Основными параметрами, обеспечивающими процесс теплообмена человека с окружающей средой, являются параметры микроклимата. В естественных условиях на поверхности Земли эти параметры изменяются в существенных пределах. Так, температура окружающей среды изменяется от -88 до +60 °С; подвижность воздуха - от 0 до 100 м/с; относительная влажность - от 10 до 100% и атмосферное давление - от 680 до 810 мм рт. ст.
Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называются терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной, близкой к 36,5 °С.
Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами :
1. Биохимическим путем.
2. Путем изменения интенсивности кровообращения.
3. За счет интенсивности потовыделения.
Терморегуляция биохимическим путем заключается в изменении интенсивности происходящих в организме окислительных процессов. Например, мышечная дрожь, возникающая при сильном охлаждении организма, повышает выделение теплоты до 125...200 Дж/с.
Терморегуляция путем изменения интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать подачу крови (которая является в данном случае теплоносителем) от внутренних органов к поверхности тела путем сужения или расширения кровеносных сосудов.
Перенос теплоты с потоком крови имеет большое значение вследствие низких коэффициентов теплопроводности тканей человеческого организма.
При высоких температурах окружающей среды кровеносные сосуды кожи расширяются, и к ней от внутренних органов притекает большое количество крови и, следовательно, больше теплоты отдается окружающей среде.
При низких температурах происходит обратное явление: сужение кровеносных сосудов кожи, уменьшение притока крови к кожному покрову и, следовательно, меньше теплоты отдается во внешнюю среду.
Кровоснабжение при высокой температуре среды может быть в 20 - 30 раз больше, чем при низкой. В пальцах кровоснабжение может изменяться даже в 600 раз.
Терморегуляция путем изменения интенсивности потовыделения заключается в изменении процесса теплоотдачи за счет испарения
Параметры микроклимата воздушной среды, которые обуславливают 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 .
Гигиеническое нормирование параметров микроклимата производственных помещений.
Нормы производственного микроклимата установлены системой стандартов безопасности труда ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Они едины для всех производств и всех климатических зон с некоторыми незначительными отступлениями.
В этих нормах отдельно нормируется каждый компонент микроклимата в рабочей зоне производственного помещения: температура, относительная влажность, скорость воздуха в зависимости от способности организма человека к акклиматизации в разное время года, характера одежды, интенсивности производимой работы и характера тепловыделений в рабочем помещении.
Для оценки характера одежды (теплоизоляции ) и акклиматизации организма в разное время года введено понятие периода года.
Различают теплый и холодный период года. Теплый период года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха +10 °С и выше, холодный - ниже +10 °С.
В рабочей зоне производственного помещения могут быть установлены оптимальные и допустимые микроклиматические условия.
Оптимальные микроклиматические условия - это такое сочетание параметров микроклимата, которое при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивает ощущение теплового комфорта и создает предпосылки для высокой работоспособности.
Допустимые микроклиматические условия - это такое сочетания параметров микроклимата, которое при длительном и систематическом воздействии на человека может вызвать напряжение реакций терморегуляции и которые не выходят за пределы физиологических приспособительных возможностей.
Методы снижения неблагоприятного влияния производственного микроклимата регламентируются «Санитарными правилами по организации технологических процессов и гигиеническими требованиями к производственному оборудованию» и осуществляются комплексом технологических, санитарно-технических, организационных и медико-профилактических мероприятий.
Ведущая роль в профилактике вредного влияния высоких температур и инфракрасного излучения принадлежит технологическим мероприятиям:
1. Замена старых и внедрение новых технологических процессов и оборудования, способствующих оздоровлению неблагоприятных условий труда.
2. Внедрение автоматизации и механизации дает возможность пребывания рабочих вдали от источника радиационной и конвекционной теплоты.
К группе санитарно-технических мероприятий относится применение коллективных средств защиты :
1. Локализация тепловыделений, теплоизоляция поверхностей, экранирование источников либо рабочих мест.
2. Воздушное душирование, радиационное охлаждение, мелкодисперсное распыление воды.
3. Общеобменная вентиляция или кондиционирование воздуха.
Теплоизоляция поверхностей источников излучения (печей, сосудов и трубопроводов с горячими газами и жидкостями) снижает температуру излучающей поверхности и уменьшает как общее тепловыделение, так и радиационное.
