Механизмы тепловых потерь организма

Количество тепла, которое теряют различные организмы в среду, зависит от их массы. На рисунке 9 приведено соотношение теплопотери и массы различных млекопитающих. Как видно из рисунка эта зависимость практически линейна в достаточно широком диапазоне масс организмов.

Потеря тепла в среду осуществляется в результате трех основных физических процессов: теплоизлучения, теплопроведения и испарения воды.

Из физики известно, что любое тело, темпе-

Рис. 9 ратура которого выше абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны в достаточно широком диапазоне. Количество энергии, которое теряет тело, описывается законом Стефана-Больцмана:

q₁ = k₁ S t (T_о⁴ - T_с⁴),

где k₁ - постоянная, S - площадь поверхности организма, t - время излучения, Т_о - температура поверхности организма, Т_с - абсолютная температура среды. Это очень эффективный механизм, обеспечивающий почти 2/3 энергетических потерь. Интересно оценить диапазон длин волн, в котором осуществляется теплоизлучение. Для этого воспользуемся законом смещения Вина. Этот закон утверждает, что длина волны, на которую приходится максимальная энергия излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре:

 _m = b/T, b - константа, равная 2898 мкм ´ град.

Если считать, что средняя температура по всей поверхности организма равна 27 градусов по Цельсию, то в шкале Кельвина Т= 273 + 27 = 300 К. Тогда длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения, будет равна: _m = 9,6 мкм.

Нетрудно убедиться, что эта длина волны соответствует инфракрасной области. Здесь необходимо отметить, что инфракрасное излучение организма регистрируется с помощью специальных приборов - тепловизоров - на экране электронно-лучевой трубки в виде изображения. Его яркость пропорциональна интенсивности теплового излучения - чем выше температура излучающей поверхности, тем большая яркость изображения в этой области. Тепловидение оказалось, как показывают клинические наблюдения, очень эффективным методом для диагностики поверхностных заболеваний сосудистой системы и раннего выявления злокачественных опухолей молочной железы у женщин. При этих заболеваниях происходит изменение скорости энергетического обмена, соответственно тепловыделения и теплоизлучения. С помощью тепловизора можно обнаруживать участки поверхности организма, температура которых отличается на 0.1^oC.

Вторым важным механизмом тепловых потерь является теплопроведение. Когда нагретое тело находится в среде, то в результате столкновения окружающих молекул с поверхностью тела происходит обмен кинетическими энергиями. Если температура тела выше, то молекулы получают дополнительную энергию и, диффундируя в среду, передают ее другим молекулам. Поэтому происходит уменьшение средней кинетической энергии молекул поверхности организма, т.е. потеря тепла. С достаточно хорошей степенью точности количество потерянного тепла можно представить в виде:

q₂ = k₂ S t (Т_о - Т_с),

здесь k₂ - коэффициент теплопроведения, остальные величины те же, что и в законе Стефана-Больцмана. Хорошо известно, что вода имеет значительно больший коэффициент теплопроведения, чем сухой воздух. Поэтому при низких температурах и высокой влажности воздуха происходит достаточно энергичная потеря тепла и остывание организма.

При испарении любой жидкости происходит потеря тепла

q₃ = M,

где  удельная теплота парообразования, М - масса испаренной жидкости. В процессе жизнедеятельности с поверхности организма человека происходит испарение пота, на 98% состоящего из воды. Массу испаренного пота в первом приближении можно представить в виде:

М = w t S,

где w количество пота продуцируемого потовыми железами в единицу времени на единицу площади поверхности организма, S - площадь поверхности. Тогда количество тепла, потерянного организмом со всей площади поверхности можно представить:

q₃ = w S t,

где t - время в течение которого испаряется пот. Результирующая теплопотеря будет равна:

Q = q₁ + q₂ + q₃ = _k1St(T_o⁴ - T_c⁴ ) + k₂ St(T_о - T_с) + w S t

Температура организма не будет изменяться лишь в том случае, если количество теряемого тепла будет равно теплопродукции:

Е_о (1 - h) = k₁ St(T_о⁴ - T_с⁴) + k₂ S t (T_о - T_с) +S w t

Последнее уравнение получило название уравнение теплового баланса организма. Из этого уравнения вытекают очень важные следствия. Вынесем в правой части за скобки площадь поверхности и поделим обе части на разность (1 -):

полученное выражение количественной форме определяет закон поверхности: энергетические потребности организма пропорциональны площади его поверхности.

Из этого закона вытекает важный вывод, имеющий общебиологическое значение: с увеличением массы организма должна уменьшаться интенсивность энергетического обмена. Этот вывод обосновывается следующими соображениями.

