Теплообразование, или теплопродукция, определяется интенсивностью обмена веществ. Регуляция теплообразования путем увеличения или уменьшения обмена веществ обозначается как химическая терморегуляция.
Выработанное организмом тепло постоянно отдается в окружающую его внешнюю среду. Если бы не существовала отдача тепла, организм погиб бы от перегревания. Теплоотдача может увеличиваться и уменьшаться. Регуляция теплоотдачи путем изменения осуществляющих ее физиологических функций обозначается как физическая терморегуляция.
Количество образующегося в организме тепла зависит от уровня обмена веществ в органах, который определяется трофической функцией нервной системы. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ - в скелетной мускулатуре и в железах, главным образом в печени и в почках. Наименьшее количество тепла освобождается в костях, хрящах и соединительной .
При повышении температуры окружающей среды теплообразование уменьшается, а при ее понижении - увеличивается. Следовательно, между температурой внешней среды и теплообразованием существуют обратно пропорциональные отношения. Летом теплообразование понижается, а зимой увеличивается.
Соотношение между теплообразованием и теплоотдачей зависит от температуры окружающей среды. При среды 15-25°С теплообразование в покое в одежде находится на одном уровне и уравновешивается теплоотдачей (зона безразличия). Когда температура среды ниже 15°С, то при тех же условиях теплопродукция повышается при 0°С и постепенно снижается к 15°С (нижняя зона повышения обмена). Если температура среды 25-35°С, обмен веществ несколько снижается (зона пониженного обмена) и сохраняется терморегуляция. При повышении температуры среды больше 35°С происходит нарушение терморегуляции, обмен веществ и температура тела повышаются (верхняя зона повышения обмена, зона перегревания). Следовательно, повышение температуры внешней среды или согревание организма уменьшает теплопроизводство только до известного уровня при определенной температуре внешней среды. Эта температура называется критической, так как дальнейшее её повышение ведет уже не к уменьшению, а к увеличению теплообразования и повышению температуры тела. Точно так же при охлаждении существуют критическая температура внешней среды, ниже которой теплопроизводство начинает понижаться.
При мышечном покое увеличение теплообразования при охлаждении тела незначительно.
Особенно значительное увеличение теплообразования при низкой температуре внешней среды наблюдается при дрожи и работе мышц. Неправильные, небольшие сокращения мышц – дрожание и усиленные движения, которые человек делает на холоде с целью согреться и избавиться от озноба или дрожи, повышают трофические функции, значительно увеличивают обмен веществ и производство тепла. Несколько повышается выработка тепла и при «гусиной коже» -сокращение мышц волосяных мешочков.
Необходимо учесть, что ходьба увеличивает теплопроизводство почти в 2 раза, а быстрый бег - в 4-5 раз, температура тела может повыситься на несколько десятых градуса, причем повышение температуры во время работы ускоряет окислительные процессы и тем самым способствует окислению продуктов распада белков. Однако при продолжительной интенсивной работе при температуре внешней среды выше 25°С температура тела может возрасти на 1-1,5°С, что уже вызывает изменения и нарушения жизнедеятельности. Когда во время мышечной работы при высокой температуре внешней среды температура тела повышается более чем до 39°С, может наступить тепловой удар. На долю мышц приходится 65-75% теплообразования, а при интенсивной работе даже 90%.
Остальная доля тепла образуется в железистых органах, главным образом в печени.
Организм в покое непрерывно теряет тепло: 1) теплоизлучением, или отдачей тепла кожей окружающему воздуху; 2) теплопроведением, или непосредственной отдачей тепла тем предметам, которые соприкасаются с кожей; 3) испарением с поверхности кожи и легких.
В условиях покоя 70-80% тепла отдается в окружающую среду кожей теплоизлучением и теплопроведением, а испарением воды в коже (потоотделением) и в легких - около 20%. Отдача тепла нагреванием выдыхаемого воздуха, мочой и калом ничтожна, она составляет 1,5-3% общей теплоотдачи.
При мышечной работе резко возрастает отдача тепла испарением (у человека главным образом потоотделением), доходя до 90% всего суточного теплообразования.
Теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением зависит от разности температур кожи и окружающей среды. Чем выше температура кожи, тем больше теплоотдача указанными путями. Л температура кожи зависит от притока к ней крови. При повышении температуры окружающей среды артериолы и капилляры кожи. Но так как разница температуры кожи уменьшается, то абсолютная величина теплоотдачи при высоких температурах окружающей среды меньше, чем при низких.
Когда температура кожи сравнивается с температурой окружающей среды, теплоотдача прекращается. При дальнейшем повышении температуры окружающей среды кожа не только не теряет тепло, но сама нагревается. В этом случае теплоотдача теплоизлучением и теплопровидением отсутствует и сохраняется только теплоотдача испарением.
Наоборот, на холоде артериолы и капилляры кожи суживаются, кожа становится бледной, количество протекающей через пес крови уменьшается, температура кожи понижается, разница температур кожи и окружающей среды сглаживается, и теплоотдача уменьшается.
Человек уменьшает теплоотдачу искусственными покровами (бельем, одеждой и т. д.). Чем больше воздуха в этих покровах, тем легче сохраняется тепло.
Регуляция теплоотдачи испарением воды играет большую роль, особенно при мышечной работе и значительном повышении температуры окружающей среды. При испарении 1 дм 3 воды с поверхности кожи или слизистых оболочек теряется телом 2428,4 кДж.
Потеря воды кожей происходит за счет проникновения воды из глубоких тканей на поверхность кожи и главным образом за счет функционирования потовых желез. При средней температуре окружающей среды взрослый человек ежесуточно теряет испарением с кожи 1674,8-2093,5 кДж.
В связи с резким увеличением потоотделения при повышении температуры окружающей среды и при мышечной работе значительно возрастает и теплоотдача, хотя и не весь пот испаряется.
Большие потери пота сопровождаются потерями больших количеств минеральных солей, так как содержание одной только поваренной соли в поту равно 0,3-0,6%. При потере 5-10дм 3 пота теряется 25-30 грамм поваренной соли. Поэтому если возникшая при обильном потоотделении жажда удовлетворяется водой, то наступают тяжелые расстройства вследствие потери значительных количеств солей (судороги и т. д.). Уже при потере 2 дм 3 пота получается дефицит солей в организме. Эти потери восполняются питьем воды, содержащей 0,5-0,6% поваренной соли, которую рекомендуется пить при обильном длительном потоотделении.
Испарение воды постоянно происходит и с поверхности легких. Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95-98% и поэтому чем суше вдыхаемый воздух, тем больше тепла отдается испарением с легких. В обычных условиях легкими ежесуточно испаряется 300-400 см 3 воды, что соответствует 732,7-962,9 кДж. При высокой температуре дыхание учащается, а на холоде становится редким. Испарение воды с поверхности кожи и легких становится единственным путем теплоотдачи, когда температура воздуха достигает температуры тела. В этих условиях в покое испаряется более 100 см 3 пота в час, что позволяет отдавать около 251,2 кДж в час.
Испарение воды с поверхности кожи и легких зависит от относительной влажности воздуха. Оно прекращается в воздухе, насыщенном водяными парами. Поэтому пребывание во влажном горячем воздухе, как, например, бане, тяжело переносится. В сыром воздухе человек плохо чувствует себя, даже при сравнительно невысокой температуре окружающей среды - при 30°С. Плохо переносится кожаная и резиновая одежда, так как она непроницаема для и делает невозможным испарение пота, поэтому под такой одеждой пот накапливается. При высокой температуре воздуха и мышечной работе в кожаной и резиновой одежде у человека повышается температура тела.
Перегревание человека в , насыщенной водяными парами, особенно опасно, так как лишает возможности освобождаться от избытка тепла наиболее действенным способом - испарением.
