1.2. Физические основы охлаждения.

«Сущности не следует умножать без необходимости»

(научный принцип Уильяма Оккама)

Понимание реакций организма на его охлаждение невозможно без усвоения основных законов термодинамики. Для того чтобы понять возможности использования холодовых процедур по рационализации основных функций организма рассмотрим вначале некоторые основы этого раздела физики. Он основан на нескольких утверждениях или законах. Их четыре. Попытаемся представить их в доступно упрощенном варианте.

Нулевое начало термодинамики представляет собой логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Оно определяет, что температура есть уточнение и количественное выражение степени теплосодержания.

Первое начало, согласно П. Эткинсу (1984) формулируется словами «Энергия сохраняется». Вместе с тем дать точную формулировку понятию энергия, первое начало термодинамики «не берется». Подразумевается, что энергия - это способность совершать работу.

Второе начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, одно направленности происходящих в ней процессов. При этом горячие тела охлаждаются, а холодные не становятся сами по себе теплыми. Так, прыгающий мяч останавливается, но остановившийся мяч не начинает прыгать сам по себе. Следовательно, хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимым образом. При этом направление распределения энергии не зависит от ее общего количества.

Третье начало термодинамики отражает свойства веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. На его основе предполагается атомное строение вещества.

Наука термодинамика имеет тесную связь с математикой, а в историческом плане она обусловливала развитие человеческой цивилизации, старавшейся постоянно противопоставлять свои жизненные интересы внутренней асимметрии, т.е. одно направленности процессов, присущих природе.

Первобытным племенам было невдомек, что, используя костры для противодействия холоду, они освобождали энергию, ранее подобранную растительным миром от Солнца. Да и современный человек редко задумывается над тем, что многое из того, что он делает - от сбора урожая и приема пищи до получения электроэнергии посредством управления реакциями деления урана - «это не более чем «пепел» давно сгоревших звезд» и поиск энергии, завещанной нам прошлым. (Здесь и далее в этой главе на последующих страницах цитируется П. Эткинс, 1987).

Энергия необходима человеку для производства работы. На основе второго начала термодинамики установлена невозможность полного преобразования теплоты в работу. Примером этому, могут служить рассуждения о цикле Карно по работе обычного двигателя. Природная асимметрия состоит и в том, что природа позволяет свободно преобразовывать работу в теплоту, однако на обратное преобразование она «накладывает существенный энергетический налог».

Область явлений, на которые распространяется второе начало термодинамики, охватывает все, что связано с распадом и деградацией, то есть явления, в которых хаос «заставляет» порядок освободить ему свое место.

Понятно, что нагревание означает подведение к предмету соответствующей порции энергии, а охлаждение означает лишение его энергии. Ведь теплота - это не одна из форм энергии, а «название одного из способов передачи энергии». Работа также не является формой энергии. Это тоже один из способов передачи энергии, поскольку» работа - это то, что мы совершаем, когда нам необходимо тем или иным способом изменить энергию объекта, не используя при этом разность температур».

С учетом сказанного Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики в следующей формулировке: «невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от более холодного тела к более горячему». Из этой формулировки вытекает, что при наличии перепада температур энергия может самопроизвольно переходить лишь от более нагретого тела к более холодному, но не наоборот.

Системы, в которых действуют начала термодинамики, обладают еще одним важным свойством - энтропией. Это свойство указывает на возможность самопроизвольного достижения системой того или иного конечного состояния.

Рассмотрим это несколько подробнее.

Представим существование изолированной системы, на которую нельзя повлиять извне ни посредством теплоты, ни посредством работы (пример - Вселенная). Об энергии этой системы, свободной от внешних воздействий говорит первое начало термодинамики. Понятие энтропии относится также к изолированной системе - Вселенной. Оно характеризует качество накопленной в изолированной системе энергии. Высококачественная энергия содержится в такой системе в ее обычном состоянии. Нагретая Вселенная обладает высокой энтропией. Упрощенно, изменение энтропии прямо пропорционально зависит от сообщенной теплоты и обратно пропорционально изменению температуры. Если у системы теплота отбирается - энтропия понижается. Если к другой охлаждающей системе (холодильнику) теплота подводится, ее энтропия возрастает.

Еще одна цитата: «В промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов (в том числе запасов топлива) стремительно ускоряется, энтропия Вселенной неуклонно возрастает и соответственно характеризуемое ей качество энергии падает. Мы находимся скорее не на стадии энергетического кризиса или дефицита энергии, а на пороге энтропийного «кризиса перепроизводства». Современная цивилизация «проматывает» запасы энергии, накопившиеся во Вселенной в результате рассеяния. Следует стремиться не к сохранению энергии, ибо природа делает это автоматически; наша задача научиться экономно распоряжаться качеством энергии. Иными словами, необходимо направить развитие нашей цивилизации по пути снижения уровня энтропии».

Следует отметить, что данная цитата несет важную смысловую нагрузку не только для нашего общества, но и для отдельного человека.

Человек и внешняя для него среда являются двумя взаимодействующими системами. Естественным следствием рассеяния энергии при взаимодействии двух систем является нагревание одной системы второй. Обычно перенос энергии продолжается до тех пор, пока в среднем энергия не распределится равномерно по всем доступным атомам, и, возможно, произойдет повышение температуры.

Понятие температуры тесно связано с количеством энергии полученной одной системой от другой. Получение энергии сопровождается возбуждением атомов в получающей системе. Показателями температуры могут быть определения типа «холодное», «горячее». Из этих определений вытекает показатель температуры, являющийся отношением числа возбужденных атомов в системе к числу невозбужденных. Таким образом, температура является мерой неупорядоченного движения этих частиц и, очевидно, нелепо говорить о температуре только одной частицы. Отличие между температурой и энергией в том, что система может иметь большую энергию, но низкую температуру, поскольку будет содержать малое количество возбужденных атомов, то есть, будет холодной. Энергия системы зависит от ее размеров, а температура - не зависит. Различие между работой и теплотой в том, что работа предполагает упорядоченное движение, а теплота - неупорядоченное.

Формула температуры, связывающая температуру, энергию и энтропию следующая: энтропия связана с величиной отношения сообщенной системе теплоты к температуре системы:

Температура = А / ln(Число невозбужденных атомов/Число возбужденных атомов);

Здесь А - некая постоянная, зависящая от энергии возбуждения атома.

Возбужденные атомы, сталкиваясь случайным образом способны передавать друг другу энергию. Отсюда формулировка второго начала термодинамики, основанная на поведении атомов может звучать так: «энергия стремится рассеяться». Максимуму энтропии соответствует тепловое равновесие, а тепловому равновесию соответствует наиболее вероятному состоянию системы (Вселенной). Эта идея позволяет объяснить многие явления этого мира. Так, если «теплая система» с упорядоченным движением атомов сталкивается с «прохладной» системой с менее упорядоченным движением импульс смещения части атомов во второй системе характеризуется, энергия передается по случайным направлениям и со временем рассеивается, преобразуясь в тепловое движение.

Физические процессы в природе обусловлены естественным стремлением энергии к рассеянию (диссипации). В пространстве они определяют рассеяние частиц, обладающих упорядоченностью, потерю упорядоченности. Энергия никогда не может сама по себе локализоваться в избытке в какой-либо части Вселенной.

В соответствии с формулой энтропии Больцмана : S = k log W (S- энтропия системы, k- фундаментальная мировая постоянная Больцмана, W- хаос, мера неупорядоченности системы, число различных распределений в системе возбужденных атомов), события везде в мире происходят так, что запасы энергии переходят к хаосу, к самопроизвольному возрастанию энтропии. Следовательно, высокое качество энергии, отражающее отсутствие хаоса, требует ее строгой локализации (в куске угля, в макроэргических соединениях клеток животного организма и т.п.). Очевидно, высоким качеством обладает энергия, запасенная в упорядоченном движении атомов, молекул и других частиц, например, в потоке воды в реках, в потоке крови в сосудистом русле человека и животных. Следует помнить, однако, что спад к всеобщему хаосу не монотонен. В некоторых локальных участках системы хаос может уменьшиться, но это случится за счет возникновения еще большего хаоса где-то в другом месте.

В природе, чтобы получить источник теплоты (упорядочить движение атомов) используют топливо, то есть энергию, освобождаемую в ходе определенных химических реакций. Таким образом, в процессе перехода к хаосу могут происходить превращения различных веществ, и, не исключена вероятность даже возникновения живых организмов.

Охлаждение является простейшим примером физического превращения. Оно легко объясняется на основе столкновений, происходящих при случайном блуждании атомов и квантов, то есть при распространении энергии. При охлаждении атомы хаотически делятся своей энергией с окружающими атомами, не испытывая при этом более никаких превращений. При химических превращениях, атомы, делящиеся своей энергией, кроме того, «меняют и выбирают своих новых соседей». В результате возникают новые вещества. По П. Эткинсу: «химические реакции (в том числе и те, что питают энергией мышцы и мозг человека) - это процессы, аналогичные обычному охлаждению. Если так, то и разум человека можно рассматривать как следствие постепенного охлаждения отдельных участков Вселенной».

