Системные механизмы регуляции температуры

Терморегуляция

Живой организм непрерывно расходует на поддержание основного обмена и на совершаемую работу определенное количество энергии. Единственным источником ее для человека служат питательные вещества, в процессе окисления которых потенциальная энергия белков, жиров и углеводов превращается в различные виды кинетической энергии — механическую, химическую, электрическую и тепловую. Постоянное потребление и преобразование энергии являются характерными свойствами всех живых организмов. Согласно первому закону термодинамики, или закону сохранения энергии, суммарное количество всех видов энергии образующихся в организме в процессе окисления питательных веществ, строго соответствует энергии, заключенной в них. И каким бы преобразованиям ни подвергалась энергия в организме, их конечным итогом является превращение ее в тепловую. Таким образом, количество тепла, а, следовательно, температура тела, являются показателями, определяющими интенсивность метаболизма в организме. Реагирование организма на внешнюю температуру

Гомойтермия

В процессе эволюции у высших животных и человека выработались механизмы, способные поддерживать температуру тела на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Температура внутренних органов у них колеблется в пределах 36—38⁰ С.

Постоянная температура необходима и для поддержания нормальных физико-химических показателей — вязкости крови, ее поверхностного натяжения, коллоидно-осмотического давления и др. Температура влияет на процессы возбуждения, скорость и интенсивность сокращения мышц, процессы секреции, всасывания и защитные реакции клеток и тканей.

Оптимальная температура тела у человека составляет 37⁰ С; верхняя летальная температура — 43,4⁰ С. При более высокой температуре начинается внутриклеточная денатурация белка и необратимая гибель; нижняя летальная температура составляет 24⁰С.

Из всех животных самыми жароустойчивыми являются курица и воробей — их верхняя летальная температура 47⁰ С, самыми «холодоустойчивыми» — кошка и морская свинка, нижняя летальная температура которых составляет

18⁰ С.

В экстремальных условиях при резких изменениях окружающей температуры гомойотермные животные реагируют реакцией стресса (температурный тепловой или холодовой стресс). С помощью этих реакций такие животные поддерживают оптимальный уровень температуры тела.

Гомойотермия у человека вырабатывается в течение жизни.

 Пойкилотермия 

У беспозвоночных и низких позвоночных животных, а также у новорожденных детей отсутствуют совершенные механизмы поддержания температуры тела. В значительной степени она определяется температурой внешней среды. Вместе с тем существуют механизмы, способные повышать температуру тела пойкилотермных организмов по сравнению с внешней температурой.

У рептилий важнейшее значение в температурной адаптации имеет поведение. Многие ящерицы и змеи, греясь на солнце, поглощают огромное количество его излучения, а также тепло от нагретых скал и песка. У ящериц, после пребывания на солнце температура тела может достигать 26⁰ С при температуре воздуха -5⁰ С.

В условиях пониженной температуры пойкилотермные животные впадают в особое состояние, называемое анабиозом, при котором резко снижается активность ферментов и на минимальном уровне находится интенсивность обменных процессов.

Некоторые микроорганизмы могут существовать в толще льдов при температуре от 0 до -60⁰ С; другие нормально развиваются при таких высоких температурах, которые для других животных губительны. К ним относятся организмы, живущие в горячих источниках при температуре от +50 до +70⁰ С, а также спорообразующие бактерии, которые выдерживают нагревание до 120⁰ С в течение 20 минут.

Пойкилотермные животные в экстремальных температурах реагируют реакциями гипо- и анабиоза, в основе которых лежит снижение обмена веществ и энергозатрат. За счет этого пойкилотермы переживают температурный стресс и другие экстремальные ситуации.

 Гетеротермия 

Существует группа животных с переходными формами температурных реакций. В определенных условиях они проявляют свойства и пойкило - и гомойотермии. Например, для летучей мыши, находящейся в полете, характерна гомойотермия, а в вертикальном подвешенном состоянии во время спячки — пойкилотермия. К факультативным пойкилотермам относятся и зимне-спящие животные и грызуны, и некоторые мелкие птицы — колибри. Анабиотические механизмы защиты сохранились и у высших животных; они проявляются в определенных условиях, например, при гипобиозе.

Температурная схема тела

С медицинской точки зрения значение имеет понятие температурной схемы тела, которая определяется различным уровнем обмена веществ в разных органах.

