ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN NATUR-. INGENIEUR- UND GE SELLSCHAFTSWI S SEN SCHAFTEN 135. SITZUNG AM 3. JUNI 1964 IN DüSSELDORF ARBEITSGEMEINSCHAFT FÜR FORSCHUNG DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN NATUR-, INGENIEUR- UND GESELLSCHAFTSWISSENSCHAFTEN HEFT 144 GUNTHERLEHMANN Die Arbeitsfähigkeit des Menschen im tropischen Klima HELMUT J. JUSATZ Die Bedeutung der Seuchenlage für die Entwicklung der Tropenländer HERAUSGEGEBEN IM AUFTRAGE DES MINISTERPRASIDENTEN Dr. FRANZ MEYERS VON STAATS SEKRETAR PROFESSOR Dr.h.c., Dr. E. h. LEO BRANDT GUNTHER LEHMANN Die Arbeitsfähigkeit des Menschen im tropischen Klima HELMUT J.JUSATZ Die Bedeutung der Seuchenlage für die Entwicklung der Tropenländer WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN ISBN 978-3-322-98078-6 ISBN 978-3-322-98717-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-98717-4 © 1965 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladcn Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag • Reprint of the original edition 1965 INHALT Gunther Lehmann, Dortmund Die Arbeitsfähigkeit des Menschen im tropischen Klima 1. Das Wärmegleichgewicht im arbeitenden Muskel ........... 7 H. Das Wärmegleichgewicht im ganzen Körper bei Arbeit und Wärmebelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 IH. Die Anpassung des Körpers an schwere Muskelarbeit und das Ertragen eines warmen Klimas ......................... 16 IV. Die Bedeutung dieser Gegebenheiten für das Leben in den Tropen................................................ 27 Diskussionsbeiträge Professor Dr. med. Walter Kikuth; Professor Dr. med. Gunther Leh mann; Professor Dr.-Ing. Friedrich Seewald; Staatssekretär Professor Dr. h. c., Dr.-Ing. E. h. Leo Brandt; Professor Dr. med. Werner Forß mann; Professor Dr. phil., Dr. phil. h. c. Bernhard Rensch; Professor Dr. phil. Theodor Kraus; Professor Dr. phil. Lothar Szidat; Professor Dr. rer. nato Günther Otto Schenck; Professor Dr. med. Otto Fischer 37 Helmut J. Jusatz, Heidelberg Die Bedeutung der Seuchenlage für die Entwicklung der Tropenländer Einleitung ................................................. 49 I. Die Seuchenlage in den Tropenländern als Ausgangspunkt für eine Verschleppung von Seuchen auf den Wegen des Verkehrs 50 H. Die Tropenländer als Seuchenreservoir .................... 60 IH. Veränderungen der Seuchenlage und neue Gefahren . . . . . . . .. 62 IV. Die Bedeutung der Malaria .............................. 66 6 Inhalt V. Zunahme der kosmopolitischen Seuchen in den Tropenländern 71 VI. Notwendigkeit und Möglichkeit einer Verbesserung der Seuchenlage ........................................... 72 VII. Bedeutung und Aufbau eines Gesundheitsdienstes für die Seuchenbekämpfung in den Entwicklungsländern . . . . . . . . . .. 77 Schluß ..................................................... 82 Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 Diskussionsbeiträge Professor Dr. med. Walter Kikuth; Professor Dr. med. Otto Fischer; J. Professor Dr. med. Helmut fusatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93 Die Arbeitsfähigkeit des Menschen im tropischen Klima Von Gunther Lehmann, Dortmund I. Das Wärmegleichgewicht im arbeitenden Muskel Zur Beurteilung der Wärmebilanz im Muskel betrachten wir zunächst vergleichsweise die Verhältnisse bei Körperruhe und bei Arbeit verschiede ner Schweregrade (Abb. 1). Eine Arbeit von 5 kcaljmin kann ein durch schnittlicher Mann, wenn er trainiert ist, am Tage 8 Stunden lang ohne Schwierigkeit ausführen. Sie fällt ihm allerdings schon recht schwer, wenn er völlig untrainiert ist. In der nächsten Stufe ist die Arbeit doppelt so schwer, nämlich 10 kcaljmin. Diese Belastung kann ein untrainierter Mann kaum länger als 5 Minuten durchhalten, ein gut trainierter dagegen etwa 3 Stunden. Schließlich zeigt die letzte Stufe das Maximum dessen, was überhaupt noch möglich ist. Wir nehmen an, daß es bei 30 kcaljmin liegt. Eine solche Arbeitsbelastung ist einem untrainierten Menschen nicht mehr möglich, einem hochtrainierten