Thermoregulation bezeichnet den biologischen Prozess, durch den ein Organismus seine innere Körpertemperatur innerhalb eines optimalen Bereichs hält, unabhängig von Schwankungen der Außentemperatur. Dieser Mechanismus ist von fundamentaler Bedeutung für alle Lebewesen, da die meisten biochemischen Reaktionen und enzymatischen Prozesse in Zellen nur innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs effizient ablaufen können. Abweichungen von diesem Bereich, sei es durch Unterkühlung (Hypothermie) oder Überhitzung (Hyperthermie), können die Proteinstruktur denaturieren, die Zellfunktion stören und im Extremfall zum Tod führen. Die Fähigkeit zur Thermoregulation ist daher ein entscheidender Faktor für das Überleben und die Anpassung von Arten an unterschiedliche Klimazonen und Lebensräume.

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Hauptstrategien der Thermoregulation: Endothermie und Ektothermie. Endotherme Organismen, wie Säugetiere und Vögel, erzeugen ihre Körperwärme hauptsächlich intern durch metabolische Prozesse. Sie sind in der Lage, ihre Körpertemperatur auch bei starken Umgebungstemperaturschwankungen relativ konstant zu halten, was ihnen eine größere Unabhängigkeit von äußeren Wärmequellen verleiht. Dies erfordert jedoch einen hohen Energieaufwand. Ektotherme Organismen hingegen, wie Reptilien, Amphibien, Fische und die meisten Wirbellosen, beziehen ihre Wärme primär aus externen Quellen, beispielsweise durch Sonnenlicht oder den Kontakt mit warmen Oberflächen. Ihre Körpertemperatur schwankt daher oft mit der Umgebungstemperatur, und sie müssen Verhaltensweisen anwenden, um ihren Wärmehaushalt zu regulieren, wie das Aufsuchen von Schatten oder Sonnenbädern.

Die Wärmeproduktion bei endothermen Tieren, auch Thermogenese genannt, erfolgt auf verschiedene Weisen. Eine primäre Methode ist die zelluläre Stoffwechselaktivität, die ständig Wärme als Nebenprodukt erzeugt. Bei Kälte kann die Wärmeproduktion durch Muskelzittern (Shivering-Thermogenese) signifikant erhöht werden, bei dem unkoordinierte Muskelkontraktionen Wärme freisetzen, ohne gerichtete Bewegung zu erzeugen. Eine weitere wichtige Form, insbesondere bei Säuglingssäugetieren und winterschlafhaltenden Tieren, ist die zitterfreie Thermogenese, die in spezialisiertem braunem Fettgewebe (BAT) stattfindet. Hier wird Energie nicht zur ATP-Synthese, sondern direkt zur Wärmeerzeugung genutzt, indem Protonen über Entkopplungsproteine (z.B. UCP1) die Mitochondrienmembran umgehen.

Um eine Überhitzung zu vermeiden, verfügen Organismen über verschiedene Mechanismen zur Wärmeabgabe. Strahlung (Radiation) ist die Abgabe von Wärme in Form von Infrarotstrahlung an kühlere Objekte oder die Umgebung. Konvektion (Convection) bezieht sich auf den Wärmeaustausch durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen über die Körperoberfläche, wie etwa durch Wind oder Wasser. Konduktion (Conduction) ist der direkte Wärmetransfer durch Kontakt mit einer kälteren Oberfläche. Die effektivste Methode zur Wärmeabgabe, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, ist die Verdunstung (Evaporation) von Wasser von der Körperoberfläche, beispielsweise durch Schwitzen bei Menschen und Pferden oder Hecheln bei Hunden und Vögeln. Beim Übergang von flüssigem Wasser in gasförmigen Dampf wird eine erhebliche Menge an Wärmeenergie verbraucht, was zu einer Kühlung führt.

Bei Säugetieren spielt der Hypothalamus im Gehirn eine zentrale Rolle bei der Regulation der Körpertemperatur. Er fungiert als Thermostat, der Informationen von Temperatursensoren im Körper (periphere Thermorezeptoren in der Haut und zentrale Thermorezeptoren im Hypothalamus selbst) empfängt und integriert. Basierend auf diesen Informationen initiiert der Hypothalamus entsprechende physiologische Reaktionen zur Wärmeabgabe (z.B. Gefäßerweiterung, Schwitzen) oder Wärmeerzeugung/-erhaltung (z.B. Gefäßverengung, Zittern). Neben diesen physiologischen Anpassungen nutzen viele Tiere auch Verhaltensanpassungen zur Thermoregulation. Dazu gehören das Aufsuchen von Schatten oder Sonnenplätzen, das Baden in Wasser oder Schlamm, das Graben von Höhlen, das Ändern der Körperhaltung zur Minimierung oder Maximierung der Oberfläche, das Huddling (Zusammenkuscheln) in Gruppen zur Reduzierung des Wärmeverlusts oder die Migration in wärmere/kühlere Regionen.

Die Vielfalt der thermoregulatorischen Strategien ist enorm. Einige Insekten, wie bestimmte Mottenarten, können ihre Flugmuskulatur vor dem Start aufheizen, um die notwendige Betriebstemperatur zu erreichen. Viele Fische sind ektotherm, aber einige große Meeresfische wie Thunfische oder bestimmte Haie besitzen spezielle Gegenstrom-Wärmetauscher (Rete mirabile), die es ihnen ermöglichen, die Temperatur bestimmter Körperteile, wie der Schwimmmuskeln, höher zu halten als die Umgebungstemperatur. Reptilien verlassen sich stark auf Verhaltensweisen, um ihre Temperatur zu steuern, indem sie sich sonnen, um sich aufzuwärmen, und in den Schatten kriechen, um sich abzukühlen. Vögel nutzen neben dem Stoffwechsel auch die Fähigkeit, ihr Gefieder aufzuplustern, um eine isolierende Luftschicht zu schaffen, oder sich zu sonnen und die Flügel auszubreiten, um Wärme aufzunehmen.

Ein Versagen der Thermoregulation kann schwerwiegende Folgen haben. Hypothermie tritt auf, wenn der Körper mehr Wärme verliert, als er produziert, was zu einem gefährlichen Absinken der Körperkerntemperatur führt und Funktionen wie Herzschlag und Atmung beeinträchtigt. Hyperthermie hingegen ist eine gefährliche Überhitzung des Körpers, die durch übermäßige Wärmeproduktion oder unzureichende Wärmeabgabe verursacht wird und zu Hitzschlag und Organschäden führen kann. Beide Zustände erfordern schnelle Interventionen, um die normale Körpertemperatur wiederherzustellen und irreversible Schäden zu verhindern. Die Fähigkeit zur effizienten Thermoregulation ist somit ein Schlüsselmerkmal des Lebens, das die Anpassungsfähigkeit und das Überleben von Organismen in einer dynamischen Umwelt maßgeblich beeinflusst.