Теплопродукция и теплоотдача, их компенсаторные изменения

Способность теплокровных животных поддерживать температуру тела на постоянном уровне обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов - теплообразования и выделения тепла из организма во внешнюю среду. Если теплообразование равно теплоотдаче, то температура тела остается постоянной.

Процесс образования тепла в организме получил название химической терморегуляции, процесс, обеспечивающий удаление из организма тепла, - физической терморегуляции.

Химическая терморегуляция. Выработка тепла в организме - одно из важнейших и характерных проявлений жизнедеятельности, которое связано с протеканием в тканях окислительных процессов. Определенный уровень температуры является необходимым условием нормального осуществления ферментативных процессов в тканях, выполнения различных функций в покое и при физической активности.

Тепловой обмен в животном организме тесно связан с энергетическим. При окислении органических веществ, например глюкозы, пировиноградной кислоты, выделяется энергия. Часть этой энергии рассеивается в виде тепла и не может быть использована организмом для совершения какой-либо работы. Другая часть энергии идет на синтез АТФ. Молекулы АТФ, как уже указывалось, обладают способностью аккумулировать энергию. Эта потенциальная энергия может быть использована организмом в его деятельности.

Выделение энергии в форме тепла при расщеплении органических веществ и накопление энергии в молекулах АТФ - взаимосвязанные процессы. Реакции, обеспечивающие связь этих процессов, получили название реакций сопряжения. Повреждение механизмом аккумулирования энергии, выделяющейся при окислении органических веществ, в молекулах АТФ получило название разобщение окислительного фосфорилирования.

Разобщение окислительного фосфорилирования может произойти, например, под влиянием гормонов щитовидной железы. В этом случае для образования достаточного количества АТФ окислительные процессы должны протекать более интенсивно, а значительная часть выделяющейся энергии рассеивается в виде тепла.

Таким образом, соотношение теплового и энергетического обмена определяется изменением направленности окислительных процессов в организме.

Источником тепла в организме являются все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается. Некоторые органы, например печень, скелетные мышцы, отдают крови больше тепла, чем другие. Общее количество тепла, получаемое кровью, равно суммарному количеству тепла, выделяющегося всеми тканями.

Повышение температуры окружающей среды вызывает у гомойотермных животных рефлекторное снижение обмена веществ, вследствие этого в организме уменьшается теплообразование. При понижении температуры окружающей среды рефлекторно повышается интенсивность метаболических процессов и усиливается теплообразование. В большей степени увеличение теплообразования происходит за счет повышения мышечной активности. Непроизвольные сокращения мышц (дрожь) являются основной формой повышения теплообразования в условиях холода. Увеличение теплообразования может происходить в мышечной ткани и без ее сокращения, за счет рефлекторного повышения интенсивности обменных процессов - так называемый несократительный мышечный термогенез. Кроме мышечной ткани, в увеличении теплообразования немалую роль играют печень и почки. При охлаждении организма продукция тепла в печеночной ткани резко возрастает.

Физическая терморегуляция. Этот процесс осуществляется за счет отдачи тепла во внешнюю среду путем конвекции (теплопроведения), радиации (теплоизлучения) и испарения воды.

Конвекция (теплопроведение) заключается в непосредственной отдаче тепла прилегающим к коже предметам или частицам среды. Отдача тепла тем интенсивнее, чем больше разница температур между поверхностью тела и окружающим воздухом. Чем холоднее воздух, тем сильнее он охлаждает кожу. Если же воздух теплее кожи, то проведение тепла будет идти в противоположном направлении, это вызовет повышение температуры кожи.

Теплоотдача увеличивается при движении воздуха, например при ветре. Так, при скорости движения воздуха 0,2 м/с температура кожи почти не изменяется. При увеличении скорости движения воздуха до 0,5 м/с кожа охлаждается на 2°С, а при скорости 1 м/с - на 2,6°С.

Интенсивность отдачи тепла во многом зависит от теплопроводности окружающей среды. В воде отдача тепла происходит быстрее, чем на воздухе. Одежда уменьшает или даже прекращает теплопроведение.

Теплоизлучение состоит в том, что выделение тепла из организма происходит путем инфракрасного излучения с поверхности тела. Радиация тем интенсивнее, чем выше температура поверхности тела. За счет лучеиспускания организм теряет основную массу тепла. Так, в состоянии покоя за счет радиации из организма выделяется в среднем до 60% тепла. Интенсивность теплопроведения и теплоизлучения во многом определяется температурой кожи. Хотя кожа - плохой проводник тепла, но она снабжена большим количество сосудов. Рефлекторное изменение просвета кожных сосудов регулирует теплоотдачу. При повышении температуры окружающей среды происходит расширение артериол и капилляров, кожа становится теплой и красной. Это увеличивает процессы теплопроведения и теплоизлучения. При понижении температуры воздуха артериолы и капилляры кожи суживаются. Кожа, становится бледной, количество протекающей через ее сосуды крови уменьшается. Это приводит к понижению ее температуры, и, как следствие, теплоотдача уменьшается. За счет этого механизма организм сохраняет тепло.

Выделение тепла из организма происходит также путем испарения воды с поверхности тела (²/₃ влаги), а также в процессе дыхания (¹/₃ влаги). Установлено, что на испарение 1·10^-3 кг (1 г) воды расходуется 2,4 кДж (0,58 ккал) энергии. Испарение воды с поверхности тела происходит при выделении пота. Даже при полном отсутствии видимого потоотделения через кожу испаряется в сутки до 0,5 л воды - невидимое потоотделение. Испарение 1 л пота у человека с массой тела 75 кг может понизить температуру тела на 10°С.

В состоянии относительного покоя взрослый человек выделяет во внешнюю среду 15% тепла путем теплопроведения, около 66% посредством теплоизлучения и 19% за счет испарения воды.

При повышении температуры окружающей среды, при физической нагрузке потоотделение увеличивается. Человек способен в сутки выделить до 10-15 л жидкости с потом. В среднем же человек теряет за сутки около 0,8 л пота, а с ним 2,1 мДж (500 ккал) тепли.

При дыхании человек также выделяет ежесуточно около 0,5 л воды. Энергия при этом тратится не только на испарение воды с поверхности дыхательных путей, но и на согревание выдыхаемого воздуха. При физической работе вентиляция легких увеличивается, а это приводит к повышению теплоотдачи.

При низкой температуре окружающей среды (15°С и ниже) около 90% суточной теплоотдачи происходит за счет теплопроведения и теплоизлучения. В этих условиях видимого потоотделения не происходит.

При температуре воздуха 18-22°С теплоотдача за счет теплопроводности и теплоизлучения уменьшается, но увеличивается потеря тепла организмом путем испарения влаги, главным образом в виде пота с поверхности кожи. Если температура окружающей среды близка температуре тела или выше, то испарение воды становится главным способом отдачи тепла. Вследствие этого при большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, жара переносится тяжело, может возникнуть перегревание тела и развиться тепловой удар.

У человека большую роль в изменении теплоотдачи играет выбор одежды в зависимости от температуры окружающей среды. Мало проницаемая для паров воды одежда препятствует эффективному потоотделению и может служить причиной перегревания организма человека.

В горячих цехах, в жарких странах, при длительных походах человек теряет большое количество жидкости с потом. При этом появляется чувство жажды, которое не утоляется водой. Это связано с тем, что с потом теряется большое количество минеральных солей. Если добавить к питьевой воде соль, то чувство жажды исчезнет и самочувствие людей улучшится.

Таким образом, постоянство температуры тела человека обеспечивается механизмами физической и химической терморегуляции.