Лекция 19. Тепловой обмен
1. Температура тела человека.
2. Механизмы теплообразования.
3. Механизмы теплоотдачи.
4. Потоотделение.
5. Регуляция теплового обмена.
Температура тела человека
Способность организма человека сохранять постоянную температуру обусловлена сложными биологическими и физико-химическими процессами терморегуляции. Человек относится к животным с постоянной температурой тела. Способность сохранять температуру тела на относительно постоянном уровне, отклонения от которого в обычных условиях не превышают ± 2 °С, независимо от значительных колебаний температуры внешней среды, называется гомойотермией (от греч. homoios — подобный и therme — тепло).
О температуре тела человека судят обычно по ее измерениям в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека равна 36,5-37°. Но в то же время температура тела человека носит относительный характер: колеблется в течение суток в пределах 0,5-0,8°. Максимальная температура наблюдается с 16 – 18 часов – 37,0 – 37,1 гр., а минимальная с 3 – 4 часов – 36,2 – 36,0 гр. Кроме того температура разных мест тела – разная. Самое "холодное" место организма – легкие – 35,5 гр., а самое горячее место – печень 41 гр.
Изотермия имеет большое значение для обменных процессов. Ферменты и гормоны обладают наибольшей активностью при температуре 35-40°. Критическими температурами тела являются 43оС и 24оС. Повышение температуры тела выше 42оС приводит к нарушению обмена веществ в тканях мозга. Понижение температуры тела до 32оС вызывает озноб, минимальная критическая температура - 25оС; уже при 27оС наступает кома, нарушение сердечной деятельности и дыхания.
В теле человека выделяют ядро и оболочку. В ядре происходит образование тепла, оболочка рассеивает его в окружающую среду. Температура поверхности тела неравномерна. Она зависит от интенсивности переноса к ней тепла кровью из глубоких частей тела, а также от охлаждающего или согревающего действия температуры внешней среды. Так, температура кожи на покрытых одеждой участках колеблется от 29° до 34°. Колебания температуры кожи на открытых частях тела в основном зависят от температуры внешней среды.
Температура глубоких тканей более равномерна и составляет 37-37,5°. Температура печени, мозга, почек несколько выше, чем других внутренних органов.
В неблагоприятной внешней среде организм жертвует температурным режимом оболочки, к которой можно отнести кожу, подкожный слой, скелетную мускулатуру), направляя свои усилия на сохранении температуры ядра тела, куда входит, в частности, головной мозг. При этом температура периферических частей тела может значительно колебаться без ущерба для здоровья и активности человека. Например, температура пальцев у человека может изменяться в диапазоне температур от 15 до 45 °С. Поэтому понятие постоянства температуры надо в большей степени связывать с температурой ядра, чем с температурой оболочки.
Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования и теплопотери всего организма. Это достигается за счет физиологических механизмов терморегуляции. Выделяют химическую и физическую терморегуляцию. Способность человека противостоять воздействию тепла и холода, сохраняя стабильную температуру тела, имеет определенные пределы. При чрезмерно низкой или высокой температуре внешней среды защитные терморегуляционные механизмы оказываются недостаточными, и температура тела начинает резко падать или повышаться. В первом случае развивается состояние гипотермии, во втором — гипертермии.
Механизмы теплообразования
Важный источник тепла – метаболические процессы, которые постоянно протекают в организме. К таким процессам можно отнести работу сердца, дыхательных мышц, перестальтику кишечника, деятельность печени.
При окислении питательных веществ и других реакций тканевого метаболизма образуется тепло. Величина теплообразования тесно связана с уровнем метаболической активности организма. Поэтому теплопродукцию называют также химической терморегуляцией.
Химическая терморегуляция имеет особо большое значение в поддержания постоянства температуры тела в условиях охлаждения. При понижении температуры окружающей среды увеличивается интенсивность обмена веществ и, следовательно, теплообразование. У человека усиление теплообразования отмечается в том случае, когда температура окружающей среды становится ниже температуры комфорта. В обычной легкой одежде она равна 18-20°, а для обнаженного человека—28°С.
Суммарное теплообразование в организме происходит входе химических реакций обмена веществ (окисление, гликолиз), что составляет так называемое первичное тепло и при расходовании энергии макроэргических соединений (АТФ) на выполнение работы (вторичное тепло). В виде первичного тепла в тканях рассеивается 60-70% энергии. Остальные 30-40% после расщепления АТФ обеспечивают работу мышц, различные процессы синтеза, секреции и др. Но и при этом та или иная часть энергии переходит затем в тепло. Таким образом, и вторичное тепло образуется вследствие экзотермических химических реакций, а при сокращении мышечных волокон — в результате их трения. В конечном итоге переходит в тепло или вся энергия, или подавляющая ее часть.
Значимым источником тепла является комплекс мышечных физиологических процессов, связанный с поддержанием определенной позы человека. Известно, что теплопродукция сидящего человека на 40—45% выше, чем у лежащего, а стоящего - на 70%. В холодных условиях в процесс выработки тепла путем холодовой дрожи включаются дополнительные скелетные мышцы.
Весьма существенной в согревании организма может быть высокая двигательная активность, поскольку коэффициент полезного действия мышц значительно меньше 100%, большая часть затрачиваемой мышцами энергии (75-80 %) превращается в тепло. При этом чем интенсивнее выполняемая работа, тем выше и теплопродукция.
