Facharbeit Biologie 2009 Auswirkungen der Umgebungstemperatur

Immanuel-Kant-Gymnasium Münster-Hiltrup
Schuljahr 2008/2009
GK Biologie 12.2
(Frau Steingaß)
Welche Auswirkungen hat die Umgebungstemperatur auf das
Kälte- und Wärmeempfinden der menschlichen Haut?
Facharbeit
von
Catharina Stuntz
Münster
März 2009
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
3
2. Aufbau und Funktion der Haut
4
2.1. Die verschiedenen Schichten der Haut
3. Sinnesrezeptoren
4
5
3.1. Die verschiedenen Sinnesrezeptoren
5
3.2. Eigenversuch „Wo befinden sich Thermorezeptoren auf der Haut?“
6
3.2.1. Durchführung
6
3.2.2. Beobachtung
6
3.2.3. Deutung
7
3.3. Thermorezeptoren
7
3.3.1. Kälte- und Wärmerezeptoren
7
4. Temperaturempfinden
8
4.1. Kälteempfinden
8
4.1.1. Kälteempfindlichkeit bei Frauen
9
4.1.2. Gründe für erhöhte Kälte- bzw. Wärmeempfindlichkeit
9
4.2. Versuchsreihe 1: „Wie verändert sich das Temperaturempfinden
bei Temperaturänderung (unter Berücksichtigung der Adaptionszeit)?“
10
4.2.1. Durchführung
10
4.2.2. Beobachtung
10
4.2.3. Deutung
11
4.3. Gründe für unterschiedliches Temperaturempfinden
5. Thermoregulation
11
12
5.1. Versuchsreihe 2: „Thermorezeptoren und die bewusste Wahrnehmung der Hauttemperatur als Hilfe für die Thermoregulation“
12
5.1.1. Durchführung
12
5.1.2. Beobachtung
13
5.1.3. Deutung
13
5.1.4. Thermoregulation als Steuerung der Hautdurchblutung
14
5.2. Gründe für falsche Thermoregulation
14
6. Schlussteil
15
7. Literaturverzeichnis
16
1. Einleitung
Schon seit Bekanntgabe der Facharbeitsfächer war mir bewusst, dass sich meine Facharbeit mit dem Schwerpunkt Haut beschäftigen sollte. Die Idee der jetzigen Themenabgrenzung kam mir, als ich - auf der Suche nach dem richtigen Thema - ein Buch über
Schülerversuche zu Hilfe genommen habe.
Da wir das Thema Physiologie und vor allem Sinnesphysiologie in der Schule noch
nicht behandelt haben, ergab meine Suche nach Material sehr viele neue Erkenntnisse
über ein weiteres Teilgebiet der Biologie. Persönlich hat mich dabei besonders der
Temperatursinn gereizt, da ich selber zu den Personen gehöre, denen grundsätzlich immer kalt ist und die kopfschüttelnd und zitternd die Leute betrachten, die selbst bei den
eisigsten Temperaturen im Unterricht im T-Shirt sitzen können.
Deshalb war es für mich besonders interessant zu klären, weshalb Menschen kalt oder
warm ist, was auf den Temperatursinn einwirken kann und wie verschiedene Menschen
gleiche Temperaturen unterschiedlich empfinden. Vor allem das Durchführen von Versuchsreihen bringt viele neue Erfahrungen, die man in der Schule im normalen Biologieunterricht nur selten machen kann. Mein Ziel war es deswegen vor allem, diesen
spezifischen Sinn im Hinblick auf das menschliche Empfinden anhand von zwei Versuchsreihen zu erforschen.
Das Auffinden einer auswertbaren Menge an Probanden stellte zunächst ein Problem
dar. Die größten Schwierigkeiten bereitete aber die Materialsuche, da viele für Schüler
verständliche Werke das Thema Sinnesphysiologie nur knapp an der Oberfläche anreißen. Im Endeffekt gelang es mir dennoch nützliche Werke und Materialien zu finden,
wobei mir vor allem ein Podcast1 sehr weitergeholfen hat.
Im Weiteren werde ich zuerst auf allgemeine Informationen zum Thema Haut sowie zu
den Sinnen bzw. Sinnesrezeptoren eingehen, um dann zu den beiden Versuchsreihen zu
kommen. Da die genaue wissenschaftliche Messung, wie kalt oder warm einem ist,
nicht anhand eines bestimmten Wertes messbar ist, beziehen sich meine beiden Versuchsreihen auf das subjektive Wahrnehmen der Probanden von unterschiedlichen
Temperaturen bzw. Temperaturänderungen. Hierbei werde ich insbesondere auf die
Versuchsdurchführung, auf Beobachtungen und deren Deutung eingehen. Danach werde
ich mit Hilfe von Fachliteratur noch weitere Informationen und Schwerpunkte zu dem
Oberthema der Versuchsreihen näher erläutern.
1
Radiowissen Temperaturempfinden, 2007
(im Folgenden gekennzeichnet als Radiowissen, 2007)
2. Aufbau und Funktion der Haut2
Die Haut ist ein lebenswichtiges und mit 1,5 m² bis 2 m² Oberfläche auch das größte
Organsystem unseres Körpers. Sie ist vor allem durch ihre Funktion als Schutzmantel
gegen äußere Einwirkungen von erheblicher Bedeutung für den Menschen. Des Weiteren ist die Haut für die Regulation des Wasserhaushaltes und unter anderem durch die
Schweißproduktion für die Thermoregulation zuständig.
