Особенности терморегуляции организма. Акклиматизация
Обновлено: 04.05.2024
Температура тела, превышающая 43°С, является для человека смертельной. Изменения свойств белков и необратимые повреждения клеток начинаются уже при 41°С, а воздействие температуры выше 50 °С в течение нескольких минут приводит к гибели всех клеток. Как же люди выживают после саун, где температура зашкаливает за 100°С, или в жарком климате, когда палящие лучи солнца доводят температуру окружающей среды до 60°С?
Что такое температура тела?
У обнаженного человека в холодной комнате температура кожи может понизиться до 20°С. И наоборот, после интенсивной физической нагрузки температура в натруженных мышцах возрастет до 41°С, хотя внутренняя — повысится всего на 1–2 градуса. Снижение температуры тела называют гипотермией, а повышение — гипертермией. При температуре выше 42°С наступает смерть от теплового удара.
Тепловой удар
Тепловой удар случается, когда внутренняя температура переходит границу 41°С и нарушается система терморегуляции организма. Первые тревожные признаки — пылающее лицо, горячая сухая кожа, головная боль, головокружение, упадок сил и повышенная раздражительность. Далее наступают спутанность сознания и нарушение координации. Если температура продолжаетЛучший способ обеспечить охлаждение пострадавшего — обмыть его теплой водой. Испарительное охлаждение снизит поверхностную температуру эффективнее, чем погружение в холодную ванну, которая вызовет общее сокращение сосудов и отток крови от поверхности кожи, препятствуя теплоотдаче. В самых крайних случаях можно прикладывать лед в места неглубокого расположения крупных кровеносных сосудов — на шее, под мышками и в паху.
Центральный термостат
Наш мозг особенно чувствителен к жаре, и когда внутренняя температура превышает допустимый предел, он погибает первым. Главный регулятор температуры находится в гипоталамусе. В норме термостат гипоталамуса человека установлен на 37°С, однако при лихорадке он может переключиться на 2–3 градуса выше и температура с той же чувствительностью будет регулироваться по новой отметке. Сигналы от тепловых и холодовых датчиков кожи вызывают местную реакцию. Первая группа рецепторов реагирует на жару, вызывая болевые реакции, вторая — на температуру от 13 до 35 °С, а наибольшая чувствительность этих рецепторов наблюдается при 28 °С.
Рецепторы посылают сигналы в мозг, где на основе информации, сопоставленной с данными центральных терморецепторов в гипоталамусе, регулируется общая теплопродукция и теплопотеря организма. Поверхность кожи охлаждается до температуры значительно ниже окружающего воздуха за счет потоотделения, которым управляет гормон адреналин, выбрасывающийся в кровь при повышении температуры тела. В организме человека существует около 3 млн потовых желез, половина из которых расположена на груди и на спине, а также значительное количество на лбу и ладонях.
Главный терморегуляционный орган
Основную роль в терморегуляции играет кожа. Тепло, вырабатываемое мышцами и внутренними органами, переносится с помощью крови к кожным покровам. Здесь отдача тепла в окружающую среду регулируется путем варьирования объема крови, протекающего через сеть тонких кровеносных сосудов, подходящих близко к наружному слою. При повышении температуры тела эти сосуды расширяются и кровь поступает ближе к поверхности, увеличивая теплоотдачу.
Теплоотдача через кожу осуществляется в ходе четырех процессов — излучения, теплопроводности, конвекции и потоотделения. В покое при неподвижном воздухе 60% теплоотдачи приходится на излучение, а на конвекцию и теплопроводность остается лишь по 20% (больше, чем при ветре). Пока температура кожи не поднимается выше внутренней, излучения, конвекции и теплопроводности для охлаждения достаточно. Они позволяют поддерживать стабильную внутреннюю температуру при температуре неподвижного воздуха ниже 32°С.
Потери жидкости и соли
Когда температура воздуха превышает температуру тела, единственным способом отдать тепло остается потоотделение. На испарение 1 мл воды с поверхности кожи необходимо около 2400 кал. Бóльшая часть этого тепла выделяется самим телом, поэтому потоотделение охлаждает кожу. Соответственно охлаждается кровь, протекающая через кожные покровы, и, перемещаясь в процессе кровообращения к более теплым внутренним органам, помогает снизить температуру тела.
