ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ
Для человека снижение или повышение температуры тела хотя бы на 1°С означает резкое снижение уровня здоровья и работоспособности. Нормальная температура тела в подмышечной впадине человека в пределах 36-37°С, в прямой кишке выше 37,5-37,9°С. У детей младшего возраста иногда измеряют температуру в полости рта, и она в норме 37,2-37,5 °С.
Изотермия – относительное постоянство температуры тела, обеспечиваемое физиологическими механизмами терморегуляции. Терморегуляция – способность организма сохранять температуру тела не зависимо от колебаний температуры внешней среды.
Кровь, лимфа, тканевая жидкость выполняют функцию теплоносителей. Система кровообращения обеспечивает изменения объемной скорости кровотока. Кровоток при полном расширении сосудов кожи в 8 раз увеличивает проведение тепла от внутренних органов к поверхности кожи, что меняет уровень теплоотдачи.
Сокращения мышц увеличивают теплообразование. Потоотделение и дыхание способствуют испарению жидкости с поверхности тела и дыхательных путей.
Животных, температура тела которых поддерживается на постоянном уровне, называют гомойотермными, или теплокровными. К ним относятся птицы, млекопитающие и человек.
Имеется большая группа животных, которые не имеют постоянной температуры внутренней среды. Температура их тела отличается от температуры внешней среды на несколько десятых градуса. Их активность полностью зависит от погодных условий и времени года. Таких животных называют пойкилотермными, или холоднокровными. К ним относят беспозвоночных, рыб, пресмыкающихся, земноводных.
Имеются животные, система терморегуляции у которых функционирует попеременно: либо в режиме гомойотермии, либо в режиме пойкилотермии. Это животные, способные впадать в зимнюю или в летнюю спячку (медведи, ежи, суслики, сурки и др.). Таких животных по типу терморегуляции называют гетеротермными. Во время спячки уровень обмена веществ у них снижается до 2-3% от исходной величины, что и позволяет им благополучно пережить зиму за счет экономного расходования запасов жира.
Изотермия в процессе онтогенеза развивается постепенно. У новорожденного ребенка способность поддерживать постоянство температуры тела несовершенна. Вследствие этого у них может наступать охлаждение (гипотермия) или перегревание (гипертермия) при температурах окружающей среды не оказывающих влияние на взрослого человека. Бурый жир – термогенный жир у новорожденных.
Тепло образуется в процессе метаболизма. В среднем, в виде тепла выделяется 40-60% энергии гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ).
Любое усиление клеточного метаболизма (в результате увеличения уровня тиреоидных гормонов, адреналина в крови, увеличения основного обмена или при физических нагрузках) повышает выработку тепла.
В теле человека принято различать «ядро», температура которого сохраняется постоянной, и «оболочку», температура которой колеблется в зависимости от температуры внешней среды. Область «ядра» сильно уменьшается при низкой внешней температуре и, наоборот, увеличивается при высокой температуре окружающей среды. Поэтому справедливо говорить о том, что изотермия присуща главным образом внутренним органам и головному мозгу.
Температура конечностей тела человека различна в зависимости от удаленности от «ядра» и степени защищенности одеждой.
Температура тела у взрослого человека в течение суток не остается постоянной и колеблется в пределах 0,5-0,7°С, в отдельных случаях до 1 °С.
Покой и сонпонижают, а мышечная деятельность, эмоции повышают температуру тела. Максимальная температура тела наблюдается в 16-18 ч, затем она постепенно падает и к 3-4-м ч утра достигает минимума.
Самый «горячий» орган – печень. Температура ее ткани 38,5-39,5°С, температура глубоких структур мозга 38-38,5°С, поверхности коры большого мозга под твердой мозговой оболочкой 37,2-37,6°С. В работающей скелетной мышце температура увеличивается на 2-2,5°С, в активно секретирующей околоушной железе на 0,8-1,0°С, в корковых центрах двигательного условного рефлекса на 0,3°С.
Постоянство температуры поддерживается путем взаимодействия механизмов теплообразования и теплоотдачи, находящихся в динамическом равновесии. Терморегуляцию разделяют на химическую и физическую.
Химическая терморегуляция осуществляется путем изменения уровня теплообразования, т.е. усиления или ослабления интенсивности обмена веществ в организме.
Физическая терморегуляция осуществляется путем изменения интенсивности отдачи тепла.
Вода, обладающая высокой теплоемкостью и теплопроводностью, охлаждает тело в 14 раз интенсивнее, чем воздух. Поэтому в прохладной ванне обмен веществ повышается значительно больше, чем во время пребывания на воздухе при той же температуре.
