Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?

Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье . В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.

Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.

В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза . Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным .

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Теплообмен

Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?

Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.

Три вида теплообмена

Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.

1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.

Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек

Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.

2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.

Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену

3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.

Виды конвекции в чайнике и туристе

Роль механизмов регуляции теплообмена

Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.

Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.

Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.

И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.

К таким механизмам относятся:

Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.

Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.

Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.

Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».

Резюме:

Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.

Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.

При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.

Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.

• Одежда является одним из основных способов обеспечения температурного комфорта в условиях широкого диапазона температур окружающей среды.

Значение тепла
Источники тепла
Производство тепла и теплоснабжение
Использование тепла
Новые технологии теплоснабжения

Значение тепла

Тепло – один из источников жизни на Земле. Благодаря огню стало возможным зарождение и развитие человеческого общества. С древнейших времён по сей день источники тепла служат нам верой и правдой. Не смотря на небывалый доселе уровень развития технологий, человек, как и многие тысячи лет назад, всё также нуждается в тепле. С ростом численности населения земного шара, потребность в тепле увеличивается.

Тепло стоит в ряду самых важных ресурсов среды обитания человека. Оно необходимо человеку для поддержания собственной жизни. Тепло также требуется для технологий, без которых современный человек не мыслит своего существования.

Источники тепла

Самым древним источникам тепла является Солнце. Позднее в распоряжении человека оказался огонь. На его основе человек создал технологию получения тепла из органического топлива.

Относительно недавно для производства тепла стали использовать ядерные технологии. Впрочем, сжигание органического топлива всё ещё остаётся основным способом добычи тепла.

Производство тепла и теплоснабжение

Развивая технологии, человек научился производить тепло в больших объёмах и передавать его на довольно значительные расстояния. Тепло для больших городов производится на крупных тепловых электростанциях. С другой стороны всё ещё остаётся множество потребителей, которых снабжают теплом мелкие и средние котельные. В сельской местности домохозяйства отапливаются от домашних котлов и печей.

Технологии по производству тепла вносят весомый вклад в загрязнение окружающей среды. Сжигая топливо, человек выбрасывает в окружающий воздух большое количество вредных веществ.

Использование тепла

В целом, человек производит гораздо больше тепла, чем использует с пользой для себя. Много тепла мы просто рассеиваем в окружающем воздухе.

Тепло теряется
из-за несовершенства технологий производства тепла,
при транспортировке тепла по теплопроводам,
из-за несовершенства систем отопления,
из-за несовершенства жилья,
из-за несовершенства вентиляции зданий,
при удалении «излишков» тепла в различных технологических процессах,
при сжигании отходов производства,
с выхлопными газами транспорта на двигателях внутреннего сгорания.

Для описания положения дел в производстве и потреблении тепла человеком хорошо подходит слово расточительность. Примером, я бы сказал, отъявленной расточительности является сжигание попутного газа на нефтяных месторождениях.

Новые технологии теплоснабжения

Человеческое общество тратит много сил и средств для получения тепла:
добывает топливо глубоко под землёй;
перевозит топливо от месторождений к предприятиям и жилищам;
строит установки для получения тепла;
строит тепловые сети для распределения тепла.

Наверное, следует задуматься: а всё ли здесь разумно, всё ли оправдано?

Так называемые технико-экономические преимущества современных систем теплоснабжения по своей сути являются сиюминутными. Они сопряжены со значительным загрязнением окружающей среды и не разумным использованием ресурсов.

Существует тепло, которое не надо добывать. Это тепло Солнца. Его нужно использовать.

Одной из конечных целей технологии теплоснабжения является производство и доставка горячей воды. Вы когда-нибудь пользовались летним душем? Ёмкость с краном, установленная на открытом месте под лучами Солнца. Весьма простой и доступный способ снабжения тёплой (даже горячей) водой. Что мешает использовать его?

С помощью тепловых насосов человек использует тепло Земли. Для теплового насоса не нужно топливо, не нужна протяжённая теплотрасса с её потерями тепла. Количество электроэнергии необходимое для работы теплового насоса относительно мало.

Преимущества самой современной и продвинутой технологии будут сведены на нет, если бестолково использовать её плоды. Зачем производить тепло вдали от потребителей, транспортировать его, затем распределять по жилищам, отапливая по дороге Землю и окружающий воздух?

Следует развивать распределённое производство тепла максимально приближенное к местам потребления, или даже совмещённое с ними. Давно известен способ производства тепла названный когенерацией. Когенерационные установки производят электроэнергию, тепло и холод. Для плодотворного использования этой технологии необходимо развивать среду обитания человека как единую систему ресурсов и технологий.