2.1. Die verschiedenen Schichten der Haut
Die Haut setzt sich aus drei Schichten zusammen, die noch mal in Unterschichten eingeteilt werden. Von außen nach innen betrachtet besteht die Haut aus der Epidermis
(Oberhaut), der Dermis (Corium, Lederhaut) und der Subcutis (Unterhaut).
Die Epidermis teilt sich in das Stratum Corneum (Hornschicht), das den Körper bedeckt
und als „die Haut“ wahrgenommen wird. Da dies die einzige Schicht ist, die direkt an
der Oberfläche sichtbar ist, besteht sie aus abgestorbenen oder absterbenden verhornten
Zellen, die fortwährend abgeschilfert werden. Unter der Hornschicht befindet sich das
Stratum Germinativum (Keimschicht), eine tiefe und teilungsfähige Schicht, die vor
allem für den Zellennachschub zuständig ist.
Durch die sogenannte Basalmembran wird die Epidermis scharf von der Dermis getrennt. Allerdings grenzen die Bindegewebepapillen des Stratum Papillare (Papillarschicht) an die Epidermis. Da sich in der Epidermis keinerlei Blutzellen befinden, die
einen Weitertransport von Nährstoffen ermöglichen würden, dient das Stratum Papillare
hauptsächlich der Nährstoffversorgung der untersten Schicht der Epidermis. Ihre wellenartige Form ermöglicht hierbei eine bessere Kontaktfläche. Unter dem Stratum Papillare befindet sich das Stratum reticulare (Geflecht- oder Netzschicht), das aus einem
grobmaschigen Netzwerk von Bindegewebefasern besteht und der Haut so ihre Festigkeit verleiht.
Im Gegensatz zu der Epidermis gibt es bei der Dermis und der Subcutis einen fließenden Übergang. Die Subcutis besteht hauptsächlich aus lockerem Bindegewebe mit
eingelagerten Fettzellen, was für ihre Hauptfunktion als Wärmeisolation des Körpers
von großer Bedeutung ist. Des Weiteren ist sie Druckpolster der Haut und zuständig für
die Speicherung von Rest- bzw. Nährstoffen.
2
Grundlegende Zusammenhänge aus Kapitel 2 gebe ich wieder in Anlehnung an:
www.eucerin.de (21.2.2009), lexikon.meyers.de/wissen/haut (20.1.2009)
3. Sinnesrezeptoren3
Einige Sinneseindrücke, wie die Schwüle eines Sommertags, nehmen wir stärker wahr
als andere. Denn würden wir alle Sinneseindrücke bewusst wahrnehmen, die tagtäglich
aus der Umwelt auf uns einströmen, wären wir wohl hilflos überfordert. Um die lebenswichtigen Informationen von den alltäglichen „unwichtigen“, wie der Berührung
der Kleidung auf der Haut, zu differenzieren, gibt es überall in unserem Körper verschiedene Sinneszellen.
3.1. Die verschiedenen Sinnesrezeptoren4
In der Sinnesphysiologie unterscheidet man zwischen den vier wesentlichen Sinnesrezeptoren: den Chemorezeptoren, den Mechanorezeptoren, den Photorezeptoren und
den Thermorezeptoren. Sie alle befinden sich in Sinneszellen, die auf unterschiedlichste
Weise die Reize in eine neuronale Einheitssprache übersetzen und als elektronische
Impulse an das Gehirn weiterleiten, wo sie in Empfindungen rückübersetzt werden.
Die Chemorezeptoren befinden sich in der Nasenschleimhaut und in den Geschmacksknospen auf der Zunge und im Bereich des Gaumens. Sie reagieren auf chemische
Energie und sind für den Geruchs- und Geschmackssinn des Menschen zuständig. Im
Gehirn werden ihre weitergeleiteten Informationen in Geruchs- bzw. Geschmacksqualitäten umgewandelt. Die Photorezeptoren hingegen sind für den menschlichen Lichtund Sehsinn verantwortlich und kommen in der Retina (Netzhaut) des Auges vor. Sie
werden durch elektromagnetische Energien und optische Reize ausgelöst. Ein weiterer
großer Sinnesbereich wird durch die Mechanorezeptoren, die durch mechanische Energie gereizt werden, abgedeckt. Die Mechanorezeptoren sind für den Schall-, Gleichgewichts- und Tastsinn verantwortlich und decken so Empfindungen von Lautstärken,
Geräuschen, Haltung und Bewegung bis hin zu Druck- und Berührungsempfindungen
ab. Schmerzrezeptoren können sowohl zu den Mechanorezeptoren wie auch zu den anderen Arten von Sinnesrezeptoren gezählt werden, da sie auf Reize unterschiedlichster
Art wie Druck oder Temperaturen reagieren.
Grundlegende Zusammenhänge gebe ich wieder in Anlehnung an:
3
www.planet-wissen.de (21.2.2009)
4
Kleinert, 2005, S. 62, Probst, 2004, S. 148
3.2. Eigenversuch „Wo befinden sich Thermorezeptoren auf der Haut?“
Bei den Thermorezeptoren wird zwischen Kälte- und Wärmerezeptoren unterschieden.
Im Folgenden habe ich anhand eines Eigenversuches getestet, wo sich die Kälte- und
Wärmerezeptoren an der menschlichen Hand befinden und in welchem Verhältnis sie
zueinander stehen.
3.2.1. Durchführung 5
Für den Versuch verwendet man am besten Metallstricknadeln, da sie Hitze bzw. Kälte
gut weiterleiten können. Ebenfalls werden zwei Schalen, eine gefüllt mit Eiswürfeln, die
andere mit kochendem Wasser benötigt. Dazu kommen ein roter und ein blauer Filzstift
zur späteren Markierung der gefundenen Kälte- bzw. Wärmerezeptoren.
