Thermoregulation und körperliche Aktivität bei Hitze und Kälte

Einleitung(edit | edit source)

Körperliche Aktivität bei Hitze oder Kälte kann die Fähigkeit des Körpers zur Regulierung der Körpertemperatur beeinflussen. Obwohl diese Prozesse unter normalen Bedingungen effektiv und gut funktionieren, kann die Thermoregulation (Regulierung der Körpertemperatur um einen physiologischen Sollwert) bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen unzureichend sein. Der menschliche Körper ist in der Lage, sich an diese thermischen Umweltbedingungen anzupassen, wenn er ihnen über einen längeren Zeitraum ausgesetzt ist. Akklimation bezieht sich auf die kurzfristige Anpassung des Körpers (Tage/Wochen) an diese Umweltstressoren, während Akklimatisierung sich auf langfristige Anpassungen (Monate/Jahre) an Umweltstressoren bezieht.

Regulierung der Körpertemperatur (edit | edit source)

• Der Mensch ist homöotherm – das bedeutet, dass die innere Körpertemperatur physiologisch reguliert und trotz Temperaturschwankungen in der Umgebung nahezu konstant gehalten wird.⁽¹⁾
• Die Schwankungen der Körpertemperatur betragen normalerweise nicht mehr als 1,0° C (Grad Celsius) oder 1,8° F (Grad Fahrenheit).
• Die Körpertemperatur spiegelt das Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion und Wärmeverlust wider. Wenn dieses Gleichgewicht gestört ist, kommt es zu Veränderungen der Körpertemperatur.⁽¹⁾
• Normalerweise liegt die Körpertemperatur zwischen 36,1 °C und 37,8 °C (97,0 °F und 100,0 °F)
  • Situationen, die eine Veränderung der normalen Körpertemperatur verursachen:
    • Fieber aufgrund von Krankheit
    • extreme Bedingungen wie Hitze oder Kälte
    • anhaltendes schweres körperliches Training

Austausch von Wärme zwischen Körper und Umgebung (edit | edit source)

• 

  Abbildung 1. Waage der Thermoregulation

  Stoffwechselwärme wird durch aktives Gewebe erzeugt⁽¹⁾

• Wärme bewegt sich vom Körperkern (tief im Körper) über das Blut zur Körperhülle (Haut)
• Wenn die Wärme die Haut erreicht, kann sie durch Konduktion, Konvektion, Radiation (Strahlung) und Evaporation (Verdunstung) abgeleitet werden
• Die Aufrechterhaltung einer konstanten inneren Körpertemperatur hängt von der Fähigkeit des Körpers ab, den Wärmegewinn (aus Stoffwechselprozessen und der Umwelt) mit dem Wärmeverlust auszugleichen. Abbildung 1. veranschaulicht dieses Gleichgewicht:
  • Wärmegewinn: Stoffwechselwärme und Umweltwärme (Konduktion, Konvektion, Radiation)
  • Wärmeverlust: Radiation, Konduktion, Konvektion, Evaporation
• Konduktion = Wärmeübertragung von einem Material auf ein anderes durch direkten Kontakt⁽¹⁾
  • Beispiel: auf einer kalten oder heißen Metalltribüne sitzen und ein Sportereignis verfolgen
• Konvektion = Wärmeübertragung durch die Bewegung von Gas oder Flüssigkeit über eine Oberfläche⁽¹⁾
  • während der Bewegung, z. B. beim Sport, strömt die Luft um uns herum über unsere Haut und es findet ein Wärmeaustausch mit den Luftmolekülen statt
  • eine stärkere Luftbewegung führt zu einem stärkeren Wärmeaustausch
  • wichtiger täglicher thermoregulierender Faktor
• Radiation (Srahlung) = Wärmeübertragung in Form von Infrarotstrahlen⁽¹⁾
  • der Körper kann Strahlungswärme abgeben oder aufnehmen
  • wichtiger täglicher thermoregulierender Faktor
• Evaporation (Verdunstung) = Wärmeverlust durch Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig⁽¹⁾
  • primärer Weg für den Wärmeverlust beim Sport
  • wenn die Körperkerntemperatur steigt, nimmt die Schweißproduktion zu, der Schweiß wird in Dampf umgewandelt, wenn er die Haut erreicht, und es kommt zu einer Abkühlung
  • Schweiß muss verdunsten, um einen Kühleffekt zu erzielen. Tropfender Schweiß hat wenig oder keine kühlende Wirkung