В условиях снижения температуры тела на несколько десятых градуса теплообразование в мышцах увеличивается, даже если человек находится в неподвижном состоянии. Рецепторы, воспринимающие холодовое раздражение, рефлекторно возбуждают мышцы, которые при этом непроизвольно сокращаются с небольшой амплитудой, но с высокой частотой, что внешне проявляется в виде дрожи (озноб). При этом значительно увеличивается уровень обмена веществ, потребление О2 и углеводов мышечной тканью, что и влечет за собой повышение теплообразования до 200%. Образование тепла в организме за счет тонуса, дрожи или сокращений мышц называют сократительным термогенезом.
Печенью в сутки вырабатывается приблизительно 350-500 ккал; непрерывной работой дыхательных мышц 150 ккал; почками 70 ккал.
Наряду с процессами выработки тепла в организме постоянно происходит его отдача. Она осуществляется за счет теплопроведения, конвекции, теплоизлучения, испарения. Некоторое количество тепла расходуется на нагревание пищи (до 14%) и теряется с экскрементами (до 1%).
Кровь, оттекая от «ядра» тела, а также от работающих мышц, несет тепло к «оболочке». Чем ниже температура окружающей среды, тем интенсивнее теплоотдача. Интенсивность определяется количеством теплой крови, прошедшей через сосуды кожи, т.е. зависит от суммарного просвета капилляров кожи и величины объемного кровотока в них. На холоде кровеносные сосуды кожи суживаются, и большее количество крови поступает в сосуды брюшной полости и тем самым ограничивается теплоотдача.
Поверхностные слои кожи, получая меньше теплой крови, меньше отдают тепла в окружающую среду. При сильном охлаждении кожи происходит открытие артериовенозных анастомозов, что значительно уменьшает количество крови, поступающей в капилляры, и в итоге снижает теплоотдачу. Так, кровоток к коже кисти руки при температуре ниже 15°С уменьшается почти в 6 раз. При более значительном охлаждении сосуды кожи могут спазмироваться, а кровоток в них уменьшается вплоть до холодового стаза, т.е. до полной остановки.
Сохранению тепла во внутренних органах способствуют: 1) перераспределение крови, происходящее на холоде, 2) уменьшение количества крови, циркулирующей через поверхностные сосуды, 3) увеличение количества крови, проходящей через сосуды внутренних органов, 4) одежда и тот слой неподвижного воздуха, который находится между одеждой и кожей, так как воздух – плохой проводник тепла.
При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи расширяются, количество крови, циркулирующей в них, увеличивается, что способствует теплоотдаче.
Испарение. Организм теряет тепло при испарении пота с поверхности кожи и воды со слизистых оболочек. При испарении с поверхности кожи или дыхательных путей каждого грамма воды организм отдает 0,56 ккал тепла.
На испарение при высокой внешней температуре приходится до 20% всей теплоотдачи. При значительном снижении температуры окружающей среды потоотделение практически прекращается. Дыхание становится более редким и интенсивность парообразования через легкие снижается. В этих условиях доля испарения в общей теплоотдаче снижается, но возрастает роль теплоизлучения, конвекции, теплопроведения.
Чем выше температура окружающей среды по отношению к температуре кожи, тем большее значение приобретает испарение как путь теплоотдачи, сохраняющий постоянство температуры тела. В этих условиях теплопроведение, конвекция и теплоизлучение практически полностью теряют свою эффективность и даже приобретают обратную направленность – способствуют перегреванию тела.
Испарение воды зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном до 100% водяными парами воздухе вода не испаряется. Поэтому при значительной влажности воздуха высокая температура переносится тяжелее, чем при низкой влажности. В насыщенном водяными парами воздухе (например, в бане) пот выделяется в большом количестве, но не испаряется, а стекает с кожи. Такое потоотделение без испарения не эффективно, так как не способствует отдаче тепла. Только та часть пота, которая испаряется с поверхности кожи, имеет реальное значение для теплоотдачи. Эта часть пота составляет так называемое эффективное потоотделение.
Плохо переносится непроницаемая для воздуха одежда, препятствующая испарению пота. Человек плохо переносит сравнительно невысокую температуру окружающей среды (32°С) при влажном воздухе. В совершенно сухом воздухе человек может находиться без заметного перегревания в течение 2-3 ч при температуре 50-55°С и 8-10 мин даже при температуре 100-110°С.
