Температуре окружающей среды не. Терморегуляция и тепловой баланс
МКБ-10 T67 Эффекты воздействия высокой температуры и света.Физиология терморегуляции человека
Для нормального функционирования человеческого организма необходима температура его внутренних органов и крови около 37°С, причем колебания температуры не должны превышать 1,5°С. Работа системы терморегуляции во многом зависит от работы терморецепторов - нервных образований, специфически чувствительных к изменениям температуры окружающей среды.
Терморецепторы у человека расположены главным образом в кожных покровах тела, слизистых оболочках рта, верхних дыхательных путей. Они также имеются в стенках подкожных вен и на слизистых внутренних органов. Больше всего терморецепторов в коже лица, меньше на туловище и еще меньше на ногах. Выделяют "тепловые" и "холодовые" терморецепторы.
Рассмотрим работу "тепловых" терморецеторов. Если температура окружающей среды совместима с жизнью организма, то от терморецепторов по проводящим путям в центральную нервную систему поступает постоянная импульсация, которая влияет на терморегуляцию. При повышении температуры окружающей среды, прямом действии теплового излучения или увеличении теплопродукции организма (мышечная работа) терморегуляция осуществляется с помощью реакций изменения теплоотдачи . Важнейшей ее частью является сосудистая регуляция, состоящая в изменении кровенаполнения кожи и скорости объемного кровотока через кожу путем изменения тонуса ее сосудов. У человека максимальное расширение сосудов кожи от состояния максимального сужения уменьшает общую величину теплоизоляции кожного покрова в среднем в 6 раз. Разные участки кожи по-разному участвуют в терморегуляции. Так, например, от кистей рук может быть отведено до 60% теплопродукции основного обмена, хотя площадь кистей составляет всего около 6% от всей поверхности кожного покрова. При увеличении мышечной работы особое значение приобретают участки кожи над работающими мышцами. Часть крови от них устремляется непосредственно в вены соответствующих участков кожи, что значительно облегчает отдачу тепла от мышц путем конвенции.
Кроме сосудистого компонента в системе терморегуляции большую роль играет потоотделение . Процесс просачивания воды через эпителий и последующего ее испарения носит название неощутимой перспирации и поглощает примерно 20% теплопродукции основного обмена. Неощутимая перспирация не регулируется и мало зависит от температуры окружающей среды. Пот выделяют потовые железы, расположенные в коже. При угрозе перегревания организма симпатическая нервная система стимулирует работу потовых желез, выделяющих при интенсивной работе до 1,5 литра пота в час и более.
Управление всеми реакциями поддержания постоянной температуры тела в разных условиях осуществляется специальными нервными центрами, локализованными в головном мозге. Эти центры получают информацию по проводящим путям от термочувствительных нейронов, располагающихся в различных частях ЦНС, и от периферических терморецепторов.
Предполагают, что система терморегуляции реагирует на изменение суммы температур центральных и периферических точек тела и основным объектом ее регулирования является средняя температура, поддержание которой осуществляется с высокой точностью. У человека в зоне температурного комфорта (28-30°С для обнаженного человека) сосудистая реакция терморегуляции развивается при изменении средней температуры тела всего на 0,1°С или менее. При этом любые условия, затрудняющие теплоотдачу (высокая влажность и неподвижность воздуха) или повышающие теплопродукцию (физическое напряжение, усиленное питание), являются факторами, способствующими перегреванию.
Перегревание организма (гипертермия) - это состояние, характеризующееся нарушением теплового баланса, повышением теплового содержания организма. Основной путь теплоотдачи при гипертермии человека - испарение влаги с поверхности тела и через дыхательные пути. Необходимо отметить, что перегревание не связано с первичным нарушением функции терморегуляции.
Перегревание организма человека наблюдается на производствах с высокой температурой окружающей среды или в условиях, затрудняющих теплоотдачу с поверхности тела, а также в районах с жарким климатом. При высокой температуре окружающей среды перегреванию организма способствуют рост теплопродукции, возникающий при мышечной работе, особенно в непроницаемой для водяных паров одежде, высокая влажность и неподвижность воздуха. В условиях затрудненной теплоотдачи легко перегреваются дети раннего возраста, у которых недостаточно сформирована система терморегуляции, а также взрослые с нарушением функции потоотделения.
Проведенные исследования действия высоких температур на организм человека по характеру изменений теплового обмена, сердечно-сосудистой и дыхательной систем позволили выделить четыре степени перегревания организма (по А.Н. Ажаеву):
I степень (устойчивое приспособление) - температура окружающей среды около 40°С. Теплоотдача осуществляется путем испарения влаги с поверхности тела и из дыхательных путей. Теплоотдача равна тепловой нагрузке и температура тела не повышается. Общее состояние удовлетворительное, жалобы сводятся к ощущению тепла, нередко бывает вялость и сонливость, нежелание работать и двигаться.