Для оценки связи превращения вещества с процессом охлаждения и роли в этих превращениях энтропии рассмотрим одно из наиболее характерных химических взаимодействий, свойственных как неживой, так и живой природе. Это реакция сгорания железа (ржавления, биологического окисления и др.). Для лучшего понимания обсуждаемого предмета приведем наглядные выдержки из книги «Порядок и беспорядок в природе».

«Сгорание железа - это первая стадия в последовательности процессов, которые обеспечили человечеству возможность существовать, развиваться и преобразовывать окружающий мир. Дело в том, что процесс дыхания тоже начинается с реакции, которая аналогична процессу сгорания железа. На этой стадии кислород воздуха соединяется с атомами железа, содержащегося в молекулах гемоглобина, входящих в состав красных кровяных телец (эритроцитов) крови. То, что наша кровь окрашена в цвет ржавчины не простое совпадение - это один из видов ржавления... На подобный способ обеспечения энергией природа обрекла нас самих - ряд процессов в организме человека (по крайней мере, частично) протекает за счет окисления железа.

Чтобы понять, в какой форме происходит охлаждение... при ...соединении железа с кислородом, необходимо иметь представление о химических связях. Химическая связь - это результат взаимодействия между атомами, который выражается в создании определенной конфигурации атомов, отличающий один тип молекулы от другого. Основную причину существования связи между двумя атомами следует усматривать в том, что при ее формировании полная энергия атомов понижается, т.е. энергия молекулы меньше, чем суммарная энергия изолированных атомов, входящих в ее состав. В этом случае связь устойчива и молекула может существовать. В полную энергию молекулы вносят вклад многочисленные и подчас весьма тонкие процессы, так что устойчивость химических связей является следствием многих квантовомеханических эффектов... Для простоты достаточно объяснить устойчивость связи просто понижением энергии при ее образовании. При этом отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра атомов перемещаются относительно друг друга, располагаясь в итоге на таких расстояниях, которые выгодны с энергетической точки зрения... Каждое вещество состоит из молекул, атомы которых сгруппированы в характерном именно для данного вещества порядке. Простейшая ...молекула водорода... двухатомна, т.е. состоит из двух связанных между собой атомов водорода, ядра которых при этом находятся на расстоянии 7,5.10-11 м. Это расстояние называется длиной связи молекулы. Молекула кислорода имеет аналогичную структуру: она тоже двухатомна, но ядра кислорода разделены расстоянием 1,2.10-10 м.

...Молекула кислорода (О2) больше, чем молекула водорода (Н2), так как содержит 16 электронов, а молекула водорода - только два. Если молекула водорода состоит только из двух ядер и двух электронов, связанных между собой электростатическим взаимодействием, то кусок железа состоит из мириадов взаимодействующих атомов. Кусок железа (или любого другого металла) можно представить как совокупность ядер, между которыми мигрируют некоторые из множества электронов, играющего роль всепроникающего электростатического «клея». Свободно мигрирует сравнительно малое количество электронов; большая часть их удерживается вблизи своих ядер электростатическим притяжением имеющих большой заряд ядер атомов железа - эти электроны не могут покинуть атом. Образец железа можно представить в виде штабеля ионов железа (имеющих почти сферическую форму), окруженного «морем» электронов, которым удалось покинуть свои атомы. Это море электронов называется «морем Ферми». Каждый атом отдает совсем немного электронов, однако, килограмм железа содержит более 1025 атомов, и поэтому число электронов в «море» в любом случае огромно.

Кислород - это газ, состоящий из отдельных молекул О2 и представляющий собой ряд мельчайших частиц, каждая из которых окружена своими электронами. Железо - металл, состоящий из «штабеля» ионов, погруженных в электронное море. Электроны в этом море подвижны и могут легко перемещаться. Этим обусловлен ряд характерных свойств железа и других металлов: их электропроводность и характерный металлический блеск... Ковкость... объясняется тем, что группы ионов могут сдвигаться относительно друг друга в море электронов...

Оксид железа, обычно называемый ржавчиной, ...представляет собой «пепел», образующийся в результате сгорания железа в кислороде. «Пепел» состоит из множества ионов железа и ионов кислорода; последние представляют собой атомы кислорода, которые, приобретя пару электронов, стали отрицательно заряженными. (Уточним, что мы рассматриваем продукт окисления, так называемую окись железа, которая является ионным кристаллом», образованным ионами Fe3+ и O2- . Обсуждаемая здесь и далее реакция может быть записана в виде 4 Fe (т -твердое тело) + 3О2 (г -газ) = 2 Fe 2О3). Ионы железа и кислорода «прочно удерживаются вместе благодаря электростатическому притяжению между противоположными зарядами. Из сказанного следует, что при объединении атомов в группы и образовании различных веществ выделяется определенное количество энергии. Количества энергии, заключенные в совокупности молекул кислорода, в куске железа и щепотке ржавчины, различны, подобно тому, как количество энергии, запасенное в нагретом куске железа, отличается от количества энергии, содержащейся в том же самом, но охлажденном куске железа. Именно по этой причине химические реакции аналогичны процессу охлаждения». Отсюда следует, что если путем некоторого охлаждения биосистемы мы уменьшим интенсивность биохимических реакций, то мы будем тем самым противодействовать процессу охлаждения.

Процессы дыхания и окисления в организме сопровождаются интенсификацией выработки энергии в различных формах. Особый интерес при этом представляет процесс взаимодействия кислорода с железом (которого много в гемоглобине и некоторых других железосодержащих белках). На упрощенной модели можно представить, что ионы образца железа сильно колеблются, в результате чего расстояния между ними непрерывно меняются. В какой-то момент времени ядро одного из ионов может оказаться на слишком большом расстоянии от своих соседей, не характерном для образца в среднем. По модели Эткинса, возможно и обратное состояние. Отклонение ионов от своих соседей повышается при возрастании температуры. Хаотично движущиеся молекулы газа кислорода также колеблются. Два атома в молекуле то сближаются, то удаляются друг от друга, соответственно, длина связи между ними то уменьшается, то увеличивается. Это колебательное движение - один из способов накопления энергии - так же возрастает с увеличением температуры. При достаточной энергетике некоторые из атомов могут одновременно оказаться в таком положении, что кислородные связи окажутся длинными, а расстояние между атомами кислорода и железа малыми, при этом атом железа удален от своих соседей на большое расстояние. В такой ситуации начинают формироваться связи между железом и кислородом, а связи железо - железо и кислород-кислород, наоборот, начинают разрушаться. Такое перераспределение атомов сопровождается выделением энергии, выделившаяся энергия усиливает атомарные колебания и ситуация многократно повторяется. Поскольку энергия рассеивается из узла решетки, где произошло взаимодействие, атомы задерживаются в новом расположении. В результате появляется зародыш нового вещества - оксида железа. В нем ионы железа вытеснены из прежнего окружения, а молекула кислорода распалась пополам. Атомы в этой конфигурации не могут вернуться к первоначальному состоянию, поскольку для этого необходимы дополнительные затраты энергии. «Железо «сгорело» (окислилось), и оно останется в этом состоянии навсегда». Следует отметить еще одну важную деталь.

Получившиеся в результате реакции вещества обладают меньшей энергией, чем исходные реагенты. Излишек энергии как бы безвозвратно отобран, ибо он не принял вид энергии теплового движения. В ходе реакции как бы произошло снижение энергии реагирующих веществ. Здесь произошло рассеяние некоторого количества первоначально локализованной энергии.

Известно, что в физике и химии фактором, вызывающим естественные изменения (например, химические реакции) является случайное ненаправленное рассеяние энергии.

В реакции окисления железа, однако, не все так просто. При сгорании в нормальных условиях килограмма железа расходуется около 300 л кислорода. Продукта реакции - оксида железа образуется значительно меньше - «всего лишь щепотка».

В результате подобных химических реакций кислород в оксиде «крепко» соединился с железом. Продукты реакций содержат несколько меньшие количества энергии, но они и менее рассеяны в пространстве, чем исходные вещества. Таким образом, продукты реакции оказываются менее неупорядоченными и, следовательно, обладают меньшей энтропией. Неупорядоченность же окружающей среды при этом возрастает, поскольку при образовании связи железа с кислородом выделяется много энергии, повышающей степень неупорядоченности внешней среды. Конечный же продукт обладает новой, более выраженной структурой и, соответственно, более низкой энтропией.

