Физиологические основы. Теплообмен и теплорегуляция человека. Терморегуляция организма человека позволяет сохранять температуру тела постоянной

Между человеком и окружающей его средой постоянно происходит теплообмен. Факторы окружающей среды воздействуют на организм комплексно, и в зависимости от их конкретных значений вегетативные центры (полосатое тело, серый бугор промежуточного мозга) и ретикулярная формация, взаимодействуя с корой головного мозга и посылая по симпатическим волокнам импульсы к мышцам, обеспечивают оптимальное соотношение процессов теплообразования и теплоотдачи.

Терморегуляцией организма называется совокупность физиологических и химических процессов, направленных на поддержание температуры тела в определенных пределах (36,1...37,2 °С). Перегрев тела или его переохлаждение приводит к опасным нарушениям жизненных функций, а в некоторых случаях — к заболеваниям. Терморегуляция обеспечивается изменением двух составляющих теплообмен процессов — теплопродукции и теплоотдачи. На тепловой баланс организма существенно влияет теплоотдача, как наиболее управляемая и изменчивая.

Теплота вырабатывается всем организмом, но более всего поперечнополосатыми мышцами и печенью. Теплообразование организма человека, одетого в домашнюю одежду и находящегося в состоянии относительного покоя при температуре воздуха 15...25°С, сохраняется приблизительно на одном и том же уровне. С понижением температуры оно увеличивается, а при ее повышении с 25 до 35 °С несколько уменьшается. При температуре более 40 °С выработка теплоты начинает увеличиваться. Эти данные свидетельствуют о том, что регуляция производства теплоты в организме главным образом происходит при пониженных температурах окружающей среды.

Теплопродукция возрастает при выполнении физической работы, причем тем больше, чем тяжелее работа. Количество вырабатываемой теплоты зависит также от возраста и состояния здоровья человека. Усредненные значения теплопродукции взрослого человека в зависимости от температуры окружающего воздуха и тяжести выполняемой работы приведены в таблице 14.3.

14.3. Теплопродукция человека в зависимости от температуры воздуха и тяжести выполняемой работы

Температура воздуха, "С	Теплопродукция, Дж/с	Температура воздуха, °С	Теплопродукция, Дж/с
Состояние покоя		Работа средней тяжести





Легкая работа		Тяжелая и очень тяжелая работа

Различают три вида теплоотдачи организма человека:

излучение (в виде инфракрасных лучей, испускаемых поверхностью тела в направлении предметов с меньшей температурой);

конвекция (нагревание омывающего поверхность тела воздуха);

испарение влаги с поверхности кожи, слизистых оболочек верхних дыхательных путей и легких.

Процентное соотношение между этими видами теплоотдачи человека, находящегося в нормальных условиях в состоянии покоя, выражается следующими цифрами: 45/30/25. Однако указанное соотношение может изменяться в зависимости от конкретных значений параметров микроклимата и тяжести выполняемой работы.

Теплоотдача излучением происходит только в том случае, когда температура окружающих предметов ниже температуры открытых участков кожи (32. ..34, 5 °С) или наружных слоев одежды (27. ..28 °С для легко одетого человека и приблизительно 24 °С для человека в зимней одежде). Основная часть излучения относится к инфракрасному диапазону с длиной волны (4. ..50) * 10-6м. При этом теряемое организмом в единицу времени количество теплоты, Дж/с (1 Дж/с = 1 Вт),

Pp = Sδ(Tч4 - То4),

где S— площадь поверхности тела человека, определяемая по графику (рис. 14.1), м2. Если масса и рост человека неизвестны, то принимают S= 1,5м2; δ — приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2*К4): для хлопчатобумажной ткани 5 = 4,2*10-8, для шерсти и шелка δ = 4,3*10 , для кожных покровов человека δ = 5,1*10-8; Тч — температура поверхности тела человека: для раздетого человека 306 К (это соответствует 33 °С); Тo — температура окружающей среды, К.