Конструктивно теплоизоляция может быть мастичной, оберточной, засыпной, из штучных изделий и смешанной.
Мастичная изоляция осуществляется нанесением мастики (штукатурного раствора с теплоизоляционным наполнителем) на горячую поверхность изолируемого объекта.
Оберточную изоляцию изготовляют из волокнистых материалов - асбестовой ткани, минеральной ваты, войлока и др. Наиболее пригодна оберточная изоляция для трубопроводов.
Засыпную изоляцию применяют реже, так как необходимо устанавливать кожух вокруг изолируемого объекта
Теплоизоляцию штучными или формованными изделиями, скорлупами применяют для облегчения работ.
Смешанная изоляция состоит из нескольких различных слоев.
При выборе материала для изоляции необходимо принимать во внимание механические свойства материалов, а также их способность выдерживать высокую температуру. Многие теплоизоляционные материалы берут в их естественном состоянии, например, асбест, слюда, торф, земля, но большинство получают в результате специальной обработки естественных материалов и представляют собой различные смеси.
Теплозащитные экраны применяют для локализации источников лучистой теплоты, уменьшения облученности на рабочих местах и снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место.
В зависимости от того, какая способность экрана более выражена, различают теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие экраны.
По степени прозрачности экраны делят на три класса: непрозрачные, полупрозрачные и прозрачные.
К первому классу относят металлические водоохлаждаемые и футерованные асбестовые, альфолиевые, алюминиевые экраны.
Ко второму - экраны из металлической сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой; все эти экраны могут орошаться водяной пленкой.
Третий класс составляют экраны из различных стекол: силикатного, кварцевого и органического, бесцветного, окрашенного и металлизированного, пленочные водяные завесы, свободные и стекающие по стеклу, вододисперсные завесы.
При воздействии на работающего теплового облучения применяют воздушное душирование (подачу воздуха в виде воздушной струи, направленной на рабочее место). Воздушное душирование устраивают также для производственных процессов с выделением вредных газов или паров и при невозможности устройства местных укрытий.
Охлаждающий эффект воздушного душирования зависит от разности температур тела работающего и потока воздуха, а также от скорости обтекания воздухом охлаждаемого тела.
Воздушные завесы предназначены для защиты от прорыва холодного воздуха в помещение через проемы здания (ворота, двери и т.п.). Воздушная завеса представляет собой воздушную струю, направленную под углом навстречу холодному потоку воздуха.
Согласно СНиП 2.04.05-91 воздушные завесы необходимо устанавливать у проемов отапливаемых помещений, открывающихся не реже, чем один раз в час либо на 40 мин единовременно при температуре наружного воздуха -15 °С и ниже.
Воздушные оазисы предназначены для улучшения метеорологических условий труда (чаще отдыха на ограниченной площади). Для этого разработаны схемы кабин с легкими передвижными перегородками, которые затапливаются воздухом с соответствующими параметрами.
Мероприятия по профилактике неблагоприятного воздействия холода должны предусматривать предупреждение выхолаживания производственных помещений, использование средств индивидуальной защиты, подбор рационального режима труда и отдыха. Спецодежда должна быть воздухо- и влагонепроницаемой (хлопчатобумажная, льняная, грубошерстное сукно), иметь удобный покрой.
Для работы в экстремальных условиях (ликвидация пожаров и др.) применяют специальные костюмы, обладающие повышенной теплосветоотдачей. Для защиты головы от излучения применяют дюралевые, фибровые каски, войлочные шляпы; для защиты глаз - очки темные или с прозрачным слоем металла, маски с откидным экраном.
Действительно, нарушение теплового равновесия возникает вследствие повреждения внутренних органов, задействованных в регуляции тепла.
В норме температура человека должна сохраняться в пределах 36,2-37 градусов. Терморегуляция организма человека – это возможность тела контролировать теплообмен, чтобы температура не превышала допустимого показателя. Тепловое равновесие достигается такими способами: путем изменения объема кровообращения и количества выделяемого пота, за счет биохимических процессов. При этом за нормализацию баланса отвечают все виды теплообмена сразу, отличается лишь степень их вовлеченности.
