Теплообмен человека с окружающей средой. Человек постоянно находится в состоянии обмена теплотой с окружающей средой. Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 Дж/с (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (при тяжелой работе). Для нормального течения физиологических процессов в организме человека необходимо, чтобы выделяемое организмом тепло (Q тв) полностью отдавалось окружающей среде (Q то), то есть имел бы место тепловой баланс Q тв = Q то. Превышения тепловыделения организма над теплоотдачей в окружающую среду (Q тв > Qто) приводит к нагреву организма и к повышению температуры тела. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Наоборот, превышение теплоотдачи над тепловыделением (Q тв < Q то) приводит к охлаждению организма и снижению его температуры. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.
Одним из важных показателей теплового состояния организма является средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,5 °С. Даже незначительные отклонения от этой температуры в ту или другую сторону приводят к ухудшению самочувствия человека. Она зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы.
Теплообмен между организмом человека и окружающей средой зависит от параметров микроклимата: температуры окружающей среды, скорости движения воздуха, относительной влажности воздуха. Чтобы понять влияние того или иного показателя на теплообмен, необходимо рассмотреть механизмы за счет которых теплота передается от одного предмета к другому (в частности, от человека к окружающей среде и наоборот).
Отдача тепла организмом человека происходит посредством:
Теплопроводности Q т;
Конвекции q к в результате смывания воздухом тела человека;
Излучения на окружающие поверхности Q из;
Испарения влаги с поверхности кожи Q ис и при дыхании Q в.
Теплота может передаваться только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Интенсивность отдачи теплоты зависит от разности температур тел (в нашем случае - это температура тела человека и температура окружающих человека предметов и воздуха) и теплоизолирующих свойств одежды. Так как температура тела человека относительно величины 36,5 °С изменяется в небольшом диапазоне, то изменение отдачи теплоты от человека происходит, в основном, за счет изменения температуры окружающей человека среды. Если температура воздуха или окружающих человека предметов выше температуры 36,5 °С, происходит не отдача теплоты от человека, а наоборот, его нагрев.
Одежда человека обладает теплоизолирующими свойствами: чем она теплее, тем меньше теплоты переходит от человека к окружающей среде. Таким образом, регулировать теплообмен человека с окружающей средой можно за счет температуры окружающей среды и выбора одежды с различными теплоизолирующими свойствами.
Воздух, находящейся вблизи от теплого предмета, нагревается. Нагретый воздух имеет меньшую плотность и, как более легкий, поднимается вверх, а его место занимает более холодный воздух окружающей среды. Явление обмена порций воздуха за счет разности плотностей теплого и холодного воздуха называется естественной конвекцией.
Если теплый предмет обдувать холодным воздухом, то процесс замены более теплых слоев воздуха у предмета на более холодный ускоряется. В этом случае у нагретого предмета будет находиться более холодный воздух, разность температур между нагретым предметом и окружающим воздухом будет больше и интенсивность отдачи тепла от предмета окружающему воздуху возрастет. Это явление называется вынужденной конвекцией. Таким образом, регулировать теплообмен между человеком и окружающей средой можно изменением скорости движения воздуха, т.е. передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха.
Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую (электромагнитную волну) - инфракрасное излучение, передается на другую (холодную поверхность), где вновь превращается в тепловую. Лучистый поток тем выше, чем больше разница температур человека и окружающих предметов. Причем лучистый поток может исходить от человека, если температура окружающих предметов меньше температуры человека, и наоборот, если окружающие предметы более нагреты, т.е. лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей.
Интенсивность испарения, а следовательно, и величина отдачи тепла от организма окружающей среде зависит: во-первых, от температуры окружающей среды: чем выше температура, тем выше интенсивность испарения; во-вторых, от влажности воздуха: чем выше влажность, тем меньше интенсивность испарения; в-третьих, от скорости движения: интенсивность испарения возрастает при увеличении скорости движения воздуха; в-четвертых, от интенсивности работы: уровень потоотделения повышается пропорционально тяжести выполненной работы.