Рис. 14.1. График для определения площади поверхности тела человека в зависимости от его массы и роста

Теплоотдача конвекцией также происходит в случае, если температура поверхности кожи или верхних слоев одежды выше температуры омывающего их воздуха. При отсутствии ветра прилегающий к поверхности кожи раздетого человека слой воздуха толщиной 4...8 мм нагревается за счет его теплопроводности. Более отдаленные слои нагреваются вследствие естественного движения воздуха или принудительного побуждения. С увеличением скорости движения воздуха толщина окружающего человека пограничного слоя уменьшается до 1 мм, а теплоотдача поверхности тела возрастает в несколько раз. Потери теплоты конвекцией через дыхательные пути меньше, чем от кожного покрова, и происходят в тех случаях, когда температура вдыхаемого воздуха ниже температуры тела. Теплоотдача конвекцией повышается с ростом барометрического давления.

Приближенно потери теплоты в единицу времени конвекцией, Дж/с, можно определить по формуле

Pк1 = 7(0,5 + √v)S(Tч - То)

Рк2 = 8,4(0,273 + √v)S(Tч - То)

где v — скорость движения воздуха, м/с.

Первую формулу используют при скорости движения воздуха v ≤ 0,6 м/с, вторую — при v > 0,6 м/с.

Испарение — это теплоотдача при повышенной температуре воздуха, когда указанные ранее способы теплоотдачи затруднены или невозможны. В обычных условиях на большей части поверхности тела человека происходит неощутимое потоотделение, возникающее в результате диффузии воды без активного участия потовых желез. Исключение составляют поверхности ладоней, подошв и подмышечных впадин (составляющие примерно 10 % поверхности тела), на которых пот выделяется непрерывно.

В результате испарения организм в сутки теряет в среднем около 0,6 л воды. Так как на испарение 1 г воды затрачивается приблизительно 2,5 кДж теплоты, то потери ее за сутки составят приблизительно 1500кДж. С увеличением температуры воздуха и степени тяжести работы за счет более активного проникновения жидкости через стенки оплетающих потовые железы артериальных сосудов и нервной регуляции потоотделение усиливается, достигая за смену 5 л, а в некоторых случаях 10... 12 л. Отдача теплоты также возрастает.

При слишком интенсивном выделении пот не всегда успевает испариться и может выделяться в виде капель. В этом случае влажный слой на коже препятствует теплоотдаче, приводя в дальнейшем к перегреванию организма. Кроме влаги с потом человек теряет большое количество солей (в 1 л пота содержится 2,5...2,6 г хлорида натрия) и водорастворимых витаминов (С, BI, 62), что приводит к сгущению крови и ухудшению работы сердца. Следует отметить, что при потере количества воды, равного 1 % общей массы тела, у человека возникает чувство сильной жажды; утрата 5 % воды приводит к потере сознания, 10% — к смерти.

Количество выделяемого пота зависит и от индивидуальных особенностей организма, а также от степени его приспособляемости к данным климатическим условиям. На интенсивность испарения влаги влияют температура и скорость движения воздуха.

Через дыхательные пути испаряется около 300...350 г влаги в сутки, что приводит к потере 750...875 кДж теплоты.

Общие потери теплоты испарением в единицу времени, Дж/с, можно приближенно определить по формуле

Ри = 0,6547q(1 + kл), где q — интенсивность выделения пота, г/ч, определяемая взвешиванием человека; kл — коэффициент пересчета теплоотдачи через легкие, зависящий от температуры окружающего воздуха: при О "С kл = 0,43, при 18 °С — 0,3, при 28 °С — 0,23, при 35 °С - 0,035 и при 45°С kл = 0,015.

Действительно, нарушение теплового равновесия возникает вследствие повреждения внутренних органов, задействованных в регуляции тепла.

В норме температура человека должна сохраняться в пределах 36,2-37 градусов. Терморегуляция организма человека – это возможность тела контролировать теплообмен, чтобы температура не превышала допустимого показателя. Тепловое равновесие достигается такими способами: путем изменения объема кровообращения и количества выделяемого пота, за счет биохимических процессов. При этом за нормализацию баланса отвечают все виды теплообмена сразу, отличается лишь степень их вовлеченности.

Механизм регулирования обмена

Теплообмен химическим способом осуществляется благодаря вырабатыванию энергии. В этот процесс вовлечены все органы особенно, когда через них проходит кровь. Максимальное количество энергии производится в полосатых поперечных мышцах и печени. Контроль баланса температуры тела за счет выброса тепловой энергии – это физическая регуляция тепла. Она осуществляется при помощи прямого обмена тепла с холодными предметами, воздухом, инфракрасным излучением. Сюда также можно включить дыхание и испарение пота с кожного покрова.

