Обмен энергии. терморегуляция.
1. Общая характеристика обмена энергии. Основной обмен.
2. Температура тела у человека и изотермия.
3. Химическая и физическая терморегуляция.
4. Механизмы регуляции теплообмена, обмена веществ и энергии.
ЦЕЛЬ: Представлять общую характеристику обмена энергии, основной обмен, рабочую прибавку, механизмы поддержания нормальной температуры тела, пути повышения теплопродукции при действии холода и теплоотдачи - при высокой температуре воздуха.
1. Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она существует в нем в четырех основных формах: химической, механической, электрической и тепловой. Центральное место принадлежит химической энергии (АТФ), которая может необратимо превращаться во все другие виды энергии. Обмен энергии - это совокупность процессов превращения различных форм энер-гии между собой, а также накопление и использование макроэргических соединений. Макроэргическими (высокоэнергетическими) соединениями называются биологически активные органические соединения, обладающие непрочной химической связью, при расщеплении которой выделяется достаточное количество свободной энергии для совершения полезной работы в клетке: син-теза химических соединений, транспорта веществ против градиента их концентрации, мышечного сокращения}.
Энергия расходуется на процессы синтеза клеток, на осуществление различных физиологических функций, на внешнюю работу, поддержание температуры тела. Продолжение жизни воз-можно лишь при постоянном пополнении запасов энергии, что и происходит благодаря приему пищи. При окислении 1 г жира в организме освобождается 9,3 ккал, 1 г белка и углеводов – соот-ветственно по 4,1 ккал. Килокалория (ккал) - количество тепла (энергии), необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1°С. Большая часть освобождающейся в организме энергии переходит в тепловую, 20% - в механическую, незначительная часть превращается электрическую. В конечном итоге все виды энергии отдаются в окружающую среду в виде тепловой энергии.
Соотношение количества энергии, поступающей с пищей, и энергии, расходуемой организмом, называется энергетическим балансом. Он может быть положительным, равновесным и отри-цательным. При избыточном питании, превышающем действительные расходы энергии, энергети-ческий баланс положительный, происходит накопление энергетических запасов за счет увеличения массы жировой ткани. В условиях недостаточного питания энергетический баланс отрицательный, запасы энергобогатых веществ уменьшаются. Для представления о количестве расходуемой организмом энергии надо измерить количество тепла, которое выделяется во внешнюю среду.
Обмен энергии человека (общий обмен), складывается из основного обмена и рабочей прибавки. Основной обмен – минимальный уровень обмена веществ и энергетических затрат бодрствуюшего человека в состоянии мышечного и психического покоя, натощак и при температуре окружающей среды 18-20°С. Рабочая прибавка – увеличение энергетических затрат организма при мышечной работе. Для мужчин среднего возраста (35 лет), среднего роста (170 см) и со средней массой тела (70 кг) основной обмен равен 1 ккал на 1 кг массы тела в час, или 1700 ккал в сутки. У женщин той же массы он на 5-10% ниже. У детей он выше, чем у взрослых, в пожилом возрасте основной обмен снижается. В условиях основного обмена энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организма, работу внутренних органов, поддержание температуры.
При лихорадочных заболеваниях (малярия, брюшной тиф, туберкулез}, гиперфункции щитовидной железы основной обмен может повышаться до 150%. При гипофункции гипофиза, щитовидной железы, половых желез основной обмен понижается, усиливается отложение жира.
После приема пищи интенсивность обмена веществ и энергетические затраты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в условиях основного обмена. При белковой пище обмен увеличивается в среднем на 30%, при питании жирами и углеводами - на 15%.
Общий расход энергии зависит от профессии человека и характера его отдыха, суточный расход энергии для людей умственного труда составляет 3000 ккал, а для лиц, занимающихся очень тяжелым физическим трудом, около 5000 ккал/сутки.
2. Температура тела человека, несмотря на колебания температуры окружающей среды, непрерывно поддерживается на относительно постоянном уровне. Постоянство температуры тела - изотермия (греч. isos - равный, одинаковый; therme - теплота). Стабильная температура тела - одна из важнейших биологических констант. Постоянная температура, значительно превышающая обычную температуру внешней среды, обеспечивает высокую скорость химических реакций внутри организма и высокую интенсивность всех процессов жизнедеятельности. Способность организма человека противостоять воздействию холода и тепла, сохраняя изотермию, не беспредельна. При чрезмерно низкой или высокой температуре окружающей среды защитные терморегуляторные механизмы оказываются уже недостаточными» температура организма соответственно начинает понижаться (состояние гипотермии) или повышаться.(состояние гипертермии).
