Fiziologiya (1) / обмен веществ / Фізіологія теплообміну

Фізіологія теплообміну

Основні питання: Значення теплообміну. Гомойотермні і пойкілотермні організми. Теплопродукція і тепловіддача. Шляхи віддачі тепла – конвекція, радіація, випаровування. Теплорегуляція в умовах низьких температур. Теплорегуляція в умовах високих температур. Адаптація і її види.

Із попередньої лекції ви знаєте, що тепло в організмі утворюється і в інші види енергії не перетворюється і підлягає виведенню з організму. Енергія в організмі утворюється в двох випадках: 1)енергія основного обміну і 2) енергія, що утворилася при виконанні роботи.

Якщо у машині тепло є супутником механічної енергії і є шкідливим, то в організмі теплоутворення крайнє необхідне – це одна із констант гомеостазу, створюються оптимальні умови для ферментативних процесів, що проходять в організмі.

Яке ж значення теплообміну:

• підтримка в нормі температури тіла – 36,5 – 36,9 ^°C,

• створює оптимум для всіх фізіологічних функцій організму,

• створює оптимум для ферментативних процесів. Людський організм – удосконалений термостат.

В залежності від характеру теплообміну усіх тварин поділяють на 2 групи:

• ГОМОЙОТЕРМНІ – тварини, що мають постійну температуру організму незалежно від температури навколишнього середовища.

• ПОЙКІЛОТЕРМНІ – тварини, що не мають постійної температури тіла, температура тіла залежить від температури навколишнього середовища.

Гомойотермія або ізотермія – приклад більш удосконаленої регуляції, що появилася в процесі еволюції. Тканини гомойотермних тварин зберігають життєдіяльність при порівняно невеликих коливаннях температури (26 – 43 ^°C). Реакції гомойотермних організмів більш стійкі, протікають більш швидко і раціонально при різних температурних умовах, що показує краще пристосування до навколишнього середовища.

У пойкілотермних же тварин величина і характер реакцій залежить від температури навколишнього середовища.

Існують і проміжні групи тварин у яких температура може змінюватися напротязі доби.

У летючої миші вдень температура залежить від навколишнього середовища (пойкілотермність), вночі – гомойотермність. У гомойотермних тварин, що впадають в зимовий сон, температура тіла падає на декілька градусів.

Гомойотермні організми можуть підтримувати постійну температуру і постійний рівень активності незалежно від навколишньої температури, що дає їм перевагу над пойкілотермними організмами. Однак і пойкілотермні мають деякі переваги, коли харчові продукти мають сезонні зміни. Так, жаби можуть витримувати тривалу відсутність їжі під час охолодження.

Найбільш удосконалений теплообмін у людини. Людина найбільш стійка до перегріву. Напротязі двох годин людина може знаходитись при температурі 50 ^°C і сухому повітрі без зміни своєї температури. У собаки при цьому температура досягає 40 ^°C уже через годину.

Така різниця розвитку терморегулюючих пристосувань у філогенезі. В онтогенезі терморегуляція удосконалюється з віком. У новонароджених дітей терморегуляційний механізм іще не відрегульований, особливо у недоношених дітей (тому таких дітей тримають у кювезах). У дитини лише один крик може визвати підвищення температури. Діти більш чутливі до коливань навколишньої температури, ніж дорослі. Особливо організм дитини гірше пристосований до низької температури, коли дуже швидко наступає переохолодження.

Найбільш постійна температура у людини в пахвовій ямці – 36,5 – 36,9 ^°C. У прямій кишці вона на 0,5 ^°C вище – 37,2 – 37,5 ^°C. Оральна температура нижче ректальної на 0,2 – 0,5 ^°C. На шкірі лоба – 33,5 ^°C, ніг – 24,4 ^°C, мочці вуха – 28,0 ^°C. На закритих частинах тіла – 29 – 33,9 ^°C. Сама висока температура у печінки – 38 ^°C. Температура крові, відтікаючої від легенів, має низьку температуру.