Как сохраняется тепловое равновесие

Внутренняя температура контролируется специальными чувствительными рецепторами. Большая часть их размещена в кожном покрове, слизистой рта, верхних дыхательных путях. Если условия внешней среды не соответствуют норме, рецепторы подают сигнал в головной мозг и появляется чувство перегрева или переохлаждения. Процессы выработки или отдачи тепла запускаются центром терморегуляции.
Стоит отметить, что механизмы образования энергии происходят также за счет определенных гормонов. Например, тироксин повышает производство тепла за счет ускорения обменных процессов. Адреналин имеет такое же действие, но оно осуществляется благодаря ускорению процессов окисления. К тому же адреналин сужает кровеносные сосуды в коже, что также способствует сохранению тепла.

Биохимический способ

Биохимическим путем тепловое равновесие достигается за счет увеличения процессов окисления, которые происходят в человеческом организме. Внешне такое явление проявляется дрожью в мышцах, которая появляется, если организм переохлажден. Как результат организму подается большее количество тепла для достижения равновесия. Если при понижении температуры внешней среды выработка тепла не осуществляется, то это указывает на нарушение баланса.

Усиление кровообращения

Нарушение равновесия тепла регулируется также изменением интенсивности объема подаваемой крови, которая переносит энергию от органов к поверхности тела. Кровообращение усиливается благодаря расширяющимся/сужающимся сосудам. Если температуру нужно уменьшить, происходит расширение. Для увеличения тепла – сужение. Объем подаваемой крови может меняться в тридцать раз, внутри пальцев – до шестисот раз.

Интенсивность выделения пота

Физическая регуляция теплообмена может происходить и за счет усиления выделения пота. В этом случае равновесие тепла достигается благодаря испарению. Механизмы испарительного охлаждения тела крайне важны для организма. К примеру, если температура окружающей среды находиться на показателе 36 градусов, теплообмен от человека во внешнюю атмосферу производиться преимущественно за счет выделения пота и его испарения.

Допустимый диапазон параметров внешней среды

При различных пределах параметров окружающей среды механизмы терморегуляции справляются с поддержанием теплового равновесия. При условиях воздушной среды, когда физическая терморегуляция определяет оптимальный уровень интенсивности обмена веществ у человека, не возникает напряженность и прочие негативные ощущения. Такие условия считаются оптимальными или комфортными.

Зона, в которой внешняя среда практически полностью забирает тепло, выделяемое организмом, но при этом механизмы регуляции держат температуру тела под контролем, считается допустимо комфортной.

Условия, при которых происходит нарушение теплового равновесия организма, считаются дискомфортными. Если механизмы терморегуляции работают в незначительном напряжении, то условия определяются, как допустимо дискомфортные. Такая среда характеризуется метеорологическими параметрами, не превышающими допустимой нормы.

Если параметры превышают установленные значения, то системы регуляции тепла работают в усиленном (напряженном) режиме. Такие условия вызывают ощутимый дискомфорт, происходит нарушение теплового баланса. Возникает переохлаждение тела или его перегрев, зависимо от того, в какую сторону нарушено тепловое равновесие, в плюс или минус.

Причины нарушения теплового баланса

Небольшие изменения выработки тепловой энергии и ее передачи в атмосферу возникают при физическом напряжении. Это не нарушение, так как в спокойном состоянии, в процессе отдыха, все процессы терморегуляции быстро приходят в норму.

Нарушение в тепловом обмене, как правило, появляется как следствие системных заболеваний, сопровождающихся воспалительными процессами в организме. Тем не менее ситуации, какие стали причиной сильного повышения температуры тела при воспалениях, неправильно считать патологическими.

Лихорадка и жар появляются, чтобы остановить рост клеток, пораженных бактериями, вирусами. По сути, данные структуры являются естественной защитной реакцией иммунитета, и лечение здесь не требуется.

Действительно, нарушение теплового равновесия возникает вследствие повреждения внутренних органов, задействованных в регуляции тепла – гипоталамуса, мозга (спинного и головного), гипофиза.

Физическая и биохимическая регуляция теплообмена нарушается, если имеется механические повреждения тела, образование опухолей, кровоизлияния. Дополнительно увеличивают нарушение болезни сердечно-сосудистой и эндокринной системы, сбои гормонального уровня, физический перегрев/переохлаждение.