Um die Kälterezeptoren zu ermitteln, lässt man die Spitze der Stricknadeln für einige
Zeit in einer Schale mit Eiswürfeln liegen und führt sie dann unter Aufwendung von
leichtem Druck über den Handrücken. An einigen Stellen tritt bei Berührung mit der
kalten Metallstricknadel ein Kälteempfinden ein. Diese Stellen sind mit dem blauen
Filzstift zu markieren.
Danach wiederholt man den Versuch, um die Wärmerezeptoren zu finden. Dieses Mal
legt man die Stricknadeln allerdings in eine Schale mit kochendem Wasser und überprüft damit dann die Verteilung der Wärmerezeptoren am Handrücken wie beim ersten
Versuchsdurchgang. Die gefundenen Stellen, bei denen ein Wärmeempfinden ausgelöst
wird, markiert man mit dem roten Filzstift.
Dabei ist zu beachten, dass die Abstände, in denen die Stricknadel auf den Handrücken
gesetzt wird, nicht zu groß sind. Weiterhin sollte darauf geachtet werden, dass die
Stricknadeln häufig gewechselt werden, da sie sich ansonsten zu schnell erwärmen bzw.
abkühlen.
3.2.2. Beobachtung
Stößt die eiskalte bzw. heiße Stricknadel auf einen Thermorezeptor, setzt schlagartig ein
relativ kurz anhaltendes Kälte- bzw. Wärmeempfinden ein. Nach Durchführung des
Versuches an meinem linken Handrücken wurde eine deutliche Verteilung der Thermorezeptoren sichtbar6: auf 22 Wärmerezeptoren kommen 110 Kälterezeptoren.
5
6
Versuch aus: Wärme- und Kältepunkte auf der Haut. Versuchs- und Arbeitskartei Nr.55
S. Abb.1:Fotos vom Eigenversuch
3.2.3. Deutung
Auf 1 cm² der Handoberfläche kommen ca. drei bis fünf Kälterezeptoren. Wärmerezeptoren finden sich seltener. Dies weist darauf hin, dass Thermorezeptoren auf dem Handrücken in einem größeren Abstand verteilt sind als Thermorezeptoren, die sich um die
Mundregion befinden. Dort bilden sie eine einheitliche Sinnfläche, um die Nasenspitze
kommen beispielsweise zehn bis 13 Kälterezeptoren auf 1cm² Haut7.
Weiter wurde festgestellt, dass sich an einigen Stellen keine Thermorezeptoren befinden. Die rezeptorfreien Stellen verdeutlichen, dass an einigen Hautstellen kein
Temperaturempfinden aufkommt. Es finden auch keine Bereichüberschneidungen statt,
dort wo ein Kälterezeptor liegt, kommt gleichzeitig kein Wärmerezeptor vor.
3.3. Thermorezeptoren
Thermorezeptoren sowie das Temperaturempfinden sind Bereiche der Sinnesphysiologie und der Allgemeinmedizin, denen im Vergleich zu anderen Sinnen nicht sehr viel
Beachtung geschenkt wird.8 Fühlen gilt als eher „niedere Wahrnehmung“9.
3.3.1. Kälte- und Wärmerezeptoren
„Thermorezeptoren dienen zur Wahrnehmung von Temperaturänderungen bzw. zum
Erkennen von Temperaturunterschieden, in denen der Körper Energie aufwenden muss,
um die ideale Körpertemperatur aufrecht zu erhalten.“ 10 Diese Eigenschaften machen
die Thermorezeptoren unabdingbar für die Thermoregulation.
Bei den Thermorezeptoren unterscheidet man im Allgemeinen zwischen Kälte- und
Wärmerezeptoren (bzw. Kälte- und Wärmepunkte, -fühler, -sensoren). Wie der Großteil
der anderen Sinnesrezeptoren befinden sie sich in einer der Hautschichten. Kälterezeptoren liegen dicht unter der Epidermis und reagieren besonders empfindlich auf Temperaturen zwischen 20°C und 34°C. Die Wärmerezeptoren hingegen liegen tiefer in der
Haut: sie befinden sich in der Dermis. Sie springen bei Temperaturen von 37° C bis ca.
43° C an. Liegt die Umgebungstemperatur deutlich unter oder über diesen Werten
springen die Nozizreptoren an. Der Mensch empfindet dann anstatt Kälte bzw. Wärme
Schmerz.
7
Wert von de.wikipedia.org/wiki/Thermorezeption (22.2.2009)
Vgl. Radiowissen, 2007
9
www.planet-wissen.de (21.2.2009)
10
www.studentenlabor.de (7.2.2009), sowie grundlegende Zusammenhänge von 3.3.1. gebe ich wieder in
Anlehnung an: www.studentenlabor.de (7.2.2009), Schmidt/Schaible, 2000, S. 241,
lexikon.meyers.de/wissen/Thermorezeptoren (20.1.2009)
8
Neben den Thermorezeptoren, die in der Körperperipherie liegen (Thermoexterorrezeptoren oder Außenrezeptoren), die auf Temperaturreize der Umwelt reagieren und dem
Gehirn Information über die Temperatur von Gegenständen geben, gibt es auch Thermoenteorrezeptoren (Innenrezeptoren). Sie übernehmen die Kontrolle der Temperatur
im Körperinnern, vor allem der des Blutes. Während des Eigenversuches aus 3.2. wurden die Thermoexterorrezeptoren untersucht.