Особое значение в организме тогда, когда необходимо повышенное образование тепла, приобретает бурая жировая ткань. Примечательно, что бурая жировая ткань редуцирована или вообще отсутствует у тучных людей и, наоборот, достаточно развита у тех людей, которые «хорошо едят, но не накапливают жир».
Бурая жировая ткань встречается в больших количествах у животных, впадающих в зимнюю спячку. У человека бурую жировую ткань обнаруживают в эмбриональном периоде, после рождения она превращается в обычную жировую ткань, иногда сохраняясь в виде рудиментарных образований, локализованных небольшими участками под кожей в области шеи, верхней части груди, спины между лопатками и в районе подмышечных впадин. Бурая жировая ткань получила свое название из-за характерной темной окраски. Она содержит большое количество холестерина и фосфолипидов, а также служит депо витаминов. Ее клетки содержат большое количество митохондрий, размер которых увеличен по сравнению с клетками белой жировой ткани. Характерной особенностью бурой жировой ткани является то, что в митохондриях ее клеток окисление и фосфорилирование разобщены. Поэтому окислительные реакции дают много тепла и мало АТФ. Это связано с наличием во внутренней мембране митохондрий жировых клеток специальных пор, через которые, минуя АТФ-синтетазу, ионы Н+ возвращаются внутрь митохондрий.
Рудиментным для человека является образование на холоде так называемой «гусиной кожи». У животных такой феномен связан с подниманием шерсти и повышением ее теплоизолирующих свойств.
Механизмы теплоотдачи
Теплоотдача - это рассеивание тепла в окружающую среду. Теплоотдача может осуществляться несколькими путями. В ходе каждого из них выделяется примерно 30 % избыточного тепла, 5 – 10 % идет на согревание вдыхаемого воздуха, воды и пищи:
1. Теплопроведение (кондукция) - осуществляется при контакте тела с предметами или окружающей средой, имеющей меньшую температуру, чем температура тела. Одежда замедляет теплопроведение, так как предохраняет организм от прямого контакта с окружающими предметами и средой. Например, обувь препятствует потере тепла ступнями при контакте с холодным грунтом, перчатки препятствует потере тепла при контакте ладоней с холодными предметами.
2. Теплоизлучение – любое тело, имеющее температуру выше температуры окружающей среды, излучает тепловую энергию в виде инфракрасных волн.
3. Конвекция – связана с движением холодного воздуха относительно организма. Воздух, нагретый при контакте с кожей человека, поднимается вверх, уступая место более холодному. Если температура окружающего воздуха равна температуре тела, конвекция не происходит.
4. Испарение жидкости с поверхности тела – происходит с помощью потовых желез и является эффективным способом охлаждения организма.
Потоотделение
Одна из главных экскреторных функций кожи – потоотделение. Этот процесс проходит под нейрогуморальным контролем. В состав пота входят как органические (мочевина, мочевая кислота, креатин, гиппуровая кислота), так и неорганические вещества (хлорид натрия, хлорид калия, фосфаты сульфаты). Плотность пота чуть выше воды (1,012 – 1,010).
Потоотделение бывает:
1. Незаметным. При незаметном потоотделении пота образуется немного, и он сразу испаряется с поверхности кожи. В этом случае потовые железы выделяют практически чистую воду. Это неощущаемое потение (perspirato insensibilis) может составлять до 600 – 700 мл в день.
2. Заметное. При заметном потоотделении пот начинает течь по поверхности кожи. У человека заметное потоотделение начинается всякий раз, когда температура тела поднимается выше средней – 36,6 ° С.
Небольшие количества органических и неорганических веществ, которые накапливаются на коже при изменении температуры, выделяются скорее сальными, чем потовыми железами. Когда потоотделение заметно, объем и состав пота варьируют и определяются скоростью испарения, количеством потребленной жидкости, температурой и влажностью внешней среды. В умеренном климате за сутки человек выделяет около 1 л пота. При очень сильной жаре и достаточном снабжении водой потоотделение может достигать 12 – 20 л пота в сутки.
Как объем, так и солевой состав «ощущаемого» потоотделения зависят от акклиматизации человека. У людей, не привыкших к жаркой и влажной атмосфере, происходит обильное выделение пота с высоким содержанием солей. Акклиматизированные люди выделяют меньшее количество пота с более низкой концентрацией солей. Нескомпенсированная потеря больших количеств жидкости при потении может привести к потере организмом солей. Поэтому в таких случаях в питьевую воду включают небольшое количество соли. При небольшом ощущаемом потоотделении концентрация небелковых азотистых соединений в поте несколько выше, чем в плазме, что, по-видимому, объясняется испарением воды из пота. Однако потовые железы могут активно концентрировать молочную кислоту. Поэтому концентрация молочной кислоты в поте в некоторых случаях может значительно превышать ее концентрацию в плазме или моче. Концентрации ионов калия, магния и кальция соответствуют концентрации этих ионов в плазме. Удельная масса пота находится в пределах от 1,002 до 1,005, рН – от 4,5 до 7,5. При высоком уровне двигательной активности в условиях жаркой среды возникает явление конкуренции за кровь между мышцами, которым она необходима для обеспечения кислородом мышечного сокращения и кожей, нуждающейся в увеличении кровотока для выведения из организма дополнительных количеств тепла.
Термонейтральная зона – это температурный диапазон от +26 до +28°С, при котором у обнаженного человека, бодрствующего в положении лежа минимальная теплопродукция, при которой тепло образуется только в результате основного обмена при отсутствии потоотделения. При температурах среды ниже термонейтральной зоны активируется теплопродукция, при более высоких температурах начинается потоотделение.