Как происходит регуляция температуры тела?

Регуляция температуры тела является сложным многоуровневым процессом, имеющим строгую иерархию. Основным регулятором температуры тела является гипоталамус. Данный отдел мозга получает информацию от терморецепторов всего организма, производит ее оценку и отдает органам-посредникам указания к действию для осуществления того или иного изменения. Средний, продолговатый и спинной мозг осуществляют второстепенное управление терморегуляцией. Существует множество механизмов, посредством которых гипоталамус вызывает необходимый эффект. Основные из них будут описаны ниже.

Помимо терморегуляции гипоталамус выполняет множество других, не менее важных функций человеческого организма. Однако для понимания причин гипотермии в дальнейшем особое внимание будет уделяться только его терморегуляторной функции. Для наглядного объяснения механизмов регуляции температуры тела необходимо проследить путь развития ответа организма на действие низкий температур, начиная с возбуждения холодовых рецепторов.

Рецепторы

Информация о низкой температуре окружающей среды воспринимается специальными холодовыми рецепторами. Существует два вида холодовых рецепторов - периферические (расположенные по всему телу) и центральные (расположенные в гипоталамусе).

Периферические рецепторы
В толще кожи находятся приблизительно 250 тысяч рецепторов. Приблизительно столько же рецепторов находятся и в остальных тканях организма - в печени, желчном пузыре, почках, кровеносных сосудах, плевре и др. Кожные рецепторы наиболее плотно располагаются на лице. При помощи периферических терморецепторов собирается информация о температуре среды, в которой они располагаются, а также предотвращается сдвиг температуры «ядра» тела.

Центральные рецепторы
Центральных рецепторов значительно меньше - порядка нескольких тысяч. Они располагаются исключительно в гипоталамусе и ответственны за измерение температуры притекающей к нему крови. При активации центральных рецепторов запускаются более интенсивные реакции теплообразования, чем при активации периферических рецепторов.

Как центральные, так и периферические рецепторы реагируют на изменение температуры среды в диапазоне от 10 до 41 градуса. При температуре, выходящей за данные лимиты, рецепторы блокируются и перестают функционировать. Температура среды равная 52 градусам приводит к разрушению рецепторов. Передача информации от рецепторов к гипоталамусу осуществляется по нервным волокнам. При снижении температуры среды возрастает частота посылаемых мозгу импульсов, а при повышении температуры – снижается.

 

Гипоталамус

Гипоталамус является относительно небольшим отделом головного мозга, но выполняющим исключительно важную роль в регуляции постоянства внутренней среды организма. Относительно его терморегуляторной функции следует сказать, что он условно разделяется на два отдела - передний и задний. Передний отдел гипоталамуса ответственен за активацию механизмов теплоотдачи, а задний – за активацию механизмов теплообразования. В гипоталамусе также существует специальная группа нервных клеток, которая суммирует все полученные сигналы терморецепторов и вычисляет силу необходимого воздействия на системы организма для поддержания необходимой температуры тела.

При переохлаждении гипоталамус активизирует реакции теплообразования и приостанавливает процессы теплопотери посредством следующих ниже механизмов.

 

Механизмы теплообразования

Теплообразование, в масштабах всего организма, подчиняется единому правилу - чем выше темпы обмена веществ в любом органе, тем больше тепла он производит. Соответственно, в целях увеличения теплообразования гипоталамус ускоряет работу всех органов и тканей. Так, работающая мышца разогревается на 2 – 2,5 градуса, околоушная железа - на 0,8 – 1 градус, а активно работающие зоны головного мозга - на 0,3 – 0,5 градуса. Ускорение обменных процессов осуществляется посредством воздействия на вегетативную нервную систему.

Различают следующие механизмы теплообразования:

 

• усиление работы мышц;
• увеличение основного обмена;
• специфическое динамическое действие пищи;
• ускорение печеночного метаболизма;
• увеличение частоты сердечных сокращений;
• увеличение объема циркулирующей крови;
• ускорение функционирования других органов и структур.

Усиление работы мышц
В состоянии покоя поперечнополосатые мышцы в среднем производят 800 – 1000 ккал в сутки, что составляет 65 – 70% тепла, вырабатываемого организмом. Реакцией организма на холод является дрожь или озноб, при котором мышцы непроизвольно сокращаются с высокой частотой и низкой амплитудой. Дрожь увеличивает теплообразование на 200%. Ходьба увеличивает теплообразование на 50 – 80%, а тяжелая физическая работа – на 400 – 500%.

Увеличение основного обмена
Основной обмен является величиной, соответствующей средней скорости протекания всех химических реакций организма. Реакцией организма на гипотермию служит увеличение основного обмена. Основной обмен не является синонимом обмена веществ, поскольку термин «обмен веществ» характерен для какой-то одной структуры или системы. При некоторых заболеваниях скорость основного обмена может снижаться, что в итоге приводит к снижению комфортной температуры тела. Темпы теплообразования у таких пациентов значительно ниже, чем у остальных людей, что делает их более подверженными переохлаждению.

Специфическое динамическое действие пищи
Употребление пищи и ее переваривание требуют от организма выделения некоторого дополнительного количества энергии. Ее часть преобразуется в тепловую энергию и включается в общий процесс теплообразования, хотя и незначительно.

Ускорение печеночного метаболизма
Печень сравнивается с химической фабрикой организма. В ней ежесекундно происходят тысячи реакций, сопровождающиеся выделением тепла. По этой причине печень является самым «горячим» внутренним органом. В сутки печенью производится в среднем 350 – 500 ккал тепла.

Увеличение частоты сердечных сокращений
Являясь мышечным органом, сердце, как и остальные мышцы тела, при работе выделяет тепло. В сутки оно производит 70 – 90 ккал тепла. При переохлаждении частота сердечных сокращений увеличивается, что сопровождается увеличением количества тепла, производимого сердцем до 130 – 150 ккал в сутки.

Увеличение объема циркулирующей крови
В человеческом организме циркулирует от 4 до 7 литров крови, в зависимости от массы тела. 65 – 70% крови постоянно находятся в движении, а оставшиеся 30 – 35% в, так называемых, депо крови (незадействованный резерв крови, необходимый в экстренных ситуациях, таких как тяжелая физическая работа, недостаток кислорода в воздухе, кровотечение и т.д.). Основными депо крови являются вены, селезенка, печень, кожа и легкие. При переохлаждении, как указано выше, увеличивается основной обмен. Увеличение основного обмена нуждается в большем количества кислорода и питательных веществ. Поскольку кровь является их переносчиком, то ее количество должно увеличиться соразмерно увеличению основного обмена. Таким образом, кровь из депо попадает в кровеносное русло, увеличивая его объем.

Ускорение функционирования других органов и структур
Почки производят в сутки 70 ккал тепла, головной мозг – 30 ккал. Дыхательные мышцы диафрагмы, работающие непрерывно, снабжают тело дополнительными 150 ккал тепла. При гипотермии частота дыхательных движений увеличивается от полутора до двух раз. Подобное увеличение приведет к росту количества выделенной дыхательными мышцами тепловой энергии до 250 – 300 ккал в сутки.

 

Механизмы теплопотери

В условиях низких температур приспособительной реакцией организма является максимальное уменьшение объемов теплопотери. Для осуществления этой задачи гипоталамус, как и в предыдущем случае, действует посредством влияния на вегетативную нервную систему.

Механизмы снижения теплопотери:

 

• централизация кровообращения;
• увеличение подкожно-жировой клетчатки;
• уменьшение открытой площади тела;
• уменьшение теплопотери испарением;
• реакция кожных мышц.

Централизация кровообращения
Тело условно разделено на «ядро» и «оболочку». «Ядром» тела являются все органы и сосуды брюшной полости. Температура ядра практически не изменяется, поскольку поддержание ее постоянства необходимо для корректной работы жизненно важных органов. «Оболочкой» называют ткани конечностей и всю покрывающую тело кожу. Проходя через «оболочку», кровь остывает, отдавая энергию тканям, через которые протекает. Чем дальше от «ядра» находится часть тела, тем она холоднее. Темпы теплопотери напрямую зависят от количества крови, проходящей через «оболочку». Соответственно, при гипотермии для уменьшения потери тепла организм уменьшает приток крови к «оболочке», направляя ее циркулировать только по «ядру». Например, при температуре 15 градусов, кровоток кисти уменьшается в 6 раз.

При дальнейшем охлаждении периферической ткани кровоток в ней может остановиться совсем, из-за спазма кровеносных сосудов. Данный рефлекс, безусловно, является выигрышным для организма в целом, так как направлен на сохранение жизни. Однако для частей тела, лишенных необходимого кровоснабжения, он отрицателен, поскольку при длительном спазме сосудов в совокупности с низкой температурой может наступить обморожение.

Увеличение подкожно-жировой клетчатки
При длительном пребывании в холодном климате человеческий организм перестраивается таким образом, чтобы уменьшить потерю тепла. Общая масса жировой ткани возрастает и перераспределяется по телу более равномерно. Основная ее часть откладывается под кожей, образуя слой толщиной 1,5 – 2 см. Меньшая часть распределяется по всему организму и оседает между мышечными фасциями в большом и малом сальниках и т.д. Суть этой перестановки заключается в том, что жировая ткань плохо проводит тепло, обеспечивая его сохранение внутри организма. Помимо этого жировая ткань не требует столь высоких затрат кислорода. Это обеспечивает ей преимущество перед другими тканями в условиях недостаточности кислорода из-за длительного спазма питающих ее сосудов.

Уменьшение открытой площади тела
Темпы потери тепла зависят от разницы температур и площади соприкосновения тела со средой. Если повлиять на разницу температур не представляется возможным, то изменить площадь соприкосновения можно, приняв более закрытую позу. Например, в холоде животные сворачиваются в клубок, уменьшая площадь контакта со средой, а в жаркую погоду – напротив, стремятся ее увеличить, максимально распрямляясь. Так же и человек, засыпая в холодном помещении, подсознательно притягивает колени к груди, принимая более экономную с точки зрения затрат энергии позу.

Уменьшение теплопотери испарением
Организм теряет тепло при испарении воды с поверхности кожи или слизистых. Учеными подсчитано, что испарение 1 мл воды с тела человека приводит к потере 0,58 ккал тепла. В сутки посредством испарения взрослый человек при обычной физической нагрузке теряет в среднем 1400 – 1800 мл влаги. Из них 400 – 500 мл испаряется через дыхательные пути, 700 – 800 мл посредством перспирации (неощутимое просачивание) и 300 – 500 мл - через пот. В условиях переохлаждения потообразование прекращается, дыхание урежается и парообразование в легких уменьшается. Таким образом, потеря тепла снижается на 10 – 15%.

Реакция кожных мышц (гусиная кожа)
В природе данный механизм встречается очень часто и заключается в напряжении мышц, поднимающих волосяные фолликулы. В результате подшерсток и ячеистость шерсти увеличиваются, а слой теплого воздуха вокруг тела утолщается. Это приводит к улучшенной термоизоляции, так как воздух является плохим проводником тепла. У человека в ходе эволюции эта реакция сохранилась в рудиментарном виде и не имеет практической ценности.

Причины переохлаждения

Факторы, влияющие на вероятность гипотермии:

 

• погодные условия;
• качество одежды и обуви;
• заболевания и патологические состояния организма.

Погодные условия

Параметрами, влияющими на скорость потери тепла организмом, являются:

 

• температура окружающей среды;
• влажность воздуха;
• сила ветра.

Температура окружающей среды
Температура окружающей среды является наиболее значимым фактором переохлаждения. В физике в разделе термодинамики существует закономерность, описывающая темпы падения температуры тела в зависимости от температуры среды. В сущности, она сводится к тому, что чем больше разница температур между телом и окружающей средой, тем интенсивнее происходит теплообмен. В контексте переохлаждения данное правило будет звучать так: скорость потери тепла организмом будет увеличиваться по мере уменьшения температуры окружающей среды. Однако вышеуказанное правило будет работать только в случае, если человек находится на морозе без одежды. Одежда многократно снижает потерю тепла организмом.

Влажность воздуха
Атмосферная влажность влияет на темпы теплопотери следующим образом. По мере увеличения влажности увеличиваются темпы теплопотери. Механизм данной закономерности заключается в том, что при высокой влажности на всех поверхностях образуется незаметный глазу слой воды. Скорость теплопотери в воде в 14 раз выше, чем в воздухе. Таким образом, вода, являясь более хорошим проводником тепла, чем сухой воздух, быстрее произведет передачу тепла организма окружающей среде.

Сила ветра
Ветер является ничем иным как однонаправленным движением воздуха. В безветренной среде вокруг тела человека образуется тонкий слой нагретого и относительно неподвижного воздуха. В таких условиях организм тратит минимум энергии на поддержание постоянной температуры данной воздушной оболочки. В условиях ветра воздух, едва нагревшись, отдаляется от кожи и заменяется на более холодный. Для поддержания оптимальной температуры тела организму приходится ускорить основной обмен, активировать дополнительные реакции теплообразования, что в итоге требует больших затрат энергии. При скорости ветра 5 метров в секунду темпы теплоотдачи увеличиваются приблизительно в два раза, при 10 метрах в секунду – в четыре раза. Дальнейший рост происходит в геометрической прогрессии.

 

Качество одежды и обуви

Как было указано выше, одежда способна многократно снизить потерю тепла организмом. Однако не вся одежда одинаково эффективно защищает от холода. Основное влияние на способность одежды задерживать тепло оказывают материал, из которого она выполнена, и правильный подбор размера вещи или обуви.

Наиболее предпочтительным материалом в холодный сезон года является натуральная шерсть и мех. На втором месте находятся их искусственные аналоги. Преимущество данных материалов заключается в том, что они обладают высокой ячеистостью, иными словами, содержат много воздуха. Являясь плохим проводником тепла, воздух препятствует лишней потере энергии. Разница между натуральным и искусственным мехом заключается в том, что ячеистость натурального материала в несколько раз выше за счет пористости самих волокон меха. Существенным недостатком синтетических материалов является то, что они способствуют скоплению влаги под одеждой. Как указывалось ранее, высокая влажность увеличивает темпы теплопотери, способствуя переохлаждению.

Размер обуви и одежды всегда должен соответствовать параметрам тела. Тесная одежда растягивается по телу и уменьшает толщину слоя теплого воздуха. Тесная обувь способствует сдавлению кровеносных сосудов, питающих кожу, приводя впоследствии к обморожению. Пациентам с отеками ног рекомендуется носить обувь из мягкого материала, способную растягиваться, не сдавливая конечности. Подошва должна быть толщиной не менее 1 см. Большие размеры одежды и обуви, напротив, недостаточно плотно прилегают к телу, образуют складки и щели, через которые уходит теплый воздух, не говоря о том, что их, попросту, неудобно носить.