Обмен энергии. Терморегуляция

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она существует в нем в четырех основных формах: химической, механической, электрической и тепловой. Центральное место из этих форм принадлежит химической энергии (АТФ), которая может необратимо превращаться во все другие виды энергии. Таким образом, обмен энергии - это совокупность процессов превращения различных форм энергии между собой, а также накопление и использование макроэргических соединений. Макроэргическими (высокоэнергетичес­кими) соединениями называются биологически активные органические соединения, обладающие непрочной химической связью, при расщеплении которой выделяется достаточное количество свободной энергии для совершения полезной работы в клетке: синтеза хими­ческих соединений, транспорта веществ против градиента их концен­трации, мышечного сокращения и т.д.

Энергия расходуется на процессы синтеза клеток, на осущест­вление различных физиологических функций, на внешнюю работу, поддержание температуры тела и т.д. Продолжение жизни возможно лишь при постоянном пополнении запасов энергии, что и происходит благодаря приему пищи. При окислении 1 г жира в организме освобождается 9.3 ккал, 1 г белка и углеводов - соответственно по 4.1 ккал.

Килокалория (ккал) - количество тепла (энергии), необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1°С. Наибольшая часть освобождающейся в организме энергии переходит в тепловую и только одна пятая часть (20%) переходит в механическую энергию. В электрическую превращается незначительная часть освобождающейся энергии. В конечном итоге все виды энергии отдаются в окружающую среду преимущественно в виде тепловой энергии.

Соотношение количества энергии, поступающей с пищей, и энергии, расходуемой организмом, называется энергетическим балан­сом. Он может быть положительным, равновесным и отрицательным. При избыточном питании, превышающем действительные расходы энергии, энергетический баланс положительный, происходит накоп­ление энергетических запасов за счет увеличения массы жировой ткани. В условиях недостаточного питания энергетический баланс отрицательный, запасы энергобогатых веществ уменьшаются. Чтобы иметь представление о количестве расходуемой организмом энергии, достаточно измерить количество тепла, которое выделяется во внешнюю среду.

Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен, складывается из основного обмена и рабочей прибавки. Основной обмен - это минимальный уровень обмена веществ и энергетических затрат бодрствующего человека в состоянии мышечного и психи­ческого покоя, натощак и при температуре окружающей среды 18-20°С. Рабочая прибавка - это увеличение энергетических затрат организма при мышечной работе. Для мужчин среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 170 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) основной обмен равен 1 ккал на 1 кг массы тела в час, или 1700 ккал в сутки. У женщин той же массы он примерно на 5-10% ниже. У детей он выше, чем у взрослых. В пожилом возрасте основной обмен снижается. В условиях основного обмена энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организма, работу внутренних органов, поддержание температуры тела.

При лихорадочных заболеваниях (малярия, брюшной тиф, туберкулез и др.), гиперфункции щитовидной железы основной обмен может повышаться до 150%. При гипофункции гипофиза, щитовидной железы, половых желез основной обмен понижается, усиливается отложение жира.

После приема пищи интенсивность обмена веществ и энергети­ческие затраты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в условиях основного обмена. Это влияние принятой пищи на обмен веществ и энергозатраты получило название специфического динами­ческого действия пищи. При белковой пище обмен увеличивается в среднем на 30%, при питании жирами и углеводами - на 15%.

Общий расход энергии зависит от профессии человека и характера его отдыха (занятия спортом, туризмом и т.д.). Суточный расход энергии для людей умственного труда, в том числе и для студентов медицинских училищ, составляет 3000 ккал, а для лиц, занимающихся очень тяжелым физическим трудом, около 5000 ккал/сутки.

Температура тела человека, несмотря на колебания температуры окружающей среды, непрерывно поддерживается на относительно постоянном уровне. Это постоянство температуры тела носит название изотермии. Стабильная температура тела - одна из важнейших биологи­ческих констант. Постоянная температура, значительно превышающая обычную температуру внешней среды, обеспечивает высокую скорость химических реакций внутри организма и высокую интенсивность всех процессов жизнедеятельности. Способность организма человека про­тивостоять воздействию холода и тепла, сохраняя изотермию, не беспредельна. При чрезмерно низкой или высокой температуре окру­жающей среды защитные терморегуляторные механизмы оказываются уже недостаточными, температура организма соответственно начинает понижаться или повышаться. В первом случае развивается состояние гипотермии, во втором - состояние гипертермии.

В организме человека принято различать две температурные зоны: внутреннюю - "ядро" и наружную - "оболочку". "Ядро" (мозг, органы грудной клетки, брюшной полости, малого таза) характе­ризуется относительно стабильной температурой в диапазоне от 37 до 38.5°С. "Оболочка" (кожа, большая часть скелетной мускулатуры и костной системы) имеет более низкую температуру в диапазоне 25-34°С и призвана поддерживать изотермию "ядра". Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, которая является самым "горячим" органом тела: температура в ней равна 38-38.5°С. В обычных условиях кровь, проходя по сосудам "ядра", нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их), а проходя по сосудам "оболочки", отдает тепло тканям кожи и охлаждается (одновременно согревая их).

