Человек, как и другие млекопитающие, относится к организмам с постоянной температурой тела – гомойотермные организмы, в отличие от пресмыкающихся, рыб, насекомых (пойкилотермные организмы).
Внутренняя, или центральная, температура тела остается относительно постоянной, несмотря на значительные колебания температуры окружающей среды. Как правило, в среднем нормальная температуры тела равна 37 оС с колебаниями от 36,1 оС до 37,2 оС, т.е.
внутренняя температура организма контролируется в пределах 0,6 оС. Максимальная температура тела отмечается в 18 часов, минимальная – в 4 часа утра.
Подобно колебаниям содержания кислорода и рН, изменение внутриклеточной температуры значительно модулирует метаболизм в клетках. Многие жизненно важные ферменты функционируют в узком температурном диапазоне, что требует соответствующих механизмов для поддержания теплового баланса.
Тепло образуется в процессе метаболизма.
Любое усиление клеточного метаболизма (в результате увеличения уровня тиреоидных гормонов, адреналина или норадреналина в крови, увеличения скорости основного обмена или при физических нагрузках) повышает выработку тепла.
В организме человека 60 % всего тепла образуется в мышцах, 30 % – в печени, 10 % – в прочих органах. В среднем человек массой 70 кгв условиях покоя выделяет около 72 ккал/час, а чтобы повысить его температуру на 1 оС, надо затратить примерно 58 ккал.
Тепловой баланс – это соотношение процессов теплопродукции, теплоудержания и теплоотдачи, т.е. баланс между системами, продуцирующими тепло и системами, в которых это тепло теряется .
Теплопродукция в основном является результатом биохимических процессов, теплоотдача и теплоудержание– преимущественно результат физических процессов.
Механизмы теплопродукции. Основное количество тепла в организме образуется при окислении белков, жиров и углеводов, а также в результате гидролиза АТФ. В условиях низкой температуры среды в организме включаются дополнительные механизмы образования тепла:
- 1. Сократительный термогенез (образование тепла вследствие сокращения скелетных мышц):
- а) произвольная двигательная активность;
- б) холодовая мышечная дрожь;
- в) холодовой мышечный тонус (прирост мышечного тонуса на холоде).
2. Несократительный термогенез (образование тепла в результате активации процессов катаболизма – гликолиза, гликогенолиза, липолиза). Он может наблюдаться в скелетных мышцах, печени, буром жире (за счет специфического динамического действия пищи).
- Механизмы теплоотдачи. Отдача тепла организмом в окружающую среду осуществляется следующими путями (рисунок):
- 1) испарение – отдача тепла за счет испарения воды;
- 2) теплопроведение – отдача тепла путем непосредственного контакта с холодным воздухом окружающей среды (уменьшается при наличии одежды и подкожного жирового слоя);
- 3) теплоизлучение – отдача тепла с участков кожи, не прикрытых одеждой;
- 4) конвекция – отдача тепла за счет нагревания прилежащих слоев воздуха, поднимания этих нагретых слоев и их замены холодными порциями воздуха.
В условиях температурного комфорта (20 – 22 оС) основное количество тепла отдается благодаря теплопроведению, теплоизлучению и конвекции, и лишь 20 % теряется с помощью испарения. При высокой температуре окружающей среды путем испарения теряется до 80 – 90 % тепла.
Теплоудержание обеспечивается подкожным жировым слоем, волосяным покровом, одеждой и поддержанием позы, при которой поверхность тела и процессы теплоотдачи минимальны. У теплокровных животных температура поддерживается на постоянном уровне.
При этом можно выделить 2 зоны поддержания температуры тела: гомойотермная «сердцевина» или «ядро», где температура действительно поддерживается постоянно и пойкилотермная «оболочка» – все ткани, расположенные не глубже 3 см от поверхности тела (кожа, подкожная клетчатка и т. д.
), температура которых во многом зависит от температуры окружающей среды. Для определения средней температуры тела используют формулу Бартона:
- Ттела = 2/3 Тядра + 1/3 Тоболочки.
- Рисунок. Составляющие теплового баланса человека (Рафф, 2001)
У человека средняя температура мозга, крови, внутренних органов приближается к 37 оС. Физиологический предел ее колебаний составляет 1,5 оС.
Температура тела более 43 оС практически несовместима с жизнью человека. Существуют циркадианные, т.е. околосуточные колебания температуры тела в пределах 1 °С.
Минимальная температура отмечается в предутренние часы, максимальная – во второй половине дня.
При комфортной температуре (20 – 22 оС) окружающей среды поддерживается определенный баланс между теплопродукцией и теплоотдачей. При температуре окружающей среды ниже 12 оС возрастает теплоудержание и, соответственно, теплопродукция, при температуре окружающей среды выше 22 оС преобладают процессы теплоотдачи и снижается теплопродукция.
Центры терморегуляции находятся в гипоталамусе. В переднем гипоталамусе – центры теплоотдачи, в заднем – центры теплопродукции.
Терморецепторы располагаются в коже, во внутренних органах, дыхательных путях, скелетных мышцах и ЦНС. Больше всего терморецепторов находится в коже головы и шеи. Есть холодовые и тепловые терморецепторы.
Симпатическая нервная система регулирует процессы теплопродукции (гликогенолиз, липолиз) и теплоотдачи (потоотделение, изменение тонуса кожных сосудов и т.д.).