Температура тела в подмышечной впадине –36,8⁰С, на ладонных поверхностях руки — 25—34⁰ С, в прямой кишке —

37,2—37,5⁰С, в ротовой полости –36,9⁰ С. Самая низкая температура отмечается в пальцах стоп, самая высокая в печени.

       В печени    температура    равна    37,8—38⁰С,    а в мозге   —

36,9—37,8⁰ С.

 Пребывание в ванне при температуре воды 40⁰ С вызывает у человека повышение температуры головного мозга на 2⁰ С, а в прямой кишке — на

1,5⁰С.

 Интенсивная мышечная работа приводит к повышению температуры мозга на 0,4—0,6⁰ С, а температуры мышц на 7⁰ С.

В помещении, в котором около 30⁰ С, температура пальцев стоп поднимается до 35,5⁰ С. При купании в холодной воде температура стоп падает до 16⁰ С.

Таким образом, температура ядра проецируется на поверхность кожи, а ее распределение специфично отражает температуру внутренних органов.

Индивидуальные особенности температурной схемы тела:

1) здоровый человек имеет относительно постоянную температурную схему тела;

2) особенности температурной схемы тела генетически детерминированы индивидуальным для вида метаболизмом;

3) индивидуальные особенности температурной схемы тела определяются влияниями гуморальных факторов и тонусом вегетативной нервной системы;

4) температурная схема тела совершенствуется в процессе воспитания, определяется образом жизни и особенно закаливанием.

Температура крови

Истинной температурой тела, т.е. температурой, отклонение которой от нормы приводит к включению сложных механизмов саморегуляции, считают температуру крови правой половины сердца; она колеблется в пределах 37—

38⁰ С.

Рецепция результата

Локализация и свойства терморецепторов Выделяют три группы терморецепторов:

1) поверхностные терморецепторы кожи;

2) терморецепторы кровеносных сосудов;

3) терморецепторы ЦНС, расположенные в гипоталамусе, мозжечке, ретикулярной формации ствола мозга и в спинном мозге.

Кожные терморецепторы бывают холодовые, расположенные в толще кожи на глубине 0,17 мм и тепловые, на глубине 0,3 мм. Число рецепторов, воспринимающих холод значительно больше.

Сенсорная информация от терморецепторов распространяется по нервным волокнам типа А-дельта в таламус, гипоталамус и кору головного мозга.

Изменение температуры крови в различных областях кровяного русла в сторону, как снижения, так и повышения воспринимается терморецепторами сосудистой стенки и окружающих тканей.

Нервные центры

Поддержание температуры тела на оптимальном для метаболизма уровне осуществляется за счет регулирующего влияния ЦНС. Центры теплоотдачи — располагаются в гипоталамусе. Центры теплообразования — располагаются также в гипоталамусе, в заднебоковых отделах.

Взаимодействие этих центров терморегуляции. Между ними существуют реципрокные взаимоотношения. При усилении активности центров теплопродукции тормозится деятельность центров теплоотдачи и наоборот.

Установочная температурная точка. Некоторые авторы полагают, что на уровне гипоталамуса действует своеобразный кибернетический механизм — «установочная температурная точка».

«Установочная температурная точка» может сдвигаться на уровень низкой температуры, например, при охлаждении организма.

Исполнительные механизмы

При повышении температуры внутренней среды, в том числе крови, активируются терморецепторы тканей и переднего гипоталамуса. Это приводит к активации механизмов теплоотдачи с помощью физической теплоотдачи и торможения теплопродукции, в результате температура тела снижается.

При снижении температуры внутренней среды активируются механизмы теплопродукции и тормозятся механизмы теплоотдачи, и температура тела повышается.

В деятельность функциональной системы включается и внешнее поведенческое звено. Человек поддерживает постоянство температуры тела за счет одежды, жилища, обогрева.

Теплообразование

Теплообразование обусловлено увеличением интенсивности метаболизма в тканях. Это становится возможным благодаря ряду факторов:

1) генетические особенности объекта: рост, масса тела, пол, эндокринная система;

2) характер питания;

3) интенсивность мышечной работы;

4) окружающая температура;

5) психоэмоциональное состояние субъекта;

6) кислородное обеспечение организма (недостаток кислорода увеличивает теплообразование);

7) интенсивность видимого света — в темноте теплообразование снижается;

8) уровень солнечной активности.

