При снижении температуры окружающей среды регулирование температуры тела, т.е. процесс терморегуляции, осуществляется тремя способами в следующей последовательности. Физическая терморегуляция - сужение сосудов кожи и слизистых оболочек дыхательных путей, прекращение потоотделения. Если с помощью физической терморегуляции равновесие не восстановлено, включается химический компонент терморегуляции за счет «несократительного термогенеза» (эндокринная регуляция, в частности, повышением выброса норадреналина, который называют «гормоном несократительного термогенеза»). При дальнейшем охлаждении повышение теплообразования осуществляется за счет специфических форм сократительной активности поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры - холодовой мышечной дрожи, терморегуляционного мышечного тонуса и пилоромоторной реакции. Эта фаза «дрожательный термогенез» осуществляется с наиболее высокой затратой энергии и образованием тепла.
Итак, выделим основные виды терморегуляции организма человека:
- физическая терморегуляция;
- химическая терморегуляция или эндокринная (несократительный термогенез);
- дрожательный термогенез.
У здоровых людей при достаточном совершенстве механизмов регуляции температурного гомеостаза довольно продолжительные охлаждения компенсируются включением химического термогенеза с повышением затраты энергии, но без «срывов» процесса регуляции.
Система регуляции температурного гомеостаза исключительно многокомпонентна, включает терморецепторы кожи и внутренних органов, проводящие пути (в составе спиноталамического тракта), центр регуляции - гипоталамус, кора головного мозга, оказывающая активирующее влияние тем более выраженное, чем выше частота афферентных импульсов. В качестве эффекторных органов выступает вегетативный отдел нервной системы, эндокринные органы, сердечно-сосудистая система. Для правильной регуляции имеют значение и концентрация химических веществ в организме и многие другие факторы.
Нарушение терморегуляции организма человека
Несовершенство процессов регуляции (патологии терморегуляции) может выражаться в том, что в первой фазе процесса регулирования (рассогласование и перерегуляция) - первичное сужение сосудов сменяется резким снижением их тонуса. Со стороны полости носа это выражается в появлении приступов чиханья или затруднении носового дыхания. При этом наблюдается и повышение сосудистой проницаемости слизистых оболочек носовых раковин. Недостаточность физической терморегуляции может обусловить необходимость включения химического звена при более высоких температурах, чем у здоровых лиц. Пациенты с таким типом нарушения регуляции мерзнут и дрожат при весьма незначительных понижениях температуры окружающей среды. Срыв регуляции с явлениями, характерными для неадекватного реагирования слизистой оболочки носа, наступает тогда, когда пациент замерз. Следующий тип нарушения регуляции - недостаточность физической терморегуляции - не компенсируется химическим звеном и холодовой дрожью. Вследствие этого срыв регуляции наступает без выраженных холодовых ощущений и без дрожи, т. е. такие пациенты не дрожат и не мерзнут, но тем не менее простуживаются.
Механизм возникновения обострения хронических воспалительных процессов ЛОР-органов при нарушении механизмов регуляции температурного гомеостаза объясняется образованием венозного стаза в области слизистой оболочки носа и глотки, повышением сосудистой проницаемости, что создает благоприятные условия для развития микрофлоры, постоянно имеющейся в очаге хронического воспаления.
У каждого вида гомойотермных организмов имеются участки тела, через которые происходит преимущественный обмен теплом с окружающей средой, так называемые теплообменники. У человека такими теплообменниками являются кисти рук и стопы ног. Так, через кисти может быть отведено от 7 до 80% тепла от основного обмена, несмотря на то, что кисти составляют всего 6% массы человеческого тела. При необходимости кровообращение в пальцах может увеличиваться в 600 раз. Естественно, что функциональное состояние сосудистой регуляции в области теплообменников сказывается и на состоянии слизистых оболочек полости носа. Исследованиями, проведенными в лаборатории М. Е. Маршака (1965), показано, что при погружении стоп в холодную воду температура слизистой оболочки носа снижается синхронно с температурой кожи стоп (адекватная реакция). Однако у ряда лиц на определенном этапе действия холодового раздражителя, несмотря на низкую температуру в области стоп, наступает резкое повышение температуры слизистой оболочки полости носа, которое сопровождается приступами чихания и обильными выделениями из носа (неадекватная реакция). Кроме зон теплообменников большое значение имеют непосредственно область лица (специальная термочувствительная область у человека) и область шеи. Указанные зоны широко используются при разработке методических приемов закаливания лиц с патологией ЛОР-органов.
У теплокровных животных и человека (т.н. гомойотермных организмов), в отличие от холоднокровных (или пойкилотермных), постоянная температура тела является обязательным условием существования, одним из кардинальных параметров гомеостаза (или постоянства) внутренней среды организма.
