Температурные адаптации

Климат, в котором живет человек, в действительности состоит из ряда климатических “оболочек” - микроклимата его одежды, микроклимата его жилых и производственных помещений и географического макроклимата. Среди всех географических факторов первостепенную физиологическую роль играют те, которые оказывают прямое влияние на интенсивность теплового обмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Эффективность адаптации организма зависит от степени нарушения гомойотермии. Адаптивные температурные приспособления человека бывают трех типов:

1. Общие физиологические приспособления, связанные с функцией терморегуляторной, метаболической и циркуляторной систем, обеспечивают возможность жить и работать в самых разнообразных условиях температурной Среды. Способность к таким приспособлениям - это свойство, получившее наибольшее развитие у человека как вида. Приспособления могут быть как кратковременными, так и длительными.

2. Специализированные физиологические, анатомические и антропологические адаптивные реакции, в основе которых лежат особенности генотипа.

3. Культурные и социальные приспособления, связанные с обеспечением человека жильем, одеждой, теплом, системой вентиляции.

Эффективная адаптация человеческого организма к климату необходима для: а) обеспечения состояния комфорта; б)выполнения физической работы без повышенной утомляемости; в)выполнения различных видов квалифицированной работы, требующей внимания и сноровки, с минимумом ошибок; г)обеспечения нормальных условий для роста и развития.

Рассмотрим крайние, наиболее трудные условия Среды как показатель способности человека приспосабливаться к климату. В Верхоянске - одном из городов Восточной Сибири, находящемся вблизи Полярного круга, где зарегистрированы самые низкие температуры на Земле, - средняя температура января на 35°С ниже средней годовой (-18°С). В оазисе Ин-Салах в алжирской Сахаре средняя температура июля достигает 38°С, что на 12°С превышает среднюю годовую температуру. Таким образом, человеческие сообщества успешно выживают в различных областях с летней температурой от -17 до +38°С и зимней температурой от -36 до +28°С.

Несмотря на столь резкие изменения внешней температуры, внутренняя температура тела изменяется в относительно небольших пределах. Суточные колебания температуры тела не превышают 2° Цельсия. Она имеет максимальное значение вечером и минимальное около 4 часов утра. В тропических странах этот цикл сдвинут вверх примерно на 0,2°С. Подобный сдвиг имеется у всех рас: у европейцев, находящихся в Индии или Ингапуре, температура такая же, как у коренных жителей.

Организм не может перенести значительных отклонений от средней суточной температуры, и существование столь узкого интервала колебаний для различных условий (суточных, сезонных и географических) подразумевает наличие весьма чувствительной системы внутренней регуляции. Регуляция осуществляется в первую очередь термостатическим механизмом мозга (гипоталамусом), который чувствителен к повышению или понижению температуры тела в тех случаях, когда тело отдает или получает тепло в большом количестве. Пределы климатических изменений, к которым может приспособиться организм, определяется взаимоотношением двух биологических факторов - поддержанием необходимого комфорта и сохранением теплового баланса.

Перегревание

Немедленная физиологическая реакция на перегревание - увеличение теплоотдачи организмом. Оно осуществляется, во-первых, через систему кровообращения и, во-вторых, путем потоотделения. Роль системы кровообращения состоит в усилении тока крови через кожу, которое становится возможным в следствии расширения кожных сосудов, а также вследствие увеличения минутного объема сердца, сопровождающегося увеличением пульса. Тепло, поступающее в избытке к поверхности тела, рассеивается за счет увеличения конвекции и излучения; рассеяние тепла возрастает вследствие увеличения температуры кожи. Интенсивность конвекционной отдачи тепла на единицу поверхности пропорциональна разности температур кожи и окружающего воздуха (и квадратному корню из скорости движения воздуха). Интенсивность излучения на единицу излучающей поверхности приблизительно пропорциональна разности средних температур кожи и окружающей Среды. Человеческая кожа, независимо от цвета, действует как абсолютно черное излучающее тепло. Если указанные процессы недостаточны для сохранения теплового баланса и температура тела возрастает, начинается усиленное потоотделение. Интенсивность теплоотдачи при испарении пота зависит от разности давления паров воды на поверхности кожи и давления воздуха, от размеров увлажненной поверхности и от движения воздуха. Теплоотдача за счет скрытой теплоты парообразования может сильно увеличиться вследствие как увеличения числа функционирующих потовых желез, так и прогрессирующего увеличения активности каждой железы. Максимально возможная потеря воды, равная примерно 1 л/час, эквивалентна отдаче 2500 кДж тепла в 1ч. Хотя общее число потовых желез у разных людей неодинаково, нет данных о сколько-нибудь существенных различиях между расовыми группами. Число потовых желез на одних и тех же участках тела у представителей разных групп примерно одинаково. Число желез на различных участках тела располагается в порядке убывания следующим образом: на верхней конечности - тыльная сторона кисти, предплечье, плечо; на нижней конечности - ступня, голень, бедро; на туловище - живот, грудь (табл. 11).