Теплоотдача

Теплоотдачу определяют следующие физические процессы:

1) перемещение теплого воздуха с поверхности кожи путем конвенции;

2) теплоизлучение;

3) испарение жидкости с поверхности кожи и верхних дыхательных путей;

4) выделение мочи и кала.

Регуляция теплоотдачи

Конвенции, теплоизлучение и испарение тепла прямо пропорциональны теплоемкости окружающей среды. Теплоотдача зависит от объема поверхности тела. Известно, что многие животные на холоде сворачиваются в клубок, занимая меньший объем.

При действии высокой температуры сосуды расширяются, при действии низкой — сужаются.

Наиболее сложно меняются процессы теплоотдачи, также как и теплопродукции, в водной среде. Прохладная вода обладает наибольшей теплоемкостью. В воде исключается испарение. Одновременно вода оказывает физическое давление на покровы тела, происходит перераспределение массы тела. Температура воды раздражает рецепторы кожи.

Потоотделение

Наиболее существенным механизмом теплоотдачи является потоотделение. С 1 г пара организм теряет около 600 калл тепла. В горячих цехах при температуре 50⁰С человек теряет в сутки до 12 л пота и выделяет 8 тыс. ккал. Установлено, что не все люди в равной степени обладают способностью к усиленному потоотделению в условиях повышенной температуры.

Локальная терморегуляция

Разные отделы тела, например мошонка, обладают локальной саморегуляцией температуры. При низкой температуре мошонка укорачивается за счет сокращения соответствующих мышц, при высокой температуре — расслабляется. Такой механизм предохраняет яички от перегрева и охлаждения, оберегая сперматогенез.

Локальной температурной саморегуляцией обладает сосудистый аппарат кожи.

Гормональная терморегуляция

В процессах теплопродукции принимают участие гормоны гипофиза, щитовидной железы и надпочечников.

В процессах саморегуляции температуры тела при низкой окружающей температуре снижается секреция тиреотропного гормона гипофиза. В этом случае адреналин расширяет артериолы кожи.

У человека и приматов серотонин является доминирующим медиатором, регулирующим механизмы терморегуляции на холоде. Норадреналин усиливает теплоотдачу, серотонин — теплопродукцию при охлаждении организма.

Нейрогуморальная регуляция

Теплообразование регулируется симпатической нервной системой и связано с процессом окислительного фосфорилирования, гликогенолиза, гликолиза в печени и липолиза в буром жире. Процессы теплоотдачи определяются изменением тонуса кожных сосудов. При возбуждении симпатической нервной системы на холоде повышается продукция мозгового вещества надпочечников — адреналина и норадреналина, которые повышают продукцию тепла в печени, скелетных мышцах и буром жире.

Соматическая нервная система регулирует процессы термогенеза сокращения скелетных мышц.

Поскольку рецепторная функция температуры тела широко представлена по разным отделам ЦНС, каждый отдел мозга выполняет свои задачи. Лимбические структуры мозга определяют теплоощущение. Кора большого мозга, с помощью механизмов условных рефлексов обуславливает заблаговременную (опережающую) терморегуляцию. Например, у человека, собирающегося выйти на улицу зимой в холод или летом в жару, соответственно еще в помещении возрастает или, наоборот, снижается теплопродукция.

Терморегуляция

Живой организм непрерывно расходует на поддержание основного обмена и на совершаемую работу определенное количество энергии. Единственным источником ее для человека служат питательные вещества, в процессе окисления которых потенциальная энергия белков, жиров и углеводов превращается в различные виды кинетической энергии — механическую, химическую, электрическую и тепловую. Постоянное потребление и преобразование энергии являются характерными свойствами всех живых организмов. Согласно первому закону термодинамики, или закону сохранения энергии, суммарное количество всех видов энергии образующихся в организме в процессе окисления питательных веществ, строго соответствует энергии, заключенной в них. И каким бы преобразованиям ни подвергалась энергия в организме, их конечным итогом является превращение ее в тепловую. Таким образом, количество тепла, а, следовательно, температура тела, являются показателями, определяющими интенсивность метаболизма в организме. Реагирование организма на внешнюю температуру

Гомойтермия

В процессе эволюции у высших животных и человека выработались механизмы, способные поддерживать температуру тела на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Температура внутренних органов у них колеблется в пределах 36—38⁰ С.

