Schultaugliche Versuche zur Temperaturwahrnehmung und ihre physiologischen Grundlagen

Staatsexamensarbeit von Theresa von Helden

Einleitung:

Tagtäglich nehmen wir Temperaturen wahr – Lufttemperaturen, Wassertemperaturen, Objekttemperaturen. Dabei merken wir bisweilen, dass unsere Temperaturempfindung beeinflussbar ist. So hat jeder schon einmal erlebt, dass eiskalte Hände gewöhnliches Leitungswasser deutlich warm empfinden und dass ein Löffel aus Metall wesentlich kälter erscheint als ein daneben stehender Kunststoffbecher. Obgleich wir diese und viele andere Erfahrungen mit der Temperatur gemacht haben, denken wir kaum über unsere Temperaturempfindungen und ihr Zustandekommen nach.

Diese Arbeit setzt sich intensiv mit den physiologischen Grundlagen der Temperaturwahrnehmung auseinander. Dabei werden Parallelen und Unterschiede zwischen der objektiven Reizaufnahme und –verarbeitung im Nervensystem und der subjektiven Empfindung aufgezeigt (Teil I). Außerdem werden fünf schultaugliche Versuche vorgestellt, die verschiedene Aspekte der Temperaturwahrnehmung eindrucksvoll demonstrieren. Die Versuche können im Unterricht als Ansatzpunkt für eine vielschichtige Diskussion des Temperatursinns genutzt werden (Teil II).

Der erste Teil meiner Arbeit gliedert sich in neun Kapitel, die den theoretischen Hintergrund für das Verständnis des Temperatursinns liefern. Nach einer allgemeinen Einleitung in die Grundbegriffe der Sinnesphysiologie (I. 1), stelle ich die Haut und ihre Sinne vor (I. 2). Anschließend gehe ich im Rahmen der objektiven Sinnesphysiologie zunächst auf das Entladungsverhalten der Thermosensoren (I. 3) und dann auf die molekulare und zentralnervöse Verarbeitung von thermischen Reizen ein (I. 4 – I. 5). Daraufhin gebe ich einen Einblick in die subjektive Dimension der Sinnesphysiologie, indem ich die Psychophysik des Temperatursinns darlege (I. 6). In diesem Zusammenhang erläutere ich auch die besondere Fähigkeit des Temperatursinns, aus dem Verlauf von Temperaturänderungen auf das Material von Objekten zu schließen (I. 7). In einem weiteren Kapitel diskutiere ich den Beitrag kutaner Thermosensoren zur Thermoregulation (I. 8). Um den Bezug zur Biologie zu vertiefen, gehe ich schließlich auf Spezialisierungen des Temperatursinns bei ausgewählten Tierarten ein (I. 9).

Im zweiten Teil dieser Arbeit stelle ich kurz die Bedeutung von Schulversuchen und ganzheitlichem Lernen heraus. Überdies verorte ich das Thema ‘Temperaturwahrnehmung’ im Lehrplan des Landes Rheinland-Pfalz und den Bildungsstandards (II. 1). Dann präsentiere ich fünf Versuche, in denen die SchülerInnen ihren Temperatursinn und seine physiologischen Grundlagen kennen lernen können. Die Versuche werden unter Rückbezug auf die theoretischen Grundlagen in Teil I ausgewertet (II. 2).

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 6. 2, Dynamische Temperaturempfindungen:

Unsere Alltagserfahrungen zeigen, dass wir nicht nur konstante Temperaturreize empfinden. Wir sind außerdem in der Lage, verschiedene Temperaturen zu vergleichen bzw. rasche Temperaturänderungen zu bemerken. Das Ausmaß dieser so genannten dynamischen Temperaturempfindlichkeit hängt von mehreren Einflussfaktoren ab. Hierzu gehören die Ausgangstemperatur (Adaptationstemperatur) der Haut, die Höhe und Geschwindigkeit der Temperaturänderung, die Größe der gereizten Fläche, die Körperregion und das Alter der Versuchsperson. Als Sonderfall können auch chemische Substanzen die Temperaturempfindlichkeit beeinflussen. All diese Faktoren führen dazu, dass dynamische Temperaturempfindungen oft nicht quantifizierbar sind.

