Фізіологія людини та тварин - Терморегуляція
Терморегуляція. Механізми теплопродукції та тепловіддачі. Добові зміни температури тіла у людини
Людина, як і інші ссавці, відноситься до організмів з постійною температурою тіла - гомойотермні організми, на відміну від плазунів, риб, комах (пойкілотермні організми). Внутрішня або центральна температура тіла залишається відносно постійною, незважаючи на значні коливання температури навколишнього середовища. Як правило, у середньому нормальна температури тіла дорівнює 37 про З коливаннями від 36,1 про З до 37,2 про З, тобто. внутрішня температура організму контролюється в межах 0,6 про С. Максимальна температура тіла відзначається о 18 годині, мінімальна - о 4 годині ранку.
Подібно до коливань вмісту кисню і рН, зміна внутрішньоклітинної температури значно модулює метаболізм у клітинах. Багато життєво важливих ферментів функціонують у вузькому температурному діапазоні, що потребує відповідних механізмів для підтримки теплового балансу.
Тепло утворюється у процесі метаболізму. Будь-яке посилення клітинного метаболізму (внаслідок збільшення рівня тиреоїдних гормонів, адреналіну або норадреналіну в крові, збільшення швидкості основного обміну або при фізичних навантаженнях) підвищує вироблення тепла. В організмі людини 60% всього тепла утворюється у м'язах, 30% – у печінці, 10% – у інших органах. У середньому людина масою 70 кгв умовах спокою виділяє близько 72 ккал/годину, а щоб підвищити її температуру на 1 про С, треба витратити приблизно 58 ккал.
Тепловий баланс - це співвідношення процесів теплопродукції, теплоутримання та тепловіддачі, тобто. баланс між системами, що продукують тепло та системами, в яких це тепло втрачається.
Теплопродукція в основномує результатом біохімічних процесів, тепловіддача та теплоутримання – переважно результат фізичних процесів.
Механізми теплопродукції. Основна кількість тепла в організмі утворюється при окисленні білків, жирів та вуглеводів, а також в результаті гідролізу АТФ. В умовах низької температури середовища в організмі включаються додаткові механізми утворення тепла:
1. Скорочувальний термогенез (утворення тепла внаслідок скорочення скелетних м'язів):
а) довільна рухова активність;
б) холодове м'язове тремтіння;
в) холодовий м'язовий тонус (приріст м'язового тонусу на холоді).
2. Нескоротливий термогенез (утворення тепла внаслідок активації процесів катаболізму – гліколізу, глікогенолізу, ліполізу). Він може спостерігатися у скелетних м'язах, печінці, бурому жирі (за рахунок специфічної динамічної дії їжі).
Механізми тепловіддачі. Віддача тепла організмом в довкілля здійснюється такими шляхами (малюнок):
1) випаровування – віддача тепла з допомогою випаровування води;
2) теплопроведення – віддача тепла шляхом безпосереднього контакту з холодним повітрям навколишнього середовища (зменшується за наявності одягу та підшкірного жирового шару);
3) тепловипромінювання – віддача тепла з ділянок шкіри, не прикритих одягом;
4) конвекція - віддача тепла за рахунок нагрівання прилеглих шарів повітря, піднімання цих нагрітих шарів та їх заміни холодними порціями повітря.
В умовах температурного комфорту (20 - 22 про С) основна кількість тепла віддається завдяки теплопроводу, тепловипромінювання та конвекції, і лише 20% втрачається за допомогою випаровування. За високої температури навколишнього середовища шляхом випаровування втрачається до 80 – 90 % тепла.
Теплоутримання забезпечується підшкірним жировим шаром, волосяним покривом, одягом та підтримкою пози, при якій поверхня тіла та процеси тепловіддачі мінімальні. У теплокровних тварин температура підтримується постійному рівні. При цьому можна виділити 2 зони підтримки температури тіла: гомойотермна «серцевина» або «ядро», де температура дійсно підтримується постійно і пойкілотермна «оболонка» – всі тканини, розташовані не глибше 3 см від поверхні тіла (шкіра, підшкірна клітковина тощо) .), температура яких багато в чому залежить від температури навколишнього середовища. Для визначення середньої температури тіла використовують формулу Бартона:
Малюнок. Складові теплового балансу людини (Рафф, 2001)
У людини середня температура мозку, крові, внутрішніх органів наближається до 37 про З. Фізіологічна межа її коливань становить 1,5 про З. Температура тіла понад 43 про З практично несумісна із життям людини. Існують циркадіані, тобто. навколодобові коливання температури тіла не більше 1 °С. Мінімальна температура відзначається в ранковий час, максимальна – у другій половині дня.
При комфортній температурі (20 – 22 о С) довкілля підтримується певний баланс між теплопродукцією та тепловіддачею. При температурі навколишнього середовища нижче 12 о З зростає теплоутримання і, відповідно, теплопродукція, при температурі навколишнього середовища вище 22 про З переважають процеси тепловіддачі та знижується теплопродукція.
Центри терморегуляції перебувають у гіпоталамусі. У передньому гіпоталамусі – центри тепловіддачі, у задньому – центри теплопродукції.
Терморецептори розташовуються у шкірі, у внутрішніх органах, дихальних шляхах, скелетних м'язах та ЦНС. Найбільше терморецепторівзнаходиться в шкірі голови та шиї. Є холодові та теплові терморецептори. Симпатична нервова система регулює процеси теплопродукції (глікогеноліз, ліполіз) та тепловіддачі (потовиділення, зміна тонусу шкірних судин тощо). Соматична система регулює тонічну напругу, довільну та мимовільну активність скелетних м'язів, тобто. процеси скорочувального термогенезу.
Гіпертермія настає при температурі навколишнього середовища вище 37 0 С (особливо при високій вологості повітря) або при надто інтенсивному утворенні тепла в організмі при важкій фізичній роботі. При цьому в першій (компенсованій) стадії розширюються периферичні судини, посилюється потовиділення, частішає дихання, що сприяє видаленню надлишку тепла. У другій стадії (також здатної компенсуватися), незважаючи на посилення тепловіддачі, температура тіла підвищується, частішають дихання та пульс, починає боліти голова. Третя стадія (некомпенсована) характеризується падінням артеріального тиску, загальмовуванням дихання, зникненням рефлексів до смертельного результату.
Гіпотермія виникає при порушенні балансу між теплопродукцією та тепловіддачею з переважанням тепловіддачі. Найчастіше гіпотермія розвивається внаслідок переохолодження за низької температури навколишнього середовища. Алкогольне сп'яніння, відсутність м'язових рухів, виснаження полегшують розвиток гіпотермії. У першій фазі гіпотермії в організмі посилюється теплопродукція (за рахунок м'язового тремтіння та підвищення обміну речовин) і зменшується тепловіддача (за рахунок спазму периферичних судин, зменшення потовиділення) і т.д. У другій (декомпенсованій) фазі температура тіла знижується, функції головного мозку загальмовуються, артеріальний тиск падає. Відновлення функцій організмуможливо лише у разі, якщо температура тіла знизилася до 24 – 26 0 З, але з нижче.