Химической терморегуляции принадлежит важное значение в сохранении постоянства температуры тела как в нормальных условиях, так и при изменении температуры окружающей среды. У человека усиление теплообразования отмечается, в частности, тогда, когда температура окружающей среды становится ниже оптимальной температуры, или зоны комфорта. В легкой одежде эта зона для человека находится в пределах 18-20°С, а для обнаженного равна 28°С.
Вода, обладая высокой теплоемкостью и теплопроводностью охлаждает тело в 14 раз сильнее, чем воздух, поэтому оптимальная температура во время пребывания в воде выше, чем на воздухе. В прохладной ванне обмен веществ повышается значительно больше, чем во время пребывания на воздухе при той же температуре.
По уровню теплообразования в организме мышцы занимают ведущее место. Даже в лежачем положении, но с напряженной мускулатурой, интенсивность окислительных процессов, а вместе с тем и теплообразование повышаются на 10%. Небольшая двигательная активность ведет к увеличению теплообразования на 50-80%, а тяжелая мышечная работа — на 400-500%.
При низкой температуре окружающей среды теплопродукция мышц существенно возрастает. Это обусловлено тем, что охлаждение поверхности тела, действуя на холодовые рецепторы, рефлекторно возбуждает беспорядочные непроизвольные сокращения мышц, проявляющиеся в виде дрожи (озноб). Обменные процессы значительно возрастают, увеличивается потребление кислорода и углеводов мышечной тканью, что и влечет за собой повышение теплообразования. Даже произвольная имитация дрожи увеличивает теплообразование на 200%. При введении миорелаксантов — веществ, нарушающих передачу нервных импульсов с нерва на мышцу и тем самым устраняющие рефлекторную мышечную дрожь повышение обменных процессов в мышцах и теплообразование значительно уменьшены. Увеличение теплообразования, связанное с произвольной и непроизвольной (дрожь) мышечной активностью, называют сократительным термогенезом. Наряду с этим возрастает уровень теплообразования и в других тканях. Особое место занимает так называемый бурый жир, количество которого значительно у новорожденных. Бурый оттенок жира придается более значительным числом окончаний симпатических нервных волокон и большим числом митохондрий. За счет высокой скорости окисления жирных кислот в бурой жировой ткани процесс теплообразования идет гораздо быстрее, чем в обычной, и почти без синтеза макроэргов. Этот механизм срочного теплообразования получил название «несократительный термогенез».
В химической терморегуляции велика роль также печени и почек. Температура крови печеночной вены выше температуры крови печеночной артерии, что указывает на интенсивное теплообразование в этом органе. При охлаждении тела теплопродукция в печени возрастает.
ТЕПЛООТДАЧА
В стационарных условиях покоя, характеризующихся постоянством средней температуры тела, интенсивность метаболизма (М) должна быть равна скорости переноса тепла от внутренней области тела к поверхностному слою - внутренний поток тепла - скорости переноса тепла от поверхности тела в окружающее пространство - наружный поток тепла.
Внутренний поток тепла
Менее половины всего тепла, выработанного внутри тела, распространяется к поверхности благодаря его проведению через ткани; большая часть вырабатываемого тепла переносится путем конвекции в кровоток. Благодаря своей высокой теплоемкости кровь очень хорошо переносит тепло и в силу этого имеет важное значение для поддержания теплового баланса в организме. Внутренний поток тепла пропорционален разности между внутренней температурой и средней кожной температурой; он определяется также теплопроводностью, величина которой зависит от скорости кровотока в коже и конечностях.
У взрослого человека теплопроводность может меняться со скоростью кровотока в 4-7 раз в зависимости от толщины поверхностного слоя тела и от подкожной жировой прослойки. Величина, обратная теплопроводности называется термосопротивлением, или тепловой изоляцией.
Вариабельность теплопроводности до некоторой степени определяется тем, что кровоток в конечностях происходит по принципу противотока. Глубокие крупные сосуды конечностей располагаются параллельно, благодаря чему кровь, следующая по артериям на периферию, отдает свое тепло близлежащим венам. Таким образом, дистальные сосуды получают предварительно охлажденную кровь и осевой температурный градиент в конечностях становится круче. В теплой среде поверхностные вены расширяются и пропускают больше возвращающейся крови, так что эффект короткого замыкания ослабевает. В результате осевой температурный градиент уменьшается и теплоотдача усиливается.