II степень (частичное приспособление) - температура окружающей среды около 50°С. Тепловая нагрузка не компенсируется испарением влаги, и в организме происходит накопление тепла. Температура тела может достигать 38,5°С. Систолическое давление повышается на 5-15 мм рт. ст., а диастолическое снижается на 10-20 мм рт. ст. Увеличиваются минутный и систолический объем сердца, легочная вентиляция, количество поглощенного кислорода и выделенной углекислоты. Пульс учащается на 40-60 ударов в минуту. Наблюдается резкая гиперемия кожи, профузное потоотделение. Характерно ощущение жары.
III степень (срыв приспособления) - при воздействии температуры 60°С и выше. Температура тела может достигать 39,5-40°С. Систолическое давление повышается на 20-30 мм рт. ст., а диастолическое снижается на 30-40 мм рт. ст., может прослушиваться эффект "бесконечного тона" (нулевое диастолическое давление). Число сердечных сокращений увеличивается до 160 ударов в минуту, но систолический объем сердца уменьшается. За счет усиления легочной вентиляции увеличивается количество поглощенного кислорода и выделенной углекислоты. Кожа резко гиперемирована. Пот стекает каплями. Больные жалуются на ухудшение самочувствия, ощущение сильной жары, сердцебиение, давление в висках и головную боль. Может возникнуть возбуждение, двигательное беспокойство.
IV степень (отсутствие приспособления) - это, собственно, и есть тепловой удар, когда происходит грубое нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы и ЦНС.
Надо отметить, что степень тяжести перегревания организма зависит не только от величины температуры окружающей среды, но и от продолжительности воздействия ее на организм человека.
При высокой температуре окружающей среды развиваются четыре клинических синдрома:
1)тепловые судороги
2)тепловое истощение
3)тепловая травма при напряжении
4)тепловой удар
Каждое из этих состояний можно отдифференцировать на основании различных клинических проявлений, однако между ними есть много общего и эти состояния можно рассматривать как разновидности синдромов одного и того же происхождения.
Симптомокомплекс теплового поражения развивается при высокой тем¬пературе (более 32°С) и при высокой относительной влажности воздуха (более 60%).
Наиболее уязвимы:
люди пожилого возраста
лица, страдающие психи¬ческими заболеваниями
лица, страдающие алкоголизмом
лица, принимающие антипсихотические, мочегонные, антихолинергические препараты
люди, находящиеся в помеще¬ниях с плохой вентиляцией
Особенно много тепловых синдромов развивается в первые дни жары, до того, как наступит акклиматизация.
Акклиматизация
Обычно акклиматизация длится 4-7 дней.
1.Акклиматизация не повышает порога потоотделения , которое является наиболее эффективным естественным спо¬собом борьбы с тепловыми нагрузками и может происходить при незначитель¬ных изменениях, а иногда и при отсутствии изменений температуры срединных отделов организма. До тех пор пока продолжается потоотделение, человек может выдерживать значительное повышение температуры, обеспечивая восста¬новление в организме воды и хлорида натрия, наиболее важных физиологиче¬ских составляющих пота. Основным механизмом задержки солей в жаркую погоду является способность секретировать пот с очень низким содержанием хлорида натрия.
2.Другим способом адаптации организма к высоким температурам является расширение периферических кровеносных сосудов , что способствует рассеиванию тепла.
К другим изменениям относятся:
снижение общего объема циркулирующей крови
уменьшение почечного кровотока
повышение уровня антидиуретического гормона (АДГ) и альдостерона
снижение содержания натрия в моче
увеличение частоты дыхания и частоты сердечных сокращений
Гиперальдостеронизм приводит к потере калия, что может усилиться при возмещении потери натрия без соответствующего воспол¬нения калия. Первоначально отмечают увеличение сердечного выброса, но так как тепловая нагрузка остается, то снижается венозный возврат, что может привести к развитию сердечной недостаточности. Если температура окружающей среды в течение длительного времени превышает температуру тела, то тепло сохраня¬ется и развивается гиперпирексия.
Тепловые судороги
Судороги, возникающие при напряжении мышц в условиях перегрева, так называемые судороги шахтера или судороги кочегара, относят к наиболее доброкачественным тепловым поражениям.
Судороги характеризуются болезненными спазмами в произвольно сокращающихся мышцах, обычно возникающими при напряженной работе. Как правило, этот синдром развивается только у тренированных людей.
Температура внешней среды может не превышать температуру тела, так же как нет необходимости длительного пребывания на солнце. Температура тела не повышается. Судороги в мышцах возникают обычно после профузного потоотделения и могут развиться у нетрени-рованных людей в плотной одежде при повышенной физической нагрузке даже в условиях низкой температуры окружающей среды. При физической работе основная нагрузка падает на мышцы конечностей, поэтому они более подвержены развитию судорог. В межприступном периоде физикальный осмотр не выявляет каких-либо изменений.
В анализах крови обычно отмечают повышение концентрации форменных элементов и уменьшение содержания хлорида натрия. Характерным признаком является снижение экскреции натрия с мочой.
Лечение проводят хлоридом натрия. Почти мгновенное прекращение судорог при введении хлорида натрия и воды позволило предположить, что причиной судорог является уменьшение содержания в организме этих основных электролитов.
