Лекция 8. Двигательная активность и температурный стресс.

Бородин Д.А.

 

8.1. Температура тела человека. Температурный баланс. Теплообразование.

 

В основе жизнедеятельности организма лежит обмен веществ и энергии, который сопровождается образованием тепла при биологическом окислении молекул белков, жиров и углеводов. То есть, в организме человека постоянно генерируется тепло. Интенсивность обмена веществ и количество образующегося тепла в организме напрямую связаны между собой. При увеличении скорости обменных процессов увеличивается теплообразование, а при повышении температуры тела ускоряется биологическое окисление. Чтобы не произошло затухания или лавинообразного роста этих процессов, организм имеет средства для отведения и сохранения тепла.

Человек относится к группе т.н. гомойотермных (теплокровных) организмов, способных сохранять температуру тела на постоянном уровне. Средняя температура «ядра» тела равна 37°С, и это значение колеблется незначительно в течение дня. Значительные изменения температуры тела человека могут наблюдаться во время болезни, при длительных изнурительных физических нагрузках или в экстремальных ситуациях. При этом организм человека может перенести понижение внутренней температуры тела на 10 °С, а её повышение – лишь на 5 °С. Способность организма поддерживать постоянную внутреннюю температуру зависит от возможности уравновешивать количество тепла, образующегося при метаболизме и поступающего из окружающей среды, с тем его количеством, которое отдает тело.

Температура тела отражает динамическое равновесие между образованием тепла и его отдачей. Она повышается, если образование тепла превышает его отведение, например, при интенсивных физических нагрузках в теплых и влажных условиях окружающей среды, и понижается, если теплопотери превосходят теплообразование.

Суммарная теплопродукция (теплообразование) в организме состоит из первичной и вторичной теплоты. Первичная теплота выделяется в ходе постоянно протекающих во всех органах и тканях реакций обмена веществ. Вторичная теплота образуется при расходовании энергии макроэргических соединений на выполнение человеком определенной мышечной работы. Уровень теплообразования в организме зависит от величины основного обмена, «специфически динамического действия» принимаемой пищи, мышечной активности и интенсивности метаболизма в тканях.

Метаболические процессы осуществляются с неодинаковой интенсивностью в различных органах и тканях, поэтому вклад в общую теплопродукцию организма отдельных органов и тканей неравнозначен. Наибольшее количество тепла образуется в скелетных мышцах при их тоническом напряжении или сокращении. Образование тепла, наблюдающееся в мышцах при этих условиях, получило название сократительного термогенеза (сократительной теплопродукции), который является наиболее значимым механизмом теплообразования у взрослого человека. У новорожденных, а также у мелких млекопитающих животных имеется механизм ускоренного теплообразования за счет возрастания метаболической активности в других тканях и, прежде всего, в буром жире. Бурую окраску этой ткани придает большое количество окончаний симпатических нейронов, содержащих медиатор норадреналин. В условиях холодового воздействия на организм под влиянием выделяющегося из симпатических нервных окончаний норадреналина происходит интенсивное окисление жирных кислот. Бурый жир характеризуется избытком митохондрий, которые окружают мелкие капельки жира в цитоплазме. Окисление жирных кислот в митохондриях бурой жировой ткани осуществляется без значимого синтеза макроэргов и, таким образом, с максимально возможным образованием теплоты. Этот механизм получил название несократительного термогенеза (несократительной теплопродукции). Посредством механизмов несократительного термогенеза уровень теплопродукции у человека может быть увеличен примерно в три раза по сравнению с уровнем основного обмена.

Определив среднюю температуру тела и зная его массу (Мт), можно приблизительно определить содержание тепла (СТ) в теле. Содержание тепла представляет собой общее количество калорий тепла в тканях организма. Чтобы определить СТ, надо установить удельную теплоемкость тканей организма.

