1. Излучение – отдача тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. За счёт излучения отдают энергию все предметы, температура которых выше абсолютного нуля. Электромагнитная радиация свободно проходит сквозь вакуум, атмосферный воздух для неё тоже можно считать «прозрачным». Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения (площади поверхности тела, не покрытой одеждой) и градиенту температуры. Интенсивность излучения зависит также от числа объектов во внешней среде, способных поглотить инфракрасные лучи. При температуре окружающей среды 20°с и относительной влажности воздуха 40–60% организм взрослого человека рассеивает путём излучения около 40–50% всего отдаваемого тепла.
2. Теплопроведение (кондукция) – способ отдачи тепла при непосредственном соприкосновении тела с другими физическими объектами. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади соприкасающихся поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности. Сухой воздух и жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Наоборот, насыщенный водяными парами воздух характеризуется высокой теплопроводностью. Влажная одежда теряет свои теплоизолирующие свойства.
3. Конвекция – теплоотдача, осуществляемая путём переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Конвекционный теплообмен связан с обменом не только энергии, но и молекул. Вокруг любого предмета существует пограничный слой, толщина которого зависит от окружающих условий. Когда тело окружено неподвижным воздухом, от кожи отходят более тёплые слои воздуха, которые, переходя в окружающий воздух, переносят как энергию, так и молекулы (свободная конвекция). Если окружающий воздух движется, то толщина пограничного слоя снижается в зависимости от скорости движения воздуха. Теплообмен такого типа называется принудительной конвекцией. Количество переносимого тепла описывается по формуле:
Ек = h(Тк –), где:
Ек – количество тепла, передаваемое путём конвекции,
h – коэффициент передачи тепла, зависящий от величины поверхности и скорости ветра,
Тк – температура кожи,
Тв –температура воздуха.
При температуре окружающей среды 20°с и относительной влажности воздуха 40–60% организм взрослого человека рассеивает в окружающую среду путём теплопроведения и конвекции около 25–30% тепла. Количество отдаваемого конвекцией тепла возрастает при увеличении скорости движения воздушных потоков.
Во всех вышеперечисленных механизмах важную роль играет кожный кровоток. Когда его интенсивность возрастает, отдача тепла значительно увеличивается. Этому также способствует увеличение объёма циркулирующей крови. На холоде происходят обратные процессы: снижение кожного кровотока, уменьшение ОЦК, изменяется поведенческая реакция.
4. Испарение – отдача тепловой энергии в окружающую среду за счёт испарения пота или влаги с поверхности кожи и слизистых дыхательных путей. На испарение 1 мл. воды организм тратит 0,58 ккал (2,4 кДж) энергии. За счёт испарения организм в условиях комфортной температуры отдаёт около 20% всего рассеиваемого тепла. Испарение делится на 2 вида.
a. Неощущаемая перспирация – испарение воды со слизистых дыхательных путей и воды, просачивающейся через эпителий кожного покрова. За сутки через дыхательные пути испаряется до 400 мл. воды, т.е. организм теряет до 232 ккал в сутки. При необходимости эта величина может быть увеличена за счёт тепловой одышки. Через эпидермис в среднем за сутки просачивается около 240 мл. воды. Следовательно, этим путём организм теряет до 139 ккал в сутки. Эта величина, как правило, не зависит от процессов регуляции и различных факторов среды.
b. Ощущаемая перспирация – отдача тепла путём испарения пота. В среднем за сутки при комфортной температуре среды выделяется 400–500 мл. пота, следовательно, отдаётся до 300 ккал энергии. Однако при необходимости объём потоотделения может увеличиться до 12 л в сутки, т.е. путём потоотделения можно потерять до 7000 ккал в сутки.
По химическому составу пот – это гипотонический раствор. Он содержит 0,3% хлористого натрия (в 3 раза меньше, чем в крови), мочевину, глюкозу, аминокислоты, малые количества лактата. РН пота в среднем равно 6, удельный вес варьирует от 1,001 до 1,006. при обильном потоотделении больше теряется воды, чем солей, и в крови может происходить повышение осмотического давления.
Эффективность испарения во многом зависит от среды: чем выше температура и ниже влажность, тем выше эффективность потоотделения как механизма отдачи тепла. При 100% влажности испарение невозможно.
К расстройствам потоотделения относят:
· Ангидроз – полное отсутствие потоотделения,
· Гипогидроз – частичное снижение потообразования,
· Гипергидроз – чрезмерное образование пота.
Основные принципы регуляции температурного гомеостаза
Терморегуляция – это совокупность физиологических процессов, деятельность которых направлена на поддержание относительного постоянства температуры ядра в условиях изменения температуры среды с помощью регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Терморегуляция направлена на предупреждение нарушений теплового баланса организма или на его восстановление, если подобные нарушения уже произошли, и осуществляется нервно-гуморальным путём.