Для нас интересен еще и следующий момент - это возможность химического охлаждения играть роль нагревания, сопровождаясь притоком теплоты. Обычно это можно наблюдать в реакциях распада молекулы на 2 фрагмента. Так, чтобы разорвать молекулу из двух атомов, и образовать из нее две одноатомных молекулы к ней необходимо подвести определенное количество энергии. Если энергии достаточно, чтобы разорвать внутримолекулярную связь, то в конечных одноатомарных молекулах энергии будет больше, чем в исходном веществе. В подобных реакциях происходит не уменьшение энергии, но ее рассеяние (происходит не уменьшение количества, а понижение качества). Это может касаться и более сложных веществ: пример распад двуокиси азота N2O4 на 2NO2. Поглощенная энергия в подобных реакциях становится более рассеянной. Охлаждение, как известно, сопровождается рассеянием. Поэтому накопление энергии в подобных реакциях может соответствовать охлаждению.

Таким образом, если химическая реакция допускает утечку энергии в окружающую среду (экзотермические реакции), то они порождают хаос. Если же идут реакции, отбирающие энергию извне (эндотермические) - неупорядоченность в окружающей систему среде понижается, а взятая извне энергия приводит к повышению хаоса внутри самой системы.

Энергия, которую частица должна накопить для того, чтобы вступить в реакцию называется энергией активации. Этот процесс зависит от температуры. Накопление энергии активации определяется выражением, которое получило название «вероятность или распределение Больцмана», предполагается, что с увеличением температуры скорость химических реакций возрастает.

Второе начало термодинамики не запрещает перехода теплоты в направлении противоположном перепаду - (градиенту) температур, т.е. от холодного к теплому. Хотя, чтобы жить, организм должен питаться, а значит разрушать упорядоченные формы энергии высокого качества, запасенные в пищи.

Противоестественное «для физики» может возникать в ходе естественных процессов. В последовательных «цепочечных» процессах, происходящих в живых организмах, нередко возникают локальные уменьшения хаоса в виде возникновения определенных структур.

Поэтому прав П. Эткинс, утверждающий, что «только хаос решает, какой процесс должен происходить, так, что иногда кажущееся отсутствие рассеяния как раз и служит его замаскированным проявлением».

Особенно наглядно это положение проявляется в «устройстве» молекул белка.

Основной строительный материал живого - белок имеет первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры, построенные одновременно по «законам» хаоса и упорядоченности.

Первичная структура определяется последовательностью содержащихся в молекуле сотен аминокислот. Эта пептидная цепочка свернута в цилиндрическую альфа-спираль (вторичная структура или конформация). Однако большинство белков имеют альфа-спираль изогнутую, перекрученную, как «смятую соломинку для коктейля». Эти вмятины и перекручивания имеют строгий алгоритм и безусловную упорядоченность, нередко образуя «шарики» - глобулы (третичная структура). Комбинации глобул составляют четвертичную структуру белка. Такое «перекручивание» белков позволяет им противостоять водно-температурной агрессии окружающей среды.

Если живое вещество образует спиралевидные молекулы, то мир в целом становится менее упорядоченным, если бы этого не происходило. Однако сам организм становится упорядоченным более. Так, на первый взгляд цепочки молекул переносчика кислорода в крови гемоглобина могут показаться беспорядочным нагромождением атомов, однако точное повторение их формы в миллиардах молекул указывает на наличие упорядоченности. К созидательной роли энтропии можно отнести то, что четыре изогнутые белковые нити образуют полную молекулу гемоглобина (его четвертичную структуру), хотя третичная и четвертичная структуры (высшие конформации) различных белков организма возникают как стремление мира к хаосу.

Холод и физиологические процессы в организме человека

Температура тканей человеческого тела определяется энтропическими превращениями химической энергии в тепловую и теплоотдачей в окружающую среду, зависящей от температуры этой среды.

Основу жизнедеятельности организма составляет обмен веществ и энергии. Все превращения белков, жиров и углеводов в организме совершаются в процессах усвоения (ассимиляции) и распада (диссимиляции). Биологическое значение их в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая обеспечивает все функции организма. В многоступенчатом процессе распада питательных веществ с энергетических и физиологических позиций выделяют три этапа. Первый - это расщепление питательных веществ пищи (белков, жиров, углеводов) в пищеварительном тракте под влиянием ферментов слюны, желудка и кишечника. При этом белки распадаются до аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот, а углеводы - до моносахаров. Второй этап - обмен в клетках. Его суть в постепенном упрощении органических молекул: глюкозы до пировиноградной и молочной кислот, жирных кислот до ацетил-коэнзима. А, аминокислот - до элементов потерявших аминогруппы. Данный обмен сопровождается частичным накоплением энергии, которое происходит при расщеплении углеводов. На третьем этапе образовавшиеся в клетках продукты обмена окисляются в цепочечных и циклических реакциях, идущих преимущественно на мембранах клеточных органелл - митохондрий. При этом из питательных веществ высвобождается большое количество энергии, которая либо расходуется на работу органов и тканей, на приспособление организма в меняющихся температурных условиях, либо накоплением ее в виде фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты. Таким образом, единственным источником энергии (а, следовательно, тепла) в организме человека является химическая энергия. Заключенная в молекулах питательных веществ. Теплообразование как результат никогда не прекращающегося обмена веществ в живом организме, колеблется с изменением деятельности органов и систем и обеспечивает переход их функционирования с одного уровня на другой при изменении окружающей среды. Организм, в целом представляет собой чрезвычайно сложную биохимическую лабораторию, биохимические реакции которой, в конечном счете, всегда сопровождаются выделением определенного количества тепловой энергии, которая рассеивается в окружающую среду и определяет температуру организма. Если температура организма остается относительно постоянной, то организм находится в термостабильном состоянии и функционирует без особых «нагрузок». Если теплообразование будет меньше теплоотдачи, то может возникнуть «дефицит тепла», в результате чего температура организма понизится.

Обмен веществ в организме, обеспечивающий теплопродукцию противодействует хаотическому рассеянию энергии. При этом в целом соблюдается закон Аррениуса, по которому обратная величина температуры среды, где протекают химические (или, в рассматриваемом случае, биохимические) реакции пропорциональна логарифму скорости химической реакции. Поддерживая высокой постоянную работоспособность и активность в условиях частых и значительных перепадов температуры среды, человек и теплокровные животные, способны эффективно противостоять последствиям второго закона термодинамики в определенных диапазонах колебания внешних температур.

Температура и ферментные реакции

«Ферменты есть ...первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений... Они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни»

И.П. Павлов

Все химические превращения в организме и протекают с участием комплекса ферментов, содержащихся в каждой ткани, жидкости и даже в каждой клетке организма. Главным свойством живой материи является постоянный обмен веществ, то есть превращения веществ и энергии в самих организмах и обмен веществами и энергией с окружающей средой. Обмен веществ или метаболизм обусловлен целым каскадом биохимических реакций, которые в клетках не могут совершаться при отсутствии особых веществ - ферментов. Даже первичная структура белков создается благодаря соединению атомов аминокислотных остатков в ходе последовательных биохимических реакций с участием ферментов.

Прохождение химических реакций связано с кинетической энергией - энергией прохождения молекул. В биохимических реакциях важна не общая энергия молекул, а лишь ее часть, которая может быть превращена в работу («свободная энергия»). Самопроизвольные реакции в организме протекают только при условии уменьшения свободной энергии. Средняя энергия молекул может быть повышена или понижена при изменении температуры. Так, при охлаждении движение молекул замедляется и их кинетическая энергия уменьшается. Биологические вещества обладают высоким энергетическим барьером - разностью между энергией необходимой для обычного (нормального) протекания реакций и фактической величиной средней энергии молекул для этих молекул. Следовательно, необходима существенная добавка к имеющейся энергии, чтобы реакция пошла. Эта энергетическая добавка называется энергией активации.

Другим путем запуска биохимических реакций является снижение энергетического барьера, что и достигается с помощью специальных химических катализаторов - ферментов. Ферменты - это белки особого рода, которые в «биохимическом котле» организма действуют подобно механизмам автоматических линий на производстве. Они соединяют молекулы и атомы друг с другом, «отрезая и отбрасывая» некоторые атомы и передавая соединенные вещества другим механизмам этого конвейера. Искусственные катализаторы могут ускорять скорость реакции в 800 - 20 000 раз (ионы йода, коллоидной платины). Биологические катализаторы - ферменты многократно активнее. Они ускоряют биохимические реакции в десятки тысяч и даже в миллионы раз, а фермент каталаза - в 300 млрд. раз. В биологических реакциях ферменты являются «посредниками» снижающими на некоторое время энергетический барьер вступающих в реакцию веществ и выходящие на конечных этапах биохимической реакции из нее в практически неизмененном виде. Наиболее активны ферменты при нормальном давлении, практически нейтральной реакции среды и узких границах колебания температуры.

