Физическая терморегуляция организма

Терморегуляция организма обеспечивает относительное постоянство температуры тела теплокровных животных и человека. Химическая терморегуляция в основном связана с теплообразованием, физическая — с отдачей теплоты в окружающую среду.

Физическая терморегуляция осуществляется путем теплопроводности, конвекции, излучения и потери теплоты при испарении. Соотношение между ними зависит в основном от параметров среды, окружающей тело, — температура, влажность, движение воздуха и др.

Потеря теплоты путем теплопроводности и конвекции в обычных условиях происходит через воздух. И хотя воздух обладает очень малой теплопроводностью, количество отдаваемой через воздух теплоты значительно увеличивается за счет конвекции. Кроме того, конвекция способствует потере тепла за счет испарения влаги с поверхности кожи.

Потеря теплоты путем излучения происходит главным образом с наружной поверхности одежды и некоторых открытых участков поверхности тела. Больше всего тепла человек теряет путем излучения с открыть« частей тела. Так, при температуре 18°С раздетый человек теряет ежесекундно путем излучения около 20 кал, если же он одет в хлопчатобумажную ткань, то потери уменьшаются до 8 кал/сек.

Испарение происходит с поверхности кожи и легких. В среднем в сутки человек выделяет с выдыхаемым воздухом около 350 г водяного пара. С поверхности кожи (при температуре воздуха 16—18°С) в сутки испаряется в среднем около 500 г пота. Это составляет в целом потерю 2 х 10⁶ дж (433 ккал) теплоты.

Капля пота, испарившаяся на коже, поглощает такое количество тепла, которого было бы достаточно, чтобы нагреть две другие капли до температуры кипения. Следовательно, испарение пота охлаждает тело. Поверхность кожи усеяна отверстиями потовых желез. На 1 см² поверхности кожи приходится около 90 потовых желез, на подошве ног и на ладошках рук их гораздо больше.

Потовые железы, подобно кровеносным сосудам, контролируются центральной нервной системой. Если кровь, снабжающая эти нервные центры, становится теплее, чем нормальная температура тела, то нервные клетки этих центров возбуждаются и посылают приказы, которые приводят в действие потовые железы.

Чем горячее и суше воздух, тем быстрее происходит испарение и тем скорее охлаждается тело. Потеря жидкости из тела при потении вызывает чувство жажды: кочегар парохода потребляет за смену до 24 стаканов жидкости.

Если окружающий теплый воздух (около 37°С) содержит большое количество водяных паров, то: 1) пот не будет испаряться и поэтому не будет охлаждать тело; 2) в горячем, насыщенном водяными парами воздухе тело будет поглощать тепло гораздо сильнее, чем в сухом, т. к. влажный воздух является лучшим проводником тепла, чем сухой.

Очень скоро наступает момент, когда теплорегулирующий механизм человека расстраивается и происходит «тепловой удар». Ткани мозга перестают работать, когда температура повышается до 40,5°С; если температура поднимается еще выше — жизни человека грозит смертельная опасность, ибо мозг при такой температуре может подвергнуться деструктивным изменениям.

Некоторые животные научились регулировать количество получаемого тепла. У многих земноводных и пресмыкающихся в коже есть специальные пигментные клетки, способные изменять свой размер. Когда пигментные клетки малы, цвет кожи остается светлым и она отражает солнечные лучи. При расширении пигментных клеток окраска кожи резко темнеет и тело животного нагревается только до чувствительного предела.

При малейшем перегреве пигментные клетки вновь уменьшаются. Иначе этот процесс регулируется у перламутровки. Бабочка живет при температуре 35°С. Основной тепловоспринимающей поверхностью ей служат крылья. Наиболее сильное нагревание происходит, когда крылья полностью раскрыты и направлены перпендикулярно к солнечным лучам. Чем меньше угол облучения, тем нагревание меньше.

Все живое значительно легче приспосабливается к холоду, чем к теплу. Чтобы не замерзнуть, у теплокровных есть много приспособлений. Когда температура воздуха понижается, начинают действовать механизмы, усиливающие теплоизоляцию организма. В первую очередь сжимаются кожные сосуды, кожа становится холодной и меньше отдает тепла.

Шерсть и перья встопорщиваются, между шерстинками задерживается больше воздуха, и теплоотдача уменьшается. Кстати, «привычка» животных топорщить перья и волосы сохранилась и у человека: когда он мерзнет, у него появляется «гусиная» кожа, причем остатки волос, сохранившиеся еще на коже тела человека, становятся дыбом (но теплее от этого, конечно, не становится).

Если принятые меры не дали результатов и охлаждение продолжается, возникает дрожь. Она совсем не бесполезна: мышечные сокращения сопровождаются выделением значительного количества тепла. Дрожать умеют только теплокровные, зато к работе мышц прибегают многие. Насекомые не могут летать, пока не согреются. Бабочка Ванесса в этом случае машет крыльями и даже в прохладную погоду при температуре 10°С за несколько минут согревается до 35°С, а во время полета — до 37°С, совсем как теплокровные.

При работе мышц выделяется значительное количество тепла, но этого мало. Природе необходимо было позаботиться и о сохранении тепла в организме.

Тело китов и тюленей, например, завернуто в слой жира, в котором кровеносные сосуды развиты очень плохо. Через слой жира эти животные почти не отдают тепла. Совсем другое дело плавники и ласты. Жиром они не защищены, а кровеносная система здесь развита очень сильно. Горячая кровь, поступая в конечности, выносит через эти естественные проходы большое количество тепла.

Ластоногие не могли бы существовать, не будь у них одного замечательного приспособления. Крупные артерии оплетены густой сетью мелких вен, по которым охлажденная на периферии кровь возвращается обратно в сердце. Благодаря этому артериальная кровь еще до того, как попасть в мышцы, отдает венозной большую часть своего тепла и в дальнейшем почти не охлаждается.

Легкие — еще один путь проникновения холода в организм. Холодный воздух соприкасается там непосредственно с кровью. Внутренняя поверхность легких очень велика. У человека среднего роста она приблизительно равна 90 м², это, как уже указывалось, почти в 50 раз больше всей поверхности кожи. Можно ожидать, что кровь в них сильно охладится, что в свою очередь вызовет переохлаждение организма. Но этого не происходит.

При высоких температурах окружающей среды температура оттекающей от легких крови становится ниже, чем притекающей, а на холоде, наоборот, выше. Правда, изменения очень незначительны, не больше 0,03°, но этого оказывается достаточно, чтобы зимой и летом поддерживать постоянную температуру тела. Почему оттекающая от легких кровь в жаркую погоду оказывается охлажденной, понятно: тепло расходуется на испарение. Каким образом она в холодную погоду нагревается, удалось узнать сравнительно недавно.

О том, что воздух, проходя через дыхательные пути, еще в носовых пазухах, гортани, трахее и бронхах частично подогревается, знали давно. И все-таки приходящий зимой воздух даже после этого остается значительно холоднее крови и должен ее охлаждать. Наблюдающийся в действительности подогрев объясняется тем, что легкие у человека и теплокровных животных выполняют функцию теплопродукции, являясь одним из основных источников тепла в организме.

В легочной ткани много высококалорийных жиров. В холодную погоду (только в холодную!) они «сгорают», выделяя большое количество тепла и создают защитный тепловой барьер, препятствующий охлаждению организма. Физическая терморегуляция происходит в полном соответствии с первым началом термодинамики.