Herausforderungen des Wärmeaustausches für den menschlichen Körper (edit | edit source)

• Luftfeuchtigkeit und Wärmeverlust⁽²⁾
  • hohe Luftfeuchtigkeit begrenzt die Evaporation von Schweiß, da die Luft viele H₂O-Moleküle enthält
  • niedrige Luftfeuchtigkeit bietet eine ideale Gelegenheit zur Evaporation
• Eine längere Evaporation von Schweiß ohne ausreichende Flüssigkeitszufuhr kann zu Dehydration führen
• Hauttemperatur ist höher als die Umgebungstemperatur = Wärmeverlust durch Konduktion, Konvektion, Radiation und Evaporation
• Umgebungstemperatur ist höher als die Hauttemperatur = Wärme kann nur durch Evaporation abgeführt werden
• In heißen, feuchten Situationen ist die Evaporation von Schweiß begrenzt und es kommt zu Konvektion von der Umwelt zur Haut (somit wird Wärme gewonnen)

Thermoregulatorische Kontrolle (edit | edit source)

Die thermoregulatorischen Reaktionen des Körpers sind bei normalen Körper- und Lufttemperaturen sehr effektiv. Die Körperkerntemperatur wird in Ruhe auf etwa 37° C (98,6° F) reguliert. Wenn die innere (Kern-)Körpertemperatur 40 °C (104 °F) übersteigt, werden die physiologischen Funktionen gehemmt. Der Mensch ist in der Lage, kurzzeitig Kerntemperaturen unter 35° C (95° F) oder über 41° C (105,8° F) zu ertragen.

• Das Thermoregulationszentrum des Körpers liegt im präoptischen Bereich (POA, Area praeoptica) des Hypothalamus⁽³⁾
  • wirkt wie ein Thermostat, überwacht die Temperatur und beschleunigt bei Bedarf den Wärmeverlust oder die Wärmeerzeugung
• Sensorische Thermorezeptoren liefern Informationen an den POA
  • in der Haut liegen periphere Thermorezeptoren
  • im Gehirn und Rückenmark gibt es zentrale Thermorezeptoren
    • die zentralen Thermorezeptoren reagieren empfindlicher auf Temperaturänderungen als die peripheren Thermorezeptoren
• Wenn der POA eine Abweichung der Körpertemperatur (unter oder über dem Normalwert) feststellt, sendet er über das sympathische Nervensystem Signale an die folgenden thermoregulatorischen Effektoren:⁽³⁾
  • Arteriolen der Haut
    • der POA sendet über das sympathische Nervensystem ein Signal an die glatte Muskulatur in den Arteriolenwänden, was entweder zu einer Vasodilatation oder einer Vasokonstriktion führt
      • Vasokonstriktion zur Minimierung des Wärmeverlustes
      • Vasodilatation zur Erhöhung des Wärmeverlustes
  • ekkrine Schweißdrüsen
    • ausreichender Anstieg der Körperkern- und Hauttemperatur – der POA sendet über das sympathische Nervensystem ein Signal an die ekkrinen Schweißdrüsen, was zu einer aktiven Schweißsekretion führt. Lesen Sie mehr über die Physiologie des Schwitzens
  • endokrine Drüsen
    • die Wirkung verschiedener Hormone führt zu einer erhöhten zellulären Stoffwechselrate, und ein erhöhter Stoffwechsel führt zu einem Anstieg der Wärmeproduktion
  • Skelettmuskulatur
    • eine erhöhte Skelettmuskelaktivität erhöht die Körpertemperatur durch eine erhöhte metabolische Wärmeproduktion
    • die Muskelaktivität kann willkürlich oder unwillkürlich sein (z. B. wenn eine Person aufgrund von Kälte zittert).