Наоборот, в сухом воздухе человек сравнительно легко переносит значительно более высокую температуру, чем во влажном.
Большое значение для увеличения теплоотдачи теплоизлучением, теплопроведением и испарением имеет движение воздуха. Увеличение скорости движения воздуха увеличивает теплоотдачу. На сквозняке и на ветру резко увеличивается потеря тепла. Но если окружающий воздух имеет высокую температуру и насыщен водяными парами, то движение воздуха не охлаждает. Следовательно, физическая терморегуляция обеспечивается: 1) сердечнососудистой системой, которая определяет приток и отток крови в кровеносных сосудах кожи, а следовательно, количество тепла, отдаваемого кожей в окружающую среду; 2) системой органов дыхания, т. е. изменениями вентиляции легких; 3) изменением функции потовых желез.
Регуляция теплоотдачи производится нервной системой и посредством гормонов. Существенное значение имеют условные рефлексы на обстановку, в которой неоднократно нагревалось или охлаждалось тело.
Изменение функций сердечнососудистой системы, дыхания и потовых желез рефлекторно регулируется раздражением внешних органов чувств и особенно раздражением рецепторов кожи при изменениях температуры внешней среды, а также раздражением нервных окончаний внутренних органов при колебаниях температуры внутри организма. Физиологические механизмы физической терморегуляции осуществляются большими полушариями, промежуточным, продолговатым и спинным мозгом.
Теплоотдача изменяется при поступлении в гормонов, изменяющих функции органов, участвующих в физической терморегуляции.
August 10th, 2017Буквально на днях валясь с температурой, задавался не только вопросом , но и например почему во время болезни человека бросает то в жар то холод.
Углубившись в этот вопрос узнал много нового для себя...
Химические реакции во всём организме, выделяют тепло при расщеплении пищи. Кровь это тепло разносит и питает клетки организма по пути забирая продукты распада и шлаки, которые очищаются в почках и печени
Все химические реакции в организме (вплоть до депрессии) выделяют тепло. Кровь нагревается за счет выделения этого тепла, а это дает, нагрев всего тела на температуру 36.6. Но, когда человек болеет интенсивность химических реакций в организме возрастает, так как организм борется с инфекцией (вредными бактериями) и температура повышается.
Энергетические процессы идут в каждой клетке организма, то есть никакого отдельного органа-нагревателя в организме нет. В клетках крови тоже идут процессы с выделением тепла.
Кровь нагревается, циркулируя в органах и тканях тела человека. А тело человека нагревается вследствие непрерывно совершающихся в них экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно.
В тканях и органах, производящих активную работу — в мышечной ткани, печени, почках, выделяется большее количество тепла, чем в менее активных - соединительной ткани, костях, хрящах.
Так, печень, расположенная глубоко внутри тела и дающая большую теплопродукцию, имеет у человека более высокую и постоянную температуру (37,8—38 °С) по сравнению с кожей, температура которой значительно ниже (на покрытых одеждой участках 29,5—33,9 °С) и в большей мере зависит от окружающей среды. Так что печень можно по праву считать самым горячим органом.
Циркулирующая в тканях кровь нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их) и охлаждается в коже (одновременно согревая ее). Вот он и теплообмен.
Человека нагревает химическая реакция окисления глюкозы кислородом воздуха в клетках организма. А кровь только переносит теплоту более или менее равномерно по всему телу. А температура тела поддерживается постоянной за счет теплоотдачи: теплота теряется с теплым выдыхаемым воздухом, через поверхность всего тела - в воздух, при испарении пота.
Специальная система терморегуляции следит, чтобы был баланс теплоприхода и теплопотерь.
Если температура тела будет ниже 36-37 градусов, то процессы жизнедеятельности начнут замедляться, если выше 40, то белок начнет сворачиваться (с мясом, облитым кипятком, видели что происходит?). За терморегуляцию отвечает гипоталамус (это в мозге), он является как бы термостатом.
Источник тепла в организме - все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается. Печень, скелетные мышцы отдают крови больше тепла, чем другие органы. Повышение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное снижение обмена веществ, поэтому в организме уменьшается теплообразование. Понижение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное увеличение метаболизма и усиливается теплообразование. Теплообразование так же усиливается за счет мышечной активности. Непроизвольное сокращение мышц (дрожь) является основной формой повышения теплообразования.
Теплоотдача осуществляется несколькими путями:
- Путем проведения - нагревается воздух, окружающие предметы, соприкасающиеся с теплом.
- Путем излучения - нагретое тело излучает тепло (в виде инфракрасных лучей).
- Путем испарения - с поверхности кожи испаряется вода и пот.
Регуляция постоянства температуры тела осуществляется нейрогуморальным путем.
Колебания температуры окружающей среды воспринимаются особыми рецепторами - терморецепторами. Их очень много в коже, слизистой полости рта, верхних дыхательных путей. Терморецепторы кожи очень чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды; в них возникают нервные импульсы, которые по афферентным (центростремительным) нервным волокнам поступают в спинной мозг. По проводящим путям нервный импульс достигает таламус, гипоталамуса и коры головного мозга.
Центр терморегуляции находится в гипоталамусе. Нейроны гипоталамуса возбуждаются под влиянием нервных импульсов, поступивших от терморецепторов. Из центра терморегуляции нервные импульсы по эфферентным (центробежным) нервным волокнам пойдут к мышцам, сосудам (суживая или расширяя сосуды кожи), к потовым железам.
Гуморальная регуляция (гормональная)
- Гормоны щитовидной железы, надпочечников и поджелудочной железы усиливают окислительные процессы, т.е. повышает обмен веществ и температуру тела.
- Гипофиз тормозит секрецию гормонов щитовидной железы, т.е. снижает обмен веществ и температуру тела.
Температура тела каждого человека в течение дня колеблется в небольших пределах, оставаясь в диапазоне от 35,5 до 37,0 °C для здорового человека. Следуя суточному ритму, наиболее низкая температура тела отмечается утром, около 6 часов, а максимальное значение достигается вечером.
Как и многие другие биоритмы, температура следует суточному циклу Солнца, а не уровню нашей активности. Люди, работающие ночью и спящие днём, демонстрируют тот же цикл изменения температуры, что и остальные.
Уровень температуры ниже 35 °C указывает на наличие серьёзного заболевания (обычно это результат облучения). Жертвы переохлаждения впадают в ступор, если температура их тела снижается до отметки 32,2 °C, большинство теряют сознание при 29,5 °C и погибают при температуре ниже 26,5 °C. Рекорд выживания в условиях переохлаждения составляет 14,2 °C, а при экспериментальных исследованиях — 8,8 °C.
На температуру влияют пол и возраст. У девочек температура тела стабилизируется в 13—14 лет, а у мальчиков — примерно в 18 лет. Средняя температура тела мужчин примерно на 0,5—0,7 °C ниже, чем у женщин.
Многие заболевания эндокринной системы и опухоли головного мозга, затрагивающие область гипоталамуса, вызывают выраженные и, часто, устойчивые нарушения терморегуляции. Например, тиреотоксический криз (сопровождающийся резким выбросом гормонов Т3 и Т4 в кровь) приводит к резкому подъёму температуры тела, нередко превышающей критическую отметку и вызывающей смерть пациента.
Организмам присуще особая ответ-ная реакция на попадание во внутреннюю среду чужеродных ве-ществ — лихорадка. Лихорадка — это состояние организма, при котором центр термо-регуляции стимулирует повышение температуры тела. Это достигается перестраиванием механизма «установочной точки» на более высокую, чем в норме температуру регуляции.
Итак, какая все-таки температура считается нормальной? Повсеместно принято считать, что температура человеческого тела составляет ровно 36,6 градуса. Допускается небольшое отклонение в одну или другую сторону.
