Regelkreise im menschlichen Körper

Regelkreise im menschlichen Körper

 

Fast alle Lebensfunktionen des menschlichen Körpers bedürfen einer außerordentlich feinen Abstimmung, sowohl mit der Außenwelt als auch im Körper selbst. Hunger und Durst sowie deren Befriedigung gehören als Grundlage vieler weiterer Leistungen des Stoffaustausches ebenso zu den fundamentalen Regelfunktionen wie die Steuerung von Wach- und Schlafphasen.

 

Würden diese Regelleistungen nicht alle aufs Feinste abgestimmt funktionieren, so würden alle Körperfunktionen gewissermaßen entgleisen. Die Natur hat jedoch viele selbstregulierende und bei Fehlregulationen kompensierend wirkende Systeme parat, sodass ein solcher »Totalausfall« praktisch undenkbar ist.

 

 Der Wärmehaushalt

 

Der Körper verliert bei den meisten Temperaturen ständig Wärmeenergie an seine Umgebung. Zum einen strahlt der warme Körper infrarote Wärmestrahlen ab, zum anderen erwärmt er an seiner Oberfläche die kältere Luft, die nach Anwärmung nach oben steigt und wieder durch kalte Luft ersetzt wird. Bei sehr kalter Umgebungstemperatur kann auch der Wärmeverlust über die Atmung erheblich werden. Wenn in einem kalten Winter die Außentemperatur —20 ºCelsius beträgt, wird die eingeatmete Luft bei jedem Zug um etwa 55º angewärmt, denn in den Lungenbläschen herrscht immer Körpertemperatur.

 

Die Grundprinzipien eines Regelkreises

 

Um die Körpertemperatur konstant zu halten, benötigt der Organismus ein ausgeklügeltes System von Regelmechanismen. Bevor im Einzelnen auf Besonderheiten eingegangen werden kann, sollen die Elemente solcher Regelkreise am Beispiel des Wärmehaushaltes beschrieben werden. Der Wärmehaushalt eignet sich hierfür besonders, da der Mensch als gleichwarmes Lebewesen bemüht ist, die Temperatur in seinem Körperinnern bei etwa 37 ºC zu halten. Dazu muss er seine Wärmeabgabe mit der Aufnahme und der Herstellung von Wärme abgleichen.

 

Folgende Instanzen sind Teil eines jeden Regelkreises:

 

Störgrößen: Zu hohe und niedrige Umgebungstemperatur stören die Körpertemperatur durch Abstrahlung von innen oder durch Überhitzung von außen. Schwere körperliche Arbeit, zum Beispiel intensive sportliche Betätigung, liefert überschüssige Restwärme bei der Umsetzung der Stoffwechselenergie von innen.

 

Fühler: Temperaturmesser befinden sich wahrscheinlich überall im Körper. Wärmefühler sind besonders außen in der Haut, im Rückenmark und im Hypothalamus des Zwischenhirns, dem Steuerzentrum der Temperaturregulation, lokalisiert. Ein Fieberthermometer weiß nicht, was Fieber ist, es gibt nur einen Wert an, den die Krankenschwester oder die Mutter interpretiert. Im Körper aber gibt es Sensoren, die »eher kalt« und »eher warm« messen, sodass deren jeweilige hohe Aktivität bereits eine Vorbewertung im Sinne von »zu kalt« oder »zu warm« sein könnte. Trotzdem melden diese Sensoren zunächst nur eine Zahlengröße, den

 

Istwert: Im Hypothalamus werden die Istwert-Meldungen aus allen Bereichen des Körpers gesammelt; besonders wichtig scheint auch der Messfühler für die Temperatur im Hypothalamus selber zu sein. In einem letztlich nicht ganz geklärten Rechenmodus wird aus den vielen Eingängen hier wahrscheinlich ein »gewogener Durchschnittswert« gebildet. Der Istwert entspricht also einem rechnerisch modifizierten Temperaturwert.

