Глава 25

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И РЕГУЛЯЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

К. Брюк

25.1. Выработка тепла, температура тела и размеры тела

Гомойотермия, пойкилотермия. Процессы обмена веществ, описанные в предыдущей главе, связаны с выработкой тепла в соответствии с законами термодинамики. С точки зрения обменных процессов выработка тепла–это побочный эффект, однако для понимания характерных различий в температуре тела и механизмах ее регуляции, наблюдаемых среди представителей животного царства, метаболическое тепло имеет основное значение. У живых организмов одной группы, включающей и человека, температура тела сохраняется на постоянном уровне, значительно превышающем температуру окружающей среды, благодаря интенсивной выработке тепла, регулируемой специальными механизмами. Это гомойотермные (или теплокровные) организмы. Для организмов второй группы (к которой относятся, например, рыбы и земноводные) характерна значительно более низкая интенсивность теплопродукции; температура тела у них лишь незначительно превышает температуру окружающей среды и претерпевает колебания в соответствии с последней (пойкилотермные, или холоднокровные, организмы).

Поскольку гомойотермные организмы способны поддерживать постоянную температуру и, следовательно, постоянный уровень активности независимо от температуры окружающей среды, они имеют преимущество перед пойкилотермными организмами во многих отношениях. Вместе с тем пойкилотермия дает преимущество в том случае, если пищевые ресурсы среды подвержены сезонным изменениям. Например, в условиях охлаждения лягушки могут выдерживать отсутствие пищи в течение месяцев, не обнаруживая признаков патологии.

Многие животные из тех, что не относятся к млекопитающим и птицам, способны в некоторой степени менять температуру тела при помощи особых форм поведения (например, рыбы могут заплывать в более теплую воду, а ящерицы принимать «солнечные ванны»). Эта «поведенческая терморегуляция» отлична от автономной терморегуляции. Истинно гомойотермные организмы способны использовать как поведенческие, так и автономные способы терморегуляции, в частности, у них может при необходимости вырабатываться дополнительное тепло за счет активации обмена веществ, тогда как другие организмы вынуждены ориентироваться на внешние источники тепла. Эти различия выражаются терминами эндотермные и эктотермные организмы [17].

Выработка тепла (теплопродукция) и температура тела. Все протекающие в живом организме химические реакции, включая процессы обмена веществ, зависят от температуры. Температурная зависимость обмена у пойкилотермных животных совпадает с той, что характерна для абиотических химических реакций, т.е. интенсивность процессов превращения энергии у них возрастает пропорционально внешней температуре в соответствии с правилом Вант–Гоффа. Это правило применимо и по отношению к гомойотермным животным, однако у них данная зависимость замаскирована другими эффектами. Если интактный гомойотермный организм охлаждать (начиная с комфортной температуры окружающей среды в термонейтральной зоне), интенсивность протекающих в нем процессов энергетического обмена и, следовательно, выработка тепла возрастают, предотвращая понижение температуры тела. Путем фармакологического вмешательства (например, с помощью наркоза) или путем повреждения определенных участков центральной нервной системы можно блокировать терморегуляцию; в этом случае кривая зависимости теплопродукции от температуры будет такой же, как и для пойкилотермных организмов (рис. 25.1). Тот компонент теплопродукции, который может быть блокирован подобным образом, называют регуляторным термогенезом.

Даже в случае блокады регуляторного компонента сохраняются существенные количественные различия между обменными процессами у пойкилотермных и гомойотермных животных; при данной температуре тела интенсивность обмена энергии в расчете на единицу массы тела у гомойотермных организмов по меньшей мере в три раза превышает соответствующую интенсивность у пойкилотермных организмов.

 

Рис. 25.1. Взаимосвязь между температурой тела и интенсивностью обмена веществ у гомойотермных организмов (по данным экспериментов на собаке). Верхняя кривая–в условиях функционирования терморегуляции интенсивность обмена веществ при понижении температуры сначала резко возрастает, достигая максимума, а затем снижается в соответствии с правилом Вант–Гоффа. Нижняя кривая–при блокировании терморегуляции с помощью глубокого наркоза интенсивность обменных процессов подчиняется правилу Вант–Гоффа с самого начала охлаждения. Разница между двумя кривыми соответствует регуляторному термогенезу. Объяснение см. в тексте (по [21])

Соотношение между скоростями реакций при температурах, различающихся на 10°С, называется коэффициентом Q10. Анализ нисходящих отрезков кривых на рис. 23.1 показывает, что Q10 для интенсивности обменных процессов лежит между 2 и 3. Таким образом, наркоз при одновременном понижении температуры тела может приводить к весьма заметному уменьшению потребления O2 и, следовательно, обеспечивать соответствующую задержку структурных нарушений. Это широко используют при хирургических вмешательствах на сердце, а также при пересадке органов и тканей, когда кровообращение должно быть временно приостановлено (индуцированная гипотермия, иногда называемая «искусственной зимней спячкой»). Правило Вант–Гоффа должно также учитываться при хранении органов.

Теплопродукция и размеры тела. Температура тела у большинства теплокровных млекопитающих находится в диапазоне от 36 до 39 °С, несмотря на значительные различия в размерах тела в рассматриваемой группе животных–от мыши, с одной стороны, до слона и кита–с другой. В противоположность этому интенсивность метаболизма (М) зависит от массы тела (m) как ее показательная функция

M=km.               (1)

В двойных логарифмических координатах это соотношение представлено прямой

 

LogM=K’– n·log m (2)

 

Эмпирически было показано, что показатель степени n равен примерно 0,75 (см. рис. 25.2). Это значит, что величина М/m0,75 одна и та же для мыши и для слона, хотя у мыши М на 1 кг массы тела значительно больше, чем у слона. Этот так называемый закон снижения интенсивности обмена веществ [8] в зависимости от массы тела отражает то, что теплопродукция имеет тенденцию соответствовать интенсивности теплоотдачи в окружающее пространство. Для данной разницы температур между внутренней средой организма и окружающей средой потери тепла на единицу массы тела оказываются тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела, причем последнее соотношение уменьшается с увеличением размеров тела. Кроме того, у мелких животных изолирующий слой тела более тонкий.

Терморегуляторный термогенез. Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выработано следующими способами:

1) за счет произвольной активности локомоторного аппарата;

2) за счет непроизвольной тонической или ритмической мышечной активности: последняя соответствует известному феномену дрожи, вызванной холодом (тоническую активность можно обнаружить методом электромиографии;

3) за счет ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц; эта форма выработки тепла называется недрожательным термогенезом.

У взрослого человека дрожь–наиболее важный непроизвольный механизм термогенеза. Недрожательный термогенез встречается у новорожденных животных и детей, а также у мелких, адаптированных к холоду животных и у животных, впадающих в зимнюю спячку. Так называемый «бурый жир»–ткань, характеризующаяся избытком митохондрий и «мультилакулярным» распределением жира (многочисленные мелкие капельки жира, окруженные митохондриями),–служит главным источником недрожательного термогенеза. Эта ткань обнаруживается между лопатками, в подмышечных впадинах и в некоторых других местах [12, 26].

Терморегуляторную функцию межлопаточного бурого жира легко продемонстрировать с помощью локального измерения температуры (рис. 25.3). В то время как подкожная температура на спине снижается при холодовом воздействии, температура бурого жира возрастает, что свидетельствует о повышенном уровне метаболической активности и термогенезе в бурой жировой ткани [29].

 

Рис. 25.2. Взаимосвязь между интенсивностью обмена веществ и массой тела, представленных в двойных логарифмических координатах. Прямая с показателем угла наклона n = 0,75 наиболее соответствует экспериментальным данным. Прямая с n = 1 отражает пропорциональность между интенсивностью обменных процессов и массой тела. Соответственно прямая с n = 0,67 отражает пропорциональность между интенсивностью обменных процессов и площадью поверхности тела (по [21] с изменениями)

Температура тела и тепловой баланс. Если необходимо поддерживать температуру тела на постоянном уровне, должно быть достигнуто устойчивое температурное равновесие: теплопродукция должна равняться теплоотдаче. На рис. 25.4 показаны возможные способы поддержания постоянства температуры тела при изменениях температуры окружающей среды. Эти положения основаны на законе охлаждения Ньютона, согласно которому отданное телом тепло (более строго – «сухая» теплоотдача, т. е. все отданное тепло минус потери тепла, связанные с испарением) пропорционально разности температур между внутренней частью тела и окружающим пространством. У человека при температуре окружающей среды 37 °С теплоотдача будет равна нулю, а при охлаждении внешней среды она будет возрастать. Однако теплоотдача зависит также от проведения тепла и его конвекции внутри организма, а также от периферического кровотока.

Рис. 25.3. Недрожательный термогенез у новорожденной морской свинки может быть выявлен по увеличению поглощения O2 в отсутствие электрической активности в мышцах. Во второй части эксперимента недрожательный термогенез подавлен b–адреноблокатором; возникает дрожь, что видно по увеличению электрической активности мышц. (Температурный порог дрожи–это более низкая температура тела по сравнению с пороговой температурой для выработки тепла с помощью недрожательного механизма.) До блокады b–рецепторов наблюдается повышение температуры в межлопаточном буром жире (БЖ) и в шейном отделе позвоночного канала (ПК), а после блокады–параллельное снижение температуры во всех указанных областях ([21])

 

 

          

Рис. 25.4. Схема, иллюстрирующая температурный баланс. В диапазоне температур Т1 –Т4 (зона нормотермии) выработка тепла равна теплоотдаче. При температуре среды ниже Т1 организм отдает больше тепла, чем вырабатывает (гипотермия). При температуре среды выше Т4 выработка и прирост тепла превышают способности организма освобождаться от тепла с помощью испарения (гипертермия). В диапазоне Т2–Т3 (термонейтральная зона) равновесие между теплоотдачей и теплопродукцией может быть установлено за счет вазомоторных реакций. Объяснение см. в тексте

В соответствии с этим можно графически изобразить две кривые теплоотдачи—одну для случая расширения периферических сосудов (вазодилатации) и другую для случая их сужения (вазоконстрикции). Термогенез, связанный с обменом веществ в условиях покоя, находится в равновесии с процессами теплоотдачи в диапазоне температур, отмеченном на графике как Т2–Т3, если кожный кровоток постепенно снижается по мере уменьшения температуры от Т2 до Т3. При окружающей температуре ниже Т2 постоянство температуры тела может поддерживаться только в том случае, если регуляторные механизмы обеспечивают усиление термогенеза пропорционально потерям тепла. Наибольшая выработка тепла, обеспечиваемая этими механизмами, у человека соответствует уровню метаболизма, в 3–5 раз превышающему интенсивность основного обмена; этот показатель характеризует нижнюю границу диапазона терморегуляции, T1 (абсолютные значения приведены на рис. 25.5). В случае выхода за эту границу развивается гипотермия и в конечном счете может наступить холодовая смерть.