Mann aber noch etwa 3 Minuten lang. Derartige Leistungen finden sich natürlich nicht bei Arbeitern. Sie sind bei Tänzern gemessen worden, die sogenannte Nationaltänze aufführten, wie sie in man chen Opern vorkommen. Daß derartige Intermezzi nicht länger als 3 Minu ten, bei leichteren Tänzen 4 oder 5 Minuten sein dürfen, scheint den Opern komponisten von jeher gut bekannt gewesen zu sein. Die Annahme, daß sich die Belastung bei all diesen Leistungen gleich mäßig auf die gesamte Muskulatur verteilt, ist natürlich nicht ganz zu treffend, und es ist mit Sicherheit anzunehmen, daß bei allen drei Arbeits stufen gewisse Muskeln über den jeweils zu errechnenden Durchschnitt belastet sind. Auch bei Körperruhe haben die Muskeln naturgemäß einen gewissen Umsatz, der sich in Grammkalorien je Minute und je cm3 Muskelmasse leicht ausrechnen läßt, wenn man den minütlichen Grundumsatz von etwa 1,2 kcal durch das Körpergewicht von 60 kp teilt und davon den tausend sten Teil nimmt. So erhält man 0,02 Grammkalorien je cm3 Muskelmasse. 8 Gunther Lehrnann Ruhe 5 kcal/min 10 kcal/min 30 kcal/min untrainiert - 8 Stunden kaum 5 Min. möglich nicht möglich möglich 00 Q hochtrainiert - 8 Stunden gut 3 Stunden 3 Min. ::l möglich möglich möglich ~ "8..... cal/ccm/min 0,02 0,15 0,3 1,0 ~ Temperaturzunahme ohne Abfluß 0 C 0,02 0,15 0,3 1,0 ~ 1:: bei 10 Differenz 88.- erforderlich: :.(.'.d. 't":: ccm Blut/ 0,02 0,15 0,3 1,0 ~~ ccm Muskel/min 02 ccm/ccm/min 0,004 0,03 0,06 0,20 Blut max.O,6 1,2 4,0 = ccm/ccm/min 0,08 (untrainiert) min.O,3 0,6 2,0 (trainiert) Abb. 1: Wärmebildung des Muskels Für die Berechnung der Arbeitsleistung geht man am einfachsten von dem höchsten Wert aus. 30 kcal werden von etwa 30 kg Muskelmasse auf gebracht, je kg Muskel also eine Kilokalorie pro Minute, je cm3 eine Grammkalorie je Minute. Daraus abgeleitet ergeben sich die Werte für die beiden leichteren Arbeitsstufen. Nehmen wir zunächst einmal an, daß die Wärme überhaupt nicht abfließt, so können wir aus diesen Zahlen die eintretende Temperatursteigerung im Muskel berechnen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Energie nicht zu 100% in Wärme umgesetzt wird, sondern nur zu etwa 80%; der Rest ent fällt auf die nach außen abgegebene mechanische Energie. Weiter ist aber auch zu berücksichtigen, daß die spezifische Wärme der Gewebe nicht wie bei Wasser 1 beträgt, sondern etwa 0,8. Wir können also ohne wesentlichen Fehler die Zahlen, die wir eben für Grammkalorien je Minute und cm3 Muskel errechnet haben, als Grad Celsius Temperatursteigerung pro Minute einsetzen. Direkte Messungen dieser Temperatursteigerung sind nicht ganz einfach durchzuführen. Man kann zwar leicht eine Thermonadel, also ein Thermo element, in den ruhenden Muskel einstechen, läßt man ihn nun aber maximal Die Arbeitsfähigkeit des Menschen im tropischen Klima 9 arbeiten, so kommt es zu sehr schmerzhaften Zerreißungen innerhalb des Muskels. Ein japanischer Mitarbeiter, der vor einigen Jahren in meinem Institut tätig war, Herr Nukada, nahm es auf sich, derartige recht unan genehme Selbstversuche zu machen. Er konnte bei maximaler Kontraktion in seinen Muskeln sogar Temperatursteigerungen beobachten, die über 1 0 pro Minute noch hinausgingen. Nun zur Frage des Wärmeabtransports aus dem Muskel. Die Wärme leitfähigkeit der tierischen Gewebe ist außerordentlich gering. Wie die Isolationswirkung unserer Kleidungsstoffe darauf beruht, daß diese ein großes, aber vielfach unterteiltes Luftvolumen enthalten, so beruht die schlechte Wärmeleitung der tierischen Gewebe darauf, daß die flüssige, aber schlecht wärmeleitende Phase durch zahlreiche Membranen und andere morphologische Gebilde unterteilt ist. Praktisch spielt die Wärmeleitung für den Abtransport der Wärme aus dem Muskel überhaupt keine Rolle; dieser erfolgt allein durch die Wätmeabgabe an das strömende Blut. Das Blut dient also nicht nur für Sauerstoff, CO2, Nährstoffe, Hormone usw. als Transportmittel, sondern auch für Wärme. Das Blut fließt im Muskel in den sehr zahlreichen Blutkapillaren, die aber nur