Удельная теплоемкость субстанции представляет собой количество тепла, необходимого для изменения температуры этой субстанции на ГС. Килокалория — это единица измерения тепловой энергии, представляющая количество тепла, необходимого для того, чтобы повысить температуру 1 кг воды на один градус Цельсия. Следовательно, удельная теплоемкость воды равна 1,0 ккал*кг^-1*°С^-1. Другие компоненты тела имеют разную удельную теплоемкость. Средняя удельная теплоемкость тканей составляет 0,83 ккал*кг^-1*°С^-1. Таким образом, при повышении температуры тела человека массой 50 кг на один градус Цельсия увеличение количества теплоты составит 0,83 ккал на каждый килограмм массы тела, а общая величина составит 41,5 ккал (0,83 ккал*кг^-1*50 кг).

Зная среднюю удельную теплоемкость (0,83 ккал*кг^-1*°С^-1), можно определить содержание тепла в организме СТ = 0,83 (Мт х Ттела).

Предположим, что средняя температура человека массой 50 кг равна 35,3 °С.

Содержание тепла в организме определим следующим образом:

СТ = 0,83 (50 кг х 35,3°С);

СТ= 1,465 ккал.

Таким образом, тело человека массой 50 кг содержит 1,465 ккал тепла.

 

 

Перенос тепла

 

В состоянии покоя в теле среднего человека образуется тепла 1,25–1,50 ккал в минуту. Полное блокирование способности организма рассеивать тепло приведет к увеличению образования тепла до 75–90 ккал в час. Таким образом, способность избавляться от чрезмерного метаболического тепла играет очень важную роль даже в состоянии покоя.

 

а. Проведение

Проведение или кондукция представляет собой прямой перенос тепла между молекулами вещества в твердой, жидкой или газообразной среде. Проведение играет роль при переносе тепла от глубоких тканей к поверхности тела. Однако по причине низкой теплопроводности тканей организма количество переносимого тепла сравнительно невелико. Охлаждение поверхности тела через проведение осуществляется путем нагрева молекул воздуха, жидкости и твердых поверхностей, которые контактируют с кожей.

Интенсивность переноса тепла через проведение зависит от нескольких факторов:

- разницы температур кожи и контактирующей среды (воздух, жидкость, твердая поверхность);

- тепловых качеств этой среды (теплопроводность и теплоемкость);

- площади контакта.

При комнатной температуре предметы с высокой теплопроводностью и теплоемкостью кажутся на ощупь более холодными, так как они способны отводить и абсорбировать тепло в разы эффективнее, чем окружающий воздух. Находясь на природе, в жару, для эффективного охлаждения тела можно прилечь на большой камень, укрытый от солнца. Обладающий высокой теплопроводностью камень быстро заберет часть лишнего тепла от перегретого тела.

 

б. Конвекция

Эффективность переноса тепла через проведение зависит, в том числе, от того, насколько быстро контактирующий с кожей слой воздуха (или воды) покидает её после нагрева. Теплообмен путем перемещения слоев воздуха или воды называется конвекцией. Если конвекция протекает медленно, то на поверхности кожи образуется изолирующий слой нагретого воздуха, который снижает эффективность переноса тепла через проведение. Максимальная толщина изолирующего слоя может достигать 4–8 мм. Если же, напротив, прохладный воздух постоянно заменяет подогретые слои воздуха, отведение тепла увеличивается, так как изолирующий слой не успевает сформироваться.

Различают естественную и форсированную (принудительную) конвекцию. При естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха. Движущей силой при этом является разность температур тела и его окружения.

При форсированной конвекции осуществляется дополнительный обдув поверхности тела воздухом. Наиболее очевидные примеры — ветер, «сквозняк», поток воздуха от вентилятора; менее очевидные — интенсивное перемещение всего тела или отдельных его частей относительно окружающего воздуха. Поэтому с увеличением скорости бега или езды на велосипеде увеличивается интенсивность теплоотдачи.

Кроме того, явление конвекции играет большую роль в субъективном восприятии низкой температуры окружающего воздуха, в формировании т.н. ветро-холодового индекса. Известно, что в ветреную погоду холод переносится тяжелее, чем в штиль. Это следует учитывать при планировании различных видов активности вне помещений в холодное время года. С практической целью разработаны таблицы значений ветро-холодового индекса.