Физиологические механизмы, обеспечивающие тепловой гомеостаз организма (его “ядра”), подразделяются на две функциональные группы: механизмы химической и физической терморегуляции. Химическая терморегуляция представляет собой регуляцию теплопродукции организма. Тепло постоянно вырабатывается в организме в процессе окислительно-восстановительных реакций метаболизма. При этом часть его отдается во внешнюю среду тем больше, чем больше разница температуры тела и среды. Поэтому поддержание устойчивой температуры тела при снижении температуры среды требует соответствующего усиления процессов метаболизма и сопровождающего их теплообразования, что компенсирует теплопотери и приводит к сохранению общего теплового баланса организма и поддержанию постоянства внутренней температуры. Процесс рефлекторного усиления теплопродукции в ответ на снижение температуры окружающей среды и носит название химической терморегуляции. Выделение энергии в виде тепла сопровождает функциональную нагрузку всех органов и тканей и свойственно всем живым организмам. Специфика организма человека состоит в том, что изменение теплопродукции как реакция на меняющуюся температуру представляет у них специальную реакцию организма, не влияющую на уровень функционирования основных физиологических систем.
Специфическое терморегуляторное теплообразование сосредоточено преимущественно в скелетной мускулатуре и связано с особыми формами функционирования мышц, не затрагивающими их прямую моторную деятельность. Повышение теплообразования при охлаждении может происходить и в покоящейся мышце, а также при искусственном выключении сократительной функции действием специфических ядов.
Один из наиболее обычных механизмов специфического терморегуляторного теплообразования в мышцах - так называемый терморегуляционный тонус. Он выражен микросокращениями фибрилл, регистрируемыми в виде повышения электрической активности внешне неподвижной мышцы при ее охлаждении. Терморегуляционный тонус повышает потребление кислорода мышцей подчас более чем на 150 %. При более сильном охлаждении наряду с резким повышением терморегуляционного тонуса включаются видимые сокращения мышц в форме холодовой дрожи. Газообмен при этом возрастает до 300 - 400 % . Характерно, что по доле участия в терморегуляторном теплообразовании мышцы неравноценны.
При длительном воздействии холода сократительный тип термогенеза может быть в той или иной степени замещен (или дополнен) переключением тканевого дыхания в мышце на так называемый свободный (нефосфорилирующий) путь, при котором выпадает фаза образования и последующего расщепления АТФ. Этот механизм не связан с сократительной деятельностью мышц. Общая масса тепла, выделяющегося при свободном дыхании, практически такая же, как и при дрожевом термогенезе, но при этом большая часть тепловой энергии расходуется немедленно, а окислительные процессы не могут быть заторможены недостатком АДФ или неорганического фосфата.
Последнее обстоятельство позволяет беспрепятственно поддерживать высокий уровень теплообразования в течение длительного времени.
Изменения интенсивности обмена веществ вызванные влиянием температуры среды на организм человека, закономерны. В определенном интервале внешних температур теплопродукция, соответствующая обмену покоящегося организма, полностью скомпенсирована его “нормальной” (без активной интенсификации) теплоотдачей. Теплообмен организма со средой сбалансирован. Этот температурный интервал называют термонейтральной зоной. Уровень обмена в этой зоне минимален. Нередко говорят о критической точке, подразумевая конкретное значение температуры, при котором достигается тепловой баланс со средой. Теоретически это верно, но экспериментально установить такую точку практически невозможно из-за постоянных незакономерных колебаний метаболизма и нестабильности теплоизолирующих свойств покровов.
Понижение температуры среды за пределы термонейтральной зоны вызывает рефлекторное повышение уровня.обмена веществ и теплопродукции до уравновешивания теплового баланса организма в новых условиях. В силу этого температура тела остается неизменной.
Повышение температуры среды за пределы термонейтральной зоны также вызывает повышение уровня обмена веществ, что вызвано включением механизмов активизации отдачи тепла, требующих дополнительных затрат энергии на свою работу. Так формируется зона физической терморегуляции, на протяжении которой температура также остается стабильной. По достижении определенного порога механизмы усиления теплоотдачи оказываются неэффективными, начинается перегрев и в конце концов гибель организма.
Еще в 1902 г. Рубнер предложил различать два типа этих механизмов - терморегуляцию "химическую" и "физическую". Первая связана с изменением теплопродукции в тканях (напряжением химических реакций обмена), вторая - характеризуется теплоотдачей и перераспределением тепла. Наряду с кровообращением важная роль в физической терморегуляции принадлежит потоотделению, поэтому особая функция теплоотдачи принадлежит коже - здесь происходит остывание нагретой в мышцах или в "ядре" крови, здесь реализуются механизмы потообразования и потоотделения.
ь В "норме" теплопроведением можно пренебречь, т.к. теплопроводность воздуха низка. Теплопроводность воды в 20 раз выше, поэтому теплоотдача проведением играет значительную роль и становится существенным фактором переохлаждения в случае влажной одежды, сырых носков и т.д.