Thermorezeptoren melden dem Körper, ob es kalt oder warm ist. Sie sind mit darunterliegenden Nervenzellen verbunden, die jede Temperaturänderung über das Rückenmark
an das Gehirn weitergeben. Da es sich bei diesen Rezeptoren um phasisch-tonische Rezeptoren handelt, ist die Impulsfrequenz bei gleichbleibender Dauerreizung zunächst
hoch, um dann auf eine niedere, konstante Frequenz abzufallen11.
4. Temperaturempfinden
Bei der Reizqualität der Thermorezeptoren wird zwischen Wärme- und Kältesinn unterschieden, folglich wird das Temperaturempfinden in das sogenannte Kälte- bzw. Wärmeempfinden aufgeteilt. Das Temperaturempfinden wird von jeder Person subjektiv
und individuell wahrgenommen. Während der eine schon im dicken Winterpulli zittert,
ist für einen anderen das T-Shirt gerade gut genug.
4.1. Kälteempfinden 12
Wenn es kälter wird, verliert der unbekleidete Körper mehr Wärme, als er erzeugen
kann.13 Er friert. Da die Menschen im Gegensatz zu den Tieren kein Fell haben, mit
dem sie sich gegen die Kälte schützen können, versuchen sie, dieses durch Kleidung zu
ersetzen. Hilft auch die nicht, fängt der Körper an zu zittern. Das Zittern ist eine Schutzreaktion des Körpers, bei der die Muskeln aktiviert werden um Wärme zu erzeugen. Die
Wärmeproduktion kann so auf das Doppelte gesteigert werden. Die letzte Möglichkeit
ist es den Körper in Bewegung zu setzten. Ansonsten würde auf Dauer die Feinmotorik
versagen, das bedeutet ein Taubwerben der Körperextremitäten. Bei einer Untertemperatur von 34°C verlieren wir sogar die Sprache.14 Temperaturen, die noch tiefer gehen,
sind für den Menschen bereits lebensbedrohlich.
11
vgl. Schroedel, 2005, S. 35
Grundlegende Zusammenhänge von 4.1.( auch 4.1.1.) gebe ich wieder in Anlehnung an :
Radiowissen, 2007 und www.bayern-online.de (8.3.2009)
13
Vgl. Radiowissen, 2007
14
Vgl. Radiowissen, 2007
12
Der Mensch kann allerdings wesentlich besser kalte Temperaturen ertragen als warme.
Das liegt daran, dass der Mensch nur einen Körpertemperaturanstieg von 5°C verträgt,
da sonst das Eiweiß im Körper gerinnt (bei 42°C). Dies ist auch der Grund, weshalb zu
hohes Fieber für den Menschen tödlich sein kann. "Darum muss sich der Körper als
erstes gegen Wärme schützen." 15
4.1.1. Kälteempfindlichkeit bei Frauen
Mittlerweile ist es wissenschaftlich bewiesen, dass Frauen kälteempfindlicher sind als
Männer. Es handelt sich folglich nicht nur um ein dummes Gerücht, dass Frauen schneller frieren. Weshalb das so ist, „[…] liegt unter anderem daran, dass Frauen einen angeregteren Stoffwechsel haben und dadurch mehr Wärme verbrauchen. Dann essen sie
auch […] weniger als Männer, haben [deshalb][…] weniger Fett und produzieren weniger innere Wärme und haben dort […] ein gewisses Defizit[…]“16 Verstärkt wird dieses
„Defizit“ auch dadurch, dass viele junge Frauen „falschen Schönheitsideale“ haben. Sie
wollen um jeden Preis schlank sein und greifen deshalb oft zu falschen Lebensmitteln.17
Gibt es nicht genügend Fett bzw. Muskeln, kann keine innere Wärme produziert werden. Das Verhältnis von Fett zu Muskelmasse ist ausschlaggebend für kalte Gliedmaßen. Denn Muskeln produzieren selbst im Ruhezustand Wärme und Männer weisen
bekanntlich durchschnittlich mehr Muskeln auf als Frauen, was ihnen hierbei einen klaren Vorteil verschafft.
Ein anderer Grund, weswegen das weibliche Geschlecht schneller friert, ist, dass die
Hautoberfläche bei Frauen im Verhältnis zum Körpervolumen größer ist, was einen
schnelleren Wärmeverlust fördert. Weiterhin weisen Frauen eine andere Hautstruktur
auf als Männer. Sie haben eine eher dünne Haut, die mehr Thermorezeptoren aufweist.
Somit kann Kälte schneller eindringen, weil die Thermorezeptoren, die aufgrund der
anderen Hautstruktur näher an der Hautoberfläche liegen, schneller anschlagen.
4.1.2. Gründe für erhöhte Kälte- bzw. Wärmeempfindlichkeit18
Viele Allgemeinmediziner rechnen Kälte- bzw. Wärmeempfindlichkeit keine allzu hohe
Bedeutung an. Für sie wird es erst dann interessant, wenn sich dies auf den Krankheitswert auswirkt, z.B. durch hohes Fieber oder Unterkühlung.
15
Dr. Angela Schuh in Radiowissen, 2007
Aus Interview von Dr. Angela Schuh, Radiowissen, 2007
17
Aus Interview von Dr. Michael Wullinger, Radiowissen, 2007
18
Grundlegende Zusammenhänge von 4.1.2. gebe ich in Anlehnung an: Radiowissen, 2007
16
Hat man dennoch das Gefühl, stark unter Temperaturempfindlichkeit zu leiden, sollte
man sich auf Gründe für eine erhöhte Kälte- bzw. Wärmeempfindlichkeit testen lassen.