Опираясь на состояние человека, окружающие климатические условия и время суток, а также другие параметры, температура тела может быть от 35,5 и до 37,4 градуса. Стоит отметить, что средний температурный режим женщин выше, в отличие от мужчин — на 0,5 градуса.
В подмышечной впадине температура тела должна быть 36,3-36,9, во рту - 36,8-37,3, в прямой кишке 37,3-37,7, и это нормальная температура.
Интересный момент, что средняя температура тела может отличаться и в зависимости от национальности. К примеру, у японцев средняя величина составляет 36 градуса, а у австралийцев все 37.
На протяжении суток, температура тела человека может колебаться около одного градуса. Самая низкая температура тела бывает в утреннее время, а самая высокая ближе к вечеру.
У женского пола температура тела может колебаться в зависимости от менструального цикла. Существуют люди, для которых температура 38 - это нормально, и не является симптомом развития болезни.
Каждый орган в человеческом организме также имеет свою температуру.
Чтобы правильно измерить температуру в подмышечной впадине, нужно следовать таким рекомендациям:
- Проследить, чтобы в подмышечной впадине было сухо.
- Взять градусник, протереть его сухой тряпкой, можно сбить до 35.
- В подмышечной впадине размещать его так, чтобы кончик наполненный ртутью, плотно соприкасался с телом.
- Держать не менее 10 минут.
- Можно оценить результат.
Как правильно измерить температуру во рту:
- Прежде чем измерять температуру во рту, нужно провести минут пять в состоянии покоя.
- Если во рту есть зубные протезы, снять их.
- Если градусник обычный, протереть его насухо и положить под язык с любой стороны.
- Закрыть рот, ждать 4 минуты.
А что такое жар — ощущение избыточного тепла, обычно связанное с повышением температуры тела человека. Может также вызываться функциональными изменениями нервной системы, гиперемией и повышением обмена веществ в тканях. Является одним из симптомов лихорадки.
Как правило, жар — это повышение нормальной температуры тела на 1° и более градусов Цельсия, сопряжённое с ознобом и потением (при температурах выше 40° — бредом). Превышение температуры тела на более чем 5,5° может привести к необратимому повреждению головного мозга. Существует гипотеза, что такое повышение температуры тела подавляет размножение патогенных микроогранизмов и, вместе с повышением интенсивности биохимических процессов, увеличивает сопротивляемость организма.
В зависимости от причин, вызывающих повышение температуры гипоталамус может работать как на её повышение, так и на снижение. При сильном повышении температуры тела нарушается обмен веществ в организме, так как нарушается активность ферментов.
Лечится в целом при помощи жаропонижающих (таких как ацетилсалициловая кислота, дипирон, парацетамол), холодных компрессов и постельного режима.
Помимо жара еще и ознобит, но это уже другая реакция. Озноб - это вызванное спазмом поверхностных (кожных) кровеносных сосудов ощущение холода, сопровождающееся мышечной дрожью (главным образом жевательных мышц, затем мышц плечевого пояса, спины и конечностей) и спазмом кожных мышц («гусиная кожа»).
Озноб часто возникает при переохлаждении, а также в начале лихорадки при инфекциях, травмах и др. заболеваниях. При ознобе отдача тепла организмом во внешнюю среду уменьшается, а выработка его возрастает (вследствие мышечных сокращений), что ведет к повышению температуры тела, после чего озноб обычно кончается.
Озноб бывает и в разгаре лихорадки, если температура тела резко колеблется. Но чаще всего в результате острого развития лихорадочной реакции при инфекционных, аутоиммунных, аллергических процессах или в ответ на парентеральное (не через желудок, например, внутривенно и внутримышечно) введение в организм чужеродных белков, мукополисахаридных комплексов и других пирогенных субстанций в процессе лечения больного (например, при переливании крови, введении пирогенала).
В отличие от озноба, познабливание, которое может наблюдаться, например, при неврозах, — только субъективное ощущение. У здорового человека озноб возникает при действии холода как нормальная защитная реакция организма. У легко возбудимых людей озноб может появиться и при сильном волнении или испуге.
Источники:
Тепловой гомеостаз является основным условием жизнедеятельности. Образование тепла неразрывно связано с энергетическим обменом. Фактором, обеспечивающим непрерывное течение метаболизма в органах и тканях, является определенная температура крови, которая поддерживается специализированными механизмами саморегуляции.
Человек относится к гомойотермным организмам, которые вырабатывают много тепла и отличаются относительным постоянством температуры тела, незначительно изменяющейся в течение суток. Человек может переносить температурные колебания внутренней среды в диапазоне от 25 до 43 0 С.
Температурный фактор определяет скорость протекания ферментативных процессов, всасывания, проведения возбуждения и мышечного сокращения.
Температура тела человека различна в поверхностных и глубоких участках. Внутренние части тела, составляющие примерно 50% его массы, называются «ядром ». Сюда относят мозг, внутренние органы и кровь. Температура «ядра» относительно стабильна. Например, температура крови правого предсердия и температура нижней трети пищевода вблизи сердца варьирует незначительно и составляет величину порядка 36,7-37 0 С. В разных участках «ядра» температурные колебания составляют от 0,2 до 1,2 0 С. Оценка температуры «ядра» проводится в определенных легко доступных участках тела, температура которых практически не отличается от температуры «ядра». Такими участками являются прямая кишка, полость рта и подмышечная впадина. При этом оральная (подъязычная) температура обычно ниже ректальной на 0,2-0,5 0 С, а аксиллярная (в области подмышечной ямки) – ниже ректальной на 0,5-0,8 0 С. При плотном прижатии руки к грудной клетке граница внутреннего слоя «ядра» почти доходит до подмышечной впадины, однако для достижения этого должно пройти не менее 10 минут. Для определения температуры ткани используют различные виды термометров, а также оптический метод – термовизиография.
«Оболочкой » называют поверхностный слой тела толщиной 2,5 см, который характеризуется весьма большими различиями температуры в разных участках. Кроме этого эта температура зависит от температуры внешней среды. В правой и левой половине «оболочки» иногда наблюдается ассиметрия температур. Средняя температура кожи обнаженного человека составляет (при комфортной внешней температуре) 33-34 0 С. При этом температура кожи стопы значительно ниже температуры проксимальных участков нижних конечностей и в еще большей степени – туловища и головы. Температура кожи в области стопы в комфортных условиях равна 24-28 0 С, а при изменении внешних условий – 13-53 0 С. Температура различных частей тела человека в условиях холода и тепла представлена на рисунке 1.
У большинства млекопитающих температура тела соответствует диапазону 36-39 0 С. Интенсивность метаболизма (теплопродукции) определяется как массой тела, так и величиной отдачи тепла с поверхности тела. В соответствии с этим у животных с небольшими размерами тела и с большим, чем у крупных животных, отношением площади поверхности к величине массы тела теплопродукция на 1 кг массы выше.
Температура тела человека колеблется в течение суток в диапазоне 0,3-1,5 0 С, чаще 1,0 0 С. Эти колебания основаны на эндогенном ритме, который определяется «биологическими часами» организма, синхронизированными в режиме «день-ночь». Отчетливо выражен ритм температурных колебаний синхронизированный с менструальным циклом. На ритм суточных температурных изменений накладываются и другие ритмы.
Температура тела определяется соотношением теплопродукции и теплоотдачи. Когда они не соответствуют друг другу, физиологическая система терморегуляции адаптивно меняет теплопродукцию или теплоотдачу. Тем самым обеспечивается относительная стабильность температуры внутренней среды организма. При изменениях температуры окружающей среды в пределах 21-53 0 С температура тела обнаженного человека может оставаться стабильной в течение нескольких минут.