Представляется, что для создания новых технологий теплоснабжения следует
пересмотреть уже существующие технологии,
постараться уйти от их недостатков,
собрать на едином основании для взаимодействия и дополнения друг другом,
в полной мере использовать их достоинства.
Это подразумевает понимание

Совокупность физиологических механизмов, осуществляющих регулирование температуры тела, называется физиологической системой терморегуляции.
Образование тепла в организме. Тепло в организме образуется в результате окисления пищевых веществ в процессе распада белков, жиров и углеводов. Энергия, которая до этого находилась в них в скрытом состоянии, освобождается, расходуется и в конечном счете отдается организмом в виде тепла.
Местом, где главным образом происходит образование тепла, являются мышцы. Этот процесс идет даже тогда, когда человек находится в полном покое. Незначительные мышечные движения уже способствуют большему образованию тепла, а при ходьбе количество его повышается на 60-80 %. При мышечной работе образование тепла увеличивается в 4-5 раз. Кроме скелетных мышц, теплообразование происходит в желудке, кишках, печени, почках и других органах.
Образование тепла в организме сопровождается его отдачей. Организм теряет столько тепла, сколько в нем образуется, в противном случае человек погиб бы в течение нескольких часов.
Эти сложные процессы регуляции образования и отдачи тепла организмом называются терморегуляцией и совершаются рядом приспособительных механизмов, к рассмотрению которых мы и перейдем.
Регуляция теплообразования и теплоотдачи. Температура тела остается постоянной благодаря тому, что в организме регулируется как образование, так и отдача тепла.
Тепло расходуется организмом разными путями. Основным путем теплоотдачи является потеря тепла проведением, т. е. нагреванием окружающего воздуха и излучением; кроме того, тепло расходуется с выдыхаемым воздухом, на испарение пота и т. д.
Следовательно, температура тела человека сохраняется постоянной благодаря тому, что регулируется, с одной стороны, интенсивность окислительных процессов, т. е. образования тепла, а с другой, - интенсивность и объем теплоотдачи. Эти два способа регуляции получили название химической и физической терморегуляции.
Под химической терморегуляцией понимают изменение интенсивности обмена веществ под воздействием окружающей среды. Существует определенная зависимость между температурой воздуха и обменом веществ в организме. Так, при понижении температуры воздуха образование тепла в организме усиливается.
Наибольшая часть тепла образуется в мышцах. На холоде происходит дрожание мышц. При понижении температуры окружающей среды раздражаются кожные рецепторы, воспринимающие температурные раздражения: в них возникает возбуждение, которое идет в ЦНС и оттуда к мышцам, вызывая их сокращения. Таким образом, дрожь и озноб, которые мы испытываем в холодное время года или в холодном помещении, являются рефлекторными актами, способствующими усилению обмена веществ, а следовательно, увеличению образования тепла. Усиление обмена веществ происходит под влиянием холода, даже когда отсутствуют мышечные движения.
Значительное количество тепла образуется и в органах брюшной полости - в печени и почках. Это можно проследить, если измерять температуру крови, притекающей к печени и оттекающей от нее. Оказывается, что температура оттекающей крови выше температуры притекающей. Следовательно, кровь нагрелась при протекании через печень.
При повышении температуры воздуха теплообразование в организме уменьшается.
Физическая терморегуляция. При повышении или понижении температуры окружающей среды происходит не только изменение окислительных процессов, т. е. теплообразования, но и отдачи тепла, причем при понижении температуры отдача тепла уменьшается, а при повышении - увеличивается.
Тепло отдается организмом в основном путем проведения и излучения, и только некоторая часть - другими путями. Так, отдача тепла путем проведения составляет 31% всего образовавшегося в организме тепла, путем излучения - 44 %, при испарении воды кожей теряется 10 %, при испарении воды легкими - 12 %, на нагревание вдыхаемого воздуха и выделенных мочи и кала расходуется 3 % тепла.
Путем проведения тело теряет тепло на нагревание окружающего воздуха и предметов, с которыми соприкасается. Другой путь теплоотдачи - излучение тепла. При этом происходит
нагревание предметов, находящихся на некотором расстоянии от тела.
Как же происходит изменение теплоотдачи? Большую роль в теплоотдаче играет расширение и сужение сосудов кожи. Все знают, что на холодном, морозном воздухе кожа человека бледнеет, а когда воздух разогрет, раскален - краснеет.
Изменение цвета кожи обусловлено тем, что под влиянием холода кровеносные сосуды, в первую очередь артериолы, сужаются. В результате приток крови к поверхности тела уменьшается, а следовательно, снижается и теплоотдача путем проведения и излучения.
Под влиянием же тепла сосуды кожи расширяются, кровь обильно притекает к поверхности тела, что способствует усилению проведения и излучения тепла. Таким путем тепло отдается в окружающую среду только тогда, когда температура воздуха ниже температуры тела. Чем меньше разница между температурой кожи и температурой воздуха, тем меньше тепла отдается в окружающую среду. В этом случае значительную роль играет потоотделение. При испарении 1 г пота теряется 0,58 ккал. Так как потоотделение и испарение происходит непрерывно при любой температуре, то количество калорий, которое при этом теряет человек, зависит от интенсивности потоотделения. При средней температуре за день человек теряет около 800 мл пота. При потере такого количества пота расходуется 450- 500 ккал. При повышении температуры выделение пота увеличивается и иногда доходит до нескольких литров.
Наибольшее количество пота выделяется в тех случаях, когда температура воздуха равна или выше температуры тела. В этих условиях передача тепла путем проведения излучения невозможна, и поэтому оно расходуется в основном при помощи потоотделения.
В жарких странах или жарких помещениях, где температура воздуха равна 37°С или несколько выше, тепло отдается только испарением. При этом у человека выделяются в течение дня до 4,5 л пота, что обеспечивает отдачу 2400-2800 ккал.
Большое количество пота теряется при физической работе, причем происходит это при любой температуре. Подсчитано, что при особо тяжелых работах человек теряет в день до 9 л пота и, таким образом, путем испарения отдает до 5000 ккал.
Потоотделение в значительной степени зависит от насыщения воздуха водяными парами. При равных температурных условиях большее испарение пота, а следовательно, и большая потеря тепла обеспечиваются в условиях низкого содержания водяных паров в воздухе. Поэтому жара легко переносится в тех местах, где воздух более сухой.