„Dahinter könnten [unter anderem]eine Fehlfunktion der Schilddrüse, Diabetes oder
hormonelle Probleme stecken. Meist ist die Ursache jedoch unbedenklich: Wir sind die
Kälte einfach nicht mehr gewohnt.“19 (s. auch 5.2.)
4.2. Versuchsreihe 1: „Wie verändert sich das Temperaturempfinden bei Temperaturänderung (unter Berücksichtigung der Adaptionszeit)?“
Im Folgenden habe ich mithilfe des Dreischalenversuchs von Weber untersucht, wie
sich das Temperaturempfinden bei unterschiedlicher Temperatur verhält und wie viel
Zeit nach einer Reizung der Kälte- bzw. Wärmerezeptoren benötigt wird, um sich an
eine mittlere Temperatur anzupassen.
4.2.1. Durchführung20
Man benötigt drei große Gefäße sowie ein Thermometer.
In zwei Gefäße wird ca. drei Liter Wasser gefüllt, wobei in eins sehr warmes Wasser
von 45 °C - 48 °C und in das andere sehr kaltes von 12 °C - 15 °C gefüllt wird. In das
dritte Gefäß kommt eine Mischung mit dem Verhältnis von 1:1 (ungefähr 30°C) aus den
ersten beiden Gefäßen. Der Wasserstand sollte in allen drei Gefäßen gleich hoch sein.
Man positioniert die Gefäße so, dass das Gefäß mit dem sehr warmem Wasser links und
das mit dem sehr kalten Wasser rechts von dem dritten Gefäß mit dem Mischwasser
steht.
Nun wird die linke Hand in das linke Gefäß und die rechte in das rechte Gefäß eingetaucht. Im ersten Durchgang werden beide Hände nach einer Zeit von ca. fünf Sekunden
in das Mischwasser getaucht. Beim zweiten Durchgang nach einer Zeit von ca. 15 Sekunden. Der Versuch wurde mit fünf verschiedenen Probanden unterschiedlichen Alters
und Geschlecht durchgeführt.
4.2.2. Beobachtung
Alle fünf Probanden haben die gleichen Empfindungen: Die Hand, die aus dem Gefäß
mit dem sehr warmen Wasser kommt, empfindet das Mischwasser als kalt, wohingegen
die Hand aus dem Gefäß mit dem sehr kalten Wasser dieses als sehr warm wahrnimmt.
19
20
www.br-online.de, 2008
Versuch aus: Schmidt/Schaible, 2000, S.242
Nach einiger Zeit kommt es allerdings zum Erlöschen der Warm- bzw. Kaltempfindung,
da sich die Hände an das Mischwasser gewöhnt haben. Es kann allerdings Folgendes
beobachtet werden: Je länger die Hände zuvor in dem kalten bzw. warmen Wasser geblieben sind, desto höher ist die Adaptionszeit (s.Abb.2a-c im Anhang).
4.2.3. Deutung
Der Versuch zeigt, dass die Thermorezeptoren Temperaturänderungen sehr viel stärker
wahrnehmen als statische Temperaturen. Während nach einiger Zeit ein Indifferenzbereich des Temperaturempfindens im Mischwasser auftaucht, reagieren die Thermorezeptoren bei der Temperaturänderung sehr viel empfindlicher.21
Von beiden Händen wird zunächst eine vermeintlich unterschiedliche Temperatur des
Mischwassers wahrgenommen, was daran liegt, dass zuvor bei der linken Hand die
Wärmerezeptoren stärker gereizt worden sind und bei der rechten Hand die Kälterezeptoren. Bis beide Hände das Mischwasser als neutral wahrnehmen, müssen sich die Rezeptoren auf unterschiedliche Weise an die Temperaturänderung adaptieren. Die aktivierten Wärmerezeptoren der linken Hand, werden bei Eintauchen in das Mischwasser
von den Kälterezeptoren „abgelöst“ und andersherum. Die erhöhte Adaptionszeit ist
damit zu erklären, dass die unterschiedlichen Thermorezeptoren stärker gereizt sind. Je
länger die Reizung stattfindet, desto größer ist die Zeitspanne des Abklingens der Reizung.
4.3. Gründe für unterschiedliches Temperaturempfinden22
Neben der allgemeinen individuellen, subjektiven Wahrnehmung von Kälte und Wärme
spielen andere, physiologische Faktoren eine große Rolle bei dem Empfinden von Temperatur. Das Temperaturempfinden ist unter anderem abhängig „ […] von der Konstitution […] von der Fettschicht […], die man unter der Haut hat [und] vom Trainingszustand“23. Fettpolster beispielsweise isolieren gegen Kälte und verringern somit die
Wärmeleitung nach außen. Aber selbst der Stoffwechsel, Blutdruck und Gewicht sind
hier von Bedeutung. Grundsätzlich allerdings haben wir das Temperaturempfinden sowie die ganze Thermoregulation geerbt.