Соматическая система регулирует тоническое напряжение, произвольную и непроизвольную активность скелетных мышц, т.е. процессы сократительного термогенеза.
Гипертермия наступает при температуре окружающей среды выше 37 0С (особенно при высокой влажности воздуха) или же при слишком интенсивном образовании тепла в организме при тяжелой физической работе.
При этом в первой (компенсированной) стадии расширяются периферические сосуды, усиливается потоотделение, учащается дыхание, что способствует удалению избытка тепла. Во второй стадии (также способной компенсироваться), несмотря на усиление теплоотдачи, температура тела повышается, учащаются дыхание и пульс, начинает болеть голова.
Третья стадия (некомпенсированная) характеризуется падением артериального давления, затормаживанием дыхания, исчезновением рефлексов вплоть до смертельного исхода.
Гипотермия возникает при нарушении баланса между теплопродукцией и теплоотдачей с преобладанием теплоотдачи. Чаще всего гипотермия развивается вследствие переохлаждения при низкой температуре окружающей среды. Алкогольное опьянение, отсутствие мышечных движений, истощение облегчают развитие гипотермии.
В первой фазе гипотермии в организме усиливается теплопродукция (за счет мышечной дрожи и повышения обмена веществ) и уменьшается теплоотдача (за счет спазма периферических сосудов, уменьшения потоотделения) и т.д. Во второй (декомпенсированной) фазе температура тела падает, функции головного мозга затормаживаются, артериальное давление падает.
Восстановление функций организма возможно только в том случае, если температура тела снизилась до 24 – 26 0С, но не ниже.
Физиология терморегуляции, механизмы, виды и изменения / биология
терморегуляции Это процесс, который позволяет организмам регулировать температуру своего тела, модулируя потерю и накопление тепла. В животном мире существуют разные механизмы регуляции температуры, как физиологические, так и этологические..
Регулирование температуры тела является основной деятельностью для любого живого существа, потому что этот параметр является критическим для гомеостаза тела и влияет на функциональность ферментов и других белков, текучесть мембран, поток ионов и другие..
В своей простейшей форме сети терморегуляции активируются посредством цепи, которая объединяет входы терморецепторов, расположенных в коже, во внутренних органах, в мозге, среди других.
Основные механизмы перед лицом этих холодных или тепловых раздражителей включают вазоконстрикцию кожи, расширение сосудов, выработку тепла (термогенез) и потоотделение. Другие механизмы включают поведение, способствующее или уменьшающее потерю тепла.
индекс
- 1 Основные понятия: тепло и температура
- 2 типа: тепловые отношения между животными
- 2.1 Эндотерм и экзотерма
- 2.2 Пойкилотерм и гомеотерм
- 2.3 Примеры
- 2.4 Чередование пространственной и временной эндотермии и эктотермии
- 3 Физиология терморегуляции
- 4 Механизмы терморегуляции
- 4.1 Физиологические механизмы
- 4.2 Этологические механизмы
- 5 Изменения терморегуляции
- 6 Ссылки
Основные понятия: тепло и температура
Чтобы говорить о терморегуляции у животных, необходимо знать точное определение терминов, которые часто путают студентов.
Понимание разницы между температурой и температурой необходимо для понимания терморегуляции животных. Мы будем использовать неодушевленные тела, чтобы проиллюстрировать разницу: вспомним два металлических кубика, один из которых в 10 раз больше другого.
Каждый из этих кубиков находится в комнате при температуре 25 ° С. Если мы измерим температуру каждого блока, оба будут при 25 ° C, хотя один большой, а другой маленький.
Теперь, если мы измерим количество тепла в каждом блоке, результат между ними будет разным. Для выполнения этой задачи мы должны переместить блоки в комнату с абсолютно нулевой температурой и количественно определить количество выделяемого ими тепла. В этом случае теплосодержание в большем металлическом кубе будет в 10 раз выше.
температура
Благодаря предыдущему примеру мы можем сделать вывод, что температура одинакова для обоих и не зависит от количества вещества в каждом блоке. Температура измеряется как скорость или интенсивность движения молекул.
В биологической литературе, когда авторы упоминают «температуру тела», они относятся к температуре центральных областей тела и периферических областей. Температура центральных областей отражает температуру “глубоких” тканей организма – мозга, сердца и печени.
Температура периферических областей, с другой стороны, зависит от притока крови к коже и измеряется в коже рук и ног..
тепла
Напротив – и возвращаясь к примеру блоков – тепло отличается в обоих инертных телах и прямо пропорционально количеству вещества. Это форма энергии, которая зависит от количества атомов и молекул рассматриваемого вещества..
Типы: тепловые отношения между животными
В физиологии животных существует ряд терминов и категорий, используемых для описания тепловых связей между организмами. У каждой из этих групп животных есть особые приспособления – физиологические, анатомические или анатомические – которые помогают им поддерживать температуру своего тела в адекватном диапазоне..
В повседневной жизни мы называем эндотермических и гомеотермических животных «теплокровными», а пойкилотермические и экзотермические животные – «хладнокровными»..
Эндотерм и экзотерма
Первый член эндотермия, используется, когда животному удается согреться с метаболическим выделением тепла. Противоположной концепцией является ectothermy, где температура животного определяется окружающей средой.
Некоторые животные не могут быть эндотермическими, потому что, хотя они производят тепло, они не делают это достаточно быстро, чтобы удержать его.
