Дослідження адаптації температурних рецепторів шкіри до дії високої і низької температур

У певному діапазоні температур, при постійній дії температурного стимулу, нагрівання чи охолодження спричинюють виникнення короткотривалого відчуття тепла чи холоду і відбувається адаптація температурної чутливості до нової температури.

Температурні відчуття, що формуються при локальній зміні температури шкіри, переважно визначаються вихідною температурою шкіри, швидкістю зміни температури, площею шкіри, на яку діє температурний стимул.

Оснащення:ємності з водою різної температури, термометр, секундомір.

Хід роботи.У трьох ємностях знаходиться вода з температурою 10, 25 і 40 ºС. Обстежуваний занурює кисть правої руки у ємність з водою температурою 10 ºС і кисть лівої руки в ємність з водою температурою 40 ºС. Визначають час адаптації терморецепторів, впродовж якого відчуття тепла чи холоду слабшає. Потім руки одночасно виймають і занурюють їх в ємність з водою температурою 25 ºС. Про відчуття, які при цьому виникають у лівій та правій руці, обстежуваний повідомляє експериментатору.

Оформлення протоколу.

1. Вказати час адаптації температурних рецепторів до холоду і тепла.

2. Описати відчуття обстежуваного при перенесенні рук з холодної і гарячої води в теплу.

3. Пояснити механізми зміни специфічності термочутливості шкіри на основі властивості адаптації терморецепторів.

Ситуаційні завдання, приклади їх розв’язку

Енергетичний обмін

1. Приклад обчислення загального обміну (за Г.І. Косицьким, 1985).

Якщо обстежуваний за добу спожив 654,141 л кисню і видихнув 574,180 л вуглекислого газу. За цей час із сечею виділилось 16,8 г азоту і 9,0191 г вуглецю. Внаслідок окиснення яких поживних речовин відбувалося теплотворення?

Кількість білка, розкладеного в організмі, визначається за азотом сечі. Оскільки 1 г азоту міститься у 6,25 г білка, тоді, згідно умови задачі, в організмі розклалося . Для обчислення кількості вуглецю білкового походження необхідно визначити вміст вуглецю у розкладеному білку. Відомо, що в білку міститься 53 % вуглецю, тоді в розкладеному білку його було: . На утворення вуглекислого газу витратилась різниця між кількостями вуглецю в розкладеному білку та вуглецю, що виділився із сечею: . Для визначення об’ємної кількості вуглекислого газу білкового походження, який виділився через легені, враховується, що з 1 грам-молекули вуглецю (12 г) утворюється 22,4 л вуглекислого газу, тоді із 46,63 г: . Далі, за дихальним коефіцієнтом (ДК), що становить 0,8 для білків, обчислюється кількість кисню, яка витратилась на окиснення білків: . Кількість кисню, що витратилася на окиснення вуглеводів та жирів, обчислюється як різниця між спожитим, згідно умови, киснем та киснем, що використався при окисненні білків: . Кількість вуглекислого газу, що утворилася при окисненні вуглеводів та жирів, обчислюється як різниця між сукупним виділеним вуглекислим газом і вуглекислим газом білкового походження, виділеним легенями: . Для визначення кількості вуглеводів та жирів, що окиснилась в організмі обстежуваного за добу, враховується, що при окисненні 1 г жирів споживається 2,019 л кисню (див. таблицю 4, додаток) та утворюється (згідно ДК, що становить для жирів 0,7) 1,431 л СО₂, а при окисненні 1 г вуглеводів споживається 0,829 л кисню і така ж кількість (0,829 л) утворюється вуглекислого газу (ДК для вуглеводів становить 1). Складається рівняння з двома невідомими – за х приймається кількість жирів, а за y – кількість вуглеводів, окиснених в організмі:

,

кількість вуглеводів можна обчислити, підставляючи значення х у будь-яке з рівнянь:

.

Отже, вивільнення енергії в організмі відбувалося завдяки окисненню 105 г білків, 99 г жирів та 417 г вуглеводів. Знаючи кількість енергії, що утворюється при окисненні 1 г кожної з речовин (див. таблицю 4, додаток) можна обчислити загальну теплопродукцію організму за добу:

.

2. Обчисліть енерговитрати (Q) за 1 хв., якщо відомо, що обстежуваний спожив 300 мл О₂/хв. Дихальний коефіцієнт (ДК) становить 1,0.

ДК = 1 при окисненні в організмі вуглеводів, калоричний еквівалент кисню (КЕК), згідно таблиці 4, дорівнює 5,05 ккал (21,12 кДж). Згідно формули: ;

3. Обчисліть (у ккал і кДж) прихід енергії при надходженні в організм з їжею 10 г білків, 10 г жирів, 10 г вуглеводів.

