Адаптация организма человека к низким температурам
Приспособление к холоду – наиболее трудно – достижимый и быстро утрачиваемый без специальных тренировок вид климатической адаптации человека. Объясняется это тем, что, согласно современным научным представлениям, наши предки жили в условиях теплого климата и были гораздо больше приспособлены к защите от перегревания. Наступившее похолодание было относительно быстрым и человек, как вид, “не успел” приспособиться к этому изменению климата большей части планеты. Кроме того, к условиям низких температур люди стали приспосабливаться, в основном, за счет социальных и техногенных факторов – жилища, очага, одежды. Однако, в экстремальных условиях человеческой деятельности (в том числе в альпинистской практике) физиологические механизмы терморегуляции – “химическая” и “физическая” ее стороны становятся жизненно важными.
Первой реакцией организма на воздействие холода является снижение кожных и респираторных (дыхательных) потерь тепла за счет сужения сосудов кожи и легочных альвеол, а также за счет уменьшения легочной вентиляции (снижение глубины и частоты дыхания). За счет изменения просвета сосудов кожи кровоток в ней может варьировать в очень широких пределах – от 20 мл до 3 литров в минуту во всей массе кожи.
Сужение сосудов приводит к снижению температуры кожи, но когда эта температура достигает 6єС и возникает угроза холодовой травмы, развивается обратный механизм – реактивная гиперемия кожи. При сильном охлаждении может возникнуть стойкое сужение сосудов в виде их спазма. В этом случае появляется сигнал неблагополучия – боль.
Снижение температуры кожи кистей рук до 27 єС связано с ощущением “холодно”, при температуре, меньшей 20єС – “очень холодно”, при температуре меньше 15 єС – “невыносимо холодно”.
При воздействии холода вазоконструкторные (сосудосуживающие) реакции возникают не только на охлажденных участках кожи, но и в отдаленных областях организма, в том числе во внутренних органах (“отраженная реакция”). Особенно выражены отраженные реакции при охлаждении стоп – реакции слизистой носа, органов дыхания, внутренних половых органов. Сужение сосудов при этом вызывает снижение температуры соответствующих областей тела и внутренних органов с активизацией микробной флоры. Именно этот механизм лежит в основе так называемых “простудных” заболеваний с развитием воспаления в органах дыхания (пневмонии, бронхиты), мочевыделения (пиелиты, нефриты), половой сферы (аднекситы, простатиты) и т.д.
Механизмы физической терморегуляции первыми включаются в защиту постоянства внутренней среды при нарушении равновесия теплопродукции и теплоотдачи. Если этих реакций недостаточно для поддержания гомеостаза, подключаются “химические” механизмы – повышается мышечный тонус, появляется мышечная дрожь, что приводит к усилению потребления кислорода и увеличению теплопродукции. Одновременно возрастает работа сердца, повышается кровяное давление, скорость кровотока в мышцах. Подсчитано, что для поддержания теплобаланса обнаженного человека при неподвижном холодном воздухе необходимо увеличение теплопродукции в 2 раза на каждые 10є снижения температуры воздуха, а при значительном ветре теплопродукция должна удваиваться на каждые 5є понижения температуры воздуха. У тепло одетого человека удвоение величины обмена будет компенсировать понижение внешней температуры на 25є.
При многократных контактах с холодом, локальных и общих, у человека вырабатываются защитные механизмы, направленные на предотвращение неблагоприятных последствий холодовых воздействий. В процессе акклиматизации к холоду повышается устойчивость к возникновению отморожений (частота отморожений у акклиматизированных к холоду лиц в 6 – 7 раз ниже, чем у неакклиматизированных). При этом, в первую очередь, происходит совершенствование сосудодвигательных механизмов (“физическая” терморегуляция). У лиц, длительно подвергающихся действию холода, определяется повышенная активность процессов “химической” терморегуляции – основной обмен; у них повышен на 10 – 15%. У коренных жителей Севера (например, эскимосов) это превышение достигает 15 – 30% и закреплено генетически.
Как правило, в связи с совершенствованием механизмов терморегуляции в процессе акклиматизации к холоду уменьшается доля участия скелетной мускулатуры в поддержании теплобаланса – становится менее выраженной интенсивность и продолжительность циклов мышечной дрожи. Расчеты показали, что за счет физиологических механизмов приспособления к холоду обнаженный человек способен переносить длительное время температуру воздуха не ниже 2оС. По-видимому, эта температура воздуха является пределом компенсаторных возможностей организма поддерживать теплобаланс на стабильном уровне.
Условия, при которых организм человека адаптируется к холоду, могут быть различными (например, работа в неотапливаемых помещениях, холодильных установках, на улице зимой). При этом действие холода не постоянное, а чередующееся с нормальным для организма человека температурным режимом. Адаптация в таких условиях выражена нечетко. В первые дни, реагируя на низкую температуру, теплообразование возрастает неэкономно, теплоотдача еще недостаточно ограничена. После адаптации процессы теплообразования становятся более интенсивными, а теплоотдача снижается. адаптация температура физиологический метаболический
Иначе происходит адаптация к условиям жизни в северных широтах, где на человека влияют не только низкие температуры, но и свойственные этим широтам режим освещения и уровень солнечной радиации.
Что же происходит в организме человека при охлаждении?
Вследствие раздражения холодовых рецепторов изменяются рефлекторные реакции, регулирующие сохранение тепла: сужаются кровеносные сосуды кожи, что на треть уменьшает теплоотдачу организма. Важно, чтобы процессы теплообразования и теплоотдачи были сбалансированными. Преобладание теплоотдачи над теплообразованием приводит к понижению температуры тела и нарушению функций организма. При температуре тела 35 є С наблюдается нарушение психики. Дальнейшее понижение температуры замедляет кровообращение, обмен веществ, а при температуре ниже 25 є С останавливается дыхание.
Одним из факторов интенсификации энергетических процессов является липидный обмен. Например, полярные исследователи, у которых в условиях низкой температуры воздуха замедляется обмен веществ, учитывают необходимость компенсировать энергетические затраты. Их рационы отличаются высокой энергетической ценностью (калорийностью).
У жителей северных районов более интенсивный обмен веществ. Основную массу их рациона составляют белки и жиры. Поэтому в их крови содержание жирных кислот повышено, а уровень сахара несколько понижен.
У людей, приспосабливающихся к влажному, холодному климату и кислородной недостаточности Севера, также повышенный газообмен, высокое содержание холестерина в сыворотке крови и минерализация костей скелета, более утолщенный слой подкожного жира (выполняющего функцию теплоизолятора).
Однако не все люди в одинаковой степени способны к адаптации. В частности, у некоторых людей в условиях Севера защитные механизмы и адаптивная перестройка организма могут вызвать дезадаптацию – целый ряд патологических изменений, называемых “полярной болезнью”.
Одним из наиболее важных факторов, обеспечивающих адаптацию человека к условиям Крайнего Севера, является потребность организма в аскорбиновой кислоте (витамин С), повышающей устойчивость организма к , различного рода инфекциям.
Теплоизоляционная оболочка нашего тела включает поверхность кожи с подкожным жиром, а так же расположенные под ним мышцы. Когда кожная температура понижается ниже обычного уровня, сужение кровеносных сосудов кожи и сокращение скелетных мышц повышают изоляционные свойства оболочки. Установлено, что сужение сосудов пассивной мышцы обеспечивает до 85% общей изоляционной способности организма в условиях экстремально низких температур. Эта величина противодействия теплопотерям в 3 – 4 раза превышает изоляционные способности жира и кожи. [1]
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
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