Пойкилотерм и гомеотерм
Другой способ классифицировать их – по терморегуляции животного. Термин пойкилотермные он используется для обозначения животных с переменной температурой тела. В этих случаях температура тела высокая в жарких условиях и низкая в холодных..
Животное пойкилотерм может самостоятельно регулировать свою температуру посредством поведения. То есть путем определения местоположения в зонах с высокой солнечной радиацией для повышения температуры или для сокрытия от этой радиации для ее снижения.
Термины пойкилотерм и экзотерма относятся в основном к одному и тому же явлению. Тем не менее, пойкилотерм подчеркивает изменчивость температуры тела, а в экзотерме – важность температуры окружающей среды для определения температуры тела..
Противоположный термину пойкилотерм – гомеотерм: терморегуляция физиологическими средствами – и не только благодаря применению поведения. Большинство эндотермических животных способны регулировать свою температуру.
примеров
рыба
Рыба – прекрасный пример экзотермических и пойкилотермических животных. В случае этих пловцов позвоночных, их ткани не производят тепло через метаболические пути, и, кроме того, температура рыбы определяется температурой водоема, в котором они плавают..
рептилии
Рептилии демонстрируют очень заметное поведение, которое позволяет им регулировать (этологически) свою температуру. Эти животные ищут теплые области – такие как усаживание на горячем камне – чтобы увеличить температуру. В противном случае, где они хотят уменьшить его, они будут стремиться спрятаться от радиации.
Птицы и млекопитающие
Млекопитающие и птицы являются примерами эндотермических и гомеотермических животных. Они метаболически производят температуру своего тела и регулируют ее физиологически. Некоторые насекомые также демонстрируют этот физиологический паттерн.
Способность регулировать его температуру давала этим двум линиям животных преимущество перед их пойкилотермическими аналогами, поскольку они могут устанавливать тепловое равновесие в своих клетках и органах. Это привело к тому, что процессы питания, обмена веществ и выведения становятся более устойчивыми и эффективными.
Человек, например, поддерживает свою температуру на уровне 37 ° C, в довольно узком диапазоне – между 33,2 и 38,2 ° C. Поддержание этого параметра абсолютно необходимо для выживания вида и опосредует ряд физиологических процессов в организме..
Чередование пространственной и временной эндотермии и эктотермии
Различие между этими четырьмя категориями часто становится запутанным, когда мы рассматриваем случаи животных, которые могут чередоваться между категориями, пространственно или временно.
Временное изменение терморегуляции может быть продемонстрировано млекопитающими, которые переживают периоды зимней спячки. Эти животные обычно гомеотермичны в течение сезонов года, когда они не зимуют, а во время зимовки они не могут регулировать температуру своего тела..
Пространственное изменение происходит, когда животное по-разному регулирует температуру в областях тела. Шмели и другие насекомые могут регулировать температуру своих грудных сегментов и не могут регулировать остальную часть областей. Это условие дифференциальной регуляции называется гетеротермия.
Физиология терморегуляции
Как и любая система, физиологическая регуляция температуры тела требует наличия афферентной системы, центра управления и эфферентной системы..
Первая система, афферентная, отвечает за сбор информации с помощью кожных рецепторов. Впоследствии информация передается в терморегуляторный центр через кровь через нервную систему..
При нормальных условиях органы тела, которые выделяют тепло, – это сердце и печень. Когда тело выполняет физическую работу (упражнения), скелетная мышца также является тепловыделяющей структурой.
https://www.youtube.com/watch?v=HP45mPt2qlA\u0026t=341s
Гипоталамус является терморегуляторным центром, и задачи делятся на потерю тепла и прирост. Функциональная зона, обеспечивающая поддержание тепла, расположена в задней зоне гипоталамуса, в то время как потеря опосредуется передней областью. Этот орган работает как термостат.
Управление системой происходит двойное: положительное и отрицательное, опосредованное корой головного мозга. Эффекторные ответы относятся к поведенческому типу или опосредованы вегетативной нервной системой. Эти два механизма будут изучены позже.
Механизмы терморегуляции
Физиологические механизмы
Механизмы регулирования температуры варьируются в зависимости от типа получаемого стимула, то есть от того, идет ли речь о повышении или понижении температуры. Поэтому мы будем использовать этот параметр, чтобы установить классификацию механизмов:
Регулирование для высоких температур
Чтобы добиться регуляции температуры тела от тепловых раздражителей, организм должен способствовать ее потере. Есть несколько механизмов:
расширение кровеносных сосудов
У людей одной из самых ярких характеристик кровообращения является широкий спектр кровеносных сосудов. Кровообращение в коже имеет свойство сильно варьироваться в зависимости от условий окружающей среды и изменяться от сильных до слабых кровотоков..
Способность вазодилатации имеет решающее значение в терморегуляции людей. Высокий кровоток в периоды повышенной температуры позволяет организму увеличить передачу тепла от ядра тела к поверхности кожи, чтобы окончательно рассеяться.
Когда кровоток увеличивается, объем крови в свою очередь увеличивается. Таким образом, большее количество крови передается от ядра тела к поверхности кожи, где происходит теплообмен. Кровь, теперь более холодная, возвращается в ядро или центр тела..