Испарению пота препятствует непроницаемая одежда (резиновая, противоипритный костюм и т. п.). Человек в такой одежде потеет даже на морозе, так как вокруг него создается постоянный слой воздуха, который не обновляется ввиду отсутствия вентиляции. Этот слой воздуха насыщается парами, что препятствует дальнейшему испарению пота. Поэтому длительное пребывание в этих костюмах невозможно, так как вызывает повышение температуры тела.
В жарких странах, горячих цехах, при длительных походах человек теряет большое количество пота. Появляется жажда, но вода не утоляет ее; наоборот, чем больше воды пьет человек, тем он больше потеет и тем сильнее становится жажда.
Одновременно с потом теряются соли, поэтому возникает необходимость пополнить не только потерю воды, но и потерю солей. С этой целью к питьевой воде добавляют 0,5 % поваренной соли. Такую немного подсоленную воду дают в горячих цехах, при длительных походах и т. п. Она утоляет жажду и улучшает самочувствие.
Некоторую роль в теплоотдаче играет дыхание. Тепло расходуется на испарение воды легкими и отчасти на согревание вдыхаемого воздуха. На холоде происходит рефлекторное замедление дыхания, а при высокой температуре дыхание учащается, наступает так называемая тепловая одышка.
Для лучшей отдачи тепла большое значение имеет циркуляция воздуха. Когда воздух находится в движении, то около тела не создается постоянного слоя нагретого и насыщенного парами воздуха. В этом заключается значение вентиляторов, обмахивания и т. д. Одежда же создает неподвижный слой воздуха и тем самым затрудняет теплоотдачу.
Отдаче тепла препятствует подкожный жир. Чем толще слой жира, тем хуже она осуществляется. Поэтому люди с толстым жировым слоем в подкожной клетчатке легче переносят холод, чем худые.
Температура тела человека постоянна. Она измеряется в подмышечной впадине или в прямой кишке (у грудных детей). Средняя температура в подмышечной впадине колеблется в пределах 36,5-36,9°С, в прямой кишке - несколько выше (37,2-37,5 С). Температура внутренних органов выше, чем средняя температура тела, например температура печени равна 38-38,5°С. Температура тела человека колеблется в течение суток. Наиболее низкой она бывает в 3-4 ч
ночи, затем постепенно возрастает, доходя до наивысшей точки в 16 ч, и вновь начинает снижаться. Колебания температуры происходят в пределах 0,5°С от средней величины.
Температура тела может резко повыситься при мышечной работе и дойти до 38-39°С или даже до 40°С. По прекращении же работы она быстро падает и доходит до нормальной величины.
Постоянство температуры тела поддерживается уже описанными двумя механизмами: химической и физической терморегуляцией. Однако возможности человеческого организма ограничены, и при некоторых условиях эти механизмы оказываются недостаточными. Тогда нарушается постоянство температуры и наблюдается либо ее повышение, либо понижение. Повышение температуры выше нормы называется лихорадкой. Лихорадка может наступить потому, что увеличивается образование тепла при отсутствии изменений в теплоотдаче, или, наоборот, теплообразование остается неизменным, а теплоотдача уменьшается.
Понижение температуры до 32-33°С, как и увеличение ее свыше 42-43°С, приводит к смерти.
Центры терморегуляции. Центр терморегуляции, получивший название теплового центра, находится в промежуточном мозге. Деятельность его определяется двумя факторами: температурой крови и рефлекторными воздействиями. Если температура крови, омывающей промежуточный мозг, повышена, то центр терморегуляции возбуждается, и в деятельности организма наступают изменения, способствующие ее понижению. При понижении температуры крови центр теплообразования реагирует так, что усиливается интенсивность процессов, способствующих повышению температуры.
Другой способ возбуждения - рефлекторные воздействия. При воздействии температурных колебаний на кожу человека в рецепторах возникает возбуждение, которое поступает в тепловой центр. Оттуда импульсы идут уже к органам, связанным с теплообразованием (мышцы, печень и т. п.) и с теплоотдачей, и вызывают изменение их деятельности. Возбуждение из центров терморегуляции к органам теплообразования и теплоотдачи передается по симпатической нервной системе.
Исключительно большую роль в терморегуляции играет кора больших полушарий головного мозга. В нормальных условиях процесс теплообразования и теплоотдачи находится под ее влиянием.
Термокомфортной температурой для человека на воздухе обычно является +19°С, в воде - +34°С. При таких температурах система терморегуляции не включается.
Для поддержания постоянной температуры тела 36,6°С человеку нужно затратить 200 ккал в сутки.
Снижение температуры тела даже на 0,1° ведет к снижению иммунитета.
Похолодания в природе, как правило, бывают очень резкими. Чтобы безболезненно переносить климатические "сюрпризы", человек должен закаливаться.
Как известно, существуют три уровня реакции организма на разные по силе раздражители: тренировка, активация и стресс. Большой холод - это стресс, в том числе и психический. Если вы заранее боитесь переохлаждения, мерзнете и кутаетесь задолго до выхода на мороз, то вам надо срочно закалять не только тело, но и нервы. Эксперимент на выживание показал, что люди гибнут, как правило, не от холода, а от страха перед ним.
Настрой на закаливание ставит перед человеком стратегическую задачу: подружиться с холодом на всю жизнь. "Граница удовольствия" позволяет решать тактическую задачу: дозировать холод или жару. Если стратегия побуждает к закаливанию, то тактика контролирует нагрузку при закаливании. Причем делает это в соответствии с индивидуальными физиологическими особенностями организма и, разумеется, с учетом конкретных климатических условий.
Необходимость психологического настроя на закаливание, заинтересованность в нем - это самый важный принцип. На него нельзя жалеть времени.
Сущность закаливания - это тренировка процессов терморегуляции, которые включают теплопродукцию и теплоотдачу. Охлаждение стимулирует, с одной стороны, увеличение производства тепла в организме, а с другой - стремление сохранить его, не отдать наружу. Тренировка обучает организм четко реагировать на холод, быстро и активно отвечать на низкую температуру среды повышенной теплопродукцией и сниженной теплоотдачей. Таким образом, несмотря на холод, сохраняется обычная температура тела. У незакаленного человека механизмы терморегуляции срабатывают слабее, температура тела снижается, что ведет к ослаблению иммунной защиты и усилению активности патогенных микроорганизмов. В результате этого - простуды, грипп и др., которые не только выводят из рабочего состояния, но и аккумулируют вредные воздействия, что неизбежно подрывает общий потенциал организма и снижает его жизнестойкость.