ь Более эффективна теплоотдача путем конвекции (т.е. перемещением частиц газа или жидкости, смешивание их нагретых слоев с охлажденными). В воздушной среде даже в условиях покоя на теплоотдачу конвекцией приходится до 30% потерь тепла. Роль конвекции на ветру или при движении человека еще более возрастает.
ь Передача тепла излучением от нагретого тела к холодному совершается согласно закону Стефана-Больцмана и пропорциональна разности четвертых степеней температуры кожи (одежды) и поверхности окружающих предметов. Этим путем в условиях "комфорта" раздетый человек отдает до 45% тепловой энергии, но для тепло одетого человека особой роли теплопотери излучением не играют.
ь Испарение влаги с кожи и поверхности легких также эффективный путь теплоотдачи (до 25%) в условиях "комфорта". В условиях высокой температуры окружающей среды и интенсивной мышечной деятельности теплоотдача испарением пота играет доминирующую роль - с 1 граммом пота уносится 0,6 ккал энергии. Нетрудно подсчитать общий объем теряемого с потом тепла, если учесть, что в условиях интенсивной мышечной деятельности человек за восьмичасовой рабочий день может отдать до 10 - 12 литров жидкости. На холоде теплопотери с потом у хорошо одетого человека невелики, но и здесь надо учитывать теплоотдачу за счет дыхания. При этом процессе совмещаются сразу два механизма теплоотдачи - конвекция и испарение. Потери тепла и жидкости с дыханием довольно значительны, особенно при интенсивной мышечной деятельности в условиях низкой влажности атмосферного воздуха.
Существенным фактором, влияющим на процессы терморегуляции, являются вазомоторные (сосудодвигательные) реакции кожи. При максимально выраженном сужении сосудистого русла теплопотери могут снизиться на 70%, при максимальном расширении - возрасти на 90%.
Видовые отличия химической терморегуляции выражаются в разнице уровня основного (в зоне термонейтральности) обмена, положения и ширины термонейтральной зоны, интенсивности химической терморегуляции (повышение обмена при снижении температуры среды на 1"С), а также в диапазоне эффективного действия терморегуляции. Все эти параметры отражают экологическую специфику отдельных видов и адаптивным образом меняются в зависимости от географического положения региона, сезона года, высоты над уровнем моря и ряда других экологических факторов.
Регуляторные реакции, направленные на сохранение постоянной температуры тела при перегреве, представлены различными механизмами усиления теплоотдачи во внешнюю среду. Среди них широко распространена и обладает высокой эффективностью теплоотдача путем интенсификации испарения влаги с поверхности тела или (и) верхних дыхательных путей. При испарении влаги расходуется тепло, что может способствовать сохранению теплового баланса. Реакция включается при признаках начинающегося перегрева организма.
Итак, адаптивные изменения теплообмена в организме человека могут быть направлены не только на поддержание высокого уровня обмена веществ, как у большинства людей, но и на установку низкого уровня в условиях, грозящих истощением энергетических резервов.
Человеческое тело может сохранять жизнеспособность в довольно небольшом диапазоне внутренних температур – от +25 до +43 градусов. Способность их поддерживать в указанных границах даже при значительных изменениях внешних условий называется терморегуляцией. Физиологическая норма при этом находится в пределах от 36,2 до 37 градусов, отклонения от нее считаются нарушением. Для выяснения причин подобных патологий необходимо знать, как осуществляется терморегуляция в организме, какие факторы влияют на колебания внутренних температур, выяснить методы их коррекции.
Как осуществляется терморегуляция в организме человека?
- Химическая терморегуляция – процесс производства тепла. Оно вырабатывается всеми органами в теле, особенно при прохождении сквозь них крови. Больше всего энергии продуцируется в печени и поперечнополосатых мышцах.
- Физическая терморегуляция – процесс отдачи тепла. Он осуществляется с помощью непосредственного теплообмена по отношению к воздуху или холодным предметам, инфракрасного излучения, а также испарения пота с поверхности кожи и дыхания.
Как терморегуляция поддерживается в организме человека?
Контроль внутренней температуры происходит за счет чувствительности специальных терморецепторов. Их большая часть располагается в коже, верхних дыхательных путях и слизистых оболочках ротовой полости.
При отклонении внешних условий от нормы терморецепторы производят нервные импульсы, которые поступают в спинной мозг, затем в зрительные бугры, гипоталамус, гипофиз и достигают коры головного мозга. В результате появляется физическое ощущение холода или жара, а центр терморегуляции стимулирует процессы продуцирования или отдачи тепла.
Стоит заметить, что в описанном механизме, в частности – образования энергии, также принимают участие некоторые гормоны. Тироксин интенсифицирует обмен веществ, из-за чего повышается продуцирование тепла. действует аналогично за счет усиления окислительных процессов. Кроме того, он способствует сужению кровеносных сосудов в коже, что препятствует отдаче тепла.