пот
Наряду с вазодилатацией, образование пота имеет решающее значение для терморегуляции, поскольку помогает рассеиванию избыточного тепла. На самом деле, производство и последующее испарение пота являются основными механизмами организма, чтобы терять тепло. Они также действуют во время физической активности.
Пот представляет собой жидкость, вырабатываемую потовыми железами, называемыми эккринными, и распределяется по всему телу со значительной плотностью. Испарение пота позволяет передавать тепло тела в окружающую среду в виде водяного пара..
Регулирование для низких температур
В отличие от механизмов, упомянутых в предыдущем разделе, в ситуациях падения температуры организм должен способствовать сохранению и выработке тепла следующим образом:
вазоконстрикция
Эта система следует противоположной логике, описанной в вазодилатации, поэтому мы не будем подробно останавливаться на объяснениях. Холод стимулирует сокращение кожных сосудов, тем самым избегая рассеивания тепла.
пилоэрекция
Задумывались ли вы, почему появляются “мурашки по коже”, когда мы сталкиваемся с низкими температурами? Это механизм предотвращения потери тепла, называемый пилоэрекцией. Однако, поскольку у людей относительно мало волос в нашем теле, это считается плохо рудиментарной системой.
Когда происходит возвышение каждого волоска, слой воздуха, который вступает в контакт с кожей, увеличивается, что уменьшает конвекцию воздуха. Это уменьшает потерю тепла.
Производство тепла
Наиболее интуитивный способ противодействия низким температурам – это производство тепла. Это может происходить двумя способами: дрожащим и не дрожащим термогенезом..
В первом случае организм производит быстрые и непроизвольные мышечные сокращения (поэтому вы дрожите, когда вам холодно), которые приводят к выработке тепла. Дрожащее производство стоит дорого, если говорить энергетически, поэтому организм прибегнет к нему, если вышеперечисленные системы выйдут из строя..
Вторым механизмом руководит ткань, называемая коричневым жиром (или коричневая жировая ткань, в английской литературе она обычно обобщается под аббревиатурой BAT: коричневая жировая ткань).
Эта система отвечает за разделение производства энергии в процессе обмена веществ: вместо образования АТФ она приводит к выработке тепла. Это особенно важный механизм у детей и мелких млекопитающих, хотя самые последние данные свидетельствуют о том, что он также актуален у взрослых.
Этологические механизмы
Этологические механизмы состоят из всех видов поведения, демонстрируемых животными для регулирования их температуры. Как мы упоминали в примере с рептилиями, организмы могут быть помещены в благоприятную среду, чтобы способствовать или избежать потери тепла.
Различные части мозга участвуют в обработке этого ответа. У людей эти формы поведения эффективны, хотя они и не регулируются так, как физиологические.
Изменения терморегуляции
В течение дня организм испытывает небольшие и деликатные изменения температуры в зависимости от некоторых переменных, таких как циркадный ритм, гормональный цикл и другие физиологические аспекты..
Как уже упоминалось, температура тела управляет огромным спектром физиологических процессов, и потеря регуляции может привести к разрушительным условиям в пораженном организме..
Обе температурные крайности – как высокие, так и низкие – отрицательно влияют на организмы. Очень высокие температуры, выше 42 ° С у людей, сильно влияют на белки, способствуя их денатурации. Кроме того, нарушается синтез ДНК. Органы и нейроны также повреждены.
Аналогичным образом, температура ниже 27 ° C приводит к сильной гипотермии. Изменения в нервно-мышечной, сердечно-сосудистой и дыхательной активности имеют летальные последствия.
Несколько органов поражаются, когда терморегуляция не работает должным образом. Среди них сердце, мозг, желудочно-кишечный тракт, легкие, почки и печень..
ссылки
- Ареллано, Дж. Л. П., & дель Позо, С. Д. С. (2013). Руководство по общей патологии. Elsevier.
- Argyropoulos, G. & Harper, M.E. (2002). Приглашенный обзор: расцепление белков и терморегуляция. Журнал прикладной физиологии, 92(5), 2187-2198.
- Чаркудян Н. (2010). Механизмы и модификаторы рефлекторно индуцированной вазодилатации и вазоконстрикции у человека. Журнал прикладной физиологии (Bethesda, Md .: 1985), 109(4), 1221-8.
- Хилл Р. У. (1979). Сравнение физиологии животных: экологический подход. Я поменял.
- Hill, R.W., Wyse, G.A., Anderson, M. & Anderson, M. (2004). Физиология животных. Sinauer Associates.
- Лиедтке В. Б. (2017). Деконструкция терморегуляции млекопитающих. Слушания Национальной Академии Наук Соединенных Штатов Америки, 114(8), 1765-1767.
- Моррисон С. Ф. (2016). Центральный контроль температуры тела. F1000Research, 5, F1000 Факультет Rev-880.
Адаптивные особенности теплоотдачи и сложные формы терморегуляции
Отдача тепла во внешнюю среду происходит тремя путями. Во-первых, конвекцией — нагреванием окружающего воздуха, когда нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, а новые порции холодного воздуха поступают на его место и омывают тело животного. Таким образом, чем больше разница температур кожи и окружающего воздуха, тем интенсивнее происходит теплоотдача.
Во-вторых, радиацией, которая заключается в том, что между излучением более холодных окружающих предметов и более теплой поверхностью тела животного , устанавливается известное равновесие, при котором животное отдает больше тепла с длинноволновой радиацией и получает меньше тепловой энергии от окружающих предметов. Этот второй путь также очень важен.
