Physiologie der Thermoregulation Flashcards
Thermoregulation umfasst? Welcher Satz aus der Physik gehört dazu?
umfasst:
• Regulation der Wärmebildung und
• Regulation des Wärmeflusses
• zwischen Körperkern und –schale = innerer Wärmefluss
• zwischen Körperschale und Außenwelt = äußerer Wärmefluss
- Hauptsatz der Thermodynamik:
Wärme fließt stets vom Objekt höherer Temperatur zum Objekt niedrigerer Temperatur
Definiere gleichwarme Tiere
gleichwarme Tiere (homoiotherm)
• halten ihre Körperkerntemperatur konstant
(Temperaturoptimum der Enzyme und Transportproteine)
• können in engen Grenzen regulieren
-> fast alle Säugetiere und alle Vögel
Definiere wechselwarme Tiere
wechselwarme Tiere (poikilotherm) • Körpertemperatur folgt der Umgebungstemperatur -> niedere Wirbeltiere (Fische, Amphibien, Reptilien) sowie wirbellose Tiere
Definiere heterotherme Tiere
heterotherme Tiere
• endotherme Variation der Körpertemperatur
-> Kloakentiere (Ameisenigel, Schnabeltier),
wüstenbewohnende Säugetiere (Asiatischer Elefant, Kamel)
-> Python-Schlange, viele Insekten (Warmmachen vor Beutefang bzw. Flug)
Was sind Vor-& Nachteile von Homoiothermen Tieren?
Vorteile der Homoiothermie: • Erschließung größerer Lebensräume • jederzeit höchste Leistung abrufbar Nachteile der Homoiothermie: • sehr hoher Energieaufwand • sehr genaues Regulationssystem zur Kontrolle und Einstellung der optimalen Körperkerntemperatur
ACHTUNG:
Die Bezeichnung Warmblüter und Kaltblüter bei Pferderassen bezieht sich nicht
auf die Körpertemperatur, sondern auf das Temperament.
Herkunft der Köperwärme
Erkläre Endothermie& Ektothermie
Endothermie
• Körperwärme stammt überwiegend aus
eigenem Stoffwechsel
-> Vögel, Säuger, manche Fische und Insekten
Energiebedarf der Endothermen:
ca. das 10-fache der Ektothermen
Ektothermie • Körperwärme stammt fast vollständig aus der Umgebung -> meisten Invertebraten, Fische, Amphibien, Reptilien
Wie ist die Temperatur in Körperkern und -schale?
Körperkern (gleichwarm, homoiotherm!) • Kopf (Gehirn) • Brust- und Bauchorgane -> stoffwechselintensive Organe (Herz, Leber, Nieren) -> 70% der gesamten Wärmeerzeugung (unter Ruhebedingungen)
Körperschale (wechselwarm) • umgibt und isoliert den Kern • Temperatur der Gewebe nähert sich der Umgebungstemperatur -> dient Wärmeabgabe und -isolation
Temperatur im Körperkern, nenne Bsp, wo messen, Messbedingungen
„Körpertemperatur“ = Körperkerntemperatur
repräsentativer Temperaturwert,
der bei Säugern im Rektum (Rektaltemperatur) oder in der Vagina, bei Vögeln in der Kloake gemessen wird.
Säuger: 36/37°C – 40°C
Vögel: 40°C – 42/43°C
Die Rektaltemperatur
= wichtiger Indikator der Tiergesundheit
Messbedingungen • nach längerer Ruhephase • am möglichst ruhigen Tier • bei neutraler / normaler Umgebungstemperatur
Variabilität bei homoiothermen Tieren
Vergleich an was?
Körperliche Reife: Nestflüchter vs. Nesthocker
NF Pferd, Rind, Schaf, Huhn
NH Hund, Katze, Schwein, Ratte, Taube
-> ungenügende Isolation
-> Gefahr der Hypothermie
- Alter: adulte Tiere < Jungtiere (höhere Stoffwechselrate)
- Zirkadianer Rhythmus: (Tageszeit)
- Sexualzyklus
- Gravidität
- kalorigene Wirkung von Nahrung
- körperliche Arbeit
- Heterothermie
- Torpor („Erstarrung“, kurzer Kälteschlaf)
- Hibernation (Winterschlaf, Winterruhe)
Wie ist der Einfluss körperlicher Arbeit auf die Temperatur des Tieres?