Иногда в судороги вовлекаются и мышцы брюшной стенки, что может напоминать картину острого живота. Этим больным могут ошибочно произвести оперативное вмешательство, что часто приводит к крайне неблагоприятным результатам. В таких случаях предварительным введением физиологического раствора можно предотвратить ненужную операцию.
Тепловое истощение
Тепловое истощение (тепловой шок, изнурение) - состояние, возникающее при длительном (в течение многих часов) воздействии высокой температуры окружающей среды.
Тепловое истощение относится к наиболее частым тепловым синдромам. Тепловой шок в одинаковой степени развивается как при физической нагрузке, так и в покое. Начало обычно внезапное, длительность шока короткая.
Он возникает вследствие недостаточности ответной реакции сосудов сердца на экстремально высокую температуру и особенно часто развивается у людей пожилого возраста, принимающих мочегонные препараты.
Также к тепловому истощению может привести чрезмерная потеря жидкости в результате сильного потоотделения, что в свою очередь приводит к утомлению, снижению артериального давления и иногда к коллапсу. Воздействие высокой температуры может вызывать потерю слишком большого количества жидкости с потом, особенно в процессе тяжелого физического труда или физических упражнений. С жидкостями теряются также соли (электролиты), а это усугубляет нарушение кровообращения и функций головного мозга. В результате может развиться тепловое истощение. При этом состояние человека внушает опасения, но редко ведет к тяжелым последствиям.
Симптомы и диагностика
Тепловое истощение (изнурение) вследствие обезвоживания возникает тогда, когда организм теряет много жидкости (с потом, выдыхаемым воздухом и т. д.) без адекватного восполнения.
Дефицит воды, превышающий 2,5% массы тела, вызывает начальные нарушения
при дефиците воды в 5,5-6,5% развиваются выраженные расстройства
дефицит воды в 7-14% приводит к тяжелому состоянию
дефицит воды в 15-25% приводит к смертельному исходу
Предшествовать шоку могут:
слабость
головокружение
головная боль
анорексия
тошнота, рвота
позыв на дефекацию
обморок
При тепловом истощении вследствие обезвоживания у пострадавшего возникает чувство жажды; лицо бледно-серое, губы спекшиеся, глаза запавшие, кожа и слизистые оболочки сухие, кожа теряет эластичность и иногда покрывается просовидной сыпью. Температура тела умеренно повышена (до 37,5-38°С). Выделение мочи снижено или прекращается вовсе. Слюноотделение отсутствует, нарушена артикуляция речи, позднее нарушается глотание. Артериальное давление снижено. В тяжелых случаях наблюдаются выраженные нарушения функции головного мозга - головная боль, звон в ушах, расстройства координации движений, судороги отдельных мышечных групп, парестезии (потеря чувствительности), беспокойство, галлюцинации, потеря сознания. Тепловое истощение (изнурение) вследствие потери солей (натрия, калия, кальция и др.) развивается при обильном потоотделении, рвоте, а также если для утоления жажды используется неподсоленная вода. Проявления нарастают постепенно. Появляются утомляемость, слабость, сонливость, головные боли, головокружение. Жажда не выражена. Кожа бледная, влажная, без потери эластичности, слизистые оболочки тоже влажные. Отделение мочи не нарушено или несколько снижено. Часто отмечается тошнота, реже - рвота; плохо переносится питье воды. Температура тела нормальная или несколько повышена. Характерны частый пульс, снижение артериального давления и резко выраженные ортостатические расстройства: при переходе в вертикальное положение, подъеме головы нередко развивается обморок или коллапс. В тяжелых случаях возможны судороги и потеря сознания.
Тепловое истощение легко диагностировать на основании указанных симптомов.
Во время острой стадии кожа больного приобретает пепельно-серый цвет, становится холодной и влажной на ощупь, зрачки расширены. Артериальное давление может быть низким при повышенном пульсовом давлении. Так как крайняя слабость разви¬вается очень быстро, температура тела остается нормальной или даже несколько снижается. Длительность тепловой нагрузки и объем потерянной с потом жид¬кости определяют выраженность гемоконцентрации.
Лечение
Больного переносят в прохладное помещение и устраивают в положении лежа. Обычно происходит спонтанное восстановление сознания.
Лечение сводится, главным образом, к восполнению потери жидкости и солей. При тепловом изнурении вследствие потери жидкости проводят умеренное охлаждение пострадавшего (холодные примочки на голову, обертывание влажной простыней, перемещение в кондиционированное помещение и т. п.). Тем, кто в состоянии пить, назначают обильное питье - 1-2 л в течение 15 минут, затем глотками. В течение часа количество жидкости (воды, холодного чая, фруктовых соков) может достигать 3-5 л, за сутки - 6-8 л. Если пострадавший не может самостоятельно пить, то жидкость (5% раствор глюкозы) вводят внутривенно, подкожно или в клизме (1-1,5 л). После восстановления способности пить устанавливается свободный водный режим, а принудительное введение жидкости необходимо прекратить, поскольку это может привести к водному отравлению (отвращение к воде, боли в животе, затруднение дыхания и пр.).
