Способы приспособления человека к высоким и низким температурам

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.

Климат оказывает на человека прямое и косвенное влияние. Прямое влияние
весьма разнообразно и обусловлено непосредственным действием климатических
факторов на организм человека и прежде всего на условия теплообмена его со
средой: на кровоснабжение кожных покровов, дыхательную, сердечно-сосудистую
и потооделительную системы.

Климат определяет для человека:

   
характер жилья и одежды;

   
характер питания;

   
расселение человека

   
уровень развития производительных сил;

   
внешний облик (строение глаз, цвет кожи, форма носа, рост и телосложение и
т.д.)

Климат также оказывает серьезное воздействие на самочувствие человека. О
многообразии влияния климатических факторов на здоровье человека известно
давно. Еще Гиппократ (460-377 гг. до н.э.) в своих «Афоризмах» писал, в
частности, что организмы людей ведут себя различно в отношении времени года:
одни расположены ближе к лету, другие – к зиме, и болезни протекают различно
(хорошо или плохо) в различные времена года, в разных странах и условиях
жизни. Это касается температуры тела, интенсивности обмена веществ, системы
кровообращения, состава клеток крови и тканей. Так, в летний период
происходит перераспределение крови от внутренний органов к кожным покровам,
поэтому артериальное давление летом ниже, чем зимой.

Большинство физических факторов внешней среды, во взаимодействии с которыми
эволюционировал человеческий организм, имеют электромагнитную природу.
Хорошо известно, что возле быстро текущей воды воздух освежает и бодрит: в
нем много отрицательных ионов. По этой же причине людям представляется
чистым и освежающим воздух после грозы. Наоборот, воздух в тесных помещениях
с обилием разного рода электромагнитных приборов насыщен положительными
ионами. Даже сравнительно непродолжительное нахождение в таком помещении
приводит к заторможенности, сонливости, головокружениям и головным болям.
Аналогичная картина наблюдается в ветреную погоду, в пыльные и влажные дни.
Специалисты в области экологической медицины считают, что отрицательные ионы
положительно влияют на здоровье человека, а положительные — негативно.

На организм человека, как правило, влияет не один какой-либо изолированный
фактор, а их совокупность, причем основное действие оказывают не обычные
колебания климатических условий, а главным образом их внезапные изменения.
Для любого живого организма установились определенные ритмы
жизнедеятельности разнообразной частоты.

Влияние климата на расселение человека

Население Земли размещено по её территории крайне неравномерно: на 7 % суши
проживает 70 % населения. Основная масса людей живет в пределах умеренного,
субтропического и субэкваториального климатических поясов.

Во всем мире в среднем на 1 км2 суши
(без Антарктиды) приходится около 26 человек. Однако страны зарубежной
Европы населены почти в 4 раза гуще, чем мир в среднем (93 человека на 1 км2);
густо заселена и зарубежная Азия (в среднем около 70 человек на 1 км2).
Население Америки и Африки примерно в два раза реже, чем в Австралии (с
Океанией), и в десять раз реже, чем в среднем на Земле.

По собранным сведениям первый человек зародился в Африке, откуда люди стали
расселяться по планете. Первым покинул Африку и заселил Евразию Homo
erectus, миграции которого начались около 2 млн лет назад. За экспансией
Homo erectus последовала экспансия Homo sapiens. Человек современного типа
вышел на Ближний восток около 70 тыс. лет назад. Отсюда люди направились
сначала на восток и около 50 тыс. лет назад заселили Южную Азию, Австралии
около 40 тыс. лет назад. Это было их первое проникновение в земли, где ранее
человек ещё не бывал, даже если речь идет о почти вездесущем Homo erectus.
Дальний восток и Европа были заселены H.sapiens около 30 тыс. лет назад.
Относительно даты первого заселения человеком Америки до сих пор идут споры.
По одним оценкам, это произошло также около 30 тыс. лет назад, а по другим —
14 тыс. лет назад. Острова Тихого океана и Арктика оставались незаселёнными
до начала новой эры.