 

Sollwert, Komparator und Stellgröße: Der im Hypothalamus gespeicherte Sollwert ist aber nicht konstant, sondern unterliegt ebenfalls körperlichen Bedürfnissen und wird mehrfach stündlich nachgeregelt. Im Komparator werden der aktuelle Istwert mit dem aktuellen Sollwert verglichen. Stimmen beide Werte überein, braucht der Körper nicht zu reagieren. Ergibt sich beim Vergleich eine Differenz, errechnet die Stellgröße Orte und Intensitäten der zu ergreifenden Maßnahmen durch die

 

Stellglieder: Unter anderem die bei Kälte zitternden Muskeln tragen dazu bei, einen neuen, »richtigen« Istwert einzustellen. Mit ihrer Zitterbewegung erzeugen sie Restwärme, die von den Fühlern wieder gemessen und im Sinne einer rückkoppelnden Messung weitergeleitet wird.

 

Die weitaus meisten Regelleistungen des Körpers bedürfen einer negativen Rückkopplung. Das bedeutet, dass die Maßnahme des Körpers gegen einen als regulierungsbedürftig bewerteten Zustand nicht zu stark überschießen darf und sich in noch funktionstüchtigen Bereichen selbst wieder abbremsen muss. Da also auch die Reaktion auf den falschen Istwert »angemessen« sein muss, also einer messenden Bewertung unterliegt, gehen viel mehr Faktoren in die Reaktion ein, als das einfache Schema nahe legt.

 

Positive Rückkopplungen kommen im menschlichen Körper zwar gelegentlich vor, bedürfen aber einer »Bremse von außen«. Ein Beispiel hierfür ist die lawinenartig ablaufende Depolarisation der Nervenzellen, der Nervenimpuls. Ihr Beginn steigert die Durchlässigkeit der Zellmembran für Natriumionen (Na⁺), sodass der Natriumeinstrom in die Zelle zur Depolarisation führt. Noch während des explosionsartig verlaufenden Natriumeinstroms wird ein Kaliumausstrom aus der Zelle nach einem ähnlichen Prinzip eingeleitet, und die Durchlässigkeit der Membran für Natriumionen wird ebenso schnell herabgesetzt, wie sie vorher gesteigert worden war.

 

In der Technik wird ein Sollwert meist sehr einfach eingestellt und ist dann »bis auf weiteres« im Sinne des Wortes maßgebend: Der Wasserwerker stellt den Pegelüberlauf auf eine bestimmte Höhe ein, und ohne eine erneute Einstellung bleibt der Sollwert gleich. Im Körper jedoch unterliegt der Sollwert in den meisten Fällen einer eigenen, oft in mehrfacher Hinsicht bestimmten Regulation. Gleichzeitig ist diese Sonderform des Sollwerts auch ein Schwellenwert, denn nur wenn er überschritten wird, beginnt ein regulierendes Geschehen abzulaufen, während unter diesem Wert nichts geschieht. Solche Schwellenregelungen sind im Körper häufig.

 

Eine Sollwertverstellung der Körpertemperatur geschieht zum Beispiel bei Infektionen im Fieber. Der Sollwert für die Körperkerntemperatur, also im Bauch oder im Gehirn, liegt am frühen Abend um fast ein Grad Celsius höher als im Tiefschlaf etwa in der Mitte der zweiten Nachthälfte. Bei Frauen liegt der Sollwert der Temperatur im Körperkern im Verlauf des Monatszyklus nach dem Eisprung meist um 0,3 bis 0,5 Grad höher als davor. Beide Sollwertverstellungen werden getrennt voneinander reguliert, und alle diese Regelungen überlappen natürlich. Darüber hinaus bestimmen noch viele andere Einflüsse mit, welche Temperatur der Körper als seinen im aktuellen Zustand besten Wert, den Sollwert, berechnet.

