Textprobe: Kapitel 2, Grundlagen: In diesem Abschnitt werden die für Verständnis und Beurteilung der Versuchsdurchführung notwendigen Grundlagen erläutert und diskutiert. Zu Beginn findet eine Diskussion der beiden untersuchten physiologischen Parameter Körperkerntemperatur und Energieumsatz in ihren grundlegenden Prinzipien und regulatorischen Funktionsweisen, ihren Normal- und Grenzwerten sowie ihren Anpassungen bei Belastung statt. Im Anschluss dient eine kurze Beschreibung der verwendeten Messgeräte Braun Thermoscan IRT 4520 für die Körperkerntemperatur und Cortex MetaMax3B für den Energieumsatz einem besseren Verständnis für die Versuchsdurch-führung und einer besseren Einschätzung der Belastbarkeit der Messergebnisse. Zuletzt soll eine kurze Erläuterung der verwendeten Kleidung hinsichtlich Materialien und Isolationswerten diesen Abschnitt abrunden. 2.1, Grundlagen der untersuchten physiologischen Parameter: In dieser Studie wird die Auswirkung von physiologischer Beanspruchung untersucht und diskutiert. Bei der Bewertung der physiologischen Beanspruchung durch Kälte oder Wärme gibt es zwei Kategorien (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 21). Bei geringer thermischer Beanspruchung kann der Körper sein thermisches Gleichgewicht durch ein Mindestmaß an regulatorischen Anpassungen aufrechterhalten. Der Mensch empfindet weder Kälte noch Wärme. Es handelt sich um einen neutralen thermischen Zustand des Körpers. Bei einer hohen Kältebeanspruchung hingegen kann das thermische Gleichgewicht nur durch periphere Vasokonstriktion, also eine verringerte Durchblutung der Extremitäten, aufrechterhalten werden. Dadurch empfindet der Mensch Kälte, toleriert diese aber noch über einen längeren Zeitraum. Im Folgenden werden die Körperkerntemperatur und der Energieumsatz unter anderem hin-sichtlich ihrer Reaktion auf Belastung und ihrer zumutbaren und gesundheitlich unbedenklichen Grenzwerte diskutiert. Diese sind insbesondere für den Energieumsatz relevant, da er neben der Herzschlagfrequenz hauptsächlich begrenzend auf die maximal durch einen Menschen erbring-bare Leistung wirkt (vgl. GRANDJEAN, 1987, S. 77). Daher werden diese beiden Parameter sehr häufig für die Beurteilung der Schwere menschlicher Arbeit herangezogen. Dennoch wird im Folgenden die Körperkerntemperatur anstatt der Herzschlagfrequenz untersucht, da die bei-den metabolischen Parameter Energieumsatz und Körperkerntemperatur funktional eng miteinander verbunden sind. 2.1.1, Körperkerntemperatur: Das Gleichgewicht der Körperkerntemperatur des gesunden Menschen liegt bei 37,0°C (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983. S. 227), womit die Kerntemperatur durchschnittlich 4 K über der Hauttemperatur liegt, wobei die genaue Differenz vom Ort der Hauttemperaturmessung abhängt (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 492). Es ist leicht verständlich, dass die Messung der Hauttemperatur im Vergleich zur Messung der Kerntemperatur mit weniger Aufwand verbunden ist, da die Hauttemperatur an der Körperoberfläche gemessen werden kann, womit eine kontinuierliche Messung einfacher zu realisieren ist als für die Kerntemperatur. Für die hier durchgeführte Untersuchung wurde sich dennoch für die Messung der Kerntemperatur entschieden, da diese eher die Temperatur der inneren Organe und damit die für eine problemlose Funktion des Organismus notwendige Temperatur widerspiegelt. Gemäß DIN EN ISO 9886 (2004, S. 8 ff.) gibt es sieben Verfahren zur Messung der Körperkerntemperatur. So kann die Bestimmung über die Messung der Ösophagus-Temperatur, der Rektaltemperatur, der intraabdominalen Temperatur, der Oraltemperatur, der tympanischen