Регуляция температуры тела человека

Механизмы регуляции температуры тела изучаются в курсе нормальной физиологии для студентов медицинских вузов. Здесь будет дана краткая характеристика основным элементам терморегуляторной цепи.

Два типа рецепторов воспринимают изменение температуры тела – периферические и центральные. Центральные рецепторы располагаются в гипоталамусе и чувствительны к малейшим изменениям (до 0,01 °С) температуры крови, омывающей головной мозг. Периферические терморецепторы распределены по всей поверхности кожи, и они контролируют температуру окружающей среды. Афферентные сигналы от периферических рецепторов поступают в гипоталамус и в кору головного мозга, обеспечивая, в том числе, сознательное восприятие температуры.

Обработка температурной информации осуществляется преимущественно в гипоталамусе. Именно гипоталамус является тем органом, который подобно термостату, управляет инструментами продукции, отведения и сохранения тепла в ответ на изменения приходящих в него сигналов от терморецепторов. Эта работа включает в себя участие симпатической нервной системы, и поэтому она не требует сознательного контроля. Реакциями, обусловленными вегетативной нервной системой, являются изменение тонуса сосудов, выделение пота и несократительный термогенез.

Сократительный термогенез и поведенческие реакции, включая произвольную мышечную деятельность, находятся под управлением соматической нервной системы. Центральный дрожательный путь связывает гипоталамус с ядрами двигательной системы, расположенными в среднем и продолговатом мозге. Формы терморегуляторного поведения, например, утепление или облегчение одежды, обмахивание веером, выполнение физической работы, становятся возможными благодаря системе произвольных движений, находящейся под контролем коры головного мозга.

В условиях долгосрочной адаптации к температурному стрессу включаются процессы гормональной регуляции.

Далее более подробно описаны ответные реакции организма на холодовой и тепловой стресс.

Холодовой стресс

Понижение кожной температуры или температуры крови влечет за собой активацию гипоталамусом механизмов, сохраняющих тепло и увеличивающих его образование. К таким механизмам относятся сосудистые реакции, несократительный термогенез, и непроизвольная мышечная активность. Произвольная мышечная активность обусловлена осознанной деятельностью человека.

Сосудистые реакции.Стимуляция холодовых рецепторов кожи вызывает ответное сокращение гладкой мускулатуры кровеносных сосудов. Это значительно уменьшает поток теплой крови через поверхностные ткани тела и перенаправляет его обратно к центральным органам. В термонейтральных условиях кожный кровоток составляет в среднем 250 мл/мин, тогда как в условиях сильного холодового стресса может сократиться почти до нуля. Температура кожи снижается вслед за понижением температуры окружающего воздуха, что усиливает изолирующие свойства кожи, подкожного жира и мышц. Благодаря этому механизму сохранения тепла люди с избытком подкожного жира способны лучше переносить холод.

Гормоны и несократительный термогенез.Два «калоригенных» гормона мозгового вещества надпочечников, адреналин и норадреналин, повышают интенсивность метаболизма и стимулируют продукцию метаболического тепла. Длительный холодовой стресс стимулирует также выработку тироксина, гормона щитовидной железы, увеличивающего базовый метаболизм. Повышение теплопродукции за счет повышения клеточного метаболизма в ответ на охлаждение организма называется несократительным термогенезом.

Мышечная активность.Как было описано выше, наибольшее количество тепла в организме взрослого человека образуется при тоническом сокращении и расслаблении скелетных мышц. Образование тепла в работающих мышцах называется сократительным термогенезом. Неконтролируемые сокращения мышц – дрожь – способны увеличить образование тепла в состоянии покоя в 4­­­–5 раз. Однако наиболее весомый вклад в повышение интенсивности теплопродукции вносит активная мышечная деятельность. Она играет основную роль в защите организма от переохлаждения. Мощность процесса сократительного термогенеза высока настолько, что человек, выполняющий интенсивную физическую работу, способен поддерживать постоянную температуру тела при температуре воздуха до –30 °С без необходимости надевать специальную утепленную одежду.