Причины нарушения терморегуляции организма
Незначительные изменения в соотношении производства тепловой энергии и ее передачи во внешнюю среду происходят при физических нагрузках. В данном случае это не является патологией, так как процессы терморегуляции быстро восстанавливаются в состоянии покоя, во время отдыха.
Большую часть рассматриваемых нарушений составляют системные заболевания, сопровождающиеся воспалительными процессами. Однако в подобных ситуациях даже сильное повышение температуры тела некорректно называть патологическим, так как жар и лихорадка возникают в организме для подавления размножения патогенных клеток (вирусов или бактерий). По сути, данный механизм является нормальной защитной реакцией иммунитета.
Истинные нарушения терморегуляции сопровождают повреждения органов, ответственных за ее осуществление, гипоталамуса, гипофиза, спинного и головного мозга. Это происходит при механических 
травмах, кровоизлияниях, образовании опухолей. Дополнительно усилить патологию могут заболевания эндокринной и сердечно-сосудистой системы, гормональные расстройства, физическое или перегрев.
Лечение нарушения нормальной терморегуляции в организме человека
Восстановить корректное протекание механизмов производства и отдачи тепла можно только после установления причин их изменений. Для постановки диагноза необходимо посетить невролога, сдать ряд лабораторных анализов и выполнить назначенные инструментальные исследования.
Ареал проживания человека распространяется от полюсовых зон, где температура воздуха порой достигает -86°С, до экваториальных саванн и пустынь, в наиболее жарких участках которых она приближается к +50°С в тени! Тем не менее в таком широком диапазоне температур человек сохраняет активную жизнеспособность и достаточную благодаря своей термостабильности, когда температура тела колеблется в относительно узких границах – от 36 до 37°С.
Гомойотермия – постоянство температуры тела – делает человека независимым от температурных условий проживания, так как обеспечивающие его жизнедеятельность биохимические реакции продолжают осуществляться на оптимальном уровне благодаря сохранению адекватной активности обеспечивающих их тканевых ферментов и витаминов, катализирующих и активирующих отдельные стороны обмена веществ, тканевых гормонов, нейромедиаторов и других веществ, от которых зависит нормальная деятельность организма. Смещение же температуры в ту или иную сторону резко меняет активность этих веществ, причем в разной степени для каждого из них – в результате наступает разобщение в активности протекания отдельных сторон обмена веществ. У животных пойкилотермных, холоднокровных, температура тела которых определяется окружающей температурой (повышается или понижается вместе с последней), активность их тканевых ферментов как биологических катализаторов меняется вместе с изменением внешних тепловых условий. Вот почему при снижении температуры степень проявления их жизнедеятельности снижается вплоть до полной остановки – так называемый анабиоз, а при очень высокой – либо наступает смерть , либо высушивание, которое у некоторых из пойкилотермов является также разновидностью анабиоза. Так, с изменением внешней температуры жизнедеятельность некоторых насекомых (саранча) может восстанавливаться как после замерзания до температуры жидкого азота (–189°С), так и после высушивания. Описан случай оживления, хотя и кратковременного, гигантского тритона, замерзшего в леднике, по мнению специалистов, по крайней мере около 5000 лет назад.
Таким образом, способность сохранять неизменной температуру тела при различных условиях существования делает теплокровных независимыми от обстоятельств природы и способными сохранять высокий уровень жизнеспособности. Такая способность обусловлена сложной системой терморегуляции, обеспечивающей уменьшение выработки тепла и активную его отдачу при опасности перегревания и активизацию термогенеза при ограничении отдачи тепла – при опасности переохлаждения.
Статистика показывает, что в России из всех случаев временной утраты трудоспособности более 40% приходится на простудные заболевания, что дает основание обывателю считать систему терморегуляции несовершенной. Однако есть много фактов, указывающих на высокую природную устойчивость человека к действию низких температур . Так, йоги-респы соревнуются при температуре ниже –20°С в скорости высушивания мокрых простыней теплом своего тела, сидя нагишом на льду замерзшего озера. Стали традиционными проплывы специально подготовленных пловцов через Берингов пролив из Аляски на Чукотку (более 40 км) при температуре воды +4°С – +6°С. Якуты натирают новорожденных снегом, а остяки и тунгусы погружают их в снег, обливают холодной водой и затем закутывают в оленьи шкуры... В таком случае, по-видимому, скорее следует говорить об извращении совершенных механизмов терморегуляции человека далекими от сформировавших их в эволюции условиями жизни современного человека, чем о несовершенстве самих механизмов.
В то время как большинство функций жизнедеятельности – кровообращение, дыхание, и др. – имеют какой-либо специфический структурно-функциональный аппарат, терморегуляция такого органа не имеет и является функцией всего организма в целом.
