Работоспособность человека с повышением температуры

Основы терморегуляции

Человек – теплокровное существо, т. с. температура его тела изменяется в достаточно узком диапазоне. Для обеспечения постоянства температуры тела необходимо, чтобы количество образующегося в теле тепла – теплопродукция равнялось количеству тепла, отдаваемого во внешнюю среду, – теплоотдаче. Образование тепла в организме происходит в результате метаболических реакций в различных тканях организма, прежде всего мышцах, и следовательно, значительно (в 20 раз) повышается во время мышечной работы, а также за счет Холодовой дрожи, т. е. непроизвольных сокращений отдельных мышечных пучков.

Рассеивание тепла обеспечивается несколькими механизмами: проведением, конвекцией, радиацией и испарением.

Термин проведение обозначает передачу тепла от одной (более нагретой) части физического тела к другой (менее нагретой) при их непосредственном контакте. Тело человека может передавать свое тепло окружающему воздуху при условии, что воздух имеет более низкую температуру. Количество передаваемого тепла зависит от теплопроводности среды, в которой находится человек. Теплопроводность воды в 26 раз выше, чем теплопроводность воздуха, поэтому в воде тело человека очень быстро теряет тепло.

Конвекция – это передача тепла от тела человека окружающему его воздуху, находящемуся в движении, когда уже нагретые слои удаляются от тела и сменяются другими, не нагретыми, т. е. более холодными. Конвекция очень сходна по механизму с проведением, но более эффективна для теплоотдачи. При одинаковой внешней температуре, скажем 23 °С, в безветренных условиях тепло будет отдаваться медленнее, чем при наличии обдува. Когда человек находится в движении, условия отдачи тепла лучше, чем в неподвижном состоянии, если только скорость попутного ветра не сопоставима со скоростью перемещения человека. Проведение и конвекция обычно составляют 10-20 % от общих потерь тепла организмом.

Радиация – это отдача телом тепла путем излучения электромагнитной энергии, через инфракрасное излучение. В покое тело раздетого человека отдаст тепло окружающему воздуху главным образом (на 60 %) с помощью радиации.

Испарение – это отдача тепла кожей при переходе в газообразное состояние выделившейся на поверхность кожи воды. Потерю воды за счет диффузии через кожу называют неощущаемой в отличие от потери воды в результате функционирования потовых желез. Последний путь находится под контролем системы терморегуляции и оказывает существенное влияние на общее количество теряемого с испарением тепла. Испарение – единственный процесс, с помощью которого возможна отдача тепла телом в условиях, когда температура среды сравнима с температурой тела или даже выше. При напряженной работе и особенно при работе в жарких условиях испарение пота является основным путем теплоотдачи, составляя до 80 % от всех теплопотерь. Наоборот, в покое за счет испарения теряется не более 20 % тепла.

С точки зрения терморегуляции тело человека можно представить состоящим из двух компонентов: внешнего, оболочки, и внутреннего, ядра. Ядро – это та часть тела, которая имеет постоянную температуру, а оболочка – часть тела, в которой имеется температурный градиент. Через оболочку идет теплообмен между ядром и окружающей средой. Ядро и оболочка изменяют свои размеры в различных температурных условиях: чем интенсивнее сужение поверхностных сосудов на холоде, тем больше объем поверхностных тканей, снижающих свою температуру, т. е. объем оболочки существенно увеличивается, приближаясь по размерам к половине массы тела. И, наоборот, при расширении кожных сосудов в условиях повышенной температуры размеры оболочки уменьшаются до тонкого поверхностного слоя кожи, поскольку градиент температур между ядром и внешней средой на холоде значительно больше, чем в тепле (рис. 10).

Регуляция теплообмена

Температура ядра человека поддерживается достаточно постоянной в широком диапазоне внешних температур и условий функционирования организма. Однако нельзя сказать, что она неизменна.

При нормальной температуре 37 °С совместимыми с жизнью считаются колебания температуры ядра от 33 до 41-42 °С. Для оценки температуры ядра следовало бы измерить температуру в сердце, где смешивается кровь из различных участков тела. Однако это по понятным причинам не делается, и обычно температура ядра оценивается с помощью измерения температуры в прямой кишке – ректальной температуры. Ректальная температура немного ниже температуры участка головного мозга, ответственного за терморегуляцию. Показателем температуры мозга может служить температура вблизи барабанной перепонки, которую измеряют, подведя термометр к барабанной перепонке через наружный слуховой проход, – тимпанальная температура. При различных воздействиях, например физической работе, ректальная и тимпанальная температуры изменяются параллельно, хотя ректальная температура несколько более инертна.

