E24 Temperatur und Wärmefluss

Thema

Diese kutanen Thermorezeptoren erfassen sowohl die absolute Temperatur als auch deren Änderung über thermosensitive Ionenkanäle derselben Familie. Jeder dieser Ionenkanäle wird nur oberhalb oder unterhalb einer für ihn spezifischen Temperaturschwelle aktiviert. Diese Schwelle wird letztlich durch die Aktivierungsenergie seines internen Konformationsübergangs bestimmt. Überschreitet die Temperatur des Gewebes diese Schwelle eines bestimmten Ionenkanals, wird genau dieser Kanal – und nicht die anderen – im Gewebe aktiviert. Der Wärmefluss, und nicht die absolute Temperatur, mit der dieses Modell begann, ist die physikalische Größe, die diese kutanen Thermorezeptoren tatsächlich erfassen. Dies erklärt, warum ein Metall bei Raumtemperatur als kälter empfunden wird als Holz bei exakt derselben Raumtemperatur: Metall besitzt eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Holz und überträgt daher pro Zeiteinheit deutlich mehr Wärme vom Gewebe auf das Metall. Was man beim Berühren eines dieser beiden Objekte tatsächlich spürt, ist letztendlich die Wärmeverlustrate der Haut an das Objekt, nicht dessen absolute Temperatur. Die höhere Wärmeleitfähigkeit eines berührten Objekts führt zu einem größeren Wärmefluss von der Haut der berührenden Person zum Objekt und folglich dazu, dass das Objekt bei gleicher Temperatur als kälter wahrgenommen wird als ein Objekt mit geringerer Wärmeleitfähigkeit.

Diese Wärmediffusion in der Haut der wahrnehmenden Person folgt der gleichen Diffusionsgleichung, die in einem anderen Modell dieses Systems aufgestellt wurde: Die Eindringtiefe dieses Wärmesignals erreicht, nur eine Sekunde nach dem Kontakt mit einem Objekt, exakt die Tiefe, in der sich die in diesem Modell beschriebenen kutanen Thermorezeptoren in der Haut selbst befinden. Dies bedeutet, dass diese kutanen Thermorezeptoren mit einer gewissen Verzögerung auf diesen Kontakt reagieren – eine Verzögerung, die bemerkenswerterweise mit der Reaktionszeit übereinstimmt, die die wahrnehmende Person benötigt, um ihre Hand nach dem Berühren eines bereits heißen Objekts zurückzuziehen. Die höhere Temperatur des berührten Objekts bewirkt, dass sich diese Reaktionsverzögerung der kutanen Thermorezeptoren nicht von selbst ändert, sondern lediglich bestimmt, wie viel Zeit vergeht, bis die wahrnehmende Person auf die bereits wahrgenommene Wärme reagieren kann.

Die Anpassung dieses kutanen Thermorezeptors erklärt hingegen, warum ein heißes Bad mit der Zeit als zunehmend weniger heiß wahrgenommen wird: Die Feuerungsrate dieses Thermorezeptors sinkt exponentiell von einem hohen Anfangswert, der für diese Reaktion auf eine kürzliche Temperaturänderung charakteristisch ist, auf einen deutlich niedrigeren stationären Wert, der proportional zur nun konstanten absoluten Temperatur des Bades ist. Dasselbe Thermorezeptorsystem reagiert daher viel empfindlicher auf eine kürzliche Temperaturänderung als auf eine konstante Temperatur, entsprechend der Logik eines differentiellen Schwellenwerts, der in einem anderen Modell dieses Systems für einen biologischen Sensor etabliert wurde. Da die Temperatur des Bades über einen längeren Zeitraum konstant bleibt, sinkt die Feuerungsrate dieses kutanen Thermorezeptors weiter auf denselben niedrigeren stationären Wert zu.

Deshalb führt dieses Modell mit seinem Wärmefluss und den entwickelten Anpassungen zu einer überraschend niedrigen Detektionsschwelle für eine Temperaturänderung bei diesem kutanen Thermorezeptorsystem. Folglich müssen diese Hautthermorezeptoren selbst geringfügige Schwankungen des Wärmeflusses durch eine beträchtliche interne Verstärkung in jedem einzelnen Thermorezeptor zu einer signifikanten Änderung ihres Membranpotenzials verstärken. Schlangen wie der Python detektieren warmblütige Beute mit ihrem Lorealorgan und nutzen dafür eine noch niedrigere Wahrnehmungsschwelle als der Mensch, dank einer noch größeren internen Verstärkung in diesem spezialisierten Organ. Die höhere interne Verstärkung des Thermorezeptororgans einer bestimmten Spezies bedeutet, dass die Wahrnehmungsschwelle für eine Temperaturänderung bei dieser Spezies folglich noch niedriger ist.

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