Согласно предложенной И. П. Павловым схеме, организм теплокровного можно представить в виде относительно термостабильного «ядра» и имеющей большой разброс температур «оболочки». Ядро, температура которого колеблется в пределах 36,8–37,5°С, включает преимущественно жизненно важные внутренние органы: сердце, печень, желудок, кишечник и т. д. Особенно следует отметить роль печени, имеющей относительно высокую температуру – выше 37,5°С, и толстого кишечника, микрофлора которого в процессе своей жизнедеятельности вырабатывает много тепла, обеспечивающего поддержание температуры прилежащих тканей. Термолабильную оболочку составляют конечности, кожные и подкожные ткани, мышцы и т. д. Температура различных участков оболочки колеблется в широких пределах. Так, температура пальцев ног составляет около 24°С, голеностопного сустава – 30–31°С, кончика носа – 25°С, подмышечной впадины, прямой кишки – 36,5–36,9°С и т. д. Однако температура оболочки очень подвижна, что определяется условиями жизнедеятельности и состоянием организма, поэтому и толщина ее может меняться от очень тонкой при жаре до очень мощной, сжимающей ядро – при холоде. Такие взаимоотношения ядра и оболочки обусловлены тем, что первая преимущественно производит тепло (в покое), а вторая – должна обеспечивать сохранение этого тепла. Именно этим объясняется то обстоятельство, что у закаленных людей оболочка на холоде быстро и надежно обволакивает ядро, сохраняя оптимальные условия для поддержания деятельности жизненно важных органов и систем, а у незакаленных оболочка и в этих условиях остается тонкой, создавая угрозу переохлаждения ядра (так, при снижении температуры легких всего лишь на 0,5°С возникает угроза пневмонии).
Термостабильность организма обеспечивается в основном двумя взаимодополняющими механизмами регуляции – физическим и химическим. Физическая терморегуляция преимущественно активизируется при опасности перегревания и заключается в отдаче тепла в окружающую среду. При этом включаются все возможные механизмы теплоотдачи: теплоизлучение, теплообмен, конвекция и испарение. Теплоизлучение осуществляется за счет инфракрасных лучей, исходящих от имеющей высокую температуру кожи. Теплопроведение реализуется за счет разницы температур между кожей и окружающим воздухом. Увеличение этой разницы осуществляется за счет гиперемии – расширения кожных сосудов и притока сюда большего количества теплой крови от внутренних органов, из-за чего и окраска кожи при жаре становится розовой. При этом эффективность теплоотдачи определяется теплопроводностью и теплоемкостью внешней среды: так, эти показатели в соответствующих температурах для воды в 20–27 раз выше, чем воздуха. Отсюда становится понятным почему термокомфортная температура воздуха для человека составляет около 18°С, а воды – 34°С. Теплоотдача за счет испарения пота является весьма эффективной, так как при испарении 1 мл пота с поверхности тела организм теряет 0,56 ккал тепла. Если учесть, что взрослый человек вырабатывает даже в условиях низкой двигательной активности около 800 мл пота, то становится понятной эффективность этого способа.
В различных условиях жизнедеятельности соотношение потерь тепла тем или иным способом заметно меняется. Так, в покое и при оптимальной температуре воздуха организм 31% образующегося тепла теряет проведением, 44% – излучением, 22% – испарением (в том числе и за счет влаги с дыхательных путей) и 3% – конвекцией. При сильном ветре возрастает роль конвекции, при повышении влажности воздуха – проведения, а при усиленной работе – испарения (например, при напряженной двигательной активности испарение пота порой достигает 3–4-х литров в час!).
Эффективность теплоотдачи организма исключительно высока. Биофизические расчеты показывают, что нарушение этих механизмов даже у находящегося в покое человека привело бы к повышению температуры его тела в течении часа до 37,5°С, а через 6 часов – до 46–48°С, когда начинается необратимое разрушение белковых структур.
Химическая терморегуляция приобретает особое значение при опасности переохлаждения организма. Потеря человеком относительно животных шерстяного покрова сделала его особенно чувствительным к действию низких температур, о чем свидетельствует тот фактор, что у человека холодовых рецепторов почти в 30 раз больше, чем тепловых. Вместе с тем совершенствование механизмов адаптации к холоду привело к тому, что снижение температуры тела человек переносит гораздо легче, чем ее повышение. Так, грудные дети легко переносят снижение температуры тела на 3–5°С, но тяжело – повышение на 1–2°С. Взрослый человек без каких-либо последствий переносит переохлаждение до 33–34°С, но теряет сознание при перегревании от внешних источников до 38,6°С, хотя при лихорадке от инфекции может сохранить сознание и при 42°С. Вместе с тем отмечены случаи оживления замерзших людей, температура кожи которых опускалась ниже точки замерзания.