Уменьшение температуры тела – гипотермия – как правило, связано с охлаждением, когда теплоотдача значительно превышает теплопродукцию. Увеличение температуры тела – гипертермия – наоборот, наступает вследствие превышения продукции тепла над его отдачей. Такая ситуация возникает при лихорадочных состояниях и связана с выработкой в организме специфических пирогенных, т. с. повышающих теплопродукцию веществ, а также при интенсивной мышечной деятельности, когда организм не способен рассеивать тепло с той же скоростью, с какой оно образуется в метаболических реакциях. Температура ядра при мышечной работе повышается в зависимости от относительной мощности выполняемой работы и может достигать 39-40 °С. Температура работающих мышц при этом поднимается еще выше – до 42 °С. Увеличение температуры работающих мышц способствует повышению эффективности происходящих в них метаболических процессов и улучшению сократительных свойств, в частности скоростных характеристик сокращения. Значительное, выше 40 °С, и длительное повышение температуры тела может вызвать отрицательные изменения в центральной нервной системе – отек мозга.

Рассмотрим механизмы терморегуляции. Для функционирования любой регуляторной системы необходимы: периферическая воспринимающая (рецепторная) часть, центральная управляющая часть и орган-исполнитель. Рецепторная часть системы терморегуляции включает периферические и центральные терморецепторы. Периферические холодовые и тепловые рецепторы расположены в коже и оценивают температуру окружающей среды. Максимальная устойчивая частота импульсации холодовых рецепторов достигается при температуре между 15 и 34°С, а тепловых – между 38 и 43°С. Центральные рецепторы расположены в переднем гипоталамусе и с очень большой точностью (0,01°) оценивают температуру крови, омывающей эту область мозга.

Гипоталамический центр терморегуляции работает по принципу поддержания установочной, т. е. нормальной температуры. Любое отклонение от этой температуры воспринимается как сигнал о необходимости коррекции. В качестве входящей информации терморегуляторным центром используются данные терморецепторов с возможно большего количества термочувствительных участков тела.

Система терморегуляции – это одна из наиболее филогенетически молодых, т. с. поздно возникших систем организма. С этим обстоятельством связана особенность системы терморегуляции – множественность органов-исполнителей. Действительно, каждая система в организме имеет свой орган-исполнитель, а у системы терморегуляции их как минимум четыре: потовые железы, кровеносные сосуды (артериолы и артериовенозные анастомозы кожи), скелетные мышцы, некоторые железы внутренней секреции, поведенчиские реакции.

Увеличение внешней температуры вызывает усиление импульсации с периферических терморецепторов. В результате центр терморегуляции через симпатическую нервную систему снижает тонус гладких мышц в стенках артериол и артериовенозных анастомозов, вызывает их расширение.

Одновременно или на несколько минут позднее происходит усиление потоотделения: центр терморегуляции через специализированные симпатические холинергические (в качестве медиатора выделяющие ацетилхолин) волокна активирует потовые железы.

Под действием холода, когда температура кожи снижается ниже нормальной, возникает холодовая дрожь, сопровождающаяся усилением теплопродукции. В результате дрожи внутренняя температура может несколько повыситься. Если на холоде выполняется произвольная физическая работа, возникает значительное повышение внутренней температуры и реакция дрожи подавляется.

В состоянии покоя в теле образуется тепла 75-90 ккал/ч. Это количество тепла отдается в окружающую среду, и температура тела поддерживается постоянной. При физической работе теплопродукция многократно увеличивает­ся и может достичь 900 ккал/ч. Рассеивание такого количества тепла – боль­шая нагрузка для системы теплоотдачи. При испарении одного литра пота потребляется 580 ккал. Значит, для отдачи 900 ккал нужно испарить 1,55 л пота (900 ккал образованного тепла/580 ккал тепла на испарение 1 л пота = 1,55 л пота).