Механизм регулирования обмена
Теплообмен химическим способом осуществляется благодаря вырабатыванию энергии. В этот процесс вовлечены все органы особенно, когда через них проходит кровь. Максимальное количество энергии производится в полосатых поперечных мышцах и печени. Контроль баланса температуры тела за счет выброса тепловой энергии – это физическая регуляция тепла. Она осуществляется при помощи прямого обмена тепла с холодными предметами, воздухом, инфракрасным излучением. Сюда также можно включить дыхание и испарение пота с кожного покрова.
Как сохраняется тепловое равновесие
Внутренняя температура контролируется специальными чувствительными рецепторами. Большая часть их размещена в кожном покрове, слизистой рта, верхних дыхательных путях. Если условия внешней среды не соответствуют норме, рецепторы подают сигнал в головной мозг и появляется чувство перегрева или переохлаждения. Процессы выработки или отдачи тепла запускаются центром терморегуляции.
Стоит отметить, что механизмы образования энергии происходят также за счет определенных гормонов. Например, тироксин повышает производство тепла за счет ускорения обменных процессов. Адреналин имеет такое же действие, но оно осуществляется благодаря ускорению процессов окисления. К тому же адреналин сужает кровеносные сосуды в коже, что также способствует сохранению тепла.
Биохимический способ
Биохимическим путем тепловое равновесие достигается за счет увеличения процессов окисления, которые происходят в человеческом организме. Внешне такое явление проявляется дрожью в мышцах, которая появляется, если организм переохлажден. Как результат организму подается большее количество тепла для достижения равновесия. Если при понижении температуры внешней среды выработка тепла не осуществляется, то это указывает на нарушение баланса.
Усиление кровообращения
Нарушение равновесия тепла регулируется также изменением интенсивности объема подаваемой крови, которая переносит энергию от органов к поверхности тела. Кровообращение усиливается благодаря расширяющимся/сужающимся сосудам. Если температуру нужно уменьшить, происходит расширение. Для увеличения тепла – сужение. Объем подаваемой крови может меняться в тридцать раз, внутри пальцев – до шестисот раз.
Интенсивность выделения пота
Физическая регуляция теплообмена может происходить и за счет усиления выделения пота. В этом случае равновесие тепла достигается благодаря испарению. Механизмы испарительного охлаждения тела крайне важны для организма. К примеру, если температура окружающей среды находиться на показателе 36 градусов, теплообмен от человека во внешнюю атмосферу производиться преимущественно за счет выделения пота и его испарения.
Допустимый диапазон параметров внешней среды
При различных пределах параметров окружающей среды механизмы терморегуляции справляются с поддержанием теплового равновесия. При условиях воздушной среды, когда физическая терморегуляция определяет оптимальный уровень интенсивности обмена веществ у человека, не возникает напряженность и прочие негативные ощущения. Такие условия считаются оптимальными или комфортными.
Зона, в которой внешняя среда практически полностью забирает тепло, выделяемое организмом, но при этом механизмы регуляции держат температуру тела под контролем, считается допустимо комфортной.
Условия, при которых происходит нарушение теплового равновесия организма, считаются дискомфортными. Если механизмы терморегуляции работают в незначительном напряжении, то условия определяются, как допустимо дискомфортные. Такая среда характеризуется метеорологическими параметрами, не превышающими допустимой нормы.
Если параметры превышают установленные значения, то системы регуляции тепла работают в усиленном (напряженном) режиме. Такие условия вызывают ощутимый дискомфорт, происходит нарушение теплового баланса. Возникает переохлаждение тела или его перегрев, зависимо от того, в какую сторону нарушено тепловое равновесие, в плюс или минус.
Причины нарушения теплового баланса
Небольшие изменения выработки тепловой энергии и ее передачи в атмосферу возникают при физическом напряжении. Это не нарушение, так как в спокойном состоянии, в процессе отдыха, все процессы терморегуляции быстро приходят в норму.
Нарушение в тепловом обмене, как правило, появляется как следствие системных заболеваний, сопровождающихся воспалительными процессами в организме. Тем не менее ситуации, какие стали причиной сильного повышения температуры тела при воспалениях, неправильно считать патологическими.
Лихорадка и жар появляются, чтобы остановить рост клеток, пораженных бактериями, вирусами. По сути, данные структуры являются естественной защитной реакцией иммунитета, и лечение здесь не требуется.