В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в легкие человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. Таким образом, теплота выводится из организма человека с выдыхаемым воздухом(Qв). Количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности и температуры окружающего (вдыхаемого) воздуха. Чем больше физическая нагрузка и ниже температура окружающей среды, тем больше отдается теплоты с выдыхаемым воздухом. С увеличением температуры и влажности окружающего воздуха количество теплоты, отводимой через дыхание, уменьшается.
Таким образом, направление тепловых потоков Q т Q к Q из может быть от человека к окружающим его воздуху и предметам и наоборот, в зависимости от того, что больше - температура тела человека или окружающего воздуха и окружающих его тел.
Тепловыделения организма человека определяются прежде всего величиной мышечной нагрузки при деятельности человека, а теплоотдача – температурой окружающего воздуха и предметов, скоростью движения и относительной влажностью воздуха.
Параметры микроклимата в природной среде и в производственных условиях могут изменяться в широких пределах. Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Нарушение теплового баланса в ту или иную сторону вызывают в организме человека реакции, способствующие его восстановлению.
Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называется терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной (Зб,5 °С) и не имеет в своем составе специфических органов. Противостояние холоду или жаре происходит под контролем нервной системы, которая включает конкретные органы в специфическую функциональную систему, обеспечивающую поддержание постоянной температуры наиболее эффективным и экономичным путем. Физиологическая система терморегуляции включает в себя регуляцию теплообразования и теплоотдачи.
Терморегуляция осуществляется следующими способами: биохимическим путем, путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.
Терморегуляция биохимическим путем состоит в изменении интенсивности окислительных процессов, происходящих в организме человека. Внешним проявлением биохимических регулирующих процессов является мышечная дрожь, которая как уже говорились, возникает при переохлаждении организма. Повышает выделение теплоты до 125...200 Дж/с. В результате сложных химических реакций при усвоении пищи вырабатывается тепло, которое расходуется на поддержание жизненных процессов: работы сердца, органов дыхания.
Терморегуляция изменением интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать объем подаваемой крови, которую в данном случае можно рассматривать как переносчик теплоты от внутренних органов к поверхности тела человека путем сужения или расширения кровеносных сосудов.
При высоких температурах окружающей среды кровеносные сосуды кожи расширяются, и к ней от внутренних органов притекает больше крови и, следовательно, больше теплоты отдается окружающей среде.
При низких температурах происходит обратное явление: кровеносные сосуды сужаются, количество крови, а, следовательно, и теплоты, подаваемой к коже, уменьшается, снижается ее температура и, как следствие, - уменьшение отдачи теплоты от человека окружающей среде.
Терморегуляция изменением интенсивности потовыделения заключается в изменении процесса теплоотдачи за счет испарения. Охлаждение организма за счет испарения имеет большое значение. Так, при температуре окружающей среды 36 °С отвод тепла от человека в окружающую среду осуществляется практически только за счет испарения пота. В регулировании процесса теплообмена участвуют одновременно все способы, но в большей или меньшей степени.
Экспериментально установлено, что оптимальный обмен веществ в организме и соответственно максимальная производительность труда имеют место, если составляющие процесса теплоотдачи находятся в следующих пределах:
Q к +Q т =30%; Q из -45
Q ис =20% Q в =5%
Такой баланс характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции.
Параметры микроклимата воздушной среды, которые обусловливают оптимальный обмен веществ в организме и при которых нет неприятных ощущений и напряженности системы терморегуляции, называются комфортными или оптимальными. Зона, в которой окружающая среда полностью отводит теплоту, выделяемую организмом, и нет напряжения системы терморегуляции, называется зоной комфорта. Условия, при которых нормальное тепловое состояние человека нарушается, называются дискомфортными.
При незначительной напряженности системы терморегуляции и небольшой дискомфортности устанавливаются допустимые метеорологические условия. При превышении допустимых значений метеорологических параметров система терморегуляции работает в напряженном режиме, человек испытывает сильный дискомфорт, нарушается тепловой баланс и начинается перегрев или переохлаждение организма в зависимости от того, в какую сторону нарушен тепловой баланс.
Адаптация и акклиматизация при работе в условиях нагревающего и охлаждающего климата. Организм работающих в условиях постоянного воздействия повышенных или пониженных температур находится в состоянии динамического равновесия с внешней средой (динамическая стереотипия) - это равновесие, установившееся благодаря приспособлению организма человека к определенным метеорологическим условиям.