Суть химической терморегуляции заключается в изменении активности обменных процессов в организме: при высокой внешней температуре она снижается, а при низкой – возрастает. Исследования показывают, что при снижении окружающей температуры на 1°С у обнаженного человека в покое активность метаболизма возрастает на 10%. (Однако выключение наркозом и так называемыми нейролептиками высших регуляторных механизмов термостабильности у теплокровных делает их зависимыми от окружающей температуры, и при охлаждении температуры их тела до 32°С потребление ими кислорода снижается до 50%, при 20°С –до 20%, а при +1°С –до 1% от исходного уровня.)
Особое значение для поддержания температуры тела играет тонус скелетных мышц, который возрастает при снижении окружающей температуры и снижается – при потеплении. Показательно, что эти процессы протекают тем активнее, чем опаснее грозящее нарушение термостабильности. Так, при температуре воздуха 25–28°С (и особенно в сочетании с высокой влажностью) мышцы в значительной степени расслаблены, и воспроизводимая ими тепловая энергия ничтожна. Наоборот, при опасности переохлаждения все большее значение приобретает дрожь – нескоординированные сокращения мышечных волокон, когда внешняя механическая работа практически полностью отсутствует, и почти вся энергия сокращающихся волокон переходит в тепловую энергию (это явление получило название несократительного термогенеза). Нет ничего удивительного поэтому в том, что при дрожи теплопродукция организма может возрасти более чем в три раза, а при напряженной физической работе – в 10 и более раз.
Несомненное значение в химической терморегуляции играют и легкие, которые за счет изменения активности обмена входящих в их структуру высококалорийных жиров поддерживают относительно постоянную свою температуру, – именно поэтому при высокой внешней температуре оттекающая от легких кровь прохладнее, а при низкой – теплее вдыхаемого воздуха.
Физический и химический механизмы терморегуляции работают с высокой степенью согласования благодаря наличию в ЦНС соответствующего центра в области промежуточного мозга (гипоталамус). Вот почему при высокой температуре окружающей среды, с одной стороны, усиливается теплоотдача (за счет повышения температуры кожи, активизации дыхания, усиления процессов испарения пота и т. д.), а с другой – снижается теплопродукция (за счет снижения тонуса мышц, перехода к усвоению организмом менее энергосодержащих продуктов); при низких же температурах – наоборот: возрастает теплопродукция и снижается теплоотдача.
Таким образом, совершенные механизмы терморегуляции человека позволяют поддерживать оптимальную жизнеспособность в широком диапазоне внешних температур.
Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры окружающей среды. Это постоянство температуры тела носит название изотермии.
Изотермия свойственна только так называемым гомойотермным, или теплокровным животным. Изотермия отсутствует у пойкилотермных, или холоднокровных животных, температура тела которых переменна и мало отличается от температуры окружающей среды.
Изотермия в процессе развития организма развивается постепенно. У новорожденного ребенка способность поддерживать постоянство температуры тела слабая. Вследствие этого может наступить охлаждение (гипотермия) или перегревание (гипертермия) организма при таких температурах окружающей среды, которые не оказывают влияния на взрослого человека. Кроме того, даже небольшая мышечная работа, например связанная с длительным криком ребенка, может повысить температуру тела.
Температура - один из важнейших факторов, определяющих скорость и направление химических реакций. Суть обмена веществ -главного и неотъемлемого признака жизни - химические ферментативные реакции. Поэтому температура - одна из важнейших констант организма, которая поддерживается на строго постоянном уровне. Температура органов и тканей, как и всего организма в целом, зависит от интенсивности теплопродукции и от величины теплоотдачи.
Теплопродукция происходит вследствие непрерывно совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях с разной степенью интенсивности. В тканях и органах, производящих активную работу - в мышечной ткани, печени, почках, выделяется большее количество тепла, чем в менее активных - соединительной ткани, костях, хрящах.
Теплоотдача - отдача тепла в окружающую среду, она идет постоянно и одновременно с процессом теплопродукции.
Потеря тепла осуществляется несколькими путями. Как любое нагретое тело, организм отдает тепло путем излучения. В условиях, когда температура окружающей среды ниже температуры тела, происходит отдача тепла путем конвекции - нагреванием воздуха или предметов, с которыми тело соприкасается. Наконец, теплоотдача осуществляется путем испарения воды - пота с поверхности тела. Часть тепла теряется с выдыхаемым воздухом, мочой и калом.
Температура разных органов различна. Так, печень, расположенная глубоко внутри тела и дающая большую теплопродукцию, имеет у человека более высокую и постоянную температуру (37,8-38°С) по сравнению с кожей, температура которой значительно ниже (на покрытых одеждой участках 29,5-33,9°С) и в большей мере зависит от окружающей среды. При этом различные участки кожной поверхности имеют разную температуру. Обычно температура кожи туловища и головы (33-34°С) выше температуры конечностей. Из изложенного следует, что понятие «постоянная температура тела» является условным. Лучше всего среднюю температуру организма как целого характеризует температура крови в наиболее крупных сосудах, так как циркулирующая в них кровь нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их) и охлаждается в коже (одновременно согревая ее).
