Hitzestress beim Menschen
Menschen sind erstaunlich komplexe und kreative Wesen, die in der Lage sind, in den extremsten Umgebungen unseres Planeten zu überleben. Durch physikalische Prozesse, kulturelle Anpassungen und menschlichen Einfallsreichtum gedeiht unsere Spezies überall – von der Hitze äquatorialer Dschungel bis hin zu subtropischen Wüsten. Dieser Artikel führt in die komplexen und faszinierenden Grundlagen der menschlichen Thermophysiologie ein und vermittelt ein grundlegendes Verständnis dafür, wie sich Menschen an hohe Temperaturen anpassen und unter extremen Hitzebedingungen überleben.
Grundlagen der metabolischen Wärme
Auf grundlegender Ebene sind alle Säugetiere Wärmemotoren, die Brennstoff verbrennen, um Arbeit zu verrichten. Um dies zu verdeutlichen, betrachten wir den Vergleich mit einem Verbrennungsmotor. Motoren verbrennen Benzin (oder Diesel) wegen der hohen Energiedichte, die in Kohlenwasserstoffen gespeichert ist.[1] Ähnlich wie ein Automotor, der Benzin verbrennt, um Arbeit zu leisten, wandelt der menschliche Körper die chemische Energie der Nahrung, die wir zu uns nehmen (Fette, Proteine und Kohlenhydrate), in biologische Funktionen um, die für das tägliche Leben erforderlich sind. In beiden Fällen – im Auto wie im Körper – setzt dieser Prozess Wärme frei; beim Menschen nennt man dies metabolische Wärme. Da Menschen keinen mechanischen Kühler wie ein Auto haben, verlassen sie sich auf weitaus anpassungsfähigere und faszinierendere Methoden, um diese Wärme zu verteilen oder zu vermeiden. Wenn jedoch – wie bei einem überlasteten Motor – der menschliche Körper mehr Wärme erzeugt, als er abgeben kann, funktionieren die biologischen Prozesse nicht mehr richtig. Beim durchschnittlichen Auto bedeutet das, dass man einen Abschleppdienst rufen muss. Beim Menschen kann das Überschreiten der Fähigkeit zur Abgabe metabolischer Wärme tödlich sein.
Ein biologisches Erfordernis für jeden Menschen ist die Aufrechterhaltung einer stabilen Körperkerntemperatur, wodurch wir (und andere Säugetiere) als Endothermen klassifiziert werden (vom Griechischen endo für „innen“ und therm für „Wärme“). Die Temperatur liegt im Allgemeinen bei etwa 37 °C, wobei es je nach individuellen Faktoren und Tageszeit eine geringe Schwankung von etwa 0,6 °C gibt. Je weiter die Körperkerntemperatur von diesem Bereich abweicht, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit negativer gesundheitlicher Folgen. Wenn die Kerntemperatur zu stark sinkt, erleben wir einen Zustand, der als Hypothermie bekannt ist (griechisch für „unterhalb der Wärme“), mit Symptomen, die von Zittern bis zur Bewusstlosigkeit und zum Tod reichen. Die Kerntemperatur kann überraschend stark abfallen, bevor sie tödlich wird. Im Jahr 1999 wurde eine schwedische Frau wiederbelebt, nachdem sie unter dem Eis gefangen war – trotz einer Körpertemperatur von 13,7 °C, also 23 °C unter dem Normalwert!
Am anderen Ende des Spektrums bezeichnet man Hyperthermie (griechisch für „über der Wärme“) als eine abnorm hohe Körpertemperatur, die durch die Unfähigkeit des Körpers verursacht wird, Wärme abzugeben. Es besteht ein Unterschied zwischen dem Anstieg der Kerntemperatur durch Hyperthermie und demselben Zustand infolge von Fieber. So unangenehm ein Fieber auch sein mag – es ist beabsichtigt; unser Körper stellt seinen internen Thermostat absichtlich als Reaktion auf eine Infektion um. Im Gegensatz dazu resultiert Hyperthermie aus der Unfähigkeit des Körpers, trotz aller Bemühungen die gewünschte stabile Temperatur aufrechtzuerhalten; unser interner Thermostat bleibt bei etwa 37 °C, aber die Kerntemperatur steigt trotzdem an.