При температуре окружающей среды выше Т3 температурное равновесие могло бы сохраняться за счет ослабления интенсивности обменных процессов. На самом деле, однако, температурный баланс устанавливается за счет дополнительного механизма теплоотдачи – испарения выделяющегося пота. Температура Т4 означает верхнюю границу диапазона терморегуляции, которая определяется максимальной интенсивностью выделения пота. При температуре среды выше Т3 возникает гипертермия, и в результате может наступить тепловая смерть (абсолютные значения приведены на рис. 25.8). Температурный диапазон Т2–Т3, в пределах которого температура организма может поддерживаться на постоянном уровне без участия дополнительных механизмов теплопродукции или потоотделения, называется термонейтральной зоной (см. рис. 25.15). В этом диапазоне интенсивность метаболизма и теплопродукция по определению минимальны. При значениях температуры выше Т3 интенсивность метаболизма будет несколько увеличиваться, что обусловлено эффектом температурного коэффициента Q10 (см. выше), связанным с небольшим повышением температуры тела (такая ошибка характерна для пропорциональной системы регуляции), а также увеличением энергозатрат на кровообращение и дыхание. Измерения этого ответа организма дают противоречивые результаты, поэтому пока нет возможности привести для него количественные данные.

Рис. 25.5. Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (б) [19]

 

25.2. Температура тела человека

Локальные разности температур (температурные градиенты)

Тепло, вырабатываемое организмом в норме (т.е. в условиях равновесия), отдается в окружающее пространство поверхностью тела. Таким образом, в соответствии с физическими законами распространения тепловых потоков температура частей тела, располагающихся вблизи его поверхности, должна быть ниже температуры его центральных частей. В конечностях существует продольный (осевой) температурный градиент, а также радиальный (перпендикулярный поверхности) температурный градиент. В связи с неправильностью геометрических форм тела пространственное распределение температуры тела описывается сложной трехмерной функцией. Например, когда легко одетый взрослый человек находится в помещении с температурой воздуха 20 °С, температура глубокой мышечной части бедра составляет 35 °С, глубоких слоев икроножной мышцы–33 °С, в центре стопы достигает лишь 27–28 °С, а ректальная температура равна примерно 37 °С [5]. Колебания температуры тела, вызванные изменениями внешней температуры, выражены в значительно большей степени вблизи поверхности тела и в концевых частях (акральных зонах) конечностей. Если упростить действительную картину, то можно выделить «пойкилотермную» оболочку, или поверхностный слой, и «гомойотермную» сердцевину, или внутренний слой. Приведенные на рис. 25.5 изотермы характеризуют температурные градиенты в теле человека в условиях низкой и высокой температуры окружающей среды. Когда температура внешней среды низка, изотерма 37 °С, ограничивающая пределы внутреннего слоя, смещается в глубь тела [19].

Температурные   характеристики   внутренних частей тела. При ближайшем рассмотрении оказывается, что внутренняя температура тела сама по себе не является постоянной ни в пространственном, ни во временном отношении. Даже в термонейтральных условиях различия температур во внутренних областях составляют 0,2–1,2 °С; в головном мозге существует радиальный температурный градиент более чем в 1 °С от центральной части до наружной. Как правило, наиболее высокая температура отмечается в прямой кишке, а не в печени, как это было принято считать ранее [б]. В связи со всем сказанным выше невозможно указать одно значение для температуры тела. На практике, однако, достаточно найти определенный участок, температура в котором может рассматриваться как репрезентативная для всей внутренней части тела, поскольку обычно интерес представляют изменения температуры во времени. При измерениях температуры в клинике наиболее важно выбрать легкодоступный участок с незначительными пространственными колебаниями температуры, чтобы некоторые изменения в положении измерительного прибора не влияли на стандартное значение температуры.

Для клинических целей предпочтительнее измерять ректальную температуру, несмотря на то что она не полностью удовлетворяет всем выдвинутым требованиям. Когда термометр вводят через анальное отверстие в прямую кишку на глубину 10–15 см, наблюдаются температурные градиенты до 1 °С. Пространственная неравномерность температуры в прямой кишке частично объясняется тесной связью между венозными сплетениями прямой кишки и кожи в области ануса [5]. Таким образом, для проведения сравнительных измерений температуры важно вводить термометр на стандартную глубину.

Оральная температура (точнее, подъязычная температура) обычно на 0,2–0,5 °С ниже ректальной. В данном случае также имеют место температурные градиенты: на оральную температуру влияет температура вдыхаемого воздуха, а также пищи и питья.

При исследованиях в области спортивной медицины часто используют значение пищеводной температуры (над входом в желудок), которую регистрируют с помощью гибких термодатчиков. Такие измерения отражают изменения температуры тела быстрее, чем регистрация ректальной температуры.

Подмышечная температура также может служить показателем внутренней температуры тела, поскольку, когда рука плотно прижата к грудной клетке, температурные градиенты (рис. 25.5) смещаются так, что граница внутреннего слоя доходит до подмышечной впадины. Однако для того, чтобы температура между плотно прижатыми друг к другу участками поверхностного слоя тела достигла своего окончательного значения, в этих участках должно накопиться значительное количество тепла. Если поверхностные ткани были первоначально охлаждены в условиях низкой температуры окружающей среды и в них произошло сужение сосудов (это особенно часто бывает при простуде), то для установления теплового равновесия в этих тканях должно пройти около получаса.

Наконец, по некоторым особым соображениям местом измерения внутренней температуры выбирают наружный слуховой проход уха. В этом случае температуру измеряют при помощи гибкого датчика, помещаемого поблизости от барабанной перепонки; датчик предохраняют от внешних температурных влияний при помощи ватного тампона.

Температура кожи. Обычно для определения температуры поверхностного слоя тела измеряют температуру кожи. Сами измерения не представляют трудностей, но со стандартизацией при этом возникает намного больше проблем, чем при определении внутренней температуры тела. Измерение в одной точке дает совершенно неадекватный результат; необходимо установить среднее значение температуры для нескольких кожных участков. На практике получают обычно среднюю температуру кожи по измерениям в области лба, груди, живота, плеча, предплечья, тыльной стороны ладони, бедра, голени и дорсальной поверхности стопы. При вычислении среднего значения все данные «взвешивают» в соответствии с площадью поверхности тела, которую каждый из показателей характеризует. Найденная таким способом «средняя температура кожи» обнаженного человека при комфортной температуре окружающей среды составляет примерно 33 34 °С. «Среднюю температуру тела» можно получить путем усреднения соответствующих средних значений температуры кожи и внутренней температуры с учетом соответствующих весовых коэффициентов.

Периодические колебания внутренней температуры

Температура тела человека колеблется в течение дня; она минимальна в предутренние часы и максимальна (часто с двумя пиками) в дневное время (рис. 25.6). Амплитуда суточных колебаний в среднем составляет примерно 1 °С. У животных, активных в ночное время, температурный максимум отмечается в течение ночи. Проще всего было бы объяснить эти факты тем, что увеличение температуры происходит в результате усиления физической активности, однако такое объяснение оказалось неверным [18].

Колебания температуры тела на протяжении 24 ч–это один из многих суточных ритмов. Даже в том случае, когда исключены все ориентирующие внешние сигналы (свет, температурные изменения, обычные часы приема пищи), температура тела продолжает колебаться ритмически, но период колебаний в этом случае перестает быть равным точно 24 ч. «Свободно текущий» период составляет от 24 до 25 ч («цнркадианная» периодичность). Таким образом, суточные колебания температуры тела основаны на эндогенном ритме («биологические часы»), обычно синхронизованном с внешними сигналами, в частности с вращением Земли [18]. В условиях путешествия, связанного с пересечением земных меридианов, требуется 1–2 недели для того, чтобы температурный ритм пришел в соответствие с жизненным укладом, определяемым новым местным временем [5].

На ритм суточных изменений температуры накладываются другие ритмы с более продолжительными периодами. Наиболее известный и отчетливый из них–это температурный ритм, синхронизованный с менструальным циклом (рис. 25.6).

Рис. 25.6. Суточные колебания температуры тела (ректальной). Нижняя кривая соответствует первой (преовуляторной), а верхняя кривая–второй (постовуляторной) половинам менструального цикла (средние значения для восьми испытуемых). Розовым цветом показан период сна (по [49])

Температура тела в условиях физической нагрузки

В условиях физической нагрузки внутренняя температура повышается, а средняя температура кожи снижается вследствие вызванного работой выделения и испарения пота (рис. 25.7). Во время работы с субмаксимальной нагрузкой степень повышения внутренней температуры почти не зависит от окружающей температуры в пределах широкого диапазона (15–35°С), пока происходит выделение пота [48]. Обезвоживание тела приводит к подъему внутренней температуры и тем самым лимитирует работоспособность. Стабильный уровень внутренней температуры, достигаемый при работе с субмаксимальной нагрузкой, пропорционален относительной производительности (работоспособности в процентах от индивидуального максимума, выраженного как vq д). Ректальная температура во время марафонского бега, как установлено, может достигать 39–40°С, а в некоторых случаях–почти 41 °С [41].

Рис. 25.7. Температура тела, теплопродукция (огибающая линия) и теплоотдача (столбики) в условиях покоя и при физической нагрузке. Столбики разделены следующим образом: нижняя часть–теплоотдача путем излучения, средняя часть–теплоотдача путем конвекции, верхняя часть–теплоотдача путем испарения (без учета теплоотдачи за счет проведения) (по [33])

25.3. Теплоотдача

В стационарных условиях покоя, характеризующихся постоянством средней температуры тела, интенсивность метаболизма (М) должна быть равна скорости переноса тепла от внутренней области тела к поверхностному слою–внутренний поток тепла (Нвн)–и скорости переноса тепла от поверхности тела в окружающее пространство – наружный поток тепла (Ннар):

М = Нвн = Ннар.               (3)

Внутренний поток тепла

Менее половины всего тепла, выработанного внутри тела, распространяется к поверхности благодаря его проведению через ткани; большая часть вырабатываемого тепла переносится путем конвекции в кровоток. Благодаря своей высокой теплоемкости кровь очень хорошо подходит для переноса тепла и в силу этого для поддержания теплового баланса в организме. Внутренний поток тепла Нвн, как показывает уравнение 4, пропорционален разности между внутренней температурой Твн и средней кожной температурой Ткожи, он определяется также теплопроводностью С, величина которой зависит от скорости кровотока в коже и конечностях:

Нвн=С·(Твн–Ткожи)·А,          (4)

где А–это площадь поверхности тела. У взрослого человека теплопроводность может меняться со скоростью кровотока в 4–7 раз в зависимости от толщины поверхностного слоя тела и от подкожной жировой прослойки [4, 5]. Величина, обратная С, 1/С = I, называется термосопротивлением, или тепловой изоляцией.

Вариабельность теплопроводности до некоторой степени определяется тем, что кровоток в конечностях происходит по принципу противотока. Глубокие крупные сосуды конечностей располагаются параллельно, благодаря чему кровь, следующая по артериям на периферию, отдает свое тепло близлежащим венам. Таким образом акральные сосуды получают предварительно охлажденную кровь и осевой температурный градиент в конечностях становится круче. В теплой среде поверхностные вены расширяются и пропускают больше возвращающейся крови, так что эффект короткого замыкания ослабевает. В результате осевой температурный градиент уменьшается и теплоотдача усиливается.

Наружный поток тепла

Для того чтобы количественно оценить наружный тепловой поток, а также влияние, которое оказывают на него внешние факторы, необходимо отдельно рассмотреть его компоненты [5, 14]. Этими компонентами служат слагаемые теплоотдачи: проведение тепла Нп, конвекция Нк, излучение Низл и испарение Нисп. Общий поток тепла определяется суммой этих компонентов:

 

Ннар = Нп + Нк + Нисп (5)

 

Вклад каждого компонента в общую сумму, выраженный в процентах, в условиях покоя и при физической нагрузке указан на рис. 25.7.

