Как и у других млекопитающих, терморегуляция человека является важным аспектом гомеостаза . При терморегуляции тепло тела вырабатывается в основном в глубоких органах, особенно в печени, мозге и сердце, а также при сокращении скелетных мышц. [1] Люди смогли адаптироваться к большому разнообразию климатов, включая жаркий влажный и жаркий засушливый. Высокие температуры представляют собой серьезный стресс для человеческого организма, подвергая его большой опасности получения травм или даже смерти. Для людей адаптация к различным климатическим условиям включает как физиологические механизмы, являющиеся результатом эволюции , так и поведенческие механизмы, являющиеся результатом осознанной культурной адаптации. [2] [3]
Существует четыре пути потери тепла: конвекция , проводимость , излучение и испарение. Если температура кожи выше, чем температура окружающей среды, тело может терять тепло путем излучения и проводимости. Но если температура окружающей среды выше, чем температура кожи, тело фактически получает тепло путем излучения и проводимости. В таких условиях наиболее эффективным способом, с помощью которого тело может избавиться от тепла, является испарение. Таким образом, когда окружающая температура выше, чем температура кожи, все, что препятствует адекватному испарению, приведет к повышению внутренней температуры тела. [4] Во время спортивных занятий испарение становится основным путем потери тепла. [5] Влажность влияет на терморегуляцию, ограничивая испарение пота и, таким образом, потерю тепла. [6]
Люди не могут выжить при длительном воздействии температуры влажного термометра выше 35 °C (95 °F). Раньше считалось, что такая температура не встречается на поверхности Земли, но она была зафиксирована в некоторых частях долины Инда и Персидского залива . Ожидается, что возникновение условий, слишком жарких и влажных для жизни человека, увеличится в будущем из-за глобального потепления . [7]
Внутренняя температура человека регулируется и стабилизируется в первую очередь гипоталамусом , областью мозга, связывающей эндокринную систему с нервной системой, [9] и, более конкретно, передним гипоталамическим ядром и прилегающими преоптическими областями гипоталамуса. Поскольку внутренняя температура изменяется от заданного значения, эндокринная продукция инициирует контрольные механизмы для увеличения или уменьшения производства/рассеивания энергии по мере необходимости для возврата температуры к заданному значению (см. рисунок). [8]
Эккринные потовые железы под кожей выделяют пот (жидкость, содержащую в основном воду с некоторыми растворенными ионами), который поднимается по потовому протоку, проходит через потовую пору и попадает на поверхность кожи. Это вызывает потерю тепла через испарительное охлаждение ; однако при этом теряется много необходимой воды. [10]
Волосы на коже лежат плоско, не давая теплу удерживаться слоем неподвижного воздуха между волосами. Это вызвано тем, что крошечные мышцы под поверхностью кожи, называемые мышцами, поднимающими волос, расслабляются, так что прикрепленные к ним волосяные фолликулы не поднимаются. Эти плоские волосы увеличивают поток воздуха рядом с кожей, увеличивая потерю тепла за счет конвекции. Когда температура окружающей среды выше температуры тела, потоотделение является единственным физиологическим способом для людей терять тепло. [10]
Происходит артериолярная вазодилатация. Гладкие мышечные стенки артериол расслабляются , что позволяет увеличить приток крови через артерию. Это перенаправляет кровь в поверхностные капилляры кожи, увеличивая потерю тепла за счет конвекции и проводимости.
В жарких и влажных условиях
В целом, люди физиологически хорошо приспособлены к жарким сухим условиям. [11] Однако эффективная терморегуляция снижается в жарких влажных условиях, таких как Красное море и Персидский залив (где умеренно жаркие летние температуры сопровождаются необычно высоким давлением пара), тропических условиях и глубоких шахтах, где атмосфера может быть насыщена водой. [11] [2] В жарких и влажных условиях одежда может препятствовать эффективному испарению. [3] В таких условиях полезно носить легкую одежду, например, из хлопка, которая проницаема для пота, но непроницаема для лучистого тепла от солнца. Это сводит к минимуму получение лучистого тепла, в то же время позволяя происходить такому количеству испарения, которое позволяет окружающая среда. Одежда, например, из пластиковых тканей, непроницаемых для пота и, таким образом, не способствующих потере тепла через испарение, может на самом деле способствовать тепловому стрессу. [6]
В холодных условиях
Тепло теряется в основном через руки и ноги.