; , де 17,5 ккал – енергія незасвоєних поживних речовин (втрати з калом – близько 10 %).

4. Обчисліть дихальний коефіцієнт (ДК), якщо відомо, що у видихуваному повітрі міститься 17 % кисню і 4 % вуглекислого газу.

Якщо врахувати, що в атмосферному повітрі зазвичай мітиться 21 % О₂, відсоток спожитого кисню становить: . СО₂ у видихуваному повітрі також становить 4 %. Тому: .

5. Як зміниться величина дихального коефіцієнта (ДК) після тривалої гіпервентиляції?

При гіпервентиляції кількість вуглекислого газу в крові знижується. Це призводить до порушення рівноваги в бікарбонатній буферній системі та вивільнення з бікарбонатів деякої кількості вуглекислого газу, який в результаті виводиться з організму. Після припинення гіпервентиляції утворена в організмі вуглекислота зв’язується з бікарбонатами, займаючи «звільнене місце». Тому у видихуване повітря переходить менше СО₂ і величина ДК (співвідношення між кількістю виділеного вуглекислого газу та кількістю спожитого кисню) виявляється нижчою, за нормальну (аж до значення 0,4).

6. Чому в перші хвилини після інтенсивної і тривалої фізичної роботи дихальний коефіцієнт у людини є більшим за одиницю?

Тому що СО₂ виділяється більше, ніж споживається О₂, оскільки молочна кислота, що нагромаджується у м'язах, надходить у кров і витісняє СО₂ з бікарбонатів.

7. Чи доцільно у гарячу погоду споживати м’ясо?

Білкова їжа завдяки своїй специфічно-динамічній дії на 30 % підвищує рівень обміну речовин. В гарячу погоду це може призвести до додаткового перегрівання організму.

8. В якій кількості та у якому співвідношенні повинні входити до складу харчового раціону дорослої людини білки, жири та вуглеводи (середні значення)?

Білки – 90 г (близько 60 % білків їжі повинно бути тваринного походження); жири – близько 110 г (не менше 30 % жирів повинно бути рослинного походження); вуглеводи – 400 г (частка цукру не повинна перевищувати 10 – 12 %) на добу. У співвідношенні 1:1,2:4,6.

9. Які зміни виникнуть в організмі при тривалій відсутності в харчовому раціоні жирів і вуглеводів, але при оптимальному надходження білків з їжею (80 – 100 г на добу)? Чому?

Буде спостерігатися перевищення витрат азоту організмом, порівняно з надходженням, втрата ваги, оскільки енерговитрати будуть покриватися в основному за рахунок білків і запасів жиру, які не поповнюються.

10. Охарактеризуйте значення води в організмі.

Вода – це єдиний розчинник в організмі, що забезпечує її участь у біохімічних реакціях; визначає структуру багатьох макромолекул, об’єм та реологічні властивості крові; участь у виділенні продуктів обміну, у процесах терморегуляції.

11. Назвіть три основні стани внутрішньоклітинної та позаклітинної води, поясніть.

Конституційна вода – структурний елемент молекул клітин і тканин організму; зв’язана вода – утворює гідратні оболонки макромолекул (колоїди); вільна або незв’язана вода – розчинник.

Вікові особливості обміну речовин та енергії

12. Перелічіть особливості вуглеводного обміну у дітей.

Підвищена потреба вуглеводів і висока їх засвоюваність. Знижений рівень глюконеогенезу у зв’язку з підвищеною потребою організму дитини білків та жирів. Відкладання вуглеводів у депо обмежене внаслідок інтенсивного їх розпаду в організмі для отримання енергії та використання як пластичного матеріалу.

13. Перелічіть особливості білкового обміну організму, який росте. Яка величина білкового оптимуму для грудних дітей?

Підвищена потреба білків, позитивний азотистий баланс (ретенція азоту), що пов’язано з ростом організму. Оптимум 3 – 4 г на 1 кг маси на добу.

14. Перелічіть особливості обміну жирів у дітей.

Високий ступінь окиснення жирів, у зв’язку з цим підвищена їх потреба. Обмеження відкладання жиру в депо. Великий вміст бурого жиру, що є джерелом тепла.

15. В чому виявляється негативний вплив надлишкового надходження жирів в організм вагітної жінки чи в організм дитини перших років життя?

Можливе порушення жирового обміну у дитини (надлишкове утворення жирових клітин), що часто виявляється у дорослому віці у вигляді ожиріння.