Некоторые исследователи считают, что около 50% всего тепла в обычных условиях среды отдается путем тепловой радиации. В-третьих, испарением воды с поверхности кожи, слизистых, легких. Это основной путь отдачи тепла при высокой температуре среды, когда отдача тепла конвекцией и радиацией невозможна.
Значение таких физических путей отдачи тепла в природных условиях может резко изменяться как для животных, так и для человека.
Теплоотдача с поверхности тела осуществляется по правилу Ньютона:
Tb–Ta=K*J*H
где Тb — температура тела животного; Та — температура окружающего воздуха; К—константа; I —устойчивость к потере тепла (теплоизоляция), Н — теплопродукция. Зная величину критической точки и температуру тела, можно вычислить величину теплоизоляции, т. е. температурный перепад, который не оказывает влияния на теплопродукцию животного и человека.
- По американским данным (Irving, 1964), для человека эта температура оказывается
- Tb–Ta=37-27=10 °С;
- для арктического грызуна лемминга
- Tb–Ta=37-17=20 °С;
- для арктического хищника песца
- Tb–Ta=39-(-41)=80 °С;
По данным таких расчетов, арктические животные могут практически не изменять обмена веществ при очень низких температурах за счет весьма ограниченной теплоотдачи. Но схема построена на основе весьма грубых расчетов и может быть только иллюстрацией значения теплоизоляции.
Прежде всего в условиях основного обмена, т. е. у голодных и неподвижно сидящих животных никогда не поддерживается ректальная температура (температура тела) на постоянном уровне. Это касается не только мелких животных — мышевидных грызунов, воробьиных птиц и т. д.
, но даже таких крупных, как верблюды, лошади, овцы. Более постоянная температура у представителей семейства собак (Canidae), например домашних собак, лисиц, песцов. В табл.
10 приведены колебания температуры тела в зоне температур от 15 до 30° С при 2—3-часовой экспозиции животных в условиях основного обмена.
Таким образом, расчеты американских исследователей (Scholander a. oth, 1950; Irving, 1964; Hart, 1964 и др.), несмотря на их привлекательную простоту, не отражают всей сложности процессов, происходящих в организме при короткой экспозиции животного организма в разных температурных условиях среды.
Вторым возражением против этой схемы является вопрос о длительности воздействия холода. В многочисленных исследованиях (Слоним, 1952, 1962) было показано, что первые применения Холодовых воздействий (если раздражитель не очень силен) вызывают обычно лишь слабо
выраженную реакцию обмена веществ. Примером может быть собака — животное, у которого вообще химическая терморегуляция достаточно хорошо выражена. Еще более это заметно у человека при сравнительно коротком воздействии слабых Холодовых раздражителей.
Лучше выявляется реакция химической терморегуляции у грызунов — лабораторных крыс, мышей.
У многих представителей диких грызунов, особенно субтропических, например незокии (Nesokia indica), александрийской крысы (Rattusrattus alexandrinus), туркестанской крысы (Rattus turkestanicus), большой песчанки (Rhombomis opimus), песчанок малоазиатской (Meriones tristrami) и краснохвостой (Meriones erythrourus), первые применения холодового раздражителя вызывают слабо выраженное повышение газообмена, даже несмотря на значительное снижение температуры тела. Слабо выражена химическая терморегуляция и у тропических видов обезьян, например макак-резусов и макак-лапундер.
Отсутствие значительной реакции терморегуляции при кратковременных воздействиях характерно для всех гомойотермных организмов.
Значительное изменение реакции терморегуляции можно наблюдать при ориентировочной реакции животных (резкое охлаждение может вызывать такую реакцию) , эмоциональном возбуждении и т. д.
В этой связи следует отметить значительные колебания температуры тела, главным образом функциональную гипертермию, часто наблюдаемую при измерении температуры у диких и мало приученных к этой процедуре животных, например обезьян, лемуров и даже рептилий (Britton a. Klein, 1939; Слоним, 1952).
При повторных измерениях (приучении животных) эта гипертермия может исчезать, а при воздействиях холода возрастает реакция на это воздействие, т. е. повышение газообмена.
Весьма важное место в регуляции теплоотдачи занимает изменение легочного дыхания — его резкое учащение при воздействии на организм тепла и замедление при воздействии холода.
Реакция дыхания — полипноэ, изучалась неоднократно и служит часто простым и надежным критерием «напряжения терморегуляции», так как обычно появляется тогда, когда возможности регулирования температуры тела снижением обмена оказываются исчерпанными (Слоним, 1952).
При понижении температуры среды у животных, хорошо поддерживающих температуру тела и приспособленных к охлаждению, наблюдается углубление и урежение дыхания (Калабухов, 1944; Раушенбах, 1958). Эта реакция, как бы обратная термическому полипноэ, еще мало изучена.
Она сводит до минимума потери тепла испарением с поверхности легких и ведет к повышению коэффициента утилизации кислорода в легких. Таким образом уменьшаются потери тепла во внешнюю среду.
Отдача тепла легкими — изменением дыхания — при высоких температурах особенно выражена у хищников, хотя полипноэ наблюдается в какой-то мере и у всех остальных млекопитающих. Нет полипноэ только у обезьян, непарнокопытных и у человека.