Широко используемый термин "температура тела", как правило, относится к температуре внутренних областей тела, т.е. "ядра". Однако трудности измерения и различия в величине ее заставляют измерять температуру тела в более доступных местах: в подмышечной впадине, полости рта, прямой кишке. У взрослого человека принято измерять температуру тела в подмышечной впадине. В норме подмышечная температура тела находится в диапазоне 36-37°С. В клинике часто (особенно у грудных детей) измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека 37.2-37.6°С. Суточные колебания температуры тела весьма характерны: наиболее высокая температура наблюдается во второй половине дня в 16-18 часов, наиболее низкая в 3-4 часа утра. В течение суток температура тела обычно колеблется в пределах 0.5-0.7°С.

Способность организма человека поддерживать изотермию, или тепловой гомеостаз, обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов - теплообразования и теплоотдачи. При этом необходимо, чтобы теплообразование равнялось теплоотдаче. Такое взаимосоче­тание процессов теплообразования и теплоотдачи достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции.

Процесс образования тепла в организме называется химической терморегуляцией, процесс, обеспечивающий удаление тепла из орга­низма, называется физической терморегуляцией. Химическая терморе­гуляция имеет особенно большое значение при низкой температуре среды. Образование тепла происходит в результате окислительных экзотермических реакций в различных тканях и органах (в мышцах -60%, печени - 30%, почках, легких, желудке - 10%). Главную роль в теплопродукции у человека играют мышцы и печень.

Пути повышения теплопродукции при действии холода:

1) произвольная мышечная деятельность; небольшая двигатель­ная активность ведет к увеличению теплообразования на 50-80%, а тяжелая мышечная работа - на 400-500%, т.е. в 4-5 раз;

2) непроизвольное сокращение мышц, проявляющееся в виде холодовой дрожи (озноба), повышает энергетический обмен и образование тепла в 2-4 раза;

3) рефлекторное повышение интенсивности обменных процессов в мышечной ткани без ее сокращения (так называемый несократи­тельный мышечный термогенез);

4) интенсификация образования тепла печенью и почками.

При повышении температуры окружающей среды теплообразова­ние в организме уменьшается вследствие рефлекторного снижения обмена веществ.

При повышении или понижении температуры окружающей среды рефлекторно изменяется не только теплообразование, но и теплоотда­ча, причем при понижении температуры отдача тепла уменьшается, а при повышении температуры - увеличивается.

Физическая терморегуляция (т.е. теплоотдача) осуществляется следующими физическими процессами:

1) конвекцией, т.е. путем движения и перемещения нагреваемого телом воздуха;

2) радиацией, т.е. путем теплоизлучения (отдачи тепла телом в виде лучистой энергии инфракрасных лучей);

3) теплопроведением, т.е. отдачей тепла веществам, непосредст­венно соприкасающимся с поверхностью тела;

4) испарением воды с поверхности кожи и легких.

У человека в обычных условиях потеря тепла путем тешюпроведе-ния имеет небольшое значение, так как воздух и одежда являются плохими проводниками тепла. Одним из главных путей теплоотдачи человека при температуре воздуха 20°С является радиация (66% общей потери тепла организмом). При температуре наружного воздуха 35-37°С и более единственным способом отдачи тепла становится испаре­ние воды с поверхности кожи и альвеол легких. В основном теплоотда­ча у человека осуществляется через кожу. Конвекция и радиация тесно связаны с функцией сосудистой системы.

При высокой температуре наружного воздуха (от 22 до 35°С) сосуды внутренних органов суживаются, кожные сосуды расширяются, теплоотдача повышается. В условиях более низкой температуры внеш­ней среды (менее 18°С) сосуды внутренних органов расширяются, а кожные сосуды суживаются. Теплоотдача уменьшается, т.е. происхо­дит накопление тепла. В целом при повышении температуры внешней среды в организме человека теплопродукция уменьшается, теплоотда­ча увеличивается, при понижении температуры - наоборот: теплопро­дукция увеличивается, теплоотдача уменьшается.

сохранения изотермии происходит интенсивное испарение пота. На испарение 1 мл пота при температуре При температуре наружного воздуха, равной или выше температуры тела человека, для тела человека затрачивается 0.58 ккал тепла. Этот путь теплоотдачи осуществляется главными образом за счет функций потовых желез. Испарение влаги с поверхности легких и дыхательных путей у челове­ка играет меньшую роль, так как с выдыхаемым воздухом за сутки испаряется всего 350 мл воды. С потом же обычно человек теряет за сутки в среднем около 500 мл воды, а с ним около 300 ккал тепла. При температуре наружного воздуха 36°С для поддержания изотермии необходимо испарение 4.5 л воды с затратой 2500-2800 ккал тепла. При тяжелой мышечной работе человек может выделять до 9-12 л пота в день, а в горячих цехах даже до 15л.