При физической активности происходит многократное увеличение МОК и перераспределение крови, так что доля МОК, направляемого к рабо­тающим мышцам, может доходить до 80-90%. Если же физическая нагрузка выполняется в условиях повышенной температуры и влажности, помимо за­дачи обеспечения работающих мышц достаточным количеством крови при­ходится решать и задачу регуляции температуры тела, связанную со значи­тельным увеличением кожного кровотока. Достаточно сказать, что при рабо­те в комфортных условиях доля кожного кровотока составляет около 5% от МОК, а в жарких условиях может достигать 20%. Таким образом, возникает конфликт между обеспечением работающих мышц необходимым количест­вом крови и направлением достаточных количеств крови к коже для терморе­гуляции. В результате расширения кожных сосудов туда направляется значительное количество крови и кровоснабжение работающих мышц уменьшает­ся. Как следствие снижается выносливость. В результате специфического пе­рераспределения крови венозный возврат к сердцу уменьшается. Это влечет за собой уменьшение систолического объема. МОК некоторое время удается поддерживать на постоянном уровне за счет увеличения ЧСС. В дальнейшем МОК падает, несмотря на увеличенную по сравнению с комфортными условиями ЧСС.

При работе в условиях повышенной температуры происходит увели­чение потребления кислорода, которое, по крайней мере частично, идет на покрытие увеличенных энерготрат, на усиленное потоотделение и учащенное дыхание, усиленную работу сердца. В связи с уменьшением кровоснабжения работающих мышц они в большей степени используют в качестве источника энергии анаэробный гликолиз, в результате увеличиваются расход мышечно­го гликогена и накопление лактата в работающих мышцах. Работа в условиях повышенной внешней температуры вызывает изменения в водном балансе организма. Увеличенная потребность в отдаче тепла через испарение влечет за собой повышенное потоотделение. Пот – это гипотоническая жидкость, выделяемая потовыми железами под влиянием команды из гипоталамического центра терморегуляции, передаваемой по специализированным симпати­ческим волокнам. Пот образуется при фильтрации плазмы крови. При прохо­ждении фильтрата по протоку потовой железы из него реабсорбируются ио­ны натрия и хлора. Чем медленнее процесс, тем полнее реабсорбция. При не­высокой скорости образования пота в покое реабсорбция может быть практи­чески полной. При увеличении скорости потообразования количество ионов натрия и хлора в поте значительно увеличивается. У тренированных спорт­сменов в видах спорта, развивающих выносливость, концентрация ионов на­трия и хлора в поте ниже, чем у нетренированных людей, по-видимому, за счет действия альдостерона.

Интенсивное потоотделение при выполнении длительных и напря­женных физических нагрузок в условиях повышенной температуры и влаж­ности сопровождается значительными потерями жидкости. Человек может терять 1,5-2,5 л пота в час, или 2-4% веса тела. Значительная потеря жидкости приводит к уменьшению объема циркулирующей крови. Это отрицательно сказывается на кровоснабжении работающих мышц, способствует аккумуляции тепла в организме, увеличивает вязкость крови, приводит в увеличению нагрузки на сердце. В результате в видах спорта с длительным (более 30 мин) пребыванием на дистанции значительно падает выносливость. Потери элек­тролитов и жидкости стимулируют выделение альдостерона и антидиурети­ческого гормона (АДГ). Альдостерон ограничивает выделение почками на­трия. В результате в организме задерживается натрий и как следствие – вода. АДГ способствует реабсорбции воды в дистальных извитых канальцах почек. Таким образом удается частично компенсировать значительные потери жид­кости и электролитов с потом за счет уменьшения их потерь с мочой.

Расстройства в функционировании организма, связанные с действием повышенной температуры. При одновременном воздействии на орга­низм повышенной внешней температуры и физической нагрузки возникает выраженное рассогласование между накоплением в организме тепла и возможностями его отдачи. В результате могут развиться следующие нежелательные состояния: мышечные судороги, тепловая перегрузка и тепловой удар.

Наиболее вероятной причиной возникновения мышечных судорог при работе в условиях повышенной температуры являются потери электролитов и обезвоживание, обусловленные интенсивным потоотделением.

Тепловая перегрузка – это расстройство, связанное с неспособностью сердечно-сосудистой системы удовлетворять повышенные потребности организма в условиях теплового стресса (избыточного накопления тепла в организме). Напомним, что работа в жарких условиях характеризуется конкурен­цией активных мышц и кожи за достаточное кровоснабжение. При уменьшенном объеме крови это может привести к следующему симптомокомплексу: понижение АД на фоне слабого учащенного пульса, одышка, головокру­жение, утомление, рвота. Кожа может быть или влажной и холодной, или го­рячей и сухой. При тепловой перегрузке терморегуляторные механизмы про­должают функционировать, но не в состоянии обеспечить необходимую теп­лоотдачу из-за недостаточного количества крови в кожных сосудах. Тепловая перегрузка и сопровождающие ее симптомы сосудистого коллапса могут на­блюдаться при не очень высокой температуре ядра – около 39°С.

