Терморегуляція

Тепловий баланс і регуляція температури тіла. Потенціальна енергія хімічних зв'язків молекул поживних речовин вивільняється внаслідок окисних процесів, які відбуваються у мітохондріях під час ресинтезу АТФ. При цьому тільки 40 % її трансформується у макроергічні зв'язки, а 60 % виділяється у вигляді тепла. Енергія АТФ теж частково вивільняється для потреб організму, а значна її частина перетворюється на теплову енергію, яка вже не може бути використана для біологічних процесів. Відомо, що теплова енергія є вирішальним фактором швидкості руху молекул, а температура як міра цієї енергії визначає не тільки швидкість протікання хімічних реакцій в живих системах, а й їх структуру і цілісність. Тому температурні межі, в яких може існувати життя, дуже вузькі (від —1,8 °С до +50 °С), а оптимальними для вищих тварин є коливання в 1—2 °С.

У зв'язку з цим утворення теплоти підлягає тонкій регуляції з боку центральної нервової і гуморальної систем. Температура тіла визначається рівновагою (балансом) між утворенням теплоти в організмі і його виділенням у навколишнє середовище. В організмі це здійснюється автоматично: при зменшенні температури тіла підвищується теплопродукція, при збільшенні — тепловіддача.

Теплопродукція залежить від підвищення інтенсивності обміну. Тому підтримання сталості температури тіла внаслідок змін інтенсивності процесів обміну речовин називають хімічною терморегуляцією. Віддача теплоти у навколишнє середовище здійснюється різними фізичними процесами, тому її називають фізичною терморегуляцією.

Хімічна терморегуляція. У стані спокою теплопродукція розподіляється приблизно так: м'язи виробляють 20% теплоти, печінка — 20%, головний мозок— 18 %, серце— 11 %, нирки — 7 %, шкіра — 5 %, решта тканин— 19 % тепла. При зміні температури навколишнього тільки м'язова система здатна суттєво змінити інтенсивність своєї функції, тому її вважають хімічним терморегуляційним фактором. Збільшення інтенсивності термопродукції м'язовою системою відбувається завдяки мимовільному підвищенню тонусу м'язів, ритмічним скороченням м'язів (феномену тремтіння), довільним рухам, прискоренню обміну речовин шляхом окиснення жиру без участі фосфорилювання. У дорослої людини тремтіння є найбільш значним мимовільним механізмом утворення тепла.

У межах 18—24°С термогенез перебуває у рівновазі з тепловтратами, тому цю зону температур називають зоною теплової байдужості, або зоною комфорту. Рівень енергетичного обміну у людини, що знаходиться в цій зоні, дорівнює основному обміну. При зниженні температури навколишнього середовища нижче зони теплової байдужості термогенез збільшується пропорційно втратам тепла, але не більше, ніж у 3—5 разів вище рівня основного обміну. Якщо температура навколишнього середовища зменшується ще нижче, розвивається гіпотермія і смерть від холоду. У тих випадках, коли температура навколишнього середовища перевищує зону комфорту, інтенсивність обміну речовин неістотно знижується у порівнянні з основним обміном. Таким чином, хімічна терморегуляція більш ефективна при низьких температурах і зовсім неефективна при високих.

Фізична терморегуляція. В процесі еволюційного розвитку тваринних організмів значно збільшується роль механізмів тепловіддачі за рахунок фізичних процесів: проведення, конвекції, радіації і випаровування.

Проведення — це обмін теплоти між двома об'єктами з різною температурою, коли між ними є прямий контакт. Зміну шарів теплого повітря більш холодним називають конвекцією. Людина без одягу завдяки проведенню і конвекції виділяє у навколишнє середовище кількість тепла, що становить 40 % всіх тепловтрат. У воді людина віддає значно більше тепла, оскільки теплоємність води в 20 разів вища, ніж повітря.

Процес передачі теплоти за рахунок обміну електромагнітної теплової енергії між відкритими поверхнями тіла називають радіацією. Віддача теплоти цим шляхом може становити близько 40 % загальних тепловтрат людини.

При перетворенні поту на пар (випаровування) витрачається теплота поверхні тіла, що призводить до її охолодження і є ефективним механізмом тепловіддачі, особливо при підвищеній температурі зовнішнього середовища і при м'язовій роботі. На перетворення 1 мл води (поту) на пар витрачається 2,4 кДж енергії. Теплову енергію, необхідну для утворення пару, називають латентним теплом пароутворення. Віддача теплоти цим шляхом знаходиться у прямій залежності від зовнішньої температури, швидкості руху повітря і площі поверхні, з якої відбувається випаровування, та в оберненій залежності від відносної вологості повітря.

Коли температура повітря наближається до температури шкіри (близько 33° С), тепловий градієнт зменшується, тепловіддача проведенням, конвекцією та випромінюванням майже припиняється і головним шляхом тепловіддачі залишається випаровування. Коли повітря навколишнього середовища насичене водяними парами, тепловтрати за рахунок цього механізму зменшуються або припиняються (при відносній вологості 100 %).

