Механизм терморегуляции

Чтобы обрести хорошую закалку, необходимо прежде всего познакомиться с механизмом терморегуляции.

Все живые организмы по отношению к температурным влияниям внешней среды делятся на две большие группы: одни - холоднокровные (пойкилотермы) - приобретают температуру окружающей среды, другие - теплокровные (гомойотермы) - вне зависимости от внешних условий всегда сохраняют постоянную температуру тела. У некоторых животных и птиц разница между постоянной температурой тела и температурой внешней среды может достигать 70 - 80°. Волк, например, имея температуру тела 40°, может переносить температуру воздуха - 32,8°. Разница между температурой тела и температурой внешней среды у него, таким образом, составляет почти 73°, а у белой куропатки - даже 82°.

Однозначного ответа на вопрос, почему у теплокровных животных температура тела колеблется в пределах 36 - 41°, пока нет. Одни исследователи считают, что такая температура оптимальна для каталитических свойств ферментов (белков). Другие утверждают, что ферменты эволюционно адаптировались к температуре тела. Существует предположение, согласно которому гомойотермные животные появились в районах Земли, где среднегодовая температура была 21 - 26°. Далее, производя расчеты с учетом среднегодовой температуры, закона рассеивания теплоты и закона Аррениуса об ускорении химических реакций с повышением температуры, сторонники этой версии доказывают, что температура тела 36 - 41° наиболее приемлема, так как при изменении температуры тела на 1° прирост образующегося в организме тепла и увеличение теплоотдачи одинаковы.

Способность организма человека поддерживать постоянную температуру обусловлена сложными биологическими и физико-химическими процессами терморегуляции. По мнению академика И. П. Павлова, без такого совершенного механизма, поддерживающего постоянную работу тела, наша жизнь была бы "игрушкой в руках внешних температурных условий".

Возникает вопрос: какова же температура в различных частях человеческого тела? Как показали исследования, понятие постоянства температуры тела человека в известной мере относительно. Так, открытые участки кожи при низкой температуре охлаждаются быстрее, чем закрытые, а вот температура закрытых участков тела и внутренних органов при температурных колебаниях в окружающей среде практически не меняется.

Колебания температуры тела зависят от времени суток, активности организма, температуры окружающей среды, теплоизоляционных свойств одежды. Во время тяжелой физической работы, тренировок и спортивных соревнований температура тела, например, может повышаться на 1 - 2° и более. Оказывает влияние на температуру тела и изменение физиологического состояния организма - нервное возбуждение, беременность и т. п.

Человек может переносить отклонения внутренней температуры тела от нормальной на 4° в ту или другую сторону: нижний предел - 33°, верхний - 41°. В течение суток температура тела изменяется незначительно - в пределах 0,5 - 0,7°. Максимальные ее величины (37,0 - 37,1°) наблюдаются в 16 - 18 часов, минимальные (36,2 - 36,0°) - в 3 - 4 часа утра. У пожилых людей температура падает до 35 - 36°.

Разную температуру имеют также внутренние органы. Самый "горячий" - печень, ее температура доходит до 38 - 40°. Температура в подмышечной впадине, по которой обычно определяют состояние здоровья человека, в норме равна 36,5 - 36,9°. Температура в прямой кишке - 37,2 - 37,5°. Все эти цифры близки к средней температуре тела, а также крови, омывающей все органы. Самую низкую температуру, неодинаковую на различных участках тела, имеют кожные покровы. Относительно высока температура кожи шеи - при комнатной температуре воздуха она равна 34°. Близка к этому уровню температура кожи головы - 33,5°. Намного ниже температура кожи пальцев рук - 28,5° и ног - 24,4°. Довольно постоянна температура кожи на участках тела, защищенных одеждой, - около 33,2 - 33,5°. А показатели температуры кожи на открытых участках меняются в зависимости от погоды и других внешних условий. В обычных условиях температура тела колеблется в пределах 0,5 - 0,7°.

Установлена условнорефлекторная природа суточных изменений температуры тела. Главными условными раздражителями являются: смена освещенности днем и ночью; режим жизни. В частности, при переездах на значительные расстояния, обусловленных сменой часовых поясов, в первые дни сохраняется обычный суточный ритм температуры тела - несмотря на иной распорядок жизни, питания и сна. Однако постепенно суточная кривая температуры изменяется, приспосабливаясь к новым условиям.

Постоянство температуры тела возможно лишь в том случае, если количество образующегося тепла равно количеству тепла, отдаваемого телом в окружающую среду. Иначе говоря, постоянство температуры тела обеспечивается сочетанием двух взаимосвязанных процессов - теплопродукции и теплоотдачи. Если теплопродукция преобладает над теплоотдачей, температура тела повышается. В тех случаях, когда образование тепла меньше теплоотдачи, наблюдается снижение температуры тела.

