Wenn eine Person warmen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, werden die physiologischen Wärmeverlustmechanismen aktiviert, um eine normale Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Wärmeströme zwischen Körper und Umgebung hängen von der Temperaturdifferenz ab zwischen:

1. die Umgebungsluft und Objekte wie Wände, Fenster, der Himmel usw
2. die Oberflächentemperatur der Person

Die Oberflächentemperatur der Person wird durch physiologische Mechanismen reguliert, wie z. B. Schwankungen in der Durchblutung der Haut und durch Verdunstung von Schweiß, der von den Schweißdrüsen abgesondert wird. Außerdem kann die Person die Kleidung wechseln, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu variieren. Je wärmer die Umgebungsbedingungen sind, desto geringer ist der Unterschied zwischen Umgebungstemperatur und Haut- oder Kleidungsoberflächentemperatur. Das bedeutet, dass der „trockene Wärmeaustausch“ durch Konvektion und Strahlung bei warmen im Vergleich zu kühlen Bedingungen reduziert ist. Bei Umgebungstemperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur wird Wärme aus der Umgebung gewonnen. In diesem Fall muss diese zusätzliche Wärme zusammen mit der durch die Stoffwechselprozesse freigesetzten durch Verdunstung von Schweiß zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur verloren gehen. Somit wird die Verdunstung von Schweiß mit zunehmender Umgebungstemperatur immer kritischer. Angesichts der Bedeutung der Schweißverdunstung überrascht es nicht, dass Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit (Wasserdampfdruck) bei Hitze kritische Umweltfaktoren sind. Bei hoher Luftfeuchtigkeit wird immer noch Schweiß produziert, aber die Verdunstung wird reduziert. Schweiß, der nicht verdunsten kann, hat keine kühlende Wirkung; es tropft ab und ist thermoregulatorisch verschwendet.

Der menschliche Körper enthält etwa 60 % Wasser, etwa 35 bis 40 l bei einem Erwachsenen. Etwa ein Drittel des Wassers im Körper, die extrazelluläre Flüssigkeit, verteilt sich zwischen den Zellen und im Gefäßsystem (dem Blutplasma). Die restlichen zwei Drittel des Körperwassers, die intrazelluläre Flüssigkeit, befinden sich in den Zellen. Die Zusammensetzung und das Volumen der Körperwasserkompartimente wird durch hormonelle und neurale Mechanismen sehr genau gesteuert. Schweiß wird von den Millionen von Schweißdrüsen auf der Hautoberfläche abgesondert, wenn das Thermoregulationszentrum durch eine Erhöhung der Körpertemperatur aktiviert wird. Der Schweiß enthält Salz (NaCl, Natriumchlorid), jedoch in geringerem Maße als die extrazelluläre Flüssigkeit. Somit gehen sowohl Wasser als auch Salz verloren und müssen nach dem Schwitzen ersetzt werden.

Auswirkungen von Schweißverlust

Unter neutralen, angenehmen Umgebungsbedingungen gehen geringe Wassermengen durch Diffusion durch die Haut verloren. Bei harter Arbeit und Hitze können jedoch große Mengen Schweiß durch aktive Schweißdrüsen produziert werden, bis zu mehr als 2 l/h über mehrere Stunden. Bereits ein Schweißverlust von nur 1 % des Körpergewichts (» 600 bis 700 ml) wirkt sich messbar auf die Leistungsfähigkeit aus. Dies zeigt sich durch einen Anstieg der Herzfrequenz (HR) (die Herzfrequenz erhöht sich um etwa fünf Schläge pro Minute für jeden Prozent Verlust an Körperwasser) und einen Anstieg der Körperkerntemperatur. Bei Fortsetzung der Arbeit kommt es zu einem allmählichen Anstieg der Körpertemperatur, die bis zu einem Wert von etwa 40 °C ansteigen kann; Bei dieser Temperatur kann es zu einer Hitzekrankheit kommen. Dies ist teilweise auf den Flüssigkeitsverlust aus dem Gefäßsystem zurückzuführen (Abbildung 1). Ein Wasserverlust aus dem Blutplasma verringert die Blutmenge, die die zentralen Venen und das Herz füllt. Jeder Herzschlag wird daher ein kleineres Schlagvolumen pumpen. Als Folge sinkt tendenziell das Herzzeitvolumen (die Blutmenge, die das Herz pro Minute ausstößt), und die Herzfrequenz muss steigen, um den Kreislauf und den Blutdruck aufrechtzuerhalten.