Обычная реакция химических превращений при изменении температуры - это их ускорение при повышении и замедление при понижении температуры. Ферменты - белковые молекулы, однако, плохо переносят интенсивное нагревание, которое, вследствие денатурации белков изменяет их живую ("нативную") структуру. По отношении к температурному фактору ферменты различаются на термостабильные, их активность остается высокой в широком диапазоне изменения температур и термолабильные, которые теряют каталитическую активность даже при незначительном изменении температуры. Охлаждение биологического объекта обычно уменьшает активность ферментов и замедляет скорость ферментируемых реакций. При понижении температуры до - 20ос - - 40оС течение биологических реакций, обусловленные действием ферментов практически прекращается. Однако, в отличие от нагревания, холод практически не повреждает ферменты. Так, охлаждение биообъектов в жидком азоте (при -196оС) не портит тканевые ферменты, а наоборот их сохраняет. Фрагментарное охлаждение, кроме того, используется для получения чистых ферментов методом кристаллизации, что позволяет, в дальнейшем, прикреплять их к какому либо носителю («иммобилизация ферментов») и использовать их в лечебных и научно-исследовательских целях.

Итак, в живой клетке для совершения работы используется не вся (полная), а лишь часть энергии (именуемая свободной).

Свободная энергия = Полная энергия - (Температура)Х(Изменение энтропии).

Свободная энергия Гиббса связана с изменениями при постоянном давлении. Свободная энергия Гельмгольца обусловливает изменения при постоянном объеме. В клетках живых организмов идущие на основе свободной энергии реакции связаны между собой. Под влиянием определенного фермента (или группы ферментов) конкретная реакция может идти в «неправильном» направлении (например, цепочка аминокислот может стремиться к распаду, а не к соединению). Однако и такую реакцию можно вынудить проходить в требуемом направлении, связав ее с другими реакциями, характеризуемыми большей по величине, но отрицательными изменениями свободной энергии. Такие «противоестественные реакции», во многом обеспечивают жизнь и взаимодействие организма с температурным фактором среды.

Электрохимическая энергия жизни и холод

Итак, хотя человеческий организм, как сложная система, в соответствии с законами термодинамики движется к своей деградации (понижению свободной энергии), в нем происходят сложные взаимосвязанные и разнонаправленные процессы, рождаются явления, соответствующие сознанию и, вообще, жизни. С пищей человеческий организм потребляет вещества, обладающие энергией высокого качества (низкой энтропией). Распадаясь эти вещества обеспечивают энергией все процессы, которые связаны с жизнедеятельностью клеток, тканей и всего организма в целом.

Один из самых универсальных жизненных процессов - это сгорание углеводов (глюкозы) до углекислого газа и воды. Данные реакции лежат в основе процессов дыхания и пищеварения. При разрушении каждой молекулы глюкозы, с выделением энергии, происходит образование нескольких молекул аденозинтрифосфата (АТФ) «клеточного аккумулятора энергии». Первая стадия этой «цепной реакции» состоит в гликолизе - распаде молекулы глюкозы на 2 иона пирувата (пировиноградной кислоты). Энергия, извлекается при распаде глюкозы в митохондриях, но использоваться она может совсем в других местах клетки. Роль митохондрий близка электрохимическим элементам, соединенным в батареи: они создают электрический ток, то есть создают потоки электронов в органах и тканях. Происходящие на мембране митохондрий процессы приводят к тому, что электроны отбираются, например, от пирувата и передаются атомам кислорода. В последующих реакциях ионы пирувата разлагаются до двуокиси углерода, а ионы кислорода присоединяют ионы водорода и образуют воду. При этом, упорядоченный поток электронов используется для совершения работы или для синтеза молекул аденозинтрифосфата из аденозиндифосфата (АДФ) и фосфорной кислоты. Этот, ступенчатый, идущий внутри митохондрий процесс, носит название дыхательного конвейера, дыхательной цепи, либо цепи переноса электронов. Отдача электронов ионами пирувата происходит в «биохимическом котле» - цикле реакций Кребса. Далее электроны проходят по каскаду реакций, ведущих к синтезу «заряженного энергией» вещества АТФ из АДФ, а затем переходит на кислород, который привносится в клетки с помощью гемоглобина.

Любая биологическая структура, по сути, упорядочена, как бы когерентна. Более упорядоченно атомы и молекулы расположены в твердых (кристаллических) веществах и несколько менее в жидких (жидкокристаллических) средах.

В результате рассеяния (диссипации) энергии в жидких средах возникают недолговечные структуры, например, ячеистые структуры. Они образуются в жидкости при наличии конвекции между двумя горизонтальными плоскостями, нижняя из которых нагревается сильнее, чем верхняя. Пока разность температур двух плоскостей мала, движущие частицы жидкости распределены хаотически, Однако, когда разность температур становится достаточно большой, возникает неустойчивость Бенара с кольцевыми противоположными по направленности токами жидкости из условного центра вверх влево (один поток) вверх вправо (второй поток) и вниз и так далее по кругу. Мы наблюдаем такие структуры и потоки при оценке скорости оседания эритроцитов (Кидалов В.Н., Суховецкая Н.Б., 1996) в капиллярах. В таких структурах энергия рассеивается быстрее, по мере упорядочивания своего движения внутрь ячеек при переходе от нагретой плоскости к охлаждающей. Дословно по Эткинсу : «наряду с возрастанием скорости производства энтропии ...возникает структура там, где ее раньше не было (точнее на месте лишь локальной структуры образуется превосходящая ее глобальная). Как только разность температур исчезает, глобальная структура вновь переходит в локальную, и ячейки конвекции перестают существовать. Структура поддерживается только благодаря достаточному потоку энергии, и когда он прекращается, структура сразу же прекращается... Некоторые химические реакции приводят к периодическим изменениям концентраций реагирующих веществ, причем эти изменения могут происходить как во времени, так и пространстве. При изменении во времени одно вещество сменяется другим, потом вновь восстанавливается, но лишь затем, чтобы в очередной раз исчезнуть. ... Подобные процессы по существу лежат в основе явления жизни.... К реакциям, обладающим периодичностью в пространстве, относятся, например, возникновение клеточной структуры тела». Добавим, что тело человека по распределению температуры напоминает, по-видимому, макрокапилляр в котором длительно действует неустойчивость Бенара. Напомним также, что «живые» ткани и среды, даже переживающие, взятые из организма и помещенные на некоторое время в искусственные условия (например, кровь или ее плазма, спинномозговая и другие жидкости организма) обладают удивительной способностью к формированию при изменении температуры «самоорганизующихся или периодических структур». Последние регистрировались нами (Кидалов В.Н., Якименко Б.И., Борисов В.А. и др., 1982) методами световой, люминесцентной и телевизионной микроскопии в так называемых тезиографических тестах (тест Болена, тесты дегидратации сыворотки крови, мочи, ликвора, слезной и других биологических жидкостей). Протекающие в этих тестах реакции наподобие реакции образования автоволн (по Жаботинскому), формирования кольцевых и радиальных тезиограмм при кристаллизации биосубстратов напоминали периодические структуры, волновые фронты или картины стратификации, возникающие в ходе некоторых химических реакций, когда участвующие в них вещества могут дифундировать в среде. К явлениям того же порядка, по-видимому, можно отнести появление полосатой раскраски покровов зебр и кошек.

В природе «горячие» объекты охлаждаются. Конкретные пути охлаждения разнообразны и сложны, и постоянно сопровождаются автокаталитическими процессами или стадиями. Это означает, что в ходе одной реакции образуются вещества, которые стимулируют последующий цикл реакций по принципу положительной обратной связи. Хаос в этих реакциях очень часто рождает спиральные волны и другие «геометрические» структуры. Образование большинства из таких структур скрыто от человеческого взгляда, ибо эти процессы происходят в биологических жидкостях, находящихся в тканях, сосудах.

Значение этих процессов в поддержании здоровья, вероятно, очень велико, оно еще только начинает исследоваться, но современный уровень знаний вполне позволяет предположить что они тесно связаны с изменением энергии и информации ряда физиологических процессов под влиянием холода.

Терморегуляция организма при воздействии холода

Действие холода на организм человека количественно определяется степенью охлаждения. Степень охлаждения отражает скорость охлаждения тела человека со средней температурой 36,5оС или количеством тепла, которое необходимо для того, чтобы поддержать его температуру на постоянном уровне.

Человеческий организм относится к открытым системам, которые постоянно активно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Однако в процессе такого обмена организм «обязан» сохранять постоянство своей внутренней температуры. По мнению И.П. Павлова система организма слагалась прежде всего под влиянием температурных, и лишь во вторую очередь под влиянием электрических, бактерийных и механических факторов.

Холодовое периферическое раздражение, в зависимости от его характера, силы и продолжительности включает различные «наборы» механизмов терморегуляции. При воздействии на организм водных процедур термический фактор имеет большее значение, чем механический или химический. Человек - гомойотерм («равномерно теплый»), и хотя его жизненные процессы протекают либо с потерей, либо с выработкой тепла, организм стремится к постоянному поддержанию индивидуальной температуры на самом благоприятном физиологическом уровне. Терморегуляция является сложной функцией центральной нервной и других регулирующих систем и содержит в себе физическую и химическую терморегуляцию.

