11

Лекция 12

ТЕПЛООБМЕН (ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ)

ПЛАН:

1. Температурный гомеостаз (Понятие о терморегуляции, пойкилотермия, гомойтермия).

2. Химическая и физическая терморегуляция и ее механизмы.

3. Терморегуляция при физической работе.

1. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГОМЕОСТАЗ.

Температура среды, окружающей организм, оказывает большое влияние на его физиологическую актив­ность. На Земле температура колеблется от -50 до +60^о С. Однако, температурный диапазон, в котором способны функционировать клет­ки, составляет всего около 50^о С.

Живые клетки замерзают при нескольких гарусах ниже 0^оС (при этом замерзании тканей, образующиеся кристаллы льда разрушают тонкие клеточные структуры). При температуре выше 45^о С происходит денатурация белков.

Температура сильно влияет на метаболизм живой ткани, так как скорость биохимических реакций зависит от температуры окружающей среды и обычно возрастает в два-три раза на 10 повышения темпе­ратуры.

В живом мире существует ДВА ОСНОВНЫХ СПОСОБА РЕАГИРОВАНИЯ НА ВНЕШНЮЮ ТЕМПЕРАТУРУ: ГОМОЙОТЕРМИЯ и ПОЙКИЛОТЕРМИЯ.

ГОМОЙОТЕРМИЯ - характеризуется поддержанием постоянного уровня температуры тела, независимо от температуры окружающей среды, поддержанием ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО состояния.

Такой способ реагирования на изменение температуры внешней среды, поддержание изотермии, свойственен высшим животным и чело­веку. Эти организмы называются гомойотермными или теплокровными. Изотермия обеспечивается механизмами терморегуляции, которые поз­воляют животным функционировать в температурных условиях, обеспе­чивающих оптимальную активность ферментов.

ПОЙКИЛОТЕРМИЯ - характеризуется изменением температуры тела в зависимости от температуры окружающей среды.

Пойкилотермия наблюдается у большинства беспозвоночных и низших позвоночных животных, иногда называемых - холоднокровными.

ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛА ЗАВИСИТ ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА И ОТ ВЕЛИЧИНЫ ТЕПЛОПОТЕРЬ.

ТЕПЛООБРАЗОВАНИЕ (ТЕРМОГЕНЕЗ) происходит вследствие непре­рывно совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протека­ют во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах, производящих активную работу - в мышечной ткани, пече­ни, почках, - выделяется большее количества тепла, чем в менее активных - соединительной, костной, хрящах - тканях.

ПОТЕРЯ ТЕПЛА ИЛИ ТЕПЛООТДАЧА органами и тканями зависит в большей степени от их месторасположения: Поверхностно расположен­ные органы, например кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения.

Отсюда следует, что температура разных органов различна. Распределение температуры тела весьма сложно, т.к. факторы, вли­яющие на локальные температуры в тканях, неодинаковы в разных частях тела и изменяются во времени.

Более глубоко расположенные ткани теплее, чем более поверх­ностные. Наибольшая разница (градиент) существует между темпера­турой поверхностного слоя тела (кожи) и глубокими (центральными) частями тела.

Хотя внутри тела температура несколько варьирует (разница в пределах 0,1^о С), для упрощения принимается, что она одинакова для расположенных там тканей. ОНИ СОСТАВЛЯЮТ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ЯДРО ТЕЛА.

Это ядро окружено изолирующей оболочкой - слоем более по­верхностно расположенных тканей. Температурная оболочка тела включает те его части, в пределах которых имеются значительные температурные градиенты и которые изменяют свою температуру при различных тепловых воздействиях.

Термины "ТЕМПЕРАТУРНОЕ ЯДРО" и "ОБОЛОЧКА ТЕЛА" имеют функци­ональный, а не анатомический смысл, поскольку их размеры изменя­ются в зависимости от теплового режима тела и их нельзя строго связать с определенными частями тела.

ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ РАВНОВЕСИЕМ (БАЛАНСОМ) МЕЖДУ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЕМ В ОРГАНИЗМЕ И ТЕПЛООТДАЧЕЙ ВО ВНЕШНЮЮ СРЕДУ.

Если оба эти процесса количественно одинаковы, температура тела остается неизменной, т.е. чтобы температура тела оставалась постоянной, необходимо, чтобы отдача тепла была равна его притоку (в результате метаболической теплопродукции или из внешней сре­ды). Такой баланс удобно описывать уравнением:

B = M + P + R + C + E (ккал/час/м²), где,

B - тепловой баланс;

М - собственная теплопродукция;

P - передача тепла за счет проведения;

R - передача тепла за счет излучения;

C - конвекция, т.е. передача тепла в движущийся поток воздуха (воды);

E - передача тепла за счет испарения.