Abbildung 1. Berechnete Verteilungen von Wasser im extrazellulären Kompartiment (ECW) und intrazellulären Kompartiment (ICW) vor und nach 2 h körperlicher Dehydrierung bei 30 °C Raumtemperatur.

Ein physiologisches Kontrollsystem, das als Barorezeptorreflexsystem bezeichnet wird, hält das Herzzeitvolumen und den Blutdruck unter allen Bedingungen nahezu normal. An den Reflexen sind Rezeptoren, Sensoren im Herzen und im arteriellen System (Aorta und Halsschlagadern) beteiligt, die den Grad der Dehnung des Herzens und der Gefäße durch das sie füllende Blut überwachen. Von diesen gelangen Impulse über die Nerven zum Zentralnervensystem, von wo aus Anpassungen bei Dehydrierung eine Verengung der Blutgefäße und eine Minderung des Blutflusses zu den Splanchnikus-Organen (Leber, Darm, Nieren) und zur Haut bewirken. Auf diese Weise wird der verfügbare Blutfluss umverteilt, um die Durchblutung der arbeitenden Muskeln und des Gehirns zu fördern (Rowell 1986).

Schwere Dehydrierung kann zu Hitzeerschöpfung und Kreislaufkollaps führen; in diesem Fall kann die Person den Blutdruck nicht halten und Ohnmacht ist die Folge. Symptome bei Hitzeerschöpfung sind körperliche Erschöpfung, oft zusammen mit Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit. Die Hauptursache für Hitzeerschöpfung ist die Kreislaufbelastung durch Wasserverlust aus dem Gefäßsystem. Der Rückgang des Blutvolumens führt zu Reflexen, die die Durchblutung des Darms und der Haut reduzieren. Die Verringerung der Hautdurchblutung verschlimmert die Situation, da der Wärmeverlust von der Oberfläche abnimmt, sodass die Kerntemperatur weiter ansteigt. Das Subjekt kann aufgrund eines Blutdruckabfalls und der daraus resultierenden geringen Durchblutung des Gehirns ohnmächtig werden. Die Liegeposition verbessert die Durchblutung von Herz und Gehirn, und nach Abkühlung und etwas Wasser zum Trinken stellt sich das Wohlbefinden fast sofort wieder ein.

Wenn die Prozesse, die die Hitzeerschöpfung verursachen, „wild“ laufen, entwickelt sich daraus ein Hitzschlag. Die allmähliche Verringerung der Hautdurchblutung lässt die Temperatur immer stärker ansteigen, was zu einer Verringerung, sogar zum Stoppen des Schwitzens und zu einem noch schnelleren Anstieg der Kerntemperatur führt, was einen Kreislaufkollaps verursacht und zum Tod oder zu irreversiblen Schäden der Haut führen kann Gehirn. Veränderungen im Blut (wie hohe Osmolalität, niedriger pH-Wert, Hypoxie, Zelladhäsion der roten Blutkörperchen, intravasale Gerinnung) und Schädigung des Nervensystems sind Befunde bei Hitzschlagpatienten. Die verminderte Durchblutung des Darms bei Hitzestress kann Gewebeschäden hervorrufen, und es können Substanzen (Endotoxine) freigesetzt werden, die im Zusammenhang mit einem Hitzschlag Fieber auslösen (Hales und Richards 1987). Hitzschlag ist ein akuter, lebensbedrohlicher Notfall, der im Abschnitt „Hitzeerkrankungen“ näher erläutert wird.

Zusammen mit dem Wasserverlust führt das Schwitzen zu einem Verlust an Elektrolyten, hauptsächlich Natrium (Na⁺) und Chlorid (Cl^-), aber auch in geringerem Maße Magnesium (Mg⁺⁺), Kalium (K.⁺) und so weiter (siehe Tabelle 1). Der Schweiß enthält weniger Salz als die Körperflüssigkeitskompartimente. Das bedeutet, dass sie nach Schweißverlust salziger werden. Die erhöhte Salzigkeit scheint über Wirkungen auf die glatte Gefäßmuskulatur, die den Öffnungsgrad der Gefäße steuert, eine spezifische Wirkung auf die Zirkulation zu haben. Es wird jedoch von mehreren Forschern gezeigt, dass es die Fähigkeit zum Schwitzen beeinträchtigt, so dass es einer höheren Körpertemperatur bedarf, um die Schweißdrüsen zu stimulieren – die Empfindlichkeit der Schweißdrüsen wird verringert (Nielsen 1984). Wird der Schweißverlust nur durch Wasser ersetzt, kann dies dazu führen, dass der Körper weniger Natriumchlorid enthält als im Normalzustand (hypoosmotisch). Dies führt zu Krämpfen aufgrund einer Fehlfunktion von Nerven und Muskeln, ein Zustand, der früher als „Bergmannskrämpfe“ oder „Heizerkrämpfe“ bekannt war. Es kann durch Zugabe von Salz zur Ernährung verhindert werden (das Trinken von Bier war in den 1920er Jahren im Vereinigten Königreich eine empfohlene vorbeugende Maßnahme!).