В организме человека различают две температурные зоны: внутреннюю – «ядро» и наруж-ную – «оболочку». «Ядро» (мозг, органы грудной клетки, брюшной полости, малого таза) характеризуется относительно стабильной температурой от 37 до 38,5°С. «Оболочка» (кожа, большая часть скелетной мускулатуры и костной системы) имеет более низкую температуру в диапазоне 25-34°С и призвана поддерживать изотермию «ядра». Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, которая является самым горячим органом тела (38-38,5°С). В обычных условиях кровь, проходя по сосудам «ядра», нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их), а проходя по сосудам «оболочки», отдает тепло тканям кожи и охлаждается (одновременно согревая их).
Термин «температура тела» относится к температуре внутренних областей тела, т.е. «ядра». Однако трудности измерения и различия в величине ее заставляют измерять температуру тела в более доступных местах: в подмышечной впадине, полости рта, прямой кишке. У взрослого человека принято измерять температуру тела в подмышечной впадине. В норме подмышечная температура тела находится в диапазоне 36-37°С. В клинике часто (особенно у грудных детей) измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека 37,2-37,6°С. Суточные колебания температуры тела весьма характерны: наиболее высокая температура наблюдается во второй половине дня в 16-18 часов, наиболее низкая в 3-4 часа утра. В течение суток температура тела обычно колеблется в пределах 0,5-0,7°С.
3. Способность организма человека поддерживать изотермию, или тепловой гомеостаз, обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов - теплообразования и теплоотдачи. При этом необходимо, чтобы теплообразование равнялось теплоотдаче,такое взаимосочетание достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции.
Процесс образования тепла в организме называется химической терморегуляцией, процесс, обеспечивающий удаление тепла из организма, - физической терморегуляцией. Химическая терморегуляция имеет особенно большое значение при низкой температуре среды. Образование тепла происходит в результате окислительных экзотермических реакций в различных тканях и органах (в мышцах - 60%, печени -30%, почках, легких, желудке -10%).
Пути повышения теплопродукции при действии холода:1) произвольная мышечная деятельность; небольшая двигательная активность ведет к увеличению теплообразования на 50-80%, а тяжелая мышечная работа - на 400-500%;2) непроизвольное сокращение мышц, проявляющееся в виде холодовой дрожи (озноба), повышает энергетический обмен и образование тепла в 2-4 раза;3) рефлекторное повышение интенсивности обменных процессов в мышечной ткани без ее сокращения (несократительный мышечный термогенез);4) интенсификация образования тепла печенью и почками.
При повышении температуры окружающей среды теплообразование в организме уменьшается вследствие рефлекторного снижения обмена веществ.
При повышении или понижении температуры окружающей среды рефлекторно изменяется не только теплообразование, но и теплоотдача, причем при понижении температуры отдача тепла уменьшается, а при повышении температуры - увеличивается.
Физическая терморегуляция (т.е. теплоотдача) осуществляется следующими физическими процессами:1) конвекцией - путем движения и перемещения нагреваемого телом воздуха;2) радиа-цией - путем теплоизлучения (отдачи тепла телом в виде лучистой энергии инфракрасных лучей); 3) теплопроведением - отдачей тепла веществам, непосредственно соприкасающимся с поверхностью тела;4) испарением воды с поверхности кожи и легких.
В обычных условиях потеря тепла путем теплопроведения имеет небольшое значение, так как воздух и одежда являются плохими проводниками тепла. Одним из главных путей теплоотдачи при температуре воздуха 20°С является радиация (66% общей потери тепла). При температуре наружного воздуха 35-37°С и более единственным способом отдачи тепла становится испарение воды с поверхности кожи и альвеол легких. В основном теплоотдача осуществляется через кожу. Конвекция и радиация связаны с функцией сосудистой системы.
При высокой температуре наружного воздуха (от 22 до 35°С) сосуды внутренних органов суживаются, кожные сосуды расширяются, теплоотдача повышается. В условиях более низкой температуры внешней среды (менее 18°С) сосуды внутренних органов расширяются, а кожные сосуды суживаются. Теплоотдача уменьшается, происходит накопление тепла. В целом при повышении температуры внешней среды в организме человека теплопродукция уменьшается, теплоотдача увеличивается, при понижении температуры - наоборот: теплопродукция увеличивается, теплоотдача уменьшается.