Испарение как один из путей теплоотдачи у детей имеет существенные особенности. С одной стороны, процесс испарения воды через легкие ребенка достаточно интенсивен и даже превышает соответствующий показатель у взрослого. Однако потоотделение у детей значительно менее интенсивно, чем у взрослого человека, что резко снижает возможность теплоотдачи посредством испарения пота. Окончательно и в полном объеме потовые железы у детей созревают только к 5-7 годам.
Теплопроведение – отдача тепла путем прямого контакта кожи с другими телами и предметами. Чем выше температура тела по отношению к температуре предметов, с которыми кожа соприкасается, тем интенсивнее теплоотдача теплопроведением. Общее количество теплопотерь этим путем прямо пропорционально времени контакта и площади соприкосновения кожи с более холодными предметами. Чем ниже теплопроводность кожи (толщина жирового слоя у человека, шерстяной покров у животных), чем ниже теплопроводность одежды, тем ниже уровень теплоотдачи путем теплопроведения. Влажный воздух, пребывание в холодной воде, влажная одежда значительно усиливают теплопотери путем теплопроведения. Поэтому погружение в бассейн с холодной водой (например, после разогревания в финской бане) сопровождается большими потерями тепла путем теплопроведения. Когда же температура предметов, с которыми имеется соприкосновение, уравнивается с температурой кожи, теплоотдача путем теплопроведения прекращается.
Конвекция –перенос тепла движущейся средой (воздух, вода). Прилегающий к коже слой воздуха нагревается до температуры тела и затем, как более легкий, замещается более плотным холодным воздухом. Чем больше разница между температурой кожи и воздуха, тем интенсивнее этот путь теплоотдачи. При выравнивании температур кожи и воздуха конвекция, как путь теплоотдачи, становится неэффективной. Если же температура воздуха больше температуры кожи, то происходит не теплоотдача, а нагревание кожи. Теплоотдача путем конвекции значительно возрастает при ветре, находясь в прямой зависимости от скорости воздушных потоков, обтекающих обнаженные участки кожи. Поэтому в холодное время года при сильном ветре используют плотную одежду, не пропускающую воздушные потоки, а в жаркое время года усиливают вентиляцию помещения.
Теплоизлучение. Этот путь теплоотдачи называют также радиацией. Если человек находится в помещении, где имеются холодные предметы большой теплоемкости (холодные стены, каменные колонны, металлические сейфы, холодильники, холодные окна и др.), его тело без всякого контакта или соприкосновения с этими предметами излучает в их направлении тепловые лучи инфракрасного диапазона. Теплоотдача путем излучения прямо пропорциональна площади обнаженной поверхности тела. Поверхность тела, укрытая одеждой, в теплоизлучении практически участия не принимает.
Снижение теплоотдачи можно в некоторой степени добиться изменением положения тела.
Рудиментарное значение для человека имеет проявление реакции кожных мышц («гусиная кожа»). У животных при этой реакции изменяется ячеистость шерстяного покрова и улучшается теплоизолирующая роль шерсти.
Постоянство температуры тела обеспечивают сложные рефлекторные акты, которые возникают в ответ на раздражение терморецепторов. Одни из них расположены на периферии: в кожных покровах тела, слизистых оболочках рта, верхних дыхательных путей, желудка и прямой кишки, стенках подкожных вен, желчном и мочевом пузыре, матке и наружных половых органах; другие – в ЦНС: гипоталамусе, среднем и спинном мозге, коре большого мозга. Наибольшее количество периферических рецепторов в расчете на единицу поверхности находится в коже лица; значительно меньше на туловище, еще меньше на нижних конечностях.
Выделяют три группы:
1) поверхностные терморецепторы, расположенные в толще кожи;
2) терморецепторы, локализованные в стенках кровеносных сосудов;
3) терморецепторы ЦНС, расположенные в гипоталамусе, мозжечке, ретикулярной формации ствола мозга и в спинном мозге.
Часть из них (тепловые рецепторы) воспринимает тепло, другая часть (холодовые рецепторы) – холод. Только в коже около 30 тыс. тепловых и около 250 тыс. холодовых рецепторов.
В ЦНС поступает стационарная импульсация от периферических тепловых терморецепторов по нервным немиелинизированным волокнам группы С и от х олодовыхтерморецепторов помелким миелинизированным Аδ(дельта) волокнам.
При продолжительном действии температурного раздражителя частота импульсации и холодовых, и тепловых рецепторов снижается, устанавливается на новом постоянном уровне. Ощущение тепла и холода при этом становится менее ярким и даже исчезает.