Действительно, нарушение теплового равновесия возникает вследствие повреждения внутренних органов, задействованных в регуляции тепла – гипоталамуса, мозга (спинного и головного), гипофиза.
Физическая и биохимическая регуляция теплообмена нарушается, если имеется механические повреждения тела, образование опухолей, кровоизлияния. Дополнительно увеличивают нарушение болезни сердечно-сосудистой и эндокринной системы, сбои гормонального уровня, физический перегрев/переохлаждение.
Лечение патологии
Для восстановления корректного протекания механизмов теплорегуляции требуется соответствующее лечение, которое назначается после выяснения причин возникшего нарушения в выработке и отдаче тепловой энергии. Врач, прежде чем определить какое требуется лечение, выдаст направление к неврологу, порекомендует сдать лабораторные анализы и пройти назначенные медицинские исследования. Только такой подход позволит спланировать правильное лечение, которое поможет восстановить системы естественной терморегуляции.
Тепловой гомеостаз является основным условием жизнедеятельности. Образование тепла неразрывно связано с энергетическим обменом. Фактором, обеспечивающим непрерывное течение метаболизма в органах и тканях, является определенная температура крови, которая поддерживается специализированными механизмами саморегуляции.
Человек относится к гомойотермным организмам, которые вырабатывают много тепла и отличаются относительным постоянством температуры тела, незначительно изменяющейся в течение суток. Человек может переносить температурные колебания внутренней среды в диапазоне от 25 до 43 0 С.
Температурный фактор определяет скорость протекания ферментативных процессов, всасывания, проведения возбуждения и мышечного сокращения.
Температура тела человека различна в поверхностных и глубоких участках. Внутренние части тела, составляющие примерно 50% его массы, называются «ядром ». Сюда относят мозг, внутренние органы и кровь. Температура «ядра» относительно стабильна. Например, температура крови правого предсердия и температура нижней трети пищевода вблизи сердца варьирует незначительно и составляет величину порядка 36,7-37 0 С. В разных участках «ядра» температурные колебания составляют от 0,2 до 1,2 0 С. Оценка температуры «ядра» проводится в определенных легко доступных участках тела, температура которых практически не отличается от температуры «ядра». Такими участками являются прямая кишка, полость рта и подмышечная впадина. При этом оральная (подъязычная) температура обычно ниже ректальной на 0,2-0,5 0 С, а аксиллярная (в области подмышечной ямки) – ниже ректальной на 0,5-0,8 0 С. При плотном прижатии руки к грудной клетке граница внутреннего слоя «ядра» почти доходит до подмышечной впадины, однако для достижения этого должно пройти не менее 10 минут. Для определения температуры ткани используют различные виды термометров, а также оптический метод – термовизиография.
«Оболочкой » называют поверхностный слой тела толщиной 2,5 см, который характеризуется весьма большими различиями температуры в разных участках. Кроме этого эта температура зависит от температуры внешней среды. В правой и левой половине «оболочки» иногда наблюдается ассиметрия температур. Средняя температура кожи обнаженного человека составляет (при комфортной внешней температуре) 33-34 0 С. При этом температура кожи стопы значительно ниже температуры проксимальных участков нижних конечностей и в еще большей степени – туловища и головы. Температура кожи в области стопы в комфортных условиях равна 24-28 0 С, а при изменении внешних условий – 13-53 0 С. Температура различных частей тела человека в условиях холода и тепла представлена на рисунке 1.
У большинства млекопитающих температура тела соответствует диапазону 36-39 0 С. Интенсивность метаболизма (теплопродукции) определяется как массой тела, так и величиной отдачи тепла с поверхности тела. В соответствии с этим у животных с небольшими размерами тела и с большим, чем у крупных животных, отношением площади поверхности к величине массы тела теплопродукция на 1 кг массы выше.
Температура тела человека колеблется в течение суток в диапазоне 0,3-1,5 0 С, чаще 1,0 0 С. Эти колебания основаны на эндогенном ритме, который определяется «биологическими часами» организма, синхронизированными в режиме «день-ночь». Отчетливо выражен ритм температурных колебаний синхронизированный с менструальным циклом. На ритм суточных температурных изменений накладываются и другие ритмы.