Перенос тепла путем проведения происходит, когда тело соприкасается (в положении стоя, сидя или лежа) с плотным субстратом. Величина потока проводимого тепла определяется температурой и теплопроводностью прилежащего субстрата.

Из тех частей поверхности тела, которые соприкасаются с воздухом, перенос тепла осуществляется путем излучения, конвекции и испарения.

Перенос тепла путем конвекции. Если кожа теплее окружающего воздуха, прилегающий к ней слой воздуха нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным воздухом. В процессе этой естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха у поверхности кожи. Движущей силой этого потока служит разница между температурами тела и окружающей среды вблизи него. Чем больше движений возникает во внешнем воздухе, тем тоньше становится тот пограничный слой, поток в котором является ламинарным; максимальная толщина такого слоя достигает 4–8 мм. Вблизи от кожи поток воздуха становится турбулентным. Форсированная конвекция значительно усиливает интенсивность теплоотдачи.

Перенос тепла (в ваттах) путем конвекции описывается уравнением (6). Определяющими факторами этого процесса служат разность между средней температурой кожи Ткожи и температурой окружающего воздуха Токр, эффективная площадь поверхности А (которая оказывается меньше геометрической площади поверхности тела, поскольку некоторые поверхности соприкасаются между собой) и коэффициент конвективного переноса тепла hк. величина которого пропорциональна квадратному корню из скорости обдувающего воздуха:

Hк=hк·(Tкожн–Tокр)·A          (6)

Величина Iк = 1/hк называется термосопротивлением или изоляцией пограничного слоя.

Перенос тепла путем излучения. Теплоотдача в виде длинноволнового инфракрасного излучения, испускаемого кожей (в нем не принимает участия проводящая среда), точно описывается уравнением Стефана–Больцмана (см. учебники физики), т.е. излучение является функцией четвертой степени от абсолютной температуры. Для небольшого диапазона температур, представляющего интерес в биологии, перенос тепла за счет излучения Низл может быть описан с достаточной точностью при помощи линейного уравнения

 

Низл = hизл ·( Ткожи – Тизл)· А (7)

где Ткожн – средняя температура кожи, Тизл– средняя температура излучения (температура окружающих поверхностей, например стен комнаты), А–эффективная площадь поверхности тела и hизл коэффициент переноса тепла за счет излучения. Значение температуры окружающих поверхностей можно проиллюстрировать с помощью ладони, поднесенной близко к лицу,–у испытуемого сразу возникает ощущение тепла в области лица в результате ослабления теплоотдачи, происходящей путем излучения. Коэффициент hизл учитывает излучающую способности кожи e, которая для длинноволнового инфракрасного излучения равна примерно 1 независимо от пигментации, т.е. кожа излучает почти столько же энергии, сколько и «полный излучатель», или абсолютно черное тело. Испускающая способность окружающих стен должна учитываться только в том случае, если они располагаются очень близко к телу. Излучаемое тепло поглощается телом в помещениях, содержащих излучатели тепла или освещенных солнечным светом, когда средняя температура излучения Тизл (уравнение 7) превышает Тизл. В случае коротковолнового инфракрасного излучения (испускаемого такими излучателями, как электрорадиаторы или солнце) и испускающая, и поглощающая способности кожи становятся значительно меньше 1 (0,5–0,8) и оказываются зависимыми от кожной пигментации.

Перенос тепла путем конвекции и излучения часто объединяют и называют «сухой» теплоотдачей. В этом случае значение температуры окружающей среды представляет собой оперативную температуру – взвешенное среднее между температурами воздуха и излучения. Коэффициенты переноса тепла для конвекции и излучения объединяют и получают коэффициент hокр, обратная величина которого служит характеристикой изолирующих свойств окружающей среды Iокр.

Перенос тепла путем испарения. Около 20% теплоотдачи тела человека в условиях нейтральной температуры (см. рис. 25.7) осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистой оболочки, выстилающей дыхательные пути. Перенос тепла из кожи путем испарения описывается следующим уравнением:

Нисп=hисп·(Ркожн–Рокр)·А        (8)

где Ркожн и Рокр–давление водяного пара соответственно на коже (среднее значение) и в окружающем воздухе, a hисп– коэффициент переноса тепла путем испарения. Величина hисп варьирует в зависимости от очертаний поверхности кожи, атмосферного давления и скорости обдувающего воздуха.

Наиболее важное заключение из приведенного выше уравнения состоит в том, что теплоотдача путем испарения происходит даже тогда, когда относительная влажность окружающего воздуха достигает 100%. Единственное необходимое требование заключается в том, чтобы Ркожн было больше Рокр, это условие сохраняется до тех пор, пока температура кожи выше температуры окружающей среды и кожа полностью увлажнена благодаря достаточному выделению пота. Потерю воды за счет диффузии ее через кожу и слизистую оболочку называют неощущаемой или внежелезистой потерей в отличие от железистой потери воды в результате функции потовых желез. Только последний механизм находится под контролем системы терморегуляции и оказывает существенное влияние на общее количество переносимого тепла.

 

Когда температура окружающей среды превышает температуру тела, теплоотдача может осуществляться только путем испарения. Эффективность потоотделения для процесса терморегуляции основана на поглощении большого количества тепла испаряющейся водой, 2400 кДж на 1 л. Путем испарения 1 л воды организм человека может отдать треть всего тепла, выработанного в условиях покоя за целый день (см. водный баланс).

Влияние одежды. Одежда с точки зрения физиологии является формой теплового сопротивления, или изоляции, Iод [2], величину которого нужно прибавить к значениям термосопротивления тканей организма (Iт) и окружающего пограничного слоя (Iокр). Эффективность одежды обусловлена мельчайшими объемами воздуха, присутствующими в структуре плетеной ткани или в ворсе, где не может возникать сколько–нибудь заметных потоков воздуха. В этом случае тепло переносится только путем проведения, а воздух является плохим проводником тепла.

Факторы окружающей среды и температурный комфорт

Из всего изложенного ясно, что влияние непосредственного окружения на организм человека определяется по крайней мере четырьмя физическими факторами: температурой воздуха, давлением водяного пара в воздухе (влажностью), температурой излучения и скоростью движения воздуха (ветра). От этих факторов зависит, ощущает ли испытуемый «температурный комфорт» или ему слишком жарко либо холодно. Условие комфорта состоит в том, чтобы организм не нуждался в работе механизмов терморегуляции–т.е. ему не требовалось бы ни дрожи, ни выделения пота–и кровоток в периферических органах мог сохранять промежуточную скорость. Это условие соответствует упомянутой выше термонейтральной зоне (рис. 25.4).

Указанные четыре физических фактора до некоторой степени взаимозаменяемы в отношении ощущения комфорта и потребности в терморегуляции. Иными словами, ощущение холода, вызванное низкой температурой воздуха, может быть ослаблено соответствующим повышением температуры излучения. Если атмосфера кажется душной, то соответствующее ощущение может быть ослаблено путем снижения влажности или температуры воздуха. Если температура излучения низкая (холодные стены), для достижения комфорта требуется увеличение температуры воздуха. Подобные взаимоотношения между рассматриваемыми факторами позволяют выражать различные их комбинации одним числом, например эффективной температурой [34].

Согласно проведенным недавно исследованиям [3], значение комфортной температуры для легко одетого (рубашка, трусы, длинные хлопковые брюки) сидящего испытуемого равно примерно 25–26 °С при влажности воздуха 50% и равенстве температуры воздуха и стен. Было показано, что соответствующее значение для обнаженного испытуемого при относительной влажности воздуха 50% составляет 28 °С. В условиях температурного комфорта средняя температура кожи равна примерно 34 °С. При физической работе по мере того, как испытуемый затрачивает все больше физических усилий, комфортная температура снижается. Например, для легкой кабинетной работы предпочтительная температура воздуха равна примерно 22 °С. Как ни странно, во время тяжелой физической работы комнатная температура, при которой не возникает потоотделения, ощущается как слишком низкая. Диаграмма на рис. 25.8 показывает, как соотносятся значения комфортной температуры, влажности и температуры окружающего воздуха в условиях легкой физической работы (3 мет; 1 мет = интенсивность обмена веществ в условиях покоя). Каждой степени дискомфорта может быть сопоставлено одно значение температуры – эффективная температура (ЭТ). Численное значение ЭТ находят путем проецирования на ось х точки, в которой линия дискомфорта пересекает кривую, соответствующую 50% относительной влажности [34] (ранее шкалу эффективной температуры строили в соответствии с относительной влажностью, равной 100%). Например, все комбинации значений температуры и влажности в красной области на рис. 25.8 (30 °С при относительной влажности 100% или 45 °С при относительной влажности 20% и т. д.) соответствуют эффективной температуре 37 °С, которая в свою очередь соответствует определенной степени дискомфорта. В диапазоне более низких температур влияние влажности оказывается меньше (наклон линий дискомфорта более крутой), поскольку в этом случае вклад испарения в общую теплоотдачу незначителен. Как показано на диаграмме, дискомфорт возрастает с увеличением средней температуры и влажности кожи (части поверхности тела, покрытой потом [34]). Когда значения параметров, определяющие максимальную влажность кожи (100%), превышены, тепловой баланс не может больше сохраняться. Таким образом, человек способен выдерживать условия за пределами этой границы лишь в течение короткого времени; пот при этом стекает ручьями, поскольку его выделяется больше, чем может испариться. Линии дискомфорта, представленные на рис. 25.8, конечно, смещаются в зависимости от тепловой изоляции, обеспечиваемой одеждой, скорости ветра и характера физической нагрузки. Когда, например, выполняемая работа требует увеличения интенсивности обменных процессов от 3 до 6 мет, предельно

               

Рис. 25.8. Психометрическая диаграмма, отражающая соотношение между температурой окружающей среды (оперативная температура: взвешенное среднее значение температуры излучения и воздуха) и влажностью, с одной стороны, и температурным дискомфортом–с другой. Это соотношение установлено для условий умеренной физической нагрузки («3 мет», т. е. утроенное значение интенсивности метаболизма в покое), легкой спортивной одежды и незначительного относительного движения воздуха (0,5 м/с). ЭТ эффективная температура; Ткожн– средняя температура кожи (по [34])

выносимая на протяжении продолжительного времени эффективная температура меняется с 40 до 33 °С.

Значения комфортной температуры в воде. Когда окружающей средой служит вода, роль пограничного слоя воздуха (см. выше) выполняет слой воды, обладающей по сравнению с воздухом значительно большей теплопроводностью и теплоемкостью. В воде при заданной температуре от покоящегося тела путем конвекции отводится значительно больше тепла, чем в воздухе. Когда вода находится в движении, возникающий турбулентный поток вблизи поверхности тела отнимает тепло так быстро, что при температуре воды 10°С даже сильное физическое напряжение не позволяет поддерживать тепловое равновесие, и возникает гипотермия. Если тело находится в полном покое, для достижения температурного комфорта температура воды должна быть 35–36 °С. Этот нижний предел термонейтральной зоны зависит от толщины изолирующей жировой ткани. В ряде исследований, проведенных на людях с различной степенью ожирения, было показано, что нижняя предельная комфортная температура в воде колеблется от 31 до 36 °С [52].

