Behaarung, Fett … Winterschlaf? Alle Techniken unseres Körpers, um der Kälte zu widerstehen
Der Winter kommt immer wieder … Und dieses Jahr werden unsere Innenräume wegen der Energiekrise auf vernünftige 19 Grad Celsius beschränkt. Das Auspacken von dicken Pullovern, weichen Socken und anderen Handschuhen hat also begonnen… Denn frieren ist unangenehm – aber das ist noch sein kleinster Fehler.
Vor allem die Kälte ist eine echte Bedrohung für unseren Körper. Unsere lebenswichtigen Organe benötigen eine Temperatur von (genau) 36,8 °C, um optimal zu funktionieren. Eine zu kühle Atmosphäre und sie können einfach aufhören. Eine Studie, die in 18 französischen Städten durchgeführt wurde Zwischen 2000 und 2010 zeigte sich, dass die Zahl der Todesfälle durch Kälte dreimal so hoch war wie die durch Hitze.
Unsere Art ist dem Frost jedoch nicht ganz hilflos ausgeliefert. Was sind seine Strategien angesichts der eisigen Temperaturen? Und warum überwintern wir nicht wie andere Säugetiere?
Die Technik des Innenkessels
Säugetiere und Vögel sind Endothermen, also "warmblütige" Lebewesen. Die durchschnittliche Körpertemperatur liegt bei ersteren zwischen 36 und 39,5°C, während sie bei letzteren 42 Grad erreichen kann. Merkmale, die das Ergebnis einer langen Entwicklung sind.
Vor etwa 200 Millionen Jahren mussten sich Tiere, die das verheerende sogenannte Massensterben in der Perm-Trias überlebten, an ein neues Konkurrenzumfeld anpassen. Damals beherrschten noch die mächtigen Dinosaurier den Planeten Erde. Sie waren hauptsächlich auf thermische Energie der Sonne angewiesen, um aktiv zu sein. Aber nach und nach tauchten Arten auf, die adoptierten neue Überlebensstrategien.
Brasiltherium riograndensis, eines der ersten Tiere, das am Ende der Trias lebte und Säugetiermerkmale aufwies.
Smokeybjb, von Wikimedia
Die erste Säugetiere waren nichts weiter als kleine pelzige Vierbeiner (Tetrapoden), die im Schatten riesiger Reptilien lebten. Buchstäblich. Ihre Überlebenschancen waren viel besser, wenn sie sich für die Nachtjagd entschieden. In Ermangelung einer externen Wärmequelle wurden Mechanismen zur Erzeugung sauberer Körperwärme ausgewählt und entwickelt, die in der Lage sind, ihren Stoffwechsel kontinuierlich anzutreiben. Eine Strategie, die auch in der profitabel ist instabiles Klima der Zeit.
Die Endothermie hat jedoch einen Nachteil: Um den Kessel anzutreiben, wird Brennstoff benötigt, und wie wir jetzt erkennen, hat dies seinen Preis. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, ist durch natürliche Selektion eine Vielzahl von effizienten und energieeffizienten Anpassungen entstanden. Sie lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Energie besser speichern und nutzen und besser isolieren, um unerwünschten Wärmeverlust zu verhindern.
Fett (und Haare) ist Leben
Wir haben bereits eine Waffe immer zur Hand: Fett! Es dient sowohl als Isolator (aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit) als auch als Energiequelle. Säugetiere, die in kalten Regionen oder in der Nähe von arktischen Meeren überleben, besitzen ein spezielles fettähnliches Gewebe namens Speck oder Panniculus. Er misst 10 cm unter der Haut des Eisbären und kann beim Grönlandwal 50 cm erreichen!
Grönlandwale (Balaena mysticetus) haben unter der Haut ein fettähnliches Gewebe namens Schmalz, das bis zu einem halben Meter dick sein kann. Es ist wichtig, den Wärmeverlust in den eisigen Gewässern der Arktis zu reduzieren.
Bering Land Bridge National Preserve/Flickr
Viele kleine Säugetiere, einschließlich neugeborener Menschen, haben eine andere Art von Fett, genannt "braunes fett". Seine Besonderheit besteht darin, dass es Lipide verbrennen kann, um Wärme zu erzeugen (dank der enthaltenen Mitochondrien), um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Dies ist besonders wichtig bei Babys aufgrund ihrer geringen Größe und des Mangels an Muskelkraft, um Bewegung in Energie umzuwandeln.