Tabelle 1. Elektrolytkonzentration im Blutplasma und im Schweiß

Adaptiert von Vellar 1969.

Die verminderte Hautdurchblutung und Schweißdrüsenaktivität beeinflussen sowohl die Thermoregulation als auch den Wärmeverlust derart, dass die Kerntemperatur stärker ansteigt als im vollständig hydrierten Zustand.

In vielen verschiedenen Berufen sind Arbeiter äußerem Hitzestress ausgesetzt – zum Beispiel Arbeiter in Stahlwerken, Glasindustrien, Papierfabriken, Bäckereien, Bergbauindustrien. Auch Schornsteinfeger und Feuerwehrleute sind äußerer Hitze ausgesetzt. Menschen, die in geschlossenen Räumen in Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen arbeiten, können ebenfalls unter Hitze leiden. Es muss jedoch beachtet werden, dass Personen, die in Schutzanzügen oder bei schwerer Arbeit in wasserdichter Kleidung arbeiten, selbst bei gemäßigten und kühlen Umgebungstemperaturen Opfer von Hitzschlag werden können. Unerwünschte Auswirkungen von Hitzestress treten unter Bedingungen auf, bei denen die Kerntemperatur erhöht und der Schweißverlust hoch ist.

Rehydratation

Die Auswirkungen der Dehydrierung aufgrund von Schweißverlust können umgekehrt werden, indem genug getrunken wird, um den Schweiß zu ersetzen. Dies findet normalerweise während der Erholung nach Arbeit und Bewegung statt. Bei längerer Arbeit in heißen Umgebungen wird die Leistung jedoch durch Trinken während der Aktivität verbessert. Der allgemeine Rat lautet daher, bei Durst zu trinken.

Aber es gibt einige sehr wichtige Probleme dabei. Zum einen ist der Trinktrieb nicht stark genug, um den gleichzeitig auftretenden Wasserverlust zu ersetzen; und zweitens ist die Zeit, die benötigt wird, um ein großes Wasserdefizit zu ersetzen, sehr lang, mehr als 12 Stunden. Schließlich gibt es eine Grenze für die Geschwindigkeit, mit der Wasser vom Magen (wo es gespeichert wird) in den Darm (Darm) gelangen kann, wo die Absorption stattfindet. Diese Rate ist niedriger als die beobachtete Schweißrate während des Trainings unter heißen Bedingungen.

Es gibt eine Vielzahl von Studien zu verschiedenen Getränken zur Wiederherstellung des Körperwassers, der Elektrolyte und der Kohlenhydratspeicher von Sportlern bei längerem Training. Die wichtigsten Erkenntnisse sind wie folgt:

• Die Menge der verwertbaren, dh durch den Magen zum Darm transportierten Flüssigkeit ist durch die "Magenentleerungsrate" begrenzt, die maximal etwa 1,000 ml/h beträgt.
• Wenn die Flüssigkeit „hyperosmotisch“ ist (enthält Ionen/Moleküle in höheren Konzentrationen als das Blut), wird die Rate verlangsamt. Andererseits werden „iso-osmotische Flüssigkeiten“ (die Wasser und Ionen/Moleküle in der gleichen Konzentration, Osmolalität, wie Blut enthalten) mit der gleichen Geschwindigkeit wie reines Wasser durchgelassen.
• Die Zugabe kleiner Mengen Salz und Zucker erhöht die Wasseraufnahme aus dem Darm (Maughan 1991).

In diesem Sinne können Sie Ihre eigene „Rehydrierungsflüssigkeit“ herstellen oder aus einer Vielzahl von Handelsprodukten wählen. Normalerweise wird der Wasser- und Elektrolythaushalt durch Trinken zu den Mahlzeiten wiederhergestellt. Arbeiter oder Sportler mit großen Schweißverlusten sollten dazu ermutigt werden, mehr zu trinken, als sie drängen. Schweiß enthält etwa 1 bis 3 g NaCl pro Liter. Dies bedeutet, dass Schweißverluste von über 5 l pro Tag einen Natriumchloridmangel verursachen können, sofern die Ernährung nicht ergänzt wird.

