Umgebung ausgeht.(2)
Besondere Bedeutung bei der Wärmeabgabe – die Verdunstung
Körperwärme wird auch durch die Verdunstung von Schweiß auf der Haut und über die Ausatemluft abgegeben. Die Wasserabgabe geschieht über die Schweißdrüsen und durch die nicht wasserdichte Haut zwischen den Schweißdrüsen. Pro Liter Schweiß, der auf der Haut verdampft, wird dem Körper eine Wärmemenge von ca. 380–580 kcal entzogen. Diese Art der Wasserabgabe wird als glanduläre Wasserabgabe bezeichnet. Die extraglanduläre Wasserabgabe, die Wasserdampfdiffusion durch die intakte Haut, geschieht schon bei indifferenten Raumtemperaturen und kann maximal 1 Liter pro Tag betragen, was ca. 580 kcal entspricht. Der Sekretionsvorgang der Schweißabsonderung aus den Schweißdrüsen wird von sympathischen Nervenfasern ausgelöst. Die Senkung der Körpertemperatur durch Schwitzen wird allerdings nur dann wirksam, wenn die Flüssigkeit auf der Haut verdampft und nicht herunter läuft. Je nachdem in welcher Konstellation die Faktoren auftreten, gibt es günstige und ungünstigere Kombinationen. So sind zum Beispiel hohe Außentemperaturen bei Windstille thermoregulatorisch eher ungünstig, da sich in diesem Fall der konvektive Wärmetransport von der Haut reduziert.(2)
Die Regulation bei körperlicher Belastung
Die in Ruhe erzeugte Wärmemenge wird in der Regel zu ca. 75 % durch Konvektion und Strahlung und nur zu 25 % durch Verdunstung von Wasser abgegeben. 40 % der Verdunstung entfallen dabei allein auf die Wasserdampfabgabe durch die Ausatemluft. Der Energieumsatz bei körperlicher Arbeit steigt in Abhängigkeit von der Arbeitsweise. Zwischen 70 und 90 % der dabei umgesetzten Energie wird dadurch in Wärme umgewandelt. Herrschen relativ niedrige Außentemperaturen vor, wird die erzeugte Wärme durch Konvektion und Strahlung abgegeben. Erst wenn die Außentemperatur ansteigt, wächst die Bedeutung der Schweißverdunstung und wird zum wichtigsten Mechanismus der Temperaturkontrolle. Bei einer Temperatur von 10 °C werden etwa 20 % der entstehenden Wärme durch Schweißverdunstung abgegeben, bei 20 °C steigt dieser Anteil auf 45 % und bei 30 °C auf 70 % an. Hinzu kommt, dass der Schweißverlust gravierender ist, je höher das Körpergewicht und je länger und intensiver die Belastung ist. Berücksichtigt man die individuellen Unterschiede, kann die maximal verdunstete Schweißmenge 30 ml pro Minute bzw. 1,8 Liter pro Stunde betragen. Die effektiven Schweißmengen liegen noch höher, da ein Teil des gebildeten Schweißes von der Haut abtropft und nicht verdunstet. Gerade bei hoher Luftfeuchtigkeit nimmt der Anteil des abtropfenden Schweißes zu. Eine hohe Luftfeuchtigkeit behindert sogar die Schweißverdunstung. Steigt die Luftfeuchtigkeit auf 99–100 % an, sinkt die Wärmeabgabe durch Schweißverdunstung auf Null und die Gefahr einer Überhitzung besteht.(1)
Die große Bedeutung von Schweiß
Der menschliche Organismus verfügt über 2 verschiedene Sorten von Schweißdrüsen. Die apokrinen Schweißdrüsen finden sich in behaarten Körperbereichen (z. B. in der Achselhöhle) und geben eine fetthaltige Flüssigkeit ab, die u. a. den Zweck erfüllt, die Reibung zwischen zwei Hautschichten zu vermindern. Mit dem Schweiß gehen kleinere Mengen an anderen Elektrolyten wie Kalium, Magnesium, Kalzium, Eisen, Kupfer und Zink verloren. Sportler mit einem guten Ausdauertrainingszustand weisen eine verbesserte Wärmeabgabe aus dem Körperinneren zur Hautoberfläche auf. Die Kühlung durch Schweiß beginnt schneller; ein trainierter Organismus beginnt früher zu schwitzen als ein untrainierter. Außerdem lassen sich beim Trainierten geringere Mineralstoffkonzentrationen im Schweiß nachweisen als beim Untrainierten. Wenn man bedenkt, dass in der Literatur mögliche absolute Schweißverluste pro Tag von bis zu 20 l bei hochintensiven Belastungen angegeben werden, nehmen die Wahl des Getränks, die Menge und der Zeitpunkt der Flüssigkeitszufuhr an Tagen mit sportlicher Betätigung einen großen Stellenwert ein.(1)
Literatur:
1. Williams (1997): Ernährung, Fitness und Sport. Wiesbaden: Ullstein
2. Marées (2002): Sportphysiologie. Köln: Sport und Buch Strauß
3. Hick & Hick (Hrsg.) (1998): Physiologie – Kurzlehrbuch zum Gegenstandskatalog 1. Stuttgart: Gustav Fischer Verlag
Fachsprache
Hypothalamus – Abschnitt des Zwischenhirns: das wohl wichtigste Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems
Sympathische Nervenfasern – Teil des vegetativen Nervensystems, der Atmung, Herzschlag und Blutdruck regelt
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