 

25.4. Регуляция температуры тела

Биологическую терморегуляцию целесообразно описывать с помощью терминов теории систем, разработанной для технических систем управления. Чтобы осуществлять постоянно контроль за тепловым режимом управляемой системы, необходимы датчики. Выходные сигналы с датчиков передаются на центральный контроллер, где происходит обработка температурной информации и откуда посылаются сигналы для контроля и управления одним или более эффекторами (исполнительными звеньями). Выходные сигналы от эффекторов должны вызывать противодействие изменениям температуры, связанным с внешними или внутренними возмущениями. Если подобный принцип выполняется, система представляет собой цикл с отрицательной обратной связью (рис. 25.9). Теперь перейдем к рассмотрению отдельных компонентов системы.

Выходные функции эффекторов при терморегуляции

К выходным функциям эффекторов относятся: выработка тепла, изменение теплоизолирующих свойств тканей и выделение пота. Все эти функции контролирует преимущественно нервная система; только при долгосрочной адаптации в регуляции этих функций начинают участвовать также гормональные процессы. В терморегуляции участвуют две нейронные системы: 1) соматомоторная и 2) симпатическая (рис. 25.10). Формы терморегуляторного поведения, такие, как обмахивание веером или утепление либо облегчение одежды, также могут быть отнесены к категории функций эффекторов (см. «поведенческая адаптация»).

 

 

Рис. 25.9. Блок–схема терморегуляции. В систему входят две группы детекторов, соответствующих кожным и внутренним терморецепторам организма

 

 

Рис. 25.10. Схема нервного контроля терморегуляторных эффекторных элементов

 

Регуляция термогенеза. Дрожь  индуцируется и поддерживается с помощью двигательной системы, спинальные и супраспинальные элементы которой (цереброспинальный и ретикулоспинальный тракты) описаны в гл. 5. Так называемый центральный дрожательный путь, проходящий каудально от заднего гипоталамуса [5], связывает центральную терморегуляторную область с ядрами двигательной системы, расположенными в среднем и продолговатом мозгу. На механизм возникновения дрожи можно также повлиять фармакологическим способом, воздействуя препаратом кураре или другими миорелаксантами на нервно–мышечную концевую пластинку.

Недрожательный термогенез  регулируется с помощью симпатической нервной системы. Когда симпатическая активность подавлена ганглиоблокирующими препаратами или, точнее, препаратами, блокирующими адренергические b–рецепторы (см. рис. 25.3), действие недрожательного механизма, вырабатывающего тепло, прекращается. Норадреналин, высвобождаемый нервными окончаниями, стимулирует выделение свободных жирных кислот из жировых капель, окруженных митохондриями, а также последующее окисление жирных кислот. Относительно биохимического механизма этой формы термогенеза см. [44].

Регуляция теплоотдачи. Терморегуляторные эффекты, связанные с кровотоком, могут быть различными в зависимости от части тела. Можно выделить по меньшей мере три функционально различающиеся области: 1) акральные области (пальцы, кисти рук, ушные раковины, губы, нос); 2) туловище и проксимальные части конечностей и 3) голова и лоб [5].

Кровоснабжение акральных зон контролируется норадренергическими симпатическими нервами, увеличение симпатического тонуса вызывает сужение кровеносных сосудов, а его снижение–расширение сосудов. На диаметр артериовенозных анастомозов в дистальных частях конечностей симпатическая активность влияет так же, как и на диаметр артериол. Когда артериовенозные анастомозы открыты, кровь протекает через конечности, и в этом случае теплоотдача путем конвекции значительно усиливается. Устранение симпатической активности приводит к почти максимальному расширению кровеносных сосудов в акральных областях. В туловище и проксимальных частях максимальное увеличение кровотока, вызванное обогревом, оказывается значительно более сильным, чем после блокады симпатической системы. Этот факт позволяет предположить, что существуют специфические сосудорасширяющие нервные волокна, выделяющие из своих окончаний медиатор (предположительно ацетилхолин), который угнетает сокращения мышц в стенках кровеносных сосудов [47]. С другой стороны, сосудорасширяющее действие приписывали ферменту, выделяемому в пот и катализирующему образование вазоактивного медиатора (брадикинина). В пользу этой точки зрения говорят данные о том, что расширение сосудов, вызванное внешним обогревом, протекает в две фазы. Наступление второй фазы приблизительно совпадает по времени с началом потоотделения; первая фаза соответствует расширению сосудов в акральной области, и поэтому предполагается, что она наступает в результате уменьшения тонуса симпатической нервной системы. Связь второй фазы расширения сосудов с потоотделением подтверждается отсутствием активного сосудорасширения у людей с врожденным отсутствием потовых желез. Однако до сих пор еще неясно, действует ли в качестве медиатора брадикинин или какое–либо другое вещество [24].

Процесс потоотделения у человека регулируется исключительно с помощью холинергических симпатических волокон и в связи с этим может быть выключен атропином. Выделение пота индуцируют ацетилхолин, пилокарпин и другие парасимпатомиметические вещества. В определенных условиях (например, при сильном психическом напряжении) сужение кровеносных сосудов в коже кистей рук и стоп может сопровождаться выделением пота на поверхности ладоней и стоп. С точки зрения терморегуляции это парадоксальная реакция–случай эмоционального, а не теплового потоотделения.

Прямое влияние температуры на эффекторные процессы. Кровеносные сосуды непосредственно реагируют на изменения температуры; это свойство, не зависящее от сигнала со стороны нервной системы, продемонстрировано в экспериментах на изолированных сегментах сосудов. Одна характерная реакция, называемая холодовым расширением сосудов, по–видимому, в значительной степени обусловлена этой локальной термочувствительностью мышечных стенок сосудов.

Холодовое расширение сосудов это обычная реакция. Когда человек попадает на сильный холод, у него вначале происходит максимальное сужение сосудов, что проявляется в бледности и ощущении холода и часто сопровождается болевыми ощущениями в акральных областях. Однако через некоторое время кровь внезапно устремляется в сосуды охлажденных частей тела, что сопровождается покраснением и согреванием кожи. Если воздействие холода продолжается, указанная последовательность событий периодически повторяется.

Считается, что холодовое расширение сосудов служит защитным механизмом для предотвращения поражений тканей (обморожения и некрозов), связанных с недостаточностью кровоснабжения. Однако из опыта известно, что при сильном морозе значительные локальные поражения возникают несмотря на расширение сосудов, а защитное действие холодового расширения сосудов проявляется только у людей, адаптированных к холоду .

Вместе с тем этот механизм может ускорить летальный исход общего переохлаждения у тех, кто оказался за бортом судна и вынужден находиться в холодной воде в течение продолжительного времени [5].

Терморецепция

Кожные холодовые и тепловые рецепторы, ответственные также за температурные ощущения (см. восприятие температурных раздражении, составляют одну из групп рецепторов, выполняющих роль детекторов в цепи терморегуляции (рис. 25.9). Уже давно было высказано предположение о существовании еще и внутренних терморецепторов, и впоследствии этому было получено убедительное экспериментальное подтверждение. Например, локальное нагревание или охлаждение небольшого определенного участка переднего гипоталамуса вызывает усиление как теплоотдачи, так и термогенеза [1, 5, 43]. Методом регистрации электрической активности одиночных нервных волокон были идентифицированы температурочувствительные структуры – «тепловые нейроны», в которых при локальном нагревании увеличивается частота разрядов (рис. 25.11). На рисунке показано, что усиление активности этих нейронов предшествует запуску противодействующего нагреванию механизма (увеличение частоты дыхания).

Исследования, проведенные in vitro на переживающих срезах гипоталамуса [40] и клеточных культурах [20], позволили ответить на вопрос о том, чем обусловлена гипоталамическая термочувствительность наличием отдельных температурочувствительных

Рис. 25.11. Синхронная регистрация частоты разрядов «теплового нейрона» в преоптической области гипоталамуса (A) и частоты дыхания (Б) при изменении температуры гипоталамуса с помощью вживленного теплового зонда (по [43])

 

ганглиозных клеток или зависимостью синаптической передачи между афферентными и эфферентными нейронами от температуры. После блокады синаптической передачи растворами электролитов с низким содержанием Са2+ и высоким –Mg2+ исследуемые структуры оставались чувствительными к термическим стимулам, что свидетельствует о существовании термочувствительных клеток. В опытах как in vivo, так и in vitro было показано, что преоптическая область и передний гипоталамус содержат не только теплочувствительные клетки (Q10 > 1) , но и нечувствительные к температуре нейроны (Q10 = 1), а также холодочувствительные клетки (Q10 < 0,5), причем последних значительно меньше, чем теплочувствительных. В культурах ткани медиобазальной части гипоталамуса истинно термочувствительных клеток не было обнаружено. Это согласуется с данными, полученными in vivo, о том, что термочувствительные структуры в заднем гипоталамусе встречаются очень редко.

Термочувствительные структуры были обнаружены также в нижней части ствола головного мозга (среднем и продолговатом мозгу); локальное нагревание этих областей могло вызывать терморегуляторные реакции. Однако термочувствительность в этих отделах мозга была значительно ниже, чем в преоптической области и переднем гипоталамусе [39]. В то же время спинной мозг исключительно термочувствителен. У собак и других животных при повышении температуры спинного мозга по всей его длине лишь на несколько десятых долей градуса наблюдаются одышка, расширение кровеносных сосудов и угнетение термогенеза [51, 54]. Охлаждение спинного мозга вызывает дрожь, но для этого требуется значительное изменение температуры [39,51].

У морской свинки для запуска терморегуляторных реакций достаточно локального изменения температуры в области шейного отдела спинного мозга [29]. Чтобы достоверно сравнивать термочувствительность спинного мозга и переднего гипоталамуса, необходимо подвергать раздражению температурочувствительные области одинаковых размеров; но работ, в которых было бы осуществлено локальное изменение температуры спинного мозга, пока не имеется. По этой же причине ничего не известно о локализации и морфологии структур, обусловливающих термочувствительность спинного мозга.

Результаты расчетов указывают на существование температурочувствительных структур вне центральной нервной системы и кожи [39]. Экспериментально установлено наличие термосенсоров в дорсальной стенке брюшной полости [39, 51] и в мускулатуре [39]. Кроме того, нельзя исключать возможности присутствия термосенсоров в других частях тела; недавно получены данные, свидетельствующие о наличии подкожных термосенсоров [38].

Можно допустить, что распределение терморецептивных структур в организме коррелирует со сложной картиной температурных градиентов. Такой подход позволит выяснить нейрофизиологическую основу чрезвычайно сложной системы регуляции, обеспечивающей температурный режим организма в целом (многоканальная система). Простые системы регуляции наподобие той, что действует в обычном бытовом кондиционере, имеют только один температурный датчик, расположенный в одном участке системы. При такой организации могут возникать значительные пространственные и временные температурные градиенты.

Ингегративные процессы и структуры центральной нервной системы, ответственные за терморегуляцию

Согласно основным положениям теории систем, на которой основано наше описание механизмов терморегуляции, должны существовать некие элементы, «перерабатывающие» температурную информацию от рецепторов и преобразующие эти входные сигналы в выходные эффекторные сигналы (см. рис. 25.9 и 25.10).

