Физиологические основы адаптации человека к температуре

Энергетические потребности человека

Энергетические потребности человека могут быть рассчитаны по скорости его метаболизма. Зависимость скорости метаболизма (M) от массы тела (W) у живых организмов, одноклеточных, пойкилотермных и гомойтермных описывается параболическим уравнением:

M = aW^b,

где – а – эмпирический коэффициент, b – показатель, степени, близкий к 0,75.

Обычно в уравнении (1) для млекопитающих скорость метаболизма выражают в величине теплопродукции (Т, ккал сутки^-1), а массу тела – в кг.

В численной форме для млекопитающих уравнение (1) имеет вид:

T = 70 W^0,75 (1)

Согласно этому уравнению, у человека массой 70 кг суточная теплопродукция равна 1694 ккал. Такая величина, характерная для мужчины, находящегося в состоянии полного покоя (в лежачем положении), носит название основной обмен. Эта энергия затрачивается на обеспечение работы легких и других внутренних органов. У женщин с той же массой тела основной обмен примерно на 12% ниже -- 1504 ккал сутки^-1.

Уровень энергетических трат в состоянии относительного покоя (ходьба по квартире, чтение, работа на компьютере и т.д.) называется стандартным обменом. Обычно он не превышает 2200 – 2300 ккал сутки^-1.

В условиях умственной работы интенсивность обмена увеличивается, однако это мало связано с усиленной деятельностью мозга, поскольку уровень метаболизма в его тканях в периоды сна и бодрствования изменяется мало. Очевидно, причиной этого является рефлекторное увеличение мышечного тонуса.

Уровень обмена при любой физической нагрузке (работа, физические упражнения) называется активным обменом. Его величина зависит от интенсивности этой нагрузки.

Активный обмен при легкой нагрузке, не вызывающей быстрого утомления, составляет 2800 – 2900 ккал сутки^-1, при средней нагрузке – 5100 – 5300 ккал сутки^-1.

В условиях тяжелой физической работы, вызывающей быстрое утомление, активный обмен достигает 9000 – 10 000 ккал сутки^-1, а при пиковых нагрузках (поднятии штанги, бег с максимальной скоростью и т.п.) – до 12 500 ккал сутки^-1.

Потери энергии на метаболизм человек восполняет с пищей. Если принять, что усвояемость пищи у человека составляет 80%, то рацион человека, не занимающегося тяжелым физическим трудом (при стандартном обмене) должен быть не менее 2800 ккал в сутки. У людей, занятых на тяжелых физических работах, рацион должен быть не менее 4000 ккал в сутки. Минимальный рацион человека (физиологический рацион), принятый ООН считается равным 2300 ккал в сутки.

Зависимость скорости метаболизма от температуры у гомойотермных организмов, в т.ч. т человека, очень сложна, поскольку определяется как физическими, так и физиологическими факторами. Диапазон температурной толерантности человека ограничен с нижней стороны температурой холодового оцепенения, а с верхней – температурой смерти от перегрева. В пределах этого диапазона температура тела человека, в т.ч. его внеших покровов, достаточно постоянна. Наивысшая температура внутренних органов, которую может выдержать человек (хотя и очень короткое время) составляет +43^оС, а наименьшая – около +25^оС.

Величина теплоотдачи с поверхности любого нагретого тела (Н), в т.ч. и тела человека, в окружающую среду изменяется в зависимости от температуры последней согласно правилу Ньютона:

Н = α S•(t_S – t_E) (2)

где: t_S – температура поверхности тела; t_Е - температура окружающей среды; α – коэффициент теплоотдачи, зависящий от характера теплоизолирующих покровов; S – эффективная площадь поверхности тела человека, с которой происходит теплоотдача.

Значение α у человека при « нормальных» климатических параметрах равно 4.06 Вт•м^-2 на 1^оС разницы t_S – t_E. Значения S зависят от положения тела в пространстве и составляют приблизительно 50 – 80% от геометрической внешней поверхности тела человека.

Ряд ученых, начиная с М. Рубнера (1882), считает возможным использовать уравнение (2) для характеристики величин потерь метаболического тепла у гомойотермных животных. В частности, оно вполне подходит для человека, у которого очень слабо развиты волосяной покров и подкожная жировая прослойка, выполняющие теплоизолирующую функцию.

Однако для большинства птиц и млекопитающих, имеющих хорошо развитые внешние покровы (мех, перья и т.п.) или толстый слой подкожного жира, более подходит закон Фурье, описывающий теплоотдачу тел, покрытых теплоизолирующей оболочкой:

Н = α S•(t_S – t_E)/L (3)

где h – удельная теплопроводность внешних покровов, L – их толщина, S - площадь поверхности тела (Дольник, 2002).

Из (2) и (3) следует, что чем выше разность t_S – t_E, тем большее количество тепла (при прочих равных условиях) передается от нагретого тела во внешнюю среду. Температура поверхности тела у отдельных видов гомойотермных животных достаточно постоянна. Например, для всей поверхности тела человека она составляет в среднем около 27,7^оС зимой и около 31,5^оС летом.