Теплопродукция (химическая терморегуляция) – это способ поддержания температуры тела на оптимальном для метаболизма уровне, осуществляемый за счет изменения интенсивности метаболических экзотермических реакций, в ходе которых образуется тепло. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ: печени, почках, эндокринных и пищеварительных железах, скелетных мышцах. Меньше тепла образуется в костях, хрящах и соединительной ткани. Прием пищи повышает интенсивность обменных процессов на 30%. Наиболее выраженное специфическое динамическое действие оказывают белки, затем углеводы и жиры. Химическая терморегуляция зависит от ряда факторов: индивидуальных особенностей организма, температуры окружающей среды, интенсивности мышечной работы, характера питания, эмоционального состояния, кислородного обеспечения организма, степени ультрафиолетового облучения, интенсивности видимого света. Различают сократительную и несократительную теплопродукцию.
Сократительная теплопродукция связана с произвольными и непроизвольными сокращениями мышц. Произвольные сокращения приводят к многократному увеличению теплообразования, при этом повышаются и теплопотери за счет усиления отдачи тепла конвекцией. То есть произвольные сокращения представляют собой слишком расточительный способ повышения теплопродукции. Непроизвольные сокращения мышц встречаются в двух вариантах: дрожи и терморегуляторного тонуса. Дрожь является экономным способом теплопродукции, так как этот тип сократительной двигательной активности обеспечивает переход всей энергии мышечного сокращения в тепловую энергию. Терморегуляторный тонус развивается в основном в области мышц спины и шеи. Теплопродукция при этом возрастает на 40-50%. Терморегуляторные тонические сокращения возникают при снижении температуры внешней среды на 2 0 С относительно уровня комфорта. Такие сокращения имеют характер зубчатого тетануса, близкого к режиму одиночных сокращений и являются более адаптивными, так как в этом случае при многократном периодическом действии холода формируются изменения тканевых структур – структурный след адаптации. Одним из проявлений таких структурно-адаптационных изменений является увеличение в скелетных мышцах количества красных (медленных) волокон, выполняющих в основном тоническую функцию.
Несократительная теплопродукция значительно выражена в адаптированном к холоду организме. Доля такого механизма в обеспечении прироста теплопродукции на холоде может составлять 50-70%. Развивается это явление в различных тканях, но специфическим субстратом является бурая жировая ткань. Эта ткань локализована у человека в области шеи, между лопаток, в средостении около аорты, крупных вен и симпатической цепочки. Количество бурой жировой ткани составляет 1-2% массы тела, но при адаптации может увеличиться до 5% массы тела. Скорость окисления жирных кислот в бурой жировой ткани в 20 раз превышает эту скорость в белой жировой ткани. При действии холода в этой ткани растут кровоток и уровень обмена веществ, увеличивается температура. Бурая жировая ткань обогревает близлежащие крупные кровеносные сосуды.
Теплоотдача (физическая терморегуляция) – это способ поддержания температуры тела путем отдачи тепла в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется за счет физических процессов: теплопроведения, теплоизлучения, конвекции и испарения. Эффективным органом теплоотдачи является кожа благодаря наличию в ней большого количества потовых желез и артериоло-венулярных анастомозов. К поверхности тела потоки тепла переносятся в основном кровью. Кровоток значительно варьирует при изменении просвета сосудов, в частности, состояния артериоло-венулярных анастомозов. Механизмы теплоотдачи в условиях пониженной и повышенной температуры окружающей среды представлены на рисунке 2.
Конвекция – перемещение нагреваемого кожей слоя воздуха вверх и его замещение более холодным воздухом. Конвекция происходит в том случае, когда кожа теплее окружающего воздуха.
Проведение происходит в основном тогда, когда человек погружается в воду, температура которой ниже нейтральной (31-36 0 С). Ввиду того, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха, кожа человека охлаждается в воде в 50-100 раз быстрее. Если температура воды близка к нулю, то через 1-3 часа может наступить смерть, так как тело человека охлаждается со скоростью 6 0 С в час. В воде теплоотдача происходит в несколько раз быстрее еще и потому, что кроме проведения в воде имеет место и конвекция. Увеличение содержания в организме жира ограничивает эффект теплоотдачи в воде путем конвекции.
Теплоизлучение обеспечивается инфракрасными лучами с длиной волны 5-20 мкм. Эти лучи испускаются кожей при наличии рядом находящихся предметов с более низкой температурой. Обнаженный человек может терять таким путем до 60% тепла.
Теплоиспарение составляет около 20% теплоотдачи тела человека в условиях комфортной температуры среды. Это единственный способ отдачи тепла в окружающую среду, если ее температура оказывается равной температуре тела. Путем испарения 1 л воды человек может отдать одну треть всего тепла, вырабатываемого в условиях покоя в течение суток. Существует два варианта испарения воды с поверхности тела: испарение пота в результате его выделения и испарение воды , оказавшейся на поверхности путем диффузии. Потоотделение – составная часть целостной реакции организма на тепловое воздействие. Испарение выделяющегося пота способствует потере тепла. Испарение воды путем диффузии происходит через слизистые оболочки дыхательных путей. Потери тепла, обусловленные дыханием, составляют 10-13% от общей теплоотдачи организма. Выделение тепла происходит также с мочой и калом.
Механизмы регуляции теплопродукции и теплоотдачиТерморецепция осуществляется свободными окончаниями тонких сенсорных волокон типа А и С. Существуют терморецепторы центральные и периферические.
Кожные терморецепторы передают в центры терморегуляции сигналы об изменениях температуры среды, а также обеспечивают формирование температурных ощущений. Число Холодовых рецепторов кожи во много раз больше числа тепловых рецепторов. Холодовые рецепторы во внутренних органах и тканях также преобладают.
В центральной нервной системе – спинном и среднем мозге, а также в гипоталамусе – имеются центральные терморецепторы , которые называются термосенсорами . Центральные аппараты физиологической системы терморегуляции имеют большое число входных каналов. Так, термосенсоры могут возбуждаться при их непосредственном охлаждении или нагревании на 0,011 0 С и в результате изменять интенсивность как теплопродукции, так и теплоотдачи организма в целом.
Центр терморегуляции локализуется в гипоталамусе, в котором имеется три вида терморегуляторных нейронов:
1) афферентыне нейроны, принимающие сигналы от периферических и центральных терморецепторов;
2) вставочные;
3) эфферентные нейроны, контролирующие активность эффекторов системы терморегуляции.
От периферических терморецепторов информация поступает в медиальную преоптическую область переднего гипоталамуса . В его ядрах происходит сравнение полученных с периферии сигналов с активностью центральных терморецепторов, которые отражают температурное состояние мозга. Эти две информации интегрируются в заднем гипоталамусе . Полученные, в результате интеграции сигналы начинают управлять процессами теплопродукции и теплоотдачи. В заднем гипоталамусе также располагается моторный центр дрожи, связанный с моторными центрами спинного и продолговатого мозга. Терморецепторы кожи информируют ЦНС о повышении или понижении температуры окружающей среды еще до изменения температуры внутренней среды, при этом включаются терморегуляторные механизмы, которые предотвращают это отклонение. Такая регуляция носит название «регуляции по опережению». Моторный центр дрожи работает как «регулятор по отклонению» так как он возбуждается при снижении температуры тела даже на доли градусов. Кроме гипоталамуса в терморегуляции участвует кора больших полушарий. Она работает как «регулятор по опережению».
Регуляция теплопродукции осуществляется: во-первых, соматической нервной системой , которая запускает сократительные терморегуляторные реакции (дрожательные), во-вторых, симпатической нервной системой , которая активирует выделение из бурой жировой ткани норадреналина, включение в метаболические процессы свободных жирных кислот. Кроме этого симпатическая нервная система запускает выделение из коры надпочечников катехоламинов. В результате повышается выделение первичного тепла за счет рассогласования процессов окисления и фосфорилирования.