Temperatur, der Gehörgangstemperatur und der Urintemperatur erfolgen. Aus im Folgenden erläuterten Gründen ist für die Durchführung dieser Untersuchung jedoch nur die Messung der Temperatur des Trommelfells (tympanische Temperatur) relevant. Aufgrund ihrer invasiven Eigenschaften sind die Messung der Ösophagus-Temperatur und der intraabdominalen Temperatur ohne medizinisches Personal nicht durchführbar. Ebenso scheidet die Bestimmung der Urintemperatur durch die vorgesehene viertelstündliche Messung aus. Die Rektaltemperatur wird insbesondere bei Tätigkeit der Beine durch die Muskelarbeit beeinflusst und gibt die Temperatur des Körperkerns nur zeitverzögert wieder. Darüber hinaus stellt die Messung der Rektaltemperatur von vornherein keine Option dar, da ihre Anwendung in Abwesenheit eines Arztes nicht zulässig ist. Die Gehörgangs- und Oraltemperaturen sind gemäß DIN EN ISO 9886 (2004, S. 8 ff.) nur bedingt geeignet, da sie eher eine Kombination aus Kern- und Hauttemperatur darstellen, zumal die Oraltemperatur stark durch Essen, Trinken oder Atmung beeinflusst wird. Hingegen bietet das Trommelfell einen bedeutenden Vorteil gegenüber den anderen erwähnten Messverfahren (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 9). Weil das Trommelfell teilweise durch die innere Kopfschlagader, die auch den Hypothalamus versorgt, durchblutet wird und aufgrund seiner geringen Masse eine geringe thermische Trägheit aufweist, spiegelt es die Temperatur des die Wärmeregulationszentren beeinflussenden Blutes gut wider. Jedoch birgt auch die Messung der Temperatur des Trommelfells nicht zu vernachlässigende Probleme (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 10). So findet neben der Blutversorgung durch die innere Kopfschlagader außerdem eine Versorgung durch die äußere Kopfschlagader statt, wodurch die tympanische Temperatur durch lokale Wärmeaustauscheffekte beeinflusst wird. Um diese Effekte gering zu halten, sollte die Messung in einer Umgebung mit einer Lufttemperatur zwischen 18°C und 30°C (Infrarot-Messung) bzw. 18°C und 58°C (Berührungs-Messung) und mit einer maximalen Windgeschwindigkeit von 0,2 m/s (Infrarot-Messung) bzw. 1 m/s (Berührungsmessung) stattfinden (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 19). Dem menschlichen Körper stehen zur Aufrechterhaltung eines gesunden Niveaus der Körperkerntemperatur vier regulatorische Mechanismen zur Verfügung (vgl. SCHLICK et al., 2010, S. 822). Neben der Wärmeabgabe über Atmung, Konvektion und Abstrahlung stellt die Schweißverdunstung mit einer Abgabe von 251 kJ pro 100 ml (vgl. WYNDHAM & STRY-DOM, 1986, S. 291 ff.) das bedeutendste regulatorische Prinzip dar. Dies gilt insbesondere in-sofern, als dass der mit steigender Temperatur zunehmende Blutfluss in die Haut zu einer vermehrten Wärmeabgabe führt (vgl. ASTRAND & ROHDAHL, 1970, S. 492 ff.), Konvektion und Strahlung jedoch nahezu unverändert bleiben (vgl. ASTRAND & ROHDAHL, 1970, S. 499). Somit kommt es in Folge einer physiologischen Belastung durch körperliche Aktivität oder durch warmes Umgebungsklima schnell zu einem Einsetzen der Schweißbildung, wenn die Wärmeaufnahme aus der Umgebung und die Wärmeproduktion der Muskeln die Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung übersteigen (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 232). Hierbei ist zu bedenken, dass es beim Tragen von entsprechender Schutzkleidung auch im Tiefkühllager zur Schweißbildung kommt, wobei die Verdunstung jedoch durch die Kleidung eingeschränkt wird. Neben der als unangenehm empfundenen Feuchtigkeit der Körper-oberfläche und der anliegenden Kleidungsschichten ist auch zu bedenken, dass die