О температуре тела человека судят обычно на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека равна 36,5-З6,9°С. В клинике часто (особенно у грудных детей) измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна температуре у здорового человека в среднем 37,2-37,5°С.
Температура тела не остается постоянной, а колеблется в течение суток в пределах 0,5-0,7°С. Покой и сон понижают температуру, мышечная деятельность повышает ее. Максимальная температура тела наблюдается в 4-6 ч. вечера, минимальная - в 3-4 ч. утра.
Постоянство температуры тела у человека может сохраняться при условии равенства теплопродукции и теплоотдачи всего организма. Это достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции. Терморегуляция проявляется в форме взаимосочетания процессов теплопродукции и теплоотдачи, регулируемых 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.
Увеличение продукции тепла при сократительном термогонезе происходит за счет увеличения активности мышечной ткани. При сокращении скелетных произвольных мышц выработка тепла увеличивается. Существует особый вид мышечных сокращений - мышечная дрожь, при которой мышцы не совершают полезной работы и их сокращение направлено исключительно на выработку тепла.
При несократительном термогенезе меняется ход химических реакций. Не вся освобождающаяся в процессах диссимиляции энергия заключается в молекулы АТФ. Число синтезируемых молекул АТФ уменьшается, т.к. часть энергии сразу переходит в тепло. Организм согревается, но его рабочие возможности уменьшаются. Химическая терморегуляция, основанная на изменении обмена веществ, - слишком дорогая цена для поддержания температуры тела на постоянном уровне.
Химическая терморегуляция имеет важное значение для поддержания постоянства температуры тела, как в нормальных условиях, так и при изменении температуры окружающей среды. Механизмы химической терморегуляции включаются тогда, когда органам подвергается длительному и сильному охлаждению.
У человека отмечается усиление теплопродукции вследствие увеличения интенсивности обмена веществ, если температура окружающей среды становится ниже оптимальной температуры или зоны комфорта. При обычной легкой одежде эта зона находится в пределах 18-20°С, а для обнаженного человека - 28°С.
Наиболее интенсивная теплопродукция в организме происходит в мышцах. Даже если человек лежит неподвижно, но с напряженной мускулатурой, окислительные процессы, а вместе с тем и теплопродукция повышаются на 10%. Небольшая двигательная активность ведет к увеличению теплообразования на 50-80%, а тяжелая мышечная работа - на 400-500%.
В условиях холода теплообразование в мышцах увеличивается, даже если человек находится в неподвижном состоянии. Это обусловлено тем, что охлаждение поверхности тела, действуя на рецепторы, воспринимающие холодовое раздражение, рефлекторно обуславливает беспорядочные непроизвольные сокращения мышц, проявляющиеся в виде дрожи (озноб). При этом обменные процессы организма значительно усиливаются, увеличивается потребление кислорода и углеводов мышечной тканью, что и влечет за собой повышение теплопродукции.
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, которые регулируют окислительные процессы, регулируют и теплопродукцию.
Физическая терморегуляция появилась на более поздних этапах эволюции. Ее механизмы не затрагивают процессов клеточного обмена. Механизмы физической терморегуляции включаются рефлекторно и имеют как любой рефлекторный механизм три основных компонента. Во-первых, это рецепторы, воспринимающие изменение температуры внутри организма или окружающей среды. Второе звено - это центр терморегуляции. Третье звено - эффекторы, которые изменяют процессы теплоотдачи, сохраняя температуру тела на постоянном уровне. В организме, кроме потовой железы, нет собственных эффекторов рефлекторного механизма физической терморегуляции.
Физическая терморегуляция - это регуляция теплоотдачи. Ее механизмы обеспечивают поддержание температуры тела на постоянном уровне как в условиях, когда организму грозит перегрев, так и при охлаждении.
Физическая терморегуляция осуществляется путем изменений отдачи тепла организмом. Особо важное значение она приобретает в поддержании постоянства температуры тела во время пребывания организма в условиях повышенной температуры окружающей среды.
Теплоотдача осуществляется путем теплоизлучения (радиационная теплоотдача), конвекции, т. е. движения и перемешивания нагреваемого телом воздуха, теплопроведения, т.е. отдачи тепла веществом, соприкасающимся с поверхностью тела. Характер отдачи тепла телом изменяется в зависимости от интенсивности обмена веществ.
Потере тепла препятствует тот слой неподвижного воздуха, который находится между одеждой и кожей, так как воздух плохой проводник тепла. В значительной степени препятствует теплоотдаче слой подкожной жировой клетчатки в связи с малой теплопроводностью жира.