Da sowohl zu heiß als auch zu kalt tödlich sein kann, ist es nicht überraschend, dass der Mensch eine klimatische Nische hat – eine Art „Goldlöckchen-Zone“, in der die Temperaturen im Allgemeinen weder zu heiß noch zu kalt sind, um tödlich zu sein. Diese Nische liegt bei einer durchschnittlichen Jahrestemperatur von etwa 11–15 °C. Natürlich leben Menschen auch außerhalb dieses Bereichs – man denke an indigene Bevölkerungen in der Arktis oder in der Kalahari-Wüste, die beide sehr unterschiedliche kulturelle Praktiken entwickelt haben – aber im globalen Maßstab konzentrieren sich Bevölkerungen auch heute noch in Teilen der Welt mit einer durchschnittlichen Jahrestemperatur in diesem Bereich.
Hyperthermie und Hitzekrankheit
Wenn die Fähigkeit des Körpers, eine stabile Kerntemperatur aufrechtzuerhalten, überfordert ist, wird Hitzekrankheit zu einem bedeutenden Gesundheitsproblem. Hitzekrankheiten treten in einem Spektrum auf, das von relativ milden Zuständen wie Hitzekrämpfen und Hitzesynkope (d. h. Ohnmacht durch Hitze) bis hin zum Hitzschlag reicht – einem medizinischen Notfall, der sich unter anderem durch Funktionsstörungen des zentralen Nervensystems (d. h. Delirium, Krämpfe und Koma) sowie potenziell durch Tod auszeichnet. Hitzekrankheit ist auch in den Vereinigten Staaten eine reale und wachsende Herausforderung; das Center for Disease Control berichtet, dass es im Jahr 2023 119.605 Notaufnahmen aufgrund hitzebedingter Erkrankungen gab – mit rekordheißen Monaten von Mai bis September, die zu rekordhohen Fallzahlen führten.
Überlebende eines Hitzschlags weisen häufig langfristige neurologische und organische Komplikationen auf. Der Hitzschlag selbst wird in zwei Arten unterteilt: anstrengungsbedingte und nicht-anstrengungsbedingte Hitzekrankheit. Obwohl beide auf die Unfähigkeit des Körpers zurückzuführen sind, einen Anstieg der Kerntemperatur zu verhindern, unterscheiden sich die ursächlichen Mechanismen.
Nicht-anstrengungsbedingter Hitzschlag tritt hauptsächlich bei älteren Menschen und sehr jungen Kindern auf. In dieser Bevölkerungsgruppe sind die Reaktionsmechanismen des Körpers zur Abkühlung – wie erhöhte Herzfrequenz und Schwitzen – aufgrund des fortgeschrittenen Alters oder unreifer biologischer Reaktionen eines Kindes eingeschränkt. Äußere Faktoren wie Temperatur sind die Hauptursache für den Anstieg der Kerntemperatur. Um unsere Auto-Analogie fortzusetzen: Beim nicht-anstrengungsbedingten Hitzschlag ist der „Kühler“ des Körpers abgenutzt oder funktioniert nicht vollständig. Ein hoher Anteil der Todesfälle während der tödlichsten Hitzewellen der letzten Zeit – darunter mehr als 30.000 Todesfälle während einer europäischen Hitzewelle im Jahr 2003 und mehr als 500 Todesfälle bei einer Hitzewelle im Raum Chicago im Jahr 1995 – entfiel auf ältere Menschen. Es ist kein Zufall, dass die Anzahl der Notruf-Entsendungen während extremer Hitzewellen um 18 % steigt.
Im Gegensatz dazu tritt anstrengungsbedingter Hitzschlag häufiger bei jüngeren und oft körperlich fitten, gesunden Bevölkerungsgruppen auf, darunter Sportler, Militärangehörige und Freiluftarbeiter. Eine Übersicht im British Medical Journal ergab, dass anstrengungsbedingter Hitzschlag die dritthäufigste Todesursache bei Sportlern während körperlicher Aktivität ist – mit Sterberaten von über 1 von 4 Fällen. Hitzekrankheiten beim US-Militär sind so schwerwiegend, dass der Kongress einen jährlichen Bericht zu diesem Problem verlangt hat.