Лечение патологии

Для восстановления корректного протекания механизмов теплорегуляции требуется соответствующее лечение, которое назначается после выяснения причин возникшего нарушения в выработке и отдаче тепловой энергии. Врач, прежде чем определить какое требуется лечение, выдаст направление к неврологу, порекомендует сдать лабораторные анализы и пройти назначенные медицинские исследования. Только такой подход позволит спланировать правильное лечение, которое поможет восстановить системы естественной терморегуляции.

Температура тела человека сохраняется на определенном уровне, не зависящем от температуры окружающей среды. Сохранение постоянной температуры обеспечивается регуляцией теплообразования и теплоотдачи. Образование теплоты в организме происходит непрерывно во всех органах в результате окисления питательных веществ. Большое количество теплоты образуется в мышцах, особенно во время физической работы. Существует прямая зависимость между обменом веществ и теплообразованием: повышение обмена веществ сопровождается усилением теплообразования и, наоборот, при понижении обмена веществ снижается образование тепла. Регуляция теплообразования сводится к изменению обмена веществ. Так, при понижении температуры окружающей среды обмен, веществ и, следовательно, образование тепла усиливаются. Наглядным примером такой зависимости является дрожание мышц при охлаждении тела. Раздражение холодом соответствующих рецепторов кожи вызывает рефлекторное сокращение мышц, что сопровождается повышением в них обмена веществ и увеличением образования тепла.

Одновременно с теплообразованием происходит процесс oтдачи тепла. Кровь, протекая через органы, нагревается и затем отдает излишек теплоты в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется преимущественно через кожу путем излучения и проведения тепла, а также при испарении пота. Часть тепла отдается с выдыхаемым воздухом, с мочой и калом. Излучение и проведение тепла через кожу происходят только при условии, если температура окружающего воздуха ниже температуры тела. При высокой температуре воздуха тепло отдается преимущественно или исключительно в результате потоотделения. Регуляция теплоотдачи основана в значительной степени на изменении объема крови, протекающей через сосуды кожи, и на интенсивности потоотделения. Так, при расширении сосудов кожи и усиленном притоке крови теплоотдача повышается, а при сужении их и уменьшении притока крови - снижается.

Процесс теплообразования и теплоотдачи регулируется нервной системой. На эти процессы оказывает влияние центр теплорегуляции ("тепловой центр"), расположенный в промежуточном отделе головного мозга. В опытах на животных установлено, что механическое (укол специальной иглой) или электрическое раздражение этой области головного мозга вызывает повышение температуры тела.

В норме же возбуждение теплового центра возникает в результате раздражения температурных рецепторов кожи и под влиянием температуры крови, притекающей к центру. Так, например, при раздражении холодом рецепторов кожи возникающие в них импульсы передаются в центр теплорегуляции. Одновременно может несколько измениться температура крови, омывающей тепловой центр. В ответ на эти раздражения тепловой центр оказывает два вида влияния: усиление обмена веществ в тканях, что повышает теплопродукцию, и сужение кровеносных сосудов кожи, что ведет к уменьшению активной теплоотдачи. Вследствие этого не наступает охлаждения организма.

В организме здорового человека между теплообразованием и теплоотдачей существует равновесие: в окружающую среду выделяется столько тепла, сколько его образуется. Благодаря такому соответствию теплообразования и теплоотдачи температура тела поддерживается на одном уровне.

Средняя температура тела у здорового человека при измерении в подмышечной впадине колеблется в пределах 36,5 - 36,9°. У грудных детей определяют температуру тела в прямой кишке (37 - 37,5°). В течение суток происходят небольшие колебания температуры, имеющие определенную закономерность. Наиболее низкая температура отмечается от 4 до 6 часов, наиболее высокая - от 16 до 18 часов. По данным измерения температуры в разное время суток можно составить суточную температурную кривую.

Многие заболевания сопровождаются повышением температуры тела, что объясняется нарушением теплорегуляции. Повышение температуры тела свыше 41° является угрожающим для организма, так как нарушаются жизненные процессы (они возможны только при определенных границах температуры). При высокой температуре тела наблюдается резкое увеличение обмена веществ: происходит усиленный распад собственных белков организма (отрицательный азотистый баланс), наступает учащение сердцебиений и связанное с этим повышение кровяного давления, учащается дыхание и т. п. Повышение температуры тела наблюдается при интенсивной мышечной работе, особенно в условиях высокой температуры воздуха. При этом у человека может наступить тепловой удар.