Körperliche Arbeit kann zu
Hyperthermie führen.
(Nicht verwechseln mit Fieber!)
Nenne Ursachen und Phasen des Fiebers
Exogene Pyrogene: z.B. LPS [Lipopolysaccharide = Stoffwechselprodukt von Bakterien ] Endogene Pyrogene Interleukin-1 Interferon TNF [Tumornekrosefaktor] Prostaglandine • Quellen: Phagozyten Lymphozyten Wirkungen der Pyrogene Heraufsetzten des Sollwertes der Körpertemperatur mit dem Ziel einer Aktivierung der Immunabwehr
Beginn (Krisis) Sollwert > Istwert Wärmebildung • Schüttelfrost • heraufgesetzter Energiestoffwechsel • Appetitverlust‚Schläfrigkeit‘
Ende (Lysis) Istwert > Sollwert Wärmeabgabe • Schwitzen • Hecheln • ….
Erkläre die Biologische Bedeutung von Fieber
Fieber ist meist eine sinnvolle pathophysiologische Reaktion
- > Die erhöhte Temperatur beeinträchtigt die Vermehrung von Krankheitserregern.
- > Die unspezifische körpereigene Abwehr wird aktiviert.
Eine Unterdrückung des Fiebers ist nicht immer sinnvoll, sondern sollte erst dann erfolgen, wenn der erhöhte Sollwert den Organismus in eine bedrohliche Situation bringt.
Thermoregulatorische Mechanismen
A) Wärmebildung
Maßnahmen gegen Kälte? Wie Temperatur erhöherbar?
Wärmebildung erfordert exotherme chemische Reaktionen !
kurzfristig wirksame Maßnahmen
Muskelaktivität / Bewegung
Kältezittern / ‚Schüttelfrost‘
-> Kältereiz → Erregung der Kaltrezeptoren in der Haut
-> reflektorische Aktivierung von Muskelfasern
(Beuger und Strecker werden gleichzeitig aktiviert)
-> Erhöhung des Muskeltonus (ohne äußere Arbeit)
‚zentrale Zitterbahn‘:
Verbindung des Thermoregulationszentrums mit motorischen Zentren
-> Steigerung der Wärmeproduktion um den Faktor 5 möglich !
Thermoregulatorische Mechanismen
A) Wärmebildung
Erkläre zitterfreie Thermogenese durch Endokrine Steuerung
zitterfreie Thermogenese
Endokrine Steuerung
¾ kurzfristig über Sympathikus-Aktivierung
→ Aktivierung von Lipolyse und Leberstoffwechsel über β2-Rezeptoren
→ Aktivierung des braunen Fettgewebes über β3-Rezeptoren
(oder β2-Rezeptoren)
¾ langfristig über Schilddrüsenaktivierung
→ Ausschüttung von Thyroxin (T3, T4)
Thermoregulatorische Mechanismen
A) Wärmebildung
Erkläre zitterfreie Thermogenese durch braunes Fettgewebe
zitterfreie Thermogenese
braunes Fettgewebe
¾ feintropfiges, gut durchblutetes und vegetativ innerviertes Fettgewebe
¾ hoher Gehalt an Mitochondrien und Enzymen des oxidativen Stoffwechsels
(braune Farbe durch hohen Gehalt an Zytochromoxidasen)
→ Wärmebildung durch Oxidation von Fettsäuren
Vorkommen:
9 kleine adulte Nagetiere (Mäuse, Ratten, Meerschw.,Kaninchen)
9 Jungtiere (Schafe, Ziegen, Rinder, Katzen, Hunde?)
9 neugeborener Mensch
wenig/nicht bei Ferkeln, Geflügel und adulten Haustieren
Lokalisation: Hals- und Nacken, unter dem Schulterblatt
→ Transport der gebildeten Wärme direkt in den Körperkern
B) Innerer Wärmefluss
Erkläre die Begriffe Konduktion& Konvektion& Körperschale
B) Innerer Wärmefluss
(vom Ort der Entstehung zur Körperoberfläche)
Konduktion (= Wärmetransport im ruhenden Medium)
-> Wärmeleitfähigkeit der Gewebe
Konvektion (= Wärmetransport mittels eines bewegten Mediums)
- > strömendes Blut (hohe spezif. Wärmekapazität des Plasmawassers!)