Потоотделение может увеличить отдачу тепла почти в 20 раз, но при этом происходит значительная потеря жидкости (около 3 л/ч). Разумеется, такое интенсивное потоотделение не может длиться долго, поэтому человек, работающий на жаре, теряет за день около 10–12 л воды. А вместе с потом из организма уходит и соль. В жарком климате ее потери могут составить до 12 г в день, т.е. 3 чайные ложки соли. Нехватка соли в сочетании с большой физической нагрузкой приводит к болезненным мышечным спазмам рук и ног. При низкой физической активности недостаток соли ощущается в виде вялости, сонливости, головной боли и тошноты. В таких условиях единственный выход — потреблять больше соли.
Жители пустыни для пополнения запасов соли в организме едят соленый верблюжий сыр, высушенный в виде круглых «конфет– драже». В менее экстремальных условиях может помочь и минеральная вода, содержащая достаточное количество солей. При обильном потоотделении, связанном с тепловой или физической нагрузкой, иногда назначают препараты электролитов с углеводами , которые сохраняют и восстанавливает водно-щелочной баланс. Кроме того, эти средства пригодятся при распространенных желудочно-кишечных отравлениях. Рвота и диарея чревата потерей электролитов, а инфекционные заболевания могут нарушить рH крови, поэтому такой препарат всегда должен быть под рукой в летнее время
Сухая и влажная жара
В сухом воздухе пустыни пот может испаряться настолько быстро, что кожа кажется сухой. Даже если вы не ощущаете жары, испарительное охлаждение все равно будет происходить со скоростью 0,8 л воды в день. Люди могут вполне комфортно переносить высокие температуры при условии достаточной сухости воздуха. Если влажность окажется выше 75%, пот будет струиться по коже не испаряясь. В таких условиях испарение приводит только к обезвоживанию и охлаждающий эффект теряется. Именно поэтому нам так тяжело переносить «влажную» жару.
Впервые попадая в тропики, человек обычно очень слабеет. Однако где-то через неделю происходит акклиматизация за счет значительного увеличения объема потоотделения с одновременным обессоливанием выделяемого пота.
Пределы термостойкости
Несмотря на то, что при нагревании выше 50°С на протяжении нескольких минут клетки млекопитающих гибнут, непродолжительное время человек способен выдерживать и более высокую температуру. Большинству людей сложно переносить температуру 50°С при повышенной влажности, однако в сухой 90-градусной жаре человеку некоторое время вполне комфортно. Спасает все то же потоотделение.
Сухой воздух температурой до 127°С можно выдержать до 20 мин, а для некоторых даже это не предел. Температура в бане всегда ниже, чем в сауне, хотя обе воспринимаются одинаково горячими. Однако подобная выносливость не бесконечна. Клетки мозга крайне чувствительны к жару, их предел — 42°С, поэтому повышение температуры тела всего на несколько градусов оказывает огромное влияние на работу мозга.
Следует обратить внимание, что потоотделение никак не влияет на теплоотдачу, если тело погружено в воду. Слишком долгое пребывание в глубокой ванне, где вода значительно горячее тела, может быть смертельно опасно.
Охлаждение ветром
На открытом воздухе встречный ветер, создаваемый стремительным движением вперед, быстро сгоняет слой воздуха, соприкасающийся с кожей, значительно усиливая испарительное охлаждение. Когда велосипедист или бегун резко перестает бежать или крутить педали, внезапный спад испарительного охлаждения может вызвать тепловой удар.
Резкое исчезновение воздушного потока, омывающего тело, настолько уменьшает отдачу тепла, что температура тела сразу же повышается. Поэтому нельзя сразу останавливаться, а желательно постепенно замедлять движение. Во время тренировки в спортивном зале на тренажерах подобной конвекции не происходит, поэтому теплоотдача значительно уменьшается и спортсмен быстро устает.
Правила выживания в жарком климате
Все живые существа стараются уменьшить воздействие жары, снижая активность и укрываясь в тени. Уменьшается потребление пищи, поскольку при метаболизме вырабатывается тепло и повышается тяга к продуктам, содержащим много жидкости — мороженое, фрукты, огурцы и всевозможные напитки — вот самая популярная диета в жару. Основным условием для выживания в жарком климате является вода.