Когда теплопродукция превышает теплоотдачу, температура тела повышается, наблюдается ГИПЕРТЕРМИЯ, например, при мышечной рабо­те.

ГИПЕРТЕРМИЯ - состояние, при котором температура тела подни­мается выше 37^о С. Она чаще всего возникает при продолжительном действии высокой температуры окружающей среды, и особенно при влажном воздухе, и, следовательно, небольшом потоотделении.

РЕЗКАЯ ГИПЕРТЕРМИЯ, при которой температура тела достигает 40-41^о С, сопровождается тяжелым общим состоянием организма и но­сит название ТЕПЛОВОГО УДАРА.

ТЕПЛОВОЙ УДАР выражается:

1. в головной боли,

2. тошноте, рвоте,

3. потери сознания,

4. прекращении потоотделения,

5. Покраснении кожи, вследствие расширения перифери­ческих сосудов.

Если жара продолжается, повышение температуры оказывает повреждающее действие на ткани головного мозга и всей нервной системы и, в конечном счете, приводит к смерти.

Кроме перегревания в жарком и влажном воздухе, тепловой удар может возникать и под влиянием эндогенных факторов, усиливающих теплообразование в организме, например, физическое напряжение, усиленное питание, являются факторами, способствующими перегрева­нию.

В том случае, когда теплоотдача превышает теплопродукцию, температура тела снижается ниже 35^оС, наступает ГИПОТЕРМИЯ.

2. Химическая и физическая терморегуляция и ее

МЕХАНИЗМЫ.

Температурный баланс или температурный гомеостаз достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции. Терморегуляция проявляется в форме взаимосочетания процессов теплообразования и теплоотдачи. Эти процессы регулируются нервно-эндокринным путем.

Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ осуществляется путем изменения уровня теплообразования, т.е. усиления или ослабления интенсив­ности обмена веществ в клетках организма.

ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ осуществляется путем изменения ин­тенсивности отдачи тепла.

У человека усиление теплообразования вследствие увеличения интенсивности обмена веществ отмечается при снижении температуры окружающей среды ниже оптимальной температуры или зоны комфорта. Эта зона находится в пределах 18 - 20^оС, а для обнаженного чело­века - 28^оС.

Наиболее интенсивное теплообразование в организме происходит в мышцах. Даже в неподвижном состоянии, но с напряженной мускула­турой теплообразование повышается на 10%.

Небольшая двигательная активность увеличивает теплообразова­ние на 50-80 %, а тяжелая мышечная работа увеличивает его на 400-500 %.

В условиях холода теплообразование в мышцах увеличивается, даже в неподвижном состоянии, за счет рефлекторно вызванной дрожи (озноба). При этом естественно увеличиваются обменные процессы, потребление кислорода и углеводов мышечной тканью, что и влечет за собой повышение теплообразования.

В химической терморегуляции, кроме мышц, значительную роль играют печень и почки.

Освобождение энергии в организме совершается за счет окисли­тельного распада белков, жиров и углеводов. Поэтому все механиз­мы, регулирующие окислительные процессы, регулируют и теплообра­зование.

ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ осуществляется путем изменения от­дачи тепла организмом.

ТЕПЛООТДАЧА ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПУТЕМ:

• теплоизлучения (радиационная теплоотдача),

• теплопроведения, т.е. отдачи тепла веществам, соприкасаю­щимся с поверхностью тела,

• испарения воды с поверхности кожи и легких.

• конвекции, т.е. движения и перемешивания нагретого теплом воздуха,

У человека потеря тепла путем теплопроведения имеет неболь­шое значение, вследствие наличия одежды.

Радиация, испарение и конвекция протекают с различной интен­сивностью в зависимости от температуры окружающей среды. У чело­века при температуре воздуха около 20^оС и суммарной теплоотдаче, равной 419 кДж (100 ккал) в час,

радиация составляет - 66 %,

испарение воды - 19 %,

конвекция - 15 % общей потери тепла организмом.

При повышении температуры окружающей среды до 35^оС теплоот­дача посредством радиации и конвекции становится невозможной и теплоотдача осуществляется исключительно посредством испарения воды с поверхности кожи (60 %) и альвеол легких (40 %).

Характер отдачи тепла телом изменяется в зависимости от ин­тенсивности обмена веществ. При мышечной работе возрастает значе­ние теплоотдачи, посредством испарения воды.