Переработка информации в гипоталамусе. Имеется много экспериментальных данных в пользу того, что гипоталамус–особенно задняя гипоталамическая область, не обладающая сколько–нибудь заметной термочувствительностью (см. выше)–служит интегративным центром терморегуляции. Об этом свидетельствуют и электрофизиологические данные. Например, в задней гипоталамической области имеются нейроны, активность (частота разрядов) которых изменяется под влиянием локального термического раздражения преоптической области или шейно–грудного отдела спинного мозга [57]. На границе между передним и задним гипоталамусом обнаружены нейроны, реагирующие на изменения температуры кожи в различных областях конечностей и туловища [28]. Следовательно, задний гипоталамус характеризуется наличием термореагирующих клеток (т.е. клеток, отвечающих на изменения температуры в удаленных структурах, но нечувствительных к изменениям собственной температуры). Однако строгого пространственного разграничения рецептивной и интегрирующей функций не существует. Клетки преоптической области и переднего гипоталамуса, обнаруживающие термочувствительность, отвечают также на изменения температуры кожи, т.е. одновременно являются термореагирующими.

Термоафферентные пути. Предполагается, что сигналы от терморецепторов, локализованных в коже туловища, проводятся в ретикулярную формацию ответвлениями волокон спиноталамического тракта (см. неспецифичная система). Термические сигналы от кожи лица, возможно, достигают гипоталамуса через соответствующие проекции–каудального ядра тройничного нерва, хотя наличие такого пути пока не установлено. Термочувствительные структуры в спинном мозгу связаны с гипоталамусом восходящими трактами в области переднебоковых канатиков [56]. Проведенные недавно исследования показали, что некоторые из кожных афферентов образуют полисинаптический путь к гипоталамусу через две содержащие ядра области нижнего отдела ствола головного мозга (область, находящаяся под голубым пятном, и ядра шва; рис. 25.12) [28].

Эфферентные пути. Одна из эфферентных связей–это центральный путь импульсов, вызывающих дрожь [5, 6]; он начинается в заднем гипоталамусе и ведет в моторные ядра ретикулярной формации. Как показали исследования, выполненные на крысах, связи, обеспечивающие регуляцию сосудодвигательных реакций, идут через медиальный пучок переднего мозга [35]. По–видимому, морфологическим субстратом термоинтегративных функций служит задняя часть гипоталамуса.

Наиболее четкие свидетельства участия гипоталамуса в терморегуляции были получены в классических экспериментах с перерезкой различных участков мозга. У кошки при перерезке ствола головного мозга в непосредственной близости от гипоталамуса в ростральном направлении терморегуляция нарушается, тогда как после перерезки кпереди от среднего мозга животные начинают реагировать на температурные раздражения как пойкилотермные. Если хирургическое вмешательство выполнено удачно и окружающая температура поддерживается на соответствующем уровне, то такие искусственно смоделированные пойкилотермные животные могут выживать в течение недель и месяцев [5, 54].

У крыс некоторая способность к регуляции температуры тела и развитию лихорадочного состояния сохраняется даже после перерезки сразу за промежуточным мозгом. Нейронная основа терморегуляторных функций стала ясна, хотя и не в деталях, после обнаружения терморецепторных структур в среднем мозгу (см. выше) и синапсов термоафферентных волокон в нижнем отделе ствола головного мозга (рис. 25.12).

Реципрокная взаимосвязь между холодовыми и тепловыми афферентными путями. Наиболее важная отличительная особенность биологической терморегуляции по сравнению с известными простыми техническими системами – это наличие двух видов рецепторов с различной локализацией; речь идет о холодовых и тепловых рецепторах, между которыми существуют антагонистические взаимоотношения. Более многочисленные и равномернее расположенные кожные холодовые рецепторы активируются, когда температура опускается дальше нижнего предела термонейтральной зоны (ниже Т2 на рис. 25.4); их активация вызывает процессы, предназначенные для защиты от холода (см. рис. 25.9

Рис. 25.12. Сильно упрощенная модель связей между температурными афферентными путями и эфферентными нейронными сетями, контролирующими терморегуляторные эффекторные элементы. Затененные участки изображают термоинтегративные области гипоталамуса (главным образом задний гипоталамус) и нижнюю часть ствола головного мозга, которая содержит основные элементы обработки температурной информации, поступающей из кожи (ядра шва ЯШ, область под голубым пятном–ОПГП). Тормозные нейроны, обозначенные красным, обеспечивают взаимное угнетение процессов, приводящих либо к потере, либо к выработке тепла. ХР–холодовые рецепторы, ТР–тепловые рецепторы (размеры символов ориентировочно характеризуют различия в их количестве). Знак ◄ обозначает активирующие, а —┤тормозные синаптические связи. Обозначения нейронов относятся не к отдельным клеткам, а к их популяциям. Некоторые детали связей между ОПГП, ЯШ и гипоталамусом, выявленные в работе [28], не показаны на схеме. Стрелки, направленные вниз от нижней части ствола мозга, обозначают пути к мотонейронам и клеткам задних рогов спинного мозга; последние могут тормозить приток сигналов от тепловых афферентных путей

 

и 25.10),–сужение сосудов и терморегуляторное усиление выработки тепла. Этим реакциям оказывают противодействие активируемые теплом внутренние терморецепторы, которые включаются при повышении температуры тела, наступающем вследствие чрезмерного действия механизмов защиты от холода либо при интенсивной физической нагрузке. Подобная цепь позволяет защитным механизмам очень быстро включаться в действие в случае понижения наружной температуры–задолго до того, как начнет снижаться внутренняя температура тела и смогут среагировать внутренние терморецепторы.

В условиях теплового стресса, вызванного, например, усиленным термогенезом при интенсивной физической работе, внутренние тепловые рецепторы возбуждаются и запускают процессы, устраняющие излишки тепла (расширение сосудов, потоотделение). Этому эффекту противодействуют активируемые холодом кожные холодовые рецепторы. Кожные тепловые рецепторы не могут, очевидно, играть большую роль в инициации теплоотдачи при физической работе, так как возникающие в этом случае выделение и испарение пота вызывают охлаждение кожи до температуры ниже той, что соответствует термонейтральной зоне (см. рис. 25.7). Однако в случае нагревания извне выделение пота происходит за счет совместного действия кожных и внутренних тепловых рецепторов (рис. 25.12).

Нейронная модель центрального контроллера.

Согласно современным представлениям о функциональной организации гипоталамуса, нейронная основа интегративных терморегуляторных функций выглядит следующим образом (рис. 25.12). Существует три вида нейронных элементов: 1) эфферентные нейроны, располагающиеся в гипоталамусе; аксоны этих нейронов активируют периферические контролирующие элементы (рис. 25.10) либо непосредственно, либо, что более вероятно, через цепочки интернейронов; 2) интернейроны (или вставочные нейроны) внутри гипоталамуса и 3) температурные афференты, часть из которых берет начало от кожных терморецепторов, а часть–от внутренних рецепторов (например, от рецепторов преоптической области). Холодовые рецепторы непосредственно активируют эффекторы, ответственные за термогенез; их ингибирующее влияние на эффекторы теплоотдачи опосредовано вставочными нейронами. Возбуждение распространяется от тепловых рецепторов по эфферентным волокнам к эффекторам теплоотдачи, одновременно (также при участии вставочных нейронов) оказывая тормозное влияние на эффекторы теплопродукции [1, 5].

Переработка температурной информации. Между кожной температурой и внутренней температурой тела при обычно встречающихся температурных нагрузках имеются значительные различия (см. рис 25.7). Если учесть, что термочувствительные структуры, как указывалось ранее, распределены по всему телу, то нельзя ожидать, чтобы деятельность терморегулирующих эффекторов (рис. 25.10) определялась какой–либо локальной (например, ректальной) температурой. Следовательно, цель термофизиологии состоит в описании терморегулирующих процессов как функции возможно большего набора температур   различных   термочувствительных участков тела. Для такого описания требуется система уравнений с несколькими переменными. Данные должны быть получены в опытах на животных, у которых при помощи термодов и теплообменников вызывают местные температурные изменения [39]. Возможности локального изменения в эксперименте температуры тела у человека при сохранении ее в остальных частях тела на постоянном уровне очень ограниченны, поэтому неизвестно, в какой степени результаты опытов на животных распространяются на человека. Можно составить лишь приблизительное описание, представив терморегулирующие параметры как функцию двух температур: внутренней температуры тела (измеренной в репрезентативном участке) и средней кожной температуры [23, 25, 27, 42]. Например, дрожь может быть описана серией кривых в системе координат, где по осям отложены кожная температура и температура внутренних областей тела (рис. 25.13). Кривые эквивалентного выделения пота приближаются к линеаризованным. Кровоток в коже описывается уравнением, сходным с таковым для потоотделения [55]. Схема, представленная на рис. 25.13, позволяет количественно оценить различные терморегуляторные реакции. Рассмотрим наиболее важные из них.

Дрожь возникает под действием холода, когда температура кожи снижается и становится ниже нормальной (красный кружок), что показано на схеме стрелкой 1. Внутренняя температура тела может несколько повышаться вследствие чрезмерной реакции на холод, однако более значительное повышение внутренней температуры (например, в период физической нагрузки) будет подавлять реакцию дрожи, вызванную холодом. Если холодовой стресс продолжается, как это бывает при купании в холодной воде, внутренняя температура в конце концов начинает снижаться. Если затем быстро согреться (например, на жарком солнце), то сначала повысится кожная температура (стрелка 2) до уровня выше порогового для дрожи, так что дрожь прекратится раньше, чем восстановится внутренняя температура. В случае нагревания извне сначала повышается только температура кожи (стрелка 3) и начинается потоотделение, а внутренняя температура остается близкой к нормальной. При физической работе (стрелка 4) вначале резко повышается внутренняя температура и начинается потоотделение, а затем в результате испарения пота снижается кожная температура (см. рис. 25.7).

 

 

Рис. 25.13. График, иллюстрирующий зависимость дрожи и потоотделения от средней кожной температуры и от внутренней температуры тела. Кружком обозначена температура в термонейтральных условиях. В количественном отношении схема соответствует только определенному времени суток и определенному состоянию акклиматизации. Смещению заданного значения, описанного в тексте, будет соответствовать смещение линий в системе координат (по [22, 42])

Таким образом, чтобы в период физической нагрузки пот выделялся с максимальной интенсивностью, внутренняя температура должна подниматься тем выше, чем ниже окружающая (и, следовательно, кожная) температура. Если принимать во внимание только внутреннюю температуру, то можно сделать заключение, что система терморегуляции работает очень неточно и существует большое расхождение между реальным состоянием и заданным значением (так называемая нагрузочная ошибка). Прежде внутреннюю температуру действительно рассматривали в качестве регулируемой переменной, и указанное расхождение было трудно понять; тогда считали, что при физической работе, как и при лихорадке (см. ниже), возникает сдвиг самого заданного значения, соответствующего стабильной температуре тела. Однако если терморегуляцию рассматривать как многоканальную систему, а в качестве регулируемой переменной взять взвешенное среднее значение температуры тела [1, 5, 29], то нет необходимости предполагать сдвиг заданного значения температуры. С другой стороны, проведенные в последнее время исследования показали, что при физической работе в прямостоячем положении пороговый уровень для реакции сосудорасширения сдвигается в сторону более высокой температуры тела сильнее, чем при физических нагрузках в лежачем положении (см. рис. 26.12). Эта задержка реакции сосудорасширения, отражающая, по–видимому, взаимосвязь систем, регулирующих кровяное давление и температуру, увеличивает перепад температуры между внутренними и наружными частями тела и вызывает подъем внутренней температуры.