В некоторых случаях, например при длительном охлаждении, температура тела по сравнению с нормальной оказывается пониженной. Понижение температуры тела (гипотермия) иногда вызывают искусственно при хирургических вмешательствах (например, при операциях на сердце). Это приводит к снижению обмена веществ в организме и к уменьшению потребности тканей в кислороде. В таких условиях ткани более длительный срок переносят недостаток кислорода в крови.

Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?

Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье . В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.

Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.

В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза . Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным .

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Теплообмен

Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?

Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.

Три вида теплообмена

Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.

1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.

Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек

Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.

2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.

Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену

3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.

Виды конвекции в чайнике и туристе

Роль механизмов регуляции теплообмена

Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.

Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.

Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.

И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.

К таким механизмам относятся:

Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.

Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.

Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.

Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».

Резюме:

Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.

Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.

При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.

Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.

Одежда является одним из основных способов обеспечения температурного комфорта в условиях широкого диапазона температур окружающей среды.

Теплообразование определяется интенсивностью обмена веществ.

Регуляция теплообразования путём увеличения или уменьшения обмена веществ называется химической терморегуляцией. Выработанное организмом тепло постоянно отдаётся в окружающую среду. Если бы отдача тепла не происходила, организм погиб бы от перегревания.

Регуляция теплоотдачи путем изменения физиологических функций, осуществляющих её, называется физической терморегуляцией.

Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ - в скелетной мускулатуре, в железах, в печени и почках.

На долю мышц приходится 65-75% теплообразования, а при интенсивной работе даже 90%, остальная доля тепла образуется в железистых органах, главным образом в печени.

При повышении температуры окружающей среды теплообразование уменьшается, при понижении температуры - увеличивается. Следовательно, между температурой внешней среды и теплообразованием существуют обратно пропорциональные отношения. Летом теплообразование понижается, зимой увеличивается. Но при повышении температуры среды больше 35 о С происходит нарушение терморегуляции (зона перегревания), обмен веществ и температура тела повышаются. Эта температура называется критической. Точно так же при охлаждении существует критическая температура внешней среды, ниже которой теплопроизводство начинает понижаться.

При температуре среды 15-25 0 С теплообразование в покое в одежде находится на одном уровне и уравновешивается теплоотдачей (зона безразличия).

В нормальных условиях температура тела относительно постоянна. За среднюю температуру тела принимается температура в подмышечной впадине, температура равна 36,5-37 о С.

Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выбрано следующими способами:

- за счет произвольной активности локомоторного аппарата;
- за счёт непроизвольной тонической или ритмической мышечной активности: дрожь, вызванная холодом (тоническую активность можно обнаружить методом электромиографии);
- за счёт ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц; эта форма выработки тепла называется недрожательным термогенезом (у детей).

У взрослого человека дрожь и усиленные движения, которые он делает для того, чтобы согреться - наиболее важный механизм термогенеза.

Несколько повышается выработка тепла и при “ гусиной коже” - сокращении мышц волосяных мешочков.

Ходьба увеличивает теплопроизводство почти в 2 раза, а быстрый бег - в 4-5 раз, температура тела может повыситься на несколько десятых градуса. При продолжительной интенсивной работе при температуре внешней среды выше 25 0 С температура тела возрастает на 1-1.5 0 С, что вызывает изменения и нарушение жизнедеятельности организма. Во время мышечной работы при высокой температуре внешней среды температура тела повышается более 39 0 С, может наступить тепловой удар.

Теплоотдача

Организм в покое непрерывно теряет тепло:

- теплоизлучением или отдачей тепла кожей окружающему воздуху;
- теплопроведением или непосредственной отдачей тепла тем предметам, которые соприкасаются с кожей;
- испарением воды с поверхности кожи и лёгких.

В условиях покоя 70-80% тепла отдаётся в окружающую среду кожей теплоизлучением и теплопроведением, около 20% испарением воды с поверхности кожи (потоотделением) и лёгких. Отдача тепла нагреванием выдыхаемого воздуха, мочой и калом ничтожна и составляет 1.5 - 3% общей теплоотдачи. При мышечной работе резко возрастает отдача тепла испарением (потоотделением) доходя до 90% всего суточного теплообразования.

Теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением зависит от разности температур кожи и окружающей среды. Чем выше температура кожи, тем больше теплоотдача указанными путями. А температура кожи зависит от притока к ней крови. При повышении температуры окружающей среды артериолы и капилляры кожи расширяются, кожа краснеет, количество протекающей через неё крови увеличивается, температура кожи повышается, и теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением возрастает.

Увеличение количества крови, протекающей через кожу, происходит и за счёт примешивания депонированной крови из печени, селезёнки и из капилляров самой кожи.

Величина теплоотдачи при высоких температурах окружающей среды меньше, чем при низких. Когда температура кожи сравнивается с температурой окружающей среды, теплоотдача прекращается. При дальнейшем повышении температуры окружающей среды кожа не только теряет тепло, но сама нагревается. В этом случае теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением отсутствует и сохраняется только теплоотдача испарением.

На холоде артериолы и капилляры кожи суживаются, кожа становится бледной, количество протекающей через неё крови уменьшается, температура кожи понижается, разница температур кожи и окружающей среды сглаживается, и теплоотдача уменьшается.

Человек уменьшает теплоотдачу искусственными покровами (бельём, одеждой). Чем больше воздуха в этих покровах, тем легче сохраняется тепло.

Регуляция теплоотдачи испарением воды играет большую роль, особенно при мышечной работе и значительном повышении температуры окружающей среды. При испарении 1 дм 3 (1 л) воды с поверхности кожи и слизистых оболочек телом теряется 600 ккал. При средней температуре окружающей среды взрослый человек ежесуточно теряет испарением с кожи 400 -520 ккал.

Потеря воды кожей происходит за счёт проникновения воды из глубоких тканей на поверхность кожи и главным образом за счет функционирования потовых желез.

Большие потери пота сопровождаются потерями больших количеств минеральных солей, только NaCl в поту 0,3 - 0,6%. При потере 5-10 л пота теряется 30 -40 г поваренной соли. Поэтому если возникшая при обильных потоотделениях жажда удовлетворяется водой, могут возникнуть тяжелые расстройства (судороги и т.д.). При обильном длительном потоотделении рекомендуется пить соответственно минеральную воду или воду, содержащую 0,5 -0,6 % NaCl.

Испарение воды постоянно происходит и с поверхности лёгких. Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95-98 % и поэтому, чем суше вдыхаемый воздух, тем больше тепла отдаётся испарением с лёгких. В обычных условиях лёгкими ежесуточно испаряется 300 - 400 мл (180 -240 ккал) воды. При высокой температуре дыхание учащается, на холоде замедляется. Когда температура воздуха достигает температуры тела, испарение с поверхности кожи и лёгких становится единственным путём теплоотдачи. В этих условиях в покое испаряется более 100 мл пота в час, что позволяет отдать около 60 ккал в час.

Испарение воды с поверхности кожи и лёгких зависит от относительной влажности воздуха. Испарение прекращается в воздухе, насыщенном водяными парами, поэтому пребывание во влажном горячем воздухе, как, например, бане, тяжело переносится. В сыром воздухе даже при сравнительно невысокой температуре (при 30 0 С) человек чувствует себя плохо. Кожаная и резиновая одежда непроницаема для воздуха, испарения нет, пот накапливается под одеждой. При высокой температуре воздуха и мышечной работе в такой одежде температура тела повышается. Перегревание человека в атмосфере, насыщенной водяными парами, особенно опасно, так как лишает возможности освобождаться от избытка тепла и испарением. В сухом воздухе человек сравнительно легко переносит значительно более высокую температуру, чем во влажном.

Для увеличения теплоотдачи теплоизлучением, теплопроведением и испарением большое значение имеет движение воздуха.

Увеличение скорости движения воздуха увеличивает теплоотдачу. На сквозняке и на ветру резко увеличивается потеря тепла. Но если окружающий воздух имеет высокую температуру и насыщен водяными парами, то движение воздуха не охлаждает.

И так, физическая терморегуляция обеспечивается:

1) сердечно-сосудистой системой, которая определяет приток и отток крови в кровеносных сосудах кожи, а следовательно, количество тепла отдаваемого кожей в окружающую среду;
2) системой органов дыхания, т.е. изменениями вентиляции лёгких;
3) изменением функций потовых желез.