В основе адаптации к нагревающему или охлаждающему микроклимату лежат процессы, направленные на поддержание определенного уровня и взаимосвязи физиологических систем, органов, механизмов управления, обеспечивающих высокую жизнедеятельность организма.
На начальных этапах адаптация осуществляется за счет активации компенсаторных механизмов - первичных рефлекторных реакций, направленных на устранение или ослабление функциональных сдвигов в организме, вызванных термическими раздражителями. В процессе приспособления (адаптации) вся деятельность организма путём нейрогуморальных механизмов приводится во все более точное и тонкое уравновешивание с окружающей средой.
В результате адаптационного процесса устанавливается стабильное состояние жизненных систем организма в измененных микроклиматических условиях среды – акклиматизация.
Акклиматизация - приспособление к новым климатическим условиям является частным случаем адаптации, развивается в результате длительного пребывания в условиях высоких и низких температур. Характерными особенностями адаптации и акклиматизации являются улучшение общего состояния, более легкая переносимость высоких и низких температур, сокращение периода восстановления физиологических функций и работоспособности.
Адаптация к высоким температурам выражается в повышении работы мышц, значительном снижении основного обмена. При работе, связанной с высокой температурой помещения адаптация идет за счет снижения теплопродукции, формирования стойкого перераспределения кровенаполнения сосудов, так что с поверхности тела отдача тепла облегчается. Потоотделение из избыточного - в аварийной фазе - превращается в адекватное высокой температуре. В процессе адаптации при выраженном потоотделении наблюдается уменьшение концентрации хлоридов в поту, что способствует уменьшению нарушений водно-солевого обмена. Уменьшается АД, урежается частота пульса и дыхания, несколько снижается температура тела.
Адаптация к воздействию холода. Частое и длительное влияние холода приводит к повышению обмена веществ и усилению теплопродукции. При работе в холодных цехах или холодильниках первые дни в ответ на низкую температуру теплопродукция нарастает неэкономично, избыточно, теплоотдача еще недостаточно ограничена. После установления фазы стойкой адаптации процессы теплопродукции становятся интенсивнее, а теплоотдачи снижаются и в конечном итоге сбалансируются таким образом, чтобы наиболее совершенно поддерживать стабильную температуру тела в новых условиях.
К активной адаптации в этом случае присоединяются механизмы, обеспечивающие приспособление рецепторов к холоду, то есть повышение порога раздражения этих рецепторов. Быстрее восстанавливается температура кожи, отмечается менее выраженное сужение сосудов кожи, большее ее кровоснабжение, увеличивается объем циркулирующей крови.
В процессе адаптации к инфракрасному облучению понижается возбудимость рецепторов, отмечается незначительное учащение пульса и повышение температуры тела, повышение интенсивности потоотделения, увеличение количества жировых веществ и уменьшение концентрации хлоридов в поту.
Адаптация наблюдается при условии, если колебания параметров производственного микроклимата не выходят за пределы компенсаторных возможностей организма. Резко выраженные колебания метеорологических условий затрудняют адаптацию организма к ним. Чрезмерные по интенсивности и продолжительности тепловые раздражители могут привести к срыву адаптации. Срывы адаптации связаны со снижением иммунологической реактивности организма и влекут за собой разнообразные неблагоприятные последствия, в частности, повышенную заболеваемость.
Обмен тепловой энергии между организмом и окружающей средой называется теплообменом. Один из показателей теплообмена - температура тела, которая зависит от двух факторов: образования тепла, то есть от интенсивности обменных процессов в организме, и отдачи тепла в окружающую среду. Животные, температура тела которых изменяется в зависимости от температуры внешней среды, называются пойкилотермными, или холоднокровными. Животные с постоянной температурой тела называются гомойотермными (теплокровными). Постоянство температуры тела называется изотермией. Она обеспечивает независимость обменных процессов в тканях и органах от колебаний температуры окружающей среды.
Температура тела человека
Температура отдельных участков тела человека различна. Наиболее низкая температура кожи отмечается на кистях и стопах, наиболее высокая - в подмышечной впадине, где ее обычно и определяют. У здорового человека температура в этой области равна 36-37° С. В течение суток наблюдаются небольшие подъемы и спады температуры тела человека в соответствии с суточным биоритмом: минимальная температура отмечается в 2-4 ч ночи, максимальная - в 16-19 ч.