Географическая и климатическая разница мест расселения, различия в питании –
вот что сделало людей столь отличающимися друг от друга. Климат и питание
повлияли на разницу в цвете кожи, телосложении, размерах челюстей жителей
разных материков. Самым благоприятным для жизни считается жаркий пояс.
Теплый влажный климат и обилие дикой растительности помогли человеку в
переходе от собирательства к земледелию. В районах с двумя сезонами – сухим
и влажным – урожай можно собирать дважды в год; там, где сезонных изменений
не наблюдается, – еще чаще. Население многих стран полностью зависит от
урожая, и засуха способна вызвать голод.
Цвет кожи человека показывает, к жаркому или холодному климату были
приспособлены его предки. Цвет кожи вовсе не означает принадлежности к той
или иной расе. Просто черная кожа хороша для “большого солнца”, а белая –
для “малого”. Отличие по цвету кожи – результат разных климатических условий
жизни людей.

В холодном климате человеческому организму необходимо больше мясной пищи.
Эта необходимость совпадает с возможностями арктических земель. Вырастить
здесь съедобные растения практически невозможно, с древности обитатели
Арктики питаются олениной, тюлениной и рыбой, изредка их рацион пополняют
ягоды. Зато проблем с хранением пищи проблем нет – мясо, положенное в яму в
снегу или льду, не испортится. 
Жизнь в том или ином климате влияет даже на внешность человека. Когда ученые
и путешественники приезжают в Арктику или Антарктиду, они должны носить очки
с темными стеклами – лучи солнца отражаются от снега и ослепляют. А коренные
народы Севера за многие тысячелетия приспособились к этому – у них узкий
разрез глаз. Обитатели засушливых равнин в теплом и умеренном поясах
приспособлены к пыльным бурям и постоянной ветреной погоде – их глаза
защищает особая складка верхнего века.
В племенах, которые жили вдоль экватора и питались плодами, собранными с
земли, постоянно не хватало еды. Это привело к выживанию только людей
маленького роста! Так образовались племена пигмеев. Севернее, из-за
длительной перенаселенности и недостатка пищи жили люди среднего роста, но
хрупкого телосложения. Как только улучшались условия жизни, изменялись
размеры тела. Результат улучшения условий жизни проявился уже в следующем
поколении. 
Размер зубов также зависит от питания. Большие зубы у народов, привыкших
питаться грубой сырой пищей. Долгое потребление вареной пищи вело к
уменьшению тех лицевых структур, которые связаны с жеванием. Самые маленькие
зубы у населения Европы, Ближнего Востока, Китая. Нижняя челюсть имела
тенденцию к уменьшению до тех пор, пока зубы верхней челюсти не стали
перекрывать нижних.
Жизнь в разных условиях повлияла и на “носатость” разных народов. В
высокогорьях меньше кислорода в воздухе; на севере силен мороз. Чукча с
орлиным носом быстренько простудится и умрет, кавказца с маленькими ноздрями
замучит нехватка воздуха.
Применение орудий уменьшило потребность в мощных мышцах и прочных костях. В
результате повсеместно скелеты становятся менее прочными, а общее строение
хрупким.
Несомненно, из всего вышеперечисленного, что климатические условия жизни
человека и связанные с ними способы питания определили особенности как
внешнего строения человека – рост, масса тела, нос, волосы, так и
особенности его внутреннего строения (например, разные размеры челюсти).
Изменение места проживания соответственно приведёт к изменению этих
особенностей.

Приспособления человека к климату

Акклиматизация человека, процесс активного приспособления организма к
непривычным для него климатическим условиям. При А. привычный уровень
подвижного равновесия организма с внешней средой, сложившийся в определённых
климатических условиях постоянного жительства, перестраивается, и
постепенно, в различные сроки, вновь устанавливается более или менее
устойчивое равновесие. Реакции А. регулируются рефлекторным и
нейрогуморальным путями. Физико-географическая среда действует на организм
человека всей совокупностью сложных сочетаний метеорологических факторов, их
непрерывной динамикой, изменениями погоды. Смена климата часто оказывает
стимулирующее действие на организм, что учитывается при направлении на
курорты и используется в целях закаливания и лечения различных заболеваний.
Наиболее закаливающее действие на здоровых людей оказывает климат северных
широт и высокогорий. При этом решающую роль играют условия быта, труда и
отдыха (жилища, рабочие помещения, одежда, питание) и специальные
гигиенические приспособления (кондиционирование воздуха, маски и др.).
Адаптация бывает четырех видов:

1. Срочная (используются все резервы, имеющиеся в настоящее время).