- > Haupttransportform
Körperschale (Extremitäten und Haut)
• verstärkte Durchblutung bei Wärmebelastung
• verminderte Durchblutung bei Kältebelastung
B) Innerer Wärmefluss
Erkläre das Gegenstromprinzip
Vene (kühl) parallel zu Arterie (warm)
-> geringere Wärmeabgabe in der Peripherie
besonders wichtig für:
- Kühlung des Hodens (Spermiogenese)
- Schutz vor Auskühlung über Extremitäten
(besonders Wasservögel)
- Arterielles Blut des Gehirns (Rete mirabile) wird bei Überhitzung durch venöses Blut aus der Nasenregion (Sinus cavernosus) gekühlt (v.a. Paarhufer, Katzenartige)
B) Innerer Wärmefluss
Erkläre das Gegenstromprinzip: Rete mirabile
• dient Hirnkühlung • bei Paarhufern: arterielles Rete eingebettet in venösen Sinus cavernosus, Rete mirabile epidurale rostrale • bei hohen Temperaturen: Blutrückfluss über die Vena angularis oculi und den Sinus cavernosus => Hirnkühlung • bei niedrigen Temperaturen: Blutrückfluss über die Vena facialis unter Umgehung des Sinus cavernosus • bei Katzenartigen: aus A. maxillaris, Rete mirabile arteriae maxillaris
C) Äußerer Wärmefluss
Eine konstante Körperkerntemperatur erfordert, dass Wärmeproduktion
und Wärmeabgabe im Gleichgewicht gehalten werden
C) Äußerer Wärmefluss
1) Strahlung (Radiation)
C) Äußerer Wärmefluss
1) Strahlung (Radiation)
Wärmeaufnahme: aus natürlichen Quellen • Sonnenlicht (kurzwelliges Infrarot) [bis 800 Watt/m² Körperoberfläche an klaren Tagen] • Wolkendecke (langwelliges Infrarot) aus künstlichen Quellen • Wärmestrahler • Heizflächen (Ferkelnest) • Rotlichtlampen (Ferkel, Geflügel) Wärmeabgabe: (langwelliges Infrarot) • Effektivität abhängig von Temperatur der bestrahlten Objekte etwa 5 Watt/m² Körperoberfläche für eine Differenz von 1°C zwischen Fell und umgebenden Wänden (nicht Luft!)
-> trockener Wärmeaustausch
Prinzip: Emission elektromagnetischer Wellen
C) Äußerer Wärmefluss
2) Leitung (Konduktion): Wärmeübertragung durch Kontakt
C) Äußerer Wärmefluss
2) Leitung (Konduktion): Wärmeübertragung durch Kontakt
Wärmeaufnahme:
• Kontakt zu warmen Oberflächen (z.B. Heizmatte)
• Kontakt zu anderen Tieren (z.B. Ferkelnest)
Wärmeabgabe:
• Kontakt zu kalten Oberflächen
-> trockener Wärmeaustausch
Prinzip: Übertragung kinetischer Energie von Molekül zu Molekül
Merke: Fett ist ein nur geringfügig besserer Isolator als andere Gewebe. Fettgewebe kommt jedoch mit einer minimalen Durchblutung aus, so dass die Konvektion in weiten Grenzen regelbar ist.