Adaptationstemperatur:

Aus psychophysischer Sicht bedeutet die Wahrnehmung einer Temperaturänderung nichts anderes als das Überschreiten einer Unterschiedsschwelle. Wie Abbildung 6.2 zeigt, ist die Höhe einer Schwelle von der Adaptationstemperatur der Haut abhängig. So liegt die Unterschiedsschwelle für Warmempfindungen (‘Warmschwelle’) bei niedriger Hauttemperatur viel höher als bei hoher Hauttemperatur. Bei dynamischen Kaltempfindungen ist es genau umgekehrt: Die Unterschiedsschwelle für Kaltempfindungen (‘Kaltschwelle’) wird bei niedriger Hauttemperatur deutlich schneller überschritten als bei hoher Hauttemperatur. Offensichtlich werden die Wärmesensoren mit steigenden Adaptationstemperaturen empfindlicher für eine weitere Temperaturzunahme und die Kältesensoren mit fallenden Adaptationstemperaturen empfindlicher für eine weitere Temperaturabnahme.

Der doppelte Sensorensatz für die Temperaturwahrnehmung ermöglicht also eine sehr präzise Wahrnehmung von Temperaturänderungen im Bereich extremer Temperaturen: So können Änderungen von bis zu 0,1°C perzipiert werden. Wenn man davon ausgeht, dass eine ausbleibende Erregung eines Thermosensors ebenso eine Information darstellt wie eine tatsächlich stattfindende Erregung, so erhält das ZNS bei jeder Temperaturänderung eine Meldung von beiden Sensortypen: Werden also z. B. von den Kaltsensoren Signale gesendet und von den Warmsensoren nicht, so ist das Ergebnis der Integration dieser beiden Informationen, dass es sich um eine kleine Temperaturabnahme handelt. Dieses push-pull-System der Thermosensoren erhöht die Empfindlichkeit für kleine Reizänderungen enorm.

Wie bereits angedeutet, führt die Adaptation dazu, dass dynamische Temperaturempfindungen wenig objektiv sind. So lässt sich aus Abbildung 6.2 entnehmen, dass es beim Übergang zu einer bestimmten Hauttemperatur entweder zu einer Warm- oder zu einer Kaltempfindung kommen kann, je nachdem, ob man von einer hohen oder einer niedrigen Ausgangstemperatur startet: Zum Beispiel wird eine Hauttemperatur von 32°C ausgehend von 30°C als warm empfunden, hingegen erscheint sie ausgehend von 34°C kühl.

Höhe und Geschwindigkeit der Temperaturänderung:

Neben der Adaptationstemperatur der Haut hängt die Empfindlichkeit der Temperaturwahrnehmung auch von der Höhe der Temperaturänderung ab. Nach dem Weber-Gesetz ist der kleinste wahrnehmbare Reizzuwachs ein konstanter Bruchteil des Ausgangsreizes. In diesem Fall ist der Ausgangsreiz die Adaptationstemperatur. Allerdings zeigt sich bei der dynamischen Temperaturempfindung genau die Schwäche des Weber-Gesetzes, die bereits in Kapitel I. 1.2 angedeutet wurde: Der Quotient aus wahrnehmbarem Reizzuwachs und Ausgangsreiz ist nicht immer konstant. Obgleich das interne thermische Rauschen in Thermosensoren mit 10-6°C extrem niedrig ist, müssen Temperaturänderungen in der Nähe der Absolutschwelle relativ größer sein, um wahrgenommen zu werden. Bei kleinen Temperaturänderungen nahe der Schwelle kann es ansonsten zu ‘Auslassern’ kommen, d. h. eine Reizantwort des Sensors wird fälschlich als Spontanaktivität interpretiert.

Auch die Geschwindigkeit der Temperaturänderung hat Einfluss auf die Empfindungsintensität. So können schnelle Temperaturänderungen von mehr als 5°C pro Minute fast jede Unterschiedsschwelle überschreiten und somit eine bewusste Empfindung hervorrufen. Hingegen lassen langsame Temperaturänderungen die Unterschiedsschwellen zunehmen: Wie Abbildung 6.5 zeigt, führt z. B. eine Abkühlung um 0,4°C pro Minute (~ 0,007°C/s) ausgehend von rund 33°C erst nach 11 Minuten zu einer Kaltempfindung. Zu diesem Zeitpunkt ist die Temperatur schon um 4,4°C gesunken. Ein solches unbemerkt langsames Abkühlen der Hauttemperatur könnte bei Erkältungen eine Rolle spielen.