Мышечная активность тоже приводит к выработке тепла, поэтому люди стараются поменьше двигаться. Примечательно, что при большой физической нагрузке слабость от нехватки влаги не обязательно сопровождается неутолимой жаждой. Поэтому при активной деятельности на жаре необходимо пить воду, даже не чувствуя жажды. Если запас воды ограничен, лучше уменьшить нагрузку и посидеть в тени.
К жаркому климату человек приспосабливает манеру одеваться и конструкцию жилища. В пустыне аборигены закутываются с головы до ног в несколько слоев свободно драпирующейся одежды. Такая одежда отлично защищает от палящих лучей, создавая изоляционный слой и овевая вспотевшую кожу прохладой.
Татьяна Кривомаз, канд. биол. наук
По материалам книги профессора физиологии Оксфордского университета Френсис Эшкрофт «На грани возможного: наука выживания»
Особенности терморегуляции организма. Акклиматизация
Когда температура поверхности тела достигает величин, равных температуре окружающей среды, ведущее значение в механизмах теплоотдачи приобретает уже не повышение кровотока в поверхностных тканях, а потоотделение и испарение пота и влаги с поверхности тела. Более существенную роль начинают играть учащение дыхания и испарение влаги с поверхности дыхательных путей. Включение в реакции теплообмена потоотделения является примером использования общих эффекторов для системы терморегуляции и систем регуляции водно-солевого баланса и осмотического давления.
Если при подъеме температуры тела в силу потери жидкости за счет усиленного потоотделения уменьшается объем циркулирующей крови и повышается ее осмотическое давление, организм стремится сохранить водный гомеостаз, даже если это идет в ущерб терморегуляторным реакциям. С развитием гипогидратации и повышением осмотического давления в организме отдача тепла за счет потоотделения уменьшается и температура тела устанавливается на еще более высоком уровне. Развивается чувство жажды, уменьшается диурез. В конкуренции за общие эффектор-ные механизмы начинают преобладать системы осмо- и волюморегуля-ции, как более древние и в экстремальных условиях более важные для сохранения гомеостаза. Сопряжение осмо- и терморегуляции достигается в нервных центрах медиальной преоптической области гипоталамуса, где тепло- и холодочувствительные нейроны наделены одновременно высокой осмочувствительностью. Подтверждением сопряженного протекания в организме процессов термо- и осморегуляции являются изменения водного обмена противоположной направленности — при охлаждении организма. При действии на организм низкой температуры имеют место уменьшение потребления воды, усиление диуреза и повышение осмолярности плазмы крови.
Если дегидратация при действии на организм высокой внешней температуры приводит к торможению терморегуляторных реакций, то при действии на него низкой температуры дегидратация ведет к торможению теплочувствительных нейронов гипоталамуса и в результате — к снижению теплоотдачи.
Дыхание и терморегуляция
При действии на организм высокой внешней температуры активация потоотделения и дыхания ведет к усиленному выделению из организма С02, некоторых минеральных ионов. Как при гипер-, так и при гипотермии могут наблюдаться сдвиги кислотно-основного состояния. За счет полипноэ и интенсификации потоотделения развивается дыхательный алкалоз, сопровождающиейся увеличением рН и снижением рС02 в крови. При нарастании гипертермии в связи с ухудшением доставки к тканям кислорода в них развивается метаболический ацидоз. Смена щелочной реакции крови на кислую при выраженной гипертермии вновь начинает играть положительную регуляторную роль, как для усиления теплоотдачи, так и для предупреждения дальнейшего закисления крови и улучшения оксигенации тканей. Это достигается стимуляцией дыхательного центра посредством избытка Н2+, увеличения минутного объема дыхания, усиления испарения влаги с поверхности дыхательных путей, что ведет к снижению рС02 и увеличению р02. Обратные взаимоотношения между процессами регуляции теплообмена и дыхания прослеживаются при гипотермии. Развивающаяся при этом гиповентиляция является общим эффекторным механизмом, обеспечивающим снижение теплопотерь, поддержание на более низком уровне рН крови соответственно сниженной температуре тела.