Человек, как известно, относится к гомойотермным, или теплокровным, организмам. Означает ли это, что температура его тела постоянна, т.е. организм не реагирует на изменения температуры окружающей среды? Реагирует, и даже очень чутко. Постоянство температуры тела – это, собственно, и есть результат непрерывно происходящих в организме реакций, поддерживающих неизменным его тепловой баланс.

С точки зрения обменных процессов, выработка тепла – это побочный эффект химических реакций биологического окисления, в ходе которых поступающие в организм питательные вещества – жиры, белки, углеводы – претерпевают превращения, заканчивающиеся образованием воды и углекислого газа. Такие же реакции с высвобождением тепловой энергии происходят и в организмах пойкилотермных, или холоднокровных, животных, но из-за значительно более низкой их интенсивности температура тела у пойкилотермных лишь незначительно превышает температуру окружающей среды и изменяется в соответствии с последней.

Все протекающие в живом организме химические реакции зависят от температуры. И у пойкилотермных животных интенсивность процессов превращения энергии, согласно правилу Вант-Гоффа*, возрастает пропорционально внешней температуре. У гомойотермных животных эта зависимость замаскирована другими эффектами. Если гомойотермный организм охладить ниже комфортной температуры окружающей среды, интенсивность обменных процессов и, следовательно, выработка тепла у него возрастают, предотвращая понижение температуры тела. Если терморегуляцию у этих животных блокировать (например, при наркозе или повреждении определенных участков ЦНС), кривая зависимости теплопродукции от температуры будет такой же, как и для пойкилотермных организмов. Но даже в этом случае сохраняются существенные количественные различия между обменными процессами у пойкилотермных и гомойотермных животных: при данной температуре тела интенсивность обмена энергии в расчете на единицу массы тела у гомойотермных организмов по меньшей мере в 3 раза превышает интенсивность обмена у пойкилотермных организмов.

Многие животные, из тех, что не относятся к млекопитающим и птицам, способны в некоторой степени менять температуру тела при помощи «поведенческой терморегуляции» (например, рыбы могут заплывать в более теплую воду, ящерицы и змеи – принимать «солнечные ванны»). Истинно гомойотермные организмы способны использовать как поведенческие, так и автономные способы терморегуляции, в частности у них может при необходимости вырабатываться дополнительное тепло за счет активации обмена веществ, тогда как другие организмы вынуждены ориентироваться на внешние источники тепла.

Теплопродукция и размеры тела

Температура большинства теплокровных млекопитающих лежит в диапазоне от 36 до 40 °С, несмотря на значительные различия в размерах тела. В то же время интенсивность метаболизма (М) зависит от массы тела (m) как ее показательная функция: M = k x m 0,75 , т.е. величина М/m 0,75 одна и та же для мыши и для слона, хотя у мыши интенсивность метаболизма на 1 кг массы тела значительно больше, чем у слона. Этот так называемый закон снижения интенсивности обмена веществ в зависимости от массы тела отражает то, что теплопродукция соответствует интенсивности теплоотдачи в окружающее пространство. Для данной разницы температур между внутренней средой организма и окружающей средой потери тепла на единицу массы тела оказываются тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела, причем последнее соотношение уменьшается с увеличением размеров тела.

