Совокупность физиологических механизмов, осуществляющих регуляцию температуры тела, называют физиологической системой терморегуляции. Она не имеет в своем составе специфических органов. Для своих нужд она использует практически все другие системы организма (пищеварительная, сердечно-сосудистая и др.). В каждом конкретном случае нервная система «рекрутирует» конкретные органы и формирует из них специфическую функциональную систему, которая в этих условиях наиболее эффективным и экономичным путем обеспечивает поддержание температуры тела на необходимом уровне. И так происходит постоянно. Изменились температурные условия внешней среды или функциональное состояние организма, угрожающие постоянству температуры тела человека, - «распускается» одна система и формируется новая. Эта особенность позволяет полагать, что система терморегуляции в организме – одна из самых молодых и в то же время чрезвычайно важных по своему значению.
Физиологическая система терморегуляции постоянно следит за тепловым балансом организма, немедленно начиная действовать при его отклонении от оптимума. Она включает в себя регулирование теплообразования (химическую терморегуляцию) и теплоотдачи (физическую терморегуляцию).
Химическая терморегуляция. В теле человека в результате постоянно протекающих сложных химических превращений вырабатывается тепло, которое и обеспечивает поддержание необходимого уровня температуры тела. Его количество непостоянно. Оно зависит от интенсивности химических реакций: чем они интенсивней, тем больше вырабатывается тепла. В покое (например, во время сна, в положении лежа при расслабленных мышцах никакой внешней работы не производится) интенсивность химических реакций минимальна. Освобождающая при этом энергия расходуется лишь на протекание самых необходимых жизненных процессов: работа сердца, органов дыхания т.п. В этом случае вырабатывается и минимальное количество тепла. Такой уровень химических реакций называют основным обменом. Он зависит от возраста, пола, роста и массы тела, периода суток, от температуры окружающей среды. Различают суммарный основной обмен, отнесенный ко всему телу, т.е. количество израсходованной энергии всем организмом за сутки, и основной обмен, рассчитанный на один килограмм массы тела.
При выполнении какой-либо деятельности уровень обменных процессов (затраты энергии) возрастают. Так, например, положение сидя увеличивает расход энергии по сравнению с основным обменом примерно на 20%, чтение книги – на 30%, подметание пола в квартире – на 110%, бег с максимальной скоростью – на 900%.
Главным местом выработки тепла в организме являются скелетные мышцы. При их напряжении или сокращении усиливается теплообразование. Можно выделить несколько видов мышечной активности, в результате которой образуется тепло.
У человека, находящегося в состоянии относительного мышечного покоя, даже при незначительном охлаждении несколько усиливается активность скелетных мышц. Это явление назвали микровибрацией. При этом усиливается и выработка тепла в организме. При более сильном охлаждении активность скелетной мускулатуры возрастает, возникает так называемый терморегуляционный тонус. Он проявляется в длительной синхронной активности отдельных мышечных волокон, и теплообразование увеличивается на 36-45%. При очень сильном охлаждении возникает холодовая дрожь. Теплообразование при этом повышается в 3-5 раз. Первоначально дрожь возникает в мышцах шеи и головы. При продолжающемся охлаждении она охватывает мышцы плечевого пояса и туловища. Указанные виды мышечной активности возникают помимо воли человека. Поэтому их называют непроизвольной мышечной активностью: они возникают рефлекторно при охлаждении. При произвольной мышечной активности: ходьбе, беге, мышечной работе (напряжение или сокращение мышц) – также образуется тепло. При этом теплообразование может увеличиться в 10-20 раз. На этом и основана рекомендация активного движения на холоде.
Теплообразование в организме усиливается и во время еды. Это явление получило название специфически динамического действия пищи. Этот факт хорошо известен: обильная еда в мороз вызывает чувство тепла. И наконец тепло вырабатывается в результате деятельности внутренних органов: наиболее интенсивно это происходит в печени и в почках.