21
Vgl. auch Versuchsergebnis von Schmidt/Schaible, 2000, S. 242
Grundlegende Zusammenhänge von 4.3. gebe ich wieder in Anlehnung an: Radiowissen, 2007
23
Aus Interview mit Dr. Angela Schuh in Radiowissen, 2007
22
5. Thermoregulation
Die Thermoregulation ist für die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur zuständig,
folglich ein Schutzmechanismus gegen Unterkühlung bzw. Überhitzung.24
5.1. Versuchsreihe 2: „Thermorezeptoren und die bewusste Wahrnehmung der
Hauttemperatur als Hilfe für die Thermoregulation“
Die Thermoregulation des menschlichen Körpers geht vom Hypothalamus aus, der stark
mit emotionalen Reaktionen verbunden ist. Er übernimmt hierbei die Funktion des
Temperaturreglers, indem er die aktuelle Temperatur der Körperoberfläche durch die
Thermorezeptoren der Haut des Körperkerns über die Nervenbahnen empfängt. „Abweichungen der […] zu regelnden Größe vom Soll-Wert rufen […] Unlustgefühle hervor. Sinnesreize, die eine Rückführung […] zum Soll-Wert signalisieren, hingegen
Lustgefühle.“25
Im Folgenden habe ich dieses Phänomen der Thermoregulation mit Hilfe von subjektiven Wahrnehmungen der Temperatur anhand einer Versuchsreihe untersucht. Der Versuch wurde mit sechs Probanden (teilweise andere Probanden als bei Versuchsreihe 1)
durchgeführt, die gleichen Geschlechts sowie ungefähr gleichen Alters waren.
5.1.1. Durchführung26
Für den Versuch benötigt man eine große Schüssel, fünf weitere Gefäße, in die mindestens eine Hand ganz hinein passt, sowie einen Fön. In die große Schüssel wird Wasser
gefüllt, welches mit Hilfe von Eiswürfeln auf 0°C heruntergekühlt wird. In die anderen
fünf Gefäße wird jeweils Wasser mit unterschiedlicher Temperatur gefüllt, von 10°C bis
50°C (in 10°C-Schritten).
Überprüfung der Kälterezeptoren: Die Hände der Probanden werden mit Hilfe des
durch Eiswürfel stark abgekühlten Wassers unterkühlt. Danach tauchen die Probanden
ihre Hände jeweils in eines der Gefäße, die mit unterschiedlich temperiertem Wasser
gefüllt sind, ein. Adaptiert die Hand zu schnell an die des Wassers in einem der fünf
Gefäße, muss sie nochmals „unterkühlt“ werden. Danach geben die Probanden eine
persönliche Einschätzung der Temperatur des Wasserbades ab, bewertet auf einer hedonistischen Skala von sehr unangenehm bis sehr angenehm.
24
Vgl. de.wikipedia.org/wiki/Thermorezeption (22.2.2009)
Schmidt/Schaible, 2000, S. 254
26
Versuch aus sowie Einleitung 5.1. in Anlehnung an: Schmidt/Schaible, 2000, S. 254f.
25
Überprüfung der Wärmerezeptoren: Anstatt die Hände zu unterkühlen, werden nun die
Hände der Probanden mit Hilfe des Föns erhitzt bzw. überhitzt. Danach läuft der Versuch wie bei der Überprüfung der Kälterezeptoren ab.
5.1.2. Beobachtung
Überprüfung der Kälterezeptoren: Am unangenehmsten empfanden alle Probanden das
Eintauchen in das Wasserbad mit 50°C (mit „sehr unangenehm“ bewertet) sowie das
Wasserbad mit 10°C. Die angenehmste Temperatur wurde durchschnittlich bei dem
Gefäß mit der Temperatur von 40°C empfunden. Neutral hingegen war das Empfinden
bei dem 20°C warmen Wasser. (s.Abb.3a-c im Anhang)
Überprüfung der Wärmerezeptoren: Hier stellte sich ein Fehler im Versuchsaufbau heraus: Die durch den Fön überhitzen Hände hatten sich auf dem Weg bis zu den Gefäßen
mit dem unterschiedlich temperierten Wasser bereits auf die normale Raumtemperatur
abgekühlt. Auch bei der Wiederholung des Versuchs mit der Hälfte der Probanden (anstelle des Föns wurden die Hände dieses Mal mit 45°C warmen Wasser überhitzt) entstand kein eindeutiges Ergebnis, da die Wärmerezeptoren nicht stark genug gereizt werden konnten ohne dass die Hände der Probanden verbrüht wären.
Deshalb bezieht sich die Deutung nur auf die Ergebnisse der Überprüfung der Kälterezeptoren.
5.1.3. Deutung
Die Verteilung der emotionalen Einschätzungen der Probanden mit den unterkühlten
Händen stimmt recht gut mit den statischen Kennlinien (zeigen den Bereich, in denen
die Wärmerezeptoren anspringen) der Wärmerezeptoren überein.27 (Wäre der Versuch
mit den Wärmerezeptoren gelungen, hätte eine Übereinstimmung der emotionalen Einschätzung mit den statischen Kennlinien der Kälterezeptoren stattgefunden.28) Das liegt
daran, dass die während der Unterkühlung durch das Eiswasser aktivierten Kälterezeptoren nun durch die Wärmerezeptoren „abgelöst“ werden. Diese springen an, da sich die
Umgebungstemperatur der Haut wieder erwärmt. Die angenehmste Temperatur entspricht so auch dem Temperaturwert, bei dem die Wärmerezeptoren am aktivsten sind.
27
28
S. Abb. 3d im Anhang
Nach Versuchsergebnis Schmidt/Schaible, 2000, S. 255
5.1.4. Thermoregulation als Steuerung der Hautdurchblutung29
Wie bereits am Anfang des Kapitels erwähnt, ist die Thermoregulation die Wärmeregulation des menschlichen Körpers. Das bedeutet, dass der Körper auf warme oder
kalte Umgebungstemperaturen entsprechend schnell und effektiv reagieren kann. Dies
geschieht durch eine Regelung der Hautdurchblutung mit Hilfe der Hautgefäße, die auf
Reizung der Kälte- und Wärmerezeptoren unterschiedlich reagieren.