Потіння — пристосування організмів до віддачі зайвої теплоти випаровуванням — є найбільш ефективним засобом теплообміну при м'язовій роботі і в умовах підвищеної температури. Але втрати теплоти при потовиділенні відбуваються тільки тоді, коли піт випаровується. На теплообмін випаровуванням суттєво впливає одяг, оскільки гігроскопічні тканини, що вбирають піт, значно збільшують поверхню випаровування, чим сприяють тепловіддачі.

Теплота утворюється в глибоких шарах тіла. Завдяки високій теплоємності крові, вона може переносити велику кількість теплоти і забезпечувати: рівномірний розподіл теплоти всередині тіла; регуляцію ступеня теплової ізоляції тіла та ефективну тепловіддачу різними частинами тіла. Коли кров протікає через тканини з активним обміном (наприклад, м'язи), вона нагрівається, а температура в тканинах знижується. Протікаючи через судини шкіри, кров віддає теплоту проведенням і охолоджується. В судинах шкіри знаходиться велика кількість артеріо-венозних анастомозів, тому її кровопостачання змінюється у широких межах.

Розподіл теплових потоків всередині тіла визначається його структурними особливостями. Найвищу температуру мають глибокорозташовані органи і тканини з інтенсивною теплопродукцією: серце, легені, головний мозок, органи черевної порожнини, глибокі м'язи кінцівок. Ці органи складають температурне ядро тіла. Температура ядра (те, що ми називаємо температурою тіла) в умовах спокою підтримується на сталому (оптимальному) рівні і коливається в межах 36,6—37 °С. Точне уявлення про температуру ядра можна одержати, якщо виміряти з допомогою спеціального катетера температуру крові в серці. Спрощені методи полягають у вимірюванні температури в пахвовій западині або в ротовій порожнині (за щокою), де в умовах спокою температура на 0,5—1,0 °С нижча, ніж справжня температура ядра тіла. Температура шкіри є проміжною величиною між температурою ядра тіла і навколишнього середовища. У різних частинах вона неоднакова і залежить від емоційного стану, кровообігу, одягу, температури навколишнього середовища.

Система регуляції температури тіла включає три головні ланки: термо-рецептори; нервові центри та ефектори. Терморегуляційна система працює за принципом негативного зворотного зв'язку: відхилення від потрібної центральної (установочної) температури включає механізми, які змінюють її у протилежному напрямку.

Терморецептори розміщуються у підзоровогорбовій ділянці та шкірі і поділяються на теплові і холодові. Розташовані у передній частині підзоровогорбової ділянки центральні терморецептори реагують на найменші зміни (до 1 °С) температури артеріальної крові. Вільні нервові закінчення, розміщені по всій поверхні шкіри, називають периферичними терморецепторами. Для обох видів терморецепторів характерна спонтанна імпульсація, при зміні температури в межах 38—43 °С збільшується кількість імпульсів від теплових рецепторів, при зменшенні до температури 15—34 °С — від холодових.

Центр терморегуляції складається з центру регуляції теплопродукції і центру регуляції тепловіддачі. Перший знаходиться у задній частині підзоровогорбової ділянки, а другий — в її передній частині. При зниженні температури тіла активується центр регуляції теплопродукції, який посилює тонус симпатичної автономної нервової системи. Це приводить до звуження кровоносних судин шкіри, що зменшує тепловіддачу, підвищення швидкості обміну в тканинах, що посилює теплопродукцію. При значному зниженні температури тіла іррадіація збудження центру теплопродукції розповсюджується на рухові нейрони, внаслідок чого підвищуються тонус скелетних м'язів та їхня теплопродукція. Це явище називають терморегуляційним тонусом скелетних м'язів. Якщо відбувається подальше зниження температури ядра тіла, то виникає холодове тремтіння. При підвищенні тонусу м'язів людина набуває відповідної пози «клубочком», що приводить до зменшення поверхні тіла на 25—30 % і сприяє збереженню тепла внутрішніх органів. Рецептори симпатичної частини автономної нервової системи виділяють норадреналін, який стимулює виділення вільних жирних кислот бурого жиру і посилення окиснення їх.

Тепло впливає на центр тепловіддачі передньої частини підзоровогорбової ділянки, що посилює кровообіг шкіри і активує потовиділення.

На регуляцію температури тіла впливають ендокринні залози. Так, збільшення виділення тироксину підвищує обмін речовин і теплоутворення. Гіперсекреція адреналіну посилює окисні процеси, особливо в м'язах, що також спричинює до посилення утворення тепла, а звуження судин шкіри під впливом адреналіну зменшує тепловіддачу. На процеси теплопродукції і тепловіддачі певний вплив здійснює також кора півкуль великого мозку.

Зміна температури тіла нижче 25 і вище 43° С несумісне з життям і викликає в першому випадку холодову, а в другому — теплову смерть.