1

Вимірюють іще так звану тимпанічну температуру. По температурі в зовнішньому слуховому проході судять про температурний комфорт організму. Коли організму холодно, то ця температура складає 28 ^°C, прохолодна – 28,9 ^°C, комфорт – 31,0 ^°C, жарко – 32,0 ^°C. Температура може змінюватись від фізичного навантаження. У марафонця ректальна температура може складати 41 ^°C. Спортсмени знають такий термін, як розігрівання м’язів для того, щоб можна було виконати певне навантаження.

Таким чином, температура тіла як правило вище температури навколишнього середовища. Температура тіла людини змінюється напротязі доби. Причому, ці коливання протікають в такому ж напрямку, як зміни витрат енергії і обміну речовин. Найбільш високий рівень температури відмічається у денні часи між 12 і 16 годинами. Потім температура поступово знижується і біля 4 годин ночі досягає свого мінімума – 36 ^°C, після чого знову починає підніматися.

Підтримка постійної температури у людини забезпечується постійним врівноваженням систем двох механізмів – теплопродукції і тепловіддачі.

Процес регуляції теплообміну може йти в двох напрямках при зміні умов – в сторону зміни теплопродукції або тепловіддачі. Чим більш інтенсивні хімічні процеси в організмі, тим більше утворюється тепла. Регуляція теплопродукції відбувається завдяки регуляції інтенсивності хімічних, екзотермічно протікаючи процесів. Звідси умовна її назва – хімічна терморегуляція.

Тепловіддача є найбільш інтенсивною в тих органах, які найбільш поверхнево розміщені і обумовлена фізичними процесами конвекції, радіації, випаровування. В нормі випаровується до 700 – 800 мл води.

На конвекцію – віддачу тепла шляхом контакту більш нагрітого тіла з менш нагрітим припадає 15 % (12% - віддача через повітря і 3 % через предмети). На радіацію – випромінювання тепла – 66 %, на випаровування – 19 % в стані спокою. Як мінімум виділяється і випаровується 500 мл поту. Крім цього, невелика частина тепла тратиться на нагрівання їжі, повітря в легенях, губиться тепло з калом та сечею – 3 %. Температурним комфортом є 18 – 20 ^°C, у воді величина комфорту вище, так як вода охолоджує тіло у 14 разів сильніше повітря.

Існує поняття ефективної температури. Кожний ранок в санаторії оголошують t^° повітря, t^° води, швидкість руху повітря, вологість і ефективну температуру, ту t^° яку ми відчуваємо. Скажімо, t^° повітря 23 ^°C. Якщо буде підвищена швидкість руху повітря або вологість, то ми по різному будемо відчувати цю t^° . В першому випадку відчуваємо прохолоду, в другому – духоту.

Теплорегуляція в умовах низьких температур. Переохолодження організму при цьому не відбувається і температура тіла залишається постійною. Загроза переохолодження в збільшеній тепловіддачі. Збільшується конвекція, яка залежить від величини охолоджуваної поверхні і різниці температур між поверхнею тіла та навколишніми предметами (повітрям). Має значення також швидкість руху повітря.

Радіація також збільшується. Вона залежить від величини поверхні і від різниці температур тіла та стін. Лише випаровування не збільшується, але менше певного мінімума не знижується. Існує невідчутне випаровування, perspiratio insensibilis при цьому виділяється із організму – 300 ккал тепла.

При випаровуванні 1 гр. води виділяється 0,58 ккал. тепла, а при випаровуванні 1 гр. поту – 0,62 ккал.

В середовищі з низькими температурами затрачене тепло компенсується за рахунок збільшення теплоутворення в зв’язку з підвищенням обміну речовин і енергії (це має місце у печінці, нирках). Але особливо збільшується обмін у скелетних м’язах при руховій активності. Має місце рефлекторне скорочення окремих груп м’язів, так звані мимовільні рухи (тремтіння), постійний м’язовий тонус, специфічно-динамічна дія їжі.

Людина збільшує свою рухову активність. Коли рухові імпульси з еферентних волокон на м’язи передаватися і не будуть, обмін в них все одно буде підвищеним. Це нескорочувальний термогенез на відміну від терморегуляційного тонусу і мікровібрації, нескоротливий термогенез, який забезпечується бурим жиром, який знаходиться між лопатками, навкруги магістральних судин та симпатичного ланцюжка.