Изучая реальные истории выживания людей, оказавшихся в условиях пониженной температуры окружающей среды, можно убедиться, что воля к жизни, борьба за существование и активные движения помогают человеку пережить экстремальную ситуацию. У человека, прекратившего борьбу и движения, снижается теплопродукция, он в конечном итоге замерзает и погибает.

Тепловой стресс

Образование тепла положительно влияет при выполнении физической нагрузки в условиях пониженной температуры окружающей среды, способствуя поддержанию нормальной температуры тела. В то же время при выполнении физической нагрузки в термально нейтральных условиях окружающей среды, например, при 21—26°С, метаболическая тепловая нагрузка оказывается тяжелым бременем для механизмов, регулирующих температуру тела. Мы рассмотрим некоторые физиологические изменения, обусловленные выполнением физической нагрузки в сочетании с тепловым стрессом, а также их влияние на мышечную деятельность. В данном случае под тепловым стрессом подразумевается любое условие окружающей среды, вызывающее повышение температуры тела и нарушение гомеостаза.

Реакции сердечно-сосудистой системы. Физическая нагрузка повышает требования, предъявляемые к сердечно-сосудистой системе. Когда добавляется необходимость регулировать температуру тела при выполнении физической нагрузки в условиях повышенной температуры окружающей среды, деятельность сердечно-сосудистой системы становится более интенсивной. Система кровообращения транспортирует тепло, образующееся в мышцах, к поверхности кожи, откуда она передается во внешнюю среду. Чтобы это осуществить во время физической нагрузки, выполняемой в условиях повышенной температуры окружающей среды, большая часть сердечного выброса разделяется между кожей и работающими мышцами. Ввиду ограниченного объема крови физическая нагрузка ставит весьма сложную задачу: увеличение кровоснабжения одного из этих участков, автоматически снижает кровоток в других участках.

Рассмотрим, что происходит с человеком, бегущим в быстром темпе в жаркий день. Физическая нагрузка повышает потребность мышц в крови и кислороде. Кроме того, она усиливает процесс метаболического образования тепла. Чтобы рассеять этот избыток тепла, организм должен увеличить кровоснабжение кожи, чтобы кровь перенесла тепло из ядра тела к поверхности кожи. Однако организм не может обеспечить достаточное кровоснабжение кожи, если он полностью удовлетворит потребности мышц. Потребности мышц в дополнительном объеме крови ограничивают возможности расширенных кожных сосудов.

В это же время терморегуляторный центр «инструктирует» сердечно-сосудистую систему о необходимости направить больше крови к коже. Поверхностные кровеносные сосуды расширяются, чтобы перенести больше теплой крови к поверхности кожи. Это ограничивает количество крови, поступающей к активным мышцам, и, следовательно, лимитирует их выносливость. Таким образом, идет настоящая борьба за дополнительное кровоснабжение.

Сохранение постоянного сердечного выброса при перераспределении крови на периферию осуществляется за счет ряда значительных приспособительных реакций сердечно-сосудистой системы. Перераспределение крови ведет к уменьшению объема циркулирующей крови, возвращающейся в сердце, что снижает конечный диастолический объем. Это, в свою очередь, уменьшает систолический объем. Сердечный выброс остается постоянным в течение 27 мин выполнения физической нагрузки при высокой (36°С) и средней (20°С) температуре окружающей среды, несмотря на постоянное уменьшение систолического объема. Это уменьшение в процессе выполнения физической нагрузки компенсируется постепенным увеличением ЧСС. Это так называемый сердечно-сосудистый сдвиг.

В определенный момент организм больше не способен компенсировать повышенные требования, предъявляемые физической нагрузкой: ни мышцы, ни кожа не получают адекватное количество крови. Таким образом, любой фактор, перегружающий сердечно-сосудистую систему или вмешивающийся в процесс рассеивания тепла, может оказать значительное отрицательное воздействие на мышечную деятельность и увеличить вероятность перегрева тела. Поэтому неудивительно, что лучшие результаты в циклических видах спорта демонстрируются при невысокой температуре окружающей среды. Например, рекорды в беге на длинные дистанции крайне редко устанавливаются при выраженной тепловой нагрузке.

Потоотделение.В определенных условиях температура окружающей среды может достигнуть и превысить температуру кожи и ядра тела. Как уже указывалось, в этом случае основным процессом теплоотдачи является испарение, поскольку радиация, проведение и конвекция могут привести к повышению температуры тела в экстремальных температурных условиях. Увеличенная зависимость от испарения означает повышенную потребность в образовании пота.

Деятельность потовых желез регулируется гипоталамусом. При повышенной температуре крови гипоталамус посылает импульсы через нервные волокна симпатической нервной системы миллионам потовых желез, расположенных по всей поверхности тела. Потовые железы представляют собой трубчатые структуры, простирающиеся по дерме и эпидермису и открывающиеся в кожу.

Пот образуется в результате фильтрации плазмы. Когда фильтрат проходит через проток железы, ионы натрия и хлора постепенно реабсорбируются в окружающие ткани и затем в кровь. При незначительном потении фильтрат пота медленно проходит через трубочки, обеспечивая практически полную реабсорбцию натрия и хлорида. Поэтому в таком поте содержится очень небольшое количество этих элементов, когда он достигает кожи. Однако с увеличением интенсивности потения при выполнении физической нагрузки фильтрат продвигается по трубочкам значительно быстрее, сокращая время реабсорбции. Вследствие этого содержание натрия и хлорида в поте может значительно увеличиться.

Cодержание макроэлементов в поте у тренированных и нетренированных испытуемых значительно отличается. В результате тренировок в условиях тепловых нагрузок альдостерон интенсивно стимулирует потовые железы, вынуждая их реабсорбировать значительно больше натрия и хлорида. К сожалению, потовые железы не имеют подобного механизма сохранения других электролитов. Одинаковые концентрации кальция, магния и калия, например, содержатся как в поте, так и в плазме.

Интенсивность потения при выполнении изнурительного упражнения в условиях высокой температуры окружающей среды может достигать более 1 л в час с 1 м² поверхности тела. Это означает, что в жаркий и влажный день (высокий уровень тепловой нагрузки) при интенсивной физической нагрузке средний человек (с массой тела 50—75 кг) может терять 1,5—2,5 л пота или около 2 4 % массы тела каждый час. В таких условиях человек за несколько часов может потерять критическое количество воды с потом.

Высокая интенсивность потоотделения уменьшает объем крови. Это ограничивает объем крови, необходимой для работы мышц и предотвращения аккумуляции тепла, что, в свою очередь, отрицательно влияет на мышечную деятельность, особенно в видах спорта, требующих проявления выносливости. У бегунов на длинные дистанции потери воды с потом составляют 6—10 % массы тела. Такое интенсивное обезвоживание ограничивает последующее потоотделение и повышает восприимчивость человека к заболеваниям, обусловленным тепловой нагрузкой.

Потери микроэлементов и воды с потом стимулируют выделение альдостерона и антидиуретического гормона (АДГ). Первый обеспечивает поддержание оптимального количества натрия, а второй поддерживает водный баланс. Альдостерон выделяется из коры надпочечников в ответ на пониженное содержание натрия в крови, уменьшенный циркулирующий объем крови или пониженное давление крови. При кратковременной нагрузке в условиях высокой температуры окружающей среды, а также при повторяющихся нагрузках в течение нескольких дней этот гормон ограничивает выделение натрия из почек. В организме задерживается больше натрия, что, в свою очередь, способствует задержке воды. Вследствие этого объем плазмы и интерстициальной жидкости может увеличиться на 10—20 %. Это позволяет организму задерживать воду и натрий перед пребыванием в условиях высокой температуры окружающей среды, а также для обеспечения последующего потоотделения.

Физические нагрузки и потери воды стимулируют выделение АДГ из задней доли гипофиза. Этот гормон стимулирует реабсорбцию воды из почек, что способствует ее задержанию в организме. Таким образом, организм пытается компенсировать потери микроэлементов и воды в периоды тепловой нагрузки и значительного потоотделения сокращением их потерь с мочой.