Терморегуляция организма

Одним из необходимых условий нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение нормальных метеорологических условий в помещениях, оказывающих большое влияние на тепловое самочувствие человека. Метеорологические условия, или микроклимат, зависят от теплофизических особенностей технологического процесса, местного климата, сезона года, условий отопления (в холодный период года) и вентиляции в помещениях.

Трудовая деятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Её количество зависит от степени физического напряжения в определённых климатических условиях и составляет от 85 Вт (в состоянии покоя) до 500 Вт (при тяжёлой работе). Для того, чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву, либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере работоспособности, быстрой утомляемости, потере сознания, к несчастным случаям и профзаболеваниям.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделения человека Qтч полностью воспринимаются окружающей средой Qтс, т.е. когда имеет место тепловом баланс Qтч = Qтс, то в этом случае температура внутренних органов остаётся постоянной 36, 5 ˚C.

Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qтч>Qтс), происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция человека (например, в тёплой и плотной одежде), находящегося в состоянии покоя (сидя или лёжа) от окружающей среды, приведёт к повышению его температуры уже через 1 час на 1,2˚C. А то же самое при выполнении работы средней тяжести, вызовет повышение температуры на 5 ˚C, т.е. приблизится к критической (+43˚C) температуре.

В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем её вырабатывает человек (Qтч<Qтс), происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Терморегуляция организма - физиологический процесс поддержания температуры тела в границах от 36,6 до 37,2°С. Основной путь поддержания равновесия - теплоотдача.

Теплоотдача идёт следующими путями:

1. Излучение тепла (Q изл)телом человека по отношению к окружающим поверхностям, имеющим меньшую температуру. Это основной путь отдачи тепла в производственных условиях. Излучением отдают тепло все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля - 273°С. Человек отдаёт тепло, когда температура окружающих его предметов ниже температуры наружных слоёв одежды (27 - 28°С) или открытой кожи.

2. Проведение(Q п)- отдача тепла предметам, непосредственно соприкасающемся с телом человека.

3. Конвекция(Q к)- передача тепла через воздушную среду. Человек нагревает вокруг себя слой воздуха толщиной 4 - 8 мм путём проведения тепла. Нагрев более отдалённых слоёв идёт за счёт естественного и принудительного замещения прилегающих к телу более тёплых слоёв воздуха более холодными. При подвижном воздухе теплоотдача увеличивается в несколько раз.

4. Испарение воды с поверхности кожи и слизистой оболочки верхних дыхательных путей(Q ис.)- основной путь отдачи тепла при повышенной температуре воздуха, особенно, когда затрудняется или прекращается отдача излучением или конвекцией. В обычных условиях испарение идет в результате неощутимого потоотделения на большей части поверхности тела в результате диффузии воды без активного участия потовых желёз. В целом организм теряет 0,6 л воды в сутки. При выполнении физической работы в условиях повышенной температуры воздуха идёт повышенное потоотделение, при котором количество теряемой жидкости 10 - 12 л за смену. Если пот не успел испариться, он покрывает кожу влажным слоем, что не способствует отдаче тепла, и создаются условия для перегрева организма. В этом случае идёт потеря воды и солей. Это приводит к обезвоживанию организма, потере минеральных солей и водо-растворимых витаминов (С, В1, В2). Такие потери влаги приводят к сгущению крови, нарушению солевого обмена.

При тяжёлой работе в условиях повышенной температуры воздуха теряется 30 - 40 г соли NaCl (всего в организме 140 г NaCl). Дальнейшая потеря солей вызывает мышечные спазмы, судороги.

5. Тепловое (инфракрасное) излучение.В условиях производства может присутствовать тепловое (инфракрасное) излучение - невидимое электромагнитное излучение. Источник - любое нагретое тело.

В зависимости от длины волны оно делится на коротковолновое, средневолновое, длинноволновое. Проходя через воздух эти лучи его не нагревают, но, поглотившись твёрдым телом, лучистая энергия переходит в тепловую.

Особенности действия лучистого тепла зависят от длины волны инфракрасного излучения. Длинные волны (1,4 - 10 мкм) поглощаются слоем кожи, вызывая калящий эффект. Короткие волны проникают глубоко внутрь организма, нагревая внутренние органы, мозг, кровь. Длительное воздействие повышенной температуры в сочетании с большой влажностью может привести к перегреванию организма. При этом у человека возникает головная боль, тошнота, сердцебиение, общая слабость, рвота, потоотделение, частое дыхание, тахикардия. При работе на воздухе, в результате облучения головы инфракрасными лучами коротковолнового диапазона, происходит тяжелое поражение мозговой ткани вплоть до выраженного менингита и энцефалита. В тяжелых случаях наблюдаются судороги, бред, потеря сознания. При этом температура тела остается нормальной или повышается незначительно.