Регуляция теплоотдачи связана с активностью симпатической нервной системы. Её возбуждение приводит к сужению кровеносных сосудов кожи, а холинергические симпатические нейроны возбуждают потовые железы.
При снижении температуры «ядра» происходит активация холодовых гипоталамических, органных и сосудистых терморецепторов. В результате активизируется гипоталамический центр теплопродукции и снижается теплоотдача.
При повышении температуры внутренней среды организма активируются гипоталамические, сосудистые, кожные и органные теплорецепторы. Гипоталамический центр теплоотдачи активизируется, и процесс выработки тепла уменьшается, а теплоотдача увеличивается.
Адаптация к периодическим изменениям температуры, закаливание и здоровьеТемпературная акклиматизация – это приспособление к многократным повышениям и снижениям температуры внешней среды. Она является целостной реакцией организма, которая развивается при участии практически всех систем организма.
При действии на организм холода повышение теплопродукции сочетается с постепенно развивающимся снижением КПД мышечных сокращений, в результате большая часть энергозатрат направлена на согревание тела. В результате повышается потребление кислорода, увеличивается легочная вентиляция и сократительная активность сердца, повышается АД. В крови увеличивается концентрация гемоглобина, в мышцах увеличивается количество миоглобина. Происходит перераспределение кровотока: он уменьшается на периферии и увеличивается в центре. Что может приводить к холодовому диурезу, вследствие снижения секреции альдостерона и АДГ.
Пластическая адаптация (толерантность) возникает при длительном действии холода (ныряльщики за жемчугом). Она связана с тем что, порог развития дрожи и повышение теплопродукции смещается в сторону более низких температур. При этом на уровне молекул, клеток и тканей появляются изменения, которые способствуют повышению устойчивости к изменениям температуры внутренней среды организма. Тогда функции организма меняются незначительно, хотя температура тела может быть ниже 36 0 .
У постоянных жителей тропических районов земного шара развивается, напротив, привыкание к теплу: температура тела этих людей повышена даже в покое, и увеличение теплоотдачи начинается у них при температуре тела на 0,50 более высокой, чем у жителей районов с умеренным климатом.
У людей, неоднократно по несколько месяцев работающих в условиях антарктических экспедиций, постепенно развиваются энергетически более экономные реакции, в частности, повышается регулирующая активность парасимпатической нервной системы.
На ранних этапах адаптации используются преимущественно генотипические механизмы, которые в экстремальных условиях избыточны и расточительны. В более поздние сроки резервы организма не только своевременно восстанавливаются, но и увеличиваются – развиваются фенотипические механизмы, которые являются более гибкими и экономными.
Рисунок 1. Механизмы теплоотдачи в условиях пониженной и повышенной температуры окружающей среды.
В соответствии с законами термодинамики процессы обмена веществ и энергии связаны с выработкой тепла. У одних животных (и человека) температура тела сохранятся на постоянном уровне, который значительно превышает температуру среды благодаря интенсивной выработке тепла, управляемой специальными регуляторными механизмами. Это - гомойотермные (теплокровные ) организмы. Для другой группы животных (рыбы, земноводные) характерна значительно более низкая интенсивность теплопродукции, температура их тела лишь незначительно превышает температуру среды и претерпевает те же колебания (пойкилотермные, холоднокровные животные).
Выработка тепла и температура тела. Все химические реакции в организме зависят от температуры. У пойкилотермных интенсивность энергетических процессов возрастает пропорционально внешней температуре в соответствии с правилом Ван-Гоффа. У гомойотермных это правило замаскировано другим эффектом (регуляторным термогенезом) и проявляется лишь при блокаде терморегуляции (наркоз, повреждение НС). Даже после блокады регуляторного компонента сохраняются значительные количественные различия между обменными процессами у холоднокровных и теплокровных: при одной и той же температуре тела интенсивность обмена энергии на единицу массы тела у теплокровных в 3 раза больше. Наркоз совместно со снижением температуры тела может вызвать заметное снижение степени потребления кислорода и задержку процессов тканевого разрушения - это используется в хирургии.
Теплопродукция и размеры тела. Температура тела у большинства теплокровных лежит в диапазоне 36-39о С, несмотря на значительные различия в массе и размерах. В противоположность этому интенсивность метаболизма (М) находится в степенной зависимости от массы тела (m): M = km 0,75 . Коэффициент k примерно одинаков и для мыши и для слона. Этот закон зависимости обмена веществ от массы тела отражает тенденцию к установлению соответствия между теплопродукцией и интенсивностью теплоотдачи в среду. Потери тепла на единицу массы тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела, причем это соотношение уменьшается с увеличением размера тела. Кроме того, у мелких животных изолирующий слой тела более тонкий. Если расставить по убывающей интенсивности обменных процессов некоторых животных в ряд, то получиться следующее: мышь, кролик, собака, человек, слон.
Терморегуляторный термогенез . В том случае, когда для поддержания температуры тела необходимо дополнительное тепло, оно может быть выработано следующими способами:
1. Произвольной активностью мышечного аппарата.
2. Непроизвольной тонической или ритмической (дрожь) активностью. Эти два пути носят название сократительного термогенеза.
3. Ускорение обменных процессов, не связанных с сокращением мышц (не сократи-
тельный термогенез).
У взрослого человека дрожь является наиболее значительным непроизвольным проявлением механизмов термогенеза. У новорожденного ребенка большее значение имеет не сократительный термогенез (сгорание в "метаболическом котле" бурого жира). Скопления бурого жира с большим числом митохондрий находится между лопатками, в подмышечной впадине. Его температура при охлаждении организма увеличивается, усиливается кровоток. За счет повышения термогенеза температура тела удерживается на постоянном уровне.
Факторы окружающей среды и температурный комфорт. Влияние температур среды на организм зависит по крайней мере от четырех физических факторов: температуры воздуха, влажности, температуры излучения и скорости движения воздуха (ветер). Этими факторами определяется, ощущает ли человек "температурный комфорт" или ему жарко или холодно. Условие комфорта состоит том, что организм не нуждается в работе механизмов терморегуляции: ему не требуется ни дрожи, ни выделения пота, а кровоток в периферических областях сохраняет среднюю скорость. Это т.н. термонейтральная зона.
Указанные четыре фактора в определенной мере взаимозаменяемы.
Значение температуры комфорта для легко одетого (рубашка, трусы, длинные хлопковые брюки) сидячего человека равно 25-26 о С при влажности 50% и равенстве температуры воздуха и стен. Для обнаженного = 28 о С. В условиях температурного комфорта средняя температура кожи = 34 o С. По мере выполнения физической работы температур комфорта падает. Для легкой кабинетной работы она равна 22 o С.
Дискомфорт возрастает с увеличением средней температуры и влажности кожи (части поверхности тела, покрытой потом).
Теплоотдача .
1. Внутренний поток тепла. Менее половины всего тепла, выработанного внутри тела, распространяется к поверхности за счет проведения через ткани. Большая часть идет путем конвекции в кровоток. Кровь имеет высокую теплоемкость. Кровоток конечностей организован по принципу поворотно-противоточного механизма, что облегчает теплообмен между сосудами.
2. Наружный поток тепла . Отдача тепла наружу осуществляется путем проведения, конвекции, излучения и испарения. Перенос тепла проведением - когда тело контактирует с плотным субстратом. Когда контакт тела происходит с воздухом - конвекция, излучение или испарение. Если кожа теплее воздуха, прилегающий слой его нагревается и уходит вверх, замещаясь более холодным воздухом. Форсированная конвекция (обдув) значительно усиливает интенсивность теплоотдачи. Излучение происходит в виде длинно волнового инфракрасного излучения. Около 20% теплоотдачи тела человека в нейтральных температурных условиях осуществляется за счет испарения воды с кожи и слизистых дыхательных путей.