Наиболее восприимчивы к тепловой перегрузке недостаточно физиче­ски подготовленные и не акклиматизированные к повышенной внешней температуре люди. Если тепловую перегрузку не предотвратить, она может перейти в тепловой удар.

Тепловой удар – опасное для жизни состояние, возникающее в резуль­тате неадекватной работы системы терморегуляции. Для теплового удара характерны: подъем температуры ядра выше 40°С, прекращение потоотделения и как следствие – горячая и сухая кожа, повышенное АД, учащенные сердеч­ный ритм, одышка, головная боль, головокружение. Возможны помрачение сознания, галлюцинации, полная потеря сознания. Поскольку теплопродук­ция во время работы зависит от массы тела, крупные спортсмены сильнее подвержены перегреванию, чем маленькие.

Акклиматизация к длительному пребыванию в условиях повышенной температуры. Длительное пребывание в условиях повышенной температуры и особенно выполнение в этих условиях физических нагрузок приводят к изменениям в организме, способствующим интенсификации про­цесса отдачи тепла. В частности, происходит следующее: снижение порога потоотделения, т.е. образование пота начинается раньше, после начала рабо­ты, усиливается потоотделение на участках кожи с максимальной способно­стью к отдаче тепла. В результате температура кожи оказывается ниже, чем до акклиматизации в тех же условиях, т.е. увеличивается градиент температур между кожей и окружающей средой и кожей и ядром. Вследствие улуч­шения условий теплоотдачи снижается кожный кровоток, что, в свою оче­редь, благоприятно сказывается на кровоснабжении работающих мышц: уве­личивается доля сердечного выброса, направляемая к ним. Таким образом, распределение сердечного выброса у акклиматизированных людей оказыва­ется более рациональным. Усиление теплоотдачи приводит к тому, что во время выполнения физических нагрузок температура тела повышается мень­ше. В результате акклиматизации происходит изменение состава выделяемо­го пота: он становится менее концентрированным, т.е. в организме сохраня­ются запасы ионов. Возможно, именно с этим обстоятельством связано неко­торое транзиторное, т.е. быстро проходящее увеличение объема циркули­рующей крови, возникающее по законам осмоса вследствие повышенного содержания ионов в крови. Увеличение объема циркулирующей крови и оп­тимизация перераспределения крови способствуют увеличению систоличе­ского объема и, соответственно, уменьшению ЧСС при работе. Акклиматиза­ция сопровождается уменьшением накопления лактата и водородных ионов в результате снижения интенсивности расходования мышечного гликогена. Перечисленные изменения способствуют тому, что акклиматизированный к условиям повышенной внешней температуры человек при работе утомляется меньше, чем не акклиматизированный.

Поскольку при тренировке выносливости даже в термонейтральных условиях происходит увеличение объема циркулирующей крови и совершен­ствуются механизмы перераспределения кровотока, квалифицированный спортсмен при прочих равных условиях оказывается более подготовленным к работе в жарких условиях и легче акклиматизируется. Вместе с тем самой по себе тренировки выносливости недостаточно для достижения специфической тепловой адаптации. Следует иметь в виду, что с возрастом переносимость повышенной окружающей температуры снижается. Потоотделение начинает­ся позднее, кожный кровоток увеличивается сильнее, а максимальные возможности его увеличения уменьшаются.

Максимально быстрой акклиматизации спортсменов перед соревнованиями, проводимыми в жарком климате, удается добиться, если они не пре­кращают тренировочных занятий. Эффективность акклиматизации повыша­ется, если пребывание в условиях повышенной температуры дополняется достаточно интенсивными физическими нагрузками. Показано, что при тре­нировочных занятиях в течение часа и более в день акклиматизация наступа­ет через 5-10 дней. В самом начале пребывания в жарких условиях во избе­жание тепловой перегрузки или теплового удара интенсивность физических упражнений следует снизить до 60-70% от обычной и лишь постепенно дове­сти до необходимой интенсивности. Адаптация сердечнососудистой систе­мы происходит при этом достаточно быстро – уже в первые 3-5 дней. Для адаптации системы потоотделения требуется около 10 дней.