Температура тела определяется соотношением теплопродукции и теплоотдачи. Когда они не соответствуют друг другу, физиологическая система терморегуляции адаптивно меняет теплопродукцию или теплоотдачу. Тем самым обеспечивается относительная стабильность температуры внутренней среды организма. При изменениях температуры окружающей среды в пределах 21-53 0 С температура тела обнаженного человека может оставаться стабильной в течение нескольких минут.
Теплопродукция (химическая терморегуляция) – это способ поддержания температуры тела на оптимальном для метаболизма уровне, осуществляемый за счет изменения интенсивности метаболических экзотермических реакций, в ходе которых образуется тепло. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ: печени, почках, эндокринных и пищеварительных железах, скелетных мышцах. Меньше тепла образуется в костях, хрящах и соединительной ткани. Прием пищи повышает интенсивность обменных процессов на 30%. Наиболее выраженное специфическое динамическое действие оказывают белки, затем углеводы и жиры. Химическая терморегуляция зависит от ряда факторов: индивидуальных особенностей организма, температуры окружающей среды, интенсивности мышечной работы, характера питания, эмоционального состояния, кислородного обеспечения организма, степени ультрафиолетового облучения, интенсивности видимого света. Различают сократительную и несократительную теплопродукцию.
Сократительная теплопродукция связана с произвольными и непроизвольными сокращениями мышц. Произвольные сокращения приводят к многократному увеличению теплообразования, при этом повышаются и теплопотери за счет усиления отдачи тепла конвекцией. То есть произвольные сокращения представляют собой слишком расточительный способ повышения теплопродукции. Непроизвольные сокращения мышц встречаются в двух вариантах: дрожи и терморегуляторного тонуса. Дрожь является экономным способом теплопродукции, так как этот тип сократительной двигательной активности обеспечивает переход всей энергии мышечного сокращения в тепловую энергию. Терморегуляторный тонус развивается в основном в области мышц спины и шеи. Теплопродукция при этом возрастает на 40-50%. Терморегуляторные тонические сокращения возникают при снижении температуры внешней среды на 2 0 С относительно уровня комфорта. Такие сокращения имеют характер зубчатого тетануса, близкого к режиму одиночных сокращений и являются более адаптивными, так как в этом случае при многократном периодическом действии холода формируются изменения тканевых структур – структурный след адаптации. Одним из проявлений таких структурно-адаптационных изменений является увеличение в скелетных мышцах количества красных (медленных) волокон, выполняющих в основном тоническую функцию.
Несократительная теплопродукция значительно выражена в адаптированном к холоду организме. Доля такого механизма в обеспечении прироста теплопродукции на холоде может составлять 50-70%. Развивается это явление в различных тканях, но специфическим субстратом является бурая жировая ткань. Эта ткань локализована у человека в области шеи, между лопаток, в средостении около аорты, крупных вен и симпатической цепочки. Количество бурой жировой ткани составляет 1-2% массы тела, но при адаптации может увеличиться до 5% массы тела. Скорость окисления жирных кислот в бурой жировой ткани в 20 раз превышает эту скорость в белой жировой ткани. При действии холода в этой ткани растут кровоток и уровень обмена веществ, увеличивается температура. Бурая жировая ткань обогревает близлежащие крупные кровеносные сосуды.
Теплоотдача (физическая терморегуляция) – это способ поддержания температуры тела путем отдачи тепла в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется за счет физических процессов: теплопроведения, теплоизлучения, конвекции и испарения. Эффективным органом теплоотдачи является кожа благодаря наличию в ней большого количества потовых желез и артериоло-венулярных анастомозов. К поверхности тела потоки тепла переносятся в основном кровью. Кровоток значительно варьирует при изменении просвета сосудов, в частности, состояния артериоло-венулярных анастомозов. Механизмы теплоотдачи в условиях пониженной и повышенной температуры окружающей среды представлены на рисунке 2.
Конвекция – перемещение нагреваемого кожей слоя воздуха вверх и его замещение более холодным воздухом. Конвекция происходит в том случае, когда кожа теплее окружающего воздуха.