Physiologische Reaktionen auf körperliche Aktivität in der Hitze (edit | edit source)

Kardiovaskuläre Reaktion (edit | edit source)

Unabhängig von der Umgebung erhöht körperliche Aktivität die Wärmebelastung aufgrund der Muskelarbeit und des erhöhten Stoffwechsels. Der POA sendet über das sympathische Nervensystem Signale an die Arteriolen der Haut, um diese zu erweitern, was den Wärmeverlust durch Konduktion und Evaporation erhöht. An anderen Stellen kommt es zu einer Vasokonstriktion, um Blut von nicht essenziellen Geweben wie Darm, Leber und Nieren abzuleiten. Das Herzminutenvolumen steigt durch eine Erhöhung der Herzfrequenz und Veränderungen der Kontraktilität weiter an, um die Blutzufuhr für die arbeitenden Muskeln aufrechtzuerhalten. Durch das Schwitzen verringert sich das Blutvolumen und die Fähigkeit, das Schlagvolumen zu erhöhen, ist aufgrund der peripheren Blutansammlung ebenfalls eingeschränkt. Die Herzfrequenz steigt, um die Abnahme des Schlagvolumens auszugleichen (ein Phänomen, das als kardiovaskulärer Drift bekannt ist).⁽⁴⁾

Flüssigkeitshaushalt (edit | edit source)

Hohe Umgebungstemperaturen und anstrengende körperliche Aktivitäten erhöhen die Haut- und Kerntemperatur. Der POA steuert die Schweißdrüsen. Schweiß bildet sich im gewundenen Abschnitt der Schweißdrüse und die Elektrolytzusammensetzung ist zunächst die gleiche wie die des Blutes, da das Plasma die Quelle der Schweißbildung ist. Das Filtrat des Plasmas bewegt sich durch den Ausführungsgang der Schweißdrüse und Natrium und Chlorid werden zurück in das Gewebe und dann in das Blut resorbiert. Daher enthält der Schweiß, der auf die Haut abgegeben wird, weniger Elektrolyte als Plasma.⁽⁴⁾

• Leichtes Schwitzen – das Filtrat bewegt sich langsam durch den Ausführungsgang, so dass mehr Zeit für die Rückresorption von Natrium und Chlorid zur Verfügung steht und der Schweiß sehr verdünnt ist

• Starkes Schwitzen – es bleibt weniger Zeit für die Rückresorption von Natrium und Chlorid, da sich das Filtrat schneller durch die Schweißkanäle bewegt, so dass der Natrium- und Chloridgehalt des Schweißes höher ist

Untrainierte Personen weisen eine andere Elektrolytkonzentration im Schweiß auf als trainierte Personen. Durch Training und Akklimation an die Hitze werden mehr Natrium und Chlorid resorbiert und der Schweiß ist stärker verdünnt. Die Konzentrationen von Kalium, Kalzium und Magnesium bleiben mehr oder weniger gleich. Bei körperlicher Aktivität unter heißen und feuchten Bedingungen können durch Schwitzen 2,5 % bis 3,2 % des Körpergewichts verloren gehen. Starkes Schwitzen verringert das Blutvolumen. Dies führt zu einer erhöhten Herzfrequenz und schließlich zu einer Verringerung des Herzminutenvolumens, was sich auf die sportliche Leistung auswirkt.⁽⁴⁾

Lesen Sie diesen Artikel: Training und Flüssigkeitsersatz⁽⁵⁾

Gesundheitsrisiken bei körperlicher Aktivität in der Hitze (edit | edit source)

Zu den Faktoren, die bei körperlicher Aktivität in der Hitze als Stressoren zu berücksichtigen sind, gehören:⁽⁴⁾

• metabolische Wärmeproduktion
• Lufttemperatur
• Luftfeuchtigkeit
• Luftgeschwindigkeit
• Strahlungswärmequellen
• Kleidung⁽⁶⁾
  • Athleten und Schiedsrichter mit geringer metabolischer Wärmeproduktion: Tragen Sie helle, locker sitzende Kleidung mit Sonnenschutz
  • Athleten mit hoher metabolischer Wärmeproduktion: Die Kleidung sollte die direkte Evaporation des Schweißes von der Haut nicht beeinträchtigen
  • Lesen Sie: The role of sports clothing in thermoregulation, comfort, and performance during exercise in the heat: a narrative review⁽⁷⁾

Thermischer Stress (edit | edit source)

Der externe Hitzestress kann gemessen werden mit:

• Hitzeindex
  • Hitzeindex-Rechner
• Kühlgrenztemperatur, gemessen als Feuchtkugeltemperatur (tF)⁽⁸⁾

Gesundheitliche Folgen von Hitze (edit | edit source)

Hitzestress durch die Umwelt und durch den Stoffwechsel erzeugte Wärme können unterschiedlichschwere Hitzeschäden bzw. verschieden schwere Formen der Hitzekrankheit verursachen:⁽⁹⁾

• Hitzekrampf
• Hitzeerschöpfung
• Hitzschlag

Lesen Sie mehr über Hitzekrankheit im Sport

Leitlinien für Training und Wettkämpfe bei Hitze (edit | edit source)

• Veranstaltungen sollten nicht zur heißesten Tageszeit stattfinden. Vermeiden Sie eine Feuchtkugeltemperatur von über 28 °C⁽⁴⁾
• Ausreichende Versorgung mit wohlschmeckenden Flüssigkeiten⁽⁶⁾
• Passen Sie die Flüssigkeitszufuhr an den Flüssigkeitsverlust an (1 Liter Schweißverlust = 1 Kilogramm Gewichtsverlust)⁽⁴⁾
• Achten Sie auf die Anzeichen einer Hitzekrankheit⁽⁴⁾⁽⁶⁾
• Veranstalter sollten das letzte Wort haben, wenn es darum geht, Veranstaltungen abzubrechen, und Athleten mit Anzeichen von Hitzekrankheiten von der weiteren Teilnahme abhalten⁽⁴⁾

Lesen Sie: IOC Consensus statement on recommendation and regulations for sport events in the heat⁽⁶⁾

Akklimation und Akklimatisierung bei Hitze (edit | edit source)

Wiederholtes Training in der Hitze fördert Veränderungen, die die Leistungsfähigkeit unter heißen Bedingungen verbessern.⁽¹⁰⁾ Dieser Prozess wird als Hitzeakklimation (kurzfristig, 9 bis 14 Tage) und -akklimatisierung (langfristig, Monate/Jahre) bezeichnet. Zu den Vorteilen der Akklimation gehören:⁽¹⁰⁾

• Veränderungen der Schweißrate, Schweißverteilung und des Schweißgehalts
• Optimierung der kardiovaskulären Funktion
• niedrigere Kerntemperatur während des Trainings
• anfängliche Erhöhung des Plasmavolumens, das nach etwa 10 Tagen wieder auf ein normales Niveau zurückkehrt
• Senkung der Herzfrequenz nach dem Training und Erhöhung des Herzminutenvolumens
  • dies fördert die Durchblutung der Haut, was zu einem höheren Wärmeverlust und einer Senkung der Kerntemperatur führt.
• früheres und großflächigeres Schwitzen, wobei der Schweiß stärker verdünnt ist
  • dies verhindert einen gefährlichen Natriumverlust und optimiert den Wärmeverlust durch Evaporation

Lesen Sie: Exertional heat illness during training and competition⁽¹¹⁾ und Hitzeakklimation

Empfehlungen für Sportler und Akklimation (edit | edit source)

• Vor Wettkämpfen in heißer Umgebung sollte eine Akklimation erfolgen⁽⁶⁾
• Bevorzugte Methode zur Akklimation:⁽⁶⁾
  • Training in einer ähnlichen heißen Umgebung wie beim Wettkampf (wenn der Athlet dazu nicht in der Lage ist, können andere Methoden wie Training mit übermäßiger Kleidung oder passive Hitzeexposition zur Erhöhung der Körper- und Hauttemperatur angewendet werden)
  • die optimale Dauer des Hitzetrainings zur Akklimation beträgt 60 bis 90 Minuten pro Tag über einen Zeitraum von mindestens 2 Wochen (eine kürzere Dauer kann dennoch zu positiven Akklimationsveränderungen führen)
  • optimale Häufigkeit von Hitzeakklimationssitzungen: mindestens 4 Sitzungen pro Woche zur Einleitung der Hitzeakklimation und 2 Sitzungen pro Woche zur Aufrechterhaltung der Hitzeakklimation.