Температура мышечной ткани в состоянии покоя и работы может колебаться в пределах 7° С. Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, которая является самым «горячим» органом тела: температура в тканях печени равна 38-38,5° С. Температура в прямой кишке составляет 37-37,5° С. Однако она может колебаться в пределах 4-5° С в зависимости от наличия в ней каловых масс, кровенаполнения ее слизистой и других причин. У бегунов на большие (марафонские) дистанции в конце состязаний температура в прямой кишке может повышаться до 39-40° С.
Способность поддерживать температуру на постоянном уровне обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов – теплообразования и выделения тепла из организма во внешнюю среду. Если теплообразование равно теплоотдаче, то температура тела остается постоянной. Процесс образования тепла в организме получил название химической терморегуляции, процесс, обеспечивающий удаление тепла из организма, - физической терморегуляции.
Химическая терморегуляция
Тепловой обмен в организме тесно связан с энергетическим. При окислении органических веществ выделяется энергия. Часть энергии идет на синтез АТФ. Эта потенциальная энергия может быть использована организмом в дальнейшей его деятельности. Источником тепла в организме являются все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается.
Повышение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное снижение обмена веществ, вследствие этого в организме уменьшается теплообразование. При понижении температуры окружающей среды рефлекторно увеличивается интенсивность метаболических процессов и усиливается теплообразование. В большей степени увеличение теплообразования происходит за счет повышения мышечной активности. Непроизвольные сокращения мышц (дрожь) являются основной формой повышения теплообразования. Увеличение теплообразования может происходить в мышечной ткани и за счет рефлекторного повышения интенсивности обменных процессов - несократительный мышечный термогенез.
Физическая терморегуляция
Этот процесс осуществляется за счет отдачи тепла во внешнюю среду путем конвекции (теплопроведения), радиации (теплоизлучения) и испарения воды.Конвекция - непосредственная отдача тепла прилегающим к коже предметам или частицам среды. Отдача тепла тем интенсивнее, чем больше разница температур между поверхностью тела и окружающим воздухом.
Теплоотдача увеличивается при движении воздуха, например при ветре. Интенсивность отдачи тепла во многом зависит от теплопроводности окружающей среды. В воде отдача тепла происходит быстрее, чем на воздухе. Одежда уменьшает или даже прекращает теплопроведение.
Радиация - выделение тепла из организма происходит путем инфракрасного излучения с поверхности тела. За счет этого организм теряет основную массу тепла. Интенсивность теплопроведения и теплоизлучения во многом определяется температурой кожи. Теплоотдачу регулирует рефлекторное изменение просвета кожных сосудов. При повышении температуры окружающей среды происходит расширение артериол и капилляров, кожа становится теплой и красной. Это увеличивает процессы теплопроведения и теплоизлучения. При понижении температуры воздуха артериолы и капилляры кожи суживаются. Кожа становится бледной, количество протекающей через ее сосуды крови уменьшается. Это приводит к понижению ее температуры, теплоотдача уменьшается, и организм сохраняет тепло.
Испарение воды с поверхности тела (2/з влаги), а также в процессе дыхания (1/з влаги). Испарение воды с поверхности тела происходит при выделении пота. Даже при полном отсутствии видимого потоотделения через кожу испаряется в сутки до 0,5 л воды - невидимое потоотделение. Испарение 1 л пота у человека с массой тела 75 кг может понизить температуру тела на 10° С.
В состоянии относительного покоя взрослый человек выделяет во внешнюю среду 15% тепла путем теплопроведения, около 66% посредством теплоизлучения и 19% за счет испарения воды. В среднем человек теряет за сутки около 0,8 л пота, а с ним 500 ккал тепла. При дыхании человек также выделяет ежесуточно около 0,5 л воды. При низкой температуре окружающей среды (15° С и ниже) около 90% суточной теплоотдачи происходит за счет теплопроведения и теплоизлучения. В этих условиях видимого потоотделения не происходит.