Одежда уменьшает теплоотдачу. В значительной мере препятствует теплоотдаче слой жировой клетчатки в связи с малой теплоп­роводностью жира.

Механизмы тплооотдачи

1. ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ КРОВОТОКА.

Температура кожи, а следовательно, интенсивность теплоизлу­чения и теплопроведения могут изменяться в результате перераспре­деления крови в сосудах и при изменении объема циркулирующей кро­ви.

На холоде кровеносные сосуды кожи (главным образом артерио­лы) сужаются: большее количество крови поступает в сосуды брюшной полости и тем самым ограничивается теплоотдача.

При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи рас­ширяются, количество циркулирующей крови в них увеличивается. Возрастает также объем циркулирующей крови во всем организме вследствие перехода воды из тканей в сосуды, а также вследствие перехода крови из депо в общий кровоток.

Увеличение количества крови, циркулирующей через сосуды по­верхности тела, способствует теплоотдаче посредством РАДИАЦИИ и КОНВЕКЦИИ.

2. ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ (ПОТА).

Для сохранения постоянства температуры тела человека при вы­сокой температуре окружающей среды основное значение имеет испа­рение пота с поверхности кожи. Испарение воды зависит от относи­тельной влажности воздуха.

На высокую эффективность потоотделения указывает тот факт, что 1 л пота у человека весом 75 кг понижает температуру тела на 10^оС. В сутки человек может выделить 10 - 15 л пота, а уже испа­рение 5 - 6 л пота способно полностью обеспечить изотермию.

Для превращения 1 мл жидкости (пота) в пар при нормальной температуре тела организм должен расходовать 0,58 ккал, или 580 ккал на испарение 1 л пота. Эта тепловая энергия, необходимая для парообразования, называется ЛАТЕНТНЫМ ТЕПЛОМ ПАРООБРАЗОВАНИЯ.

Зная общие потери жидкости, в определенных условиях, можно рассчитать теплопотери. Общие потери жидкости возможно определить весьма простым способом - точным взвешиванием.

При интенсивном потоотделении, вместе с водой из организма выводятся и некоторые соли, минеральные вещества, которые играют важную роль в нормальном функционировании организма. Вследствие этого нарушается водно-солевой баланс организма.

Как уже отмечалось, потоотделение является решающим элемен­том в защите организма от перегревания. Объем потоотделения повы­шается пропорционально интенсивности физической нагрузки. В сред­нем спортсмен теряет 1 литр воды за 1 час тренировки и от 1,6 до 2,4 литра за 1 час соревнований.

С другой стороны потеря 1 литра воды приводит к снижению фи­зических возможностей приблизительно на 20 %. Потеря жидкости, составляющая 10% от массы тела, может быть фатальной. Это ведет к уменьшению объема крови, падает объем сердечного выброса. Кровь в большей мере поступает к работающим мышцам, а кровоток к коже уменьшается, что вызывает опасное повышение температуры тела.

Отмечается, что при потере воды в количестве 750 г в 1 час питье восстанавливает потерю только на 55%. Вследствие этого не­обходимо пить до появления жажды (J.P.Mondenard de, 1986).

Необхо­димо соблюдать определенный питьевой режим, особенно при длитель­ной работе. По последним данным во время работы необходимо обяза­тельно пить, по возможности каждые 3 мин, по 20-30 г. Пить лучше молоко, которое по составу близко к поту (чтобы восполнить потерю воды, солей и др. веществ).

Так как некоторая часть воды испаряется легкими в виде па­ров, насыщающих выдыхаемый воздух, Дыхание также участвует в тер­морегуляции. При повышении температуры окружающей среды ДЫХАТЕЛЬ­НЫЙ ЦЕНТР РЕФЛЕКТОРНО ВОЗБУЖДАЕТСЯ, дыхание учащается, ПРИ ПОНИЖЕ­НИИ - УГНЕТАЕТСЯ, дыхание становится менее глубоким.

Учащение дыхания при повышении температуры у млекопитающих и птиц называется ТЕПЛОВОЙ ОДЫШКОЙ и является еще одной формой от­дачи тепла путем испарения. При этом объем воздуха, проходящего над влажными поверхностями дыхательных путей, резко возрастает.

Тепловая одышка эффективна только на некоторое время, потому что, если она длится долго, нарушается кислотно-щелочной баланс организма, вследствие усиленного выделения СО₂ и возникающего ал­калоза (повышения рН крови).

К проявлениям физической терморегуляции относится также из­менение положения тела (сворачивание в клубок животных) при холо­де.

Рудиментарное значение для человека имеет проявление физи­ческой терморегуляции в форме реакции кожных мышц ("гусиная ко­жа").