Проведение происходит в основном тогда, когда человек погружается в воду, температура которой ниже нейтральной (31-36 0 С). Ввиду того, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха, кожа человека охлаждается в воде в 50-100 раз быстрее. Если температура воды близка к нулю, то через 1-3 часа может наступить смерть, так как тело человека охлаждается со скоростью 6 0 С в час. В воде теплоотдача происходит в несколько раз быстрее еще и потому, что кроме проведения в воде имеет место и конвекция. Увеличение содержания в организме жира ограничивает эффект теплоотдачи в воде путем конвекции.
Теплоизлучение обеспечивается инфракрасными лучами с длиной волны 5-20 мкм. Эти лучи испускаются кожей при наличии рядом находящихся предметов с более низкой температурой. Обнаженный человек может терять таким путем до 60% тепла.
Теплоиспарение составляет около 20% теплоотдачи тела человека в условиях комфортной температуры среды. Это единственный способ отдачи тепла в окружающую среду, если ее температура оказывается равной температуре тела. Путем испарения 1 л воды человек может отдать одну треть всего тепла, вырабатываемого в условиях покоя в течение суток. Существует два варианта испарения воды с поверхности тела: испарение пота в результате его выделения и испарение воды , оказавшейся на поверхности путем диффузии. Потоотделение – составная часть целостной реакции организма на тепловое воздействие. Испарение выделяющегося пота способствует потере тепла. Испарение воды путем диффузии происходит через слизистые оболочки дыхательных путей. Потери тепла, обусловленные дыханием, составляют 10-13% от общей теплоотдачи организма. Выделение тепла происходит также с мочой и калом.
Механизмы регуляции теплопродукции и теплоотдачиТерморецепция осуществляется свободными окончаниями тонких сенсорных волокон типа А и С. Существуют терморецепторы центральные и периферические.
Кожные терморецепторы передают в центры терморегуляции сигналы об изменениях температуры среды, а также обеспечивают формирование температурных ощущений. Число Холодовых рецепторов кожи во много раз больше числа тепловых рецепторов. Холодовые рецепторы во внутренних органах и тканях также преобладают.
В центральной нервной системе – спинном и среднем мозге, а также в гипоталамусе – имеются центральные терморецепторы , которые называются термосенсорами . Центральные аппараты физиологической системы терморегуляции имеют большое число входных каналов. Так, термосенсоры могут возбуждаться при их непосредственном охлаждении или нагревании на 0,011 0 С и в результате изменять интенсивность как теплопродукции, так и теплоотдачи организма в целом.
Центр терморегуляции локализуется в гипоталамусе, в котором имеется три вида терморегуляторных нейронов:
1) афферентыне нейроны, принимающие сигналы от периферических и центральных терморецепторов;
2) вставочные;
3) эфферентные нейроны, контролирующие активность эффекторов системы терморегуляции.
От периферических терморецепторов информация поступает в медиальную преоптическую область переднего гипоталамуса . В его ядрах происходит сравнение полученных с периферии сигналов с активностью центральных терморецепторов, которые отражают температурное состояние мозга. Эти две информации интегрируются в заднем гипоталамусе . Полученные, в результате интеграции сигналы начинают управлять процессами теплопродукции и теплоотдачи. В заднем гипоталамусе также располагается моторный центр дрожи, связанный с моторными центрами спинного и продолговатого мозга. Терморецепторы кожи информируют ЦНС о повышении или понижении температуры окружающей среды еще до изменения температуры внутренней среды, при этом включаются терморегуляторные механизмы, которые предотвращают это отклонение. Такая регуляция носит название «регуляции по опережению». Моторный центр дрожи работает как «регулятор по отклонению» так как он возбуждается при снижении температуры тела даже на доли градусов. Кроме гипоталамуса в терморегуляции участвует кора больших полушарий. Она работает как «регулятор по опережению».
Регуляция теплопродукции осуществляется: во-первых, соматической нервной системой , которая запускает сократительные терморегуляторные реакции (дрожательные), во-вторых, симпатической нервной системой , которая активирует выделение из бурой жировой ткани норадреналина, включение в метаболические процессы свободных жирных кислот. Кроме этого симпатическая нервная система запускает выделение из коры надпочечников катехоламинов. В результате повышается выделение первичного тепла за счет рассогласования процессов окисления и фосфорилирования.