При температуре воздуха 18-22° С теплоотдача за счет теплопроводности и теплоизлучения уменьшается, но увеличивается потеря тепла организмом путем испарения влаги с поверхности кожи. При большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, может возникнуть перегревание тела и развиться тепловой удар.Малопроницаемая для паров воды одежда препятствует эффективному потоотделению и может служить причиной перегревания организма человека.
В жарких странах, при длительных походах, в горячих цехах человек теряет большое количество жидкости с потом. При этом появляется чувство жажды, которое не утоляется приемом воды. Это связано с тем, что с потом теряется большое количество минеральных солей. Если добавить к питьевой воде соль, то чувство жажды исчезнет и самочувствие людей улучшится.
Центры регуляции теплообмена
Терморегуляция осуществляется рефлекторно. Колебания температуры окружающей среды воспринимаются терморецепторами. В большом количестве терморецепторы располагаются в коже, в слизистой оболочке полости рта, верхних дыхательных путях. Обнаружены терморецепторы во внутренних органах, венах, а также в некоторых образованиях центральной нервной системы. Терморецепторы кожи очень чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды. Они возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007° С и понижении - на 0,012° С.
Нервные импульсы, возникающие в терморецепторах, по афферентным нервным волокнам поступают в спинной мозг. По проводящим путям они достигают зрительных бугров, а от них идут в гипоталамическую область и к коре большого мозга. В результате возникают ощущения тепла или холода.В спинном мозге находятся центры некоторых терморегуляторных рефлексов. Гипоталамус является основным рефлекторным центром терморегуляции. Передние отделы гипоталамуса контролируют механизмы физической терморегуляции, т. е. они являются центром теплоотдачи. Задние отделы гипоталамуса контролируют химическую терморегуляцию и являются центром теплообразования. Важная роль в регуляции температуры тела принадлежит коре головного мозга. Эфферентными нервами центра терморегуляции являются главным образом симпатические волокна.
В регуляции теплообмена участвует и гормональный механизм, в частности гормоны щитовидной железы и надпочечников. Гормон щитовидной железы - тироксин, повышая обмен веществ в организме, увеличивает теплообразование. Поступление тироксина в кровь возрастает при охлаждении организма. Гормон надпочечников - адреналин - усиливает окислительные процессы, увеличивая тем самым теплообразование. Кроме того, под действием адреналина происходит сужение сосудов, в частности сосудов кожи, за счет этого уменьшается теплоотдача.
Приспособление организма к пониженной температуре окружающей среды. При понижении температуры окружающей среды происходит рефлекторное возбуждение гипоталамуса. Повышение его активности стимулирует гипофиз, результатом чего является усиленное выделение тиреотропина и кортикотропина, повышающих активность щитовидной железы и надпочечников. Гормоны данных желез стимулируют теплопродукцию.Таким образом, при охлаждении включаются защитные механизмы организма, повышающие обмен веществ, теплообразование и уменьшающие теплоотдачу.
Возрастные особенности терморегуляции
У детей первого года жизни наблюдается несовершенство механизмов. Вследствие этого при понижении температуры окружающей среды ниже 15° С возникает переохлаждение детского организма. На первом году жизни происходит уменьшение отдачи тепла посредством теплопроводности и теплоизлучения и увеличение теплопродукции. Однако до 2 лет дети остаются термолабильными (повышается температура тела после еды, при высокой температуре окружающей среды). У детей от 3 до 10 лет совершенствуются механизмы терморегуляции, но их неустойчивость продолжает сохраняться.
В препубертатном возрасте и в период полового созревания (пубертатный период), когда происходят усиленный рост организма и перестройка нейрогуморальной регуляции функций, усиливается неустойчивость терморегуляционных механизмов.В пожилом возрасте наблюдается снижение образования тепла в организме по сравнению со зрелым возрастом.
Проблема закаливания организма
Во все периоды жизни необходимо закаливать организм. Под закаливанием понимают повышение устойчивости организма к неблагоприятным воздействиям внешней среды и в первую очередь к охлаждению. Закаливание достигается путем использования естественных факторов природы - солнца, воздуха и воды. Они действуют на нервные окончания и сосуды кожи человека, повышают активность нервной системы и способствуют усилению обменных процессов. При постоянном воздействии природных факторов происходит привыкание к ним организма. Закаливание организма эффективно при соблюдении следующих основных условий: а) систематическое и постоянное применение естественных факторов; б) постепенное и систематическое увеличение длительности и силы их воздействия (закаливание начинать с использования теплой воды, постепенно снижать ее температуру и увеличивать время проведения водных процедур); в) закаливание с применением контрастных по температуре раздражителей (теплая - холодная вода); г) индивидуальный подход к закаливанию.