Температура тела и тепловой баланс

Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выработано за счет:

1) произвольной двигательной активности;
2) непроизвольной ритмической мышечной активности (дрожь, вызванная холодом);
3) ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц.

У взрослого человека дрожь – наиболее важный непроизвольный механизм термогенеза. «Недрожательный термогенез» встречается у новорожденных животных и детей, а также у мелких, адаптированных к холоду животных и у животных, впадающих в зимнюю спячку. Главным источником «недрожательного термогенеза» служит так называемый бурый жир – ткань, характеризующаяся избытком митохондрий и «мультилакулярным» распределением жира (многочисленные мелкие капельки жира, окруженные митохондриями). Эта ткань обнаруживается между лопатками, в подмышечных впадинах и в некоторых других местах.

Чтобы температура тела не изменялась, теплопродукция должна равняться теплоотдаче. По закону охлаждения Ньютона отданное телом тепло (за вычетом потерь, связанных с испарением) пропорционально разности температур между внутренней частью тела и окружающим пространством. У человека теплоотдача равна нулю при температуре окружающей среды 37 °С, а при понижении температуры она возрастает. Теплоотдача зависит также от проведения тепла внутри организма и периферического кровотока.

Термогенез, связанный с обменом веществ в условиях покоя (рис. 1), уравновешивается процессами теплоотдачи в зоне температур окружающей среды Т 2 –Т 3 , если кожный кровоток постепенно уменьшается по мере снижения температуры от Т 3 до Т 2 . При температуре ниже Т 2 постоянство температуры тела может поддерживаться только при усилении термогенеза пропорционально потерям тепла. Наибольшая выработка тепла, обеспечиваемая этими механизмами, у человека соответствует уровню метаболизма, в 3–5 раз превышающему интенсивность основного обмена, и характеризует нижнюю границу диапазона терморегуляции T 1 . В случае выхода за эту границу развивается гипотермия, которая может привести к смерти от переохлаждения.

При температуре окружающей среды выше Т 3 температурное равновесие могло бы сохраняться за счет ослабления интенсивности обменных процессов. На самом деле, температурный баланс устанавливается за счет дополнительного механизма теплоотдачи – испарения выделяющегося пота. Температура Т 4 соответствует верхней границе диапазона терморегуляции, которая определяется максимальной интенсивностью выделения пота. При температуре среды выше Т 4 возникает гипертермия, которая может привести к смерти от перегрева. Температурный диапазон Т 2 –Т 3 , в пределах которого температура организма может поддерживаться на постоянном уровне без участия дополнительных механизмов теплопродукции или потоотделения, называется термонейтральной зоной . В этом диапазоне интенсивность метаболизма и теплопродукция по определению минимальны.

Температура тела человека

Тепло, вырабатываемое организмом в норме (т.е. в условиях равновесия), отдается в окружающее пространство поверхностью тела, поэтому температура частей тела вблизи его поверхности должна быть ниже температуры его центральных частей. В связи с неправильностью геометрических форм тела распределение температуры в нем описывается сложной функцией. Например, когда легко одетый взрослый человек находится в помещении с температурой воздуха 20 °С, температура глубокой мышечной части бедра составляет 35 °С, глубоких слоев икроножной мышцы 33 °С, в центре стопы температура составляет лишь 27–28 °С, а ректальная температура равна примерно 37 °С. Колебания температуры тела, вызванные изменениями внешней температуры, наиболее выражены вблизи поверхности тела и на концах конечностей (рис. 2).

Рис. 2. Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (Б)

Внутренняя температура тела сама по себе не является постоянной ни в пространственном, ни во временном отношении. В термонейтральных условиях различия температур во внутренних областях тела составляют 0,2–1,2 °С; даже в головном мозге разница температур между центральной и наружной частями достигает более 1 °С. Наиболее высокая температура отмечается в прямой кишке, а не в печени, как считалось раньше. На практике обычно представляют интерес изменения температуры во времени, поэтому ее измеряют на каком-либо одном определенном участке.

Для клинических целей предпочтительнее измерять ректальную температуру (термометр вводят через анальное отверстие в прямую кишку на стандартную глубину 10–15 см). Оральная, точнее подъязычная, температура обычно на 0,2–0,5 °С ниже ректальной. На нее влияет температура вдыхаемого воздуха, пищи и питья.

При исследованиях в спортивной медицине часто измеряют пищеводную температуру (над входом в желудок), которую регистрируют с помощью гибких термодатчиков. Такие измерения отражают изменения температуры тела быстрее, чем регистрация ректальной температуры.

Подмышечная температура также может служить показателем внутренней температуры тела, поскольку, когда рука плотно прижата к грудной клетке, температурные градиенты смещаются так, что граница внутреннего слоя доходит до подмышечной впадины. Однако для этого необходимо некоторое время. Особенно после нахождения на холоде, когда поверхностные ткани были охлаждены и в них произошло сужение сосудов (это особенно часто бывает при простуде). В этом случае для установления теплового равновесия в этих тканях должно пройти около получаса.

