Регуляція температури тіла людини
Механізми регулювання температури тіла вивчаються в курсі нормальної фізіології для студентів медичних вузів. Тут буде дана коротка характеристика основних елементів терморегуляторного ланцюга.
Два типи рецепторів сприймають зміну температури тіла – периферичні та центральні. Центральні рецептори знаходяться в гіпоталамусі і чутливі до найменших змін (до 0,01 °С) температури крові, що омиває головний мозок. Периферичні терморецептори розподілені по всій поверхні шкіри і контролюють температуру навколишнього середовища. Аферентні сигнали від периферичних рецепторів надходять у гіпоталамус та кору головного мозку, забезпечуючи, у тому числі, свідоме сприйняття температури.
Обробка температурної інформації здійснюється переважно у гіпоталамусі. Саме гіпоталамус є тим органом, який подібно до термостату, управляє інструментами продукції, відведення і збереження тепла у відповідь на зміни сигналів, що приходять в нього від терморецепторів. Ця робота включає участь симпатичної нервової системи, і тому вона не вимагає свідомого контролю. Реакціями, зумовленими вегетативною нервовою системою, є зміна тонусу судин, виділення поту та нескорочувальний термогенез.
Скоротливий термогенез та поведінкові реакції, включаючи довільну м'язову діяльність, знаходяться під керуванням соматичної нервової системи. Центральний тремтливий шлях пов'язує гіпоталамус з ядрами рухової системи, розташованими в середньому та довгастому мозку. Форми терморегуляторної поведінки, наприклад, утеплення або полегшення одягу, обмахування віялом, виконання фізичної роботи стають можливими завдяки системі довільних рухів, яка знаходиться під контролем кори головного мозку.
У разі довгострокової адаптації до температурного стресу включаються процеси гормональної регуляції.
Далі більш докладно описані реакції реакції організму на холодовий і тепловий стрес.
Холодовий стрес
Зниження шкірної температури або температури крові спричиняє активацію гіпоталамусом механізмів, що зберігають тепло та збільшують його утворення. До таких механізмів відносяться судинні реакції, нескорочувальний термогенез та мимовільна м'язова активність. Довільна м'язова активність обумовлена усвідомленою діяльністю людини.
Судинні реакції. Стимуляція холодових рецепторів шкіри викликає у відповідь скорочення гладкої мускулатури кровоносних судин. Це значно зменшує потік теплої крові через поверхневі тканини тіла та перенаправляє його назад до центральних органів. У термонейтральних умовах шкірний кровотік становить середньому 250 мл/хв, тоді як умовах сильного холодового стресу може скоротитися майже нуля. Температура шкіри знижується за зниженням температури навколишнього повітря, що посилює ізолюючі властивості шкіри, підшкірного жиру і м'язів. Завдяки цьому механізму збереження тепла люди з надлишком підшкірного жиру здатні краще переносити холод.
Гормони та нескорочувальний термогенез. Два «калоригенні» гормони мозкової речовини надниркових залоз, адреналін і норадреналін, підвищують інтенсивність метаболізму та стимулюють продукцію метаболічного тепла. Тривалий холодовий стрес стимулює також вироблення тироксину, гормону щитовидної залози, що збільшує базовий метаболізм. Підвищення теплопродукції за рахунок підвищення клітинного метаболізму у відповідь на охолодження організму називаєтьсянескоротливим термогенезом.
М'язоваактивність. Як було описано вище, найбільша кількість тепла в організмі дорослої людини утворюється при тонічному скороченні та розслабленні скелетних м'язів. Утворення тепла в працюючих м'язах називаєтьсяскоротливим термогенезом. Неконтрольовані скорочення м'язів – тремтіння – здатні збільшити утворення тепла у стані спокою у 4–5 разів. Однак найбільш вагомий внесок у підвищення інтенсивності теплопродукції робить активна м'язова діяльність. Вона відіграє основну роль захисту організму від переохолодження. Потужність процесу скорочувального термогенезу висока настільки, що людина, яка виконує інтенсивну фізичну роботу, здатна підтримувати постійну температуру тіла при температурі повітря до –30 °С без необхідності надягати спеціальний одяг, що утеплює.
Вивчаючи реальні історії виживання людей, які опинилися в умовах зниженої температури навколишнього середовища, можна переконатися, що воля до життя, боротьба за існування та активні рухи допомагають людині пережити екстремальну ситуацію. У людини, яка припинила боротьбу та рухи, знижується теплопродукція, вона зрештою замерзає і гине.
Тепловий стрес
Освіта тепла позитивно впливає під час виконання фізичного навантаження за умов зниженої температури навколишнього середовища, сприяючи підтримці нормальної температури тіла. У той же час при виконанні фізичного навантаження в термально нейтральних умовах навколишнього середовища, наприклад, при 21-26 ° С, метаболічна теплова навантаження виявляється важким тягарем для механізмів, що регулюють температуру тіла. Ми розглянемо деякі фізіологічні зміни, зумовлені виконанням фізичного навантаження разом із тепловим стресом, і навіть їх впливом геть м'язову діяльність. В даному випадку підтепловим стресом мається на увазі будь-яка умова навколишнього середовища, що викликає підвищення температури тіла та порушення гомеостазу.