Другая группа терморецепторов, расположенных в ЦНС и прежде всего в гипоталамусе, реагирует на изменение температуры крови, притекающей к нервным центрам.
В гипоталамусе различают 3 группы нейронов, принимающих участие в формировании терморегуляторных реакций:
У первой группы очень высока чувствительность к местным изменениям температур, зависящих от температуры крови, омывающей гипоталамус. Вторая группа нейронов реагирует на импульсацию от периферических терморецепторов, заложенных в коже и других органах и тканях. Третья группа нейронов гипоталамуса интегрирует все сигналы от термочувствительных структур и участвует в выработке терморегуляционных реакций. Гипоталамус координируют многочисленные и сложные процессы, обеспечивающие сохранение температуры тела на постоянном уровне.
При изучении роли различных участков гипоталамуса в терморегуляции обнаружены ядра, изменяющие процесс теплообразования, и ядра, влияющие на теплоотдачу. Физическая терморегуляция (теплоотдача) контролируется передним отделом гипоталамуса.
Химическая терморегуляция (теплообразование) контролируется задним отделом гипоталамуса, который считают центром теплообразования.
В ЦНС формируется интегральная реакция на совокупность сигналов, поступающих как с периферических, так и центральных терморецепторов. При этом адаптивная регуляция, осуществляемая за счет сигналов с периферических терморецепторов, предупреждает существенные сдвиги температуры «ядра». Когда же действие внешних температурных факторов становится интенсивным и изменяется температура внутренней среды, ведущую роль приобретают сигналы с терморецепторов гипоталамуса, что приводит к более интенсивным терморегуляторным реакциям.
Химическая терморегуляция осуществляется не только влиянием нервных импульсов на обмен веществ в органах, но и благодаря действию гормонов. При этом, выведение в кровь гормонов также регулируется импульсами идущими из центральной нервной системы.
Гуморальная регуляция теплопродукции
Гипоталамус выделяет тиреотропин-рилизинг фактор.
Тиреотропин-рилизинг фактор стимулирует гипофиз.
Гипофиз вырабатывает тиреотропный гормон.
Тиреотропный гормон стимулирует щитовидную железу.
Щитовидная железа увеличивает секрецию тироксина.
Тироксин увеличивает клеточный метаболизм.
Если человек длительное время находится в условиях значительно пониженной температуры окружающей среды, температура тела может снизиться ниже нормального уровня. При снижении температуры ниже 36°С развивается состояние, называемое гипотермией.
Температура тела человека может снижаться при длительном пребывании на сильном морозе или при попадании в ледяную воду. При этом сначала наблюдается выраженная защитная терморегуляционная реакция, проявляющаяся в резком увеличении теплообразования прежде всего за счет мышечной дрожи и активизации вегетативных функций. При этом увеличиваются ЧСС и ритм дыхания, повышается кровяное давление, возрастает объем циркулирующей крови. При температуре тела ниже 33°С активность центров терморегуляции подавляется, что ведет к снижению термоустойчивости. При этом сосуды кожи расширяются, теплая кровь приливает к коже из глубины тела («ядра»), что вызывает ощущение тепла, покоя; речевой контакт с замерзающим становится невозможным. При температуре тела 24°С объем циркулирующей крови составляет 15-20% от исходного; при температуре около 20°С останавливается сердце и прекращается дыхание.
При продолжительном воздействии высокой температуры окружающей среды система терморегуляции может оказаться несостоятельной, и температура тела поднимется выше 37°С. Такое состояние называют гипертермией. Температура тела 43-44 °С для человека считается верхним пределом, выше которого жизнь невозможна.
Поступление избыточного тепла из окружающей среды при затруднении теплоотдачи (100% влажность воздуха, его неподвижность, пребывание в замкнутом помещении без проветривания) приводит к перегреванию организма. Дальнейшее повышение температуры тела может привести к тепловому удару. При легкой форме теплового удара наблюдаются адинамия, головная боль, тошнота, дыхание и пульс учащены, зрачки расширены, температура тела 37-38°С. При средней тяжести отмечают интенсивную головную боль, рвоту, обмороки. При тяжелой форме теплового удара сознание изменено, отмечаются судороги, бред, галлюцинации, температура тела 41-42 °С.
Повышение температуры тела до 38-41°С может происходить не только в результате воздействия условий внешней среды, но и вследствие нарушения механизмов терморегуляции; такое состояние называют лихорадкой.
.