В некоторых случаях внутреннюю температуру измеряют в наружном слуховом проходе. Это делают при помощи гибкого датчика, который помещают вблизи барабанной перепонки и предохраняют от внешних температурных влияний при помощи ватного тампона.

Обычно для определения температуры поверхностного слоя тела измеряют температуру кожи. В этом случае измерение в одной точке дает неадекватный результат. Поэтому на практике обычно измеряют среднюю температуру кожи в области лба, груди, живота, плеча, предплечья, тыльной стороны ладони, бедра, голени и дорсальной поверхности стопы. При вычислениях учитывают площадь соответствующей поверхности тела. Найденная таким способом «средняя температура кожи» при комфортной температуре окружающей среды составляет примерно 33–34 °С.

Периодические колебания средней температуры

Температура тела человека колеблется в течение дня: она минимальна в предутренние часы и максимальна (часто с двумя пиками) в дневное время (рис. 3). Амплитуда суточных колебаний составляет примерно 1 °С. У животных, активных в ночное время, температурный максимум отмечается ночью. Проще всего было бы объяснить эти факты тем, что увеличение температуры происходит в результате усиления физической активности, однако такое объяснение оказывается неверным.

Колебания температуры – один из многих суточных ритмов. Даже если исключить все ориентирующие внешние сигналы (свет, температурные изменения, часы приема пищи), температура тела

продолжает колебаться ритмически, но период колебаний в этом случае составляет от 24 до 25 ч. Таким образом, суточные колебания температуры тела основаны на эндогенном ритме («биологические часы»), обычно синхронизованном с внешними сигналами, в частности с вращением Земли. Во время путешествий, связанных с пересечением земных меридианов, обычно требуется 1–2 недели для того, чтобы температурный ритм пришел в соответствие с жизненным укладом, определяемым новым для организма местным временем.

На ритм суточных изменений температуры накладываются ритмы с более продолжительными периодами, например температурный ритм, синхронизованный с менструальным циклом.

Изменение температуры при физической нагрузке

Во время ходьбы, например, выработка тепла в 3–4 раза, а при напряженной физической работе даже в 7–10 раз выше, чем в состоянии покоя. Увеличивается она и в первые часы после приема пищи (примерно на 10–20%). Ректальная температура во время марафонского бега может достигать 39–40 °С, а в некоторых случаях – почти 41 °С. А вот средняя температура кожи снижается за счет вызванного нагрузкой потоотделения и испарения. Во время работы с субмаксимальной нагрузкой, пока происходит выделение пота, повышение внутренней температуры почти не зависит от окружающей температуры в диапазоне 15–35 °С. Обезвоживание тела приводит к подъему внутренней температуры и заметно снижает работоспособность.

Теплоотдача

Как же тепло, возникшее в недрах организма, покидает его? Частично с выделениями и с выдыхаемым воздухом, но роль главного охладителя играет кровь. Благодаря своей высокой теплоемкости кровь очень хорошо подходит для этой цели. Она забирает тепло у клеток омываемых ею тканей и органов и уносит его по кровеносным сосудам к коже и слизистым оболочкам. Здесь, в основном, и происходит отдача тепла. Поэтому оттекающая от кожи кровь примерно на 3 °С холоднее притекающей. Если организм лишить возможности удалять тепло, то всего лишь за 2 ч температура его повышается на 4 °С, а подъем температуры до 43–44 °С уже, как правило, несовместим с жизнью.

Передача тепла в конечностях до некоторой степени определяется тем, что кровоток здесь происходит по принципу противотока. Глубокие крупные сосуды конечностей располагаются параллельно, благодаря чему кровь, следующая по артериям на периферию, отдает свое тепло близлежащим венам. Таким образом, капилляры, расположенные на концах конечностей, получают предварительно охлажденную кровь, поэтому пальцы рук и ног наиболее чувствительны к пониженным температурам.

Слагаемыми теплоотдачи служат: проведение тепла Н п , конвекция Н к , излучение Н изл и испарение Н исп . Общий поток тепла определяется суммой этих компонентов:

Н нар = Н п + Н к + Н изл + Н исп .

Перенос тепла путем проведения происходит, когда тело соприкасается (в положении стоя, сидя или лежа) с плотным субстратом. Величина потока тепла определяется температурой и теплопроводностью прилежащего субстрата.

Если кожа теплее окружающего воздуха, прилегающий к ней слой воздуха нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным воздухом. Движущей силой этого конвективного потока служит разница между температурами тела и окружающей среды вблизи него. Чем больше движений возникает во внешнем воздухе, тем тоньше становится пограничный слой (максимальная толщина 8 мм).

Для диапазона биологических температур перенос тепла за счет излучения Н изл может быть описан с достаточной точностью при помощи уравнения:

Н изл = h изл x (T кожи – Т изл ) x А,

где T кожи – средняя температура кожи, Т изл – средняя температура излучения (температура окружающих поверхностей, например стен комнаты),
А – эффективная площадь поверхности тела и
h изл – коэффициент переноса тепла за счет излучения.
Коэффициент h изл учитывает излучающую способность кожи, которая для длинноволнового ИК-излучения равна примерно 1 независимо от пигментации, т.е. кожа излучает почти столько же энергии, сколько абсолютно черное тело.