Таблица 11

Число потовых желез на 1 см² поверхности тела у

взрослого мужчины (Томсон, 1953)

1 - живот; 2 - рука, кисть; 3 - предплечье; 4 - плечо; 5 - тыльная сторона стопы; 6 - стопа; 7 - бедро.

Однако в дальнейшем было обнаружено, что в комнате при температуре 37,8°С после ряда определенных движений негры теряли несколько меньше пота и показывали более низкую ректальную температуру, чем европейцы. В других экспериментах было показано, что после 15 минут пребывания при высокой температуре (76,5°С) у “белого” выделялось 107 см³, а у негра 170 см³ пота. Имеются сведения, что потовые железы у африканских негров крупнее, чем у европейцев поэтому и выделение пота при одинаковом количестве желез выше.

Кожа негрской расы в большей степени приспособлена к жаркому климату, чем кожа европейской, причем пигментация играет здесь большую, хотя далеко и не единственную роль. Было показано, что у негров содержится больший процент меди по сравнению с европейцами; это связано с участием меди в процессах образования меланина путем каталитического воздействия на оксидазу диоксифенилаланина.

Курчавые волосы, возможно, были полезны в том отношении, что они образуют вокруг головы весьма пористую оболочку; при сильном нагревании солнечными лучами наружной поверхности волосяной шапки тепло в следствии малой теплопроводности воздуха плохо передается к коже и к сосудам головы; курчавая шапка волос негра играет роль изолирующей воздушной подушки. Имеется указание, что в самом волосе негра находится большее количество пузырьков воздуха, чем, например, в волосе монгола, что и придает негрским волосам более тусклый отблеск по сравнению с монгольскими.

В жарких областях температура воздуха в среднем не намного ниже, чем температура внутренних органов человека. Поэтому можно предположить, что для тропических рас было целесообразно увеличить испаряющую поверхность ротовой полости для охлаждения. Большая ширина ротовой щели (по отношению к размерам лица и головы) и большая протяженность слизистых поверхностей губ негров могли быть полезны в тропиках, усиливая потерю влаги и, тем самым, охлаждая вдыхаемый воздух. Характерная для рас тропического пояса узко-высокая форма черепа более благоприятна в условиях сильной инсоляции, чем плоско-широкая.

Кроме анатомо-антропологических адаптивных признаков существует физиологическая акклиматизация к высоким температурам. Так, при постоянном или многократном воздействии тепловой нагрузки происходит поразительное улучшение в приспособлении организма к реакции на эту нагрузку. Особенно заметно улучшается способность выполнять физическую работу. В лабораторных экспериментах испытуемые, подвергавшиеся действию тепла, в первый день прекращали работу менее через 1ч после начала опыта, тогда как на 5 день могли выполнять ту же работу в течение 4ч. Заметно улучшалось состояние системы кровообращения - уменьшались такие показатели, как частота пульса и минутный объем. Более эффективной становилась терморегуляция. В первые дни опыта температура тела быстро и значительно повышалась, достигая довольно высоких значений, а в последующие дни она повышалась медленнее и достигала “плато”, несмотря на продолжавшееся воздействие тепла. При акклиматизации уменьшалась также и температура кожи.

Было показано, что все эти изменения, наблюдавшиеся в искусственных условиях, происходят также в естественной среде в странах с жарким экваториальным или засушливым климатом. Главная причина улучшения системы регуляции состоит в том, что потовые железы становятся более чувствительными к тепловому раздражению, их реакция ускоряется и потоотделение усиливается. Это означает, что площадь, с которой происходит испарение, увлажняется гораздо быстрее и равномернее, а теплоотдача за счет испарения возрастает, как это и должно быть в случае, если необходимо свести к минимуму увеличение температуры тела и накопление тепла.