 

Temperaturmessungen im Körper

 

Die Wärmeproduktion im Körper findet vornehmlich durch den Energiestoffwechsel statt. Die angenehmste Art der Wärmeproduktion ist also sicherlich ein schönes Essen. Der Darm und insbesondere die Leber sind dann die »Heizkörper« des Organismus. Aber überall, wo Energie im Körper umgesetzt wird, entsteht auch ein großer Betrag an Restwärme, weil der biochemische Stoffumsatz nur einen Wirkungsgrad von einem Viertel bis einem Drittel der eingesetzten Energie hat. Während der Energieumsatz beispielsweise des Gehirns oder der Nieren in etwa konstant ist, können die Muskeln bei starker Arbeit enorme Wärme als »Ko-Produkt« der körperlichen Leistungen erbringen. Joggen bei leichtem Frost zum Beispiel, wirft nach einer Aufwärmphase jedenfalls eher Glatteis- oder Atemprobleme auf als eine Unterkühlung des Körpers.

 

Damit die Körperkerntemperatur konstant gehalten werden kann, muss der Körper zügig auf die Kältereize der Thermorezeptoren in der Haut reagieren. Sie melden diese an den Hypothalamus, der daraufhin eine Sollwertverstellung vornimmt. Obwohl die Kerntemperatur noch gar nicht betroffen ist, ermittelt der Komparator im Hypothalamus nun eine Istwert/Sollwert-Differenz und leitet vorbeugende Maßnahmen ein. Über sympathische Nervenreize wird die Haut weniger durchblutet und gibt daher weniger Wärme ab. Außerdem beginnt zunächst die Kaumuskulatur zu zittern, bis über die Arm- und Schultermuskeln hinabsteigend der ganze Körper zittert und mit dieser Muskelarbeit Wärme produziert.

 

Konstanthaltung durch Verstellung vieler Sollwerte

 

Geht man in kalt empfundenes Wasser, klappert man anfangs mit den Zähnen. Kaum fängt man an zu schwimmen, hört das Klappern jedoch sehr schnell auf. Mit dem Beginn der stärkeren Muskelarbeit wird dem Komparator mitgeteilt, in welchem Maße demnächst Wärme durch Muskelarbeit zu erwarten ist. Daraufhin errechnet er einen neuen Sollwert und leitet aufgrund der Messungen differenzierte Reaktionen ein. Sie bewirken zwar eine weiterhin weniger stark durchblutete Haut, aber eine Einstellung des unnötig gewordenen Zitterns. Außerdem werden verschiedene Körperpartien unterschiedlich geregelt: Während die Haut an Armen und Beinen beim Schwimmen deutlich abkühlt, behält die Kerntemperatur weiterhin ihren Normalwert von etwa 37 ºCelsius bei. Viele verschiedene Sollwerte werden also gleichzeitig zentral für unterschiedliche Körperteile differenziert berechnet und einzeln geregelt.

 

Leistet ein Mensch bei mittleren oder höheren Temperaturen zusätzlich noch starke Muskelarbeit oder ist anderen Hitzebelastungen ausgesetzt, werden Kühlmaßnahmen eingeleitet. Dies geschieht ebenfalls über Sollwertverstellungen, deren Stellglieder die Blutgefäße in der Peripherie sind. Die sprichwörtlichen »roten Ohren« sind ein Zeichen für die starke Durchblutung der Körperoberfläche. Die Haut wird warm und kann so mehr Wärmeenergie pro Zeiteinheit abgeben. Auch wird, wieder über Steuerungen durch den Hypothalamus, die Schweißsekretion angeregt. Die Verdunstungsenergie für die Trocknung des Schweißes entstammt der warmen Haut, also aus dem Blut des Körpers; mit dem Kreislauf des Blutes führt dies zu einer recht effektiven Abkühlung des gesamten Organismus.