Kälteschutzwirkung der Kleidung im feuchten Zustand herabgesetzt ist. Sowohl eine Hypo- als auch einer Hyperthermie sind für den Menschen gesundheitsschädlich. Kommt es aufgrund einer zu kalten Umgebung zu einem Abfall der Körpertemperatur, bestehen nicht zu vernachlässigende Gesundheitsrisiken für den Menschen (vgl. N.N. 2012 f). Bei Körpertemperaturen unter 36°C setzt als Kompensation das Kältezittern ein, wobei dieses bei Temperaturen unter 33°C jedoch bereits wieder aufhört. Sinkt die Temperatur unter 30°C droht Bewusstseinsverlust und unterhalb einer Körperkerntemperatur von 28°C kann es bereits zu lebensbedrohlichen Zuständen wie Herzkammerflimmern oder Herzkreislaufstillstand kommen. Kommt es aufgrund gesundheitlicher Probleme oder einer zu hohen physiologischen Belastung zu einem Versagen der Thermoregulation und in Folge zu einem thermischen Ungleich-gewicht, bestehen ab einer Körperkerntemperatur von 40°C erhebliche Risiken für den menschlichen Körper (vgl. SCHLICK et al., 2010, S. 822). Bei dieser Temperatur ist mit Kreislaufversagen zu rechnen. Temperaturen von über 41°C führen zu einer irreversiblen Schädigung des Gehirns. Folge eines Anstiegs der Körperkerntemperatur auf über 42,6°C ist der Tod. In Ruhe erfolgt ungefähr 80% der Wärmeproduktion durch die inneren Organe und nur 20% durch die Arbeit der Skelettmuskulatur (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 227 ff.). Da der Anstieg der Wärmeproduktion der Organe bei körperlicher Aktivität vernachlässigbar ist, produziert die Skelettmuskulatur dann bis zu 80% der Wärme, während nur noch 20% auf die inneren Organe entfallen. Durch diesen bei körperlicher Aktivität engen Zusammenhang zwischen Muskelarbeit und Wärmeproduktion kann die Zunahme letztgenannter als nahezu proportional zum Energieumsatz betrachtet werden (vgl. RODAHL, 1989, S. 170). Dies gilt auch für den Anstieg der Körperkerntemperatur (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 500 ff.). Ausgehend von der Ruhetemperatur steigt die Kerntemperatur unter Belastung annähernd linear auf 39,0°C bei maximaler Sauerstoffaufnahme an (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 500). Es soll nun beispielhaft der Anstieg der Kerntemperatur unter Belastung ausgehend von einer Ruhetemperatur von 37,0°C betrachtet werden. Ist diese Person einer Belastung ausgesetzt, bei der sie eine Sauerstoffaufnahme von 25% der maximalen Aufnahmefähigkeit erreicht, steigt ihre Kerntemperatur auf 37,3°C. Bei einer Belastung, bei welcher 50% der maximalen Sauerstoffaufnahmefähigkeit erreicht wird, steigt die Temperatur auf 38,0°C und bei 70% auf 38,5°C. Unter einer Belastung, bei welcher die Person die maximale Sauerstoffmenge auf-nimmt, würde eine Kerntemperatur von 39,0°C erreicht. Versuche mit körperlicher Belastung in einer kalten Umgebung haben gezeigt, dass die Kerntemperatur unter diesen Bedingungen üblicherweise 40 - 60 Minuten lang ansteigt, bis sie ein neues Einstellungsniveau erreicht hat (vgl. WYNDHAM & STRYDOM, 1986, S. 291 ff.), wobei die Geschwindigkeit des Anstiegs zum einen vom Belastungsniveau und zum anderen von individuellen Eigenschaften wie Alter, Geschlecht, Körpergröße und maximaler Sauerstoffaufnahme abhängt. Das beschriebene Verhalten der Körperkerntemperatur darf nun aber keineswegs als Versa-gen der Thermoregulation aufgefasst werden, sondern vielmehr als eine logische und notwendige Konsequenz der physiologischen Belastung (vgl. WYNDHAM & STRYDOM, 1986, S. 291 ff.). Unter Berücksichtigung, dass der mechanische Wirkungsgrad der Muskulatur im Idealfall nur bei rund 25% liegt, wird schnell deutlich, mit welcher muskulären Wärmeproduktion körperliche Aktivität einhergeht. Des Weiteren steigt der Wirkungsgrad der Muskulatur bei Temperaturen zwischen 38,0°C und 39,0°C. Somit stellt der Anstieg der Kerntemperatur eine Anpassung des Körpers dar, die einen Beitrag zur Effizienz muskulärer Arbeit liefert. 