Теплообразование для человека - важнейший способ поддержания температуры тела. Непрерывность обменных процессов в организме сопровождается образованием тепла. Выделенную энергию принято выражать в единицах тепловой энергии - больших калориях (ккал) или килоджоулях.

Энергия, выделяемая человеком в сутки, слагается из трех величин: энергии основного обмена, энергии повышения обмена при приеме пищи и, наконец, энергии, образующейся в результате умственной и физической деятельности.

Энергия основного обмена расходуется на поддержание основных жизненных функций: дыхания, работы сердца, почек и т. д. Для взрослого человека величина основного обмена в среднем составляет примерно 24 ккал на 1 кг веса.

Теплопродукция увеличивается при приеме пищи - вследствие повышенной деятельности пищеварительных органов. При обычной смешанной диете с нормальным соотношением белков, жиров и углеводов обмен энергии после приема пищи повышается в среднем на 150 - 200 ккал, что составляет примерно 10 - 15% основного обмена.

Повышение теплопродукции происходит в основном при физической работе и в значительно меньшей степени - при умственной. Количество тепла, выделяющееся при этом, зависит от вида деятельности, интенсивности и продолжительности работы.

В различных органах тела образуется неодинаковое количество тепла. Главный регулятор теплопродукции - мышцы. При интенсивной физической нагрузке они поставляют до 90% тепла. В нормальных условиях на долю мышц приходится 65 - 70% теплопродукции. Второй по значимости источник теплопродукции - печень и пищеварительный тракт, они дают 20 - 30% тепла.

Производство тепла при физической работе предельной мощности достигает 4000 килоджоулей в час, что превышает теплопродукцию при работе умеренной мощности примерно в 10 раз. Резкое повышение температуры тела наблюдается в момент отказа от дальнейшего продолжения физической деятельности, выполняемой на пределе функциональных возможностей человека.

Кроме тепла, образующегося в самом организме, человек в жаркие дни получает тепло от окружающей среды. Так, при температуре внешней среды ниже 15° теплообразование значительно усиливается, а свыше 30° - уменьшается. Однако при значительном повышении температуры окружающей среды - более 37° - отмечается нарушение теплообмена и температура тела повышается вновь. При снижении температуры воздуха нередко возникает холодовая дрожь - непроизвольное сокращение скелетных мышц. Эта реакция организма носит защитный характер: она усиливает теплообразование в мышцах и тем самым поддерживает нормальную температуру тела.

Таким образом, количество тепла в организме слагается из тепла, образующегося за счет обменных процессов, и тепла, поступающего из внешней среды.

Наряду с образованием тепла в организме постоянно происходит его расход - теплоотдача. В противном случае человек погиб бы от перегревания. Расчеты показывают: если по каким-либо причинам у человека теплоотдача прекратится, то температура его тела каждый час будет повышаться на 2,5° и к концу суток поднимется выше 60°. А ведь это температура свертывания белковых частей тканей.

При интенсивной мышечной работе перегревание организма, казалось бы, должно наступить еще быстрее. При умеренной работе производство тепла, например, возрастает в 2 - 3 раза, а при напряженных физических упражнениях, когда в работу вовлекаются многие группы мышц (гребля, лыжи, бег, велосипед, борьба) - в 10 - 20 раз. За 10 мин подобной работы температура тела могла бы повыситься до 42°. Однако этого не происходит, поскольку наряду с усилением образования тепла увеличивается и его отдача.

Тепло из организма человека поступает в окружающую среду в основном через кожу, а также посредством дыхания. Отдача тепла происходит по физическим закономерностям следующими путями: излучением тепла нагретой поверхностью тела; проведением тепла путем нагревания более холодного воздуха и соприкасающихся с телом предметов; отдачей тепла путем испарения воды с поверхности кожи и легких.

Теплопроведение и теплоизлучение в покое составляют около 70 - 80% всей теплоотдачи. Теплоизлучение - это свойство нагретой до определенной температуры поверхности излучать тепло в виде лучистой энергии (инфракрасных лучей).

Теплопроведение представляет собой непосредственную отдачу тепла кожи прилегающим к ней предметам или частицам воздуха (воды). Проведение облегчается конвекцией, то есть сменой нагретых частиц воздуха (или воды) другими, более холодными. Конвекция усиливается при наличии ветра, увеличении скорости течения воды, при беге, плавании. Однако конвекция охлаждает тело лишь в тех случаях, когда внешняя температура ниже температуры тела человека. Так, горячий ветер пустыни не охлаждает, а, наоборот, нагревает тело. Наличие одежды также изменяет интенсивность конвекции. Костюм аквалангиста, например, предохраняет его от переохлаждения при длительном плавании в холодной воде.