К физической терморегуляции относится сохранение тепла за счет сужения сосудов и поступления к поверхностным сосудам при длительном воздействии холода теплой крови из внутренних органов. Первичные сигналы о температурном раздражении формируются в специфических нервных окончаниях - рецепторах, которые расположены в коже, стенках сосудов и в интерорецепторах внутренних органов. От них сигналы поступают в регулирующие центры, которые расположены в спинном, продолговатом и среднем мозге. Отсюда поток импульсов, в которых закодирована информация о температурных изменениях в различных участках организма, беспрерывно поступает в кору головного мозга. Анализ и синтез этой информации и обусловливает реакции целостного организма не только при общем, но и при местном температурном раздражении. Существуют специализированные (рефлексогенные) зоны периферических участков кожи, раздражение которых способно вызвать направленное изменение обмена веществ в конкретном органе. Так, при температурном раздражении стоп и голеней изменяется кровоток и интенсивность обменных реакций в коре головного мозга, холодовое раздражение кистей рук сказывается на кровотоке в сосудах сердца, холодная сидячая ванна вызывает сужение сосудов легких. Помимо рецепторов температурный раздражитель оказывает непосредственное влияние на гладкомышечные волокна сосудистой стенки. Их напряжение (тонус) снижается под воздействием тепла и усиливается при воздействии холода.

При сильном охлаждении, когда кожа приобретает синюшную окраску, у человека начинается озноб - фибриллярные подергивания мышц, что усиливает выработку тепла в организме.

Химическая теплорегуляция имеет в основе при воздействии холода повышенное сгорание безазотистых веществ - гликогена мышц, жиров. При необходимости организм «бросает» в метаболическую топку и белки.

Кожа оказывается довольно хорошо проницаемой для растворенных в воде газов, ароматических веществ, ряда катионов и анионов и микроэлементов. Эти вещества, проникая через кожу в кровь способны образовывать вторичные депо. Так бром накапливается в различных структурах головного мозга, а йод в щитовидной железе, дочерние продукты радона в корковой части почек, а железо - в эритроцитах. Активность проникновения различных веществ через кожу имеет четкую зависимость от температуры окружающей ее водной среды. Параллельно с нервными механизмами регуляции ответа организма на температурный раздражитель включается и активно действует «гуморальный» или жидкостной механизм регуляции. В нем активнейшая роль принадлежит клеткам, тканям и органам внутренней секреции. Надпочечники, гипоталамус, гипофиз, щитовидная железа очень быстро откликаются изменением интенсивности продукции и качества своих «соков» - гормонов на холодовое воздействие.

Поскольку организм человека представляет собой «самонастраивающуюся» систему он способен перестраиваться в ответ «на ситуацию», включая ряд информационных механизмов. Так при получении холодовой процедуры организм больного может бурно прореагировать на обстановку и целый ряд дистантных раздражителей (цвет, запах воды или газов и т.п.). Этот механизм включает саногенетические (восстанавливающие здоровье) реакции даже при использовании малых дозировок холодового раздражителя. Холодовые воздействия на небольшие участки тела, или короткие по времени общие холодовые процедуры способны мобилизовать тончайшие физико-химические или биохимические процессы, вызвать изменения в ферментно-белковых структурах клетки, способствовать образованию медиаторов обменных реакций, повышать интенсивность процессов окисления и восстановления. По данным профессоров Л.Х. Гаркави, М.А. Уколовой и Е.Б. Квакиной слабое пороговое раздражение физическим агентом способно вызвать перестройку гемоиммунной системы по типу реакций тренировки или активации. По словам известного физиотерапевта А.Н.Обросова «Каждая функциональная система - от первичной клетки до сложной ткани - работает на очень низком энергетическом уровне и поэтому малое количество поглощенной энергии повышает энергетические ресурсы клетки, а большое ее количество, напротив угнетает функциональную активность» (Цит. по В.Т. Олефиренко 1986).

Температура распределяется в организме неравномерно.

Еще в конце 19 века И.П. Павлов разделял органы теплокровных на 2 группы. Первая группа характеризуется постоянно высокой температурой. Вторая - органы способные изменять свою температуру гораздо ниже температуры глубоколежащих внутренних органов (на 10 и более градусов) при изменении внешней температуры среды.

Бартон и Эдхолм в 1955 г. предложили различать тепловую «оболочку» и тепловое «ядро» тела. К «оболочке» и «ядру» относят (соответственно, по 50% от массы тела) поверхностных тканей и внутренних органов. Температурный режим «оболочки» менее постоянен, чем ядра и в комфортных условиях ее температура ниже, чем температура внутренних органов. «Оболочка» более устойчива к низким температурам, и лишь при длительном охлаждении клетки кожи, подкожной клетчатки и мышц начинают претерпевать патологические ультраструктурные изменения. В обычных условиях за счет оболочки идет теплообмен организма с внешней средой. Ткани «оболочки» нагреты довольно неравномерно. Так, нормальная температура верхних конечностей находится обычно на уровне 30оС - 32оС. Периферические участки нижних конечностей на стопах имеют температуру около 26оС - 28оС.

Температура внутренних органов более постоянна (несколько выше 37оС). «Ядро» - менее устойчиво к понижению температуры. Понижение температуры тела человека на 1оС вызывает уменьшение интенсивности основного обмена на 6 - 7%. При снижении температуры «ядра» до 20оС возможна гибель организма. Однако при переохлаждении вначале происходит довольно длительное понижение температуры кожи и лишь спустя некоторое время возникает снижение температуры внутренних органов.

В целом, поскольку механизм терморегуляции организма человека регулирует больше не теплообразование, а теплоотдачу, температура тела не зависит напрямую от температуры окружающей среды.

В течение часа ткани организма вырабатывают такое количество тепла, что его хватило бы вскипятить 1 литр ледяной воды. Для поддержания стабильной температуры кожа выделяет около 0,5 кг пота, а на сильном морозе всего 3 - 4 грамма пота за час. При изменении внешней температуры наш организм включает помимо потоотделения целый ряд терморегуляторных механизмов, поддерживающих образование тепла в «биохимических котлах организма» и его отдачу во внешнюю среду. Если организм контактирует с прохладной воздушной или водной средой и отдача тепла начинает превышать его образование в организме, то в первую очередь наступает охлаждение поверхностного сосудистого слоя и протекающей по нему крови. Холодовых рецепторов кожи в 10 - 15 раз больше, чем тепловых. Принято считать, что на 1 см2 кожи размещается до 200 болевых, 25 тактильных, 2 тепловых и 12 -15 холодовых точек. Большая часть последних (их называли концевыми колбами Краузе) включается при снижении температуры до +12оС. К каждому квадратному сантиметру кожи подходит - до 14 нервных окончаний, реагирующих на холод и только 1 - 2 - на тепло. Тепловые рецепторы кожи подают электрические сигналы об изменении теплового равновесия в специальный участок мозга (гипоталамус) - в центры теплорегуляции. Этот центр, в свою очередь, «подаст команду» - пошлет в центростремительном направлении импульсы к повышению теплопродукции клетками организма. В зависимости от силы действия холода произойдет сужение кровеносных сосудов. Начнется повышенная выработка тепла в тканях , например, посредством мышечной дрожи. При этом в организме мышцами образуется почти в 3 раза больше тепла, чем в комфортных условиях в покое.

В настоящее время пересматривается положение о том, что тельца Руффини в коже реагируют на тепло, тельца Фатера-Пачини - на давление, а колбы Краузе - на холод. Вероятно, что большинство рецепторов кожи по своей функции поливалентно. Они способны попеременно включаться в зависимости от характера воздействия физических факторов внешней среды. Часть упомянутых рецепторов расположена в сосудистой стенке. Поэтому сосуды кожи также очень чувствительны к воздействию температурного раздражителя. Упомянутым рецептарам кожи и сосудов принадлежит важнейшая роль в развитии приспособительных реакций организма в период его адаптации к холоду. Так, кровоток в сосудах кожи при температурном раздражении может измениться в 100 - 180 раз. Кровь, как жидкая среда, обладает самой высокой теплопроводностью из всех, присущих организму тканей. Таким образом, сосуды кожи могут играть роль рефрижиратора или, при необходимости «замка» от потери тепла организмом.

Существует рефлекторная связь между кожей кистей и стоп и слизистой оболочкой дыхательных путей. Несмотря на то, что в дыхательные органы из внешней среды поступает холодный воздух, температура легких поддерживается такой же, как и у других органов «ядра» тела.