Центральное звено системы терморегуляции. Центр терморегуляции. Установочная точка терморегуляции.
В терморегуляторном центре гипоталамуса обнаружены различные по функциям группы нервных клеток:
1) термочувствительные нейроны преоптической области;
2) клетки, «задающие" уровень поддерживаемой в организме температуры тела («установочная точка» терморегуляции) в переднем гипоталамусе;
3) вставочные нейроны (интернейроны) гипоталамуса;
4) эффекторные нейроны, управляющие процессами теплопродукции и теплоотдачи, в заднем гипоталамусе (рис. 13.5).
Рис. 13.5. Схема взаимодействия различных типов нейронов терморегуляторного центра гипоталамуса между собой и с кожными терморецепторами. Стимуляция тепловых рецепторов кожи (Рт) и гипоталамуса активирует процессы теплоотдачи в организме человека, а холодовых рецепторов (Рх) кожи и гипоталамуса — теплопродукции. Ин — интернейроны гипоталамуса.
Термочувствительные нервные клетки преоптической области гипоталамуса непосредственно «измеряют» температуру артериальной крови, протекающей через мозг, и обладают высокой чувствительностью к температурным изменениям (способны различать разницу температуры крови в 0,011 °С). Отношение холодо- и теплочувствительных нейронов в гипоталамусе составляет 1:6, поэтому центральные терморецепторы преимущественно активируются при повышении температуры «ядра» тела человека. На основе анализа и интеграции информации о значении температуры крови и периферических тканей, в преоптической области гипоталамуса непрерывно определяется среднее (интегральное) значение температуры тела. Эти данные передаются через вставочные нейроны в группу нейронов переднего отдела гипоталамуса, задающих в организме определенный уровень температуры тела — «установочную точку» терморегуляции. На основе анализа и сравнений значений средней температуры тела и заданной величины температуры, подлежащей регулированию, механизмы «установочной точки» через эффекторные нейроны заднего гипоталамуса воздействуют на процессы теплоотдачи или теплопродукции, чтобы привести в соответствие фактическую и заданную температуру. Таким образом, за счет функции центра терморегуляции устанавливается равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей, позволяющее поддерживать температуру тела в оптимальных для жизнедеятельности организма пределах (рис. 13.6).
Рис. 13.6. Схема механизмов регуляции теплообмена в организме человека. Поддержание относительного постоянства температуры тела достигается с помощью баланса между количеством продуцируемого в единицу времени тепла в организме человека и количеством тепла, которое организм отдает за то же время в окружающую среду. Тепловой баланс регулируется нейрогуморальными механизмами, которые активируются в результате изменения импульсной активности эффекторных нейронов терморегуляторного центра гипоталамуса. В гипоталамический терморегуляторный центр поступает афферентная информация об изменениях внешней температуры от периферических терморецепторов и об изменения температуры «ядра» — от центральных терморецепторов (пояснения в тексте).
В механизме формирования «установочной точки» имеет значение уровень спонтанной активности вставочных нейронов гипоталамуса. Например, если уровень спонтанной активности интернейрона является высоким, то для усиления термогенеза требуется более высокая активность кожных Холодовых рецепторов, а значение пороговой температуры для регулируемой теплопродукции является более низким. И наоборот, если вставочный нейрон проявляет низкую спонтанную активность, то даже незначительная афферентация от кожных Холодовых рецепторов может оказаться достаточной для запуска дополнительного теплообразования в организме. Уровень спонтанной активности вставочных нейронов зависит от соотношения концентрации ионов натрия и кальция в гипоталамусе и некоторых других нетемпературных факторов.
Окислительные процессы, непрерывно происходящие в организме человека, сопровождаются образованием тепла. На долю мышц приходится около 2/3 всей тепловой продукции организма. Непрерывно происходит и отдача тепла организмом, благодаря чему поддерживается постоянное соотношение между приходом и расходом тепла, и температура тела сохраняется на постоянном уровне (в среднем в пределах 36,5).