Нормальный теплообмен (т.е. тепловой комфорт) образуется тогда, когда

Q тч=Q к + Q т + Q изл + Q исп + Q в = Q тс

При значительном превышении теплопродукции организма человека (Qтч»Qтс) возникает перегрев (гипертермия), угрожающая жизни и здоровью человека; при значительном уменьшении теплопродукции организма по сравнению с поглотительными возможностями среды, возникает переохлаждение (гипотермия), опасное для здоровья и жизни человека.

В условиях теплового гомеостаза баланс тепла в организме гомойотермов описывается выражением:

ΔQ = M - E ± C ± R ± K ± W = 0

где ΔQ - изменения теплосодержания; М - продукция тепла, а остальные члены уравнения - отдача тепла организмом во внешнюю среду различными путями. В условиях температурного комфорта ΔQ = 0.

Здесь сразу же необходимо оговорить то существенное современное понимание гомеостаза, в соответствии с которым любой его вид, в том числе и тепловой гомеостаз, выражается не в жесткой фиксации тех или иных показателей на определенном уровне, а скорее в их колебании вокруг среднего значения. Это принципиальное соображение, по крайней мере для человека, подтверждается еще и фактически - феноменом крайней нестабильности теплового обмена тела человека.

О. Бартон и А. Эдхолм (1957) указывают, что даже при кратковременных исследованиях в специальных климатических камерах со строгим контролем метеорологических условий и состояния исследуемых термостабильное состояние не достигается на протяжении нескольких часов. Выражение 1 есть полное уравнение теплового баланса, но эволюционно - биологическое значение его составляющих далеко не одинаково. Так, продукция тепла в организме (М) генетически не обусловлена тепловым обменом, а является следствием коренных процессов, характеризующих жизнедеятельность. Живой организм характеризуется непрерывным обменом веществ и энергии, который происходит в соответствии с известным уравнением термодинамики:

где ΔН - изменение энтальпии - меры общего запаса химически превращаемой энергии; ΔZ - изменение термодинамического потенциала или свободной энергии - части энтальпии системы, которая может быть с пользой использована для совершения работы; ΔS - изменения энтропии (термодинамической) для данных условий - меры неопределенности системы, зависящей от действия межмолекулярных сил и теплового движения и измеряемой величиной рассеяния потенциальной энергии химических веществ в виде тепла; Т - °К (градусы Кельвина).

Источником теплопродукции (М), таким образом, служат процессы обмена веществ и энергии, непрерывно совершающиеся в организме. В ходе расщепления энергетических материалов энергия, кумулируемая в макроэргических соединениях, может рассеиваться в виде тепла ("первичная теплота"), либо превращаться в те или иные виды работы, в конечном счете также переходящие в тепловую энергию. Однако основное тепло организм получает в результате осуществления тех или иных видов работы (70% теплопродукции), в то время как теплорассеяние составляет лишь 30%.

Таблица 3. 1. Потребление кислорода различными органами взрослого человека массой 63 кг (Bord Р., 1961)

Для проблемы регуляции теплового обмена существенный интерес представляют источники продукции тепла в покое и при мышечной работе. Образование тепла неразрывно связано с энергетическим обменом. В условиях нормальной жизнедятельности в покое о величине теплопродукции можно судить по интенсивности окислительных процессов (потреблению кислорода). Соответствующие данные приведены в табл. 3.1

В покое наиболее высокий вклад в теплопродукцию (58,8%) обеспечивается печенью, мозгом и скелетными мышцами. При этом в первых двух органах высоки и относительные показатели энергетического обмена (артериовенозная разница по кислороду и его относительное потребление органом); в то же время интенсивность обмена в покоящихся мышцах невелика и валовое значение их теплопродукции определяется просто значительной массой мышечпой ткани.

Структура энергозатрат в тканях (Иванов К. П., 1972) показывает, что из 1600 ккал/сут (в условиях основного обмена) около 900 ккал улавливается в форме макроэргических связей АТФ, 215 ккал идет на поддержание неравновесных ионных концентраций по обе стороны клеточных мембран, 415 ккал обеспечивает процессы обновления белков, липидов и полисахаридов, и лишь 270 ккал затрачивается на сокращение сердечной мышцы и дыхательных мышц. Вместе с тем все эти процессы характеризуются низкими величинами КПД, например синтез белка имеет КПД 10-13%, транспорт ионов - 20%, синтез АТФ - 50% и т. д. Таким образом, происходит накопление "первичного" и "вторичного" тепла.