2.1.2, Energieumsatz: Gemäß DIN EN ISO 8996 (2005, S. 4) handelt es sich beim körpereigenen Energieumsatz um die Umwandlung von chemischer in mechanische und thermische Energie. Entsprechend wird er auch als körpereigene Energieerzeugung bezeichnet und kann als Maß für die Schwere muskulärer Arbeit herangezogen werden. Aufgrund des oben erwähnten muskulären Wirkungs-grades beträgt der Energieumsatz ungefähr das Vierfache der erbrachten Muskelarbeit zuzüglich des für die Aufrechterhaltung elementarer Körperfunktionen notwendigen Umsatzes. Auf die einzelnen Bestandteile wird in diesem Abschnitt noch ausführlich eingegangen. Die wichtigsten Ausgangsprodukte des Stoffwechsels sind Glukose und Sauerstoff (vgl. KEUL & BERG, 1986, S. 196 ff.). Gemäß der Gleichung C6H12O6 + 6O2 ? 6CO2 + 6H2O + Energie entstehen aus diesen beiden im Körper die Stoffwechselendprodukte Kohlensäure und Wasser, wobei die für die Körperfunktionen benötigte Energie frei wird (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 12). Zur Messung des Energieumsatzes werden die direkte und die indirekte Energieumsatzbe-stimmung unterschieden (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 153). Während bei der direkten Methode der Energieumsatz aus der Wärmeabgabe des Körpers ermittelt wird, wird bei der in dieser Untersuchung angewandten indirekten Ermittlung der Energieumsatz aus der Sauerstoffaufnahme des Probanden abgeleitet. Dies ist möglich, da der menschliche Organismus nur eine geringe Kapazität zur Sauerstoffspeicherung besitzt und die Sauerstoffaufnahme somit den tatsächlichen Sauerstoffverbrauch gut widerspiegelt. Da der Sauerstoffbedarf zur Produktion einer Kilokalorie aus verschiedenen Nährstoffen bekannt ist, lässt sich aus dem gemessenen Wert der Energieumsatz errechnen (vgl. TAKALA, S. 9). So sind zur Produktion einer Kilokalorie aus Kohlenhydraten 207 ml Sauerstoff notwendig, aus Fetten 213 ml und aus Proteinen 223 ml. Hieraus lässt sich durch Umrechnung das in DIN EN ISO 8996 (2005, S. 15) als für die Ermittlung des Energieumsatzes ausreichend festgelegte mittlere Energieäquivalent von Sauerstoff ableiten. Das energetische Äquivalent kann dann weiter in 0,00488 kcal pro ml Sauerstoff umgerechnet werden. Weiterhin ist bekannt, dass der durchschnittliche Sauerstoffverbrauch des Menschen in Ruhe 0,25 bis 0,3 Liter pro Minute beträgt (vgl. GRANDJEAN, 1987, S. 94). Die Berechnung des Tagesenergieumsatzes unter Verwendung soeben hergeleiteter Werte ergibt einen durchschnittlichen Ruheumsatz von ungefähr 2.100 Kilokalorien je Tag, wobei der genaue Wert von unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften der betrachteten Person abhängig ist. Damit stellt dieser Wert nur eine geringe Abweichung von den im weiteren Verlauf dieses Abschnitts diskutierten Werten dar. Neben der Unterscheidung direkter und indirekter Verfahren zur Messung des Energieumsatzes muss weiterhin in Partial- und Integralverfahren unterschieden werden (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 12 ff.). Da bei Aufnahme einer Tätigkeit ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen Sauerstoffaufnahme und Sauerstoffbedarf erst nach 3 - 5 Minuten eintritt, wird im Partialverfahren für leichte und mäßig schwere Arbeiten erst nach 5 Minuten mit der Messung begonnen und diese mit Beendigung der Tätigkeit abgeschlossen, während bei schwerer oder sehr schwerer Arbeit das Integralverfahren Anwendung findet.