Следует помнить, что испарение воды зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе вода испаряться не может. Поэтому при большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, жара переносится тяжело, может возник­нуть перегревание тела (гипертермия) и развиться тепловой удар. Температура тела, при которой наступает расстройство сознания (бред), находится в диапазоне 40-41°С, а при температуре тела выше 43°С наступает гибель организма.

Регуляция процессов теплообмена, обмена веществ и энергии осуществляется двумя механизмами:

1) рефлекторно - по механизму безусловных и условных рефлек­сов;

2) гуморально.

Безусловнорефлекторная регуляция теплообмена состоит в том, что любые колебания температуры окружающей среды воспринима­ются холодовыми (их на коже человека 250 тысяч) и тепловыми (их соответственно около 30 тысяч) рецепторами кожи. Они возбуждаются при повышении температуры среды на 0.007°С и понижении - на 0.012°С. От терморецепторов нервные импульсы по афферентным (чувствительным) путям через спинной мозг достигают промежуточ­ного мозга и коры. Основным подкорковым центром терморегуляции и регуляции температуры человека является гипоталамус. Установле­но, что передние отделы (ядра) гипоталамуса контролируют механиз­мы физической терморегуляции (изменение просвета сосудов, интен­сивности потоотделения), т.е. являются центром теплоотдачи, а задние отделы (ядра) - контролируют химическую терморегуляцию и являют­ся центром теплообразования. Гипоталамус поэтому называют термостатом организма. Возбуждение из гипоталамуса передается по эфферентным нервам, главным образом симпатическим, к органам теплообразования (мышцы, печень и др.) и теплоотдачи (сосуды, потовые железы) и изменяет их деятельность.

Большую роль в терморегуляции играет кора большого мозга, что доказано опытами по условнорефлекторному повышению тепло­образования у животных и человека. Например, в этих опытах звук свистка сочетался с подвешиванием собаке на спину груза массой 16 кг на 15 минут. Температура у собаки от подвешивания груза повы­шалась на 0.3-0.8°С. После нескольких повторений этого сочетания в дальнейшем только один звук свистка вызывал повышение темпе­ратуры. В другом опыте собаку на несколько часов помещали в ком­нату с температурой 22°С; в этой обстановке температура у собаки повышалась. Через несколько дней собака была помещена в эту же комнату, однако температура комнаты на этот раз была равна 10°С. Несмотря на это, температура тела собаки все равно повысилась. Как в первом, так и во втором случае у собаки был выработан условный рефлекс на увеличение теплообразования.

Было выполнено наблюдение и над проводниками товарных вагонов, которые целыми часами в зимнюю холодную погоду стояли на открытых площадках во время движения поезда. Как показали исследования, у них происходило увеличение теплообразования. Одна­ко у этих же проводников теплообразование не увеличивалось, если они находились не в пути, а на тормозной площадке вагона в городе или во дворе здания лаборатории.

В регуляции теплообмена участвует и гуморальный механизм. Гормон щитовидной железы - тироксин, повышая обмен веществ, уве­нчивает теплообразование. Поэтому поступление тироксина в кровь увеличивается при охлаждении организма. Гормон мозгового слоя надпочечника - адреналин усиливает окислительные процессы, увеличивая тем самым образование тепла. Одновременно он суживает сосуды кожи, вызывая за счет этого уменьшение теплоотдачи.

Регуляция обмена веществ и энергии в организме осуществляется нервной и эндокринной системами. Основным отделом ЦНС, регули­рующим все виды обменных и энергетических процессов, является также гипоталамус. В нем расположены центры регуляции обмена белков, жиров, углеводов, воды и солей.

На обменные процессы большое влияние оказывают эндокринные железы. Гормоны тироксин, соматотропин, инсулин, половые гормо­ны усиливают синтетические процессы, особенно в отношении белка. Гормоны коры надпочечника и щитовидной железы в больших коли­чествах усиливают катаболизм, т.е. распад белков. Гормон липокаин способствует утилизации жиров. Гормон инсулин регулирует углевод­ный обмен, тормозит мобилизацию жира из жировой ткани. Анти­диуретический гормон, или вазопрессин, усиливает обратное всасывание воды из канальцев почек в кровь. Альдостерон - гормон коры надпочечника сохраняет в организме натрий и увеличивает выведение калия, активно участвуя таким образом в регуляции минерального обмена.

Дата добавления: 2014-01-04