Применение природных факторов закаливания необходимо сочетать с занятиями физической культурой и спортом. Хорошо способствует закаливанию утренняя гимнастика на свежем воздухе или в комнате при открытой форточке с обязательным обнажением значительной части тела и последующими водными процедурами (обливание, душ). Закаливание является наиболее доступным средством оздоровления людей.
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.
Для нормального протекания физиологических процессов в организме человека необходимо, чтобы выделяемая организмом теплота полностью отводилась в окружающую среду, так как функционирование организма требует протекания в нем химических и биохимических процессов в достаточно строгих температурных пределах (36,5 – 37,0 о С).
Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме ответные реакции, способствующие его восстановлению за счет адаптивных и компенсаторных возможностей организма.
Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека в пределах 36 – 37 °С называются терморегуляцией.
Терморегуляция ─ физиологический процесс, находящийся под контролем центральной нервной системы .
Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами: биохимическим; за счет изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.
Терморегуляция биохимическим путем заключается в изменении интенсивности обмена веществ (окислительных процессов) при перегревании или охлаждении организма.
Терморегуляция за счет изменения интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать подачу крови (теплоносителя) от внутренних органов к поверхности тела, в результате сужения или расширения кровеносных сосудов в зависимости от температуры окружающей среды. Кровоснабжение при высокой температуре может быть в 20 – 30 раз больше, чем при низкой. В пальцах кровоснабжение может изменяться в 600 раз.
Терморегуляция изменением интенсивности выделения пота осуществляется изменением процесса теплоотдачи и в результате испарения выделяемого пота.
Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами, что исключает переохлаждение и перегрев организма, так как обеспечивает равновесие между количеством тепла, непрерывно образующимся в организме (химическая терморегуляция) и излишком тепла непрерывно отдаваемым в окружающую среду (физическая терморегуляция), т. е. сохраняется тепловой баланс организма.
Терморегуляцию (Q) можно представить следующим образом:
Q = M ± R ± C – E (1)
Поддержание постоянства температуры тела определяется теплопродукцией организма М, то есть процессами обмена веществ в клетках (переваривание пищи, сжигание запасов сахара и жира), производимой в результате физической активности (выполнения работы, энерготраты которой определяют категорию работы, непроизвольного дрожания мышц).
Теплоотдачей или теплоприходом R за счет инфракрасного излучения организмом в окружающее пространство или облучения инфракрасным потоком поверхности тела человека из этого пространства;
теплоотдачей или теплоприходом С путем конвекции, то есть через нагрев или охлаждение тела воздухом, омываемым поверхность тела;
теплоотдачей E, обусловленной испарением влаги с поверхности кожи, слизистых оболочек верхних дыхательных путей, легких.
Изменение параметров микроклимата вызывает изменение процентного содержания величин, определяющих тепловой баланс организма человека.
В нормальных условиях при слабом движении воздуха человек в состоянии покоя теряет всей вырабатываемой организмом тепловой энергии в результате тепловой радиации около 45%; конвекцией до 30% и испарением до 25%.
При этом: свыше 80% тепла отдается через кожу, около 1 3% через органы дыхания, около 7% тепла расходуется на согревание принимаемой пищи, воды и вдыхаемого воздуха.
При повышении температуры наружного воздуха и тех же значениях относительной влажности испаряемость кожного покрова увеличивается в результате потоотделения с поверхности тела человека. Потоотделение играет важную роль в сохранении комфортного состояния человека. Так, при нормальных атмосферных условиях организм выделяет от 0,4 до 0,6 литра пота в сутки, а за 1 час потовыделения затрачивается 0,6ккал. При работе в условиях повышенной температуры и влажности теплоотдача организма затруднена.
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.