Температура кожи, а следовательно интенсивность теплоизлучения и теплопроведения могут изменяться в холодных или жарких условиях внешней среды 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. Поверхностные слои кожи, получая меньше теплой крови, излучают меньше тепла, поэтому теплоотдача уменьшается. Кроме того, при сильном охлаждении кожи происходит открытие артериовенозных анастомозов, что уменьшает количество крови, поступающей в капилляры, и тем самым препятствует теплоотдаче.
Перераспределение крови, происходящее на холоде, - уменьшение количества крови, циркулирующей через поверхностные сосуды, и увеличение количества крови, проходящей через сосуды внутренних органов, - способствует сохранению тепла во внутренних органах, температура которых поддерживается на постоянном уровне.
При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи расширяются, количество циркулирующей в них крови увеличивается. Возрастает также объем циркулирующей крови во всем организме вследствие перехода воды из тканей в сосуды, а также потому, что селезенка и другие кровяные депо выбрасывают в общий кровоток дополнительное количество крови. Увеличение количества крови, циркулирующей через сосуды поверхности тела, способствует теплоотдаче посредством радиации и конвекции. Для сохранения постоянства температуры тела при высоких температурах окружающей среды имеет значение и потоотделение, происходящее за счет теплоотдачи в процессе испарения воды.
Регуляторные реакции, обеспечивающие сохранение постоянства температуры тела, представляют собой сложные рефлекторные акты, которые возникают в ответ на температурное раздражение рецепторов.
Рецепторы, с которых запускаютсярефлекторные механизмы химической и физической терморегуляции, подразделяются на рецепторы, реагирующие на тепло и холод, или тепловые и холодовые терморецепторы. Они располагаются как на поверхности, так и внутри тела. Из поверхностных особенно важны терморецепторы кожи, из внутренних - терморецепторы гипоталамуса.
Центральный механизм системы терморегуляции состоит из ряда отделов центральной нервной системы, начиная от спинного мозга и до коры больших полушарий головного мозга включительно. Ее главный отдел расположен в гипоталамусе и подразделяется на центр теплопродукции и центр теплоотдачи. Импульсы из гипоталамуса поступают по нисходящим путям к центрам вегетативной нервной системы, расположенным в продолговатом и спинном мозге, или к нейронам, иннервирующим поперечно-полосатые мышцы. Затем по вегетативным и соматическим нервам информация идет к эффекторам терморегуляции: мышцам, потовым железам, центрам дыхательной и сердечно-сосудистой систем, изменяя их функции в интересах сохранения или отдачи тела. Благодаря связям структур гипоталамуса и гипофиза, центральные структуры терморегуляции через железы внутренней секреции нейрогуморальным путем могут влиять на интенсивность обмена веществ в клетках, увеличивая теплопродукцию. Это, безусловно, рефлекторные механизмы регуляции температуры тела. Тесные связи гипоталамических центров с корой головного мозга обеспечивают условно-рефлекторную регуляцию процессов терморегуляции, тонкое приспособительное изменение деятельности всех органов, принимающих участие в терморегуляции в ответ на многообразные изменения внешней среды.
Единственным собственным эффектором - исполнителем физической терморегуляции - является потовая железа. Потоотделение - наиболее мощный физиологический механизм отдачи тепла, т.е. охлаждения. Человек в спокойном состоянии теряет путем испарения влаги, выделившейся при потоотделении, около 20% тепла, а при мышечной работе - до 80%. Интенсивность процесса испарения зависит от многих факторов: состояния организма, окружающей температуры, движения воздуха и его влажности. Испарение воды - важный фактор физической терморегуляции. Помимо собственного эффектора потовой железы, оно осуществляется и выделением воды при дыхании и испарением ее с поверхности дыхательных путей. Таким образом, дыхательная система - один из важнейших эффекторов физической терморегуляции. Изменение частоты и глубины дыхательных движений - тепловая одышка, возникающая в условиях воздействия на организм высокой температуры, - важный механизм терморегуляции у человека. Один из самых важных эффекторов физической терморегуляции - сердечно-сосудистая система, которая решает задачи как теплоотдачи, так и теплосохранения, и поэтому вовлекается в процессы терморегуляции и в условиях, грозящих организму перегревом и охлаждением. Тепло отдается в окружающую среду с поверхности тела - кожи, подкожной жировой клетчатки и частично прилегающих мышц. Изменение диаметра сосудов этих органов приводит к перераспределению количества «нагретой» циркулирующей крови. В условиях, когда теплоотдачу необходимо уменьшить, происходит сужение сосудов, количество, крови поступающей к поверхности тела, уменьшается, и нагретая кровь, проходя через артериовенозные анастомозы, стекает в сосуды внутренних органов. Температура поверхности тела понижается, и уменьшается отдача тепла путем теплоизлучения и конвекции. В условиях, требующих повышения теплоотдачи, расширение сосудов приводит к увеличению притока «горячей» крови к поверхности тела, и теплоотдача увеличивается. Одновременно в этих условиях возрастает и потоотделение.