2. Долговременная (структурные изменения в организме: например, постоянные
физические нагрузки спортсмена). Это многократное повторение срочных
адаптационных процессов.

3. Специфическая (совокупность изменений, обеспечивающих поддержание
постоянства внутренней среды организма в условиях влияния факторов внешней
среды или напряженной жизнедеятельности).

4. Общая (неспецифическая). Это совокупность изменений, приводящих к
мобилизации энергетических и пластических ресурсов организма для обеспечения
специфических адаптационных реакций человека, а также активации общих
защитных сил.

Акклиматизация обусловливают те факторы природной среды, которые в
наибольшей степени отличаются от условий прежнего местопребывания: высокая и
низкая температура, повышенная влажность, сухость, недостаточная или
избыточная ультрафиолетовая радиация, пониженное или повышенное атмосферное
давление и т. д.
При приспособлении человека к новым климатогеографическим условиям наряду с
биол. процессами важное место занимают социально-экономические факторы:
условия труда и быта, характер питания, одежда, жилище и др.
В нашей стране изучение процессов А. получило широкое развитие в связи с
осуществлением грандиозных планов освоения Заполярья, Сибири, Дальнего
Востока, а также использованием природных ресурсов жарких пустынных зон.
Исследования, проведенные в Сибирском филиале АН, позволяют прогнозировать
напряженность и направленность процессов А., разрабатывать соответствующие
режимы питания и другие вопросы жизнеобеспечения населения в осваиваемых
районах.
Здоровые люди сравнительно легко, без особых функциональных расстройств,
переносят процесс А. Наибольшего напряжения механизмов адаптации требует А.
в трудных природных условиях, напр, на Крайнем Севере, в Антарктиде, где она
может сопровождаться некоторыми функциональными расстройствами. В период
полярной ночи возможно угнетенное состояние и сонливость, в период полярного
дня — возбуждение. При работе на открытом воздухе может повыситься обмен
веществ. При сильном холоде и ветре возможно понижение кровяного давления и
затруднение функции дыхания — появляется так наз. полярная одышка.
А. в жарком климате может сопровождаться потерей аппетита, расстройством
деятельности кишечника, нарушением сна, понижением сопротивляемости к
инфекционным заболеваниям. Отмеченные функциональные отклонения
обусловливаются нарушением водно-солевого обмена. Снижается мышечный тонус,
увеличивается потоотделение, понижается мочевыделение, учащаются дыхание,
пульс и др. По мере увеличения влажности воздуха напряжение механизмов
адаптации возрастает. Наиболее тягостна для человека А. в экваториальном
климате влажных тропических лесов. Перегревание тела может вызвать тепловой
удар, тепловое истощение, а при большом выделении с потом минерал, веществ —
тепловые судороги. Для улучшения самочувствия соблюдают водно-солевой режим,
рациональное питание, носят соответствующую одежду, в помещениях
устанавливают кондиционеры. С течением времени повышается выносливость к
высокой температуре и влажности, нормализуется обмен веществ и другие
физиол. функции. Появившийся загар ослабляет действие избыточной
ультрафиолетовой радиации. В течение первого месяца А. пульс при физической
работе снижается на 20—З0 ударов в мин., а температура тела —на на 0,5—1° по
сравнению с первыми днями пребывания в новых климатических условиях.
Завершение А. наступает через более длительное время, иногда исчисляемое
годами.
А. в условиях высокогорья протекает тем сложнее, чем выше над уровнем моря
находится место нового пребывания (см. Торная болезнь). В ходе А. физиол.
функции постепенно стабилизируются и достигают показателей, характерных для
постоянных жителей гор, с некоторым урежением ритма сердца, замедлением
скорости кровотока, снижением уровня основного обмена.
Смена климата часто оказывает и благотворное влияние на организм, что широко
используется в курортологии. На курорты направляются для профилактики и
лечения ряда заболеваний, например, бронхиальной астмы, заболеваний почек и
др.