Bei Erwärmung der Außentemperatur (wie in der Versuchsreihe) schlagen die Wärmerezeptoren an. Es kommt zu einer Vasodilation (Erweiterung der Hautgefäße) Daraufhin
steigt die Durchblutung der Haut und das Blut kann so vom Körperinnern Wärme an die
Haut transportieren. Wird die Umgebungstemperatur zu warm, so wird die transportierte
Wärme als Schweiß wieder verdunstet.
Die Kälterezeptoren haben die genau gegenteilige Wirkung auf die Hautgefäße. Bei
kalter Umgebungstemperatur verengen sich die Hautgefäße, eine sogenannte Vasokonstriktion findet statt. Dass durch die Haut fließende Blut wird somit in das Körperinnere umgeleitet, damit es von der kalten Körperperipherie abgeschottet ist und dort
seine Wärme behält. Dies ist für den Körper lebensnotwendig, da er so lebenswichtige
Organe wie Leber, Herz oder Niere schützen kann, die sonst unterkühlen würden.
5.2. Gründe für falsche Thermoregulation und Behandlungsmöglichkeiten
Obwohl die Thermoregulation größtenteils vererbt wird, hat sich diese Fähigkeit bei
heutigen Menschen doch im Allgemeinen in den Jahren zunehmend verschlechtert.
Das liegt hauptsächlich daran, dass Menschen und vor allem Kinder sich zu selten an
der frischen Luft bewegen und somit keinen Wetterschwankungen mehr ausgesetzt sind.
Den gleichen Effekt haben Klimaanlagen und Heizungen. Aber auch falsche Kleidung
kann Grund für eine fehlerhafte Thermoregulation sein. Eine fehlerhafte Thermoregulation drückt sich vor allem durch einen Trainingsmangel der Gefäße aus. Der Körper
kann sich nicht mehr schnell genug an Temperaturschwankungen anpassen.
Allerdings gibt es gegen falsche Thermoregulation Behandlungsmöglichkeiten. Am
effektivsten ist Training des Herz-Kreislaufsystems. Abhärtung durch kurze, intensive
Reize von kaltem Wasser. Dadurch lernen die Hautgefäße schneller und ökonomischer
zu reagieren und können beispielsweise bei Kältereizen ein schnelleres Wärmen des
Körpers veranlassen.30
29
30
In Anlehnung an Radiowissen, 2007, de.wikipedia.org/wiki/Thermoregulation (4.3.2009)
In Anlehnung an Radiowissen, 2007
6. Schlussteil
Nach Auswertung aller Materialien und Versuchsreihen kann man sagen, dass die Umgebungstemperatur eine erhebliche Rolle dabei spielt, ob dem Menschen warm oder kalt
ist. Auch wenn das Empfinden von Kälte oder Wärme weitestgehend emotional und
subjektiv bestimmt wird, ist die Umgebungstemperatur entscheidend zum Aktivieren
der Kälte- bzw. Wärmerezeptoren. Kälterezeptoren springen an, wenn sich die Umgebungstemperatur abkühlt, Wärmerezeptoren beim Erwärmen. Werden diese allerdings
nicht aktiviert, können keine Informationen an das Gehirn gelangen und der Körper
könnte sich nicht auf Temperaturänderungen einstellen. Die damit zusammenhängende
Thermoregulation aber ist notwendig, damit sich die Hautgefäße auf die unterschiedlichen Umgebungstemperaturen einstellen können: entweder durch Ausdehnung oder
durch Verengung. Dadurch wird der Körper bei zu heißen Temperaturen durch Transpiration abgekühlt, bei zu kalten wird die Wärme im Körper behalten. Folglich handelt es
sich um einen Schutzmechanismus, der dafür sorgt, dass alle Organe im Körper richtig
arbeiten können.
Allerdings funktioniert die Thermoregulation, bedingt durch den technischen Fortschritt, andere Erziehungsmethoden und Lebensgewohnheiten sowie ein falsches
Schönheitsideal, in der heutigen Zeit nicht mehr immer optimal. Dies führt dazu, dass
sich der Körper auch nicht mehr schnell genug auf die Umgebungstemperatur einstellen
kann.
Nichtsdestotrotz ist die Umgebungstemperatur ausschlaggebend dafür, ob wir uns den
dicken Winterpulli überstreifen oder doch eher zum luftigen Sommerrock greifen.
Bei Beginn meiner Arbeit war mir nicht bewusst, wie umfangreich das Thema, das sich
hinter der doch eher simplen Fragestellung verbirgt, wirklich ist. Deswegen bin ich
recht froh, dass ich mich im Endeffekt doch auf eine Themeneingrenzung eingelassen
habe und nicht bei „Irgendetwas mit Haut“ geblieben bin.
Auch wenn mein vorrangiger Wunsch, während meiner Facharbeit ein Parfüm oder eine
Creme herzustellen, auf wenig Begeisterung stieß, kann ich am Ende meiner Arbeit sagen: Dieses Thema hat sich für mich persönlich als das richtige und vor allem interessantere und besser realisierbare erwiesen.
Jetzt kann ich zumindest wissenschaftlich fundiert darüber philosophieren, weshalb mir
kalt oder warm ist. Das ändert im Endeffekt zwar nichts an dem Zustand, wohl aber am
Bewusstsein.
Literaturverzeichnis
Primärliteratur
Schmidt, Professor Dr. Dr. H.C. Robert F. / Schaible, Professor Dr. Hans-Georg:
Neuro- und Sinnesphysiologie. 4. Auflage, Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona;
Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 2000
Sekundärliteratur
Erdmann, Andrea u.a.: Materialien SII Biologie. Neurobiologie. Neurophysiologie und
Verhalten. Braunschweig, Schroedel, 2005
Kleinert, Reiner u.a.: mentor Abiturhilfe Biologie Oberstufe Nerven, Sinne, Hormone.