Высокая температура легочной ткани объясняется наличием у них особой жиросжигающей функции, обеспечивающей температурный гомеостазис при огромных температурных колебаниях вдыхаемого воздуха (от 90оС до -70оС, по данным В.Я. Крамских). Поддержание стабильной температуры легочной ткани необходимо для обеспечения необходимого насыщения кислородом притекающей к альвеолам венозной крови. Воздух, поступающий в легкие, нагревается и насыщается водяными парами за счет испарения некоторого количества воды. Нагревание воздуха происходит за счет сгорания энергетически богатых продуктов обмена - липидов.

Рассмотрим подробнее участие легких в теплопродукции и терморегуляции организма человека.

Основное предназначение легких - обеспечение организма кислородом и выведение из него продукта сгорания - углекислого газа. Легочная поверхность, по сути, тончайшая живая пленка площадью около 80 - 100 м2 , размеры которой вполне достаточны в норме для выполнения этой функции.

Однако эта «пленка» участвует и еще в целом ряде важнейших для организма процессов, в частности в обмене жиров - в их накоплении и, при необходимости, в расходовании. Уменьшение внутрилегочных окислительных процессов способствует накоплению жиров, а их увеличение приводит к дополнительному расходованию жиров для нужд всего организма. В условиях стресса надпочечники начинают выбрасывать в кровь повышенное количество адреналина. Это биологически активное вещество способствует выведению липидов из жировых депо и стимулирует их разложение в зоне наиболее активного окисления - в легких. Поэтому холод, как хорошо дозируемый стрессор, способен вымывать из атеросклеротических отложений в сосудах холестерин, мобилизовывать из сальника, подкожной жировой клетчатки липиды и способствовать рациональному «сжиганию» их в легких. Таким образом, легкие играют в организме важнейшую роль теплообразователя. Изменение окислительных процессов в легких при действии холода сопровождается целым комплексом приспособительных реакций. При умеренном, но длительном охлаждении возникает небольшое сокращение просвета бронхов (бронхоспазм), ослабление дыхания, урежение дыхательных движений.

Лишь при опасном для жизни выраженном охлаждении отмечается сильный спазм всех бронхов (тотальный бронхоспазм), начинается отек просветов мелких бронхиол и альвеол с «пропотеванием» в них плазмы крови и выходом за пределы сосудов клеток крови. Эти процессы могут вести к слипанию стенок альвеол (к ателектазам), что, в свою очередь, существенно уменьшает газообменную и теплообразовательную функцию легочной ткани. В этих случаях, в дальнейшем, могут наблюдаться выход плазмы и элементов крови под плевру, обеднение всей крови в организме кислородом и ее потемнение, в верхних дыхательных путях начинает скапливаться избыток жидкости. Она вспенивается, дополнительно затрудняя газообмен. В процессе затрудненного дыхания возможны разрывы межальвеолярных перегородок и образование крупных пузырей (эмфиземы). Подобные изменения наблюдаются при интенсивном охлаждении, особенно, у людей не приспособившихся к низким температурам среды.

При «разогреве» организма, в легких усиливается теплоотдача. При усилении обменных процессов вдыхаемый воздух в дыхательных путях начинает дополнительно прогреваться и насыщаться водяными парами.

Газотранспортная и теплообменная функции легких затруднены при болезненных изменениях аппарата дыхания. Так при болезнях альвеолярных легочных мембран, при эмфиземе легких, бронхоэктатической болезни, пневмониях, экологически обусловленных хронических дисфункциях легких диффузия кислорода через измененную мембрану затруднена. Даже дыхание газовыми смесями с повышенной концентрацией кислорода в таких условиях не нормализует газообмен в достаточной мере. В результате ткани организма испытывают в той или иной степени хроническое кислородное голодание, нарушение теплопродукции и снижение утилизации липидов.

Терморегуляция как функция покровных тканей

Кожа и слизистые выполняют защитно-связующую функцию между внутренней средой организма и окружающей природой. Температурная связь с природно-климатической средой осуществляется благодаря огромному количеству датчиков анализаторов - кожных холодовых и других рецепторов. Температурные раздражения определенного числа и определенных локализаций этих рецепторов дают начало «работе» поверхностных рефлексов по перестройке режима функционирования всех систем организма в соответствии с изменившимися условиями существования.

Отдача тепла с кожной поверхности в окружающую холодную среду складывается из теплопотерь за счет излучения и испарения, проведения и конвекции Интенсивность теплопотерь возрастает при снижении температуры окружающей среды и снижается при экранировании теплопотерь одеждой. В то же время она компенсируется увеличением теплопродукции органами телесного «ядра».

Интенсивность потери тепла организмом за счет излучения зависит от температуры окружающей воздушной или водной среды. Ношение одежды позволяет снизить теплопотери излучением почти вдвое.

Испарение играет охлаждаюшую роль при нахождении организма в воздушной среде. При погружении в воду испарение идет преимущественно через легкие. Интенсивность испарения с кожи зависит от метеорологических условий, влажности воздуха и от температуры открытых участков кожи. Последняя неодинакова в разных частях тела. Испарение с поверхности кожи протекает более интенсивно в сухом воздухе, но продолжается и тогда, когда воздух насыщен водяными парами, поскольку обычно кожа более нагрета, чем наружный воздух и менее насыщена влагой.

Потоотделение ограждает от большой потери организмом энергии и влаги.

Пот - особая жидкость, вырабатывется микроскопическими потовыми железами. На теле человека более двух миллионов таких желез. Они начинают функционировать через 3 - 4 месяца после рождения ребенка. Особенно много потовых желез в подмышечных, паховых областях, в области лица, ладоней (до 500 на 1 см2) и стоп, в складках под грудными железами. Потоотделение играет большую роль в терморегуляции организма. Отделение влаги и испарение пота происходит непрерывно при любой температуре. В обычных условиях в течение суток человек теряет до 600 мл пота. При повышении температуры окружающей среды или при выполнении физической работы потоотделение может увеличиваться до 9 л в сутки. При охлаждении роль этого механизма терморегуляции снижается.

Теплоотдача конвекцией зависят от того, с какой средой соприкасается кожа. Соприкосновение кожи с водой 20оС оказывает такое же охлаждающее действие, как и контакт кожной поверхности с воздухом при температуре 0оС. Это связано с большей теплопроводностью воды (примерно в 27 - 30 раз этот показатель выше, чем у воздуха).

Некоторые физиологические особенности процесса теплообразования и теплоотдачи

Замечено, что в случае охлаждения ног рефлекторно снижается температура слизистой трахеи и крупных бронхов. Если все же теплообразование не компенсирует возросший уровень теплоотдачи, то в организме формируется дефицит тепла, ведущий вначале к понижению температуры кожи, а затем и внутренних органов. При мощном холодовом сигнале, кроме того, кожа бледнеет, в связи с сужением даже крупных кровеносных сосудов. При этом отдача тепла во внешнюю среду уменьшается еще больше. Одновременно идет «прилив» крови к внутренним органам и в «ядре» организма температура повышается. Поэтому при обливаниях ледяной водой в русской бане или при растирании кожи снегом после парилки, хотя поверхностные сосуды суживаются, ощущается прилив тепла. Переходы от холодовой процедуры к горячей является своеобразной гимнастикой сосудов. При погружении разгоряченного тела в прохладную воду (в бассейн) тренирующий сосуды эффект усиливается. В таких условиях сердце способно снижать или увеличивать свою мощность в 6 - 8 раз. Это связано с тем, что плотность воды в 800 раз выше плотности тела. В воде на кровь и сосуды ослаблено действие гравитации. Все тело находится как бы в состоянии невесомости. В таких условиях сердцу легче нормализовать кровоток во всех регионах его сосудистой «империи».

При нарастании дефицита теплоты, начинает снижаться температура внутренних органов человека, и по мере этого снижения возникают субъективные ощущения прохлады, холода или очень сильного холода.

Ответные реакции организма на воздействие холода подчиняются закону количественной зависимости между силой раздражения и ответной реакцией организма. Установлено, что при увеличении холодовой нагрузки под влиянием воздушной ванны увеличивается количество потребленного кислорода. Так, под влиянием воздушной ванны в 25 ккал/м2 количество потребляемого кислорода увеличивается на 27 -30%, а при 45 ккал/м2 на 48 -53%.

Важной закономерностью является развитие приспособления (адаптации) к холодовому раздражителю. Оно наблюдается в самых различных физиологических системах организма. Имеет место также эффект суммации раздражителей: физиологическая активность лечения холодом увеличивается по мере расширения этих воздействий. Однако при очень интенсивных воздействиях возможен эффект запредельного торможения по И.П. Павлову. Так при купании в холодной воде у некоторых лиц появляются озноб, одышка, неприятные ощущения, головокружение и сердцебиение. Потребление кислорода при этом почти не возрастает. В данном случае купание оказалось сверхсильным раздражителем, превосходящим работоспособность (функциональные резервы) организма, что вызывает запредельное торможение нервной системы и изменяет ход процессов терморегуляции.

Закаливание холодом вызывает эффект последействия, который наблюдается после курса процедур. Он проявляется в благоприятном изменении биохимических показателей через длительное время после приема закаливающих процедур, в некоторых случаях, в течение нескольких месяцев и, даже, до года.