einen Durchmesser von etwa 7/1000 mm haben, ungefähr 1 mm lang sind und in etwa einer Sekunde durchflossen werden. Diese Zeit genügt angesichts des geringen Blut volumens in einer Kapillare völlig, um das Blut, das mit der Durchschnitts körpertemperatur in den Muskel hereinfließt, auf die Temperatur des Muskelinnern zu erwärmen. Das Blut ist demnach in der Lage, eine seinem Minutenvolumen und der Temperaturdifferenz entsprechende Wärmemenge abzutransportieren. Beträgt diese Differenz z. B. 10, so ist 1 cm3 Blut er forderlich, um 1 Grammkalorie Wärme aus 1 cm3 abzutransportieren. Es ist bekannt, daß die Durchblutungsgröße eines tätigen Organs durch einen Regelkreis gesteuert wird, dessen Rezeptoren auf die beim Eintreten von Sauerstoffmangel erfolgende Erhöhung der Wasserstoffionenkonzentra tion reagieren. Es ist möglich, daß der Sauerstoffmangel auch direkt über einen entsprechenden Rezeptor auf diesen Regelkreis einwirkt. Man braucht die Zahlen, die wir oben für die im Muskel frei werdende Wärmemenge gefunden haben, nur durch 5 zu dividieren und erhält die cm3 Sauerstoff, die pro Minute jeweils verbraucht werden. Die Rechnung basiert darauf, daß bei den im Muskel stattfindenden Stoffwechselumsetzun gen bei einem mittleren respiratorischen Quotienten je Liter Sauerstoff 4,85 kcal, also rund 5 kcal, frei werden. Wir müssen also nur noch wissen, wieviel Blut erforderlich ist, um 1 cm3 Sauerstoff zu transportieren. 10 Gunther Lehmann Zu beachten ist, daß der gut Trainierte für den Transport der gleichen Sauerstoffm enge weniger Blut braucht als der nicht Trainierte, weil er den Blutsauerstoff besser ausnutzt. Entsprechend der durchschnittlichen Sauer stoffausnutzung im Körper hätte man die Sauerstoffzahlen mit 20 zu multi plizieren, um auf die erforderlichen Blutmengen zu kommen. Für hoch trainierte Menschen dürfte höchstens aber ein Faktor von 10 in Frage kommen. Die Ergebnisse der Multiplikation mit beiden Faktoren sind in der Tabelle (Abb. 1, unten) eingetragen. Die Zahlen bedeuten cm3 Blut pro cm3 Muskel und Minute. Hierzu ist zu sagen, daß Werte von 4, aber auch schon von 2 unglaubhaft sind. Wenn man sich - ausgehend von dem Minutenvolumen des Gesamtkreislaufes - überlegt, wieviel bei gleichmäßig starker Durch blutung vieler Muskeln auf den einzelnen cm3 Muskel entfallen kann, so muß man zu der Auffassung kommen, daß 1 cm3 Blut je cm3 Muskel und Minute schon das Äußerste darstellt, was möglich ist. Diese Feststellung steht nicht in Widerspruch zu unseren Zahlen, sondern besagt nur, daß eine derartige Belastung, wie sie unser Höchstwert zeigt, der einem Kalorienverbrauch von 30 kcaljmin entspricht, eben nicht lange durchgehalten werden kann. Bei einer so schweren Arbeit wird ein erheb licher Teil der Arbeit zunächst anaerob geleistet. Die Sauerstoffa ufnahme hinkt also erheblich nach und erfolgt weitgehend nach der Arbeitsleistung. Der höchste Wert, den wir hier betrachten können, ist also etwa der, der von einer Arbeit von 10 kcaljmin ausgeht, die aber ein nicht trainierter Mensch auch nur wenige Minuten ausführen kann. Das stimmt gut mit den Zahlen überein, die zeigen, daß nur bei sehr hoher Sauerstoffa usnützung, wie sie für hochtrainierte Menschen charakteristisch ist, die notwendige Sauerstoffzufuhr mit einer Durchblutungsmenge von weniger als 1 cm3 Blut je cm3 Muskel und Minute durchgeführt werden kann. Eine Durchblutung von 1 cm3 je cm3 Muskel und Minute bedeutet in bezug auf den Ab transport der Wärme, daß bei einer Wärmebildung von 1 caljmin dieser Betrag in derselben Zeit abtransportiert werden kann, wenn zwischen dem in den Muskel einströmenden Blut und dem Muskelinnern eine Temperatur differenz von 1° C besteht. Die Rechnung ergibt, daß beim Untrainierten die Blutmenge viermal so groß ist, wie erforderlich ist, um eine Differenz von 1° zwischen dem ein und ausströmenden Blut aufrechtzuerhalten. Es wird sich also in Wirklich keit nicht eine Temperaturdifferenz von 1° einstellen, sondern nur von 0,25°. Beim Trainierten dagegen, bei dem die erforderliche Blutmenge halb