Масса организма, равная произведению плотности на объем m = V, пропорциональна третьей степени линейных размеров организма (размерность объема [V] = м³, а поверхность организма лишь квадрату линейных размеров [S]=м² Поэтому с увеличением массы объем растет быстрее, чем площадь поверхности организма и, следовательно, тепловая потеря в среду. Для исключения перегрева в единице массы организма должно выделяться меньшая теплопродукция. Другими словами, у мелких животных на единицу массы больше теряется в среду тепла. Компенсация этой теплопотери должна достигаться интенсификацией энергетического обмена. Рассмотренными закономерностями объясняется повышенная частота сокращения сердца у мелких животных по сравнению с крупными организмами. Если например, у человека пульс в среднем равен 75 1/мин, у мыши этот показатель достигает 150-200 1/мин.

Анализ уравнения теплового баланса позволяет теоретически предсказать, каким образом может осуществляться поддержание постоянства температуры при изменениях этого показателя в окружающей среде. Рассмотрим, к примеру случай, когда температура в окружающей среде Т_с понижается.

В этом случае происходит нарушение уравнения теплового баланса: величина тепловых потерь превосходит теплопродукцию и организм начинает охлаждаться. Для сохранения постоянства температуры имеются два пути: увеличение теплопродукции и снижение тепловых потерь. В реальных условиях функционируют оба механизма. Рассмотрим, каким образом организм способен повысить теплопродукцию Q = Е_о (1 - ). Очевидно, это можно сделать либо за счет увеличения количества энергии, выделяемой при окислении питательных веществ Е_о либо в результате уменьшения коэффициента полезного действия энергетического обмена.

Увеличение Е_о обеспечивается с помощью повышения количества окисляемых веществ. Для этой цели в организме имеются специальные гормоны (химические вещества, выделяемые железами внутренней секреции), важнейшими из которых являются адреналин (гормон надпочечников), инсулин (гормон поджелудочной железы), тироксин (гормон щитовидной железы). При повышении в крови концентрации адреналина в печени происходит распад гликогена, освобождение глюкозы в кровь и поступление ее в клетки тканей. Инсулин увеличивает скорость поступления глюкозы в клетки. Повышение концентрации углевода в клетках способствует интенсификации энергетического обмена и увеличению количества первичной теплопродукции. Тироксин нарушает сопряжение окислительного фосфорилирования - уменьшает количество синтезируемых молекул АТФ при неизменном количестве окисленных молекул углеводов. Поэтому выделяющаяся при окислении энергия не запасается в молекулах АТФ, а расходуется в виде тепла.

К числу механизмов, способствующих увеличению теплопродукции относится "мышечная дрожь". Хорошо известно, что при охлаждении организма наблюдается хаотическое некоординированное сокращение мышечных волокон. В этом случае мышцы не совершают работы, а всю выделенную энергию при распаде АТФ преобразуют в тепло. Мышечную дрожь следует рассматривать как механизм, направленный на уменьшение коэффициента полезного дейст-вия (в данном случае он вообще равен 0) и увеличение вторичной теплопродукции. Следует отметить, что при низких температурах повышается тонус (напряжение скелетных мышц). В этом случае происходит расщепление молекул АТФ, однако работа не совершается и поэтому вся выделяющаяся энергия расходуется на нагревание организма.

Анализ правой части уравнения теплового баланса позволяет теоретически предсказать механизмы, за счет которых организм может уменьшить величину тепловых потерь. Детальное рассмотрение параметров, входящих в это уравнение показывает, что сохранение тепла может быть осуществлено только в результате уменьшения температуры поверхности организма. Речь, конечно, идет о биологических механизмах регуляции, поскольку теплоотдачу можно уменьшить в результате использования одежды, которая, изолируя поверхность организма, уменьшает теплоизлучение и теплопроведение.

Снижение температуры поверхности достигается при уменьшении диаметра кровеносных сосудов, расположенных в кожных покровах. Хорошо известно, что кровь, обладая высокой теплоемкостью, является теплоносителем в организме. Поэтому падение кровотока приводит к охлаждению кожи и уменьшению разности температур: Т_о- Т_с и, следовательно, всех тепловых потерь. Следует однако отметить, что длительный холодовой спазм сосудов нарушает обмен веществ в тканях и сопровождается развитием патологического состояния ("отморожения").

При высоких температурах в среде основное значение для сохранение постоянства температуры имеют механизмы, направленные на удаление тепла. С этой целью наблюдается расширение кровеносных сосудов, повышение температуры кожи и увеличение теплопотерь. Однако при очень высоких температурах Т_с > То за счет теплоизлучения и теплопроведения организм не теряет, а наоборот получает тепло из среды. Поэтому теплопотеря может осуществляться только с помощью единственного механизма - испарения пота. При высокой влажности и этот механизм оказывается неэффективным - организм начинает перегреваться и его температура повышается. При длительном перегреве возникает патологическое состояние, которое называется тепловым ударом. В этом случае нарушается деятельность всех систем организма и, в первую очередь, нервной и сердечно-сосудистой системы. Кратковременный интегральный перегрев организма или локальный нагрев обладает лечебным действием.