Регуляция теплоотдачи проводится двумя путями:

1) нервной системой;
2) посредством гормонов.

Существенное значение имеет адаптация к неблагоприятным условиям.

Изменение функций сердечно-сосудистой системы, дыхания и потовых желез рефлекторно регулируется: раздражением внешних органов чувств и особенно раздражением рецепторов кожи при изменении температуры внешней среды и раздражением нервных окончаний внутренних органов при колебаниях температуры внутри организма. Физиологические механизмы физической терморегуляции осуществляются большими полушариями, промежуточным, продолговатым и спинным мозгом.

Нарушение терморегуляции

Повышение температуры тела выше нормального уровня при нарушении терморегуляции называется лихорадкой. При лихорадке обмен веществ увеличивается на 50 - 100% и более. Особенно увеличивается распад белков. В крови накапливаются продукты белкового распада, устанавливается отрицательный азотистый баланс. При лихорадке окисление белков даёт около 30% теплообразования. Повышается также углеводный и жировой обмен, что ведёт к истощению организма. Накапливается большое количество продуктов промежуточного обмена веществ. Нарушаются физиологические процессы. Учащённое сердцебиение повышает кровяное давление, учащается дыхание, нарушается психика (бред, галлюцинации), что обусловлено расстройством нервной системы. При температуре 40 - 41 0 С начинается бред, при температуре 43 0 С наступает смерть, в единичных случаях при температуре равной 45 0 С.

При охлаждении тела также нарушаются физиологические процессы. При длительном пребывании на холоде после ощущения холода и дрожи появляется ощущение тепла, вследствие притока крови к коже, затем апатия и нарушение функций мозга. (При охлаждении жизнедеятельность, так как снижается обмен веществ в организме и потребность тканей в кислороде).

У человека смерть, как правило, наступает при температуре ниже 32-33 0 С, а при изменении функций нервной системы лекарственными препаратами - ниже 24 0 С. В единичных случаях людям удалось сохранить жизнь при падении температуры до 22,5 0 С.

Продолжительная адаптация к условиям окружающей среды.

Регуляторные механизмы - термогенез, сосудодвигательные реакции, потоотделение - включаются в течение секунд или минут после наступления температурного стресса. Кроме них существуют другие механизмы, обеспечивающие продолжительную адаптацию к климатическим изменениям в окружающей среде.

Такие процессы называются - физиологической адаптацией или акклиматизацией. Основаны они на модификациях органов и функциональных систем, которые развиваются только под влиянием продолжительных (в течение дней, недель и месяцев) постоянных или повторяющихся температурных стрессов.

Тепловая адаптация

Способность людей адаптироваться к теплу играет решающую роль для выживания в условиях тропиков и пустыни, а также для выполнения тяжёлой работы при высокой температуре на производстве.

Наиболее важный сдвиг - это изменение интенсивности потоотделения, которая возрастает в два раза и составляет 1-2 л/ч. Кроме этого, выделение пота начинается при более низкой средней кожной и внутренней температуры, что служит защитой от чрезмерного учащения сердцебиения и увеличения периферического кровотока, т. е. от теплового удара.

Адаптация связана также со значительным уменьшением содержания ионов в поту (нет шока от потери ионов), увеличением объёма плазмы и содержания в ней белков. У жителей тропиков интенсивность реакции не столь высока, чтобы вызывать потоотделение. Температурный порог сдвинут в сторону более высокой температуры тела, в результате они меньше потеют при ежедневной тепловой нагрузке.

Холодовая адаптация

Многие животные адаптируются к холоду очень просто - благодаря отрастанию меха у них усиливается термоизоляция. У мелких животных развиваются недрожательный термогенез и бурая жировая ткань.

У человека “поведенческая адаптация” - использования одежды и тёплых жилищ. Также развивается толерантная (холодовая) адаптация. Температурный порог дрожи и кривые метаболистических терморегуляторных реакций смещаются в сторону более низких значений температур, возникает умеренная гипотермия. (Аборигены Австралии проводят ночь почти раздетыми при температуре близкой к нулю не испытывая дрожи. Подобная способность хорошо развита у корейских и японских искателей жемчуга, ныряющих на глубину по несколько часов в день при температуре воды около 10 0 С.)