Während äußere Faktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine Rolle spielen, resultiert anstrengungsbedingter Hitzschlag in erster Linie aus einem Anstieg der Kerntemperatur durch körperliche Aktivität. Menschliche Muskeln sind überraschend ineffizient; je nach Aktivitätstyp werden 75–80 % der verbrannten Kalorien in Abwärme umgewandelt, die abgeführt werden muss. Je intensiver die körperliche Aktivität, desto höher ist unser Stoffwechsel (d. h. Kalorienverbrauch). Im Vergleich zum Ruhezustand kann körperlich anstrengende Tätigkeit bis zu zehnmal mehr metabolische Wärme erzeugen. Bei manchen Aktivitäten erreicht die metabolische Wärmeproduktion einen Wendepunkt, an dem selbst die physiologischen Kühlmechanismen junger, gesunder Menschen nicht mehr mit der erzeugten Wärme Schritt halten können; medizinisch gesprochen wechselt der Körper von „kompensierbarem“ zu „nicht-kompensierbarem“ Hitzestress. Um erneut auf unsere Auto-Analogie zurückzukommen: Anstrengungsbedingter Hitzschlag ist vergleichbar mit einem schweren LKW, der eine steile Bergstraße hinauffährt. Jeder, der schon einmal auf der Interstate durch die Rocky Mountains gefahren ist, hat bemerkt, dass selbst gut gewartete Lastwagen langsamer fahren und spezielle Fahrspuren nutzen, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Kühl bleiben – Eine menschliche Superkraft
Die Aufrechterhaltung einer stabilen Kerntemperatur erfordert ein ständiges Gleichgewicht. Selbst im Ruhezustand erzeugen grundlegende physiologische Prozesse zur Lebenserhaltung (z. B. Herzschlag und Gehirnaktivität) metabolische Wärme. Wenn wir diese Wärme nicht abgeben könnten, würde unsere Kerntemperatur pro Stunde um etwa 1,1 °C steigen. Zum Glück sind Menschen in der Regel hervorragend in der Wärmeregulation.
Thermoregulation und Physiologie
Auf physiologischer Ebene verlieren wir Wärme auf drei Arten – durch Konvektion, Strahlung und Verdunstung (eine vierte, Wärmeleitung, ist im Allgemeinen vernachlässigbar – dazu unten mehr). Wärmeverlust durch Konvektion und Strahlung ist ähnlich; beide entstehen durch Wärmefluss von einer heißen Oberfläche (wie der Haut) zu einer kühleren (wie der Luft). Konvektion unterscheidet sich dadurch, dass ein Fluid (d. h. Luft) erforderlich ist, während Strahlung Energieübertragung durch elektromagnetische Wellen bedeutet. Die Physik lassen wir beiseite, aber Menschen geben Strahlung im Infrarotspektrum ab – ein Fakt, den Mücken und das Militär nutzen, um Ziele zu finden.
Für den Menschen ist die Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung ein zweiseitiger Prozess. Das zweite Gesetz der Thermodynamik besagt, dass Wärme von heiß nach kalt fließt. Gleichbleibend fließt Wärme auch schneller, wenn der Temperaturunterschied zwischen zwei Objekten größer ist (beschrieben durch das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitung). An kühlen Tagen kann Konvektion ausreichen, um überschüssige Körperwärme abzuführen. Dies ist bei warmem Wetter nicht der Fall. Da die Hautoberfläche etwa 35 °C beträgt, muss die Umgebung kühler sein, damit der Körper durch Konvektion oder Strahlung Wärme abgeben kann; ist sie wärmer, nimmt man tatsächlich Wärme aus der Umgebung auf! Gleichzeitig erzeugen wir ständig metabolische Wärme. Das Gleichgewicht zwischen Produktion und Abgabe metabolischer Wärme nur durch Konvektion und Strahlung erfordert eine Umgebungstemperatur unter 30,5 °C.
Natürlich können Sie auch Temperaturen über 30,5 °C überleben! Denn wir besitzen eine Superkraft, die im Tierreich fast einzigartig ist – die Fähigkeit, stark zu schwitzen. Schwitzen entfernt Körperwärme, wenn Schweiß von der Hautoberfläche verdunstet. Da der Energiebedarf für die Verdunstung von Wasser hoch ist, kann dabei viel Wärme abgeführt werden. Unter heißen Bedingungen steigt zudem typischerweise die Herzfrequenz, und Blutgefäße nahe der Haut weiten sich, sodass Wärme vom Körperkern zur Haut transportiert und durch Verdunstung an die Umgebung abgegeben werden kann. Dieser Wärmetransfer erfolgt nur in eine Richtung – vom Körper weg.[2] Schwitzen ist so effektiv, dass man denselben theoretischen Kühlungseffekt durch Konvektion nur erreichen würde, wenn man „nackt draußen in einem Wind von 3 km/h am kältesten Tag, der je in den USA aufgezeichnet wurde, steht“.
Leider ist das Erreichen des maximalen Kühlungspotenzials durch Schwitzen unrealistisch. Damit Schwitzen funktioniert, muss der Schweiß auf der Haut verdunsten; tropfender Schweiß kühlt nicht. Wie jede Hollywood-Superkraft hat auch das Schwitzen eine Schwäche – Luftfeuchtigkeit. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit hoch ist, kann die Luft nur noch wenig Wasserdampf aufnehmen, wodurch die Schweißverdunstung reduziert wird; bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit findet keine Verdunstung statt. Alles andere gleichbleibend, nimmt der Wärmeverlust durch Schwitzen mit steigender Luftfeuchtigkeit ab. Deshalb kann eine gesunde Person bei trockener Hitze bei höheren Temperaturen draußen arbeiten als bei feuchter Hitze – sofern genügend Wasser zur Verfügung steht.