Влияние одежды - с точки зрения физиологии она является формой теплового сопротивления или изоляции. Эффективность одежды обусловлена мельчайшими объемами воздуха в структуре ткани или в ворсе, куда не проникают наружные потоки. В этом случае тепло переносится только проведением, а воздух - плохой проводник тепла.
Температура тела и тепловой баланс . Если необходимо поддерживать температуру тела постоянной, должно быть достигнуто устойчивое равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей. При понижении температуры среды постоянство температуры тела может поддерживаться только в том случае, если регуляторные механизмы обеспечивают усиление термогенеза пропорционально потерям тепла. Самая высокая выработка тепла, обеспечиваемая этими механизмами у людей, соответствует 3-5 основным обменам. Этот показатель характеризует нижнюю границу диапазона терморегуляции (0-5 о С во внешней среде для взрослых, 23 о С для новорожденных). В случае выхода за эту границу развивается гипотермия и холодовая смерть.
Когда Т о среды повышается, температурное равновесие сохраняется за счет снижения обмена, за счет дополнительных механизмов теплоотдачи. Верхняя граница диапазона терморегуляции определяется механизмами интенсивного выделения пота, которое увеличивается на 60% при 100% влажности кожи и может достигать 4 л/час.
При повышении Т о среды сосуды кожи расширяются, возрастает общее количество циркулирующей крови за счет ее выхода из депо, за счет поступления воды из тканей. Это способствует росту теплоотдачи. Но главное все же испарение. Среднее теплообразование в сутки при активной деятельности составляет около 2500-2800 ккал. Для поддержания Т о тела на постоянном уровне в этих условиях необходимо испарить 4,5 л воды. При тяжелой мышечной работе - до 12 л. в день. Испарение воды зависит от относительной влажности воздуха в помещении и невозможно при 100% влажности. Поэтому высокая влажность при высокой температуре переносится плохо. При этом пот не испаряется, а стекает с кожи. Такое потоотделение не способствует отдаче тепла. Плохо переносится и непроницаемая для воздуха одежда (кожа, резина), так как она препятствует испарению. В совершенно сухом воздухе человек не перегревается за 2-3 часа при Т 55 о С.
Температура тела человека . Тепло, вырабатываемое в организме, отдается в окружающее пространство поверхностью тела. Поэтому Т о поверхности меньше Т о ядра тела, а Т о дистальной части конечностей меньше, чем проксимальной. В связи с этим пространственное распределение температуры тела имеет сложную трехмерную форму. Например, когда легко одетый взрослый человек находится в помещении с Т о воздуха 20 о С, в глубоких мышцах его бедра температура равна 35 о, в икроножной мышце - 33 о, на стопе - 27 о, в rectum -37 о С.
Колебания Т о тела при изменениях внешней температуры выражены больше вблизи поверхности тела и в концевых частях конечностей. Есть "гомойотермная сердцевина" и "пойкилотермная оболочка".
Внутренняя температура тела сама по себе не является постоянной ни в пространственном, ни во временном отношении. Различия составляют 0,2-1,2 о C. Даже в мозгу Т о центра и коры отличается на 1 о. Как правило, наиболее высокая Т о отмечается в прямой кишке (а не в печени, как это было принято считать раньше!). В связи с этим невозможно выразить Т о тела одним числом. Для практики достаточно найти определенный участок, Т о в котором может рассматриваться как репрезентативная для всего внутреннего слоя. Для клинических измерений нужен легкодоступный участок с незначительными пространственными колебаниями температуры. В этом смысле предпочтительнее использовать ректальную температуру. Специальный ректальный термометр вводится в этом случае на 10-15 см. В норме она составляет 37 о С.
Оральная температура (подъязычная) также используется в клинике. Обычно она на 0,2-0,5 о меньше ректальной.
Подмышечная температура (чаще используется России) - равна 36,5-36,6 о. Может служить показателем внутренней температуры тела, поскольку, когда рука плотно прижата к грудной клетке, температурный градиент смещается так, что граница ядра тела доходит до подмышечной впадины. Однако при этом надо ждать довольно долго (10 мин), пока в этих участках не накопится достаточно тепла. Если поверхностные ткани были первоначально холодными в условиях низкой окружающей температуры и в них произошло сужение сосудов, то для установления соответствующего равновесия в этих тканях должно пройти около получаса.
Периодические колебания внутренней температуры . В течение дня минимальная температура у человека наблюдается в предутренние часы, а максимальная - днем. Амплитуда колебаний составляет 1 о С. Суточная (циркадная) ритмика основана на энергетическом механизме (биологические часы), который обычно синхронизирован с вращением земли. В условиях путешествия, связанного с пересечением земных меридианов, требуется 1-2 недели, для того чтобы температурный режим пришел в соответствие с условиями нового местного времени. На циркадные ритмы накладываются другие (menses у женщин и т.д.).
Температура в условиях физической нагрузки может повышаться на 2 о С или больше в зависимости от интенсивности нагрузки. При этом средняя кожная температура снижается, так как благодаря работе мышц выделяется пот, который охлаждает кожу. Ректальная температура при работе может достигать 41 о (у марафонцев).
Кровеносные сосуды кожи могут реагировать непосредственно на изменения Т - т.н. холодовое расширение, что обусловлено локальной термочувствительностью мускулатуры сосудов. Холодовое расширение сосудов наблюдается обычно в виде следующей реакции. Когда человек попадает на сильный холод, сначала у него возникает максимальное сужение сосудов, которое проявляется в бледности и ощущении холода в открытых областях. Однако через некоторое время кровь внезапно устремляется в сосуды охлажденных частей тела, что сопровождается покраснением и потеплением кожи. Если воздействие холода продолжается, события периодически повторяются.
Считается, что холодовое расширение сосудов является защитным механизмом, предотвращающим обморожение, особенно у людей, адаптированных к холоду. Вместе с тем этот механизм может укорить летальный исход общего переохлаждения у тех, кто вынужден плавать в холодной воде в течение продолжительного времени.
Когда роль окружающей среды играет вода, то так как она обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем воздух, то от тела путем конвекции отводится больше тепла. Если вода находится в движении, то тепло отнимается так быстро, что при окружающей температуре +10 о С даже сильная физическая работа не позволяет поддерживать тепловое равновесие, и возникает гипотермия. Если тело находится в полном покое, то для достижения температурного комфорта Т о воды должна быть 35-36 о. Нижний предел термонейтральной зоны зависит от толщины жировой ткани.
Механизмы терморегуляции . Терморегуляционные реакции - это рефлексы, осуществляющиеся центральной нервной системой. Они возникают в ответ на раздражения терморецепторов на периферии и в самой ЦНС. Есть два вида терморецепторов - одни воспринимают тепло (тепловые рецепторы), другие - холод (холодовые рецепторы). Те и другие реагируют возникновением вспышки импульсов в ответ на адекватное раздражение (соответствующее изменение температуры среды), причем имеет значение скорость изменения температуры и величина раздражителя (разность исходной и новой температуры в тканях).
Температурные рецепторы в ЦНС находятся в преоптической зоне передней части гипоталамуса, в ретикулярной формации среднего мозга и в спинном мозге. Наличие таких рецепторов доказывается появлением дрожи у собаки при охлаждении денервированной конечности. Локальное охлаждение разных участков мозга вызывает вспышки импульсов.
Центры терморегуляции расположены в гипоталамусе. Разрушение его делает животное пойкилотермным. Удаление других участков мозга не отражается заметно на процессах теплообразования и теплоотдачи. Есть свои ядра для теплоотдачи и теплопродукции. Показано, что процессы физической терморегуляции регулирует в основном передний гипоталамус, химическую - каудальные ядра. Оба центра находятся в сложных реципрокных отношениях.