Пострадавшего с тепловым изнурением вследствие потери солей следует уложить так, чтобы ноги были в приподнятом положении. Если человек в состоянии пить и у него не возникает рвота, ему дают внутрь подсоленную воду или, предпочтительнее, раствор следующего состава: 1,17 г хлорида натрия (поваренной соли), 0,84 г гидрокарбоната натрия (питьевой соды) и 0,3 г хлорида калия на 1 л воды. Если питье невозможно, то вводятся солевые растворы типа Рингер, Батлер, лактасол и др.
При падении артериального давления при всех формах теплового истощения наряду с восполнением потери жидкости вводятся препараты, стимулирующие сосудистый тонус, например сульфокамфокаин, мезатон и др. Для устранения судорог применяют препараты типа сибазон, реланиум и др. Больные с тяжелыми формами теплового истощения после оказания помощи подлежат госпитализации.
Тепловая травма при напряжении
Этот синдром возникает при значительном физическом напряжении в условиях высокой температуры окружающей среды (около 26,7°С) при повышенной относительной влажности воздуха. Наиболее часто этот синдром развивается у бегунов, участвующих в соревнованиях без соответствующей акклиматизации, в неадекватных условиях или при неправильной гидратации до и во время забега.
Предрасполагающими факторами являются:
ожирение
возраст
наличие тепловых ударов в анамнезе
В отличие от классического теплового удара при тепловой травме от напряжения отмечаются обильное потоотделение и более низкая температура тела (39-40°С по сравнению с 41,4°С и выше при тепловом ударе).
Клинически это проявляется головной болью, пилоэрекцией («гусиной кожей») в обла¬сти грудной клетки и верхнего плечевого пояса, ознобом, учащением дыхания, тошнотой, рвотой, судорогами в мышцах, атаксией, шаткостью походки, бессвяз¬ностью речи, в некоторых случаях возможна потеря сознания.
При осмотре выявляют тахикардию, гипотензию, снижение периферического сопротивления.
Данные лабораторных исследований свидетельствуют о гемоконцентрации, гипернатриемии, изменениях печеночных и мышечных ферментов, гипокальциемии, гипофосфатемии и, в некоторых случаях, гипогликемии. Иногда возникают тромбоцитопения, гемолиз, диссеминированное внутрисосудистое свертывание, рабдомиолиз, миоглобинурия и острый тубулярный некроз.
Обширное повреждение эндотелия сосудов, какого-либо из внутренних органов может приводить к его недостаточности. Этих серьезных осложнений можно избежать, назначив пра¬вильное лечение, заключающееся в обертывании больного мокрой прохладной простыней для снижения температуры срединных отделов организма до 38°С, массаже конечностей для улучшения оттока крови от центра к периферии, а также введении жидкостей, содержащих гипотонический раствор глюкозы и соли. Больных следует госпитализировать и наблюдать в течение 36 ч.
Тепловую травму при напряжении можно предотвратить следующими способами:
бегать в утренние часы (до 8 ч утра), когда температура и влажность воздуха не высоки
обеспечить адекватную гидратацию спортсмена перед началом забега, для чего следует выпивать 300 мл воды за 10 мин до старта и по 250 мл каждые 3-4 км (следует избегать приема соленых или сладких жидко¬стей)
организовывать пункты по оказанию первой помощи через каждые 5 км трассы
предупреждать бегунов, чтобы они не увеличивали темп бега после того, как пройдут большую часть трассы
избегать употребления алкоголя незадолго до забега
Тепловой удар
Тепловая гиперпирексия
, тепловой удар или солнечный удар наиболее часто возникает у пожилых людей с хроническими заболеваниями, такими как атеросклероз и застойная сердечная недостаточность, особенно у больных, получающих диуретики.
Другими предрасполагающими факторами являются сахарный диабет, алкоголизм, применение антихолинергических препаратов, поражения кожи, затрудняющие теплоотдачу, например эктодермальная дисплазия, врожденное отсутствие потовых желез, выраженная склеродермия.
Тепловой удар часто развивается у воинов-новобранцев во время первых тренировок, иногда у бегунов на длинные дистанции.
Механизм развития теплового удара не известен. У большинства больных прекращается потоотделение, однако у некоторых оно сохраняется. Сужение сосудов, возникающее при тепловом ударе, предотвращает охлаждение срединных отделов организма, однако не ясно, является ли оно причиной или результатом. Пребывание на солнце не является обязательным условием развития теплового удара.
Продормальный период может проявляться несколькими симптомами. Иногда первым признаком является потеря сознания. Кроме того, возникают головная боль, головокружение, обморок, желудочно-кишечные расстройства, спутанность сознания, учащение дыхания. В наиболее тяжелых случаях может развиться делириозное состояние.
При осмотре обращает на себя внимание гиперемия и выраженная общая слабость. Ректальная температура обычно превышает 41,1°С, а внутренняя тем¬пература организма составляет 44,4°С. Кожа горячая и сухая на ощупь, пото¬отделение в большинстве случаев отсутствует. Число сердечных сокращений по¬вышено, дыхание учащенное, поверхностное, артериальное давление обычно низ¬кое. Мышцы дряблые, сухожильные рефлексы могут быть снижены. В зависимо¬сти от тяжести состояния отмечают сонливость, ступор или кому. Летальному исходу предшествует шок.
