|
Терморегуляция
Понятие терморегуляции
Терморегуляция (<термо> - температура, <регуляция> - управление) - совокупность процессов поддержания относительного постоянства температуры организма, состоящая из процессов образования и отдачи тепла.
Организмы млекопитающих и птиц имеют постоянную температуру тела, относительно не зависящую от изменений температуры окружающей среды. Благодаря постоянству температуры химические реакции в этих организмах имеют возможность протекать с относительно постоянной скоростью. Ненаучно организмы млекопитающих и птиц называют теплокровными.
Организмы пресмыкающихся (змеи, крокодилы, черепахи, ящерицы), земноводных (лягушки), рыб и более низших животных и всех растений не имеют хорошо организованных механизмов поддержания постоянства температуры. Температура их организма во многом определяется температурой окружающего воздуха (или воды). При понижении окружающей температуры процессы жизнедеятельности этих организмов затормаживаются, а при повышении - ускоряются. Ненаучно такие организмы называют холоднокровными.
Поддержание постоянной температуры организма возможно благодаря наличию системы управления температурой или системы терморегуляции.
Терморегуляция может осуществляться двумя способами:
за счет изменения скорости производства тепла (теплообразования)
за счет изменения скорости отдачи тепла (теплоотдачи)
Процессы образования и отдачи тепла осуществляются под контролем нервной системы и системы желез внутренней секреции.
Теплообразование
Для протекания процессов жизнедеятельности в организме необходима энергия. Эта энергия образуется в результате распада химических веществ (в основном, углеводов и жиров), которые мы потребляем с пищей. Природа создала организмы так, что лишь часть освободившейся энергии может быть использована для процессов жизнедеятельности, другая же часть рассеивается в виде тепла. Эти процессы носят название процессов образования тепла (процессы теплообразования, теплопроизводства или теплопродукции).
В покое основную роль в производстве тепла играют такие органы, как печень, сердце, головной мозг, железы внутренней секреции, почки, в которых велика скорость обмена веществ (и, соответственно, велика скорость распада веществ с освобождением энергии). В виду высокой скорости обмена веществ температура клеток этих органов несколько выше температуры клеток других органов (например, температура печении - 380 С). Порядка 20 % тепла в покое дают неработающие мышцы. Хотя скорость обмена веществ в мышцах в покое невелика, однако мышечная масса составляет большой процент от массы тела, благодаря чему существенен вклад мышц в образование тепла. В других клетках организма также образуется тепло, но его доля в общем теплообразовании мала.
Относительно равномерное распределение тепла в организме обеспечивается кровью. Проходя по печени, сердцу, головному мозгу и другим <теплым> органам, кровь нагревается, одновременно охлаждая их, а, проходя по поверхностным мышцам, коже и другим <холодным> органам, кровь охлаждается, одновременно согревая их. Тем не менее, температура поверхности тела остается несколько ниже температуры внутри тела.
Во время мышечной деятельности к теплу, производимому клетками печени, сердца, головного мозга, желез внутренней секреции и добавляется огромное количество тепла, освобождаемое в результате мышечного сокращения.
Сокращающаяся мышца производит тепло несколькими способами,
основными из которых являются:
тепло распада химических веществ, обеспечивающих энергией процесс мышечного сокращения (основной способ теплообразования)
тепло, образующееся в результате трения сократительных элементов мышечных клеток.
Как уже говорилось в разделе <Двигательная система>, лишь некоторая часть энергии распада химических веществ может быть использована на синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), и лишь часть энергии распада АТФ идет непосредственно на мышечное сокращение. Основная же часть энергии (более 70 %) рассеивается в виде тепла, обеспечивая согревание организма.
Таким образом, коэффициент полезного действия мышечного сокращения чрезвычайно низок (менее 30 %).
КПД (коэффициент полезного действия) различных видов двигательной деятельности.
Итак, основную роль в производстве тепла в организме играют процессы распада, происходящие в клетках. При мышечной работе основной производитель тепла - сокращающиеся мышцы.
Теплоотдача
Живой организм постоянно производит тепло.
Если бы не существовало противоположных процессов - отдачи тепла (процессов теплоотдачи), то организм довольно быстро нагрелся бы до температуры, при которой происходят необратимые изменения белков, и, соответственно, наступает смерть (смерть наступает при температуре выше 42-430 С).
Если бы отсутствовали механизмы теплоотдачи, температура организма взрослого человека в покое повышалась бы каждый час на 1.240 С.
Однако в норме нагревания организма не происходит благодаря тому, что организм отдает тепло во внешнюю среду примерно с той же скоростью, с которой оно производит.
Таким образом, в механизмах теплоотдачи основная роль принадлежит коже, которая контактирует с окружающим воздухом, водой или предметами, излучает фотоны тепловой энергии, и с поверхности которой происходит испарение пота. Сам пот также образуется в коже - в более глубоких ее слоях.