Между реакцией полипноэ и потоотделением у животных существует обратная зависимость: если функционируют потовые железы и они хорошо развиты, то полипноэ отсутствует и наоборот. Между особенностями протекания полипноэ у млекопитающих различных отрядов установлены существенные различия.
Так, полипноэ хищных выражено резче; частота дыхания достигает огромных величин (до 600 дыханий в 1 мин), дыхание очень поверхностное. Однако у хищных полипноэ не может продолжаться очень долго, так как требует большого расхода энергии и ведет в конечном счете к явлениям перегревания.
Особенность полипноэ хищных (особенно у Canidae) заключается в том, что оно возникает при почти не изменившейся под влиянием нагревания температуре тела (Richet, 1898; Anrep a. Hammouda, 1933; Нестеровский и Слоним, 1935; Веселкин, 1945). Полипноэ сопровождается отделением жидкой слюны (Парфенов, 1906; Александров, 1954; Уждавини, 1960).
Для полипноэ характерны значительная акапния и сдвиги щелочно-кислотного равновесия. Обнаружено, что у собак в молодом возрасте при полипноэ наблюдается большее падение содержания СО2 в крови, чем у старых. Оно сопровождается значительным учащением пульса. Нарушенный водный баланс организма оказывает влияние на полипноэ.
В опытах на собаках установлено, что газообмен, легочная вентиляция и частота дыхания при недостатке воды в организме снижаются. У грызунов полипноэ всегда возникает на основе значительного повышения температуры тела, хотя дыхание и становится более поверхностным.
По-видимому, у них полипноэ также не может долго поддерживать температуру тела при нагревании, и животные гибнут от гипертермии (Stigler, 1930).
Полипноэ у насекомоядных (ежей) изучено Веселки-ным (1945) и Филатовой (1949в). Частота дыхания у ежей при нагревании увеличивается до 240 в 1 мин. Температура тела при этом возрастает с 34,5 до 40,0° С.
У жвачных полипноэ отличается сравнительно небольшой частотой дыхания — обычно до 200 в 1 мин — и очень большой продолжительностью этой реакции. У крупного рогатого скота, овец, коз полипноэ может продолжаться всю жаркую часть дня и особенно усиливается при инсоляции.
Для жвачных при полипноэ характерно усиление теплообразования в межреберных мышцах, компенсирующееся теплоотдачей; таким образом, кровь, направляющаяся к коже, проходит в большом количестве через межреберные артерии в межреберные мышцы (Goodall a.
Young, 1954) с последующим разветвлением в коже на спине и на боках (тип «чудесной» сети) (рис. 45).
При резких термических воздействиях обычно наблюдаются очень яркие проявления сосудистой регуляции. Особенно это выражено у человека, но отчасти наблюдается и у животных. В последнее время установлены и специальные механизмы — «теплообменники» в конечностях.
При этом артерия, окруженная венами, отдает тепло в венозную кровь и таким образом в зависимости от просвета вен в большей или меньшей степени нагревает самую конечность.
Подобные «теплообменники» существуют, по-видимому, в ряде органов животных: хвосте у грызунов, конечностях у морских млекопитающих, ушах у жвачных и т. д. Схема такого органа представлена на рисунке 46.
На основании большого экспериментального материала показано, что метаболическая реакция при охлаждении начинается лишь после того, как исчерпаны возможности физической терморегуляции, в том числе и теплоизоляции, сосудистой реакции и т. д. (Hart, 1964б). Однако эта схема едва ли может быть принята в связи с наличием кортикального механизма терморегуляции, сильно изменяющего эти взаимоотношения на первых этапах адаптации к теплу и холоду (Быков и Слоним, 1960).
—Источник—
Слоним, А.Д. Экологическая физиология животных/ А.Д. Слоним.- М.: Высшая школа, 1971.- 448 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
Терморегуляция организма. Закаливание
Содержание:
Основные понятия
Терморегуляция — особая реакция организма, проявляющаяся в непроизвольном регулировании физиологических процессов теплопродукции (образования тепла) в организме и теплоотдачи, направленном на поддержание постоянной оптимальной температуры тела (у человека — 36,6-37 °С) в непрерывно меняющихся условиях внешней среды.
Теплопродукция — процесс образования тепла в организме в результате протекающих в нем экзотермических (сопровождающихся выделением тепла) химических реакций. Наибольшее количество тепла образуется в организме при работе сердца и скелетных мышц, а также в химических процессах, происходящих в печени и почках.
При интенсивном физическом труде в организме человека выделяется около 19 000 кДж энергии в сутки; этого достаточно для нагревания 70 л воды от температуры 37 °С до температуры кипения. Избыток тепла организм отдает во внешнюю среду.
- Теплоотдача — процесс рассеивания (передачи) избыточного тепла от тела человека в окружающую среду.
- ■ Интенсивность теплоотдачи зависит от толщины слоя подкожной жировой клетчатки.
- ❖ Способы отдачи тепла организмом:
- ■ с выдыхаемым воздухом;
- ■ путем теплоизлучения, теплопроводности и конвекции; количество рассеиваемого этими способами тепла зависит от разности температур тела человека и окружающего воздуха, а также от влажности и скорости движения воздуха: чем ниже температура воздуха и чем выше его влажность и скорость ветра, тем больше тепла теряет организм;
■ путем испарения пота, выделяемого потовыми железами кожи; при этом на испарение 1 г пота затрачивается около 2,4 кДж энергии. Скорость испарения возрастает с увеличением температуры и уменьшением влажности воздуха.