16. Перелічіть особливості обміну мінеральних солей у дітей.

Спостерігається ретенція солей в організмі, особливо підвищена потреба кальцію, фосфору, заліза.

Терморегуляція

1. Як змінюється просвіт судин шкіри при зниженні і при підвищенні температури навколишнього середовища? У чому полягає біологічне значення цього явища?

При зниженні температури судини шкіри звужуються. При підвищенні температури навколишнього середовища судини шкіри розширюються. Біологічне значення полягає у тому, що зміна ширини просвіту судин, регулюючи тепловіддачу, сприяє підтриманню сталої температури тіла.

2. Як і чому зміниться теплопродукція і тепловіддача при сильному збудженні симпато-адреналової системи?

Теплопродукція збільшиться внаслідок стимуляції окиснювальних процесів, а тепловіддача зменшиться в результаті звуження судин шкіри. Стосовно потовиділення: в результаті емоційного чи психічного напруження виникає так зване психогенне потовиділення, не пов'язане з необхідністю охолодження організму і може виникати не тільки в спекотну, але і в холодну пору року. Майже всі симпатичні нейрони організму є адренергічними, однак ті, які іннервують мерокринні потові залози, є холінергічними (секреція поту посилюється під дією ацетилхоліну). Мерокринна система реагує також на стимуляцію циркулюючих у крові адреналіну і норадреналіну, незважаючи на те, що безпосередня адренергічна іннервація відсутня. Профузне потовиділення в області долонь і підошов у відповідь на стрес, відчуття страху і тривоги може слугувати підтвердженням того, що потові залози цих ділянок мають подвійну, холінергічну і адренергичну, іннервацію.

3. Яке значення для організму має сталість температури тіла? У яких органах найбільш інтенсивно відбувається процес теплотворення?

Забезпечує високий рівень життєдіяльності відносно незалежно від температури навколишнього середовища. У м'язах, легенях, печінці, нирках.

4. Перечисліть ділянки локалізації терморецепторів.

Шкіра, шкірні та підшкірні судини, внутрішні органи, ЦНС.

5. Чи завжди посилення потовиділення призводить до збільшення тепловіддачі?

Охолоджуючий ефект забезпечує не виділення поту, а саме його випаровування. Якщо піт виділяється інтенсивно, він стікає по шкірі, не встигаючи випаровуватись.

6. У людей, адаптованих до теплових впливів, у складі поту зростає вміст жирних кислот. В чому полягає пристосувальне значення таких змін?

Охолоджуюча дія поту пов’язана з його випаровуванням зі шкіри. Отже, чим більше поту встигає випаруватись за одиницю часу, тим ефективнішою є тепловіддача. Жирні кислоти знижують поверхневий натяг, завдяки цьому краплі поту краще розтікаються по шкірі і швидше випаровуються.

7. Чому при тій самій температурі повітря люди більше мерзнуть у сльоту, ніж у суху погоду?

Більш вологе повітря містить в надлишку водяні пари і завдяки цьому стає більш теплопровідним. Тому тепловіддача з поверхні тіла відбувається швидше, ніж у сухому повітрі і людина мерзне.

8. Чому жителі Середньої Азії влітку, коли дуже спекотно, одягають ватні халати?

На холоді нагріте тіло швидко віддає тепло. За цих умов ватний халат буде зменшувати тепловіддачу, затримуючи тепле повітря у просторі під халатом. У сильну спеку градієнт змінює напрямок і організм буде не віддавати тепло, а отримувати його від гарячого повітря. У такій ситуації ватний халат сприяє обмеженню теплового потоку, що надходить до тіла.

9. У яких відділах і структурах ЦНС знаходяться терморецептори?

У гіпоталамусі, ретикулярній формації середнього мозку, у спинному мозку.

10. У яких відділах ЦНС розташовані центри терморегуляції? Яка структура ЦНС є вищим центром терморегуляції?

У гіпоталамусі і спинному мозку. Гіпоталамус.

11. Як впливає температура навколишнього середовища на енерговитрати організму?

Зміна температури в інтервалі 15-30 ºС істотно не позначається на енерговитратах організму. При температурі нижчій за 15 ºС, а також вищій за 30 ºС енерговитрати збільшуються.

Вікові особливості механізмів терморегуляції

12. Назвіть безпосередню причину і поясніть механізм швидкого охолодження дітей (особливо грудного віку) при зниженні температури навколишнього середовища.

Підвищена тепловіддача у дітей внаслідок інтенсивного кровопостачання шкіри, недостатньої теплоізоляції (тонка шкіра, відсутність підшкірної жирової клітковини) і незрілості центру терморегуляції; недостатнє звуження судин.