Arbeitern und Sportlern wird außerdem geraten, ihren Wasserhaushalt durch regelmäßiges Wiegen – zum Beispiel morgens (gleiche Uhrzeit und Kondition) – zu kontrollieren und zu versuchen, ein konstantes Gewicht zu halten. Eine Veränderung des Körpergewichts spiegelt jedoch nicht unbedingt den Grad der Hypohydratation wider. Wasser wird chemisch an Glykogen, den Kohlenhydratspeicher in den Muskeln, gebunden und freigesetzt, wenn Glykogen während des Trainings verwendet wird. Je nach Glykogengehalt des Körpers können Gewichtsveränderungen bis ca. 1 kg auftreten. Auch das Körpergewicht „morgens“ zeigt Veränderungen aufgrund „biologischer Schwankungen“ des Wassergehalts – so können beispielsweise bei Frauen bezogen auf den Menstruationszyklus bis zu 1 bis 2 kg Wasser während der prämenstruellen Phase („prämenstruelle Spannung").

Die Kontrolle von Wasser und Elektrolyten

Das Volumen der Körperwasserkompartimente – also die extrazellulären und intrazellulären Flüssigkeitsvolumina – und deren Konzentrationen an Elektrolyten wird durch ein geregeltes Gleichgewicht zwischen Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeit und Stoffen sehr konstant gehalten.

Wasser wird durch die Aufnahme von Nahrung und Flüssigkeit gewonnen, und ein Teil wird durch Stoffwechselprozesse freigesetzt, einschließlich der Verbrennung von Fett und Kohlenhydraten aus der Nahrung. Der Wasserverlust erfolgt aus der Lunge während des Atmens, wobei die eingeatmete Luft vor dem Ausatmen Wasser in der Lunge von feuchten Oberflächen in den Atemwegen aufnimmt. Wasser diffundiert auch in geringen Mengen unter angenehmen Bedingungen während der Ruhe durch die Haut. Beim Schwitzen kann es jedoch über mehrere Stunden zu einem Wasserverlust von mehr als 1 bis 2 l/h kommen. Der Körperwassergehalt wird kontrolliert. Ein erhöhter Wasserverlust durch Schwitzen wird durch Trinken und durch eine Verringerung der Urinbildung ausgeglichen, während überschüssiges Wasser durch eine erhöhte Urinproduktion ausgeschieden wird.

Diese Kontrolle sowohl der Aufnahme als auch der Abgabe von Wasser wird durch das vegetative Nervensystem und durch Hormone ausgeübt. Durst erhöht die Wasseraufnahme und der Wasserverlust durch die Nieren wird reguliert; Sowohl das Volumen als auch die Elektrolytzusammensetzung des Urins sind unter Kontrolle. Die Sensoren im Kontrollmechanismus befinden sich im Herzen und reagieren auf die „Fülle“ des Gefäßsystems. Wenn die Füllung des Herzens reduziert ist – zum Beispiel nach einem Schweißverlust – signalisieren die Rezeptoren diese Botschaft an die für das Durstgefühl verantwortlichen Gehirnzentren und an Bereiche, die eine Freisetzung des antidiuretischen Hormons (ADH) induzieren die hintere Hypophyse. Dieses Hormon wirkt, um das Urinvolumen zu reduzieren.

Ebenso steuern physiologische Mechanismen über Prozesse in den Nieren die Elektrolytzusammensetzung der Körperflüssigkeiten. Das Futter enthält Nährstoffe, Mineralstoffe, Vitamine und Elektrolyte. Im vorliegenden Zusammenhang ist die Aufnahme von Natriumchlorid das wichtige Thema. Die Natriumaufnahme über die Nahrung variiert je nach Ernährungsgewohnheiten zwischen 10 und 20 bis 30 g pro Tag. Dies ist normalerweise viel mehr als nötig, sodass der Überschuss von den Nieren ausgeschieden wird, gesteuert durch die Wirkung mehrerer hormoneller Mechanismen (Angiotensin, Aldosteron, ANF usw.), die durch Stimuli von Osmorezeptoren im Gehirn und in den Nieren gesteuert werden , die auf die Osmolalität von hauptsächlich Na reagiert⁺ und Cl^- im Blut bzw. in der Flüssigkeit in den Nieren.