Aber wir sind auch, etwas unwissentlich, mit Millionen von Sensoren ausgestattet, die ultraempfindlich auf die Umgebungstemperatur reagieren und in unsere Haut integriert sind. Das geringste erkannte Risiko, dass die Körpertemperatur von ihrem Optimum abweicht, löst sofort einen Alarm im Hypothalamus aus, der Region des Gehirns, in der sich die Temperaturregelung befindet. Reflexe, die mehr Wärme erzeugen und den Wärmeverlust reduzieren, werden aktiviert – oft unwillkürlich. Grundsätzlich übernimmt unser Körper die Kontrolle, um unser Leben zu retten!
Die Anatomie eines Haares. An der Wurzel ist ein kleiner Muskel befestigt, der sie bei Kälte glätten kann.
OpenStax College, von Wikimedia
Säugetiere haben eine Struktur, die einzigartig im gesamten Tierreich und unendlich kostbar ist: die … Haare! Wenn es kalt ist, zieht es ein kleiner Muskel, der an seiner Wurzel befestigt ist, nach oben (die „Piloerektion“). Wie eine Armee stellen sich dann Tausende von Haaren auf und blockieren den Luftstrom, um eine isolierende Schicht zu bilden. Ein Phänomen, das trivial „Gänsehaut“ genannt wird. Was kaum eine Hommage an diesen uralten Reflex darstellt, der auch von primitiven Regionen unseres Gehirns gesteuert wird, die mit Emotionen und Gefahren umgehen. Das erklärt, warum es auch aktiviert wird, wenn wir von einer besonders starken Filmszene ergriffen werden … oder wenn Katzen ihre Kampfbereitschaft zeigen wollen.
In diesem kleinen Spiel sind nicht alle Tiere gleich. Je kleiner der Körper, desto höher das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und desto schneller der Wärmeverlust. Das ist der Grund für dieses entzückende Flaumchen, das viele kleine neugeborene Säugetiere bedeckt: Es gilt, den Energieverlust um jeden Preis zu begrenzen.
Eine andere Technik: Zittern, das unwillkürliche Zusammenziehen von Muskeln, um durch Bewegung Wärme zu erzeugen. Das Zittern erhöht die Stoffwechselrate etwa um das Fünffache. Dafür verbrennen die Muskeln die vorhandenen Fette, Proteine und Zucker, die „Kohle“ der Energiefabriken unserer Zellen (den Mitochondrien).
Ziel ist es, die lebenswichtigen Organe – Herz, Gehirn … – um jeden Preis zu schützen. Bei extremer Kälte kann der warme Blutfluss zu Händen und Füßen unterbrochen und dorthin umgeleitet werden. Daher bläuliche Finger und Lippen, Taubheit und ominöse weiße Haut.
Verlust der Körperwärme bei kaltem Wetter, visualisiert durch eine Wärmebildkamera.
Was ist mit dem Winterschlaf?
Um diese Risiken und Unannehmlichkeiten zu vermeiden, entscheiden sich einige für die Flucht. Zugvögel, Säugetiere wie Rentiere und Elche verlassen vorübergehend Gebiete, die zu kalt und unwirtlich geworden sind. Aber nicht jeder kann solche Entfernungen zurücklegen, manchmal in der Größenordnung ganzer Kontinente. Bei strengen Winterbedingungen und bei Ressourcenknappheit entscheiden sich andere daher dafür, ihren Stoffwechsel vorübergehend herunterzufahren.
Diese Fähigkeit ist weit verbreitet und findet sich in vielen Säugetierordnungen, was beweist, dass es sich um eine effektive Überlebensstrategie handelt. Aber je nach Größe des Tieres, die Cursor wird mehr oder weniger gedrückt.
Das Murmeltier (Marmota-Monax) ist ein überwinterungsfähiges Säugetier.
flickr.com/photos/pavdw
Murmeltiere, Igel... machen keine halben Sachen und gehen in den Winterschlaf. Das Phänomen ist auffällig und zeichnet sich durch eine fast vollständige Einstellung der lebenswichtigen Funktionen des Organismus und eine echte Lethargie aus (ihr Stoffwechsel kann um fast 98% abfallen). Beim Murmeltier beispielsweise schlägt das Herz dann nur noch fünf Mal pro Minute – im Vergleich zu 80 unter normalen Bedingungen – und die Temperatur kann auf 5 °C sinken… Genug, um Schüttelfrost zu bekommen! Die Technik ist nicht ohne Risiko, da manche Tiere beim Aufwachen nicht mehr genug Energie haben, um ihren Organismus wiederzubeleben.
Nach 7 Monaten Winterschlaf sind Vancouver Island Murmeltiere (Marmota vancouverensis) ein Drittel ihres Körpergewichts verloren.
Beim Bären hingegen stellt sich, wenn tatsächlich eine Erstarrung einsetzt, diese weniger tief (sein Stoffwechsel ist um bis zu 75 % reduziert) und diskontinuierlich ein – wir sprechen dann eher von Winterschlaf. . Das Tier sucht Schutz, aber seine Temperatur sinkt nicht so stark und es kann immer noch aufwachen.