• Einlagerung von “Niedertemperaturlipiden”
(ungesättigte Fettsäuren(anstieg))
•Die mit der Haut in Kontakt stehende Luft als Grenzschicht hat eine geringe
Wärmekapazität und ‚isoliert’ (z.B. Fell, Federn)
C) Äußerer Wärmefluss
3) Konvektion (Strömung) an der Grenzschicht Haut - Luft
C) Äußerer Wärmefluss
3) Konvektion (Strömung) an der Grenzschicht Haut - Luft
Wärmeabgabe: Freie Konvektion • Die dem Fell anliegende Luft übernimmt Wärme durch Leitung und steigt auf; kältere Luft strömt nach. Wärmeabgabe ist proportional der Temperaturdifferenz zwischen Körperoberfläche und Luft Erzwungene Konvektion • Mit zunehmendem Wind nimmt Wärmeabgabe zu -> Forcierte Wärmeabgabe bei Wind -> Forcierte Wärmeabgabe beim Rennen (Pferd mit 30 km/h Laufgeschwindigkeit erzeugt 50 km/h ‚Wind‘)
-> trockener Wärmeaustausch
Prinzip: Luftbewegung
C) Äußerer Wärmefluss
4) Verdunstung von Wasser
C) Äußerer Wärmefluss
4) Verdunstung von Wasser
Wärmeabgabe: • Perspiratio sensibilis Haut: Schwitzen (Transpiration) Atemwege: Hecheln • Perspiratio insensibilis unvermeidbare Wasserabgabe über Haut und Schleimhäute (etwa 20% der Ruhe-Wärmeabgabe) Evaporation (von „äußerem“ Wasser; z.B. Suhlwasser, Schlamm) Perspiration (von Körperwasser)
Wenn Wärmeabgabe über Haut limitiert ist, wird über die Atmung reguliert !
-> feuchter Wärmeaustausch
physikalische Grundlagen:
• Verdampfungswärme des Wassers (2400 kJ/Liter)
• Differenz der Wasserdampfpartialdrücke von Haut und Luft
C) Äußerer Wärmefluss
4) Verdunstung: Schwitzen
C) Äußerer Wärmefluss
4) Verdunstung: Schwitzen
= Diaphorese
= Transpiration
Ekkrine Schweißdrüsen • sympathisch cholinerg innerviert • Primaten (Mensch): gesamte Körperoberfläche • Hund, Katze, Ratte, Maus: Sohlenballen • Schwein: Karpalbereich
Apokrine Schweißdrüsen • sympathisch adrenerg innerviert • eigentlich „Hautpflegedrüsen“ • bei allen Säugetieren • Hsgt: auf gesamter Körperoberfläche • Mensch: z.B. Achselhöhle, Genitalien • thermoregulatorische Effizienz: nur bei Pferd und Kamel nachgewiesen
Thermoregulatorisches Verhalten
• Aufsuchen bzw. Vermeiden von Wärmequellen
- Soziale Thermoregulation
- Migration (Zugvögel, Wale)
- Sonnenbaden
- Baden
- Schattensuche (Lichtschatten, Windschatten)
- thermoregulatorisches Trinken (kaltes Wasser)
• Anpassung der körperlichen Aktivität
- Abend- / Nachtaktivität
• Verbesserung bzw. Verschlechterung der Isolation
- Nestbau, Höhlenbau, Spinnen eines Kokons
- flächiges / gespreiztes Abliegen auf kühlen Flächen
- Abspreizen der Flügel
• Schaffung von Wärmequellen
- Anhäufung von verrottendem Pflanzenmaterial (Thermometerhuhn)
• Benetzen der Körperoberfläche mit Verdunstungswasser
- Baden
- Suhlen
- Insalivation
Thermoregulation bei kalter Umgebung
Hautdurchblutung (sinkt) • Gegenstromprinzip • Isolierung (steigt) • Fellwechsel • Piloarrektion • subkutanes Fett • zitterfreie Thermogenese • Muskelzittern • Ausschüttung stoffwechselaktiver Hormone (Adrenalin, Thyroxin) • thermoregulatorisches Verhalten/ soziale Thermoregulation
Thermoregulation
bei warmer Umgebung
- Hautdurchblutung (steigt)
- Gegenstromprinzip (Rete mirabile)
- Verdunstung
- Hecheln
- Schwitzen
- thermoregulatorisches Verhalten
- Suhlen
- Einspeicheln
- Vergrößern der Körperoberfläche
- Schattensuche/Nachtaktivität
Energie sparen in Zeiten extremer
Umweltverhältnisse
Winterschlaf
Beispiele: Igel, Hamster, Murmeltier,
Ziesel, Fledermäuse
Anpassung an Kälte und Nahrungsmangel
• Energieumsatz wird stark gedrossel
• Körpertemperatur < 10°C
• Van‘t-Hoff-Regel:
Senkung der Stoffwechselrate um den Faktor 2 - 3 je 10 °C
• hat mit physiologischem Schlaf nichts zu tun!
