Теплопродукция и теплоотдача.

Тепловой обмен.

Высвобождающаяся в организме при биологическом окислении энергия питательных веществ превращается в тепло, которое при его накоплении в тканях ведет к повышению температуры тела. Скорость биологического окисления возрастает при увеличении тем­пературы. Чем интенсивнее протекание обменных процессов, тем больше теплообразование в организме. Но несмотря на такую вза­имозависимость обменных процессов и теплообразования самоуско­рения обмена и прироста температуры тела не происходит. Это объясняется тем, что прирост температуры тела над уровнем тем­пературы окружающей среды сопровождается увеличением отдачи тепла и, следовательно, ограничением влияния температуры на об­менные процессы.

Живые организмы подразделяют на гомойотермные (теплокровные) и пойкилотермные (холоднокровные), в зависимости от скорости об­менных процессов, способности поддерживать постоянную темпера­туру тела и уровень активности в широком диапазоне изменений температуры окружающей среды.

Гомойотермные (человек и млекопитающие) организмы характеризу­ются установленной на определенном уровне температурой тела и способностью сохранять постоянство температуры тела в пределах ± 2 °С, несмотря на изменения температуры внешней среды. Их отличает от пойкилотермных организмов, близких по массе и температуре тела, в несколько раз более высокий уровень энергетического обмена. Для теплокровных организмов характерен относительно независящий от изменений температуры окружающей среды уровень активности. Го­мойотермные (человек и животные) являются также эндотермными, так как температура их тела определяется интенсивностью теплообра­зования за счет обменных процессов, протекающих внутри организма.

Пойкилотермные (холоднокровные) организмы не способны под­держивать на постоянном, фиксированном уровне температуру тела при изменении температуры окружающей среды. Для них характерен более низкий по сравнению с теплокровными организмами уровень энергетического обмена. Интенсивность энергетических превращений и уровень активности холоднокровных организмов зависит от вели­чины температуры среды их существования.

Пойкилотермные животные обладают способностями, позволяющи­ми противодействовать сдвигам температуры тела при изменении температуры окружающей среды. Это достигается целенаправленным избеганием воздействия высоких или низких температур; выбором, если это представляется возможным, более холодной или более

480

теплой среды; принятием определенной позы. Поскольку темпера­тура тела пойкилотермных в основном зависит от температуры внешней среды, их называют эктотермными организмами.

Главным условием поддержания,постоянной температуры тела, в том числе и температуры человеческого организма, является дости­жение устойчивого баланса теплопродукции и теплоотдачи.

Теплопродукция и теплоотдача.

Суммарная теплопродукция (теплообразование) в организме состо­ит из так называемой первичной теплоты, выделяющейся в ходе постоянно протекающих во всех органах и тканях реакций обмена веществ, и вторичной теплоты, образующейся при расходовании энергии макроэргических соединений на выполнение определенной работы. Уровень теплообразования в организме зависит от величины основного обмена, "специфически динамического действия" прини­маемой пищи, мышечной активности и интенсивности метаболизма.

Метаболические процессы осуществляются с неодинаковой интен­сивностью в различных органах и тканях, и поэтому вклад в общую теплопродукцию организма отдельных органов и тканей не­равнозначен. Наибольшее количество тепла образуется в мышцах при их тоническом напряжении и сокращении. Образование тепла, наблюдающееся в мышцах при этих условиях, получило название сократительного термогенеза. Сократительный термогенез является наиболее значимым механизмом дополнительного теплообразования у взрослого человека.

У новорожденных, а также у мелких млекопитающих животных имеется механизм ускоренного теплообразования за счет возрастания общей метаболической активности в других тканях и, прежде всего, в результате высокой скорости окисления жирных кислот бурого жира. Это механизм получил название несократительного термоге­неза. Окисление жирных кислот в бурой жировой ткани осущест­вляется без значимого синтеза макроэргов и, таким образом, с мак­симально возможным образованием теплоты. Посредством механиз­мов несократительного термогенеза уровень теплопродукции у чело­века может быть увеличен примерно в три раза по сравнению с уровнем основного обмена.

Теплоотдача, различают следующие механизмы отдачи тепла ор­ганизмом в окружающую среду: излучение, теплопроведение, конвек­цию и испарение.

Излучение — это способ отдачи тепла в окружающую среду по­верхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфрак­расного диапазона (а = 5 — 20 мкм). Количество тепла, рассеивае­мого организмом в окружающую среду излучением, пропорциональ­но площади поверхности изучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излу­чения — это суммарная площадь поверхности тех частей тела, ко­торые соприкасаются с воздухом.

481

При температуре окружающей среды 20°С и относительной влаж­ности воздуха 40-60% организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40-50% всего отдаваемого тепла. Теплоотдача пу­тем излучения увеличивается при понижении температуры окружаю­щей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоян­ной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при, повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижений. Если средние температуры поверхности кожи и окру­жающей среды выравниваются (разкость температур становится рав­ной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Сни­зить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения ("сворачивания тела в клубок"). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые предметами, согревается.

Теплопроведение — способ отдачи тепла, имеющий место при кон­такте, соприкосновении тела человека с другими физическими те­лами. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контакти­рующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теп­лового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, со­держащих большое число маленьких неподвижных "пузырьков" воз­духа, дает возможность уменьшить рассеяние тепла путем теплопро­водности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание при низкой температуре в среде с высокой влажностью сопровож­дается усилением теплоиотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.

Конвекция — способ теплоотдачи организма, осуществляемый пу­тем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20°С, а относительная влажность — 40-60%, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопроведения и конвекции около 25-30% тепла. Количество отдаваемого конвекцией тепла увеличивается при увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция). Теплопроведение и конвекция, также как излучение, становятся неэффективными способами отдачи тепла при выравнивании средних температур поверхности тела и окру­жающей среды.

Теплоотдача путем испарения — это способ рассеяния организ­мом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых дыха­тельных путей. У человека постоянно осуществляется выделение пота

482

потовыми железами кожи, увлажняются слизистые дыхательных пу­тей. При температуре внешней среды около 20°С, испарение влаги составляет около 36 г/ч. Учитывая, что на испарение 1 г воды затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих усло­виях в окружающую среду около 20% всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают по­тоотделение, и оно может возрасти до 500-2000 г/ч.

Если внешняя температура превышает среднее значение темпера­туры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих ус­ловиях начинает поглощать тепло извне и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100%. При интенсивном пото­отделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капельки пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.