Температуру як міру теплової енергії відносять до важливих фізико-хімічних констант організму, її величини є сталими не тільки для організму в цілому, але й для окремих органів і ділянок тіла.

Одна і та сама температура різними частинами тіла може сприйматися або як тепло, або як холод, або зовсім не відчуватись. Так, якщо предмет, температура якого 34 °С, прикласти до шкіри передпліччя, то його температура не буде сприйматись зовсім. Для шкіри плеча він буде прохолодним, в паховій ямці надто холодним, а для пальців кисті теплим. Аферентні імпульси надходять в одному випадку від теплових рецепторів, в другому від холодових, які пов'язані з різними відділами терморегуляційного центру підзоровогорбової ділянки. Теплові терморецептори морфологічно і функціонально зв'язані з центрами тепловіддачі передньої частини підзоровогорбової ділянки, холодові з центром теплоутворення задньої частини підзоровогорбової ділянки, які знаходяться у реципрокних взаємовідношеннях. Якщо в одному з центрів виникає збудження, воно автоматично пригнічує діяльність другого. Доведено, що центри терморегуляції неоднаково чутливі до аферентних імпульсів від різних ділянок тіла. Так, центр тепловіддачі реагує на підвищення температури ядра тіла, а центр теплоутворення на зниження температури шкіри. Тому внаслідок реципрокної взаємодії між центрами зміни температури окремих ділянок шкіри приводять до перебудови режиму рефлекторної діяльності центрів.

Наслідком рефлекторних реакцій центрів терморегуляції є зміни судинних реакцій і процесів обміну всього організму, а величина цих змін не завжди адекватна силі подразнення. Коли змінюється температура окремої невеликої ділянки шкіри, виникають судинні і обмінні зміни спочатку в місці охолодження шкіри, а потім в усіх органах і системах організму. При цьому су-е динні та обмінні зміни в різних частинах тіла неадекватні подразненню. Окремі судини не тільки розширюються і переповнюються кров'ю, але у них збільшується проникність стінок для плазми крові і вона виходить у міжклітинний простір, що призводить до набряку окремих тканин і органів. Особливо чутливі до змін температури шкіри верхні дихальні шляхи. Виявлений також тісний функціональний зв'язок між рефлексогенними зонами стопи і судинами верхніх дихальних шляхів. Порушення їхньої діяльності і є початком розладу здоров'я, яке невірно називають простудним захворюванням.

Таким чином, в основі порушень здоров'я при зниженні температури навколишнього середовища є судинні розлади місцевого і загального характеру, серед яких виділяють певні стадії. Перша — звуження судин шкіри та скорочення непосмугованих м'язів, що піднімають волосся і утворення «гусячої шкіри». Це природна захисна реакція, спрямована на збільшення прошарку індивідуальної теплової зони повітря. Друга стадія полягає в адекватному розширенні судин шкіри, яка е наслідком функції терморегуляційного центру, спрямованої на позбавлення від неприємного відчуття холоду і встановлення температурного фону поверхні тіла. При подальшому охолодженні кровотік перерозподіляється так, що артеріальна кров повертається через артеріально-венозні анастомози, зберігаючи сталість температурного ядра тіла. В цей час виникає відчуття ознобу.

Охолодження окремих ділянок тіла на фоні загального температурного комфорту може бути причиною виникнення патологічного процесу. При цьому слабкі охолодження мають більше значення у виникненні простудних захворювань, ніж значні. Так, зниження температури окремих ділянок шкіри на 2—2,5 °С викликає більш значну і довгу судинну реакцію, ніж зниження на 10—11 °С. При слабких холодових впливах рецептори встигають адаптуватись і не реагують необхідною частотою імпульсів на перепади температури, що призводить до порушення функцій центрів і послаблення захисних сил організму. При сильних холодових впливах терморецепто-ри охолодженої ділянки шкіри адекватно реагують на дію подразника і нервові центри своєчасно мобілізують захисні сили організму.

Слабкими холодовими впливами необхідно вважати температуру повітря в межах від +8 до —О °С. Саме при цих температурах у міжсезоння частіше, ніж у холодний зимовий час, виникають переохолодження і знижуються захисні сили організму.

Виходячи з того, що порушення здоров'я є наслідком розладу діяльності терморегуляційних центрів, практичні дії по заргартуванню повинні бути спрямовані на адаптацію їх до зниження температур навколишнього середовища і швидке переключення між центрами теплопродукції і тепловіддачі.

При загартуванні головним є тренування організму до значних, але коротких холодових впливів з тим, щоб термічний подразник привів до збудження терморецепторів і термоцентрів. Особливе значення мають контрастні температури (холодний і гарячий душ, ходіння по холодному і гарячому піску тощо). Вирішальне значення у загартовуванні організму має підвищення загальної толерантності (лат. tolerantia — терпіння) як до зниження температури, так і до її перепадів, що досягається підтриманням оптимального температурного режиму одягу і житла протягом всього року. Ці спеціальні питання вивчаються комунальною гігієною.

104