Вследствие динамической чувствительности кожных терморецепторов  быстрые изменения температуры (как при прыжке в холодную воду) вызывают резкие температурные реакции [25], которые, однако, быстро ослабевают. Эти динамические реакции способствуют уменьшению нагрузочной ошибки.

В области между пороговыми значениями для потоотделения и дрожи (незакрашенная область на рис. 25.13) температура полностью регулируется сосудодвигательными и поведенческими механизмами. Во всех случаях человек старается вести себя так, чтобы оставаться в ограниченной области сосудодвигательного контроля температуры, поскольку потоотделение и дрожь ощущаются как дискомфорт.

Заданное значение и его подстройка

Колебания температуры тела, связанные с суточным и менструальным циклами, а также высокая температура при лихорадочных состояниях рассматриваются как смещение заданного значения. Однако, используя здесь понятие «заданное значение», мы сталкиваемся с ограничением аналогии между биологическими и техническими системами. В технике это понятие несет однозначный смысл–значение регулируемой переменной, которая по плану конструктора должна с минимальными возможными отклонениями поддерживаться в системе. Заданное значение системы устанавливают с определенной целью, и, если условия того требуют, его можно сместить. В случае биологических систем не существует «конструктора», имеющего определенную цель, поэтому данное понятие (если в случае подобных систем оно вообще пригодно) должно быть описано косвенно. Можно установить набор температур, при которых активируются отдельные процессы терморегуляции (регуляторное усилие термогенеза, выделение пота и т. д.). Такой анализ позволяет получить семейство пороговых кривых для дрожи и потоотделения (рис. 25.13). «Заданное значение» системы можно рассматривать как суммарную стационарную температуру тела, пребывающего в состоянии, когда не действуют ни механизмы выделения излишков тепла, ни механизмы защиты от холода. Иными словами, «заданное значение» представляет собой функцию пороговых температур для различных регуляторных процессов.

 

Рассмотрим возможную нейрофизиологическую основу установления определенного порогового уровня. Можно предположить, что определенная форма пороговой кривой отражает функциональные характеристики участвующих в процессах терморегуляции холодовых и тепловых рецепторов. При «нормальной» температуре рецепторы обоих типов могут быть одинаково активны, и их взаимно противоположные влияния в таком случае будут уравновешиваться. При положительном или отрицательном отклонении от заданного значения, связанном с преимущественным поступлением тепловых или холодовых сигналов соответственно, будут активироваться соответствующие регуляторные процессы. В этом случае «смещение заданного значения» будет связано с изменением функциональных характеристик терморецепторов. Функциональные характеристики (внутренних) терморецепторов, как было показано, изменяются при экспериментально вызванной лихорадке и под действием прогестерона (см. также колебания температуры во время менструального цикла, рис. 25.6). Однако в некоторых других условиях изменения порогового уровня нельзя объяснить (во всяком случае, полностью) изменениями функций рецепторов. Поэтому было высказано предположение, что некоторые клетки играют роль «референтных» нейронов (нейронов сравнения), сигнал которых не зависит от температуры; когда сигнал такого референтного нейрона вызывает постсинаптическое торможение нейрона, получающего сигнал от терморецепторов, температурный сигнал уменьшается на определенную величину. Таким образом, активность референтного нейрона (зависящая от нетемпературных факторов) могла бы служить для поддержания постоянного порогового уровня. Однако таких референтных нейронов обнаружено не было. Вместе с тем установлено, что сдвиг температурного порога дрожи при адаптации к холоду  связан с типичными изменениями функциональных характеристик нетермочувствительных вставочных нейронов в нижних отделах ствола головного мозга (см. ЯШ и ОПТП на рис. 25.12). Область под голубым пятном составляет ту часть норадренергической системы (вентральный норадренергический пучок), которая при активации электричеством инициирует повышение температурного порога дрожи [28, 30]. Поэтому в настоящее время считается, что пороговый уровень и, следовательно, заданное значение для терморегулирующей системы определяются модифицируемыми свойствами температурочувствительных структур, а также нетермочувствительными вставочными нейронами терморегуляторной системы [1, 5, 16, 28, 30].

Изменение порогового уровня может быть вызвано изменением соотношения концентраций Ca2+/Nа+ в мозгу [б]. Однако еще не установлено, происходят ли в нормальных физиологических условиях настолько сильные изменения соотношения концентраций Ca2+/'Nа+, чтобы возник указанный эффект.

25.5. Онтогенетические и адаптивные изменения терморегуляции

Терморегуляция у новорожденных

Новорожденные особи млекопитающих разных видов (суслика, хомяка) неспособны к терморегуляторной выработке тепла сразу после рождения; интенсивность обменных процессов у них изменяется в зависимости от температуры так же, как у пойкилотермных животных (см. рис. 25.1). Лишь через несколько недель после появления на свет соответствующие эффекторные механизмы этих новорожденных начинают реагировать на температурные стимулы. У других видов (см. рис. 25.3), включая человека (рис. 25.14), все терморегуляторные реакции (усиленный термогенез, вазомоторные реакции, выделение пота, поведенческие реакции) могут включаться сразу после рождения; это относится даже к недоношенным младенцам, вес которых при рождении составляет около 1000 г [26]. Широко распространено мнение о том, что новорожденные и недоношенные младенцы имеют свойства

 

 

 

 

Рис. 25.14. А. Связанные с терморегуляцией изменения кожного кровотока (измеренные как изменения теплопроводности, Dλ) и интенсивности обмена веществ у новорожденного ребенка в условиях холодового стресса (температура окружающей среды Тc снижена до 28 °С). Видно, что терморегуляторные реакции возникают сразу, как только средняя температура кожи Тк начинает снижаться. Внутренняя температура (ректальная) Тв сохраняется постоянной. Б. Суммарный периферический кровоток (измеренный как теплопроводность) и теплопродукция как функция средней кожной температуры. Следует отметить, что терморегуляторная теплопродукция и сужение сосудов у новорожденных возникают при более высокой кожной температуре, чем у взрослых (по [26] с изменениями)

 

пойкилотермных организмов, поскольку у них еще не вполне развиты определенные структуры мозга, ответственные за терморегуляцию. Это неверное представление могло возникнуть в связи с тем, что у новорожденных детей, как правило, термогенез обеспечивается не за счет механизма дрожи, а другим путем, так что его можно обнаружить только с помощью специальных методов. Выработка тепла у младенцев может повышаться без участия механизма дрожи на 100–200% по сравнению с ее уровнем в условиях покоя (рис. 25.3). Только в случае предельного холодового стресса этот механизм термогенеза дополняется дрожью.

Малые размеры новорожденного ребенка неблагоприятны с точки зрения терморегуляции. Соотношение между поверхностью и объемом тела у доношенного новорожденного примерно в три раза превышает соответствующее соотношение у взрослого. Кроме того, поверхностный слой тела имеет небольшую толщину и изолирующая прослойка жира весьма тонка. В связи с этим даже при максимальном сужении сосудов у новорожденного перенос тепла из организма во внешнюю среду не может уменьшиться в такой степени, как у взрослого человека (см. более высокая проводимость, рис. 25.14). Чтобы обойти такую проблему, организм должен увеличивать выработку тепла в случае доношенного новорожденного в 4–5 раз на единицу массы тела, а в случае недоношенного новорожденного (масса которого составляет 1000–1500 г соответственно в 1–10 раз. Сразу после рождения минимальное значение интенсивности обмена веществ, 1,7 Вт/кг, располагается ниже экспоненциальной кривой с n = 0,75, показанной на рис. 25.2, однако в течение первых нескольких дней и недель жизни оно возрастает примерно до 2,7 Вт/кг, т. е. оказывается на уровне явно выше этой кривой.

Таким образом, если температурный баланс должен поддерживаться при минимальной интенсивности обменных процессов у новорожденного, то температура окружающей среды должна быть выше, т.е. составлять 32–34 °С (рис. 25.15). Если эта температура ниже указанной границы, то для поддержания в организме температурного равновесия требуется терморегуляторная выработка тепла. Это означает, что нижняя граница термонейтральной зоны (Т2 на рис. 25.15) смещается в сторону более высокой температуры окружающей среды. Нижний предел регулируемого диапазона (Т1 на рис. 25.15) также смещается в направлении более высоких температур; для доношенного новорожденного этот предел составляет примерно 23 °С, а для обнаженного взрослого–примерно 0°С. Однако в пределах ограниченного контролируемой диапазона температура тела у новорожденного регулируется так же точно, как и у взрослого, поскольку пороговые температуры для реакции сужения сосудов и для

Рис. 25.15. Термогенез как функция температуры окружающей среды у новорожденных и у взрослых. Окончание каждой кривой соответствует границе термонейтральной зоны (Т2), которая в случае новорожденных сдвинута в сторону более высоких температур в связи с относительно низкой стандартной интенсивностью метаболизма (СМ). СМ–минимальная интенсивность метаболизма, измеренная в особых стандартных условиях для новорожденных, аналогичных, но не идентичных условиям регистрации интенсивности основного обмена (ИОО) у взрослых. По мере того как СМ возрастает в течение первой недели жизни, Т2н, сдвигается влево. Нижняя граница регулируемого диапазона (Т1) определяется максимальной интенсивностью теплопродукции и равна примерно 23 °С для новорожденных и 0.5 °С для взрослых. Схема основана на данных из [26]. Теплоотдача путем испарения в этой схеме не учтена

термогенеза «подстроены» в соответствии с размерами тела (рис. 25.14). У недоношенных новорожденных с уменьшением размеров тела значения Т1 и Т2 (рис. 25.15) смещаются в сторону более высоких температур и сближаются между собой. Следовательно, у очень маленьких недоношенных новорожденных младенцев терморегуляция неэффективна; до тех пор пока они не прибавят достаточно в весе, их следует держать в термостатируемых боксах (инкубаторах).

Продолжительная адаптация к условиям окружающей среды

Регуляторные механизмы – термогенез, сосудодвигательные реакции, потоотделение – всегда готовы к действию и могут включиться в течение секунд или минут после наступления температурного стресса. Кроме них существуют другие механизмы, обеспечивающие продолжительную адаптацию к климатическим изменениям в окружающей среде.

Соответствующие процессы, называемые также физиологической адаптацией или акклиматизацией, основаны на таких модификациях органов и функциональных систем, которые развиваются только под влиянием продолжительных (в течение дней, недель или месяцев) постоянных или повторяющихся температурных стрессов [5, 36].

Тепловая адаптация. Способность людей адаптироваться к теплу играет решающую роль для выживания в условиях тропиков и пустыни, а также для выполнения тяжелой работы при высокой температуре на производстве. Наиболее важный сдвиг, возникающий в ходе тепловой адаптации,– это изменение интенсивности потоотделения, которая может возрастать в два раза и у хорошо тренированных людей составлять 1–2 л/ч. Кроме этого, выделение пота начинается при более низкой средней кожной и внутренней температурах; следовательно, снижается температурный порог активации регуляторных механизмов, за счет чего уменьшается нагрузочная ошибка. Благодаря этим изменениям уменьшается средняя температура тела при данной тепловой или рабочей нагрузке, что служит защитой от чрезмерного учащения сердцебиения и увеличения периферического кровотока, т. е. от теплового удара. Адаптация связана также со значительным уменьшением содержания ионов в поту, благодаря чему уменьшается вероятность шока вследствие потери ионов [7, II].