13. Як змінюються енерговитрати, коли дитина кричить, внаслідок чого?

Збільшуються на 100 – 200 % внаслідок збільшення теплопродукції в результаті емоційного збудження і збільшення м'язової активності.

14. Що таке температурна "зона комфорту" дитини, в межах якої температури вона знаходиться, яка величина цього показника у дорослих?

Температура зовнішнього середовища, при якій індивідуальні коливання температури шкіри дитини найменш виражені, знаходиться в межах 21–22ºС, у дорослих – 18–20 ºС.

15. У якому віці у дитини з'являються добові коливання температури, чим вони відрізняються від таких у дорослих, у якому віці вони досягають норми дорослого?

Наприкінці 1 місяця життя; вони незначні і досягають норми дорослої людини до п'яти років.

16. Чому діти, особливо у грудному віці, швидко перегріваються при підвищенні температури навколишнього середовища?

У дітей підвищена теплопродукція, недостатнім є потовиділення і, отже, випаровування, незрілий центр терморегуляції.

Перелік практичних навичок з теми,

Ситуаційні завдання

1. Енергетичний баланс організму. Специфічно-динамічна дія харчових речовин. Основи раціонального харчування.

2. Пряма і непряма калориметрія (калоричний коефіцієнт кисню, дихальний коефіцієнт).

3. Що таке основний обмін? Умови та методи його дослідження.

4. Обчислити: 1) основний обмін за таблицями Харіса-Бенедикта у 27-річної жінки, зріст 172 см, маса 65 кг; 2) за формулою Ріда чи, скориставшись відповідною номограмою, відсоток відхилення основного обміну, якщо у обстежуваного пульс 75 ск./хв., артеріальний тиск 120/80 мм рт.ст.

5. Обчислити за таблицями належний основний обмін трьох осіб чоловічої статі, ріст і маса яких однакові (160 см, 50 кг), але вік різний (13, 26, 70 років). Порівняти отримані дані. Знайти вікову закономірність змін основного обміну.

6. При окисненні глюкози, як і при окисненні жиру, використано 1л кисню. У якому випадку виділилося більше тепла і чому? При окисненні яких речовин (білків, жирів або вуглеводів) споживається на 1 г ваги найбільша кількість кисню? Чому при окисненні білка в організмі виділяється менша кількість тепла, ніж при окисненні такої ж кількості білка in vitro?

7. Визначити витрати енергії у дорослої людини, якщо об'єм легеневої вентиляції за 5 хвилин роботи – 95,5 л; у видихуваному повітрі 16,9% кисню; 3,85% вуглекислого газу.

8. Обстежуваний за добу видихнув 480 л вуглекислого газу, виділив 14 г азоту (з сечею) і спожив 550 л кисню. Розрахувати витрати білків, жирів і вуглеводів за добу, а також загальні витрати енергії.

9. У чоловіка 37-річного віку (зріст 181 см, маса 90 кг) основний обмін, визначений методом прямої калориметрії, становив 2500 ккал. З використанням таблиць Харіса та Бенедикта обчислити належний основний обмін та величину відхилення (у відсотках).

10. Обчислити енергетичну цінність харчового раціону, який складається із 120 г білка; 100 г жиру та 500 г вуглеводів? Якій професійній групі можна рекомендувати такий раціон?

11. Добовий раціон людини складається із 110 г білка, 56 г жиру, 500 г вуглеводів. Як необхідно змінити раціон, якщо кількість жиру збільшити в 2 рази?

12. Яку кількість вуглеводів необхідно спожити людині, щоб компенсувати енерговитрати при виконанні роботи енергетичною цінністю 2000 ккал (8380 кДж)?

13. Скільки енергії витратив робітник за семигодинний робочий день, якщо за 1 хвилину він спожив 400 мл кисню та виділив 280 мл вуглекислого газу?

14. Визначити дихальний коефіцієнт людини, у якої за добу окиснилося 70 г білків, 400 г вуглеводів, 50 г жирів. Відомо, що при окисненні:

1 г білків	споживається	0,9 л О2	та виділяється	0,7 л СО2
1 г жирів	–	2,0 л О2	–	1,4 л СО2
1 г вуглеводів	–	0,8 л О2	–	0,8 л СО2

15. Визначити кількість окиснених жирів та вуглеводів в організмі, якщо на їх окиснення спожито 460 літрів кисню та виділено 410 літрів вуглекислого газу.

16. Визначити загальний обмін у 35-річного чоловіка вагою 60 кг, зростом 165 см, робоча надбавка становить 2000 ккал (8380 кДж).