Различные изменения обнаруживают при исследовании крови и мочи:
Как правило, это гемоконцентрация, лейкоцитоз, протеинурия, цилиндрурия, повышение азота мочевины крови.
Обычно отмечают дыхательный алкалоз с последующим метаболическим ацидозом, молочнокислый ацидоз.
Содержание калия в плазме крови обычно в пределах нормы или несколько понижено, отмечают также гипокальциемию и гипофосфатемию.
Могут возникать также
тромбоцитопения, увеличение протромбинового времени, времени свертываемости и кровотечения, афибриногенемия и фибринолиз, диссеминированное внутрисосудистое свертывание.
Все эти факторы могут приводить к диффузному кровотечению. Часто поражается печень. Обычно это происходит в течение 24-36 ч и проявляется желтухой, а также изменениями печеночных ферментов. Частым осложнением теплового удара является почечная недостаточность.
При электрокардиографии выявляют тахикардию, синусовую аритмию, уплощение и последующую инверсию зубца Т, депрессию сегмента ST. В литературе описан диффузный некроз миокарда с признаками инфаркта миокарда на ЭКГ.
Смерть при тепловом ударе , причиной которой является почечная недостаточность и другие осложнения, может наступить в течение нескольких часов. В большинстве случаев, однако, больные умирают через несколько недель после теплового удара вследствие инфаркта миокарда, сердечной недостаточности, почечной недостаточности, бронхопневмонии, бактериемии.
При аутопсии находят обширные повреждения паренхимы различных внутренних органов либо в резуль¬тате гиперпирексии как таковой, либо вследствие петехиальных кровоизлияний в головном мозге, сердце, почках или печени.
Тепловой удар требует немедленного интенсивного лечения. Время имеет огромное значение.
Больного следует уложить в прохладном, хорошо проветриваемом помещении
Снять большую часть одежды.
Так как потоотделение прекращается, следует использовать внешние способы рассеивания тепла.
Больного следует поместить в ванну с ледяной водой - это наиболее эффективное сред-ство.
Ледяная вода не способствует развитию шока или выраженному сужению сосудов кожи.
Данную процедуру следует проводить как можно в более ранние сроки.
Больной должен постоянно находиться под наблюдением врача, необхо¬димо следить за ректальной температурой.
Водные процедуры прекращают при снижении температуры до 38,3°С, однако повторяют при возобновлении фебрилитета.
Другие способы лечения менее эффективны , однако если нет возможности обеспечить ванну, то следует обернуть больного в холодную мокрую простыню и устроить хорошую вентиляцию помещения.
После ванны больного следует по¬местить в прохладную, хорошо проветриваемую комнату. Одновременно с охлаждением необходимо провести массаж кожи, так как это стимулирует отток крови от поверхности тела к перегревшимся внутренним органам и головному мозгу и способствует ускорению теплоотдачи.
Показана гидратация гипотоническими кристаллоидными растворами. Для купирования озноба можно применить фенотиазин. Противопоказаны стимулирующие вещества, такие как эпинефрин и нарко¬тики. Следует поставить мочевой катетер и следить за выделением мочи.
Быстрое охлаждение в ледяной воде, массаж конечностей и мощная гидратация, обеспечение правильной вентиляции, предотвращение аспирации, лечение комы и судорог, предупреждение аритмии - все эти манипуляции приводят к тому, что большинство больных, особенно молодых и здоровых, выживают.
К сожалению, у ослабленных больных и лиц пожилого возраста, у которых тепловой удар диагностируется, как правило, после нескольких часов гиперпирексии, исход бывает менее благоприятным.
Следует опасаться обезвоживания и развития сердечной недостаточности. В случаях кровотечений нужно переливать свежую кровь, а при наличии диссеминированного внутрисосудистого свертывания - вводить гепарин (по 7500 ЕД/ч). Затяжная олигурия является показанием для раннего начала диализа.
Профилактика теплового удара
Определяется в каждом отдельном случае конкретной обстановкой. Например, длительные переходы в жаркий период рекомендуется проводить в более прохладные часы дня в легкой пористой одежде, чаще устраивать привалы в тенистых проветриваемых местах. Необходимо соблюдать правило питьевого режима, благодаря которому можно направленно корригировать водно-солевой обмен в организме. Вместо воды можно употреблять холодный подкисленный или подслащенный чай, рисовый или вишневый отвар, хлебный квас. Рекомендуется более широкое употребление углеводов, молочных продуктов с ограничением продуктов, содержащих кислые радикалы (каши и др.).
Высокая температура окружающей среды вынуждает переносить основной прием пищи на вечерние часы с потреблением на завтрак - 35, на обед - 25, на ужин - 40% суточного рациона.
В горячих цехах устанавливают устройства для охлаждения воздуха путем распыления воды, широко применяют водные процедуры (души, обливания и др.), устанавливают перерывы в работе, ограничивают прием белковой и жирной пищи.
Важное значение в профилактике теплового удара имеет предварительная тренировка, с помощью которой можно добиться повышения адаптации к действию термических факторов.
Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов существенно зависят от температуры. С чем это связано и каковы причины такой зависимости?
· Ведущая роль в формировании температуры принадлежит энергии радиационного балланса, а именно той его части, которая идет на нагревание экосистемы (Н).
· Вторым фактором является температура на верхней границе атмосферы, определяющая вторжение теплых или холодных воздушныых масс .
Диапазон температур, которые зарегистрированы во Вселенной, равен тысяче градусов, но пределы обитания живых существ на Земле значительно уже: чаще всего от - 200°С до + 100 °С.
При экологических исследованиях наиболее широко используются такие показатели как: средняя, минимальная, максимальная температура за определенный период.
Следует также рассмотреть паказатели контрастности, вариабельности и предсказуемости хода температур.
· Наибольшее действие на организмы оказывает суточный ход температур.
· Вариабельность показывает распределение температуры внутри максимума и минимума. Показателем вариабельности является среднеквадратичное отклонение всех месячных температур, от средней многолетней.
· Низкая предсказуемость –когда слабо выражен многолетний ход, но высока вариабельность в отдельные годы.
· Высокая предсказуемость – наиболее ровный температурный режим. При этом все варьирование содержится уже в среднемноголетнем ходе температур, а месячные температуры почти не отличаются от многолетних средних.
· Наименьшей контрастностью, вариабельностью и наибольшей предсказуемостью характеризуется тропический лес.
· Наибольшей контрастностью, вариабельностью и малой предсказуемостью – температурный режим тундры.
Приспособление к суточным контрастам температур требует физиологических механизмов, а также определяет ритм суточной активности животных.
Протоплазмы клеток всех живых организмов способны жить лишь при температуре между от 0° и 50 0 .
Животные менее стойки. По толерантности организмов к температурному режиму они делятся на эвритермные и стенотермные , т.е. способные переносить колебание температуры в широких пределах или узких пределах.
В зависимости от способа адаптации организмов к температурному режиму они делятся на две экологические группы:
· криофиллы - организмы, приспособленные к холоду, к низким темпера турам;
· термофилы - или теплолюбивые.
Диапазон толерантности у наземных животных в целом больше, чем у водных (не считая микроорганизмов). Изменчивость температуры, временная и пространственная, является мощным экологическим фактором среды. Живые организмы приспосабливаются к различным температурным условиям; одни могут жить при постоянной или относительно постоянной температуре, другие лучше адаптированы к колебаниям температуры.
Воздействие температурного фактора на организмы сводится к его влиянию на скорость обмена веществ. Если исходить из правила Вант-Гоффа для химических реакций, то следует заключить, что повышение температуры вызовет пропорциональное возрастание скорости биохимических процессов обмена веществ.
При анализе взаимосвязей между организмами и температурой окружающей среды все организмы делят на два типа: гомойотермных и пойкилотермных . Такое разделение относится к животному миру; иногда животных подразделяют на теплокровных и холоднокровных (см. предыдущую лекцию )
1. Причиной гибели организма при высоких температурах является нарушение гомеостаза и интенсивности обмена веществ, денатурация белков и инактивация ферментов, обезвоживание.
2. Необратимые нарушения структуры белков возникают при температуре около 60°С. Именно таков порог "тепловой смерти" у ряда простейших и некоторых низших многоклеточных организмов.
3. Адаптации к изменению температур выражаются у них в образовании таких форм существования, как цисты, споры, семена. У животных "тепловая смерть" наступает раньше, чем происходит денатурация белков, вследствие нарушений деятельности нервной системы и других регуляторных механизмов.
4. При низких температурах обмен замедляется или даже приостанавливается, происходит образование кристаллов льда внутри клеток, что приводит к их разрушению, повышению внутриклеточной концентрации солей, нарушению осмотического равновесия и денатурации белков.
5. Морозоустойчивые растения выдерживают полное зимнее промерзание благодаря ультраструктурным перестройкам, направленным на обезвоживание клеток. Семена выдерживают температуры, близкие к абсолютному нулю.
В целом, температура может оказывать двоякое воздействие на организм:
1. Прямое воздействие – увеличение скорости обменных процессов (у пойкилотермных животных). Это определяет окраску насекомых (северные более темные).
2. Косвенное воздействие – воспринимается рецепторами. При этом животное находит более комфортную зону (передвижение хлопковой тли в течение суток по хлопчатнику).
3. Температура определяет тип активности животного (например, ползанье и разные типы полета).
Механизмы препятствующие холодовой смерти у насекомых:
1. Обезвоживание организма на 20-30% от исходного.
2. Связывание воды каллоидами.
3. Увеличение содержания жира.
4. Увеличение гликогена, являющегося гидрофильным каллоидом.
5. Увеличение концентрации растворенных веществ (1 моль на 1 литр понижает температуру замерзания на 2º С).
6. Увеличение концентрации глицерина (затем превращается в гликоген).
Механизмы препятствующие тепловой смерти насекомых:
1. Избегание нагретых участков благодаря действию терморецепторов).
2. Испарение влаги с поверхности (работает только при низкой влажности).
3. Размазываение по телу капель жидкости.