Холод может оказывать специфическое и неспецифическое действие на физиологические реакции организма. П.К. Анохин показал, что при лечебном климатическом воздействии все изменения в организме направлены на получение полезного физиологического результата, обеспечивающие наиболее экономное в данных условиях функционирование организма с наиболее низкой «энергетической себестоимостью» основных функций.

Теплоощущения и их значение для здоровья

(по В.Я. Крамских, 1986) .

Окружающая среда, воздействуя на рецепторный аппарат кожи, создает ощущения тепла, прохлады или холода. Но они достаточно субъективны. Так воздух при относительной влажности 20% и температуре 33оС создает такие же тепловые ощущения как насыщенный влагой воздух при температуре 25оС. Для жителей городских квартир в домах крупнопанельного строительства небезынтересно знать, что в помещениях, где воздух прогрет до 40оС, а стены только до 13оС человек будет ощущать холод. И, наоборот, если стены прогреты до 28оС, а температура воздуха - 3оС, человек не будет чувствовать его неприятного охлаждающего действия.

Температурная чувствительность разных людей неодинакова. Она по-разному изменяется у ослабленных людей разного пола и возраста. По чувствительности к холодовым воздействиям в первом приближении людей можно разделить на 2 типа:

а) лица малочувствительные к холоду. Это достаточно тренированные люди с более совершенными приспособительными и быстрыми реакциями на неблагоприятные изменения погоды, перепады температур окружающей среды. У этих людей, как правило, более высокая средняя температура кожных покровов. Они устойчивы к общему охлаждению и быстро отогреваются;

б) чувствительные и высокочувствительные к холоду люди. Они характеризуются более низкой средней температурой тела, пониженной температурой стоп, кистей рук, пальцев, ушных раковин, носа. Температура тела у них претерпевает значительные колебания в течение суток. Эти лица с трудом восстанавливают общую температуру тела при отогревании.

Чувствительность к холоду и другим физическим факторам резко повышается при заболеваниях. Известный отечественный биофизик А.Л. Чижевский, еще в 1930 г. писал, что больной организм следует рассматривать как систему, выведенную из состояния устойчивого равновесия. «Для таких систем достаточно импульса извне, чтобы неустойчивость постепенно или сразу увеличилась и организм погиб. Таким импульсом могут быть изменения в ходе метеорологических и гелиофизических факторов».

Чаще, подобные импульсы ведут не к фатальным последствиям, а к изменению функционирования отдельных функциональных систем организма. Так наиболее выраженные изменения при воздействии холода в районах Европейского Севера претерпевает вегетативная нервная система, за ней следуют изменения скорости кровотока, активности ряда ферментов, повышение в крови концентрации гормонов надпочечников и других желез, изменение активности клеток крови и т.п. При этом понижается средняя температура кожных покровов, изменяется противомикробная активность кожи и слизистых оболочек. У людей с патологией сердца и легких интенсивное воздействие холода способно вызвать сердцебиение, повышение артериального давления, нарушения кровоснабжения в сосудах легких, конечностей, мозга. У больных коронарным атеросклерозом «отклик» на воздействие холода и других метеофакторов нередко проявляется в нарушении механизмов регуляции сосудистого тонуса, в активности свертывающей и противосвертывающей систем крови. Отрицательные реакции чаще возникают при резком снижении температуры в сочетании с туманом и влажностью, при прохождении над местностью проживания холодного воздушного фронта с сильным ветром.

Воздух, которым мы дышим, при отсутствии загрязнения атмосферы, представляет собой биологически очень эффективную смесь азота (78,09%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). Особенно важно для организма присутствие в нем кислорода. Потребление его в течение года происходит неравномерно. В теплые сезоны - летом и осенью доля его годового потребления составляет 24% - 25% в сезон. В холодное время - зимой и весной потребление кислорода повышается на 1%. Минимум кислорода потребляется в июле, максимум - в январе. Но польза от вдыхания прохладного воздуха состоит не только в этом. В реальной атмосфере кроме перечисленных газов всегда содержится взвесь твердых и жидких веществ - от дымов, различной пыли до целого набора микробов и вирусов.

Эти частицы могут быть опасны для здоровья сами по себе, а могут впитывать (адсорбировать) различные раздражающие организм человека вещества, соли. Оседая на слизистых дыхательных путей, они способны затруднять работу альвеолярного эпителия и вызывать воспаление. В теплое время, при повышенной влажности воздуха, эти частицы могут свертываться и набухать. Если это происходит на поверхности легочных альвеол, то значительно снижается потребление легкими кислорода. Кроме этих частиц летом в легкие с воздухом поступает конденсат влаги. Водная пыль (в зоне прибоя, различные частички почвы и минеральных солей). В холодное время года, особенно при наличии снежного покрова раздражающая роль этих факторов значительно снижена, поэтому зима, во многом является одним из самых «удобных в плане оздоровления сезонов».

Организм, как биологическая система с незамкнутым циклом теплообмена существует до тех пор, пока продуцирует тепло. При недостаточности вышеуказанных процессов физической терморегуляции для поддержания постоянства температуры «ядра» около 37оС организм включает механизмы химической терморегуляции.

При недостаточной эффективности системы терморегуляции развивается переохлаждение (гипотермия). Это довольно динамичный и неоднозначный с физиологических позиций процесс, имеющий ряд стадий.

Стадии гипотермии

Существует патологический уровень гипотермии. Расстройство кровообращения при охлаждении наступает при снижении температуры тканей до +8оС +10оС и полностью прекращается при температуре +4оС +5оС. Восстановление кровообращения при постепенном согревании наблюдается при температуре +10оС +11оС через 2,5 часа. Снижение внутритканевой температуры в тканях может сопровождаться образованием льда. При -5оС - -8оС возможно замерзание тканевой жидкости. Это явление наблюдается при более низких, чем у воды температурах, поскольку биологические жидкости богаты солями и имеют коллоидные свойства. По данным С.Ф. Малахова, Н.С. Пушкаря и других ученых при медленном охлаждении наблюдается кристаллизация главным образом внеклеточной воды. Рост внеклеточных кристаллов вызывает дегидратацию и повышение концентрации электролитов внутри клетки. Обезвоживание клеток сопровождается образованием физических контактов между липопротеиновыми молекулами, что нарушает их функцию и ведет даже к разрыву при повторных отогревах и охлаждениях. Увеличение концентрации солей изменяет структуру белков, их буферные свойства и кислотность. При высоких концентрациях солей происходит потеря фосфолипидов мембран клеток, что ведет к повышению ее проницаемости для катионов и анионов. При отогревании таких клеток, вследствие изменения ионной силы растворов возможно осмотическое разрушение (лизис) клеток.

При резком и продолжительном охлаждении наиболее выраженные изменения обнаруживаются в системе кровообращения. Сужение мелких артериальных сосудов (артериол) появившийся в первое время после воздействия холода (в так называемый дореактивный период) сменяется расширением и параличом мелких отводящих сосудов - венул. Параллельное возбуждение вегетативной нервной системы приводит к увеличению выброса симпатических медиаторов -активных в отношении сосудов веществ. Такое повышение уровня адреналина в крови (знаменитый хирург Н.Н. Бурденко называл его «адреналовым синдромом») приводит к напряжению стенок и сужению более крупных периферических артериальных сосудов. Кровь от кожи и мышц (с периферии тела) уходит к центру - к внутренним органам. Такая централизация кровообращения вызывает нестабильность артериального давления и увеличение сосудистого сопротивления току крови в периферических отделах сосудистой сети. Если охлаждение приводит к отморожению, то характерной реакцией со стороны крови является повышение ее свертываемости. Возникающие сгустки клеток крови тромбируют сосуды в области холодового поражения, после этого могут наступать морфологические поражения тканей (некрозы). Процессы, развивающиеся в ранние сроки после холодовой травмы обратимы, и функция охлажденного участка легко восстанавливается, чего не скажешь о более позднем некротическом периоде.

Наряду с задачами выявления нарушений кровообращения при экстремальном воздействии холода, оценкой формирования некроза и будущей тканевой «границей его демаркации» важной проблемой для медицины остается изыскание средств для профилактики и лечения обморожений. В этой связи упомянем только об одном направлении.