Чаще всего испарение пота происходит незаметно как для человека, так и для окружающих. Если же скорость его образования выше, чем скорость его удаления, можно наблюдать капельки пота на поверхности тела человека.
В нейтральных условиях внешней среды (температура воздуха 290 C, минимальное движение воздуха) доля в общей теплоотдаче теплопроведения и конвекции составляет 40 %, радиации - 40 %, испарения - 20 %. Однако, чем выше температура окружающей среды, тем выше роль испарения. Если температура воздуха равна или выше температуры тела, то испарение остается единственным возможным механизмом теплоотдачи.
В свою очередь испарение сильно затрудняется при повышении влажности окружающего воздуха, и оно совсем невозможно в воде.
Профессиональные пловцы, осуществляющие ежедневные длительные тренировки в воде, нередко страдают заболеваниями почек. Из-за отсутствия возможности испарения пота при интенсивной мышечной деятельности в воде, та часть шлаков, которая могла бы выделиться через пот, выделяется через почки, затрудняя их работу. Многолетняя повышенная нагрузка на почки может привести к развитию почечных заболеваний.
Изменения в системе теплорегуляции при мышечной работе
При мышечной работе существенно возрастает образование тепла в сокращающихся мышцах.
При интенсивной мышечной деятельности до 95 % всего тепла, производимого в организме, обеспечивается работающими мышцами.
Если человек лежит неподвижно, но с напряженными мышцами, количество образуемого в организме тепла увеличивается на 10 %. Легкая мышечная работа увеличивает производство тепла на 60-70 %, а при тяжелой мышечной работе образование тепла в организме увеличивается в 20 раз.
Одновременно с увеличением теплообразования во время выполнения мышечной деятельности повышается и теплоотдача. Если человек выполняет динамическую работу (двигается, а не только напрягается), увеличивается конвекция, во всех случаях повышаются теплопроведение и радиация, но главное - увеличивается скорость образования пота и, в нормальных условиях, скорость его испарения.
Таким образом, при выполнении мышечной работы основным механизмом теплообразования становится испарение пота. Пот, как любая жидкость, испаряется с поглощением энергии, что приводит к снижению температуры кожи. Проходящая по коже кровь охлаждается и охлаждает в дальнейшем другие органы.
Еще раз стоит отметить, что теплопроведение, конвекция и радиация возможны только при условиях, когда температура окружающей среды ниже температуры тела. Снижение кожной температуры во время работы затрудняет механизмы теплопроведения, конвекции и радиации, так как уменьшается разница температур кожи и окружающей среды. Поэтому основным способом теплоотдачи во время мышечной деятельности является испарение пота. У высококвалифицированных бегунов на длинные дистанции скорость образования пота может достигать 2-3 литров в час (!). Вследствие значительного повышения дыхания во время мышечной работы, существенно увеличивается и испарение воды с поверхности дыхательных путей.
Значительные потери воды с потом и выдыхаемым воздухом приводят к резкому снижению массы тела за короткое время. Например, марафонцы за время пробегания дистанции могут потерять в массе до 2-4 кг (!).
Если мышечная деятельность достаточно интенсивна и длительна, то, несмотря на предельную мощность работы системы терморегуляции, образование тепла в организме превышает его отдачу, и наблюдается повышение температуры организма. В редких случаях у высококвалифицированных спортсменов, натренированных преодолевать существенные изменения внутренней среды организма, повышение температуры может достигать 410 C и выше (по некоторым данным температура работающих мышц может достигать 420 C).
Особенно характерно повышение температуры тела для бегунов на длинные дистанции. Если соревнования проходят при жаркой погоде, да еще при относительно высокой влажности, когда испарение пота затруднено, очень часто спортсмены получают тепловые удары. Нередкие также случаи смерти спортсменов от перегревания.
Умеренное повышение температуры во время работы имеет определенные преимущества
Увеличиваются эластические свойства связок, мышц, суставных элементов. Повышается подвижность суставов, растяжимость мышц, уменьшается риск возникновения травм.
Уменьшается вязкость крови, что облегчает работу сердца по ее продвижению.
Увеличивается скорость распада веществ, что позволяет освобождаться большему количеству энергии, которая может быть использована на мышечное сокращение.
Другие преимущества.
Изменения в системе терморегуляции
В результате регулярных многолетних занятий физическими упражнениями в системе терморегуляции поисходят такие изменения, которые позволяют поддерживать постоянство температуры тела при существенном увеличении скорости производства тепла, характерном для мышечной деятельности.
У профессиональных спортсменов существенно увеличена способность отдавать тепло. При одинаковой нагрузке потоотделение у спортсмена начнется раньше и будет более эффективным, чем у неспортсмена.
Механизмы теплопродукции спортсменов меняются иным образом. Коэффициент полезного действия тренированных мышц выше, чем нетренированных, поэтому во время мышечного сокращения меньшее количество энергии переходит в тепло. Однако мышцы спортсменов способны развивать значительно большее напряжение, поэтому за одинаковое время их организм все равно способен произвести большее количество тепла.
|