Поэтому чем ниже температура среды, чем больше тепла теряет организм, тем выше должен быть уровень его метаболизма для компенсации потерь тепла.

Поскольку температура поверхности тела у человека является достаточно постоянной, с изменением температуры среды его теплопродукция согласно (2) будет изменяться. При низких температурах, совместимых с жизнью, теплопродукция у человека повышена. Ее прирост составляет приблизительно 10% при снижении температуры на 10^оС.

Максимальный ее уровень при определенной температуре, несколько превышающей температуру холодового оцепенения, называется вершинным обменом.

При переходе к более высоким температурам теплопродукция постепенно снижается и при какой-то температуре достигает наименьших величин. Эту температуру обычно называют «критической точкой». У человека она находится в узком температурном диапазоне – от 25 до 28^оС, практически совпадающим со средней температурой поверхности его тела.

Уровень энергетического обмена человека в состоянии покоя при температуре критической точки соответствует его основному обмену. Соотношение между вершинным и основным обменом у человека может достигать 2 – 3 раз.

При температуре среды выше критической точки тепло из внешней среды поступает в организм. Длительное воздействие высокой температуры, особенно в сочетании с повышенной влажностью, препятствующей потоотделению, приводит к гипертермии, или перегреву тела, когда температура его внутренних органов поднимается до 40 – 41^оС.

Состояние гипертермии представляет большую опасность для организма человека. У него наблюдаются головная боль и головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота и рвота. Пульс и дыхание учащены, в крови возрастает содержание азота и мочевой кислоты. При этом наблюдается бледность, синюшность, расширение зрачков.

В первую очередь повышение температуры негативно сказывается на белках головного мозга, вызывая их необратимую денатурацию. Это является причиной бреда у больных, у которого температура достигает 40^оС и более

Это делает необходимым отведение излишнего тепла из организма, что достигается посредством усиленного потоотделения, учащения дыхания, увеличения поверхностного кровотока. На эти процессы расходуется дополнительная энергия, что приводит к некоторому повышению уровню метаболизма. При дальнейшем повышении температуры уровень метаболизма резко снижается и вскоре организм погибает от перегревания. Верхняя летальная температура, при которой наблюдается гибель организма, называется температурой смерти от перегрева (Слоним, 1971).

У гомойотермных организмов различают химическую и физическую терморегуляцию.

Химическая терморегуляция – это рефлекторное изменение уровня энергетического обмена организма в ответ на изменение температуры среды с целью поддержания постоянной температуры тела. Она имеет место в интервале от температуры вершинного обмена до критической точки, т.е. в центральном участке зоны температурной толерантности человека.

Различают две основные формы химической терморегуляции:

Сократительный термогенез, или увеличение терморегуляционной активности мышц (холодовая дрожь); при этом происходит распад АТФ с выделением тепла.

Несократительный термогенез, или активация специальных источников теплоты, например, разложения бурой жировой ткани. Она имеется у всех млекопитающих, в том числе и человека. Она сосредоточена вокруг шеи и в межлопаточной области. В клетках бурой жировой ткани жир находится не в виде одной крупной ткани, как в белой жировой ткани, а в виде нескольких мелких капель. Бурый цвет ткани обусловлен значительным количеством в клетках митохондрий. При окислении жирных кислот не происходит синтеза АТФ, а вся энергия выделяется в виде тепла. Поскольку калорийность жиров в 2 – 2,5 раза выше, чем других органических соединений, то и тепла выделяется больше.

Данный процесс осуществляет особый полипептид, находящийся на внутренней стороне мембраны митохондрий – термогенин.

За счет химической терморегуляции уровень теплопродукции у человека может изменяться в 3 – 5 раз.

Физическая терморегуляция имеет в краевых участках зоны температурной толерантности человека. У млекопитающих и птиц она достигается несколькими основными способами:

При низких температурах - н аличие термоизолирующих покровов – жировой прослойки, мехового покрова, перьев. У человека (голой обезьяны) физическая терморегуляция по сравнению с холодолюбивыми животными очень слабо.

При повышенных температурах:

Тепловая отдышка (полипноэ), которая протекает в форме учащенного, но крайне поверхностного дыхания. Это увеличивает испарение воды с поверхности верхних дыхательных путей, полости рта и языка. У человека развита слабо, но сильно развита у собак.

Повышенное потоотделение, на испарение пота затрачивается значительная энергия – 573 калории на 1 л воды. Отсюда выделение 3 кг пота достаточно, чтобы отвести все тепло человека, вырабатываемое при основном обмене.

Величина потоотделения у человека возрастает при повышении температуры. Поэтому масса выделяемого человеком пота за час является информативным критерием степени комфортности климатически условий:

50 – 150 мг – тепловой комфорт;

151 – 300 мг – слабая тепловая нагрузка;

301 – 500 мг – умеренная тепловая нагрузка;

Более 500 мг – высокая тепловая нагрузка.

Кстати, многие млекопитающие (хищники, зайцеобразные) не потеют. У тех видов млекопитающих, которые не имеют значительного полипноэ, критическая точка выражена слабо и заменена довольно обширной зоной относительно постоянного уровня обмена веществ.

Дата добавления: 2014-01-06