Interindividuelle und ethnische Unterschiede

Unterschiede zwischen Männern und Frauen sowie jüngeren und älteren Personen in der Reaktion auf Hitze sind zu erwarten. Sie unterscheiden sich in bestimmten Eigenschaften, die die Wärmeübertragung beeinflussen können, wie z. B. Oberfläche, Verhältnis von Höhe zu Gewicht, Dicke der isolierenden Hautfettschichten und in der körperlichen Fähigkeit, Arbeit und Wärme zu erzeugen (aerobe Kapazität » maximale Sauerstoffverbrauchsrate). Verfügbare Daten deuten darauf hin, dass die Wärmetoleranz bei älteren Menschen reduziert ist. Sie fangen später an zu schwitzen als junge Menschen und ältere Menschen reagieren mit einer höheren Hautdurchblutung bei Hitzeeinwirkung.

Im Geschlechtervergleich wurde beobachtet, dass Frauen feuchte Hitze besser vertragen als Männer. In dieser Umgebung wird die Schweißverdunstung reduziert, sodass die etwas größere Oberfläche/Masse bei Frauen zu ihrem Vorteil sein könnte. Die aerobe Kapazität ist jedoch ein wichtiger Faktor, der beim Vergleich von Personen, die Hitze ausgesetzt sind, berücksichtigt werden muss. Unter Laborbedingungen sind die physiologischen Reaktionen auf Hitze ähnlich, wenn Personengruppen mit gleicher körperlicher Leistungsfähigkeit („maximale Sauerstoffaufnahme“ – VO_{2 max}) getestet – zum Beispiel jüngere und ältere Männer oder Männer versus Frauen (Pandolf et al. 1988). In diesem Fall führt eine bestimmte Arbeitsaufgabe (Training auf dem Fahrradergometer) unabhängig von Alter und Geschlecht zu gleicher Kreislaufbelastung, also gleicher Herzfrequenz und gleichem Anstieg der Kerntemperatur.

Die gleichen Überlegungen gelten für Vergleiche zwischen ethnischen Gruppen. Wenn Unterschiede in Größe und aerober Kapazität berücksichtigt werden, können keine signifikanten Unterschiede aufgrund der Rasse festgestellt werden. Aber im täglichen Leben im Allgemeinen haben ältere Menschen im Durchschnitt eine niedrigere VO_{2 max} als jüngere Personen und Frauen eine niedrigere VO_{2 max} als Männer in der gleichen Altersgruppe.

Daher wird bei einer bestimmten Aufgabe, die aus einer bestimmten absoluten Arbeitsleistung (gemessen zB in Watt) besteht, die Person mit einer geringeren aeroben Kapazität eine höhere Herzfrequenz und Körpertemperatur haben und mit der zusätzlichen Belastung weniger fertig werden von externer Hitze, als eine mit einer höheren VO_{2 max}.

Für Arbeitsschutzzwecke wurde eine Reihe von Hitzestress-Indizes entwickelt. Dabei werden die großen interindividuellen Schwankungen in Reaktion auf Hitze und Arbeit sowie die spezifischen heißen Umgebungen, für die der Index erstellt wird, berücksichtigt. Diese werden an anderer Stelle in diesem Kapitel behandelt.

Personen, die wiederholt Hitze ausgesetzt sind, vertragen die Hitze schon nach wenigen Tagen besser. Sie werden akklimatisiert. Die Schwitzrate wird erhöht und die daraus resultierende stärkere Auskühlung der Haut führt zu einer niedrigeren Kerntemperatur und Herzfrequenz bei der Arbeit unter gleichen Bedingungen.

Daher wird eine künstliche Akklimatisierung von Personal, das voraussichtlich extremer Hitze ausgesetzt sein wird (Feuerwehrleute, Rettungskräfte, Militärpersonal), wahrscheinlich von Vorteil sein, um die Belastung zu reduzieren.

Zusammenfassend gilt: Je mehr Wärme ein Mensch produziert, desto mehr muss abgeführt werden. In einer heißen Umgebung ist die Verdunstung von Schweiß der begrenzende Faktor für den Wärmeverlust. Die interindividuellen Unterschiede in der Schwitzleistung sind beträchtlich. Während einige Personen überhaupt keine Schweißdrüsen haben, wird in den meisten Fällen durch körperliches Training und wiederholte Hitzeeinwirkung die Schweißmenge in einem Standard-Hitzebelastungstest erhöht. Hitzestress führt zu einem Anstieg der Herzfrequenz und der Kerntemperatur. Die maximale Herzfrequenz und/oder eine Kerntemperatur von etwa 40 °C setzt die absolute physiologische Grenze für die Arbeitsleistung in einer heißen Umgebung (Nielsen 1994).

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