Весь комплекс изменений, который обеспечивает физиологическую акклиматизацию к высоким температурам, был подтвержден наблюдениями над людьми различных рас, живущими в странах с жарким климатом, - нигерийцами, китайцами, индусами, малайцами, бушменами в пустыне Калахари и южноафриканскими банту, а также над европейцами, живущими в тропиках и пустынях.

Охлаждение

Непосредственные реакции организма на охлаждение направлены к уменьшению теплоотдачи и к увеличению количества вырабатываемого организмом тепла, т. е. к сохранению гомойотермии. У человека не защищенного одеждой, в состоянии покоя при температуре воздуха 31°С происходит повышение интенсивности обмена веществ, чтобы предотвратить падение внутренней температуры тела; это и есть критическая температура. Этот уровень критической температуры характерен для тропических животных вообще. Теплоотдача снижается за счет повышения изолирующих свойств поверхности тела. Теплопроводность кожи заметно уменьшается из-за сужения сосудов, однако максимальный эффект достигается довольно быстро, так что ниже критической точки температура кожи непрерывно снижается с понижением температуры воздуха. Для жизни в холодном климате человек должен обладать добавочной теплоизоляцией, что позволяет снизить критическую температуру. Известно, что у арктических животных высокоэффективная изоляция обеспечивается толстым слоем жира и мехом. Такой степени изоляции человек может достичь, используя для защиты от холода шкуры животных или другой материал. Дополнительная изоляция в 1 clo (теплоизоляция, эквивалентная теплоизолирующему действию слоя неподвижного воздуха толщиной 0,6 см) понизит критическую температуру до 20°С, а в 2 clo - 10°С. При более низких значениях необходимо прогрессирующее повышение интенсивности теплообразования, чтобы человек мог находиться на холоде несколько часов подряд. Теплоизолирующая способность одежды из оленьего меха толщиной от 3,75 до 7,5 см, которую носят эскимосы, соответствует 7-12 clo. Этого достаточно для удовлетворения всех требований организма: во время сна необходимо 10-12 clo, а для активной деятельности при - 40°С нужно 4 clo.В жилищах эскимосов днем сохраняется температура 21°С, а ночью 10°С.

Большое значение имеет толщина подкожного жира, определяющая тот уровень, до которого падает температура кожи, подвергающейся действию холода. Люди с большими жировыми отложениями способны к более длительному пребыванию в холодной воде.

на холоде количество вырабатываемого организмом тепла увеличивается; это может происходить непроизвольно (мышечная дрожь) или потому, что с целью согреться человек намеренно работает, двигается. При дрожи вырабатывается почти втрое больше тепла, чем в состоянии покоя. Дрожь возникает вследствие уменьшения температуры кожи и последующей рефлекторной стимуляции особого центра, находящегося в гипоталамусе. Большое количество тепла вырабатывается при физической нагрузке; это количество лимитируется только функциональной приспособленностью организма и наличием пищи. Если температура окружающего воздуха соответствует точке замерзания, то для поддержания постоянной температуры тела, даже в теплой одежде, толщина которой втрое превосходит обычную, затрачивается вдвое больше энергии, чем на основной обмен. Известно, что эскимосы могут долгое время бежать за санями достаточно быстро, чтобы согреться на бегу, но вместе с тем не выбиваясь из сил; их функциональная приспособленность, измеренная обычными тестами выше, чем у канадцев европейского происхождения.

Важное значение имеет реакция рук на действие холода. Сначала происходит интенсивное сужение сосудов, за ним, примерно через 5 минут, следует их расширение; в дальнейшем эти вазомоторные реакции периодически повторяются. Такое местное расширение сосудов препятствует понижению температуры ткани и отморожениям.

Имеются четкие данные, свидетельствующие о том, что акклиматизация к холоду развивается постепенно. Было замечено, что у тех участников северных экспедиций, которые проводили большую часть времени в помещениях, отморожения появлялись при низких температурах в первые 1,5 мин, а те, кто преимущественно находился на воздухе, выдерживали до 10 мин. Привычные к холоду люди способны к более точной оценке температуры лица и ног и вовремя принимают необходимые меры, чтобы предотвратить появление отморожений. Имеются также данные, указывающие на стимуляцию процессов, связанных с поддержанием теплового равновесия. Основной обмен несколько возрастает по сравнению с его величиной в тропических условиях. У эскимосов наблюдается более заметное повышение интенсивности основного обмена (на 7-30%), чем у европейцев (8%), живущих в аналогичных условиях.