Основы терморегуляции организма человека
Сложная система терморегуляции организма человека обеспечивает поддержание теплового равновесия внутренних тканей и органов в пределах ограниченного диапазона их температуры, в среднем около 37оС, при физиологическом пределе колебаний этой температуры около 1,5оС. Изменение температуры крови и внутренних органов на 2-2,5оС от среднего уровня сопровождается нарушением физиологических функций. Температура тела человека выше 43оС практически не совместима с жизнью. Возможность осуществления нормальных физиологических функций в узком диапазоне температур определяет значение терморегуляции для поддержания жизни человека.
Для обеспечения стабильной температуры тела количество тепла, получаемое телом, должно равняться отдаваемому им количеству тепла во внешнюю среду. То есть, теплообмен должен в комфортных условиях соответствовать уравнению теплового баланса, в котором учтены главные факторы, оказывающие влияние на изменение содержания тепла в организме человека (A. Gagge, 1936; C. Winslow et al., 1936):
±Q = M ± C ±R – E, где (1)
Q – тепловая нагрузка на организм;
М – метаболическое тепло, составляющее от 67-75% от уровня энергозатрат;
С – конвекционный теплообмен организма и окружающего воздуха;
R – лучистый теплообмен организма с окружающей средой;
Е – отдача тепла организма с испаряемым потом.
По данному уравнению тепловая нагрузка определяется уровнем метаболизма, интенсивностью потоотделения и метеорологическими и микроклиматическими условиями, от которых в свою очередь зависят характер и степень функциональных сдвигов, предпатологических и патологических изменений в организме.
Тепловой комфорт организма в обычных условиях соответствует нулевому значению Q. Положительная тепловая нагрузка (+Q) приводит к развитию теплового напряжения. Физиологическим пределом накопления тепла в организме является 600 кДж. Отрицательная нагрузка (-Q) ведет к охлаждению и переохлаждению организма. Теплоотдача свыше 5000 кДж приводит к замерзанию организма.
Терморегуляция организма осуществляется рефлекторными механизмами. Большую роль в процессе терморегуляции играют терморецепторы, передающие информацию об изменениях температуры среды в центр терморегуляции, представляющий собой сложную систему (спинной мозг – гипоталамус - кора головного мозга). Именно функциональная взаимосвязь терморецепторов с центральными регуляторными механизмами обеспечивает возможность приспособления организма человека к изменяющимся тепловым характеристикам внешней среды.
Терморегуляция организма осуществляется уравновешиванием теплопродукции и теплоотдачи. Теплопродукция предполагает так называемую химическую терморегуляцию, теплоотдача – физическую терморегуляцию.
Теплопродукция (химическая теплорегуляция) включает следующие компоненты:
· работа, производимая для поддержания структурной целостности и жизнедеятельности организма;
· работа сокращения поперечнополосатых и гладких мышц;
· работа по перемещению ионов против градиента их концентраций в клеточной мембране, необходимая для сохранения возбудимости клеток;
· работа синтеза различных органических соединений, связанная с постоянным обновлением клеточных структур, образованием секретов, гормонов, ферментов и т. д.
Все указанные виды работы, составляющие химическую терморегуляцию, совершаются за счет химической энергии гидролиза макроэргических соединений, синтез которых происходит за счет свободной энергии ингредиентов пищи, расщепляющихся в процессе обмена веществ (метаболизма). При этом около 40% энергии переходит в тепло и рассеивается в тканях.
Значение химической терморегуляции наглядно демонстрирует уровень основного обмена в зависимости от температуры воздуха (рисунок 1). Как видно из рисунка, теплопродукция не меняется при температуре воздуха 15-25оС, повышается при снижении ниже 15оС и уменьшается при подъеме до 25-35оС. При увеличении температуры воздуха выше 35оС отмечается вторичное возрастание основного обмена, свидетельствующее о нарушении химической терморегуляции. При оценке химической терморегуляции следует учитывать, что в динамику теплопродукции за счет основного обмена могут быть внесены значительные коррективы за счет интенсивности мышечной работы, состояния приспособительных возможностей организма и т. д. В частности, при мышечной работе теплопродукция организма может возрастать в 5-10 раз и более.
Рис. 1. Основной обмен при различных температурах воздуха
Теплоотдача (физическая терморегуляция) представляет собой совокупность следующих механизмов:
· теплопроведение – прямое проведение тепла через ткани, соответственно их теплопроводности;
· кондукция – непосредственная передача тепла предметам и поверхностям, с которыми контактирует тело человека;
· конвекция – перенос тепла движущимся у поверхности тела воздухом;
· радиация – инфракрасное излучение тела (может быть и приток тепла за счет радиации от нагретых поверхностей к телу человека);
· испарение воды (пота) с поверхности тела и слизистых оболочек дыхательных путей.
При температуре воздуха 20оС теплоотдача проведением и конвекцией составляет примерно 31%, радиацией – 44%, испарением пота – 21 %. Остальное тепло может поглощаться пищей и водой, поступающей в организм, за счет различий в температуре. При изменениях температуры окружающей среды и различных её сочетаниях с другими факторами (влажность, скорость движения воздуха, лучистое тепло) указанное соотношение путей теплоотдачи может меняться в значительных пределах. Так, например, при повышенных температурах воздуха ведущим, а зачастую единственным путем теплоотдачи, является испарение пота (рисунок 2).
Важнейшим механизмом теплоотдачи является вазомоторная реакция. Благодаря понижению тонуса сосудов кровоток в коже человека может возрасти от 1 до 100 мл/мин на 100 см2 ткани. Теплоотдача при этом увеличивается за счет повышения теплопроводности кожи и усиленного переноса тепла кровью от глубоко расположенных тканей к поверхности тела. Сужение сосудов кожи соответственно уменьшает теплоотдачу.
Особенности терморегуляции организма при различных температурах воздуха и характер влияния на неё других метеорологических и микроклиматических факторов представлены в соответствующих разделах пособия.
Так как количество тепла, получаемого или отдаваемого организмом, изменяется в широких пределах в зависимости от энерготрат и теплового состояния окружающей среды, то терморегуляторная система организма должна быть весьма гибкой и эффективной. На экстремальные тепловые или холодовые воздействия организм отвечает напряжением терморегуляторных механизмов, а при дальнейшем нарастании теплового или холодового стресса патологическими реакциями и поражениями.
Рис. 2. Изменение интенсивности теплоотдачи различными способами при изменении
Температуры воздуха