При температуре наружного воздуха, равной или выше температуры тела человека, для сохранения изотермии происходит интенсивное испарение пота. На испарение 1 мл пота при темпе-ратуре тела затрачивается 0,58 ккал тепла. Этот путь теплоотдачи осуществляется за счет функ-ций потовых желез. Испарение влаги с поверхности легких и дыхательных путей играет меньшую роль, так как с выдыхаемым воздухом за сутки испаряется всего 350 мл воды. С потом человек теряет за сутки 500 мл воды, а с ним 300 ккал тепла. При температуре наружного воздуха 36°С для поддержания изотермии необходимо испарение 4,5 л воды с затратой 2500-2800 ккал тепла. При тяжелой мышечной работе человек может выделять 9-12 л пота в день, а в горячих цехах до 15 л.
Испарение воды зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе вода испаряться не может. Поэтому при большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, жара переносится тяжело, может возникнуть перегревание тела (гипертермия) и развиться тепловой удар. Температура тела,при которой наступает расстройство сознания (бред), находится в диапазоне 40-41°С, а при температуре выше 43°С наступает гибель организма.
Постоянство температуры тела человека поддерживается путем совместного действия, с одной стороны, механизмов, регулирующих интенсивность обмена веществ и теплообразования (химическая регуляция тепла), а с другой - механизмов, регулирующих теплоотдачу (физическая регуляция тепла).
4. Регуляция процессов теплообмена, обмена веществ и энергии осуществляется двумя механизмами:1) рефлекторно - по механизму безусловных и условных рефлексов;2) гуморально.
Безусловнорефлекторная регуляция теплообмена состоит в том, что любые колебания температуры окружающей среды воспринимаются холодовыми (их на коже 250 тысяч) и тепловыми (30 тысяч) рецепторами кожи. Они возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007°С и понижении - на 0,012°С. От терморецепторов нервные импульсы по афферентным (чувствительным) путям через спинной мозг достигают промежуточного мозга и коры. Основным подкорковым центром терморегуляции и регуляции температуры человека является гипоталамус. Передние отделы (ядра) гипоталамуса контролируют механизмы физической терморегуляции (изменение просвета сосудов, интенсивности потоотделения), т.е. являются центром теплоотдачи, а задние отделы (ядра) - контролируют химическую терморегуляцию и являются центром теплообразования. Гипоталамус поэтому называют термостатом организма. Возбуждение из гипоталамуса пере-дается по эфферентным нервам, главным образом симпатическим, к органам теплообразования (мышцы, печень) и теплоотдачи (сосуды, потовые железы) и изменяет их деятельность.
Большую роль в терморегуляции играет кора большого мозга. В опытах на собаках звук свистка сочетался с подвешиванием на спину груза массой 16 кг на 15 минут. Температура у собаки от подвешивания груза повышалась на 0,3 -0;8°С. После нескольких повторений этого сочетания в дальнейшем только один звук свистка вызывал повышение температуры. В другом опыте собаку на несколько часов помещали в комнату с температурой 22°С; в этой обстановке температура у собаки повышалась. Через несколько дней собакa была помещена в эту же комнату, однако темпе-ратура комнаты на этот раз была равна 10°С. Несмотря на это, температура тела собаки все равно повысилась. Как в первом, так и во втором случае у собаки был выработан условный рефлекс на увеличение теплообразования.
В регуляции теплообмена участвует и гуморальный механизм. Гормон щитовидной железы - тироксин, повышая обмен веществ, увеличивает теплообразование. Поэтому поступление тирок-сина в кровь увеличивается при охлаждении организма. Гормон мозгового слоя надпочечника – адреналин усиливает окислительные процессы, увеличивая образование тепла. Одновременно он суживает сосуды кожи, вызывая уменьшение теплоотдачи.
Регуляция обмена веществ и энергии в организме осуществляется нервной и эндокринной системами. Основным отделом ЦНС, регулирующим все виды обменных и энергетических процессов, является также гипоталамус. В нем расположены центры регуляции обмена белков, жиров, углеводов, воды и солей.
На обменные процессы большое влияние оказывают эндокринные железы. Гормоны тироксин, соматотропин, инсулин, половые гормоны усиливают синтетические процессы, особенно в отношении белка. Гормоны коры надпочечника и щитовидной железы в больших количествах усиливают катаболизм, т.е. распад белков. Гормон липокаин способствует утилизации жиров. Гормон инсулин регулирует углеводный обмен, тормозит мобилизацию жира из жировой ткани. Антидиуретический гормон, или вазопрессин, усиливает обратное всасывание воды из канальцев почек в кровь. Альдостерон - гормон коры надпочечника сохраняет в организме натрий и увеличивает выведение калия, активно участвуя таким образом в регуляции минерального обмена.
ЛЕКЦИЯ №40.