В качестве исполнительных механизмов функциональной системы поддержания постоянной температуры тела (ФСТ) выступают все те органы, которые могут обеспечить два взаимно уравновешенных в норме процесса теплопродукции и теплоотдачи, а также специальное адаптивное поведение.
В регуляции температуры участвует и эндокринная система. Так, тироксин повышает интенсивность метаболизма, усиливая теплопродукцию. Адреналин суживает кровеносные сосуды, сохраняя температуру ядра тела.
Онтогенез терморегуляции . У незрелорождающих животных новорожденные не способны к терморегуляции и являются фактически пойкилотермными (суслики, хомяки и пр.). У других животных и у человека все теморегуляционные реакции (усиленный термогенез, вазомоторика, пот, поведение) могут быть включены сразу после рождения в той или иной мере. Это относится даже у недоношенным детям весом около 1000 г. Широко распространено мнение, что у новорожденных недозрелый гипоталамус, ответственный за терморегуляцию. Однако новорожденный обеспечивает свои потребности за счет не сократительного термогенеза. Выработка тепла у детей повышается на 200% без дрожи.
Малый размер новорожденного является недостатком с точки зрения терморегуляции. Соотношение между поверхностью и объемом тела у них в 3 раза больше взрослого, мал жировой слой. Поэтому в расчете на единицу массы тепла у детей вырабатывается в 4-5 раз больше. Верхняя граница термонейтральной зоны новорожденных составляет 32-34 о, нижняя граница - 23 о С. В пределах этого ограниченного диапазона новорожденный способен поддерживать постоянство своей температуры.
Тепловая адаптация . Наиболее важной особенностью, которая возникает в течение тепловой адаптации, является изменение интенсивности выделения пота, которая может увеличиваться 3 раза и достигать в течение коротких периодов 4 л/час. В ходе адаптации к высоким температурам содержание электролитов в поте значительно снижется, чтобы избежать потери солей.
Одним из основных адаптивных изменений является усиление чувства жажды при данном уровне потери воды по мере развития тепловой адаптации. Это необходимо для поддержания водного баланса.
Кроме того, пороговые температуры соответствующих сосудодвигательных реакций и потовыделения изменяются в разных направлениях в зависимости от того, острое, хроническое, умеренное или сильное тепловое воздействие. Так, через 4-6 дней после ежедневного 2-х часового теплового стресса с максимальным выделением пота (сауна) реакции выделения пота и расширения сосудов возникают при внутренних температурах, на 0,5 о ниже, чем прежде. Биологическое значение порогового сдвига заключается в том, что благодаря адаптации температура тела при данной тепловой нагрузке снижается, так что организм оказывается защищенным от критического усиления ЧСС и кровотока - реакций, которые могут приводить к тепловым обморокам.
В противоположность этому, у лиц, длительно живущих в тропиках (хронический умеренный тепловой сдвиг), внутренняя температура в покое больше, и реакции выделения пота и расширения сосудов начинаются при температуре тела на 0,5 о выше, чем в умеренном климате. Этот тип тепловой адаптации называется адаптивной выносливостью.
Гипертермия . Гипертермия наступает при повышении температуры в подмышечной впадине более 37 о С.Предельная температура тела для выживания + 42 о С (очень коротко 43 о). При этом все терморегуляционные процессы крайне напряжены. В условиях продолжительного теплового стресса при температуре более 40-41 о возникают тяжелые поражения головного мозга - "тепловой или солнечный удар". Тепловой обморок при относительно легком перегревании у людей с нарушением функций сердечно-сосудистой системы больше зависит от недостаточности кровообращения, нежели от механизмов терморегуляции.
Лихорадка . Жар развивается в результате усиленной выработки тепла с помощью дрожи и максимального сужения сосудов в периферических частях тела, т.е. организм ведет себя как при низкой температуре внешней среды. В период восстановления идет противоположный процесс - с помощью выделения пота и расширения сосудов температура тела падает так же, как когда у человека жар. При этом человек может правильно реагировать на истинные изменения внешней температуры. Механизм появления лихорадочной реакции связан с выделением лейкоцитарных и бактериальных пирогенов на центральные аппараты терморегуляции.
Холодовая адаптация . Мех, жировой слой, бурый жир - все это виды механизмов адаптации к холоду у разных животных. Взрослому человеку эти механизмы не свойственны, поэтому часто можно слышать мнение, что взрослые люди не способны к какой-нибудь физиологической адаптации к холоду, они должны рассчитывать лишь на поведенческую адаптацию (одежда и теплые жилища). При этом говорится, что человек - это "тропическое существо", которое может выжить в Арктике только благодаря своей цивилизованности.
Однако, показано, что в случаях продолжительного воздействия холода у людей развивается толерантность (выносливость) к холоду. Порог развития дрожи и изменения обменных терморегуляционных реакций смещается в сторону более низких температур. При этом может возникать даже умеренная гипотермия. Подобная толерантность замечается у аборигенов Австралии, которые могут провести целую ночь почти голыми без дрожи при температуре среды около 0 о С, а также у японских ныряльщиц, которые в течение нескольких часов находятся в воде около 10 о С. Это же относится и к нашим "моржам".
Показано, что порог дрожи может быть сдвинут в сторону более низких температур всего за несколько дней, в течение которых испытуемых подвергали повторяющемуся холодовому стрессу. При длительном воздействии (эскимосы, жители Патагонии) повышается интенсивность основного обмена на 25-50% - это метаболическая адаптация.
Локальная адаптация . Если руки тепло одетого человека регулярно подвергаются охлаждению, то болевые ощущения в руках уменьшаются. Это обусловлено тем, что холодовое расширение сосудов возникает при более высокой комнатой температуре.
Гипотермия. Состояние гипотермии наступает, когда Т подмышки падает ниже 35о. Быстрее это происходит при погружении в холодную воду. При этом наблюдается состояние, подобное наркозу - исчезновение чувствительности, ослабление рефлекторных реакций, снижение возбудимости ЦНС, интенсивности обмена, замедление дыхания и ЧСС, падение АД. На этом основано применение искусственной гипотермии, которая снижает потребность мозга в кислороде, становится переносимым более длительное обескровливание при операциях на сердце и крупных сосудах. Сейчас известны случаи отключения сердцу при гипотермии на 40-60 мин (Верещагин). Гипотермию прекращают быстрым согреванием тела. Искусственная гипотермия проводится при выключении механизмов терморегуляции.
В старости гипотермия развивается за счет перерегулирования температурных реакций - в норме Т о тела достигает 35 о (феномен, противоположный лихорадке).
Снижение температуры тела до 26-28 о вызывает смерть от фибрилляции сердца.
теплообразования
Процессы жизнедеятельности человека сопровождаются непрерывным теплообразованием в его организме и отдачей тепла в окружающую среду.
Организм человека - это саморегулирующая система, физиологический механизм которой с целью поддержания постоянной температуры тела направлен на обеспечение соответствия количества образованного тепла (теплопродукция ) количеству тепла, отданного во внешнюю среду (теплоотдача ) . В нормальных условиях теплопродукция равна теплоотдаче .
Теплообразование в организме человека происходит вследствие непрерывно совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах, производящих активную работу (в мышечной ткани, печени, почках), выделяется большее количество тепла, чем в менее активных (соединительной ткани, костях, хрящах) .
Потеря тепла органами зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно расположенные органы, например, кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения.
Теплопродукция и теплоотдача обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.
Теплота в организме человека вырабатывается в результате энергетических превращений в живых клетках. Теплообразование связано:
С непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и других органических соединений;
С осмотической работой (переносом ионов);
С механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры).