• (periodisches) Wiederaufwärmen durch Muskelzittern
• meist ausgelöst durch Photoperiode
Energie sparen in Zeiten extremer
Umweltverhältnisse
Winterschlaf
• Stoffwechselrate (sinkt) • fast ausschließlich Fettverbrennung (RQ = 0,7) • kaum Glykogenabbau in Leber und Muskel • Blutglukose (sinkt) • Tyroxin (sinkt) • Herzfrequenz (sinkt) (d 10) • Blutdruck (sinkt) • Atemfrequenz (sinkt) • ZNS-Tätigkeit (sinkt) (aber funktionsfähig)
Energie sparen in Zeiten extremer
Umweltverhältnisse
Winterruhe
Beispiele: Eichhörnchen, Dachs, Waschbär, versch. Bären
Physiologischer Sinn: Anpassung an Kälte und Nahrungsmangel
• mildere Überwinterungsform
• kann jederzeit abgebrochen werden (z.B. zur Nahrungssuche)
• kein drastischer interner Abfall der Körperkerntemperatur !!!
• Tiere zehren in dieser Zeit von ihrem weißen Fettgewebe
Bären in der Winterruhe:
• keine Wasser- oder Nahrungsaufnahme
• keine Abgabe von Harn oder Kot
• Geburt der Jungen während der Winterruhe
(geregelte endokrine Abläufe sind gegeben)
Energie sparen in Zeiten extremer
Umweltverhältnisse
Torpor (lat. „Erstarrung“)
kleine Tiere mit hoher Stoffwechselaktivität
- insektenfressende Vögel (Kolibri, Mauersegler)
- kleine Landsäugetiere
(z. B. Ameisenigel, Weißzahnspitzmaus, Fledermäuse)
• bei extremer Kälte auch Großtiere (Hirsch)
Anpassung an Kälte und Nahrungsmangel
• zeitlich kurz andauernder Zustand, der dem Winterschlaf gleicht
• Reduktion des Stoffwechsels und der Körpertemperatur!
• teils tägliche Zyklen: Nahrungsaufnahme innere Uhr
• gelegentliche Starre-Zustände sind möglich
Ziel: Gewährleistung einer ausgeglichenen Energiebilanz
Dysbalancen der Thermoregulation
Hypothermie (Unterkühlung)
• Absinken der Körperkerntemperatur unter den
unteren Grenzwert des normalen Regelbereiches
• Sollwert bleibt unverändert
• bei kalter Witterung
• auch bei Narkose oder postoperativ (neuronale Steuerung (sinkt))
Dysbalancen der Thermoregulation
Hyperthermie
• Erhöhung der Körperkerntemperatur über den normalen oberen Grenzwert ohne Erhöhung des Sollwertes Ö kein Fieber! • Unvermögen, Wärme abzugeben • wegen heißer klimatischer Bedingungen • wegen erhöhter Wärmebildung • wegen beidem • Bsp.: sportliche Dauerleistungen • mögliche Folge: „Hitzschlag“ • Herz-Kreislauf-Kollaps • Schädigung der Gehirnzellen: Krämpfe, Delirium)
Dysbalancen der Thermoregulation
Maligne Hyperthermie
Sonderform der Hyperthermie
• genetische Prädisposition (Pietrain)
• Punktmutation im Ryanodin-Rezeptor-Gen (RYR1)
• bei Stress (Porzines Stress-Syndrom)
• beim Einsatz bestimmter Narkotika (Halothan)
• Stoffwechselentgleisung in der Skelettmuskulatur
(Dauerkontraktion durch Störung des Ca2+-Transports) und
damit exzessive Wärmebildung
• schnelles Verenden möglich