Совокупность всех физиологических механизмов, обеспечивающих полное соответствие процессов теплообмена между организмом и внешней средой для сохранения постоянной рабочей температуры организма, называется терморегуляцией. Исследования, проводимые в лабораториях акад. К. М. Быкова в области изучения кортикальных механизмов регуляции физиологических функций, показывают, что механизмы регуляции тепла представляют сложнорефлекторпые ответы организма, включающие как врожденные, так и выработанные в процессе индивидуальной жизни рефлекторные акты.
Терморегуляция определяется функциями подкорковых центров и коры больших полушарий головного мозга. Изменения теплоотдачи и теплообразования могут происходить под влиянием привычных условных рефлекторных раздражителей при неизменной температуре среды. Значение периферических рефлекторных путей в процессах терморегуляции видно из того, что при погружении в горячую ванну с добавлением анестезирующих веществ гипертермии не наблюдается.
В известных пределах может наблюдаться привыкание к определенным метеорологическим условиям. Эта адаптация проявляется субъективной оценкой «комфортабельной» среды и уровнем физиологических реакций. Повторная адаптация приводит к стойкой акклиматизации по отношению к высоким и низким температурам.
Акклиматизация, т. е. приспособление организма человека к тем или иным климатическим условиям, представляет большую гигиеническую проблему. В нее входит также разработка санитарно-гигиенических мероприятий, изменяющих влияние внешней среды, облегчающих процесс приспособления человека и повышающих его устойчивость к данным климатическим условиям.
Согласно учению И. П. Павлова о роли коры больших полушарий головного мозга во взаимодействии организма с внешней средой, кора головного мозга не только определяет ответные реакции организма на действие факторов внешней среды, но и обеспечивает закрепление выработанных тонких дифференцированных реакций организма.
Через посредство коры головного мозга возникают функциональные сдвиги, обеспечивающие повышение устойчивости организма к определенным факторам внешней среды. Так, характерным признаком приспособления к высокой температуре является более раннее наступление потения в результате образования условнорефлекторных связей. Увеличение эффективности потоотделения следует рассматривать как весьма важное приспособительное явление, повышающее устойчивость организма к тепловым воздействиям.
Наряду с указанными изменениями в потоотделении, наступающими в ранней стадии акклиматизации, в более поздний период наблюдается уменьшение содержания хлоридов в поту. Это уменьшение следует рассматривать как явление, способствующее сохранению солевого баланса и постоянства содержания хлоридов в крови при больших потерях пота.
Возможно также и приспособление организма к холоду. При температуре помещения в пределах 15—20° человек в состоянии покоя или при выполнении легкой работы теряет в сутки около 2400—2700 ккал. Это тепло отдается различными путями: около 30%— конвекцией, 45%—излучением и около 25%—испарением. Тепло, расходуемое на нагрев пищи, питья и вдыхаемого воздуха, включено в общую потерю тепла конвекцией.
Наблюдаемое нередко в условиях производства значительное повышение температуры воздуха, особенно в сочетании с излучением тепла от нагретых предметов, а также тяжелая физическая работа, сопровождающаяся повышением теплообразования, могут привести к нарушению терморегуляции организма.
Научная электронная библиотека
Длительное нахождение человека в условиях пониженных температур (0 ÷ -70 0 С) [24] без соответствующей защитной одежды представляет опасность переохлаждения, которое способно вызвать отрицательные последствия для его здоровья [25, 26], отражается на его трудоспособности.
В целом организм человека - это саморегулирующая система, но ее возможности в сохранении температурного гомеостаза весьма ограничены биологическими особенностями строения тела и физиологического функционирования внутренних систем жизнеобеспечения человека. К условиям низких температур человек приспособился в основном за счет социальных факторов: жилья и одежды [27].
В среде с низкой, некомфортной температурой незначительное снижение теплопотерь тела человека происходит за счет уменьшения градиента температуры между поверхностью тела и среды в результате охлаждения рецепторов кожи, спазмирования под влиянием этого кровеносных сосудов и увеличения термического сопротивления тканей организма. С течением времени постепенно происходит адаптация организма человека к пониженным температурам [28].
