Адаптация человека низким температурам

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?

Е.П. Гора
Экология человека
Учебное пособие для вузов. – М.: Дрофа, 2007. – 540 с.

Оптимальное тепловое состояние человека обеспечивается условиями теплового комфорта, не ограничиваемого по времени пребывания и не требующего включения дополнительных приспособительных механизмов организма.

В экстремальных условиях среды, сопровождаемых значительными перепадами температуры, включаются поведенческие, физиологические адаптивные реакции, а при резких или длительных термических сдвигах могут развиваться патологические состояния, в крайних случаях приводящие к летальному исходу.

Исследователями предложены различные классификации тепловых состояний человека в зависимости от того, какие критерии были положены в основу. С точки зрения адаптации наибольший интерес представляет классификация, построенная на основании данных о характере изменений приспособительных механизмов системы терморегуляции, т. е. основных приспособительных реакций, позволяющих организму бороться с действием высоких и низких температур окружающей среды (см. табл. 3.2).

Таблица 3.2. Классификация тепловых состояний человека (по: А. Н. Ажаев, 1979)

При выборе физиологических показателей для оценки теплового состояния, очевидно, основное внимание необходимо уделять изменению таких показателей, которые наиболее полно отражают функциональное состояние организма при каждой степени нагревания или охлаждения человека. Так, в условиях, когда теплосодержание «сердцевины», срединных структур организма значительно не изменяется, но нарушена структура теплового обмена, наиболее важны физиологические показатели, характеризующие тепловое состояние «оболочки» тела. К таким показателям относятся температура кожи, средняя температура тела, тепловые потоки с поверхности тела, внутренний градиент температур, разность температур туловища и конечностей, теплоизоляция поверхностных тканей. При повышенных температурах окружающей среды большое значение приобретает исследование потерь веса тела и теплоотдачи испарением влаги, при пониженных – тепловых потоков с поверхности тела, теплопродукции организма, биоэлектрической активности мышц. В условиях, когда значительно изменяется теплосодержание организма, оценка теплового состояния человека должна проводиться в основном по физиологическим показателям, характеризующим изменения теплового обмена и состояние сердечно-сосудистой системы (уровень теплоотдачи, минутный, систолический объем сердца и т. д.). Эти показатели позволяют контролировать состояние организма человека в условиях высоких и низких температур окружающей среды.

При перегревании и переохлаждении человека наблюдается (разность изменений многих физиологических показателей, означающих в одном случае возможность сохранения теплового баланса, а в другом – угрозу срыва или срыв приспособительных реакций организма (табл. 3.3).

Таблица 3.3. Классификация стадий перегревания и охлаждения организма по степени включения в процесс терморегуляции приспособительных механизмов организма (по: А. Н. Ажаев, 1979)

1. На первой стадии перегревания или переохлаждения организма (устойчивое приспособление) наблюдаются явления, свидетельствующие о том, что организм успешно противостоит неблагоприятному действию окружающей среды. При высоких температурах происходит расширение периферических сосудов, увеличивается теплоотдача испарением влаги с поверхности тела и дыхательных путей. Последняя равна общей тепловой нагрузке – суммарной величине теплопродукции организма и внешней тепловой нагрузки. Действие низких температур окружающей среды приводит к сужению периферических сосудов и повышению теплопродукции организма вследствие мышечного термогенеза.

Следовательно, при первой степени перегревания или переохлаждения реакция сосудов на воздействие тепла и холода играет весьма большую роль. Однако уже здесь включаются механизмы химической терморегуляции, проявляющиеся в некотором снижении теплопродукции организма в условиях высоких температур и повышении – в условиях низких температур окружающей среды.

На первой стадии перегревания и переохлаждения человека накопление или дефицит тепла в организме происходит в основном за счет изменений температуры «оболочки». Температура же «сердцевины» изменяется сравнительно немного (на 0,2–0,5 °C). Работоспособность человека при таких воздействиях, по данным многих авторов, практически не изменяется.

2. На второй стадии перегревания или переохлаждения человека (частичное приспособление) терморегуляция не справляется с действием высоких и низких температур окружающей среды. Даже максимальное включение приспособительных механизмов терморегуляции (теплопродукции при охлаждении, теплоотдачи при перегревании) не дает возможности компенсировать тепловую нагрузку при высоких температурах и теплоотдачу при низких температурах окружающей среды. В этом случае значительно изменяется температура «сердцевины» (при высоких – на 1–1,5 °C, при низких – на 1,5–2,0 °C).

При высоких температурах окружающей среды (45; 50; 55 °C), несмотря на повышение теплоотдачи испарением влаги с поверхности тела и дыхательных путей, общая тепловая нагрузка не компенсируется, и перегревание организма происходит вследствие уменьшения или прекращения отдачи эндогенного тепла во внешнюю среду. В условиях низких температур окружающей среды при продолжающемся увеличении окислительных процессов в организме из-за мышечной дрожи теплопотери с поверхности тела и дыхательных путей превышают уровень теплопродукции.

В этих условиях снижаются отдельные показатели работоспособности, например такие, как качество управления в режиме слежения, способность к динамической и статической работе, выполнение тонких координированных движений. Многие показатели работоспособности, включая определение временных интервалов на световой и звуковой раздражители, скорость счета, познавательные и другие психические функции, по данным большинства авторов, не изменяются или даже несколько улучшаются.

3. Третья стадия перегревания и переохлаждения организма (срыв приспособления) характеризуется признаками, свидетельствующими о полной невозможности приспособления организма к условиям внешней среды. Приспособительные механизмы терморегуляции некоторое время остаются максимально напряженными, а затем их уровень начинает постепенно уменьшаться. Одновременно происходит снижение эффективности деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной и мышечной систем.