Почти 75% тепла тела тратится на излучение в окружающую среду и уносится движущимся воздухом. Порядка 22% идет на испарение и теряется с выделениями. И только около 2-3% расходуется на нагревание потребляемой пищи и воздуха.
При низкой температуре среды организм увеличивает теплопродукцию и уменьшает теплоотдачу. Это происходит за счет следующих механизмов. После раздражения кожных рецепторов по сигналу центральной нервной системы происходит сужение сосудов кожи, подкожной клетчатки и слизистых. Вспомните, как выглядит продрогший на морозе человек. Губы у него посиневшие, лицо бледное, на теле «гусиная кожа» - признак непроизвольного сокращения ее мускулатуры. Но стоит обогреться, как розовеют щеки, губы - наступает расширение капилляров .
За счет сокращения капилляров на холоде ток крови в поверхностных тканях тела замедляется и тело уменьшается в объеме. Это ведет к снижению излучения - важнейшей статьи расхода тепла. Только за счет регуляции кровенаполнения сосудов кожи и слизистых можно снизить (или повысить) на 70% теплопотери тела.
У больных и незакаленных людей теплорегулирующие системы могут не справляться со своими задачами. Поэтому у ослабленных и нетренированных людей (особенно детей) даже небольшое охлаждение вызывает ухудшение самочувствия, простудные и хронические заболевания. Да и у здоровых людей резкое охлаждение, особенно при повышенной влажности и движении воздуха (сквозняк), нередко заканчивается насморком или даже более серьезными заболеваниями (или их осложнениями) .
При жаре рефлекторно расширяются сосуды кожи, учащаются дыхание, пульс, нередко падает кровяное давление. Температура кожи повышается, что приводит к большей теплопотере за счет излучения. Но основным механизмом регуляции в случае перегрева является потоотделение. Интенсивность охлаждения зависит от объема и скорости испарения пота с поверхности тела. Считается, что у жителей жаркого пояса сальные и потовые железы кожи более развиты, чем у людей, проживающих на севере. Выделяемые сальными железами жировые вещества также способствуют более быстрому испарению пота.
При высоких температурах окружающей среды самочувствие человека резко ухудшается. Особенно неблагоприятно сочетание высокой температуры и повышенной влажности воздуха. Например, при температуре 40 °С и относительной влажности 30% самочувствие может быть примерно таким же, что и при 30 °С и влажности 80%. При повышенных значениях этих элементов самочувствие людей, как правило, сильно страдает.
Влагопотери человека в жаркий день при физической работе средней трудности на открытом воздухе составляют от 2 до 4-6 л. Скажем, если вы копаете огород на солнцепеке, то теряете порядка 2-4 л влаги, а туристы в жаркий день могут «сбросить» за счет влагопотерь до 6 кг. При больших физических нагрузках и в жаркую погоду следует особо соблюдать питьевой режим и беречься от теплового удара .
Даже в обычную, не очень солнечную погоду на пляже где-нибудь у Рублевского или Клязьминского водохранилища или на опушке леса влагопотери могут составлять до 100-200 г. в час. При умеренной температуре воздуха - порядка 15 °С - и в состоянии покоя человек выделяет в среднем 1 г пота в 1 минуту.
При повышении температуры до 30 °С потоотделение увеличивается в 4-5 раз. Тот же эффект наблюдается, когда человек приступает к работе или начинает двигаться. Так, уже при ходьбе по открытому шоссе выделение пота возрастает в 2-3 раза, а при беге - в 4-6 раз по сравнению со спокойным состоянием.
Затраты энергии и влагопотери следует учитывать при организации физической работы, туристских походов, дозировании нагрузки при спортивных играх, а также и в повседневной жизни. Особенно это касается больных и пожилых людей.
В средней полосе европейской части нашей страны, в частности в Подмосковье, поступление тепла к организму меньше, чем его расход. Поэтому для поддержания постоянства внутренней среды мы надеваем ту или иную одежду и поддерживаем определенную температуру своего жилища. Терморегулирующие свойства одежды оценивают в специальных единицах - «кло» (от англ. clothes - одежда).
Итак, формы и степень влияния температуры на человека различны в разные сезоны, при различной бытовой и производственной обстановке.
Это влияние зависит от величины и знака отклонений фактически наблюдаемых значений метеофакторов, от некоторого оптимального их сочетания, которое принято называть «комфортным». Дело в том, что на теплоощущение влияет не только приход тепла, но и влажность и интенсивность движения воздуха. Поэтому зона комфорта, то есть таких параметров внешней среды, при которых человек чувствует себя наилучшим образом (не испытывая жары, духоты, холода, сырости и пр.), определяется рядом условий - не только погодных, но и других сопутствующих факторов жизнедеятельности человека.
Ощущение холода или жары, кроме всего прочего, зависит от характера нервной системы, размеров и веса тела, общего состояния здоровья и, конечно, закалки человека. Как удивляют нас иногда легко одетые в морозную погоду люди. А они чувствуют себя нисколько не хуже, чем мы, закутанные в шубы и шарфы, соответственно показаниям термометра. Многое обусловлено и образом жизни, бытовыми традициями людей. Например, великий художник И.Е. Репин круглый год спал при открытых окнах, еще более жестких правил придерживались знаменитые полярные путешественники (Нансен, Амундсен, Пири).