Thermoregulation und Anpassung
Als Menschen haben wir noch eine weitere Möglichkeit, bei der Wärmeregulation zu glänzen. Kulturelle und verhaltensbezogene Praktiken sowie Innovationen helfen uns, mit heißen Tagen umzugehen. Kulturelle Praktiken reichen von traditioneller Kleidung – wie der Beduinenkleidung in der arabischen Wüste – bis hin zur Siesta, also Ruhepausen während der heißesten Tageszeit in vielen Kulturen.
Menschlicher Einfallsreichtum spielt ebenfalls eine zunehmend wichtige Rolle. Die Entwicklung und weite Verbreitung von Klimaanlagen führte in den USA zu einem drastischen Rückgang hitzebedingter Todesfälle – heute gelten meist nur noch sozial benachteiligte Gruppen ohne verlässlichen Zugang zu Klimaanlagen als gefährdet für nicht-anstrengungsbedingte Hitzekrankheiten.
Da weiterhin Temperaturrekorde gebrochen werden, ermöglichen neue Innovationen das Arbeiten und Freizeitvergnügen bei Hitze. Produkte wie die Qore Performance ICEPLATE sind Beispiele dafür, wie der menschliche Körper beim Wärmemanagement unterstützt werden kann. Das Tragen einer Qore-Weste auf dem Oberkörper führt zu direkter leitender Kühlung, da Wärme zwischen zwei unterschiedlich temperierten Objekten in direktem Kontakt (also Körper und Weste) übertragen wird. Ohne diese innovative Ausrüstung ist Wärmeleitung im Allgemeinen vernachlässigbar oder sogar ein Hindernis für die Thermoregulation – bedingt durch die isolierenden Eigenschaften von Ausrüstung und Schutzausrüstung.
Fazit
Menschen besitzen dank ihrer einzigartigen Physiologie und ihres Innovationsgeistes eine außergewöhnliche Fähigkeit, sich an unterschiedliche Klimazonen anzupassen. Unsere Physiologie funktioniert wie ein Wärmemotor, der Nahrung verbrennt, um Energie zu gewinnen. Dabei entsteht metabolische Wärme, die abgeführt werden muss, um eine stabile Kerntemperatur zu halten. Gelingt dies nicht, drohen ernsthafte Gesundheitsprobleme – bis hin zum tödlichen Hitzschlag.
Zum Glück haben Menschen zahlreiche Strategien zur Wärmeregulation entwickelt. Physiologisch verlassen wir uns auf das Schwitzen als primären Kühlmechanismus. Kulturell und verhaltensbezogen passen wir Kleidung und Aktivitätsmuster an. Technologische Innovationen wie Klimaanlagen und moderne Kühlkleidung erhöhen zusätzlich unsere Fähigkeit, bei Hitze zu gedeihen.
Mit dem weiteren Anstieg der Temperaturen und dem Brechen von Hitzerekorden werden diese Anpassungsstrategien und Innovationen zunehmend unverzichtbar. Indem wir menschliche physiologische Stärken und kreative Lösungen nutzen, können wir auch weiterhin sicher arbeiten und leben – selbst unter extremen Hitzebedingungen.
Über den Autor: Erik ist Doktorand an der Duke University, wo er zu den Herausforderungen forscht, die steigende Temperaturen für das militärische Training mit sich bringen. Als Veteran der US-Armee hat Erik in einer Vielzahl extremer Klimazonen gedient – von Wüsten im Südwesten der USA und im Nahen Osten (49 °C) bis zu arktischen Bedingungen in Zentralalaska (–41 °C).
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[1] Elektroautos sind keine Wärmemotoren, obwohl das Konzept ähnlich ist, wenn sie mit Strom aus einem thermischen Kraftwerk geladen werden – in diesem Fall wird die chemische Energie aus Kohle oder Erdgas im Kraftwerk in Elektrizität umgewandelt. Unser Vergleich hinkt allerdings, wenn das Elektroauto mit Atomstrom, Solar- oder Windenergie (kinetische Energie) geladen wird.
[2] Als interessante Randbemerkung: In feuchten Saunen ist die Hautoberfläche oft das kühlste Objekt im Raum. Der Wasserdampf in der gesättigten Luft kondensiert auf der Haut und gibt dabei Wärme ab. Dies ist der umgekehrte Prozess der Schweißverdunstung, folgt jedoch demselben physikalischen Prinzip.