В 1859 году Вюрцем впервые был получен полиэтиленоксид - полиэтиленгликоль. Для краткости будем ниже обозначать его аббревиатурой ПЭО. Этот продукт полимеризации окиси этилена с водой способен связывать воду с образованием обратимых комплексов. ПЭО хорошо растворим в воде, ацетоне, хлороформе, спирте, устойчив к физическим химическим воздействиям, обладает высокой гигроскопичностью. По структуре - это высокомолекулярный линейный полимер и будучи фармакопейным препаратом выпускался в различных странах под названиями «постонол», «карбовакс», «скурол», «макрогол». При введении через рот или в вену ПЭО оказался малотоксичным. Смитом и Карпентером показано, что совершенно безопасным можно считать прием ПЭО-400 внутрь даже в дозе 1,5 г/кг массы тела. ПЭО оказались активными защищающими от холода веществами (криопротекторами) для различных биологических объектов. Они обеспечивали их жизнеспособность при замораживании. Впервые это обнаружили Глаусер и Толбо, которые установили, что полимеры окиси этилена предохраняют эритроциты от разрушения при замораживании - оттаивании. В дальнейшем, на основе криозащитного действия ПЭО в практику были введены методы холодовой консервации клеток крови и костного мозга, спермы, кожи, эндокринных желез, роговицы глаза и т.п. Ю.В. Наточиным, Л.Н. Винниченко, Г.Б. Вонштейном и др. было установлено, что при внутривенном введении ПЭО резко усиливают мочеотделение (диурез) с выходом в мочу повышенного количества натрия. Можно достичь повышения диуреза в 300 раз. Вывод воды компенсируется поступлением ее из тканей и органов в плазму крови. В результате снижается внутриглазное давление, изменяется количественное содержание воды в тканях мозга, понижается внутричерепное давление. Введение в кровь небольшого количества специальных линейных высокомолекулярных полимеров повышает ее текучесть. Заметно (на 25%) увеличивается также напряжение кислорода в крови, а напряжение углекислого газа в артериальной крови снижается. Как установлено И.В. Ганнушкиной и соавт. в этом случае, хотя поперечное сечение кровеносных сосудов остается постоянным, наблюдается снижение артериального давления и увеличение кровотока в сонной, бедренной артерии и сосудах брыжейки. При внутривенном введении ПЭО из расчета 0,75 мг на 1 кг массы тела при искусственном ограничении доставки крови к мозгу (при перевязке магистральных артерий головы) сосуды хорошо наполнялись кровью, а скорость ее передвижения возрастала настолько, что сосудистая сеть становилась неотличимой от нормальной. Очевидно, что введение в кровь специальных линейных высокомолекулярных полимеров придает ее потоку ламинарный характер и снижает тенденцию кровотока к вихреобразованию в местах раздвоения и сужения кровеносных сосудов.

В опытах сотрудников кафедры термических поражений Военно-медицинской академии были установлены закономерности восстановления исходных температур тканей при быстром охлаждении конечностей животных до -5оС до -19оС. Если конечность охлаждалась до -5 - - 6оС, то после прекращения воздействия холодового раздражителя происходил быстрый подъем температуры до 0 - +5оС с непродолжительной задержкой на этом уровне. В дальнейшем восстановление глубокой температуры происходило быстрее, чем подкожной. При охлаждении тканей до -8оС и ниже (при этом возможно замерзание тканевой жидкости) подкожная температура восстанавливалась быстрее глубокой, вероятно из-за преобладания притока тепла от окружающего воздуха над доставкой тепла кровью. Введение в кровь животным ПЭО ускоряло восстановление глубокой температуры тканей. Эта процедура, кроме того, повышала устойчивость организма к охлаждению, сокращала общее время восстановления тканевых температур. Снижала скорость и распространенность развития посттравматического отека, а также протяженность некроза.

У человека механизмы сохранения и образования тепла

значительно усиливаются при снижении температуры тела с 35 до 32оС. В этом диапазоне температур в фазу возбуждения наряду с повышением частоты сердечных сокращений и кратковременным повышением артериального давления увеличивается частота дыхания и повышается обмен веществ. Если температура тела снижается до 32 - 28оС терморегуляторные реакции перестают справляться с интенсивной теплопотерей. В эту стадию истощения (по С.А. Тумасову, 1974, В.А. Букову, 1964 и др.) появляется мышечная дрожь, чувство озноба, возникает слабость и резко снижается работоспособность, дыхание становится поверхностным, обмен веществ замедляется, изменяется сознание, вплоть до появления тепловых галлюцинаций. При температуре 29 - 25оС снижается реакция на боль, сознание и возможно угасание жизненных функций.

Общая гипотермия организма может нести угрозу существования всему организму. Однако в природе существуют поразительные факты приспособления живых организмов к холоду. Вот некоторые характерные примеры из книги ученых Военно-медицинской академии «Острая гипотермия» (Наука,1997): «A. U. Smith (1959) изучая фауну литоральной зоны, обнаружил, что морские животные этой зоны, подвергаются воздействию температуры гораздо ниже 0оС. Так, например, в зимнее время, когда вода отступает от берегов залива Кейн-Код (Массачусетс), некоторые виды литоральной фауны - устрицы, мидии, улитки и др. подвергаются воздействию температуры от - 15оС до -30оС. Температура тела у них настолько понижается, что спустя 2 часа почти не отличается от температуры окружающей среды, а иногда в теле образуется лед. Тем не менее, после оттаивания в лабораторных условиях животные быстро оживали. В естественных условиях они в течение нескольких недель подвергаются замораживанию и оттаиванию.

Международной ассоциацией «Марафонское плавание», созданной в Москве в 1990 году, получены выдающиеся данные о времени нахождения в воде пловцов. Так 3 ноября 1991 года Н.Т. Михайлова на соревновании по зимнему плаванию преодолела 10 в холодной воде температурой +9оС за 4 ч 58 мин без применения теплоизолирующих средств. По заключению врачей, обслуживающих эти соревнования, это не отразилось на состоянии ее здоровья. Сопоставление этих примеров свидетельствует об огромных резервных возможностях человека, а также о том, что не всегда они используются полностью и эффективно, что требует изучения, обоснования...».

Чувствительность организма конкретного человека к холодовому воздействию зависит от целого ряда факторов, основное значение, среди которых принадлежит следующим:

а) возрасту (легко переохлаждаются дети из-за несовершенства терморегуляции, хуже переносят переохлаждение лица старшего возраста);

в) конституции (более устойчивы к холоду лица с большей выраженностью подкожно-жирового слоя. Теплопроводность кожи у худых людей почти в полтора раза выше, чем у полных за счет выраженности у последних подкожно-жирового слоя.);

г. состояния здоровья и тренированности (у лиц с заболеваниями сердца, почек, эндокринной и других систем чувствительность к холоду повышена). Хорошо восстанавливается уровень терморегуляции после охлаждения у лиц средней физической тренированности;

д. наличия адаптации к воздействию холода или наличие холодовых травм.

Температурное возбуждение

Существует еще одна разновидность гипотермии, которая, по-видимому, идет организму не во вред, а во благо. Она связана с явлением холодового возбуждения (гормезиса). Вообще понятие гормезис возникло в 40-е годы нашего столетия, когда начались исследования малых доз ядовитых веществ на биологические объекты. «Hormao» - по-гречески - возбуждать или толкать. Термин «гормезис» был предложен для употребления Сауземом и Эрлихом, наблюдавших стимуляцию роста вредных для растений грибов под влиянием малых доз ядовитого экстракта коры туи. К 50-м годам накопились сведения о том, что ускорение роста, увеличение продолжительности жизни различных биообъектов можно наблюдать при воздействии на организм не только сверхмалых доз ядовитых химикатов, но и при воздействии самых разнообразных физических факторов, включая радиационные и тепловые.

Эффект гормезиса очень часто наблюдается при различных экспериментах и в клинических исследованиях, но ученые обычно «отмахиваются» от этих данных, противоречащих их господствующей позиции о прямой связи раздражения (воздействия) и биоэффекта.

Основное положение созданной в 50-х годах Luckey концепции гормезиса, состоит в том, что любой фактор физической, химической или биологической природы может выступать в роли стимулятора. При этом следует использовать в дозы значительно меньше, вредного для организма уровня. Показано, что даже канцерогены в очень высокой степени разведения способны оказывать противоопухолевое воздействие.

Из физических факторов явление гормезиса наблюдается не только при кратковременных воздействиях низких температур, но и при общем облучении организма ионизирующей радиацией в малых дозах.

Объяснение этих фактов, пока, во многом умозрительно. Эффект гормезиса связывают с адаптационными способностями живых организмов. В гипотезе «Парадигма предвещения» предполагается, что физический или иной фактор является как бы носителем некой «информации» которая узнается системами организма и запускает цепь полезных приспособительных реакций.

Но уже сейчас холод используется очень широко с целями восстановления здоровья. Сложилась и развивается наука - криотерапия (применение низких температур для охлаждения тканей, органов или всего организма с целью проведения лечебных воздействий). Как указывалось выше, раздел этой дисциплины, искусственная гипотермия, использует снижение температуры человеческого тела с целью снижения реактивности организма, например, при необходимости длительных и обширных хирургических вмешательств. Как в хирургии, так и в косметологии широко используют методы криодеструкции - разрушение замораживанием патологических очагов на слизистых и кожных покровах человеческого тела. Однако возможности криотерапии этим далеко не исчерпываются.