На срыв приспособительных реакций организма в условиях высоких температур среды (60; 70; 80 °C) указывает снижение теплоотдачи испарением влаги, преобладание внешней тепловой нагрузки над теплоотдачей испарением влаги, снижение скорости секреции пота, уменьшение систолического и минутного объемов крови, мощности сокращения левого желудочка и скорости выброса крови.

В работах А. Бартона, О. Эдхолма и др. показано, что при ректальной температуре около 35 °C после максимального увеличения теплопродукции организма наблюдается ее снижение. На основании этих сведений (по аналогии с характером изменений приспособительных реакций при высокой температуре) вторая стадия охлаждения заканчивается максимальным увеличением теплопродукции, в третьей стадии происходит снижение ее уровня, достигающего при температуре тела около 30 °C величин основного обмена и ниже.

Подобное деление стадий охлаждения по изменению приспособительных реакций организма, очевидно, является наиболее рациональным, так как характеризует компенсаторные возможности теплового обмена, сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

При третьей степени перегревания и переохлаждения организма наблюдается снижение всех показателей работоспособности человека. Выполнение заданной работы возможно только за счет максимального волевого усилия при включении дополнительных физиологических резервов организма.

4. И наконец, четвертая степень перегревания и переохлаждения организма характеризуется быстрым угнетением деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем (коллапс, потеря сознания).

Таким образом, в рассмотренной классификации стадии и степени перегревания и переохлаждения организма различают не только по температуре тела и клиническим признакам, но и по изменению приспособительных реакций организма. По этим показателям первая, вторая, третья и четвертая стадии (степени) перегревания и переохлаждения организма отличаются друг от друга степенью включения приспособительных механизмов в процесс терморегуляции. В первой стадии приспособительные реакции организма включены только частично, во второй – включены до максимума, в третьей – частично отключены, в четвертой – отключены полностью (до исходных и ниже).

Условия пребывания человека в окружающей среде. Эти условия, вызывающие первую, вторую и третью степени перегревания или переохлаждения организма, расценены соответственно как допустимые, предельно допустимые и критические, или недопустимые (см. табл. 3.2).

1. Допустимые условия перегревания или переохлаждения человека: наблюдается определенное напряжение механизмов терморегуляции организма. Однако при этом сохраняется термостабильное состояние «сердцевины» вследствие включения приспособительных реакций. Снижение теплоотдачи при высоких и повышение при низких температурах окружающей среды с помощью радиации и конвекции компенсируется изменениями теплопродукции, а также теплоотдачи путем испарения влаги с поверхности тела и дыхательных путей. В этих условиях возможно продолжительное пребывание человека при отсутствии изменений работоспособности, опасности для здоровья и явлений кумуляции при повторном действии подобных условий. Основными физиологическими показателями оценки теплового состояния человека являются средняя температура тела, средневзвешенная температура кожи, тепловые потоки с поверхности тела, внутренний градиент температур, теплоизоляция поверхностных тканей, структура теплового обмена.

2. Предельно допустимые условия перегревания и переохлаждения. Вследствие неполного приспособления организма к действию внешней среды эти условия вызывают значительное напряжение терморегуляции и снижение некоторых показателей работоспособности. Такие условия безопасны для здоровья, не приводят к кумуляции при повторном их действии и допускаются только на ограниченное время при постоянном медицинском контроле.

3. Критическое (недопустимое)перегревание и переохлаждение. В подобных условиях наблюдается срыв приспособительных механизмов терморегуляции организма, снижение работоспособности, наличие опасности для здоровья и явлений кумуляции при повторном действии неблагоприятных условий микроклимата.

При предельно допустимом и критическом перегревании и переохлаждении организма в качестве основных физиологических критериев принимаются потери веса и теплоотдача испарением влаги (при перегревании), средняя температура среды и температура тела, компоненты теплового обмена (теплоотдача, теплопродукция, изменения теплосодержания), показатели состояния сердечно-сосудистой системы (минутный и систолический объем крови и др.).

Таким образом, первая, вторая и третья степени воздействия высоких и низких температур окружающей среды могут быть расценены как допустимые, предельно допустимые и критические (или предельно переносимые) условия перегревания и переохлаждения организма. Каждая из степеней дискомфорта характеризуется определенной величиной дефицита или накопления тепла в организме. При составлении классификации тепловых состояний учитывались общегигиенические подходы к нормированию микроклимата, возможность выполнения работы с необходимым объемом и качеством, степень влияния неблагоприятных условий на состояние здоровья при однократном и повторном действии окружающей среды.

Исследования, проводимые с экипажами летательных аппаратов, работающими в экстремальных условиях, свидетельствуют о необходимости разработки средств профилактики от перегреваний и переохлаждений организма человека.

Решение этой важной проблемы может осуществляться по трем направлениям:

1. Разработка средств индивидуальной защиты членов экипажей летательных аппаратов.

2. Нормирование микроклимата помещений с учетом теплозащитных свойств одежды, сезона года, уровней эмоциональной и физической нагрузки, метеорологических условий окружающей среды и других факторов, встречающихся в полете.

3. Физиолого-гигиеническая регламентация режима труда и отдыха экипажей летательных аппаратов.

Одним из важных условий при конструировании теплорегулирующих систем является принцип автоматического терморегулирования, применение которого позволяет поддерживать комфортные условия микроклимата воздуха при различной теплоизоляции одежды и тяжести физической работы.