2

Методом електрографії (Слонім) було виявлено, що перш за все терморегуляційні скорочення м’язів у людини проявляється у m. masseter, потім m. pectoralis, а тоді м’язи шиї. Менше всього в цей процес вмикаються м’язи кінцівок.

Таким чином, дійсно терморегуляційними м’язами є позно-тонічні, антигравітаційні м’язи. Локомоторні м’язи вмикаються тільки при дуже сильному охолодженні, або у організмів з малими розмірами тіла. Біологічне значення такого розподілу функцій в тому, що дійсно хімічна терморегуляція відбувається тільки в стані м’язового спокою. При рухах утворювана енергія компенсує збільшену віддачу тепла.

Регуляція ізотермії відбувається рефлекторно, формується функціональна система, яка буде включати різні складові в залежності від температури навколишнього середовища. При низьких температурах відбувається збудження холодових рецепторів шкіри і судин у яких збудливість підвищена. Імпульси по спино-таламічному тракту йдуть до гіпоталамуса в його задню область, що викликає адренергічний (симпатергічний) ефект. Адреналін, як медіатор викликає звуження судин шкіри, що приводить до зменшення температур між поверхнею тіла і навколишнім середовищем. Тим самим зменшується тепловіддача за рахунок конвекції та радіації. Підключається також і гормональна регуляція: адреналін, тироксин, простагландини групи Е, які викликають звуження судин. Людина приймає позу, при якій зменшується поверхня тепловіддачі. Відбувається перерозподіл крові. Вона депонується у органах черевної порожнини, в артеріовенозних анастомозах. Випаровування поту стає мінімальним завдяки зменшеному потоутворенню. Велика роль і підшкірної жирової клітковини. Допомагає людині і одежа, де t^° до + 30 ^°C.

Суб’єктивні відчуття не співпадають з дійсним станом теплообміну в організмі. При сп’янінні судини розширюються, створюється відчуття тепла, температурного благополуччя, а в дійсності людина в цей час замерзає.

Якщо ж температура навколишнього середовища вище оптимальної, то по аферентних волокнах того ж таки спино-таламічного тракту йдуть в передню область гіпоталамуса, середній мозок (ядра ретикулярної формації, ось чому при децеребрації порушується у тварин терморегуляція), спинний мозок (вегетативні нейрони бокових рогів).

Збудження пре оптичної області гіпоталамуса сприяє розширенню кровоносних судин шкіри, що призводить до підвищення температури шкіри і збільшення тепловіддачі. Преоптичні ядра через симпатичні холінергічні волокна впливають на потові залози, виділяється більше поту і збільшується випаровування. Все це призводить до збільшення фізичної і зменшення хімічної терморегуляції. Менше виробляється тепла. Змінюється поведінка: зменшується рухливість, розслаблена поза.

Людині інколи приходиться жити і працювати в різних умовах підвищеної температури.

Високі температури мають два варіанти терморегуляції в залежності від того, чи вище температура тіла від навколишнього середовища, чи нижче. Якщо вона нижче (35 ^°C), то виникають умови для максимальної тепловіддачі. Шкіра червоніє, стає гарячою, що веде до деякого збільшення різниці температур тіла і навколишнього середовища, отже підсилюється конвекція і радіація. Особливо збільшується потовиділення і його випаровування. Людина приймає таку позу , що збільшує поверхню тепловіддачі. Рухова активність зводиться до мінімума. Це приводить до деякого зниження теплоутворення. У робітників гарячих цехів повинна бути відповідна одежа – бавовняно-паперова, яка б всмоктувала піт і збільшувала поверхню випаровування. Повинен бути відповідний водний режим: вода для пиття повинна бути мінералізованою, так як з потом виділяються мінеральні солі, газованою, щоб скоріше всмоктувалась в ШКТ. Необхідно у воду добавляти вітаміни (пивні дріжджі), напої із хлібного квасу. Робітники гарячих цехів можуть виділяти 5 – 10 л поту за зміну.

Для покращення випаровування поту необхідний рух повітря (вентиляція) і сухе повітря. Ось чому у гарячих цехах повинні бути такі умови. Інколи роблять розпилювання води, щоб шляхом конвекції навколишнє повітря охолоджувалося.