Проведение зависит от теплопроводности среды. Теплопроводность воздуха мала, а воды велика, потому-то охлаждение в воде происходит значительно быстрее, чем на воздухе. По той же причине холодный влажный воздух охлаждает тело быстрее, чем сухой воздух той же температуры. Однако во влажном воздухе, имеющем высокую температуру, охлаждение тела затруднено вследствие слабого потоотделения с поверхности кожи.

При невысокой температуре окружающей среды и отсутствии мышечной работы потоотделения обычно не происходит. Между тем испарение с поверхности кожи все же имеет место, потому что небольшое количество жидкости постоянно проникает через кожу наружу.

У человека, находящегося в покое, заметное потоотделение начинается в том случае, когда температура кожи повышается до 37°. При испарении во время работы 1 л пота расходуется примерно 580 ккал тепла. Потоотделение значительно усиливается при напряженной и продолжительной мышечной работе. Количество испаряемого пота может достигать 3 - 5 л, а в условиях жаркого климата - и более.

Постоянно происходит испарение воды и через легкие. В сутки с поверхности легких испаряется (в состоянии покоя) 200 - 300 мл воды, а при работе умеренной мощности такое же количество воды может испариться за 1 ч.

Испарение воды с поверхности кожи и легких во многом зависит от относительной влажности воздуха. В воздухе, насыщенном водяными парами, испарение затрудняется или прекращается совсем. В сухом воздухе, напротив, потоотделение значительно интенсивнее.

Главным источником теплопотери является кожа. Благодаря движению крови и лимфы ей передается тепло от внутренних органов. Каждый литр крови, охлаждаясь в сосудах кожи на 3°, переносит от внутренних органов на поверхность количество тепла, равное примерно 2,5 ккал. При повышении температуры внешней среды кровеносные сосуды кожи расширяются, кровенаполнение и температура кожи повышаются, что влечет за собой увеличение теплопотерь с помощью испарения; в то же время уменьшается теплоотдача проведением и излучением. Когда температура воздуха становится равной температуре кожи (33°) или превышает ее, отдача тепла проведением и излучением полностью прекращается. В этих случаях испарение пота является единственным физиологическим механизмом, при помощи которого человек может избавиться от лишнего тепла.

Известны два способа терморегуляции: нервный и гуморальный. Существуют специальные терморецепторы, которые воспринимают холод или тепло. Они расположены в коже, кровеносных сосудах, отдельных органах. При колебании температуры в них возникает возбуждение, которое передается в центр теплообмена, находящийся в промежуточном мозге (в подбугровой области). Нервные импульсы, идущие от этого центра в основном по волокнам вегетативной нервной системы, влияют на изменение обмена веществ, а следовательно, и на теплообразование. Одновременно изменяется и тонус кожных сосудов. При понижении температуры окружающей среды происходит рефлекторное сужение сосудов, при повышении - расширение.

Важная роль в терморегуляции принадлежит высшим отделам центральной нервной системы - коре больших полушарий и ближайшим подкорковым центрам. Эмоциональное возбуждение, изменение в психическом состоянии оказывают существенное влияние на уровень теплопродукции и теплоотдачи. В результате некоторых отрицательных эмоций (страх, тревога, ярость) теплопродукция и теплоотдача резко повышаются. "Холодный пот", "мурашки на коже" - это типичные изменения терморегуляционных реакций при эмоциональном возбуждении. Отчетливые изменения температуры тела наблюдаются у спортсменов при стартовом возбуждении. Как правило, это повышение теплопродукции в результате условнорефлекторной мобилизации физиологических функций. При интенсивной мышечной работе температура тела может повышаться до 39 - 40°.

Еще в 1888 году И. П. Павлов высказал мысль о том, что человеческий организм состоит как бы из двух половин: собственно теплокровной (с колебаниями температуры не более 1 - 2°) и холоднокровной (допускающей колебания температуры в 10 и даже 20°). Мнение ученого было подтверждено экспериментальными исследованиями. Человеческий организм (по современным представлениям) как бы состоит из температурного ядра, имеющего постоянную температуру, и изолирующей температурной оболочки, изменяющей свою температуру в зависимости от условий внешней среды.

Термины "температурное ядро" и "температурная оболочка" имеют функциональный, не анатомический смысл, поскольку их размеры обусловлены тепловым режимом и их нельзя строго "привязать" к определенным участкам тела. Толщина температурной оболочки зависит от объема крови, циркулирующей в поверхностных слоях тела.

В последние годы представления о механизмах приспособления организма к резким колебаниям температуры расширились. До недавнего времени их объясняли преимущественно (или исключительно) процессами совершенствования терморегуляции. Согласно же исследованиям профессора К. М. Смирнова, в тех случаях когда холод или жара столь значительны, что нельзя рассчитывать на поддержание температуры тела в нормальных пределах, работоспособность и здоровье (несмотря на охлаждение и перегревание тела) сохраняются вследствие закаленности организма.