Регуляция теплоотдачи связана с активностью симпатической нервной системы. Её возбуждение приводит к сужению кровеносных сосудов кожи, а холинергические симпатические нейроны возбуждают потовые железы.
При снижении температуры «ядра» происходит активация холодовых гипоталамических, органных и сосудистых терморецепторов. В результате активизируется гипоталамический центр теплопродукции и снижается теплоотдача.
При повышении температуры внутренней среды организма активируются гипоталамические, сосудистые, кожные и органные теплорецепторы. Гипоталамический центр теплоотдачи активизируется, и процесс выработки тепла уменьшается, а теплоотдача увеличивается.
Адаптация к периодическим изменениям температуры, закаливание и здоровьеТемпературная акклиматизация – это приспособление к многократным повышениям и снижениям температуры внешней среды. Она является целостной реакцией организма, которая развивается при участии практически всех систем организма.
При действии на организм холода повышение теплопродукции сочетается с постепенно развивающимся снижением КПД мышечных сокращений, в результате большая часть энергозатрат направлена на согревание тела. В результате повышается потребление кислорода, увеличивается легочная вентиляция и сократительная активность сердца, повышается АД. В крови увеличивается концентрация гемоглобина, в мышцах увеличивается количество миоглобина. Происходит перераспределение кровотока: он уменьшается на периферии и увеличивается в центре. Что может приводить к холодовому диурезу, вследствие снижения секреции альдостерона и АДГ.
Пластическая адаптация (толерантность) возникает при длительном действии холода (ныряльщики за жемчугом). Она связана с тем что, порог развития дрожи и повышение теплопродукции смещается в сторону более низких температур. При этом на уровне молекул, клеток и тканей появляются изменения, которые способствуют повышению устойчивости к изменениям температуры внутренней среды организма. Тогда функции организма меняются незначительно, хотя температура тела может быть ниже 36 0 .
У постоянных жителей тропических районов земного шара развивается, напротив, привыкание к теплу: температура тела этих людей повышена даже в покое, и увеличение теплоотдачи начинается у них при температуре тела на 0,50 более высокой, чем у жителей районов с умеренным климатом.
У людей, неоднократно по несколько месяцев работающих в условиях антарктических экспедиций, постепенно развиваются энергетически более экономные реакции, в частности, повышается регулирующая активность парасимпатической нервной системы.
На ранних этапах адаптации используются преимущественно генотипические механизмы, которые в экстремальных условиях избыточны и расточительны. В более поздние сроки резервы организма не только своевременно восстанавливаются, но и увеличиваются – развиваются фенотипические механизмы, которые являются более гибкими и экономными.
Рисунок 1. Механизмы теплоотдачи в условиях пониженной и повышенной температуры окружающей среды.
Вопрос №4
1) Тепловой баланс организма
Уравнение теплового баланса: M±QT ± QC ± QR – QE = 0
M - теплопродукция (количество тепла, которое выделяется в организме в сутки).
знак “+” если температура окружающей среды больше температура кожи.
знак “-” если температура кожи больше температура окружающей среды.
1. Теплопроводность - QT 2. Конвекция - QC 3. Излучение - QR 4. Испарение - QE
В организме любого живого существа непрерывно выделяется тепло. Это тепло должно отводится в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет. Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению. Поэтому важно в любых условиях обеспечить наиболее выгодный темп теплоотдачи. При этом необходимо учитывать, что теплообмен осуществляется целым рядом механизмов, с которыми врач должен быть хорошо знаком.
Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, отдача же тепла идёт с поверхности тела (с кожи). Ткани организма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним, кровь отдаёт тепло наружу.
2) Основные способы теплообмена организма.
Теплопроводность – это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.
Нетрудно получить формулу для переноса тепла путём теплопроводности. Пусть поток тепла идёт через слой вещества (ткань, стену и т.д.). (13)
Толщину слоя обозначим х, а площадь S. Слева температура равна Т 1 , а справа (пусть Т 1> Т 2 ). Очевидно, что количество тепла Q, прошедшее через слой за время t , прямо пропорционально разности температур, площади и времени и обратно пропорционально толщине слоя. Кроме того, надо учесть свойства вещества; для этого вводят коэффициент теплопроводности К.