Терморегуляция
- ❖ Способы терморегуляции:
- ■путем сужения или расширения (в зависимости от температуры тела) просвета кровеносных сосудов кожи, изменяющего скорость циркуляции крови в коже и, тем самым, скорость теплоотдачи;
- ■ путем регулирования наклона волосков кожи;
- ■ путем потоотделения из потовых желез;
- ■ путем изменения интенсивности обмена веществ в мышцах (дрожь) и/или во внутренних органах (химическая терморегуляция);
■путем терморегуляторного поведения, т.е. определенных действий, направленных на изменение теплоотдачи (ношение определенной одежды, перемещение в теплое или прохладное место и т.д.).
❖ Контроль терморегуляции осуществляется центральной нервной системой (корой головного мозга и рядом подкорковых центров) и эндокринной системой с помощью нейрогумора-льных механизмов.
■ Главный нервный центр терморегуляции находится в гипоталамусе, задние ядра которого контролируют теплопродукцию, а передние — теплоотдачу; повреждение гипоталамуса приводит к потере организмом способности поддерживать температуру тела, постоянной.
Сигналом для изменения теплообразования и теплоотдачи служат импульсы, поступающие от рецепторов тепла и холода в спинной мозг, гипоталамус и кору больших полушарий. В этих центрах происходит анализ импульсов и возникает ответная реакция.
По двигательным нервным волокнам исполнительные команды передаются на кровеносные сосуды, скелетные мышцы, потовые железы и диафрагму.
- ■ Гуморальный способ терморегуляции реализуется с помощью биологически активных веществ, изменяющих уровень теплопродукции и теплоотдачи посредством изменения скорости обменных процессов в клетках и тканях организма.
- ❖ Реакция организма на понижение температуры окружающей среды:
- ■ возбуждаются рецепторы, воспринимающие холод;
- ■ кровеносные сосуды кожи рефлекторно сужаются, уменьшая количество протекающей по ним крови (кожа становится бледной); это приводит, во-первых, к уменьшению теплоотдачи с поверхности тела и, во-вторых, к увеличению снабжения кровью внутренних органов, что способствует сохранению тепла внутри организма;
- ■ рефлекторно сокращаются мышцы, поднимающие волоски на коже, и она становится «гусиной». Поднявшиеся волоски задерживают тепло, ухудшая движение воздуха у поверхности тела;
- ■ при дальнейшем понижении температуры возникает болезненное ощущение холода (озноб) и рефлекторно начинаются непроизвольные ритмичные сокращения мышц (дрожь), в результате чего увеличивается теплопродукция в мышцах, препятствующая снижению температуры тела.
- Реакция организма на повышение температуры окружающей среды:
- ■ возбуждаются рецепторы, воспринимающие тепло;
- ■ рефлекторно замедляется обмен веществ и, как следствие, уменьшается теплопродукция организма;
- ■кровеносные сосуды кожи рефлекторно расширяются, увеличивая количество протекающей по ним крови (кожа становится красной) и, как результат, теплоотдачу с поверхности тела;
- ■ при дальнейшем повышении температуры тела начинается обильное потоотделение; максимальная скорость потоотделения — около 4 л в час.
- Гипертермия — состояние организма, при котором температура тела превышает нормальный уровень; она возникает в случаях, когда механизмы терморегуляции не могут обеспечить баланс между теплопродукцией и теплоотдачей (например, при очень высокой температуре окружающей среды).
Гипотермия — состояние организма, при котором его температура ниже нормального уровня; она развивается при очень большой скорости теплоотдачи {например, на сильном морозе). При гипотермии пострадавшего необходимо согреть и отправить в больницу.
Лихорадка — особое состояние организма, при котором он стремится поддерживать повышенную температуру тела; выражается в сильной непроизвольной мышечной дрожи и чувстве озноба.
Лихорадка развивается при инфекционных заболеваниях или обширном повреждении тканей, является защитной реакцией организма и способствует скорейшему выздоровлению (при повышении температуры тела возрастает вероятность гибели инфекций).
В состоянии лихорадки теплопродукция увеличивается за счет мышечной дрожи; озноб также способствует повышению температуры тела, так как заставляет человека укутываться и тем самым уменьшать теплоотдачу.
Тепловой и солнечный удары
- Тепловой удар — это острое болезненное состояние организма, вызванное перегреванием тела из-за недостаточной теплоотдачи.
- ❖ Условия возникновения теплового удара:
- ■ длительное воздействие высокой температуры окружающей среды (выше +35 °С) при высокой относительной влажности воздуха (выше 80%) и низкой двигательной активности (длительное лежание на пляже);
- ■ интенсивная физическая работа в жарких и душных помещениях в одежде, плохо пропускающей воздух.
- Симптомы теплового удара: головная боль, шум в ушах, учащение пульса и дыхания, усиление потоотделения, расширение зрачков, общая слабость, бледность, нарушение координации движений, головокружение, мелькание «мушек» перед глазами; возможны тошнота, рвота, обморок и потеря сознания.
- Солнечный удар — тяжелое болезненное состояние, наступающее в результате чрезмерного воздействия на головной мозг инфракрасной части спектра солнечного излучения, проникающего через кости черепа.
- Симптомы солнечного удара: головная боль, резкое покраснение кожи, головокружение; в тяжелых случаях возможны рвота, потеря сознания, судороги и даже смерть.