 

In den feuchtheißen, tropischen Klimaten tropft uns der Schweiß von der Nase, weil er in der feuchten Luft fast nicht trocknet und uns daher auch kaum kühlt. Der fehlende Kühleffekt führt seinerseits zu einer vermehrten Schweißabgabe, allerdings erst recht ohne viel Aussicht auf Erfolg. Daher belastet uns die Luftfeuchte im »Treibhausklima« solcher Länder mehr als das Thermometer oftmals vermuten lässt.

 

Da die Einstellung des Sollwerts für die Temperatur im Körper nicht immer konstant ist, seien hier zwei weitere Regulationstypen thematisch angeschnitten, die Tagesrhythmen oder circadianen Rhythmen sowie die Regulierungen im Monatsverlauf. Sie unterliegen erst 1998 entdeckten Zeitgenen oder clock-Genen. Darüber hinaus gibt es noch jahreszeitliche Regelungen, die den Jahresverlauf widerspiegeln und damit circaannuell ablaufen. Mit weit über hundert im Tagesverlauf schwankenden physiologischen Größen sind die circadianen Rhythmen beim Menschen weitaus am häufigsten. Ob Augeninnendruck, Cortisol-Konzentration im Blut, Konzentrationsfähigkeit oder Harnproduktion — die verschiedensten geregelten Abläufe sind abhängig von der Tageszeit. Viele von ihnen überlappen nicht über die zufällig gleiche Uhrzeit, sondern wirken, wie im oben angeführten Beispiel, zwangsläufig mitbestimmend in solchen interferierenden Regelkreisen.

 

Nerven oder Hormone?

 

Das Gehirn steuert und regelt alle Vorgänge sowohl im Körper als auch die Umweltbeziehungen des Organismus. In einfache Reflexe wird das Gehirn jedoch nur eingeschaltet, wenn jene nicht auf der nächstniedrigeren »Instanzenebene«, dem Rückenmark, bewältigt werden können. Hierfür verfügt der Körper über ein außerordentlich bewährtes, hierarchisch arbeitendes Reaktionssystem.

 

Die ersten drei Grundentscheidungen heißen bei fast allen Sinnesmeldungen, auf die der Körper möglicherweise reagieren muss: 1) Soll der Körper reagieren oder nicht? 2) Wenn ja: Muss es ganz schnell gehen, oder hat es etwas Zeit — zur Einleitung weiterer Maßnahmen oder zur Feststellung, ob es denn wirklich so schlimm ist und bleibt? (Verbrenne ich mir gerade meine Fingerspitze an der Herdplatte? Oder: Werde ich an diesem warmen Tag allmählich durstig?) 3) Muss der Reaktionsbefehl — oder die Befehle — an ein bestimmtes Organ gehen oder an den ganzen Körper? (Wird das Eintreffen eines Fremdkörpers vor dem Auge festgestellt und ist ein Lidschlag nötig? Oder: Beim monatelangen Training muss ich Calcium aus dem Blut entnehmen und in die Knochen einbauen.)

 

Beide Vorgaben sind im Gehirn funktionell repräsentiert; die Reaktionswege liegen als sofort einsetzende Notfallprogramme vor oder als langsam arbeitendes Programm für den »Normalfall«. Das Gehirn ist jedoch nicht nur die Entscheidungszentrale über den jeweiligen Einsatz auf dem Nervenwege, sondern es reagiert auch selbst, entweder auf neuronalem Weg durch unterschiedliche Reflexebenen oder Nachdenken, oder auf hormonalem Weg durch dosierte Bereitstellung und Ausschüttung der übergeordneten Steuerhormone.

 

Der neuronale Weg ist schnell und erreicht ganz spezifische Zielorte. Der hormonelle Weg geht dagegen langsamer, am schnellsten in einigen Sekunden. Er unterrichtet aber sehr zuverlässig und lang anhaltend, mindestens über einige Minuten, jede einzelne Körperzelle über nötige Beteiligungen an Reaktionen. Hierzu wären bei einer ähnlichen Reaktion auf dem Nervenwege unverhältnismäßig aufwendige Nervenprogamme nötig. Daher stellt sich im Gehirn immer die Frage, nach welcher der beiden Reaktionspläne vorzugehen ist. Die Entscheidung fällt der Hypothalamus im Zwischenhirn. Er steuert die vegetativen Nervenzentren, das sympathische und das parasympathische Nervensystem und kann so beispielsweise praktisch verzögerungsfrei über den Sympathikus eine Erhöhung des Blutdrucks bewirken. In einem anderen Fall aktiviert er nicht das Nerven-, sondern das endokrine System und veranlasst den Hypophysenhinterlappen, Hormone freizusetzen.