Наружный поток тепла
Для того чтобы количественно оценить наружный тепловой поток, а также влияние, которое оказывают на него внешние факторы, необходимо отдельно рассмотреть его компоненты. Этими компонентами служат слагаемые теплоотдачи: проведение тепла, конвекция, излучение, и испарение. Общий поток тепла определяется суммой этих компонентов: перенос тепла путем проведения происходит, когда тело соприкасается (в положении стоя, сидя или лежа) с плотным субстратом. Величина потока проводимого тепла определяется температурой и теплопроводностью прилежащего субстрата.
Из тех частей поверхности тела, которые соприкасаются с воздухом, перенос тепла осуществляется путем излучения, конвекции и испарения.
Перенос тепла путем конвекции. Если кожа теплее окружающего воздуха, прилегающий к ней слой воздуха нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным воздухом. В процессе этой естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха у поверхности кожи. Движущей силой этого потока служит разница между температурами тела и окружающей среды вблизи него. Чем больше движений возникает во внешнем воздухе, тем тоньше становится тот пограничный слой, поток в котором является ламинарным; максимальная толщина такого слоя достигает 4-8 мм. Вблизи от кожи поток воздуха становится турбулентным. Форсированная конвекция значительно усиливает интенсивность теплоотдачи.
Определяющими факторами этого процесса служат разность между средней температурой кожи и температурой окружающего воздуха, эффективная площадь поверхности, коэффициент конвективного переноса тепла, величина которого пропорциональна квадратному корню из скорости обдувающего воздуха:
Перенос тепла путем излучения. Теплоотдача в виде длинноволнового инфракрасного излучения, испускаемого кожей (в нем не принимает участия проводящая среда окружающих поверхностей, например стен комнаты). Значение температуры окружающих поверхностей можно проиллюстрировать с помощью ладони, поднесенной близко к лицу, у испытуемого сразу возникает ощущение тепла в области лица в результате ослабления теплоотдачи, происходящей путем излучения. Испускающая способность окружающих стен должна учитываться только в том случае, если они располагаются очень близко к телу. Излучаемое тепло поглощается телом в помещениях, содержащих излучатели тепла или освещенных солнечным светом, когда средняя температура излучения превышает температуру окружающего слоя воздуха. В случае коротковолнового инфракрасного излучения (испускаемого такими излучателями, как электрорадиаторы или солнце) и испускающая, и поглощающая способности кожи становятся значительно меньше 1 (0,5-0,8) и оказываются зависимыми от кожной пигментации.
Перенос тепла путем конвекции и излучения часто объединяют и называют «сухой» теплоотдачей. В этом случае значение температуры окружающей среды представляет собой оперативную температуру - взвешенное среднее между температурами воздуха и излучения. Коэффициенты переноса тепла для конвекции и излучения объединяют и получают коэффициент, обратная величина которого служит характеристикой изолирующих свойств окружающей среды.
Перенос тепла путем испарения. Около 20% теплоотдачи тела человека в условиях нейтральной температуры осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистой оболочки, выстилающей дыхательные пути, теплоотдача путем испарения происходит даже тогда, когда относительная влажность окружающего воздуха достигает 100%. Единственное необходимое требование заключается в том, чтобы давление водяных паров кожи было больше давления водяных паров в воздухе, это условие сохраняется до тех пор, пока температура кожи выше температуры окружающей среды и кожа полностью увлажнена благодаря достаточному выделению пота.
Потерю воды за счет диффузии ее через кожу и слизистую оболочку называют неощущаемой или внежелезистой потерей в отличие от железистой потери воды в результате функции потовых желез. Только последний механизм находится под контролем системы терморегуляции и оказывает существенное влияние на общее количество переносимого тепла. Когда температура окружающей среды превышает температуру тела, теплоотдача может осуществляться только путем испарения. Эффективность потоотделения для процесса терморегуляции основана на поглощении большого количества тепла испаряющейся водой, 2400 кДж на 1 л. Путем испарения 1 л воды организм человека может отдать треть всего тепла, выработанного в условиях покоя за целый день.
Влияние одежды. Одежда с точки зрения физиологии является формой теплового сопротивления, или изоляции, величину которого нужно прибавить к значениям термосопротивления тканей организма и окружающего пограничного слоя. Эффективность одежды обусловлена мельчайшими объемами воздуха, присутствующими в структуре плетеной ткани или в ворсе, где не может возникать сколько-нибудь заметных потоков воздуха. В этом случае тепло переносится только путем проведения, а воздух является плохим проводником тепла.