- ❖ Помощь при тепловом ударе:
- ■ вывести или перенести пострадавшего в прохладное, затемненное и хорошо вентилируемое место;
- ■ освободить тело пострадавшего от лишней одежды;
- ■ на его голову и лицо положить холодный компресс;
- ■ приподнять ноги пострадавшего;
- ■ если пострадавший не потерял сознание, дать ему выпить прохладной воды;
- ■ обернуть его тело мокрой простыней и обмахивать его для создания движения воздуха и увеличения испарения воды;
- ■ при потере сознания, остановке дыхания и сердца необходимо сделать искусственное дыхание и закрытый массаж сердца;
- ■ после этого вызвать врача или доставить пострадавшего в больницу.
- Предупреждение теплового и солнечного ударов. В жаркое время следует:
- ■ постоянно проветривать жилые помещения;
- ■ носить светлый головной убор и легкую хлопчатобумажную одежду, хорошо пропускающую воздух и впитывающую влагу;
- ■ ограничивать время пребывания на ярком солнце;
- ■ не спать на пляже;
- ■ сократить потребление мясопродуктов, увеличив в рационе долю овощей и фруктов;
- ■ чаще пить минеральную воду.
Закаливание
Закаливание — это комплекс приемов, основанных на целенаправленном использовании климатических факторов и систематически применяемых для тренировки организма с целью совершенствования работы его терморегуляторных механизмов и повышения сопротивляемости организма неблагоприятным воздействиям внешней среды.
Основные факторы закаливания: пребывание на свежем воздухе, солнечные ванны, водные процедуры.
❖ Свежий воздух содержит больше кислорода и губительно действует на болезнетворные бактерии. Поэтому дома следует носить легкую одежду, часто проветривать помещение; полезен сон на открытом воздухе, а зимой — при открытой форточке. Закаливающий эффект воздуха оказывается тем больше, чем больше его температура отличается от температуры кожи.
Воздушные ванны принимают в купальных костюмах через 1-2 часа после еды. Закаливание следует начинать при температуре воздуха не ниже +20 °С; продолжительность первых процедур — 10 мин. Постепенно продолжительность воздушных ванн доводят до 1-1,5 ч и более при температуре воздуха +10-15 °С; при этом рекомендуется периодически выполнять активные движения.
❖ Солнечные ванны улучшают кровообращение, способствуют образованию в организме витамина D, усиливают выработку в коже пигмента меланина, предохраняющего подкожные ткани от избыточного воздействия ультрафиолетового излучения. Солнечные ванны наиболее полезны между 9 и 11 часами дня. Между приемом пищи и солнечной ванной должен быть промежуток времени не менее 2 ч. На время приема солнечной ванны голову следует прикрыть светлой панамой или зонтиком.
Продолжительность первой процедуры — не более 5 мин; каждую последующую увеличивают на 3-5 мин, постепенно доводя время до 30-40 мин. После приема солнечной ванны нужно Ю-15 мин отдохнуть в тени, а затем принять теплый душ.
❖ Закаливание водой более эффективно для развития механизмов терморегуляции, улучшения нервного тонуса, дыхания и кровообращения, чем воздушные ванны, так как теплопроводность воды почти в 30 раз превосходит теплопроводность воздуха.
❖ Способы закаливания водой: обтирание, обливание, купание.
Обтирание тела мокрым полотенцем или губкой производится ежедневно и энергично в течение 2-3 мин. Температура воды при первом обтирании +33 °С, при каждом последующем ее снижают на 0,5 °С, доведя до +18 °С. После обтирания нужно насухо вытереться полотенцем до появления ощущения теплоты.
Обливание тела водой производится ежедневно в течение 1-2 мин. Начинать обливание рекомендуется при температуре воды +33°-34 °С, постепенно понижая ее до +20-24 °С (на 1 °С через каждые 3-4 дня).
При купании в открытых водоемах (а зимой — в бассейне) сочетается действие многих закаливающих факторов. Лучшее время для купания — с 9 до 11 ч и с 16 до 18 ч. Не следует купаться натощак или сразу же после приема пиши. Купание можно начинать при температуре воды +20-22 °С и воздуха +21-24 °С. Длительность купаний вначале 2-3 мин, а затем увеличивается до 15-25 мин.
- ❖ Основные правила закаливания:
- ■ периодический контроль врача;
- ■ учет индивидуальных особенностей и состояния здоровья;.
- ■ постепенность (нельзя резко снижать температуру воды или воздуха или увеличивать продолжительность закаливающих процедур);
- ■ систематичность (даже непродолжительный перерыв в закаливании ведет к угасанию выработанных реакций);
- ■ комплексное использование основных закаливающих факторов — воздуха, солнца и воды.
- ❖ Результаты закаливания:
- ■ снижение чувствительности организма к холоду;
- ■ ускорение приспособительных реакций (например, расширения или сужения сосудов кожи) и достижение более высокой устойчивости организма к изменениям внешней среды;
- ■ активизация обменных процессов;
- ■ увеличение теплопродукции,
- ■ улучшение деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем,
- ■ стимулирование размножения клеток кожи и, как следствие, ее утолщение и повышение защитных свойств;
- ■ укрепление иммунитета организма;
- ■ повышение устойчивости к заболеваниям органов дыхания.
Загрузка...