При сильной тепловой нагрузке объем плазмы крови и концентрация гемоглобина снижаются, что приводит к уменьшению венозного притока и объема крови, выбрасываемого сердцем при сокращении. В ходе тепловой адаптации эти неблагоприятные изменения в кровеносной системе нейтрализуются путем увеличения объема плазмы и содержания в ней белков [50].

При длительной тепловой нагрузке, особенно в жарком климате, после периода интенсивного потоотделения скорость последнего уменьшается (гидромиоз). В основе этого явления лежат до сих пор недостаточно выясненные периферические механизмы; оно может рассматриваться как защитное, поскольку предотвращает неэкономичное выделение пота (ведь только испарение пота оказывает охлаждающее действие).

Одно из основных адаптационных изменений в противоположность общепринятому представлению состоит в том, что по мере развития тепловой адаптации чувство жажды при данном уровне потерь воды с потом усиливается. Частично это связано с более низким содержанием ионов в поту. Усиление жажды необходимо для поддержания водного баланса; если потери воды не восполняются, может наступить летальная гипертермия.

Описанные выше приспособительные изменения вызываются кратковременными сильными тепловыми нагрузками. Другая форма приспособления существует у жителей тропиков, круглосуточно находящихся в условиях высокой температуры окружающей среды. Интенсивность реакции у них не столь высока, чтобы вызывать потоотделение. Температурный порог потоотделения сдвинут в сторону более высокой температуры тела, в результате чего они меньше потеют при ежедневной тепловой нагрузке [46]. Этот механизм назван толерантной адаптацией (см. толерантная холодовая адаптация).

Холодовая адаптация. Многие виды животных адаптируются к холоду очень просто – благодаря отрастанию меха у них усиливается термоизоляция. Другой распространенный способ холодовой адаптации, обнаруженный у мелких животных,– развитие недрожательного термогенеза и бурой жировой ткани. Недрожательный термогенез можно считать экономичным механизмом выработки тепла; в то же время при дрожи ритмические движения усиливают циркуляцию воздуха вокруг тела, и благодаря этому увеличивается интенсивность конвективной теплоотдачи (уменьшение пограничного слоя). У взрослого человека, подолгу находящегося на сильном морозе, не может отрасти волосяное покрытие или достаточно развиться недрожательный термогенез. Поэтому часто можно услышать мнение, что взрослые люди неспособны к какой–либо физиологической адаптации к холоду –они должны рассчитывать на «поведенческую адаптацию» (одежда и теплые жилища). При этом говорят, что человек–это «тропическое существо», способное выживать в умеренном или арктическом климате только благодаря элементам своей цивилизации. Однако в последнее время были получены новые данные на этот счет. В условиях продолжительного воздействия холода у людей развивается толерантная адаптация. Температурный порог дрожи и кривые соответствующих метаболических терморегуляторных реакций смещаются в сторону более низких значений температур (рис. 25.13), вследствие чего может возникать умеренная гипотермия.

Подобного рода толерантная адаптация впервые была отмечена у аборигенов Австралии; они могут провести целую ночь почти раздетыми при температуре воздуха, близкой к нулю, и при этом не испытывать дрожи [36]. Подобная способность хорошо развита также у корейских и японских женщин – искательниц жемчуга, ныряющих на глубину по нескольку часов в день при температуре воды около 10°С.

В последнее время получены данные о том, что температурный порог дрожи может быть сдвинут в сторону более низких значений всего за несколько дней, если периодически подвергать испытуемых холодовому стрессу продолжительностью от 30 до 60 мин [27, 30]. При этом температурный порог механизмов, ответственных за выведение из организма излишков тепла (у людей – выделение пота), остается неизменным, т. е– белая полоса на рис. 25.13 становится шире. Это расширение межпороговой зоны делает терморегуляцию более экономичной, что, однако, достигается за счет снижения ее точности [27, 30].

При длительном пребывании на холоде такая форма адаптации, по–видимому, непригодна. Действительно, у индейцев племени алакалуф (о–ва Западной Патагонии) выработался другой приспособительный механизм. У этих людей, постоянно подвергающихся воздействию холодного воздуха, дождя и снега, интенсивность основного обмена на 25–50% выше нормы [36]. Подобная «метаболическая адаптация» была обнаружена также у эскимосов.

Локальная адаптация. Если руки тепло одетого человека регулярно подвергаются воздействию холода, то болевые ощущения в руках уменьшаются. Эффект частично обусловлен тем, что холодовое расширение сосудов (см. выше) возникает при более высокой кожной температуре. Однако при этом действуют также и другие, еще не получившие своего объяснения механизмы, способствующие снижению болевых ощущений [10].

25.6. Патофизиология терморегуляции

Лихорадочное состояние

Считается, что лихорадочное состояние («жар») равнозначно смещению «заданного значения» температуры тела. Жар развивается в результате усиленной выработки тепла за счет дрожи и максимальною сужения сосудов в периферических частях тела. В этом случае, следовательно, организм ведет себя гак, как организм здорового человека при смещении реальной температуры тела ниже нормального заданного значения в условиях охлаждения. В период восстановления нормального состояния после лихорадки наблюдается прямо противоположный процесс: за счет потоотделения и расширения сосудов температура тела понижается точно так же, как у здорового человека, когда ему становится слишком жарко. Несмотря на продолжающийся жар, организм способен реагировать на изменения внешней температуры соответствующими регуляторными процессами – функция терморегуляторных эффекторов полностью сохраняется. Регулировка температуры, однако, осуществляется относительно ее повышенного уровня.

Патогенез лихорадочного состояния [9, 37]. Некоторые вызывающие лихорадочное состояние вещества экзогенного происхождения (экзогенные пирогены), такие, как термостабильные липополисахариды бактериальных мембран (эндотоксины), активируют гранулоциты и макрофаги ретикулоэндотелиальной системы для выработки термолабильного пептида, названного эндогенным пирогеном (ЭП). ЭП идентичен интерлейкину–1 (медиатору неспецифических иммунных реакций). Микроинъекция ЭП в некоторые участки гипоталамуса вызывает типичную лихорадочную реакцию; этого не происходит, когда ЭП инъецируют в какую–либо другую область головного мозга. ЭП запускает целую цепь процессов: активирует фосфолипазу А2, превращающую фосфолипиды клеточных мембран в арахидоновую кислоту, из которой, в свою очередь, при участии циклооксигеназы образуются простагландины.

Один из простагландинов, простагландин Е (ПГЕ2), при инъекции в гипоталамус в следовых количествах вызывает пирогенный эффект. Взаимодействуя с термочувствительными и/или интегративными структурами гипоталамуса (см. вставочные нейроны, рис. 25.12), он вызывает сдвиг описанного выше заданного значения. В связи с этим следует отметить, что обычные жаропонижающие медицинские препараты (антипиретики типа ацетилсалициловой кислоты) ослабляют активность циклооксигеназы и, следовательно, образование простагландина. Однако есть основания полагать, что ПГЕ не единственный медиатор лихорадки, поскольку избирательные антагонисты ПГЕ не предотвращают пирогенную лихорадку. В настоящее время ведется поиск других медиаторов лихорадки. Неизвестно также, может ли ЭП проникать через гематоэнцефалический барьер. Если этот барьер непроницаем для ЭП, то вышеописанная цепь процессов должна происходить, по–видимому, вне ЦНС, и, следовательно, в мозг должно проникать производное арахидоновой кислоты.

Хорошо известно, что у новорожденных младенцев не всегда развивается жар при инфекционных заболеваниях [26, 37]; в экспериментальных условиях лихорадка может быть вызвана у них лишь особо высокими дозами эндотоксинов или ЭП [53]. Недавно было обнаружено, что у беременных животных (овцы, морские свинки) за несколько дней до родов наступает аналогичное состояние и в это время у них в плазме крови повышено содержание аргининвазопрессина (АВП; см. также антидиуретический гормон). Дальнейшие исследования показали, что лихорадочное состояние может быть ослаблено воздействием АВП на область перегородки (структура, расположенная ростральнее гипоталамуса). Кроме того, было показано, что у новорожденных морских свинок и самок на поздней стадии беременности в нейронах околожелудочкового ядра, аксоны которых идут в область перегородки мозга, активность АВП повышена [58]. Однако в настоящее время еще нельзя сказать ничего определенного об антипиретическом действии АВП. Тем не менее эти факты представляют большой интерес в связи с нерешенным до сих пор вопросом о том, является ли повышенная температура вредным побочным эффектом иммунного ответа или же в какой–то степени благоприятна для борьбы с инфекцией [9].

 

Нарушение терморегуляции в условиях экстремальных температур

Гипертермия [7, II]. При чрезмерных тепловых нагрузках, превышающих возможности механизмов теплоотдачи, задержка тепла в теле вызывает гипертермию. В этом случае повышение температуры тела переносится значительно тяжелее, чем во время лихорадки. При гипертермии все эффекторные процессы интенсифицируются до предела, тогда как в случае лихорадки этого не происходит. Однако в обоих случаях предельным является кратковременное повышение температуры тела до 42 °С (см. бег на марафонскую дистанцию); некоторые индивиды при внешней тепловой нагрузке могли вынести без ущерба для здоровья повышение ректальной температуры до 43° С и выше [7]. При продолжительной гипертермии с ректальной температурой выше 39,5–40 °С наступает тяжелое поражение головного мозга, быстро приводящее к смерти: развивается мозговой отек, гибнут нервные клетки, человек теряет ориентацию, появляется бред, возникают судороги. Этот синдром носит название теплового удара. Поражение мозга влияет на центральные терморегуляторные механизмы, в частности приводит к нарушению потоотделения, из–за чего состояние еще более ухудшается. Парадоксально, но мышцы при этом могут обнаруживать ритмическую активность, напоминающую дрожательную реакцию на холод [7].

Эти серьезные нарушения следует отличать от феномена теплового обморока, который проявляется при относительно легком перегревании организма. Часто он возникает в результате продолжительного неподвижного стояния человека на одном месте или внезапного прекращения какой–либо продолжительной работы. Люди с нарушениями ортостатической регуляции и тепловой адаптации особенно склонны к тепловому обмороку. Он сопровождается максимальным расширением кровеносных сосудов и резким снижением кровяного давления; температура тела в покое лишь немного выше нормы, но после физической нагрузки зарегистрированы значения между 38 и 39 °С (см. рис. 25.7) [11].

Злокачественная гипертермия. Тяжелая гипертермия, в отсутствие соответствующего вмешательства быстро приводящая к летальному исходу, может возникать при общем наркозе. Она развивается вследствие чрезмерного повышения интенсивности метаболизма и выработки тепла в скелетной мускулатуре, тонус которой сильно увеличивается. Лихорадочному состоянию предшествует резкое повышение концентрации ионов кальция в цитоплазме мышечных клеток. Предрасположенность к этому синдрому является врожденной [13].

Гипотермия. Когда механизмы, ответственные за предотвращение переохлаждения организма, оказываются перегруженными (в условиях продолжительного пребывания в среде с температурой ниже Т1;(рис. 25.4), возникает гипотермия. Сначала в этих условиях процессы терморегуляции включаются на полную мощность, но с понижением температуры их интенсивность падает. При температуре тела около 26–28 °С может наступить смерть от фибрилляции сердца. Другие следствия острой гипотермии – дыхательный и метаболический ацидоз [45]. Если в лечебных целях необходимо создать «индуцированную гипотермию», то терморегуляторные механизмы должны быть выключены либо с помощью наркоза (см. рис. 25.1), либо с помощью специфических подавляющих препаратов.