Таким образом, химическая терморегуляция состоит в регуляции теплообразования в организме. При охлаждении оно усиливается, а при нагревании – уменьшается. Сигналом для этого служат отклонения температуры внешней среды за границы зоны комфорта. Для обнаженного человека в состоянии относительного покоя зона комфорта соответствует + 28°С; в воде - +36°С. Для человека в обычной одежде зона температурного комфорта лежит в пределах от +18° до +20°С. При этих температурах усиления теплообразования не происходит (так как теплообразование и теплоотдача взаимно уравновешивают друг друга). При повышении или понижении внешней температуры соответственно уменьшается или увеличивается и теплообразование. Следует отметить, что возможности химической терморегуляции ограничены и она может обеспечить коррекцию колебаний внешней температуры лишь в относительно узких пределах и в ограниченное время.
Физическая терморегуляция. Физическая терморегуляция в обеспечении постоянства температуры тела играет более существенную роль, чем химическая. Она осуществляется рефлекторно и заключается в изменении физических условий теплообмена между телом человека и окружающей его средой. При понижении внешней температуры (угроза переохлаждения) физическая терморегуляция уменьшает теплоотдачу, а при угрозе перегревания (в жару, при интенсивной мышечной работе) усиливает. Тело человека отдает тепло во внешнюю среду несколькими путями.
Во-первых, проведением, то есть прямой передачей тела к окружающим его предметам (например, когда человек стоит босиком на полу – от босых стоп к полу). Интенсивность теплоотдачи в этом случае зависит от разности температур кожи стоп и пола: чем больше разница температур, тем интенсивнее будет теплоотдача. Поэтому так часто возникают простудные заболевания при хождении босиком по холодному полу, земле, воде).
Во-вторых, тепло отдается путем конвекции. Тело человека постоянно «омывает» воздух или вода (при купании). При этом движущиеся частицы воздуха или воды нагреваются от тела – «забирают тепло». Поскольку «нагретые» частицы уступают место новым, «холодным», то организм постоянно расходует тепло на их нагревание. Интенсивность теплопотерь при этом определяется главным образом скоростью движения воздуха или воды и разницей температур между ними и поверхностью тела человека (в морозный, но безветренный день человеку теплее, чем при более высокой температуре воздуха, но при сильном ветре).
В-третьих, тепло отдается путем излучения; это отдача тепла в виде лучистой энергии (инфракрасные лучи). Когда человек находится в помещении с нормальной температурой воздуха, но близко к холодной стене, его тело теряет много тепла: оно «нагревает» стену. Интенсивность теплоотдачи при этом зависит от разницы температур поверхности тела и окружающих предметов (вот почему в здании с толстыми каменными стенами даже в жаркий летний день человек испытывает чувство прохлады).
В-четвертых, тело теряет тепло и на испарение влаги с кожных покровов и со слизистых оболочек с верхних дыхательных путей. В жару человек потеет. Испаряющийся с кожи пот «забирает» тепло, и угроза перегревания (повышение температуры тела) устраняется (с этой же целью в жару обливаются холодной водой).
Удельный вес каждого из указанных путей в общей теплоотдаче зависит от конкретных температурных условий окружающей среды и вида деятельности человека. При температуре воздуха +20°С в состоянии покоя тело человека отдает около 66% всего тепла путем излучения, 19% - путем испарения и 15% - за счет конвекции. Высокая влажность воздуха ограничивает теплоотдачу испарением, но одновременно увеличивает возможности отдачи тепла за счет проведения.
Во время напряженных спортивных состязаний спортсмены теряют 75% тепла путем испарения, 13% - путем конвекции, 12% - путем излучения. Поэтому в условиях высоких температур воздуха и при его повышенной влажности выполнение мышечной работы затруднено, возникает угроза перегревания. Это обстоятельство следует учитывать при организации занятий спортом или физическим трудом.
Поскольку интенсивность теплоотдачи зависит от разности между температурой кожи и температурой окружающей среды, то объектом регулирования со стороны физической терморегуляции является температура кожи. Это обеспечивается за счет регуляции ее кровоснабжения.