Körperliche Aktivität bei Kälte (edit | edit source)

Kältestress ist jede Umweltsituation, die einen Verlust an Körperwärme verursacht und die Homöostase bedroht. Ein Absinken der Haut- oder Kerntemperatur liefert dem POA Informationen, um verschiedene Mechanismen zur Erhaltung der Körperwärme und zur Steigerung der Wärmeproduktion zu aktivieren. Diese umfassen:⁽⁴⁾

• periphere Vasokonstriktion
• zitterfreie Thermogenese
• Zittern der Skelettmuskulatur
• Verhaltensreaktionen wie das Anziehen von mehr Kleidung

Gewöhnung an die Kälte (edit | edit source)

• Kältegewöhnung tritt bei regelmäßiger Exposition gegenüber wiederholten kalten Umgebungen ohne signifikanten Wärmeverlust auf. Dies zeigt sich darin, dass die Vasokonstriktion und das Zittern nachlassen und die Kerntemperaturen weiter sinken als vor der chronischen Kälteexposition.⁽¹²⁾

• Eine metabolische Akklimation tritt nach wiederholter Kälteexposition auf, wobei sich ein Wärmeverlust und eine verstärkte metabolische und zitternde Wärmeproduktion entwickeln.⁽¹²⁾

• Eine isolierende Akklimation tritt auf, wenn eine Steigerung des Stoffwechsels einen Wärmeverlust nicht verhindern kann. In diesem Szenario kommt es zu einer verstärkten Vasokonstriktion der Haut, was die Isolierung des peripheren Gewebes erhöht und den Wärmeverlust verringert.⁽¹²⁾

Faktoren, die den Wärmeverlust des Körpers beeinflussen (edit | edit source)

• Körpergröße und -zusammensetzung
• Windchill (Windkühle)
  • Lesen Sie hier mehr über Windchill

Physiologische Reaktion auf körperliche Aktivität bei Kälte(edit | edit source)

• Die Muskelfunktion nimmt ab:⁽⁴⁾
  • die Rekrutierung der Muskelfasern wird verändert und die kontraktilen Kräfte werden reduziert
  • die Geschwindigkeit der Muskelverkürzung und die Kraft nehmen ab
  • große tiefe Muskeln sind nicht so stark betroffen wie oberflächliche Muskeln

• Mit zunehmender Ermüdung nimmt auch die metabolische Wärmeproduktion ab, und bei Ausdauerbelastung kann die Erschöpfung der Energiereserven des Sportlers ein potenzielles Risiko für Unterkühlung darstellen.

Auswirkungen von Kälte auf die Gesundheit (edit | edit source)

• Hypothermie (Unterkühlung)⁽⁴⁾
  • Wenn die Körperkerntemperatur unter 34,5 °C (94,1 °F) fällt, verliert der POA seine Fähigkeit, die Körpertemperatur zu regulieren. Bei Körpertemperaturen von 29,5 °C (85,1 °F) hat der POA die Fähigkeit zur Thermoregulation vollständig verloren, der Stoffwechsel verlangsamt sich und es kommt zu einem Funktionsverlust, der zu Schläfrigkeit, Lethargie und sogar Koma führt.
  • Eine niedrige Körperkerntemperatur wirkt sich auf den Sinusknoten des Herzens aus und senkt die Herzfrequenz.
  • Das Einatmen kalter Luft schadet dem Atemgewebe nicht, da die eingeatmete Luft auf ihrem Weg durch die Atemwege allmählich erwärmt wird. Extreme Kälte verringert die Ventilation (verringerte Atemfrequenz und vermindertes Atemvolumen).
  • Behandlung bei leichter Unterkühlung:
    • die Person aus der Kälte entfernen
    • trockene Kleidung, Decken und warme Getränke bereitstellen
  • Behandlung bei schwerer Unterkühlung:
    • vorsichtig behandeln, um Herzrhythmusstörungen zu vermeiden
    • schrittweise Erwärmung, Krankenhausaufenthalt und medizinische Versorgung sind notwendig

• Erfrierungen⁽¹³⁾
• Lesen Sie mehr: Kältebedingte Verletzungen
• Lesen Sie mehr zum Thema sportliche Leistung: Cold Acclimation and the Effect on Sport Performance

Referenzen(edit | edit source)