17. Підвищеним чи заниженим буде результат при визначенні величини основного обміну в лабораторії, де проводилися дослідження, при температурі повітря 30°С?

18. Як впливає на величину основного обміну та обставина, що обстежуваний під час визначення знаходився на кушетці у незручній позі?

19. У обстежуваного дихальний коефіцієнт виявився більшим за одиницю. Про що це свідчить?

20. Перелічіть фактори, що впливають на величину дихального коефіцієнту?

21. Охарактеризувати функціональну систему, що забезпечує підтримання сталості температури тіла, та назвати її компоненти.

22. Вказати, якими шляхами виділяється тепло у людини? Чому кров, що відтікає від легень у жарку погоду, виявляється меншої температури, ніж та, що притікає? Яке значення цього факту?

23. Описати механізми потовиділення, його роль у тепловіддачі. Чому рясне потовиділення при порівняно невисокій температурі повітря (26 - 27°С) у людини в тропічному лісі не було ефективним способом тепловіддачі, хоча це супроводжувалось інтенсивним стіканням поту?

24. Регуляція потовиділення. Вплив атропіну на роботу потових залоз. Як впливає альдостерон на склад поту?

25. Де знаходиться центр терморегуляції? Як відобразиться на терморегуляції перерізання відповідних структур центральної нервової системи лініями I, II, III, IV?

Рис. 8. Схема, що ілюструє нервовий механізм терморегуляціі: 1) гіпоталамус; 2) шийний відділ спинного мозку; 3) грудний відділ спинного мозку.

26. Чому температура 18 - 20°С називається температурою «комфорту»?

27. Температура повітря 30°С. Який відділ гіпоталамуса буде збуджуватися і який при цьому виявиться пристосувальний ефект?

Питання для контролю кінцевого рівня

Засвоєння знань

1. Поняття про обмін речовин та енергії в організмі. Обмін речовин як джерело утворення тепла.

2. Поняття про енергетичний баланс. Енергетичний баланс у людей різного віку, здорових та хворих. Енергетична та пластична роль харчових речовин, способи визначення.

3. Азотиста рівновага, позитивний та негативний азотистий баланс. Білковий оптимум та мінімум. Білковий коефіцієнт. Білкове голодування, причини виникнення. Регуляція обміну білків. Роль печінки в обміні білків.

4. Фізіологічна роль жирів в організмі. Жирові депо, фізіологічне значення. Недостатність або надлишок жирів у харчовому раціоні впродовж тривалого часу: причини, прояви, наслідки. Регуляція обміну жирів. Роль печінки в обміні жирів.

5. Фізіологічна роль вуглеводів в організмі. Недостатність або надлишок вуглеводів у харчовому раціоні впродовж тривалого часу: причини, прояви, наслідки. Поняття гіпо- та гіперглікемії, глікогенез, глікогеноліз, гліконеогенез. Анаеробний та аеробний гліколіз. Регуляція обміну вуглеводів. Фізіологічна роль печінки в обміні вуглеводів.

6. Добова потреба води для людини.

7. Регуляція водно-сольового обміну.

8. Фізіологічна роль мінеральних речовин в організмі.

9. Роль вітамінів в обміні речовин. Основні принципи складання харчового раціону.

10. Основний обмін, методи визначення, клінічне значення. Методи визначення енерговитрат (пряма та непряма калориметрія).

11. Принципи, що лежать на основі визначення енерговитрат методом непрямої калориметрії (методи повного та неповного газового аналізу).

12. Дихальний коефіцієнт, визначення, значення; калоричний коефіцієнт кисню.

13. Специфічно-динамічна дія їжі, фази, суть. Робоча надбавка, робочий обмін у осіб різних професій, його визначення.

14. Роль ЦНС в регуляції обміну речовин. Роль симпатичної нервової системи в регуляції обміну речовин. Роль гормонів у регуляції обміну речовин та енергії.

15. Механізми теплопродукції. Обмін речовин як джерело утворення тепла. Роль окремих органів у теплопродукції і регуляція цього процесу.

16. Механізми тепловіддачі. Способи віддачі тепла організмом.

17. Температура тіла людини і її добові коливання. Тепловий баланс гомойотермного організму. Температурна схема тіла людини. Методи вимірювання температури тіла людини.

18. Функціональна система, що підтримує оптимальну для метаболізму температуру тіла. Аналіз її центральних і периферичних компонентів.

19. Терморегуляція при високій і низькій температурі навколишнього середовища. Нервово-гуморальні механізми терморегуляції. Гіпо- і гіпертермія.