Выработка пота снижается.
Крошечные мышцы под поверхностью кожи, называемые мышцами-арректорами пили (прикрепленными к отдельному волосяному фолликулу), сокращаются ( пилоэрекция ), поднимая волосяной фолликул вертикально. Это заставляет волосы вставать дыбом, что действует как изолирующий слой, удерживающий тепло. Это также вызывает мурашки по коже , поскольку у людей не так много волос, и сокращенные мышцы легко увидеть.
Артериолы, несущие кровь к поверхностным капиллярам под поверхностью кожи, могут сжиматься (сужаться), тем самым перенаправляя кровь от кожи к более теплой сердцевине тела. Это предотвращает потерю тепла кровью в окружающую среду, а также предотвращает дальнейшее падение температуры ядра. Этот процесс называется вазоконстрикцией. Невозможно предотвратить всю потерю тепла из крови, можно только уменьшить ее. В условиях экстремально низких температур чрезмерная вазоконстрикция приводит к онемению и бледности кожи. Обморожение происходит только тогда, когда вода внутри клеток начинает замерзать. Это разрушает клетку, вызывая повреждение.
Мышцы также могут получать сообщения от терморегуляторного центра мозга ( гипоталамуса ), чтобы вызвать дрожь. Это увеличивает выработку тепла, поскольку дыхание является экзотермической реакцией в мышечных клетках. Дрожь более эффективна, чем физические упражнения, для выработки тепла, поскольку животное (включая людей) остается неподвижным. Это означает, что меньше тепла теряется в окружающую среду через конвекцию . Существует два типа дрожи: низкоинтенсивная и высокоинтенсивная. Во время низкоинтенсивной дрожи животные постоянно дрожат на низком уровне в течение месяцев в холодных условиях. Во время высокоинтенсивной дрожи животные сильно дрожат в течение относительно короткого времени. Оба процесса потребляют энергию, однако высокоинтенсивная дрожь использует глюкозу в качестве источника топлива, а низкоинтенсивная, как правило, использует жиры. Это основная причина, по которой животные запасают пищу зимой. [ необходима цитата ]
Бурые адипоциты также способны вырабатывать тепло посредством процесса, называемого несократительным термогенезом . В этом процессе триглицериды сжигаются в тепло, тем самым повышая температуру тела.
Связанные факторы
Фитнес
Чем более физически подготовлен человек, тем выше его способность приспосабливаться к изменению температуры. Это включает в себя адаптацию к жаре (сохранение прохлады) [12] и к холоду (сохранение тепла). [13]
Возраст
Возраст может быть фактором, влияющим на способность человека адаптироваться к перепадам температуры. Исследования показали, что молодые люди более эффективно адаптируются к контакту с холодными поверхностями, чем пожилые. Примечательно, что хороший уровень физической подготовки позволил пожилым людям лучше справляться и несколько компенсировать снижение их способности к терморегуляции из-за старости. [14]
Масса тела
Было обнаружено, что высокая масса тела помогает с терморегуляцией в отношении адаптации к жаркой среде. Это считается на основе того, что уровень жира в организме находится в пределах здоровых диапазонов, т.е. соотношение мышц и жира у человека было здоровым. [15] Однако было показано, что дополнительный жир в организме дает некоторую пользу с точки зрения сохранения тепла, особенно во время погружения в холодную воду. По этой причине пловцы на длинные дистанции на открытом воздухе часто имеют щедрый слой жира в организме. Однако это не всегда так, и высокий уровень физической подготовки может позволить более худым пловцам также эффективно выступать в холодной воде. [16]
Применение гипотермии
Регулировка температуры тела человека вниз использовалась в терапевтических целях, в частности, как метод стабилизации тела после травмы. Было высказано предположение, что регулировка аденозинового рецептора А1 гипоталамуса может позволить людям войти в состояние, подобное гибернации , с пониженной температурой тела, что может быть полезно для таких применений, как длительные космические полеты. [17]
Сопутствующее тестирование