В процессах гомеостаза у всех теплокровных животных и человека большое значение имеет терморегуляция – способность поддерживать температуру тела на постоянном уровне независимо от колебаний температуры окружающей среды (изотермия ). В отличие от животных, температура тела которых находится в прямой зависимости от температуры окружающей среды (земноводные, пресмыкающиеся, рыбы), уровень температуры тела теплокровных организмов позволяет им сохранять свою активность в разных условиях обитания, повышая таким образом их адаптационные возможности.
Постоянство температуры тела обусловлено процессами теплообразования и теплоотдачи. Эти процессы регулируются сложными рефлекторными актами, которые возникают в ответ на температурное раздражение рецепторов кожи, кожных и подкожных сосудов, а также центральной нервной системы. Терморецепторы, воспринимающие холод или тепло, находятся в передней части гипоталамуса, в ретикулярной формации среднего мозга, а также в спинном мозге (см. Нервная система). В гипоталамусе расположены основные центры терморегуляции, которые координируют сложные процессы, обеспечивающие изотермию. Центры некоторых терморегуляторных рефлексов расположены в спинном мозге, определенное участие в процессах терморегуляции принимает кора головного мозга, железы внутренней секреции (прежде всего щитовидная железа и надпочечники). При охлаждении щитовидная железа более активно выделяет гормон, активизирующий обмен веществ и усиливающий в результате этого теплопродукцию. Надпочечники усиливают выделение адреналина, который суживает кожные сосуды, уменьшая теплоотдачу, и повышает теплообразование за счет усиления процессов окисления в тканях.
Так как разные органы имеют разную активность метаболизма, их температура может различаться. Самую высокую температуру имеет печень (37,8–38°С), так как она расположена глубоко внутри тела и имеет самый высокий уровень обменных процессов. Температура кожи более зависима от температуры окружающей среды и вследствие высокой теплоотдачи самая низкая (30–34°С), при этом она может значительно различаться: самая высокая на туловище и голове, самая низкая – на конечностях.
Температура тела имеет циркадный (околосуточный) режим и колеблется в пределах 0,5–0,7°С: максимум отмечается при мышечной работе и в 16–18 ч вечера, минимум – в покое и в 3–4 ч утра. Измеряют температуру тела в подмышечной впадине (36,5–36,9°С), у грудных детей часто в прямой кишке, где она выше и составляет 37,2– 37,5°С.
Постоянство температуры тела у человека сохраняется лишь при равновесии процессов теплообразования и теплоотдачи организма (рис. 1.25). Это достигается с помощью физических и химических механизмов теплорегуляцию
Химическая терморегуляция происходит посредством активизации обменных процессов в тканях организма, приводящей к усилению теплообразования. У человека усиление теплообразования отмечается при снижении температуры окружающей среды ниже оптимальной (так называемой зоны температурного комфорта). В одежде температура комфорта составляет 18–20°С, без нее – 28°С. Наиболее интенсивное теплообразование наблюдается в мышцах, печени и почках.
Физическая терморегуляция происходит посредством уменьшения либо усиления теплоотдачи за счет изменения излучения тепла (радиационная теплоотдача), конвекции (перемешивание нагреваемого телом воздуха) и испарения воды с поверхности кожи и легких. В состоянии покоя при температуре 20°С у человека радиация составляет 66%, испарение – 19%, конвекция – 15% общей потери тепла организмом. Препятствует теплоотдаче слой подкожной жировой клетчатки, поскольку ее жировая ткань имеет малую теплопроводность, и одежда, создающая слой неподвижного воздуха вокруг тела.
Рис. 1.25.
Теплоотдача путем радиации и конвекции возможна только в условиях температуры окружающей среды до 35°С, при более высокой температуре воздуха температура тела поддерживается только за счет испарения пота; ведущей становится теплоотдача путем испарения и при интенсивной мышечной нагрузке. Эффективность этого вида теплоотдачи находится в зависимости от влажности воздуха и воздухопроницаемости одежды. В поддержании температуры тела участвует и дыхание: во время выдоха легкие выделяют воду в виде водяных паров, этот вид теплоотдачи регулируется изменением частоты дыхания.