Можуть бути умови, коли температура навколишнього середовища вище температури тіла. В даному випадку віддача тепла буде лише єдиним шляхом – через випаровування.

Можна виділити пустинну (АРІДНУ) і ЮМІДНУ (субтропіки) зони. Арідні умови характеризуються тим, що вдень температура може досягати 50 – 60 ^°C, а вночі може бути холодно. Одежа повинна бути ватною, хутряна шапка, чоботи. Відбувається відокремлення

3

організму від навколишнього середовища. Між оболонкою організму і одежею t^° постійна і менше навколишньої, свій мікроклімат. Необхідно приймати гарячий чай, який додатково збуджує теплові рецептори і активуються механізми терморегуляції на високу температуру, хімічна терморегуляція буде мінімальною.

ЮМІДНА зона має температуру високу як вдень так і вночі, підвищена і волога.

Адаптація жителя бореальної зони відбувається від 1 місяця до 1 року. Етапи адаптації:

1. Надлишкова компенсація: збільшується частота серцевих скорочень, легенева вентиляція, виділення поту, спрага, зменшується маса води організму на 2 %.

2. Привикання із зміною температури тіла в сторону підвищення (37,2 – 37,3 ^°C). Рівень роботи органів зменшується.

3. Енергетична адаптація – зменшується основний обмін і потреба у воді.

4. Нервова і гуморальна регуляція забезпечує зменшення затрати води через піт (відбувається виснаження потових залоз), менше губиться солей.

У аборигенів повинен бути режим праці відпочинок через кожні 90 хв., обов’язкове м’язове навантаження.

У аборигенів співвідношення оболонки і ядра на користь оболонки: довгі тонкі кінцівки і малий тулуб.

При скороченні м’язів ніколи не скорочуються усі рухові одиниці. Виробляється менше енергії і тепла.

Кровоносні судини працюють, по принципу аксон рефлексу.

Сповільнені мембранно-іонні процеси, сповільнена робота насосів.

Мало виділяється поту.

Віддається перевага вуглеводній дієті.

До низьких температур адаптація організму дуже погана. Людина придумала собі будинок і одежу. Спочатку організм бореться, але цього замало – відбувається підвищення теплопродукції, звуження судин і зменшення тепловіддачі. Але повністю перекрити тепловіддачу неможливо. Людина гине в прекрасному настрої: відбувається розширення судин, обличчя тепліє і в такому стані ейфорії людина замерзає.

Зміна температури тіла показує невідповідність між теплоутворенням і тепловіддачею. При інфекційних захворюваннях це результат інтоксикації центрів терморегуляції, коли порушуються реципрокні взаємовідносини між передніми та задніми ядрами гіпоталамуса. Звідси висока температура, лихоманка. Обличчя може бути блідим від того, що через спазмовані судини мало протікає крові. Суб’єктивно відчуття холоду. Жарознижуючі речовини збільшують тепловіддачу і це тимчасово зменшує температуру. Але гіпертермія має хороший вплив на перебіг захворювання, збільшуючи опір організму, сприяючи виробці імунних тіл.

З другої сторони, рекомендована і гіпотермія, штучне зниження температури тіла фізичними або фармакологічними методами. Мета – зведення до мінімума обміну речовин та енергії, вживання кисню тканинами під час тривалого оперативного втручання, для продовження часу клінічної смерті і т. п.

Кінець.

Температура слизової обумовлена: t^° і вологістю зовнішнього середовища, інтенсивністю клітинного метаболізму, анатомо-фізіологічними особливостями тканин, станом їх судинної стінки.

Встановлено, що кожна ділянка слизової має певну t^° . Середня t^° шкіри нижньої губи = 33,1 ^°C. Температура ріжучого краю і жувальної поверхні зуба нижче – 30,4 ^°C, ніж в пришийній ділянці – 30,9 ^°C.

Лікар-стоматолог повинен знати, що при формуванні каріозної порожнини або препаруванні зуба під коронкою буде нагрівання його тканин за рахунок інструменту. Підвищення t^° > 45 ^°C може бути причиною опіку емалі і дентину, і призвести до термічної травми пульпи.

4