Реакції серцево-судинної системи. Фізичне навантаження підвищує вимоги до серцево-судинної системи. Коли додається необхідність регулювати температуру тіла при виконанні фізичного навантаження в умовах підвищеної температури навколишнього середовища, діяльність серцево-судинної системи стає інтенсивнішою. Система кровообігу транспортує тепло, що утворюється у м'язах, до поверхні шкіри, звідки вона передається у зовнішнє середовище. Щоб це здійснити під час фізичного навантаження, яке виконується в умовах підвищеної температури навколишнього середовища, більша частина серцевого викиду розділяється між шкірою та працюючими м'язами. Через обмежений об'єм крові фізичне навантаження ставить дуже складне завдання: збільшення кровопостачання однієї з цих ділянок, автоматично знижує кровотік в інших ділянках.
Розглянемо, що відбувається з людиною, що біжить у швидкому темпі у спекотний день. Фізичне навантаження підвищує потребу м'язів у крові та кисні. Крім того, вона посилює процес метаболічного утворення тепла. Щоб розсіяти надлишок тепла, організм повинен збільшити кровопостачання шкіри, щоб кров перенесла тепло з ядра тіла до поверхні шкіри. Проте організм може забезпечити достатнє кровопостачання шкіри, якщо він повністю задовольнить потреби м'язів. Потреби м'язів додатковому обсязі крові обмежують можливості розширених шкірних судин.
У цей час терморегуляторний центр «інструктує» серцево-судинну систему необхідність направити більше крові до шкіри. Поверхневі кровоносні судини розширюються, щоб перенести більше теплої крові доповерхні шкіри. Це обмежує кількість крові, що надходить до активних м'язів, і, отже, лімітує їхню витривалість. Таким чином, відбувається справжня боротьба за додаткове кровопостачання.
Збереження постійного серцевого викиду під час перерозподілу крові на периферію здійснюється за рахунок низки значних пристосувальних реакцій серцево-судинної системи. Перерозподіл крові веде до зменшення об'єму циркулюючої крові, що повертається до серця, що знижує кінцевий діастолічний об'єм. Це, своєю чергою, зменшує систолічний обсяг. Серцевий викид залишається постійним протягом 27 хв виконання фізичного навантаження при високій (36°С) та середній (20°С) температурі навколишнього середовища, незважаючи на постійне зменшення об'єму систоли. Це зменшення у процесі виконання фізичного навантаження компенсується поступовим збільшенням ЧСС. Це так званий серцево-судинний зсув.
У певний момент організм більше не здатний компенсувати підвищені вимоги до фізичного навантаження: ні м'язи, ні шкіра не отримують адекватну кількість крові. Таким чином, будь-який фактор, що перевантажує серцево-судинну систему або втручається в процес розсіювання тепла, може мати значний негативний вплив на м'язову діяльність і збільшити ймовірність перегріву тіла. Тому не дивно, що найкращі результати у циклічних видах спорту демонструються за невисокої температури навколишнього середовища. Наприклад, рекорди в бігу на довгі дистанції вкрай рідко встановлюються при вираженому тепловому навантаженні.
Потовиділення. У певних умовах температура навколишнього середовища може досягти і перевищити температуру шкіри та ядра тіла. Як зазначалося, у разі основним процесомтепловіддачі є випаровуванням, оскільки радіація, проведення та конвекція можуть призвести до підвищення температури тіла в екстремальних температурних умовах. Збільшена залежність від випаровування означає підвищену потребу освіти поту.
Діяльність потових залоз регулюється гіпоталамусом. При підвищеній температурі крові гіпоталамус посилає імпульси через нервові волокна симпатичної нервової системи мільйонам потових залоз, розташованих по всій поверхні тіла. Потові залози є трубчасті структури, що простягаються по дермі і епідермісу і відкриваються в шкіру.
Зміст макроелементів у поті у тренованих і нетренованих випробуваних значно відрізняється. В результаті тренувань в умовах теплових навантажень альдостерон інтенсивно стимулює потові залози, змушуючи їх реабсорбувати значно більше натрію та хлориду. На жаль, потові залози не мають такого механізму збереження інших електролітів. Однакові концентрації кальцію, магнію та калію, наприклад, містяться як у поті, так і в плазмі.
Інтенсивність потіння при виконанні виснажливої вправи в умовах високої температури навколишнього середовища може досягати більше 1 л на годину з 1 м 2 поверхні тіла. Це означає, що в спекотний і вологий день (високий рівень теплового навантаження) при інтенсивному фізичному навантаженні середня людина (з масою тіла 50-75 кг) може втрачати 1,5-2,5 л поту або близько 24% маси тіла щогодини . У таких умовах людина за кілька годин може втратити критичну кількість води з потом.
Висока інтенсивність потовиділення зменшує об'єм крові. Це обмежує обсяг крові, необхідної для роботи м'язів та запобігання акумуляції тепла, що, у свою чергу, негативно впливає на м'язову діяльність.особливо у видах спорту, які потребують прояву витривалості. У бігунів на довгі дистанції втрати води потім складають 6—10 % маси тіла. Таке інтенсивне зневоднення обмежує подальше потовиділення та підвищує сприйнятливість людини до захворювань, зумовлених тепловим навантаженням.
Фізичні навантаження та втрати води стимулюють виділення АДГ із задньої частки гіпофіза. Цей гормон стимулює реабсорбцію води із нирок, що сприяє її затриманню в організмі. Таким чином, організм намагається компенсувати втрати мікроелементів та води в періоди теплового навантаження та значного потовиділення скороченням їх втрат із сечею.