Конвекцией называют перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости. Например, от каждого человека кверху поднимается поток тёплого воздуха, на место которого притекает со стороны холодный. То же происходит вокруг любого нагретого тела, например – батареи отопления. Такой тип теплопередачи называется естественной конвекцией ; для человека он не очень эффективен. Значительно больше тепла уносится при принудительной конвекции , когда движение воздуха создаётся внешней причиной (вентилятор, ветер). В этом случае конвекция может стать основной причиной потери тепла.
Количество тепла, теряемое телом за счёт конвекции можно также вычислить по формуле (13), но коэффициент к в этом случае будет зависеть, в первую очередь, от скорости движения воздуха.
И злучение тоже играет существенную толь в теплоотдаче. В обычных комнатных условиях (в том числе, в учебной аудитории) люди путём излучения теряют до 60% тепла. Излучение человека лежит в области инфракрасных лучей (длины волн в диапазоне 3 – 20 микрометров).
Количество тепла, теряемое телом за счёт излучения, вычисляется по формуле:
Q ИЗЛ = σ ·( T 1 4 – T 2 4 ). S . t (14).
Здесь σ = 5,6.10 –8 (в системе СИ; запоминать число не надо), Т 1 –температура поверхности тела, Т 2 – температура окружающих тел. Тут, однако, надо заметить следующее. Воздух почти прозрачен для инфракрасных лучей , поэтому за Т 2 надо брать не температуру воздуха в помещении, а температуру стен, а она может быть заметно ниже температуры воздуха. Например, вполне реальна ситуация, когда лежащий на столе термометр показывает больше 20 0 С (то есть температуру воздуха), а люди в помещении мёрзнут, потому что стены холодные.
При высокой наружной температуре на первый план выступает отдача тепла за счёт испарения . Когда наружная температура приближается к температуре тела, все рассмотренные ранее способы теплоотдачи не работают, потому что разность температур, от которой зависит перенос тепла, делается малой или даже может стать отрицательной.
Количество тепла, уносимое из организма за счёт испарения, можно подсчитать по формуле:
Q ИСП = L · m (15),
где m – масса испарившейся воды, L – удельная теплота испарения воды (2,25 . 10 6 Дж.кг –1 ; запоминать число не надо). У человека испарение, в основном, связано с потоотделением; кроме того, заметную роль играет испарение воды в лёгких. Надо подчеркнуть, что следует учитывать именно количество испарившейся воды, потому что далеко не весь пот фактически испаряется. Здесь очень большое значение имеет влажность воздуха и скорость его движения.
При умеренных и низких температурах испарение тоже уносит часть тепла (в основном, за счёт испарения в лёгких), но большее значение имеют конвекция и излучение.
3) Температурный гомеостаз.
Температура тела человека и многих животных поддерживается постоянной с достаточно высокой точностью. Это свойство организма называют температурным гомеостазом.
4) Способы терморегуляции.
Постоянство температуры тела обеспечивается выработавшейся в ходе эволюции системой терморегуляции. Различают химическую и физическую терморегуляцию.
Химическая терморегуляция основана на изменении скорости и характера биологического окисления. Например, при переохлаждении организма выделяются гормоны, ускоряющие окисление. Кроме того, происходит разобщение окисления и синтеза АТФ: на синтез АТФ идёт не 50% энергии, выделяющейся при окислении, а меньше. Соответственно, больший процент энергии превращается в тепло; организм согревается. Однако, изменение характера биологического окисления неблагоприятно сказывается на состоянии организма, поэтому, как правило, химическая терморегуляция включается лишь в экстремальных ситуациях.
Физическая терморегуляция (играющая в большинстве случаев основную роль) осуществляется за счёт изменения характера кровообращения. При понижении температуры тела сужаются артериолы и мелкие артерии в коже и подкожной клетчатке. Приток крови к поверхности тела уменьшается (это проявляется в том, что кожа белеет). Как следствие, уменьшается передача тепла от внутренних органов и мышц к поверхности тела и отдача тепла в окружающую среду. При повышении температуры тела сосуды расширяются (кожа краснеет), с усилением кровотока увеличивается теплоотдача. Например, в пальцах количество протекающей крови в зависимости от температуры может меняться в сотни раз! При повышении температуры существенное значение имеет также усиленное потоотделение.
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.