 

 Erdanziehung und Regulationen im Körper

 

Der Körper ist ständig der Schwerkraft durch die Erdanziehung der Erdmasse ausgesetzt. Alle damit zusammenhängenden Regulationsmechanismen des Körpers laufen dermaßen automatisch und in aller Regel fehlerfrei ab, dass wir mit diesem Problem praktisch nie konfrontiert werden und es deshalb auch übersehen.

 

Als in der Evolution der Wirbeltiere unsere Vorfahren vor gut 400 Millionen Jahren vom Wasser an das trockene Land gingen, war die für den Körperbau wichtigste Umstellung neben der Luft als Atemmedium statt des Wassers und der Austrockung des Körpers an der Luft auch der fehlende Auftrieb des Wassers, also das Körpergewicht in der Umgebungsluft.

 

Wo ist oben, und wie bleibt das so?

 

Wo oben ist, melden die Gleichgewichtsorgane im Innenohr. Wenn man eine aufrechte Haltung eingenommen hat, muss sie der Körper durch unablässige Kontrolle und durch rückkoppelnde Einstellungen mittels Haltereflexen im Wortsinne aufrechterhalten. Wenn man das Bewusstsein verliert, bleibt oft der Gesichtssinn länger erhalten als der Gleichgewichtssinn. Deshalb bemerkt man eine Lageveränderung erst, wenn sich die Umgebung zu bewegen scheint. Da aber die Meldung des Lagesinnes im Innenohr vom Gehirn nicht interpretiert wird, scheint der Raum in dem man steht umzustürzen. Intellektuell ist man also nicht in der Lage, die ungewohnte Situation zu meistern. Ohne die automatischen Reflexe stürzt man bei noch vollem Bewusstsein hin; man bemerkt seinen eigenen Sturz zu spät und kann mit dem zu langsam arbeitenden »Nachdenksystem« nicht schnell und wirksam genug reagieren.

 

Im gesunden Körper halten die Reflexe die Beingelenke und den Körper ständig muskulär aufrecht. Einer der vielen Haltereflexe, die die aufrechte Körperhaltung mitsteuern und mitregeln, ist der Patellarsehnenreflex (Kniesehnenreflex). Bei gebeugtem Knie und locker baumelndem Unterschenkel klopft der Arzt mit einem Reflexhämmerchen auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe. Unmittelbar danach zuckt der Unterschenkel bei funktionierendem Reflex kurz etwas nach vorne. Mit dem leichten Klopfen auf die Sehne hat der Arzt für ein paar Hundertstel Sekunden eine leichte Delle in die Sehne geschlagen, was diese etwas verkürzt. In den Muskeln oberhalb der Kniescheibe befinden sich feine Dehnungssensoren, die Muskelspindeln, welche die Verkürzung an das Rückenmark melden. Da gleichzeitig kein »Befehl« des Gehirns in Form eines Bewegungsprogramms vorliegt, aufgrund dessen eine Dehnung dieses Ausmaßes im Rahmen anderer Körperbewegungen zu erwarten wäre, läuft der Reflex ab. Denn in der Regel sind alle vom Körper nicht selbst eingeleiteten Bewegungen für diesen eher unfallträchtig oder sonst wie schädlich.