Und unsere Spezies? Obwohl die Gene, die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, wahrscheinlich immer noch in uns vorhanden sind, sind wir nicht mehr wirklich dazu in der Lage und der Grund dafür ist nicht ganz klar… Frage wurde für unseren ausgestorbenen Neandertaler-Cousin aufgeworfen. Im Jahr 2020 deutete eine Studie darauf hin, dass die Knochen einer Bevölkerung in Südspanien Anzeichen einer Verlangsamung ihres Stoffwechsels gezeigt hätten, um die langen kalten Monate in einer kalorienarmen Umgebung zu überstehen.
Es muss anerkannt werden, dass die Physiologie des Winterschlafs im Allgemeinen noch wenig verstanden ist. Säugetiere scheinen von Zeit zu Zeit aufwachen zu müssen, aber wir wissen nicht warum. Studien zeigten, dass sich der Winterschlaf von Koma, Anästhesie und normalem Schlaf unterscheidet – das Gehirn befindet sich in einer Art schlecht definiertem Tiefschlaf. Obwohl das Gehirn zu ruhen scheint, sind bestimmte Populationen von Nervenzellen immer noch aktiv und können auf bestimmte Reize reagieren.
Die Mechanismen, die es dem Tier ermöglichen, in diese Phase einzutreten und sie zu verlassen, sind ebenfalls unbekannt. Selbst wenn es uns eines Tages gelingt, Menschen in einen Winterschlaf zu versetzen (als künstlich oder synthetisch bezeichnet), wie lange dauert es, bis wir sie aufwecken? Und wie ?
Die Anwendungen könnten jedoch mal zahlreich sein. Manche denken an Raumfahrt. Wenn wir jemals zum Mars müssen, könnte ein Winterschlaf den Energie- und damit Nahrungsbedarf während der Reise drastisch reduzieren – und die Wartezeit… Tierversuche haben gezeigt, dass es den Körper teilweise vor den schädlichen Auswirkungen der Weltraumstrahlung schützen kann.
Medizin wäre auch interessiert. Die Reduzierung des Stoffwechsels lebensbedrohlicher Patienten (fortgeschrittener Krebs usw.) könnte den Zeitraum verlängern, in dem die Krankheit bekämpft werden kann.
Eine Anpassung über die Generationen…
Heute haben wir gelernt, anders mit der Kälte umzugehen: Wir tragen Kleidung, bauen Häuser, die wir heizen usw. Im Laufe der Jahrtausende haben wir sogar einen Großteil unserer kostbaren Körperbehaarung verloren, was uns den Spitznamen „nackter Affe“ eingebracht hat.
Abgesehen von Schutzkleidung haben Inuit, die in kalten Regionen leben, eine kleine Statur, kleine Hände und ein eher flaches Gesicht mit typischen Fettpölsterchen an den Nebenhöhlen.
Ansgar Walk, Wikimedia
Und in den weniger milden Breiten hat unsere Spezies gesehen über einen langen Zeitraum ausgewählte Eigenschaften, die eine bessere Kältebeständigkeit verleihen. Dies ist der Fall bei Populationen, die in kalten Klimazonen wie Sibirien oder im Himalaya leben. Sie haben oft kurze Arme und Beine, einen stämmigeren Körperbau und mehr Körperfett (um ihre innere Wärme besser zu speichern), flache Gesichter mit schützenden Fettpolstern an den Nebenhöhlen und flache Nasen (wichtiger in einer eisigen Luft). Zusätzlich, spezifische Versionen bestimmter Gene, verbunden mit einem höheren Stoffwechsel oder erhöhtem Blutdruck, sind bei diesen Völkern des Hohen Nordens häufiger anzutreffen.
Entweder die gleiche Art von Anpassungen, die die mächtigen Neandertaler zeigten um den kalten Klimazonen Europas im Paläolithikum standzuhalten.
Aber leugnen wir es nicht: Um sich vor der Kälte und ihren Gefahren zu schützen, ist es eine sehr gute Option, sich in warme Kleidung zu hüllen, während man heiße Schokolade um ein gutes Feuer trinkt. Besser noch, als wandernde Menschen einer neuen Art haben wir jetzt den Luxus, wann immer wir wollen, an wärmere Orte zu fliegen.
Aber nicht jeder hat diese Möglichkeiten… Vergessen Sie also nie, denjenigen, die am anfälligsten für Kälte sind, Obdachlosen, älteren Menschen oder Kleinkindern, besondere Aufmerksamkeit zu schenken… Sie könnten Leben retten.
Pieter Vancamp, Postdoktorat, Nationalmuseum für Naturkunde (MNHN)
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