Важным механизмом терморегуляции является перераспределение крови в сосудах и объема циркулирующей крови. При низкой температуре артериолы кожи сужаются, большее количество крови поступает в сосуды брюшной полости, в результате чего ограничивается теплоотдача, а внутренние органы дополнительно согреваются. При еще более сильном охлаждении открываются сосуды, обеспечивающие сброс крови из артерий в вены (артериовенозные анастомозы), и поступление крови в капилляры дополнительно уменьшается. При повышении температуры тела сосуды кожи расширяются, увеличивается объем крови, протекающей по сосудам кожи, что приводит к охлаждению крови в сосудах кожи за счет теплоотдачи с поверхности тела (рис. 1.26).
Рис. 1.26. Механизм теплоотдачи на холоде (А) и в тепле (Б)
Дополнительными средствами терморегуляции могут служить изменение положения тела, "гусиная кожа", озноб. Так, когда человеку холодно, он сворачивается в "клубочек", уменьшая поверхность теплоотдачи. "Гусиная кожа" – рудиментарная реакция, сохранившаяся у человека в процессе эволюции от животных предков, покрытых шерстью, – позволяет поднять шерсть, увеличив таким образом слой согретого неподвижного воздуха вокруг туловища и закрыть выводные протоки потовых желез, уменьшая испарение воды с поверхности тела. Озноб, возникающий при переохлаждении, приводит к дополнительному образованию тепла в результате мышечной работы (мелкой дрожи), идущему на согревание тела.
Изменение терморегуляции в онтогенезе. В процессе онтогенеза способность поддерживать постоянную температуру тела развивается постепенно. Новорожденный ребенок отличается неустойчивой терморегуляцией: у него легко возникает охлаждение или перегревание организма при изменении температуры окружающей среды, даже небольшая мышечная нагрузка (длительный плач) может привести к повышению температуры тела. Очень низка способность к терморегуляции у недоношенных детей, поэтому они нуждаются в специальных условиях для поддержания температуры тела.
Основные терморегуляторные реакции организма формируются в младенческом возрасте. В первые месяцы жизни защита от потери тепла организмом осуществляется главным образом подкожной жировой клетчаткой. Такой статичный механизм не позволяет в достаточной степени регулировать теплоотдачу в соответствии с текущей ситуацией, поэтому дети младенческого возраста легко подвержены переохлаждению и перегреванию. Организм ребенка приспособлен к уменьшению теплоотдачи с относительно большой поверхности тела преимущественно за счет теплоизоляции подкожной жировой клетчаткой. Кроме того, в этом возрасте в организме ребенка функционирует бурая жировая ткань. Она насыщена митохондриями, участвующими во внутриклеточных энергетических процессах, и "согревает" крупные сосуды, расположенные вдоль позвоночника. Сосудодвигательные реакции, определяющие тонус поверхностно расположенных сосудов и регулирующие теплоотдачу, активно формируются на протяжении первого года жизни. Так как они еще несовершенны, легко возникает переохлаждение или перегревание организма, поэтому при уходе за младенцами и их воспитании тепловой режим должен соблюдаться достаточно строго. После года к производству тепла начинают подключаться мышцы, а бурая жировая ткань постепенно перестает функционировать. Однако механизмы теплоотдачи еще несовершенны и температура комфорта остается высокой – около 30°С. В возрасте от 3 до 7 лет значительное место занимают механизмы химической (метаболической) терморегуляции. С 6-летнего возраста начинается быстрое совершенствование сосудодвигательных реакций периферических сосудов и к 10 годам физическая терморегуляция приближается по своей эффективности к уровню взрослого человека. В подростковом возрасте увеличивается скорость кровотока, что приводит к повышению температуры кожи. Кроме этого, неустойчивость сосудистого тонуса, свойственная этому возрасту, снижает возможности физической терморегуляции и для поддержания постоянства температуры тела опять становится необходимым увеличение производства тепла за счет активизации метаболических процессов. Следовательно, в пубертатный период возможности терморегуляции снижаются, сокращая определенным образом адаптационные ресурсы организма. В юношеском возрасте температурный гомеостаз становится более устойчивым, терморегуляторные реакции более экономичными. В пожилом и старческом возрасте замедляются обменные процессы, снижаются возможности адаптационной регуляции тонуса сосудов и мышечного компонента физической терморегуляции, что приводит к снижению температуры тела, легкому возникновению переохлаждения организма, воспалительных и простудных заболеваний.