В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50% теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени); 20% - в скелетных мышцах и центральной нервной системе; 10% - при работе органов дыхания и кровообращения. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуется на внешнюю работу. Основная же часть переходит в тепловую Q Т.П . .
Внутренняя температура тела (ядра) постоянна благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды. О температуре тела человека обычно судят на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека равна 36,5–36,9 о С. Часто измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека в среднем 37,2–37,5 о С.
Температура тела не остается постоянной, а колеблется в течение суток в пределах 0,5–0,7 о С. Покой и сон понижают температуру, мышечная деятельность повышает ее. Максимальная температура тела наблюдается в 16–18 часов, минимальная – в 3–4 часа утра. У рабочих, длительно работающих в ночных сменах, колебания температуры могут быть обратным указанным выше .
Температура кожи человека при воздействии внешних условий изменяется в относительно широких пределах.
Условием комфорта является тепловое равновесие организма человека и окружающей среды. Факторами, влияющими на состояние теплового равновесия организма, являются:
Температура окружающей среды (стен и поверхностей, окружающих предметов);
Температура, скорость движения, влажность воздуха;
Характер одежды;
Величина теплопродукции человека.
Величина теплопродукции зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности др.
Основным (стандартным) обменом (ОО) организма человека называют количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции. Основной обмен зависит от функционального состояния человека, пола, возраста, веса и вычисляется в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела.
Для взрослого человека среднее значение величины ОО равно 1 ккал/кг/час. Отсюда для взрослого мужчины массой 70 кг величина энергозатрат ОО составляет около 1700 ккал/сутки, для женщин – около 1500 ккал/сутки .
Процесс отдачи тепла организмом человека (теплоотдача) осуществляется :
Радиацией (излучением) – 43 - 50 %;
Конвекцией (перемещением) – 25 - 30 %;
Испарением с поверхности кожи и легких – 23 - 29 %;
Нагрев пищи – 1 - 2 %;
Нагрев воздуха в легких – 1 – 1,5 %;
Потеря тепла с выделениями - менее 1 %.;
Кондукцией (проведением) – очень незначительная величина, т.к. коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха очень мал.
Проведение тепла кондукцией осуществляется от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам или материалам внешней среды.
Перенос тепла в этом случае происходит по закону Фурье:
где Q КОНД – отдача тепла, прошедшего через стенку с площадью S в течение времениτ, Вт;
S – площадь поверхности соприкосновения человека с предметом, м 2 ;
t 1 – температура внутренней стенки (пакета одежды), о С;
t 2 - температура наружной (холодной) стороны, о С;
λ – коэффициент теплопроводности пакета одежды, Вт/м∙ о С;
δ – толщина пакета одежды, м.
Из представленного уравнения видно, что отдача тепла кондукцией возрастает со снижением температуры предмета, с которым человек соприкасается, с увеличением площади соприкосновения и уменьшением толщины пакета одежды.
Передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать закон Ньютона:
Q КОНВ = α КОНВ. S (t ОД – t В),
где α КОНВ – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙ о С), зависит от формы тела и скорости движения воздуха;
S – площадь поверхности тела, м 2 ;
t ОД – температура поверхности тела (одежды);
t В – температура воздуха, о С.
Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, выражается формулой
,
где S –
– отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой, к площади поверхности открытых частей тела;
α КОНВ – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙ о С);
t ОД –
t В – температура воздуха, о С.
Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющие более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей.
Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мк, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело.
В условиях эксплуатации одежды наблюдается практически небольшая разность температур тела и одежды. В этом случае уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, представляют в виде
Q РАД = α РАД · S РАД (t 1 – t 2),
где α РАД – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м 2 ∙ о С);
S РАД – площадь поверхности тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м 2 ;
t 1 - температура поверхности тела человека (одежды);
t 2 – температура поверхности окружающих тел, о С.
Коэффициент излучения α РАД зависит от температуры поверхности тела человека (одежды) и температуры окружающих предметов. В радиационном теплообмене участвует не вся поверхность тела человека, т.к. некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в теплообмене. В радиационном теплообмене участвует 74-75 % площади тела человека в положении сидя и 77-85 % в положении стоя.
Площадь поверхности тела человека зависит от его роста и массы и может быть определена по графику, представленному на рисунке 1.1.
Рис.1.1. Зависимость площади поверхности тела от роста и массы тела
человека
На рисунке 1.2. показана зависимость площади поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, от роста и массы.
Рис.1.2. Зависимость площади поверхности тела человека, участвующей
в радиационном теплообмене, от роста и массы
Потери тепла с поверхности тела одетого человека определяются по уравнению
где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м 2 ;
S ОД - площадь поверхности тела, покрытой одеждой, м 2 ;
S О - площадь открытой поверхности тела, м 2 ;
t ОД - температура поверхности одежды, оС;
t СР – средняя радиационная температура, о С.
Теплоотдача испарением осуществляется путем испарения диффузионной влаги и пота. Диффузионная влага (неощутимая перспирация) теряется с поверхности кожи человека и верхних дыхательных путей в условиях теплового комфорта и охлаждения в состоянии относительного физического покоя. В комфортных условиях (сухое охлаждение) количество пара, выделившегося с 1 м 2 поверхности тела человека, составляет 23 г/час, а со всей поверхности – 40-42 г/час. При этом 1/3 приходится на долю потерь тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.
Потери тепла испарением с верхних дыхательных путей определяют по уравнению
Q ИСП.ДЫХ = 14,9 · 10 -6 · Q Т.П. · (1880 – Р А),
где Q Т.П. – теплопродукция человека Вт,
Р А – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.
Скорость испарения влаги с поверхности тела зависит от:
Разности парциальных давлений пара в пограничном слое около кожи и в окружающем воздухе,
Скорости движения воздуха;
Воздухо- и паропроницаемости одежды;
Площади поверхности, увлажненной потом.
Площадь увлажненной поверхности тела может быть рассчитана по формуле
,
где Р НАС.К – давление насыщенного пара при температуре кожи над влажными участками кожи.
Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи могут быть определены по уравнению
Q ИСП.Д = 3,06 · 10 -3 · S(256t К – 3360 – Р А),
где Р А - парциальное давление пара в окружающем воздухе;
t К – температура кожи, о С.
Величина потоотделения человека определяется:
Уровнем физической активности человека;
Метеорологическими условиями;
Степенью соответствия одежды условиям эксплуатации.
Максимально возможные потери тепла испарением пота Qисп.п. могут быть определены по уравнению
Q ИСП.П = 17,3 . (Е Ф – е) . (0,5 + √v),
где Е Ф – максимально возможное давление водяного пара при температуре кожи человека, мм рт.ст;
е – давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность ), мм рт.ст., определяют по табличным данным в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха.
Разницу (Еф – е) называют физиологическим дефицитом насыщения и определяют в зависимости от скорости движения воздуха и возможной величины испарения пота Р с поверхности тела человека .
Комфортные теплоощущения могут наблюдаться лишь при определенных соотношениях теплоотдачи испарением и теплоотдачи путем теплового потока (Q КОНВ + Q РАД + Q КОНД). Комфортный уровень теплоотдачи испарением Q ИСП.П.К , Вт, определяется из уравнения
.
Теплоотдача при дыхании составляет небольшую долю общих теплопотерь и возрастает с увеличением энергозатрат и уменьшением температуры воздуха.
Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха Q ДЫХ.Н , Вт, могут быть определены из уравнения
Q ДЫХ.Н = 0,0012 . Q Э.Т. (34 – t В),
где t В – температура окружающего воздуха, о С;
34 – средняя температура выдыхаемого воздуха, о С.
По А.И.Бекетову температуру выдыхаемого воздуха рекомендуется принимать в зависимости от температуры вдыхаемого воздуха (табл.1.1.).