Около 20% теплоотдачи тела человека в условиях нейтральной температуры осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистых оболочек дыхательных путей. Теплоотдача путем испарения происходит даже при 100% относительной влажности окружающего воздуха. Это происходит до тех пор, пока температура кожи выше температуры окружающей среды и кожа полностью увлажнена благодаря достаточному выделению пота.

Когда температура окружающей среды превышает температуру тела, теплоотдача может осуществляться только путем испарения. Эффективность охлаждения за счет потоотделения очень высока: при испарении 1 л воды организм человека может отдать треть всего тепла, выработанного в условиях покоя за целый день.

Влияние одежды

Эффективность одежды как теплоизолятора обусловлена мельчайшими объемами воздуха в структуре плетеной ткани или в ворсе, в которых не возникают сколько-нибудь заметные конвективные потоки. В этом случае тепло переносится только путем проведения, а воздух является плохим проводником тепла.

Факторы окружающей среды и температурный комфорт

Влияние окружения на тепловой режим организма человека определяется по крайней мере четырьмя физическими факторами: температурой воздуха, влажностью, температурой излучения и скоростью движения воздуха (ветра). От этих факторов зависит, ощущает ли испытуемый «температурный комфорт», жарко ему либо холодно. Условие комфорта состоит в том, чтобы организм не нуждался в работе механизмов терморегуляции, т.е. ему не требовалось бы ни дрожи, ни выделения пота, а кровоток в периферических органах мог сохранять промежуточную скорость. Это условие соответствует упомянутой выше термонейтральной зоне.

Указанные четыре физических фактора до некоторой степени взаимозаменяемы в отношении ощущения комфорта и потребности в терморегуляции. Иными словами, ощущение холода, вызванное низкой температурой воздуха, может быть ослаблено соответствующим повышением температуры излучения. Если атмосфера кажется душной, то соответствующее ощущение может быть ослаблено путем снижения влажности или температуры воздуха. Если температура излучения низкая (холодные стены), для достижения комфорта требуется увеличение температуры воздуха.

Согласно проведенным недавно исследованиям, значение комфортной температуры для легко одетого (рубашка, трусы, длинные хлопковые брюки) сидящего испытуемого равно примерно 25–26 °С при влажности воздуха 50% и равенстве температур воздуха и стен. Соответствующее значение для обнаженного испытуемого составляет 28 °С. При этом средняя температура кожи равна примерно 34 °С. При физической, работе по мере того как испытуемый затрачивает все больше физических усилий, комфортная температура снижается. Например, для легкой кабинетной работы предпочтительная температура воздуха равна примерно 22 °С. Как ни странно, во время тяжелой физической работы комнатная температура, при которой не возникает потоотделения, ощущается как слишком низкая.

Диаграмма на рис. 4 показывает, как соотносятся значения комфортной температуры, влажности и температуры окружающего воздуха во время легкой физической работы. Каждой степени дискомфорта может быть сопоставлено одно значение температуры – эффективная температура (ЭТ). Численное значение ЭТ находят путем проецирования на ось X точки, в которой линия дискомфорта пересекает кривую, соответствующую 50% относительной влажности. Например, все комбинации значений температуры и влажности в темно-серой области (30 °С при относительной влажности 100% или 45 °С при относительной влажности 20% и т.д.) соответствуют эффективной температуре 37 °С, которая в свою очередь соответствует определенной степени дискомфорта. В диапазоне более низких температур влияние влажности оказывается меньшим (наклон линий дискомфорта более крутой), поскольку в этом случае вклад испарения в общую теплоотдачу незначителен. Дискомфорт возрастает с увеличением средней температуры и влажности кожи. Когда значения параметров, определяющие максимальную влажность кожи (100%), превышены, тепловой баланс не может больше сохраняться. Таким образом, человек способен выдерживать условия за пределами этой границы лишь в течение короткого времени; пот при этом стекает ручьями, поскольку его выделяется больше, чем может испариться. Линии дискомфорта, конечно, смещаются в зависимости от тепловой изоляции, обеспечиваемой одеждой, скорости ветра и характера физической нагрузки.

Значения комфортной температуры в воде

Вода обладает по сравнению с воздухом значительно большей теплопроводностью и теплоемкостью. Когда вода находится в движении, возникающий турбулентный поток вблизи поверхности тела отнимает тепло так быстро, что при температуре воды 10 °С даже сильное физическое напряжение не позволяет поддерживать тепловое равновесие, и возникает гипотермия. Если тело находится в полном покое, для достижения температурного комфорта температура воды должна быть 35–36 °С. В зависимости от толщины изолирующей жировой ткани нижняя предельная комфортная температура в воде колеблется от 31 до 36 °С.

Продолжение следует

* Согласно правилу Вант-Гоффа, при изменении температуры на 10 °С (в пределах от 20 до 40 °С) потребление тканями кислорода изменяется в том же направлении в 2–3 раза.