Терморегуляторный тест пота (TST) может использоваться для диагностики определенных состояний, которые вызывают аномальную регуляцию температуры и дефекты потоотделения в организме. Для проведения теста пациента помещают в камеру, температура которой медленно повышается. Перед тем, как камера нагреется, пациента покрывают специальным индикаторным порошком, который будет менять цвет при потоотделении. Этот порошок, меняя цвет, будет полезен для визуализации того, какая кожа потеет, а какая нет. Результаты потоотделения пациента будут документироваться с помощью цифровой фотографии, а аномальные потоотделения могут указывать на наличие дисфункции вегетативной нервной системы. Определенные различия могут быть сделаны в зависимости от типа потоотделения, обнаруженного в результате TST (наряду с историей и клинической картиной), включая гипергидроз, мелкие волокна и вегетативные невропатии, мультисистемную атрофию, болезнь Паркинсона с вегетативной дисфункцией и чистую вегетативную недостаточность. [18]
Связанные физиологические процессы, заболевания и синдромы
^ Гайтон, А.С. и Холл, Дж.Э. (2006). Учебник медицинской физиологии (11-е изд.). Филадельфия: Elsevier Saunders. стр. 890.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ ab Harrison, GA, Tanner, JM, Pilbeam, DR, & Baker, PT (1988) Биология человека: Введение в эволюцию человека, изменчивость, рост и адаптивность . (3-е изд.). Оксфорд: Oxford University Press
^ ab Weiss, ML, & Mann, AE (1985) Биология и поведение человека: антропологическая перспектива . (4-е изд.). Бостон: Little Brown
^ Гайтон и Холл (2006), стр.891-892
^ Уилмор, Джек Х. и Костилл, Дэвид Л. (1999). Физиология спорта и упражнений (2-е изд.). Шампейн, Иллинойс: Кинетика человека.
^ ab Guyton, Arthur C. (1976) Учебник медицинской физиологии . (5-е изд.). Филадельфия: WB Saunders
^ Рэймонд, Колин; Мэтьюз, Том; Хортон, Рэдли М. (2020-05-01). «Появление жары и влажности, слишком суровых для человеческой переносимости». Science Advances . 6 (19): eaaw1838. Bibcode : 2020SciA....6.1838R. doi : 10.1126/sciadv.aaw1838. ISSN 2375-2548. PMC 7209987. PMID 32494693 .
^ ab Kanosue, K., Crawshaw, LI, Nagashima, K., & Yoda, T. (2009). Концепции, используемые при описании терморегуляции и нейрофизиологические доказательства того, как работает эта система. European Journal of Applied Physiology, 109(1), 5–11. doi :10.1007/s00421-009-1256-6
^ Роберт М. Саргис, Обзор гипоталамуса: связь эндокринной системы с нервной системой (дата обращения: 19 января 2015 г.)
^ ab Ева В. Осилла; Дженнифер Л. Марсиди; Сандип Шарма (2020). "Физиология, регуляция температуры". Statpearls . PMID 29939615.
^ ab Jones, S., Martin, R., & Pilbeam, D. (1994) Кембриджская энциклопедия эволюции человека. Кембридж: Cambridge University Press
^ Джош Фостер и Саймон Г. Ходдер и Алекс Б. Ллойд и Джордж Хавенит (2020). «Индивидуальные реакции на тепловой стресс: последствия для гипертермии и физической работоспособности». Frontiers in Physiology . 11 : 541483. doi : 10.3389/fphys.2020.541483 . PMC 7516259. PMID 33013476.
↑ Янг, Стивен (22 января 1987 г.). «Хладнокровно». New Scientist . 1544 (22 января 1987 г.): 40–43 . Получено 20 декабря 2022 г.
↑ Янг, Стивен (22 января 1987 г.). «Хладнокровно». New Scientist . 1544 (22 января 1987 г.): 40–43 . Получено 20 декабря 2022 г.
^ Джош Фостер и Саймон Г. Ходдер и Алекс Б. Ллойд и Джордж Хавенит (2020). «Индивидуальные реакции на тепловой стресс: последствия для гипертермии и физической работоспособности». Frontiers in Physiology . 11 : 541483. doi : 10.3389/fphys.2020.541483 . PMC 7516259. PMID 33013476.
↑ Янг, Стивен (22 января 1987 г.). «Хладнокровно». New Scientist . 1544 (22 января 1987 г.): 40–43 . Получено 20 декабря 2022 г.
^ Джейсон Кёблер, Краткая история криосна, Motherboard , 19 января 2016 г. (дата обращения: 19 января 2015 г.)
^ Ева В. Осилла; Дженнифер Л. Марсиди; Сандип Шарма (2020). «Физиология, регуляция температуры». Statpearls . PMID 29939615. Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.