Восполнение потерь воды во время соревнований. Как уже упоминалось выше, при выполнении интенсивной и длительной (не менее 30 мин) физической работы при повышенной окружающей температуре происходит значительная потеря жидкости – обезвоживание организма, которое в конеч­ном счете может привести к тепловому удару. Чтобы избежать этого опасно­го состояния, необходимо восстанавливать содержание жидкости в организме с помощью питья, причем в идеальном случае количество потребляемой жидкости должно соответствовать количеству выделившегося пота. Поскольку центр жажды недооценивает потери жидкости, пить надо “с избытком”, т.е. больше, чем хочется. Спортсмены склонны недооценивать проблему обезвоживания на дистанции, перетерпеть, но в результате работоспособ­ность на дистанции резко снижается. При достаточном потреблении воды на дистанции температура повышается в меньшей степени. Если прием жидко­сти правильно распределен во времени (по дистанции), т.е. при дробном приеме воды – по 150-200 мл каждые 10-15 мин, уменьшаются потери плазмы и, следовательно, поддерживается нормальный объем циркулирующей крови, что положительно сказывается на работе сердечнососудистой системы. При­ем жидкости на дистанции вызывает увеличение работоспособности. Что и как следует пить на дистанции? Известно, что большие объемы жидкости бы­стрее уходят из желудка, однако на дистанции переполнение желудка вызо­вет неприятные ощущения, поэтому пить следует понемногу, но часто. Из­вестно также, что холодная жидкость быстрее удаляется из желудка за счет усиления активности гладких мышц, следовательно, питье должно быть ох­лажденным. Потребление растворов глюкозы не только способствует воспол­нению запасов жидкости в организме, но и дает возможность поддерживать нормальный уровень глюкозы в крови, что очень важно для сохранения вы­сокой работоспособности при длительной работе, поскольку концентрация глюкозы в крови при этом уменьшается. Вместе с тем известно, что растворы глюкозы высокой концентрации медленнее эвакуируются из желудка, т.е. выпитая жидкость дольше находится в желудке. Таким образом, целесооб­разно применять растворы глюкозы низкой концентрации – не более 2,5%. Для ускорения эвакуации из желудка питье должно быть низкоосмолярным, что обеспечивается низким содержанием в нем солей. Доводом в пользу низ­кого содержания солей в потребляемой жидкости служит то обстоятельство, что пот является гипотоническим раствором и, следовательно, с ним теряется относительно больше воды, чем солей. При определении общего количества жидкости, которое желательно выпить на дистанции, следует иметь в виду, что максимальная скорость всасывания воды не превышает 0,8 л/ч. Прием дополнительного количества солей показан только при повторном (несколько дней подряд) выполнении тяжелой и длительной работы со значительным потоотделением. Но даже в этом случае солевые растворы следует принимать не во время работы. Многодневные тренировки в условиях повышенной тем­пературы требуют особого внимания к поддержанию нормального водно-солевого баланса в организме. Долгое время существовали завышенные нор­мы по приему солей для обычных людей при пребывании в жарких условиях. Например, американская медицинская ассоциация рекомендовала для находящихся в пустыне ежедневный прием не менее 15 г хлористого натрия (по­варенной соли) в день. Это неоправданно много. Действительно, для адапта­ции системы водно-солевого баланса к жарким условиям необходимо повы­шенное содержание альдостерона в крови, способствующего задержке натрия в организме. Если потреблять завышенные количества натрия, уровень на­трия в крови будет высоким, а выход альдостерона в кровь, соответственно, окажется уменьшенным. В результате альдостерон не сможет эффективно поддерживать водно-солевой баланс в организме. Особенно нужен избыток альдостерона при выполнении физических нагрузок в первые дни пребыва­ния в жарких условиях. По-видимому, реальные потребности в соли у обыч­ного человека составляют около 1 г в день. Другое дело, систематические тя­желые тренировки с большими потерями пота. В этих условиях необходимо восполнять потери солей из расчета: 4 л пота – 3-4 г солей в сутки, 5 л пота -около 10 г солей, 6 л пота – до 15 г солей. Восполнять потери солей следует между тренировками и с учетом того, что поступление значительных коли­честв солей в организм должно сопровождаться повышенным потреблением воды. На каждые 5 г соли необходимо выпивать дополнительно до 1 л воды.