ТЕПЛОКРОВНЫЕ И ХОЛОДНОКРОВНЫЕ ЖИВОТНЫЕ

В процессе эволюционного развития у млекопитающих, птиц и у человека выработалась способность постоянно сохранять одинаковую температуру тела. Независимо от температуры внешней среды, т. е. как в жару, так и в холод, температура тела этой группы животных и человека не меняется, а поддерживается на одном и том же уровне. Эта способность сохранения постоянства температуры создает более постоянные условия, важные для нормальной деятельности организма, и делает его сравнительно менее зависимым от условий окружающей среды.

Животные, организм которых благодаря наличию ряда приспособлений сохраняет постоянную температуру, называются теплокровными (гомойотермными). Ктеплокровным относится и человек.

Беспозвоночные животные и значительная часть позвоночных не имеют постоянной температуры. Температура тела этих животных зависит от температуры той среды, где они находятся. Если температура окружающей среды понижается, понижается температура тела этих животных, и, наоборот, повышение температуры окружающей среды влечет повышение температуры тела этих животных. Эта группа животных получила название холоднокровных (пойкилотермных). Их организм лишен приспособлений,которые дали бы возможность регулировать собственную температуру.

Интенсивность жизненных процессов, протекающих в организме этих животных, подвержена колебаниям и зависит от температуры окружающей среды. Значениеэтого обстоятельства можно показать на примере лягушки: зимой, когда температура ее тела приближаема к 0°, она совершает прыжки на расстояние 10-15 см; летом же, когда температура ее тела повышается до 20 25°, ее прыжки превосходят даже 100 см.

ОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛА В ОРГАНИЗМЕ

Тепло в теле образуется в результате окисления питательных веществ до конечных продуктов их распада. Местом, где главным образом происходит образование тепла, являются мышцы. В мышцах образование тепла происходит даже тогда, когда человек находится в полном покое. Незначительные мышечные движения уже способствуют большему образованию тепла, а при ходьбе образование тепла повышается на 60-80%. При мышечной работе образование тепла увеличивается в 4-5 раз. Кроме скелетных мышц, теплообразование происходит в печени, почках и других органах. Выше всего температура печени. В ней по сравнению с другими органами (на единицу веса) тепла образуется больше.

Образование тепла в организме сопровождается его отдачей. Организм теряет столько тепла, сколько его в нем образуется. Тепло в теле человека не задерживается, в противном случае он погиб бы в течение нескольких часов.

Эти сложные процессы регуляции образования и отдачи тепла организмом называются терморегуляцией и совершаются рядом приспособительных механизмов, к рассмотре нию которых мы перейдем.

РЕГУЛЯЦИЯ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ

Температура тела остается постоянной благодаря тому, что при помощи ряда механизмов в организме центральной нервной системой регулируется как образование, так и отдача тепла.

В клетках и органах нашего тела происходят окислительные процессы, которые сопровождаются освобождением энергии. Изменение интенсивности окислительных процессов, а следовательно, и интенсивности освобождения энергии влечет за собой изменение теплообразования.

Тепло расходуется организмом разными путями. Основными путями теплоотдачи являются: потеря тепла проведением, т. е. нагреванием, окружающего воздуха и излучением; кроме того, тепло расходуется с выдыхаемым воздухом, при испарении пота и т. д.

Следовательно, температура тела теплокровных животных сохраняется постоянной благодаря тому, что нервной системой регулируется, с одной стороны, интенсивность окислительных процессов, т. е. образование тепла, а с другой интенсивность теплоотдачи. Эти взаимосвязанные процессы, получившие название химической и физической терморегуляции, обусловлены деятельностью центральной нервной системы.

Химическая терморегуляция. Под химической терморегуляцией понимают изменение интенсивности обмена веществ, возникающее под воздействием окружающей среды. Изменение температуры внешней среды улавливается кож ными рецепторами и рефлекторно происходит изменение интенсивности обмена веществ, т. е. теплообразования. Существует, например, определенная зависимость между температурой воздуха и обменом веществ в организме. Так, при понижении температуры воздуха образование тепла в организме усиливается.

Наибольшая часть тепла образуется в мышцах. Одним из приспособительных механизмов является дрожание мышц, происходящее на холоду. Дрожь, которая наступает, когда организм охлаждается, является результатом рефлекса. При понижении температуры окружающей среды раздражаются кожные рецепторы, воспринимающие температурные раздражения; в них возникает возбуждение, которое идет в центральную нервную систему и оттуда к мышцам, вызывая периодические их сокращения.

Таким образом, дрожь и озноб, которые мы испытываем в холодное время года или в холодном помещении, являются рефлекторными актами, способствующими усилению обмена веществ, а следовательно, увеличению образования тепла.

Усиление обмена веществ происходит под влиянием холода, даже когда отсутствуют мышечные движения. Это было показано в опыте при охлаждении животного. Оказалось, что если охладить животное, усиливается независимо от того, наступила дрожь или нет.

Значительное количество тепла образуется и в органах брюшной полости - печени и почках. Это можно проследить, если измерить температуру крови, притекающей к печени, и температуру оттекающей крови. Оказывается, что температура оттекающей крови выше температуры притекающей крови. Следовательно, нагрелась при протекании через печень

При повышении температуры воздуха теплообразование в организме уменьшается.

Статья на тему Образование и отдача тепла организма