При совершении мышечной работы энергетический обмен в мышцах резко возрастает, о чем можно судить и по такому косвенному показателю, как величина минутного объема крови, протекающей через мышцы в покое и при их сокращении: в первом случае она равна 840 мл/мин, а во втором - 12 500 мл/мин, что указывает на повышение потребления кислорода мышцами по крайней мере в 5 раз. Таким образом, увеличение теплопродукции при мышечной работе обусловлено повышенным образованием тепла в первую очередь в ткани скелетных мышц. Однако следует учитывать еще и адекватное возрастание энергетических процессов (и теплопродукции) в органах, обеспечивающих мышечную работу - в головном и спинном мозге, сердце, дыхательных мышцах, в печени и других органах.

В условиях термического комфорта важнейшее значение в термогенезе имеют произвольные мышечные движения, потому что именно к ним, как гениально заметил И. М. Сеченов (1863), сводится "все бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности". Измерения энерготрат при "обыденных" двигательных актах человека показывают их различную (иногда и значительную) термогенетическую стоимость (Кандрор И. С., 1968).

В зависимости от поведения человека даже на протяжении нескольких часов сдвиги теплопродукции могут носить характер быстрых и значительных пиков.

Параметры микроклимата регламентируются с учётом тяжести физического труда и времени года.

Изменение параметров микроклимата вызывает изменение соотношения величин теплопродукции Q. Так, при нормальных условиях во время лёгкой физической работы доля Qк+ Qтсоставляет около 30 % всей теплоотдачи, Qизл около 45 %, Qисп=20 % и Qв=5 %.

Чем выше температура окружающих предметов, тем меньше теплоотдача излучением. При повышении температуры окружающего воздуха до температуры тела человека и выше, эффективность теплоотдачи теплопроводностью Qт, конвекциейQ ки излучением Qизл уменьшается и решающее значение приобретает отвод тепла путём испарения влаги (пота) с поверхности тела Qисп. Но интенсивность испарения влаги с поверхности тела человека зависит от относительной влажности Wи скорости движения окружающего воздухаV.

При Wболее 75 % процесс испарения влаги резко замедляется, а при W=100 % прекращается полностью. Вместе с этим замедляется, а затем и прекращается теплоотдача Qисп. При повышении влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова. Возникает так называемое «проливное» потоотделение, изнуряющее организм и не создаёт необходимую теплоотдачу. Происходит обезвоживание организма, которое влечёт за собой нарушение остроты зрения и умственной деятельности. Потеря влаги на 15-20% приводит к смертельному исходу.

Недостаточная влажность (<20%) также оказывает неблагоприятное воздействие на организм, вследствие интенсивного испарения влаги со слизистых оболочек, их пересыхания, растрескивания и кровотечения.

Увеличение скорости воздуха υ всегда приводит к увеличению теплоотдачи в окружающую среду.

При лёгкой работе разрешается более высокая температура и меньшая скорость движения воздуха.

В тёплый период года (при температуре вне помещения +10°С и выше) температура в производственном помещении должна быть не более +28°С при лёгкой работе и не более +26°С при тяжёлой работе. Если вне помещения температура более +25°С, то в помещении допускается повышение температуры до +33°С.

Согласно ДСН 3.3.6 042-99 «Санитарные нормы микроклимата производственных помещений», по степени влияния на тепловое состояние организма человека, микроклиматические условия подразделяются на оптимальные и допустимые. Для рабочей зоны производственных помещений устанавливаются оптимальные и допустимые микроклиматические условия с учетом тяжести выполняемой работы и периода года (табл.3.2).

Оптимальные микроклиматические условия - это такие условия микроклимата, которые при длительном и систематическом влиянии на человека обеспечивают сохранение теплового состояния организма без активной работы терморегуляции. Они сохраняют обеспечение самочувствие теплового комфорта и создание высокого уровня производительности труда (табл. 3.2.).

Допустимые микроклиматические условия, которые при длительном и систематическом влиянии на человека могут вызвать изменения теплового состояния организма, но нормализуются и сопровождаются напряженной работой механизмов терморегуляции в границах физиологической адаптации (табл. 3.2.). При этом не возникает нарушений или ухудшения состояния здоровья, но наблюдается дискомфортное тепловосприятие, ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.

Условия микроклимата, выходящие за допустимые границы называются критическими и ведут, как правило, к серьезным нарушениям в состоянии организма человека.

Оптимальные условия микроклимата создаются для постоянных рабочих мест.

Таблица 3. 2