Постоянная температура необходима и для поддержания нормальных физико-химических показателей — вязкости крови, ее поверхностного натяжения, коллоидно-осмотического давления и др. Температура влияет на процессы возбуждения, скорость и интенсивность сокращения мышц, процессы секреции, всасывания и защитные реакции клеток и тканей.

Оптимальная температура тела у человека составляет 37⁰ С; верхняя летальная температура — 43,4⁰ С. При более высокой температуре начинается внутриклеточная денатурация белка и необратимая гибель; нижняя летальная температура составляет 24⁰С.

Из всех животных самыми жароустойчивыми являются курица и воробей — их верхняя летальная температура 47⁰ С, самыми «холодоустойчивыми» — кошка и морская свинка, нижняя летальная температура которых составляет

18⁰ С.

В экстремальных условиях при резких изменениях окружающей температуры гомойотермные животные реагируют реакцией стресса (температурный тепловой или холодовой стресс). С помощью этих реакций такие животные поддерживают оптимальный уровень температуры тела.

Гомойотермия у человека вырабатывается в течение жизни.

 Пойкилотермия 

У беспозвоночных и низких позвоночных животных, а также у новорожденных детей отсутствуют совершенные механизмы поддержания температуры тела. В значительной степени она определяется температурой внешней среды. Вместе с тем существуют механизмы, способные повышать температуру тела пойкилотермных организмов по сравнению с внешней температурой.

У рептилий важнейшее значение в температурной адаптации имеет поведение. Многие ящерицы и змеи, греясь на солнце, поглощают огромное количество его излучения, а также тепло от нагретых скал и песка. У ящериц, после пребывания на солнце температура тела может достигать 26⁰ С при температуре воздуха -5⁰ С.

В условиях пониженной температуры пойкилотермные животные впадают в особое состояние, называемое анабиозом, при котором резко снижается активность ферментов и на минимальном уровне находится интенсивность обменных процессов.

Некоторые микроорганизмы могут существовать в толще льдов при температуре от 0 до -60⁰ С; другие нормально развиваются при таких высоких температурах, которые для других животных губительны. К ним относятся организмы, живущие в горячих источниках при температуре от +50 до +70⁰ С, а также спорообразующие бактерии, которые выдерживают нагревание до 120⁰ С в течение 20 минут.

Пойкилотермные животные в экстремальных температурах реагируют реакциями гипо- и анабиоза, в основе которых лежит снижение обмена веществ и энергозатрат. За счет этого пойкилотермы переживают температурный стресс и другие экстремальные ситуации.

 Гетеротермия 

Существует группа животных с переходными формами температурных реакций. В определенных условиях они проявляют свойства и пойкило - и гомойотермии. Например, для летучей мыши, находящейся в полете, характерна гомойотермия, а в вертикальном подвешенном состоянии во время спячки — пойкилотермия. К факультативным пойкилотермам относятся и зимне-спящие животные и грызуны, и некоторые мелкие птицы — колибри. Анабиотические механизмы защиты сохранились и у высших животных; они проявляются в определенных условиях, например, при гипобиозе.

Системные механизмы регуляции температуры

Функциональная система, определяющая оптимальную для метаболизма температуру тела, объединяет две подсистемы: внутренней эндогенной саморегуляции и целенаправленного поведения. Эндогенные механизмы саморегуляции за счет процессов теплопродукции и тепловыделения определяют поддержание необходимой для метаболизма температуры тела. Когда этих механизмов становится недостаточно, тогда на основе первичных изменений внутри организма рождается мотивация и формируется поведение, направленное на восстановление температурного оптимума.

Функциональная система, поддерживающая оптимальную для метаболизма температуру крови.

Полезный приспособительный результат 

Для нормального течения метаболических процессов гомойотермные животные, в том числе и человек, вынуждены поддерживать температуру тела на постоянном уровне. Однако это постоянство условно. Температура тела подвержена колебаниям, границы которых зависят от времени суток, функционального состояния организма, теплоизоляционных свойств одежды и пр.

Еще И.П.Павлов говорил о существовании в одних частях или тканях организма процессов пойкилотермии, а в других — гомойотермии. Соединение этих двух принципов защиты против температурной агрессии внешней среды обеспечивает ее высокую надежность.