Температура кожи человека на разных участках тела различна. Эти различия образуют так называемую топографию кожной температуры. Наиболее высокая температура отмечается на коже шеи, а самая низкая – на коже пальцев рук. Топография кожной температуры у человека имеет важное приспособительное значение. Суть ее в том, что она обеспечивает минимизацию разности между температурой кожи и температурой окружающей среды; на закрытых одеждой участках кожи температура выше, чем на обычно открытых. Способ регуляции температуры кожи состоит в следующем. При понижении температуры воздуха снижается и температура кожи, интенсивность теплоотдачи почти не изменяется. Это обеспечивается за счет изменения кровоснабжения кожи. Особенно ярко регуляция кровоснабжения выражена в ногах и руках (особенно кистях). При высокой температуре воздуха кровоснабжение предплечья и кисти может увеличиться в 5 раз ( в 5 раз увеличится и теплоотдача), а при низкой – уменьшиться в 4 раза (во столько же уменьшится и теплоотдача). Кровоснабжение кожи туловища может измениться не более чем в 3 раза, а кровоснабжение пальце рук – почти в 100 раз. Столь широкий диапазон изменения кровоснабжения периферических частей тела и, в частности, пальцев рук обеспечивается специальными приспособлениями.
Во-первых, способностью сосудов изменять свой диаметр (сужаться и расширяться). Сужение артерий на 25% уменьшает ее емкость в 16 раз. Сужение сосудов на холоде уменьшает теплоотдачу на 70%, а их расширение при нагревании увеличивает теплоотдачу на 90%. Во-вторых, наличием в периферических частях тела артерио-венозных анастомозов. Благодаря им при охлаждении теплая артериальная кровь, минуя поверхностно расположенные капилляры, из артериол переходит в венулы. Такое изменение кровообращения предохраняет кровь от охлаждения и в известной мере уменьшает теплоотдачу. Это способствует обеспечению постоянства температуры тела, сохранению в нем тепла.
Внешним проявлением этого изменения кровотока является наблюдаемое при выходе на мороз побледнение кожи лица, ушей и пальцев рук (температура кожи на этих участках резко понижается, и теплоотдача с них уменьшается). Ток крови через анастомозы происходит не постоянно; через определенные промежутки времени он совершается как обычно (после начального побледнения кожи на морозе она краснеет).
Количество анастомозов особенно велико на периферических участках тела: на кончиках пальцев, в мочках ушей и т.д. На 1 кв. см кожи пальцев рук расположено: на самых кончиках пальцев – 500 анастомозов, а на первой фаланге – только 93.
Большую роль в регуляции теплоотдачи играет теплопроводность тканей тела. Она зависит также от кровоснабжения. Чем интенсивнее кровоснабжение той или иной ткани, тем больше ее теплопроводность. Это обусловлено тем, что артериальная кровь имеет температуру 37°С. Усиление кровотока через ткань вызывает повышение ее температуры, а следовательно, и повышение ее теплоотдачи.
Наиболее низкая теплопроводность у жировой ткани, так как ее кровоснабжение незначительно; в ней почти нет кровеносных сосудов. Поэтому ее теплоизолирующие свойства очень высоки. Люди с хорошо развитым подкожным слоем жира при охлаждении теряют тепла примерно в три раза меньше, чем те, у которых подкожная жировая клетчатка почти полностью отсутствует. Особенно велика роль подкожного жира при охлаждении в воде. При высокой температуре воды теплозащитные свойства жира не проявляются. На них влияет и вид деятельности. Так, например, плавание вместо неподвижного пребывания в воде уменьшает теплоизолирующие свойства жира.
Таковы собственно физиологические механизмы терморегуляции, участвующие в обеспечении постоянства температуры тела у человека. Их возможности ограничены, обнаженный человек в мороз замерзнет. В этих условиях они не обеспечат поддержание температуры тела на определенном необходимом уровне. Главная роль в приспособлении к холоду принадлежит изменениям поведения (поведенческой терморегуляции) и использованию искусственных средств защиты от холода.