 

Der Patellarsehnenreflex ist ein Eigenreflex, das heißt, der Muskel, an dem gezupft wurde, zieht nun selbst gegen diesen Zug. In der alltäglichen Situation ist das ein Beitrag, die aufrechte Haltung zu bewahren und nicht umzustürzen. Daher dürfen Eigenreflexe auch nicht ermüdbar sein. Die einfache und doch sehr wirksame Erleichterung der konstant aufrechten Haltung durch viele solcher Reflexe braucht nicht einmal ans Gehirn gemeldet zu werden. Solche einfachen Entscheidungen und Handlungen muss die »untere Instanz«, also das Rückenmark, selbst bewältigen.

 

Das Modell der flüssigkeitsgefüllten Säule

 

Der Mensch ist ein flüssigkeitsgefüllter, gekammerter Körper. Wenn ein Mensch aufrecht steht, herrscht in den Beinen und Füßen der zusätzliche Gewichtsdruck oder hydrostatische Druck der darüber befindlichen Körperflüssigkeiten. Er ist eine Wirkung der Erdanziehung. Etwa in Höhe des Zwerchfells ändert sich im Liegen oder Stehen kaum etwas an den Werten. In Kopfhöhe »zieht« das Gewicht des Blutes jedoch nach unten und vermindert den Druck in den Blutgefäßen.

 

So kann man beim plötzlichen Aufstehen den kurzfristigen Blutverlust aus dem Kopfbereich als schnell vorübergehenden Schwindel erleben, weil das Blut besonders in den dehnungsfähigen Venen der Beine »versackt«. Normalerweise stellt der orthostatische Reflex in wenigen Sekunden die notwendigen Blutdruckverhältnisse in dem hierfür empfindlichsten Organ, dem Gehirn, wieder her. Dehnungsrezeptoren in verschiedenen Partien der beteiligten Gefäße melden die Druckänderung und leiten damit den Regulationsreflex ein.

 

Regulation des hydrostatischen Drucks

 

Eine Folge des Erwerbs des aufrechten Ganges durch die frühen Hominiden vor 4,5 bis 5 Millionen Jahren war, dass wir Menschen nun die physikalischen Folgen der körperhohen Flüssigkeitssäule physiologisch bewältigen müssen. Die dauernde und genügende Durchblutung des Gehirns ist dabei eine absolute Notwendigkeit. Das war jedoch wahrscheinlich eher ein relativ geringes Problem, weil das Gehirn von vier großen Arterien mit Blut versorgt wird. Der mit der Aufrichtung des Körpers gleichzeitig ansteigende Flüssigkeitsdruck im unteren Bein- und Fußbereich stellte wohl ein größeres Problem dar. Allein durch den Lagewechsel strömt beim Aufstehen etwa ein halber Liter Blut zusätzlich in die Beine. Bei gesunden Menschen sorgt eine Art kombinierte Muskel- und Gewebepumpe dafür, die Flüssigkeit immer nach oben zu massieren und zu transportieren, sodass sie auch im Stand gleichmäßig verteilt ist.

 

Die Aktivität der Muskulatur in den Venenwänden ist auch abhängig von der Temperatur: Bei größerer Wärme soll mehr Blut zur Abkühlung durch die hautnahen Gefäße fließen. Im Rahmen des erhöhten Blutflusses weiten sich bei Hitze alle Venen und das venöse, zum Herzen zurückfließende Blut wird nicht mit genügender Leistungsfähigkeit aus der Peripherie des Körpers abgepumpt. Da durch den Flüssigkeitsdruck in den Venen etwas mehr Flüssigkeit als gewöhnlich in das Gewebe hinausgetreten ist, wird nun die normale Rückkehr in die Blutgefäße erschwert. Daher haben besonders ältere Menschen mit nicht mehr so leistungsstarkem Herzen an heißen Tagen am ehesten Probleme mit dem Flüssigkeitsstau in den Beinen.

 

Prof. Dr. Carsten Niemitz, Berlin

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Niere: Teil eines gigantischen Regelwerks

 

Blutdruck: Mechanismen zur Regulation

 

Haut: Unser größtes Organ