Гипотермия в этом смысле отличается от реакции, обнаруживаемой при старении. У некоторых пожилых людей внутренняя температура тела может поддерживаться на уровне 35 °С и даже ниже без включения механизма дрожи. Система контроля температурного режима организма переориентирована у них на более низкий уровень; при этом в других отношениях она продолжает функционировать нормально. До некоторой степени это феномен, прямо противоположный лихорадке [31].

Параплегия

На терморегуляцию может влиять перерыв спинного мозга, поскольку в этом случае, во–первых, прекращается поступление нисходящих сигналов, которые оказывают регулирующее действие на периферическую вегетативную нервную систему, а также на моторную систему, и, во–вторых, прерываются восходящие пути, по которым температурная информация поступает в интегративные структуры ствола головного мозга. Воздействием ниже места перерыва, блокирующего нисходящие сигналы, уже нельзя вызвать потоотделение, сужение сосудов и дрожь. У людей с травмами спинного мозга при экстремально высокой температуре в результате действия спинальных рефлексов могут развиваться потоотделение и сужение сосудов, но рефлекторной дрожи в ответ на охлаждение ниже места травмы никогда не наблюдалось. Вследствие нарушения терморегуляции у таких больных при тепловых нагрузках обнаруживались большие отклонения температуры тела от заданного значения [1, 5].

25.7. Литература

Учебники и руководства

1. Bright J. Temperature Regulation in Mammals and Other Vertebrates. Amsterdam–London. North Holland Publ. New York. Elsevicr Publ., 1973.

2. Clark R. P., Edholm 0. G. Man and His Thermal Environment. London. Edward Arnold Ltd., 1985.

3. F anger P. 0. Thermal Comfort. Analysis and Applications in Environmental Engineering. New York. McGraw Hill Book Co., 1972.

4. Hardy J.D., Gagge P. A., Stolwijk J.A.J. (eds.). Physiological and Bihavioral Temperature Regulation. Springfield, 111. Ch. C.Thomas, 1970.

5. Hensel H., Bruck K., Paths P. Homeothermic Organisms. pp. 503–761. In: Temperature and Life (H. Precht, J. Christophersen, H. Hensel, W. Larcher, ed.). Berlin–Heidelberg–New York, Springer, 1973.

6. Hensel И. Thermoreception and Temperature Regulation. London Academic Press, 1981.

7. Khogali M., Hales J. R. S. Heat Stroke and Temperature Regulation. Sidney–New York. Academic Press, 1983.

8. Kleiher M. The Fire of Life. New York–London. John Wiley and Sons, 1961.

9. Kluger M.J. Fever, Its Biology, Evolution and Function. New Jersey. Princeton University Press, 1979.

10. LeBlanc J. Man in the Gold. Springfield, 111. Ch. C.Thomas, 1975.

11. Leithead С. S., Lind A. R. Heat Stress and Heat Disorders. London. Cassel & Company Ltd., 1964.

12. Lindberg 0. (ed.). Brown Adipose Tissue. New York. Amer. Elsevier Publ., 1970.

13. Milton A. S. Pyretics and Antipyretics. Berlin–Heidelberg–New York. Springer, 1982.

14. Monteith J.L., Mount L.E. (eds.). Heat Loss from Animals and Man. London. Butterworths, 1974.

15. Sinclair J. S. (ed.). Temperature Regulation and Energy Metabolism in the Newbom. New York–San Francisco–London. Grune & Stratton, 1978.

16. Werner J. Regelung der menschlichen Korpertemperatur. Berlin–New York. Walter de Gruyter, 1984.

17. Whitlow G. С. Comparative Physiology of Thermoregulation. Vol. I–III. New York–London, Academic Press, 1971.

Оригинальные статьи и обзоры

18. Aschoff H. Circadian rhythm of activity and of body temperature, pp. 905–919. In: see Ref. 4.

19. Aschoff J., Wever R. Kern und Schale in Warmehaushalt des Menschen. Naturwissenschaften, 45, 477 (1958).

20. Baldino F., Geller H. M. Electrophysiological analysis of neuronal thermosensitivity in rat–preoptic and hypothalamic tissue cultures. J. Physiol. (London), 327, 173 (1982).

21. Behmann F. W. Bontke E. Die Regelung der Warmebildung bei kunstlichen Hypothermie. I. Experimentelle Untersuchungen uber den Einfluss der Narkosetiefe. Pflugers Arch. ges. Physiol., 266, 408 (1957/58).

22. Benzinger Т.Н. Heat regulation: Homeostasis of central temperature in man. Physiol. Rev., 49, 671 (1969).

23. Bleichert A., Behling К., Kitzing J., Scarperi M., Scarperi S. Antriebe und eflektorische Massnahmes der Thermoregulation bei Ruhe und wahrend korperlicher Arbeit. IV. Ein analoges Modell der Thermoregulation bei Ruhe und Arbeit. Int. Z. angew Physiol., 30, 193 (1972).

24. Brengelnwnn G. L., Freund P. R., Rowell L. В., Olerud J. E., Kraning K. K. Absence of active cutaneous vasodilation associated with congenital absence of sweat glands in humans. Am. J. Physiol., 240, H 571 (1981).

25. Brown А. С., Brengelmann G. L. The temperature regulation control system, pp. 684 702. In: see Ref. 4.

26. Bruck K. Heat production and temperature regulation, pp. 455–498. In: Perinatal Physiology (V. Stave, ed.). New York, Plenum Publ. Corp., 1978.

27. Bruck K. Basic mechanisms in long–term thermal adaptation. In: Advances in Physiological Sciences Vol. 34,

Contributions to Thermal Physiology, pp. 263–273, Z. Szelenyi, M. Szekely, eds., Oxford–New York. Pergamon Press, 1981.

28. Bruck K., Hinckel P. Thermoafferent system and their adaptive modifications. Pharmac. Ther., 17, 357–381 (1982).

29. Bruck K., Wunnenberg W. Meshed control of two effector system: Non–shivering and shivering thennogenesis. pp. 562–580. In: see Ref. 4.

30. Bruck K.. Zeisberger E. Adaptive changes in thermoregulation and their neuropharmalogical basis. Pharmac. Ther., 35, 163–215 (1987).

31. Cooper K.E. Studies of the human central warm receptor. pp. 224–230. In: see Ref. 4.

32. Cooper K. E., Kasling N. W., Lederis K., Veale W. L. Evidence supporting a role for endogenous vasopressin in natural suppression of fever in the sheep. J. Physiol. (London), 295, 33 (1979).

33. Dubois E. F. The Mechanism of Heat Loss and Temperature Regulation. Stanford, Calif. Stanford Univ. Press, 1937.

34. Gagge A. P.. Nishi Y. Physical indices of the thermal environment. Ashrae J., January 1976. pp. 47–51.

35. Gilbert T.M.. Blatleis C.M. Hypothalamic thermoregulation pathmays in the rat. J. appl. Physiol., 43, 770 (1977).

36. Hammel H. T. Terrestrial animals on cold: recent studies of primitive man. In: Handbook of Physiology, Sect. 4. Adaptation to the Environment, p.. 413–434. Washington. Amer. Physiol. Soc., 1964.

37. Hellon R., Townsend Y. Mechanisms of fever. Pharmac. Ther., 19, 211–244 (1983).

38. Ivanov K., Konstantinov V., Danilova N. Thermoreceptor localization in the deep and surface skin layers. J. therm. Biol, 7, 75 (1982).

39. Jessen C. Thermal efferents in the control of body temperature. Pharmac. Ther., 28, 107–134 (1985).

40. Kelso S. R., Boulant J. A. Effect of synaptic blockade on thermosensitive neurons in hypothalamic tissue. Am J. Physiol., 243, R480 (1982).

41. Maron M. В., Wagner J. A., HorvathS.M. Thermoregulatory responses during competitive marathon running. J. appl. Physiol., 42, 909 (1977).

42. Nadel E. R., Bullard R. W., Stolwijk J. A. J. Importance of skin temperature in the regulation of sweating. J. appl. Physiol., 31, 80 (1971).

43. Nakayama Т., Hammel H. Т., Hardy J. D., Eisenman J. S. Thermal stimulation of electrical activity of single units of the preoptic region. Am. J. Physiol., 204, 1122 (1963).

44. Nicholls D. G., Locke R. M. Thermogenic mechanisms in brown fat. Physiol. Rev., 64, 1–64 (1984).

45. Paton В. С. Accidental Hypothemia. Pharmac. Ther., 22, 331–377 (1985).

46. Raynaud J; Martineaud J. P., Durand J. Heat adaptation in the tropics. In: Hildenbrandt G., Hensel H. (eds.). Biological Adaptation, pp. 148–165. Stuttgart–New York. Georg Thieme, 1982.

47. Roddie I. C. Circulation to skin and adipose tissue, pp. 285–318. In: Handbook of Physiol., Sect. 2. The Cardiovascular System, Vol. 3. Peripheral Circulation, part 1, J. T. Shepherd, F. M. Abboud, eds. Am. Physiol. Soc. Bethesda, M. D. (1983).

48. Scarperi M., Scarperi S., Behling K., Bleichert A., Kitzing J. Antriebe und effektorische Massnahmen der Thermoregulation bei Ruhe und wahrend korperlicher Arbeit. Int. Z. angew. Physiol., 30, 186 (1972).

49. Schmidt Т.Н. Thermoregulatorische Grosse in Abhangigkeit von Tageszeit und Menstruationscyclus. Inaugural–Dissertation (MPI fur Verhaltensforschung Eriing–Andechs). Munchen, 1972.

50. Senay L. C., Mitchell D., Wyndham C. H. Acclimatization on a hot humid environment: body fluid adjustment. J. appl. Physiol., 40, 786 (1976).

51. Simon E., PierauF.K., Taylor D.C.M. Central and peripheral thermal control of effectors in homeothermic temperature regulation. Physiol. Rev., 66, 235–300, 1986.

52. Smith R. M., Hmna J. M. Skinfolds and resting heat loss in cold air and water. Temperature equivalence. J. appl. Physiol., 39, 93 (1975).

53. Szekely M., Szelenyi Z. The pathophysiology of fever in the neonate. pp. 479–528. In: see. Ref. 4.

54. Thauer R., Simon E. Spinal cord and temperature regulation, pp. 22–49. In: Advances in Climatic Physiology (S. Itho, K. Ogata, H. Yoshimura, eds.). Igaku Shoin Ltd. Tokyo. Berlin–Heidelberg–New York. Springer, 1972.

55. WengerC.B., Roberts M.Г., Nadel E.R., Stolwijk J. A. J. Themioregulatory control of finger blood flow. J. appl. Physiol., 38, 78 (1975).

56. Wunnenberg W.б Bruck К. Studies on the ascending pathways from the thermosensitive region of the spinal cord. Pflugers Arch. ges. Physiol., 321, 233 (1970).

57. Wunnenberg W., Hardy J. D. Response of single units of the posterior hypothalamus to thermal stimulation. J. appl. Physiol., 33, 547 (1972).

58. Zeisberger E., Merker G., Slahser S. Fever response in the guinea pig before and after parturition. Brain Res., 212, 379 (1981).