München: mentor Verlag GmbH, 2005
Probst, Professor Dr. Wilfried u.a.: Duden Abiturwissen Biologie. Berlin: PAETEC;
Mannheim: Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, 2004
Internetquellen
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– Von Frostbeulen und Hitzköpfen Stand: 15.1.2008
Zusammenfassung von Radiowissen Temperaturempfinden von Dezember 2007.
http://www.br-online.de/bayern2/radiowissen/temperatur-kaelte-waermeID1200390789408.xml
http://www.eucerin.de (21.2.2009). Beiersdorf AG: Alles über die Haut. Haut und
Hautzellen. Aufbau der Haut. Letztes Update: 2001
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http://lexikon.meyers.de/wissen/Haut (20.1.2009). Alleweldt LL.M., PD Dr. Ralf u.a.:
Haut (Sachartikel). Anatomie, Morphologie bei Tier und Mensch.
© von Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG 2008
http://lexikon.meyers.de/wissen/Haut+%28Sachartikel%29+Anatomie%2C+Morpholog
ie+bei+Tier+und+Mensch
http://lexikon.meyers.de/wissen/Thermorezeptoren (20.1.2009). Alleweldt LL.M.,
PD Dr. Ralf u.a.: Thermorezeptoren.
© von Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG 2008
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http://www.planet-wissen.de (21.2.2009). Von Sengbusch, Julia: Fühlen – Der unterschätze Sinn. Stand vom 1.6.2007
http://www.planetwissen.de/pw/Artikel,,,,,,,2DD6C4C5B29F63F4E0440003BA5E0921,,,,,,,,,,,,,,,.html
http://www.studentenlabor.de (7.2.2009). Kretz, Melanie: Thermorezeption
www.studentenlabor.de/ss04block/thermorezeption.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermorezeption (22.2.2009). Kein Autor: Thermorezeption. Letzte Änderung: 2.3.2009
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermorezeption
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoregulation (4.3.2009). Kein Autor: Thermoregulation. Letzte Änderung: 23.2.2009
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoregulation
Sonstige Quellen
Radiowissen Temperaturempfinden. Podcast von Bayern 2 Dezember 2007
http://gffstream8.vo.llnwd.net/e1/imperia/md/audio/podcast/import/2007_12/2007_12_19_15_46_15_r
adiowissen_temperaturempfinde_a.mp3
Wärme- und Kältepunkte auf der Haut. Versuchs- und Arbeitskartei Nr.55
CVK Biologie, Humanbiologie
Anhang: Versuchsreihen
Abb. 1a Eigenversuch: Thermorezeptoren
Abb. 1b Eigenversuch: Thermorezeptoren
Versuchsreihe 1:
Proband 1
Proband 2 Proband 3
Proband 4
Proband 5
AZ nach 5 sec
50 sec
52 sec
48 sec
30 sec
20 sec
AZ nach 15 sec
160 sec
60 sec
75 sec
35 sec
40 sec
Abb. 2a: Adaptionszeit für das Mischwasser der fünf Probanden nach fünf bzw. 15
Sekunden in den Gefäßen mit dem sehr kalten und sehr warmen Wasser
180
160
140
120
100
5 sec
80
15sec
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
Abb. 2b: graphische Darstellung: Adaptionszeit für das Mischwasser der fünf Probanden nach fünf bzw. 15 Sekunden in den Gefäßen mit dem sehr kalten und sehr
warmen Wasser
Durchschnittswert
AZ nach 5 sec
40 sec
AZ nach 15 sec
74 sec
Abb. 2c: durchschnittliche Adaptionszeit für das Mischwasser der fünf Probanden
nach fünf bzw. 15 Sekunden in den Gefäßen mit dem sehr kalten und sehr warmen
Wasser
Versuchsreihe 2:
Proband 1
Proband 2
Proband 3
Proband 4
Proband 5
Proband 6
10°
1
1
1
1
1
1
20°
3
2
2
2
2
2
30°
2
3
4
3
3
4
40°
4
4
3
4
4
3
50°
0
0
0
0
0
0
Abb. 3a. Einschätzung der sechs Probanden der Temperatur nach Eintauchen in
die unterschiedlichen Gefäße, in welche die unterkühlte Hand getaucht wurde.
(Einschätzung von 0=sehr unangenehm bis 4=sehr angenehm)
10°C
Durchschnittswert 1
20°C
30°C
40°C
50°C
2,17
3,17
3,67
0
Abb. 3b. durchschnittliche Einschätzung der sechs Probanden der Temperatur nach Eintauchen in die unterschiedlichen Gefäße, in welche die unterkühlte Hand getaucht wurde. (Einschätzung von 0=sehr unangenehm bis 4=sehr angenehm)
4
3,5
3
2,5
durchscnittliche subjektive
Einschätzung der Probanden
2
1,5
1
0,5
0
10°
20°
30°
40°
50°
Abb. 3c. graphische Darstellung der durchschnittlichen Einschätzung der sechs Probanden der Temperatur nach Eintauchen in die unterschiedlichen Gefäße, in welche die
unterkühlte Hand getaucht wurde. (y-Achse: Einschätzung von 0=sehr unangenehm bis
4=sehr angenehm)
Abb. 3d. Schematische Darstellung der statischen Kennlinien
der Kalt- und Warmrezeptoren
(aus Schmidt/Schaible, 2000)