Winterschlaf, wissenschaftlich als Hibernation bezeichnet, ist ein hochkomplexer physiologischer Zustand, in den bestimmte Tierarten, vor allem Säugetiere, während kalter Jahreszeiten oder Perioden mit geringem Nahrungsangebot verfallen. Dieser Zustand ist eine evolutionäre Anpassung, die es den Tieren ermöglicht, ungünstige Umweltbedingungen zu überdauern, indem sie ihren Energieverbrauch drastisch reduzieren. Der Hauptzweck der Hibernation besteht darin, den Stoffwechsel so weit zu drosseln, dass die Tiere mit ihren angelegten Energiereserven, primär in Form von Fett, über Wochen oder Monate hinweg ohne Nahrungsaufnahme auskommen können. Dies ist besonders wichtig in Regionen, wo Nahrung im Winter knapp wird oder die Temperaturen zu extrem sind, um aktiv nach Nahrung zu suchen oder die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten.

Die physiologischen Veränderungen während des Winterschlafs sind tiefgreifend und betreffen nahezu alle Körperfunktionen. Die Körpertemperatur sinkt drastisch, oft bis auf wenige Grad über dem Gefrierpunkt, manchmal sogar unter 0°C bei bestimmten Arten, ohne dass die Zellen erfrieren. Parallel dazu verlangsamen sich Herzschlag und Atmung erheblich. Während ein aktives Tier Hunderte von Herzschlägen pro Minute aufweist, kann dieser Wert im Winterschlaf auf nur wenige Schläge pro Minute reduziert werden. Auch die Atemfrequenz sinkt von Dutzenden Atemzügen pro Minute auf nur ein bis zwei Atemzüge in mehreren Minuten. Der gesamte Stoffwechsel wird auf ein Minimum heruntergefahren, was den Energieverbrauch auf 2-5% des Normalwerts reduziert. Diese extreme Reduktion ermöglicht es dem Tier, seine Fettreserven äußerst sparsam zu nutzen. Auch die Gehirnaktivität wird stark reduziert, und das Immunsystem ist während dieser Zeit oft gedämpft.

Die Einleitung des Winterschlafs wird durch eine Kombination von Umweltfaktoren und internen physiologischen Signalen gesteuert. Zu den externen Auslösern gehören abnehmende Tageslänge (Photoperiode), sinkende Umgebungstemperaturen und vor allem ein reduziertes Nahrungsangebot. Intern spielen hormonelle Veränderungen eine entscheidende Rolle. Hormone wie Melatonin, Leptin und bestimmte Schilddrüsenhormone sind an der Regulation des Winterschlafes beteiligt. Vor dem Beginn des Winterschlafs legen viele Tiere umfangreiche Fettreserven an, da diese die primäre Energiequelle während des Ruhezustands darstellen. Die genaue Steuerung der Körpertemperatur und des Stoffwechsels während der Hibernation ist ein komplexer Prozess, der noch nicht vollständig verstanden ist, aber spezielle Proteine und Enzyme spielen dabei eine Rolle, die bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten können.

Es ist wichtig, den echten Winterschlaf von anderen Ruhezuständen abzugrenzen. Die Winterruhe, wie sie beispielsweise bei Bären oder Dachsen auftritt, ist ein weniger tiefgreifender Zustand. Tiere in Winterruhe senken ihre Körpertemperatur nur um wenige Grad, und ihr Stoffwechsel bleibt deutlich höher als im echten Winterschlaf. Sie können leichter aufwachen, um beispielsweise Junge zu gebären oder kurz den Bau zu verlassen. Die Kältestarre (Poikilothermie) bei Reptilien, Amphibien und Insekten ist wiederum ein Zustand, bei dem die Körpertemperatur passiv der Umgebungstemperatur angepasst wird, ohne aktive physiologische Regulation zur Aufrechterhaltung einer Mindesttemperatur. Echte Winterschläfer sind typischerweise kleine bis mittelgroße Säugetiere wie Murmeltiere, Siebenschläfer, Hamster, Igel und Fledermäuse. Einige Vogelarten zeigen ebenfalls torporartige Zustände, die dem Winterschlaf ähneln können.

Der Aufwachprozess aus dem Winterschlaf ist ebenfalls ein bemerkenswerter physiologischer Vorgang, der sehr energieintensiv ist. Die Tiere müssen ihre Körpertemperatur innerhalb weniger Stunden von nahezu Umgebungstemperatur auf ihre normale Betriebstemperatur von etwa 37°C erhöhen. Dies geschieht durch zitterfreie Thermogenese, bei der spezielles braunes Fettgewebe unter hohem Energieverbrauch Wärme erzeugt. Während des Aufwachvorgangs steigt der Stoffwechsel massiv an, und die Herzfrequenz kehrt in den Normalbereich zurück. Dieses Aufwachen ist oft nicht einmalig am Ende des Winters, sondern viele Winterschläfer wachen in regelmäßigen Abständen für kurze Perioden auf, um zu urinieren, zu defäkieren oder einfach nur ihren Stoffwechsel kurzfristig zu reaktivieren, bevor sie wieder in den tiefen Schlaf zurückkehren. Der genaue Grund für diese periodischen Aufwachphasen ist noch Gegenstand der Forschung, aber es wird vermutet, dass sie für die Aufrechterhaltung wichtiger Körperfunktionen oder die Reparatur von Zellschäden notwendig sind.