Endothermie bezeichnet die physiologische Fähigkeit von Organismen, ihre Körpertemperatur aktiv und weitgehend unabhängig von der Außentemperatur konstant zu halten. Dies wird primär durch die Erzeugung von Wärme innerhalb des Körpers mittels intensiver Stoffwechselprozesse erreicht. Im Gegensatz zur Ektothermie, bei der Organismen ihre Körpertemperatur hauptsächlich durch externe Wärmequellen regulieren und deren Körpertemperatur stark mit der Umgebung schwankt, ermöglicht die Endothermie eine präzise Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur für biochemische Reaktionen. Diese konstante innere Umgebung, auch als Homöostase bekannt, ist entscheidend für die effiziente Funktion von Enzymen und anderen Proteinen. Typische endotherme Tiere sind alle Säugetiere und Vögel, die eine gleichmäßige Kerntemperatur aufrechterhalten, die oft deutlich über der Umgebungstemperatur liegt und nur innerhalb enger Grenzen variiert. Diese Anpassung hat es ihnen ermöglicht, eine breite Palette von Lebensräumen zu besiedeln, von polaren Regionen bis zu heißen Wüsten, und hohe Aktivitätsniveaus über lange Zeiträume aufrechtzuerhalten.

Die Wärmeproduktion bei endothermen Tieren erfolgt hauptsächlich durch zelluläre Stoffwechselprozesse, insbesondere die aerobe Zellatmung in den Mitochondrien. Während dieser Prozesse wird Glukose oder Fett oxidiert, um ATP (Adenosintriphosphat) zu erzeugen, die primäre Energiequelle der Zelle. Ein signifikanter Anteil der bei diesen Reaktionen freigesetzten Energie wird jedoch nicht in chemische Energie in Form von ATP umgewandelt, sondern als Wärme abgegeben, ein Nebenprodukt der ineffizienten Energieumwandlung. Spezielle Mechanismen zur Steigerung der Wärmeerzeugung umfassen das Zittern, bei dem unkoordinierte Muskelkontraktionen schnell Energie verbrauchen und Wärme erzeugen, ohne tatsächliche Bewegung zu bewirken. Eine weitere wichtige Methode ist die nicht-zitternde Thermogenese, die besonders bei Neugeborenen, Winterschläfern und Tieren, die extrem kalten Bedingungen ausgesetzt sind, von Bedeutung ist. Diese Form der Wärmeerzeugung wird oft durch spezialisiertes braunes Fettgewebe (BAT) ermöglicht, das reich an Mitochondrien ist und ein einzigartiges Entkopplungsprotein (UCP1 oder Thermogenin) enthält. UCP1 ermöglicht es Protonen, die Mitochondrienmatrix zu durchqueren, ohne die ATP-Synthase zu aktivieren, wodurch die Energie des Protonengradienten direkt als Wärme freigesetzt wird.

Neben der internen Wärmeerzeugung ist die präzise Regulierung des Wärmeverlusts an die Umgebung entscheidend für die Aufrechterhaltung der thermischen Homöostase. Endotherme Tiere verfügen über eine Vielzahl von Anpassungen, um Wärmeverlust zu minimieren oder überschüssige Wärme bei Bedarf abzugeben. Zur Minimierung des Wärmeverlusts dienen Isolationsschichten wie dickes Fell (bei Säugetieren), Daunenfedern (bei Vögeln) oder eine subkutane Fettschicht (z.B. Blubber bei Meeressäugern). Diese Schichten fangen eine Luftschicht ein, die als hervorragender Isolator wirkt und die Konvektion und Konduktion von Wärme vom Körper an die Umgebung reduziert. Verhaltensanpassungen spielen ebenfalls eine große Rolle: Das Aufsuchen geschützter oder warmer Orte, das Zusammenkauern in Gruppen, um die exponierte Oberfläche zu reduzieren, oder das Ändern der Körperhaltung (z.B. Einrollen) sind gängige Strategien. Bei Überhitzung nutzen endotherme Tiere Mechanismen zur Wärmeabgabe, wie Schwitzen durch Schweißdrüsen (effektiv bei Menschen und einigen anderen Säugetieren), Hecheln (ein schnelles, flaches Atmen, das bei Hunden und Vögeln die Verdunstungskühlung in den Atemwegen erhöht) oder die Vasodilatation der Hautgefäße, wodurch mehr Blut zur Hautoberfläche geleitet wird, um Wärme durch Konvektion und Strahlung an die kühlere Umgebung abzugeben.

Der Hauptvorteil der Endothermie liegt in der Unabhängigkeit von externen Wärmequellen, was eine hohe Aktivitätsrate über einen weiten Temperaturbereich ermöglicht. Endotherme Tiere können in kälteren Umgebungen überleben und sind oft auch nachts oder in den Wintermonaten aktiv, wenn ektotherme Tiere aufgrund niedriger Temperaturen inaktiv sind. Dies ermöglicht eine größere geografische Verbreitung und die Besiedlung von ökologischen Nischen, die für ektotherme Tiere unzugänglich wären. Sie können ihre Stoffwechselrate schnell an wechselnde Bedingungen anpassen und eine konstante Leistungsfähigkeit für Jagd, Flucht oder Fortpflanzung aufrechterhalten. Der entscheidende Nachteil ist jedoch der hohe Energiebedarf. Die ständige Aufrechterhaltung einer konstanten, oft hohen Körpertemperatur erfordert einen erheblichen metabolischen Aufwand und somit eine kontinuierliche und große Zufuhr an Nahrung. Endotherme Tiere müssen daher deutlich mehr Nahrung aufnehmen und verarbeiten als vergleichbar große ektotherme Tiere, was sie anfälliger für Nahrungsknappheit macht und ihre maximale Populationsdichte begrenzen kann. Ihre Überlebensstrategien sind eng an die Verfügbarkeit von Energieressourcen gekoppelt.

Die Evolution der Endothermie ist ein komplexes und viel diskutiertes Thema in der Evolutionsbiologie. Es wird angenommen, dass sie sich unabhängig voneinander bei den Vorfahren der Säugetiere (Synapsiden) und den Vorfahren der Vögel (Dinosauriern) entwickelt hat, was als konvergente Evolution bezeichnet wird. Die genauen selektiven Drücke, die zur Entwicklung der Endothermie führten, sind Gegenstand intensiver Forschung, wobei Theorien von einer Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung einer hohen Aktivität bis hin zu Vorteilen bei der Brutpflege reichen. Interessanterweise gibt es auch Zwischenformen oder partielle Endothermie, die die Komplexität der Thermoregulation im Tierreich aufzeigen. Einige große Fische, wie Thunfische oder bestimmte Haiarten (z.B. Makohaie), können bestimmte Körperteile, wie die Augen oder die Schwimmmuskeln, auf einer erhöhten Temperatur halten, um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern, insbesondere bei der Jagd in kalten Gewässern. Auch einige Insekten, wie Hummeln oder bestimmte Mottenarten, können ihre Flugmuskulatur vor dem Start durch Muskelzittern aufwärmen, um die für den Flug notwendige hohe Betriebstemperatur zu erreichen. Diese Phänomene werden als regionale oder temporäre Endothermie betrachtet und illustrieren das breite Spektrum und die evolutionäre Flexibilität der Thermoregulationsstrategien.