Исследования [25, 29 - 31] показали, что у лиц, систематически находящихся на холоде, вырабатывается способность к акклиматизации, выражающаяся в большей подвижность стенок сосудов, позволяющая быстро восстанавливать нормальное кровоснабжение тканей. Однако при выполнении интенсивной физической нагрузки способность к акклиматизации не играет большой роли, т.к. в этом случае температура тела становится выше, дефицит тепла больше, а температура кожи, по отношению к состоянию покоя ниже [28, 32, 33]. Величина теплопродукции при этом может увеличиваться в шесть раз [25, 34].
В физиологических исследованиях [28, 34 - 36] установлено, что термостабильное состояние человека сохраняется при равновесии между теплообразованием и теплоотдачей. Теплопродукция организма человека зависит от физиологических факторов организма, физиологической активности и степени акклиматизации к холоду. Среднее значение теплопродукции человека в состоянии покоя равна 40-50 ккал/(м 2 ∙час) [37].
На интенсивность тепловых потерь влияют процессы физиологической регуляции организма человека и факторы климата окружающей среды. Человек отдает в окружающую среду тепло, которое продуцирует сам и теряет в виде радиации пятью основными способами [28, 38]: кондукцией, конвекцией, радиационным излучением, дыханием, испарением пота. Вклад потерь тепла кондукцией при использовании теплозащитной одежды обычно незначителен и им пренебрегают. Конвективные потери зависят от температуры окружающей среды, скорости движения воздуха, конструкции теплозащитной одежды. Почти половина потерь тепла (43,9-59,1 %) [38, 28] происходит радиационным излучением. Потери тепла на нагревание воздуха обычно составляют 2-3 %, а при температуре -40 0 С достигают 10% [39]. Потоотделение усиливается под воздействием теплового раздражения, эмоциональных стимулов, напряжения, волнения [40]. В результате, как отмечают исследователи [25, 28], основной вклад в интенсивность тепловых потерь вносят именно конвекция и радиационное излучение.
Низкие температуры окружающей среды оказывают влияние и на функционирование внутренних органов. При значительном охлаждении растет число тромбоцитов и эритроцитов в крови, увеличивается содержание холестерина, вязкость крови, что нарушает работу кровеносной системы и повышает возможность тромбообразования. Холод способствует возникновению различных сердечно-сосудистых патологий, приводит к вегетососудистой дистонии, обострению язвенной болезни, радикулита и ревматизма, обуславливает возникновение заболеваний органов дыхания: бронхита, пневмонии, тонзиллита [28, 41].
Если на начальных этапах адаптации к пониженным температурам преобладают острые воспалительные заболевания и обостряются уже имеющиеся патологические процессы, то через 3 - 5 лет в структуре заболеваемости начинают преобладать ишемическая болезнь сердца, артериальная гипертония, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, а также различные нарушения со стороны эндокринной системы. Все эти заболевания являются следствием хронического стресса и связаны с глубокими перестройками метаболизма систем эндокринной регуляции, состоянием иммунологической реактивности [26, 42].
Внешнее проявление локального и общего охлаждения человека наблюдается как изменение его двигательной активности и реакции, нарушение общей координации и способности выполнять точные операции. Более глубокое воздействие холода на организм инициирует тормозные процессы в коре головного мозга, что может стать причиной возникновения различных форм травматизма. В результате, кроме потери здоровья человека, возрастают потери рабочего времени, связанные с временной утратой работоспособности.
При охлаждении человека для сохранения его работоспособности необходимо знать пределы переносимости холода организмом. На основании исследований теплообмена человека с окружающей средой [41] разработаны показатели допустимого теплового состояния человека (таблица 1.4).
Из таблицы видно, что увеличение физической активности способствует лучшей переносимости охлаждающего воздействия, несмотря на снижение средневзвешенной температуры кожи.
Таким образом, тепловое состояние человека определяется климатическими факторами, индивидуальными особенностями человека и теплозащитной одеждой. Диапазон возможной физиологической терморегуляции человека крайне ограничен, и защита его возможна лишь средствами специальной одежды. Обеспечение необходимого микроклимата в пододёжном слое и безопасного теплового состояния человека реализуется благодаря проектированию и созданию качественной и безопасной теплозащитной одежды.
Таблица 1.4 - Критерии допустимого теплового состояния человека (нижняя граница)
Читайте также: