Адаптации человека к температуре
Каждый организм живет, развивается и эффективно размножается только в определенном интервале температур окружающей среды. На температурной шкале, таким образом, можно указать две точки, которые определяют зону жизни данного вида, называемую зоной температурной толерантности, и зону летальных температур, находящуюся вне зоны толерантности. Точки, ограничивающие зону температурной толерантности, называются критическими. Их определяют на основе данных о смертности особей на границе зоны толерантности. В границах зоны температурной толерантности и за ее пределами существует ряд характерных проявлений или реакций организма. Центр зоны толерантности составляет тепловой оптимум, в границах которого все процессы жизнедеятельности протекают наиболее экономично. В полосе высоких температур наступает явление температурного оцепенения. Дальнейшее повышение температуры приводит к перегреву организма и его гибели. При температурах ниже оптимальной организм вступает в неблагоприятную зону, где происходит оцепенение от холода. Дальнейшее понижение температуры, в особенности переход через 00, вызывает с начала переохлаждение жидкостей тела, после чего в зависимости от степени концентрации солей в этих жидкостях организм достигает точки критической температуры. В этой точке начинается замерзание жидкостей тела, причем температура организма с начала ненадолго повышается, после чего происходит медленное замерзание жидкостей тела, и организм переходит в состояние анабиоза. Полное замерзание жидкостей тела приводит к смерти. Летальное действие низких температур зависит от стадии развития организма.
У человека нормальная жизнедеятельность возможна в диапазоне всего в несколько градусов: понижение температуры тела ниже 360С и повышение выше 40-410С опасно и может иметь тяжелые последствия для организма (замерзание, тепловой удар).
Ощущение температуры окружающей среды зависит от температуры кожи, которая при температуре окружения 32-350С не чувствует ни переохлаждения, ни перегрева. Восприятия температурных условий среды связано с суточным ритмом метаболизма человека и сопутствующими условиями. Зона температурного комфорта для человека составляет 17-270С. Субъективное ощущение климатического комфорта связано с уровнем активности человека, температурой излучения, одеждой, температурой и относительной влажностью воздуха, а также скоростью ветра. В квартирах, где движение воздуха не имеет большой значимостью, условия теплообмена и самочувствие человека определяются температурными условиями и влажностью. Высокая влажность воздуха компенсирует более низкую температуру.
Температура окружающей среды, влияя на организм через рецепторы поверхности тела, изменяет направленность многих физиологических механизмов организма. Понижение температуры сопровождается повышением возбудимости нервной системы, а также усилением секреции гормонов надпочечников. Увеличивается уровень основного обмена. Общая и местная гипотермия вызывает ознобление кожи и слизистых оболочек, воспаление стенок сосудов и нервных стволов. Охлаждение при потении, резкие перепады температур и глубокое охлаждение внутренних органов приводят к простудным заболеваниям.
Влияние низких температур на человека усиливается под действием ветра. Совместному действию ветра и холода особенно подвержены руки и ноги, которые часто бывают открыты даже в условиях суровой зимы. Из трех частей лица: лба, щек и носа – самым чувствительным является лоб, который в нормальных условиях – одна из самых теплых областей поверхности тела.
Приспособление к холоду у человека обеспечивается различными способами. Критическая температура для европейца без одежды заключена в границах от 270 до 290С. При снижении температуры ниже критической европеец реагирует повышением обмена веществ. Однако коренные жители Австралии, особенно в ее центральной и южной частях, ночью спят, не укрывая тела. При ночном переохлаждении у спящих аборигенов наступает изоляционная гипотермия. Она заключается в охлаждении поверхности тела на несколько градусов без метаболических реакций, что приводит к уменьшению потерь тепла. Такая адаптация, однако, отсутствует у эскимосов, живущих в самых холодных арктических районах. Им присущи метаболические адаптации европейского типа. Это связано с характером одежды, которая идеально предохраняет их тело от температуры окружения, достигающей – 500С.
Таким образом, у человека при адаптации к холоду перестраиваются различные виды обмена веществ, сохраняются гипертрофированными надпочечники. Уплотняется поверхностный слой открытых участков кожи, увеличивается жировая прослойка, в охлажденных местах откладывается бурый жир. В реакции приспособления к холоду вовлекаются все физиологические системы организма. Повышается общий обмен веществ, усиливается функция щитовидной железы, кровообращения мозга, сердечной мышцы, печени, увеличивается количество катехоламинов. Это усиление метаболических реакций создает резерв существования организма при низких температурах.
При повышении температуры основной обмен у человека снижается. Первыми реагируют дыхательная и сердечно-сосудистая системы. Значительное повышение температуры вызывает расширение периферических кровеносных сосудов, учащение пульса и дыхания, увеличение минутного объема крови и снижение артериального давления. Кровоток в мышцах и во внутренних органах уменьшается. Также падает возбудимость нервной системы.
Сопротивляемость человека воздействию тепла значительно выше, чем воздействию холода, что обусловлено выделением пота. Этот процесс может удалять из тела человека энергию, в 14 раз превышающую величину ее производства при метаболизме в состоянии покоя. Таким образом, эффективность терморегуляции посредством выделения пота огромна.
При внезапном повышении температуры окружения человеческий организм реагирует расслаблением и невозможностью выполнения заданий, нормально осуществляемых при несколько более низких температурах. Появляется желание освободиться от одежды, сильная потливость и повышенная раздражительность. Приспособление к повышенной температуре длится, как правило, несколько дней и состоит в повышении температуры тела, замедлении ритма сердечной деятельности и возрастании потоотделения.
Если температура внешней среды достигает 27-380С (температура крови), теплоотдача осуществляется главным образом за счет потения. В случае его затруднения при высокой влажности окружающей среды происходит перегревание организма. Это сопровождается повышением температуры тела, нарушением вводно-солевого обмена и витаминного равновесия. Происходит образование недоокисленных продуктов обмена веществ. Начинается сгущение крови. При перегревании могут иметь место нарушения кровообращения и дыхания. Вначале имеет место повышение, а затем падение артериального давления. При многократно повторяющемся действии высоких температур происходит повышение толерантности к тепловым факторам. Изменение температуры окружающей среды в сторону от зоны температурного комфорта при срыве адаптацией сопровождается нарушением процессов саморегуляции и возникновением патологических реакций.
Основной формой защиты организма от перегрева является прохладная одежда – легкая, хорошо вентилируемая, длинная, со складками. Она сокращает на половину поглощение энергии излучения, а потери воды – до 2/3.
Источник
Влияние на организм человека температурных колебаний
Среди множества абиотических факторов, влияющих на человека, значительную роль играет температура. На человека оказывает воздействие не только фактическая температура воздуха, но и ее среднесуточная изменчивость. Так, изменение среднесуточной температуры воздуха на 1—2 ºС считается слабым, на 3—4 ºС — умеренным, более чем на 4 ºС — резким.
При длительном и сильном воздействии низких температур изменяется обмен веществ, сужаются сосуды пальцев рук и ног, кожи лица, происходит местное и общее охлаждение организма (возможно даже обморожение), снижается работоспособность человека, возникают простудные заболевания.
При воздействии на организм высокой температуры понижается кровяное давление, изменяется химический состав крови, нарушается водно-солевой обмен организма, возможен тепловой удар. Высокая температура воздуха также неблагоприятно воздействует на функции органов пищеварения и вызывает у человека быструю утомляемость.
Восприятие температуры индивидуально и связано с физиологическими и психологическими особенностями человека.
От каких факторов зависит восприятие температуры? Установлено, что ветер и влажность могут усиливать ощущение температуры. При сильном ветре холодные дни кажутся еще холоднее. При повышенной влажности низкая температура воздуха кажется еще более низкой, а при пониженной влажности — наоборот.
Учитывая значительное влияние температуры на самочувствие человека, рассмотрим его адаптацию к этому важнейшему абиотическому фактору.
Адаптация человека к изменению температурных условий
С помощью реагирующих на изменение температуры рецепторов, расположенных в коже и слизистых оболочках (периферические терморецепторы), организм человека постоянно получает информацию о температуре объектов окружающей среды, контактирующих с телом. Одновременно терморецепторы внутри тела реагируют на изменения температуры внутренней среды. Здесь центральная роль принадлежит рецепторам, расположенным в гипоталамусе (центральные терморецепторы), которые способны реагировать на очень небольшие (около 0,01 ºС) колебания температуры тканевых жидкостей. Информация, получаемая от всех терморецепторов организма, анализируется в гипоталамусе, в результате чего и возникают рефлекторные ответы различных органов, что обеспечивает поддержание постоянства температуры тела.
В приспособительных (адаптационных) реакциях к температурным изменениям ключевую роль играют потовые железы, гладкие мышцы стенок артериол, скелетные мышцы, щитовидная железа, надпочечники (см. табл.)
Таблица. Приспособительные реакции к температурным изменениям
Орган | Приспособительные реакции |
| Потовые железы | При повышении температуры кожи или крови гипоталамус посылает в потовые железы импульсы о необходимости активного выделения пота. На его испарение расходуется тепло с поверхности кожи |
Гладкие мышцы стенок | При повышении температуры кожи и крови гипоталамус направляет сигналы в гладкие мышцы стенок артериол, которые снабжают кровью кожу, вызывая расширение просвета артериол. Вследствие этого кровоснабжение кожи усиливается. Кровь переносит тепло из глубины тела к поверхности кожи, где оно и рассеивается |
Скелетные мышцы | В условиях низкой температуры воздуха терморецепторы кожи посылают сигналы в центр терморегуляции гипоталамуса, который стимулирует быстрый цикл непроизвольных сокращений и расслаблений скелетных мышц (дрожание), что приводит к выделению тепловой энергии |
Щитовидная железа | При понижении температуры усиливает выделение гормонов тироксина и трийодтиронина, ускоряющих обмен веществ и, следовательно, теплообразование |
Надпочечники | При температурных изменениях надпочечники выделяют в кровь гормоны адреналин и норадреналин. Вследствие этого сужаются сосуды кожи, изменяя уровень теплоотдачи |
! Это интересно
Профессиональную тепловую подготовку проводят в условиях высокой температуры (55—60 ºС) при низкой относительной влажности (20—25 %) в состоянии покоя с применением респиратора. На возникающее в этих условиях перегревание адаптированные к высокой температуре испытуемые реагируют без нарушения функций центральной нервной системы. Это важно для горноспасателей, пожарников и других людей подобных профессий, так как сохранение деятельности коры больших полушарий в условиях перегревания дает возможность работать в зонах с высокой температурой и спасать людей.
Кроме гипоталамуса, терморецепторы посылают сигналы в кору головного мозга. Это позволяет человеку сознательно воспринимать температурные изменения и адекватно на них реагировать.
При адаптации к высокой температуре нарушается водно-солевой обмен организма. Поэтому для восполнения потерь жидкости, минеральных веществ в условиях жаркого климата, в «горячих» цехах перед работой людям рекомендуется пить больше жидкости, в том числе ягодные морсы и солевые растворы.
Адаптация человека к температурным колебаниям в окружающей среде не только биологический, но и социальный процесс, который заключается в строительстве комфортного жилья, пошиве одежды, создании бытовых приборов.
Также адаптационные возможности организма к низким температурам повышаются путем закаливания. Его физиологической основой является выработка условного рефлекса на систематическое воздействие температурного фактора. При закаливании важно соблюдать следующие принципы: индивидуальность (подбор процедур под контролем врача), постепенность (поэтапное увеличение дозировки) и систематичность (многократное действие фактора).
Повторим главное. Физиологическая регуляция адаптационных процессов к изменению температурных условий контролируется гипоталамусом. В осуществлении адаптационных процессов ключевая роль принадлежит нервной системе, железам внутренней секреции, гладким и скелетным мышцам. Кроме физиологической адаптации, человеку свойственна и социальная адаптация.
Проверим знания
Ключевые вопросы
1. Каким образом температурные колебания влияют на здоровье человека?
2. Какой орган и как регулирует теплообмен в организме?
3. Охарактеризуйте роль желез внутренней секреции в температурных адаптационных механизмах.
Сложные вопросы
1. Почему при сильном ветре и повышенной влажности воздуха холодные дни кажутся холоднее, чем в действительности?
2. Возможна ли долговременная адаптация человека к неземным условиям и заселение людьми спутника нашей планеты Луны? Ответ обоснуйте.
*Индивидуальное домашнее задание. В течение месяца понаблюдайте за влиянием погодных условий (температуры, влажности, атмосферного давления, наличия магнитных бурь) на ваше (и членов вашей семьи) физиологическое и психологическое состояние (изменение артериального давления, снижение работоспособности, нарушение сна, раздражительность). По результатам наблюдения подготовьте сообщение (презентацию) для одноклассников.
Источник
Во время адаптации организма к охлаждению и нагреванию взаимодействие различных механизмов поддержания оптимального теплового баланса проявляется наиболее отчетливо.
На кратковременное понижение температуры окружающей среды прежде всего реагируют периферические холодовые рецепторы. Сигналы от них по спинальным нервам приходят к нейронам задних рогов спинного мозга. По чувствительным трактам спинного мозга импульсы поступают в таламус. Из ядер таламуса информация поступает в соматосенсорную область коры головного мозга и лимбическую систему, а также в гипоталамус. В результате центр терморегуляции формирует систему механизмов физической и химической терморегуляции, направленных на сохранение нормальной температуры ядра тела даже на холоде.
Исполнительные органы системы терморегуляции активируются в определенной последовательности. В первую очередь в заднем гипоталамусе усиливается эфферентация, адресованная симпатическим нейронам боковых рогов спинного мозга. Повышение частоты им- пульсации в симпатических волокнах приводит к констрикции гладкомышечных клеток кожных артериол и уменьшению теплоотдачи.
Нередко спазм подкожных кровеносных сосудов сменяется их расширением (румянец щек), что обусловлено чувствительностью самих гладкомышечных клеток к холоду. Такая реакция предупреждает повреждение клеток кожи обескровливанием, но усиливает теплоотдачу. При усилении холода рефлекторно открываются артериовенозные анастомозы в коже, благодаря чему уменьшается объем крови, поступающей в капилляры, а, следовательно, ограничивается теплоотдача, и тепло сохраняется в организме. Одновременно с ограничением кровоснабжения кожи усиливается кровоток во внутренних органах (особенно в брюшной полости), что способствует сохранению тепла в ядре тела.
При продолжительном действии холода на организм повышается роль гуморальной регуляции. Включение гуморальных механизмов поддержания постоянства температуры обеспечивает стойкое изменение функционального состояния организма. У людей понижается температурный порог дрожательного термогенеза, механизмы теплопродукции включаются при более низких температурах, увеличивается основной обмен, изменяется природа основных субстратов клеточного дыхания.
На жару реагируют прежде всего периферические тепловые рецепторы. Если высокая температура окружающей среды приводит к увеличению температуры крови в гипоталамусе (хотя бы на сотую долю градуса), то возбуждаются центральные терморецепторы. Сигналы от тепловых рецепторов активируют «гипоталамический термостат», который включает в определенной последовательности систему реакций, обеспечивающих тепловой баланс организма.
При высокой температуре окружающей среды увеличение теплоотдачи происходит преимущественно за счет испарения. Усиление потоотделения происходит рефлекторно за счет активации холинергических влияний по симпатическим волокнам. Вслед за выделением пота расширяются кровеносные сосуды кожи, что обусловлено уменьшением адренергических влияний на а-адренорецепторы гладкомышечных клеток артериол. В результате кровоток в коже усиливается, что приводит к увеличению внешнего и внутреннего тепловых потоков и повышению теплоотдачи организма.
При дальнейшем нагревании тела образование теплоты в организме уменьшается за счет ограничения двигательной активности. В это же время человек усиливает принудительную конвекцию и другие произвольные способы охлаждения. При повторяющихся и длительных воздействиях высокой температуры окружающей среды уменьшается продукция гормонов — активаторов теплопродукции (соматотропина, тироксина и трийодтиронина, глюкокортикоидов, половых гормонов), а также снижается порог потоотделения. Увеличение потоотделения, вызванное последним, не сопровождается большей потерей электролитов.
В теории жизнь возможна в узком диапазоне температур окружающей организм среды, поскольку при 39 °С ресинтез белка замедляется, а при 45 °С белки денатурируют. При О °С белки, как и вода, кристаллизуются. При увеличении температуры тела выше 37 °С у человека развивается гипертермия. Если температура ядра опускается ниже 35 °С, то наступает гипотермия. При температуре тела ниже 33 °С подавляется активность центров терморегуляции, вследствие чего понижается термоустойчивость организма. При температуре тела около 20 °С останавливается сердце и прекращается дыхание.
Несмотря на узкий диапазон температур организма, при которых он сохраняет свою жизнеспособность, человек способен жить и в тропиках (при температуре в тени до 65 °С), и на полюсах Земли, где температура опускается ниже минус 65 °С. Совершенство системы терморегуляции позволяет преодолеть теоретический запрет на жизнь в неблагоприятных климатических условиях.
Контрольные вопросы
- 1. Что называют теплообменом?
- 2. Каких животных называют пойкилотермными и гомойотермными?
- 3. За счет каких процессов образуется теплота в организме?
- 4. Каковы нормальные колебания температуры тела человека?
- 5. Что такое химическая терморегуляция? Каковы ее механизмы?
- 6. Что такое физическая терморегуляция? Каковы ее механизмы?
- 7. Что такое гипертермия? Что такое гипотермия?
- 8. Как меняется терморегуляция при физической нагрузке?
- 9. Как меняется терморегуляция при изменении температуры внешней среды?
- 10. Где расположены терморецепторы?
- 11. Где находятся центры терморегуляции?
- 12. Как осуществляется нервная регуляция теплообмена?
- 13. Как в организме осуществляется регуляция обмена веществ и энергии?
Источник