Следует отметить, что именно за счет конвекции большая часть вырабатываемого организмом тепла переносится в кровоток. Кровь, обладая большой теплоемкостью, является особенно хорошим накопителем и переносчиком тепла. Это способствует поддержанию теплового баланса всего организма.

 

в. Излучение

Все объекты, включая людей, постоянно излучают тепло в виде инфракрасных волн (т.н. лучистую энергию). Подобная форма переноса тепла не требует непосредственного контакта между объектами. При этом тепло передается от более нагретого объекта к менее нагретому. Так как температура тела человека обычно выше нормальной комнатной температуры, часть тепла отводится путем излучения. Только за счет излучения в состоянии покоя от тела к его окружению переносится до 60 % тепла.

С другой стороны, объекты с высокой температурой способны отдавать тепло телу человека. Например, бытовые электрообогреватели, печи, электроплиты. Самый крупный источник излучения – Солнце. Даже при относительно низкой температуре воздуха (вплоть до 0°С), тело человека может «подогреваться», получая тепловую энергию прямых и отраженных от снега, песка или воды солнечных лучей. Это явление хорошо знакомо альпинистам и горнолыжникам.

 

г. Испарение

Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в паро- или газообразное состояние. Испарение – эндотермический процесс, который он протекает с поглощением теплоты. Благодаря этому вода, испаряющаяся с дыхательных путей и с поверхности кожи, постоянно переносит тепло от тела в окружающую среду. Один литр испаренной воды уносит 580 ккал. Конвекция усиливает эффективность испарения. Процесс обратный испарению называется конденсацией.

В покое и при нейтральных температурных условиях вклад испарения в наружный перенос тепла относительно невелик и составляет около 20 % (для сравнения, вклад излучения – 60 %). Однако, в условиях высокой температуры воздуха механизмы «сухого теплообмена» начинают работать в обратном направлении, тело начинает нагреваться, получая тепло через излучение, проведение и конвекцию. В этом случае испарение остается единственным эффективным путем отведения тепла.

При выполнении физических упражнений испарение также выступает в роли основного процесса рассеяния тепла, его вклад может достигать 80 %. Необходимость развития этого механизма возникла вследствие того, что мощности процессов «сухого теплообмена» недостаточно для отведения всего избытка тепла, образующегося в результате интенсивной мышечной деятельности. Следует помнить, что испарение – основная защита организма от перегрева.

Около 300 мл воды ежедневно испаряется со слизистых оболочек дыхательных путей. Это так называемые неощущаемые потери жидкости. Они относительно постоянны и не способны помочь, когда телу необходимо отдать больше тепла. В неощущаемых потерях также участвует небольшое количество воды, диффундирующей через кожу.

Железистая или ощутимая потеря жидкости является результатом работы потовых желез. По поверхности кожи распределено от двух до четырех миллионов потовых желез. В условиях теплового стресса эти эккринные железы, контролируемые холинэргическими симпатическими нервными волокнами, секретируют большое количество гипотонического солевого раствора (0,2–0,4 % NaCl). Испарение пота с кожи оказывает охлаждающее действие. Охлажденная кожа, в свою очередь, отводит часть тепла от крови, циркулирующей между глубокими и поверхностными тканями.

Интенсивность испарения очень зависит от относительной влажности воздуха и находится от нее в обратной зависимости. В условиях повышенной влажности парциальное давление водяного пара в воздухе становится близким к его значению у влажной кожи, около 40 мм рт. ст., и дальнейшее насыщение воздуха испаренной влагой становится затрудненным. Скорость испарения значительно снижается, а капли выделившегося пота стекают по коже, пропитывают одежду или даже падают на землю. Так как эта вода не принимает участия в отведении тепла, то ее выделение становится неэффективным. Подобное обильное потоотделение может привести к быстрой дегидратации и перегреву организма. Выполнение физической работы в плотной, «недышащей» одежде так же осложняет испарение пота, так как между кожей и одеждой образуется насыщенная влагой прослойка воздуха. С другой стороны, постоянное удаление пота с кожи, например, сухим полотенцем, также препятствует охлаждению тела через испарение.

Именно испарение, а не выделение пота, охлаждает тело человека.