Система терморегуляции состоит из ряда элементов с взаимосвязанными функциями. Информация о температуре поступает от терморецепторов. Их функции выполняют специализированные клетки, которые разделяют на три группы: экстерорецепторы (расположены в коже), интерорецепторы (сосуды, внутренние органы) и центральные терморецепторы (ЦНС).
Наиболее изучены терморецепторы кожи. Кожные рецепторы бывают двух видов – холодовые и тепловые. Холодовые рецепторы располагаются на глубине 0,17 мм от поверхности кожи, их около 250 тысяч. Тепловые рецепторы расположены глубже – 0,3 мм от поверхности, их примерно 30 тыс.
При любой совместимой с жизнью температуре от периферических рецепторов в ЦНС поступает стационарная информация. Разряды тепловых рецепторов наблюдаются в диапазоне от 20 до 50°, а холодовых – от 10 до 41°с. При температуре ниже 10°с холодовые рецепторы и нервные волокна гомойотермных организмов блокируются, а при температуре в диапазоне от 45 до 50° могут вновь активироваться, что объясняет феномен парадоксального ощущения холода, наблюдаемый при сильном нагревании. При температуре 47–48° активируются болевые рецепторы.
Возбуждение рецепторов зависит как от абсолютных значений температуры кожи в месте её раздражения, так и от скорости её изменения. Одни рецепторы реагируют на перепад температуры в 0,1°, другие – в 1°, а третьи – при достижении разницы в 10°. Для холодовых рецепторов оптимум чувствительности (генерация импульсов максимальной частоты) лежит в пределах 25–30°, для тепловых – 38–43°с. В этих областях минимальные изменения температуры вызывают наибольшую реакцию рецепторов.
Информация от кожных рецепторов идёт по чувствительным нервным волокнам типа А-дельта (от холодовых рецепторов) и С, поэтому в ЦНС она доходит с разной скоростью. Афферентный поток нервных импульсов от терморецепторов поступает через задние корешки спинного мозга к вставочным нейронам задних рогов, по спиноталамическому тракту этот поток достигает передних ядер таламуса, откуда часть информации проводится в соматосенсорную кору больших полушарий, а часть – в гипоталамические центры регуляции.
Часть афферентного потока от терморецепторов кожи и внутренних органов поступает по более древним трактам, восходящим в ретикулярную формацию, неспецифические ядра таламуса, медиальную преоптическую область гипоталамуса и в ассоциативные зоны коры головного мозга.
Кора больших полушарий, участвуя в переработке температурной информации, обеспечивает условно-рефлекторную регуляцию теплопродукции и теплоотдачи, возникновение субъективных температурных ощущений, поведение, направленное на поиск более комфортной среды.
Основную роль в терморегуляции играет гипоталамус. Разрушение его центров или нарушение нервных связей ведёт к утрате способности регулировать температуру тела. В переднем гипоталамусе расположены нейроны, управляющие процессами теплоотдачи, а также клетки, задающие «установочную точку» терморегуляции – уровень регулируемой температуры тела. При разрушении нейронов переднего гипоталамуса организм плохо переносит высокие температуры, но физиологическая активность в условиях холода сохраняется. Нейроны заднего гипоталамуса управляют процессами теплопродукции. При их повреждении нарушается способность к усилению энергообмена, поэтому организм плохо переносит холод.
В осуществлении гуморальной реакции теплообмена участвуют железы внутренней секреции, главным образом щитовидная и надпочечники. Участие щитовидной железы в терморегуляции обусловлено тем, что влияние пониженной температуры приводит к усиленному выделению её гормонов, ускоряющих обмен веществ и, следовательно, теплообразование. Роль надпочечников связана с выделением ими в кровь катехоламинов, которые, усиливая окислительные процессы в тканях (например, мышечной), увеличивают теплопродукцию и сужают кожные сосуды, уменьшая уровень теплоотдачи.
Состояния гипотермии и гипертермии
При повреждении центральных и периферических аппаратов терморегуляции, а также после травматических перерывов проводящих путей отмечаются нарушения терморегуляции. Значительные отклонения температуры тела могут возникнуть и при чрезмерно сильных изменениях окружающей среды.
Если величина теплопродукции, несмотря на усиление обмена веществ, становится меньше величины теплоотдачи, развивается гипотермия. Переохлаждение развивается в три стадии. На первой стадии – компенсации – при снижении температуры среды обитания уменьшается теплоотдача и увеличивается теплопродукция, но этих механизмов недостаточно для сохранения нормальной температуры тела. Во время второй стадии – переходной – из-за рассогласования механизмов терморегуляции теплоотдача возрастает, и температура тела начинает быстро понижаться. В третьей стадии – декомпенсации – теплоотдача всё ещё возрастает, а теплопродукция снижается, вследствие чего организм становится пойкилотермным и принимает температуру окружающей среды. Снижается активность ЦНС, происходит угнетение кровообращения и дыхания, возникает сон.