Комфортной для московских условий считается температура воздуха около 23 °С, для полярных районов - 17 °С, а для юга страны-25 °С. Оценка температуры зависит не только от места, но и от времени наблюдений. Так, в Подмосковье температура плюс 4-6 °С в марте расценивается как теплая, но уже в середине мая мы будем считать ее холодной .
На курортных пляжах можно встретить щиты, где приводится комплексная оценка теплоощущений человека при одновременном действии нескольких факторов - температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и ветра, а также солнечной радиации. Такова эквивалентно-эффективная температура (ЭЭТ) или радиационно-эквивалентная эффективная температура (РЭЭТ). Последняя, кроме совокупного действия температуры и влажности, характеризует также влияние солнечной радиации.
В зависимости от значений метеоэлементов каждый из них может ослаблять или усиливать действие другого на живой организм. Так, высокая влажность усиливает действие на организм как высокой, так и низкой температуры. Сильный ветер в сочетании с высокой или низкой температурой способствует в одних случаях перегреву, а в других - переохлаждению организма. Умеренный же ветер в жаркую погоду является благоприятным фактором в борьбе с перегревом. Наиболее благоприятной считается температура внешней среды в пределах 18-20 °С при относительной влажности 40-60% и слабом ветре.
Температура окружающей среды
Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов и численность популяций существенно зависят от температуры. С чем это связано и каковы причины такой зависимости?
Диапазон температур, которые зарегистрированы во Вселенной, равен тысяче градусов, но пределы обитания живых существ на Земле значительно уже: чаще всего от - 200°С до + 100 °С. Большая часть организмов имеет гораздо более узкий диапазон температур, причем наибольший диапазон имеют самые низкоорганизованные существа микроорганизмы, в частности, бактерии. Бактерии обладают способностью жить в условиях, где другие организмы погибают. Так, их обнаруживают в горячих источниках при температуре около 90°С и даже 250 °С, тогда как самые устойчивые насекомые погибают, если температура окружающей среды превышает 50°С. Существование бактерий в широком диапазоне температур обеспечивается их способностью переходить в такие формы, как споры, имеющие прочные клеточные стенки, выдерживающие неблагоприятные условия среды.
Диапазон толерантности у наземных животных в целом больше, чем у водных (не считая микроорганизмов). Изменчивость температуры, временная и пространственная, является мощным экологическим фактором среды. Живые организмы приспосабливаются к различным температурным условиям; одни могут жить при постоянной или относительно постоянной температуре, другие лучше адаптированы к колебаниям температуры.
Воздействие температурного фактора на организмы сводится к его влиянию на скорость обмена веществ. Если исходить из правила Вант-Гоффа для химических реакций, то следует заключить, что повышение температуры вызовет пропорциональное возрастание скорости биохимических процессов обмена веществ. Однако в живых организмах скорость реакций зависит от активности ферментов, которые имеют свои температурные оптимумы. Скорость ферментативных реакций зависит от температуры нелинейно. Учитывая все многообразие ферментативных реакций у живых существ, следует заключить, что ситуация в живых системах существенно отличается от сравнительно простых химических реакций (протекающих в неживых системах).
При анализе взаимосвязей между организмами и температурой окружающей среды все организмы делят на два типа: гомойотермных и пойкилотермных . Такое разделение относится к животному миру; иногда животных подразделяют на теплокровных и холоднокровных .
Гомойотермные организмы имеют постоянную температуру и поддерживают ее, несмотря на изменение температуры в окружающей среде. Напротив, пойкилотермные организмы не тратят энергию на поддержание постоянной температуры тела, и она меняется в зависимости от температуры окружающей среды.
Такое разделение имеет несколько условный характер, так как многие организмы не являются абсолютно пойкилотермными или гомойотермными. Многие пресмыкающиеся, рыбы и насекомые (пчелы, бабочки, стрекозы) могут в течение определенного времени регулировать температуру тела, а млекопитающие при необычно низких температурах ослабляют или приостанавливают эндотермическую регуляцию температуры тела. Так, даже у таких "классических" гомойотермных животных, как млекопитающие, во время зимней спячки температура тела понижается.
Несмотря на известную условность деления всех живущих на Земле организмов на эти две большие группы, оно показывает, что существует два стратегических варианта адаптации к условиям температуры среды. Они сложились в ходе эволюции и существенно отличаются по ряду принципиальных свойств: по уровню и устойчивости температуры тела, по источникам тепловой энергии, по механизмам терморегуляции.
Пойкилотермные животные являются эктотермными, они имеют относительно низкий уровень метаболизма. Температура тела, скорость физиолого-биохимических процессов и общая активность прямо зависят от температуры среды. Адаптации (компенсации) у пойкилотермных организмов происходят на уровне обменных процессов: оптимум активности ферментов соответствует режиму температур.
Стратегия пойкилотермии заключается в том, что организмы не тратят энергию на активную терморегуляцию и обеспечивает устойчивость в интервале средних температур, сохраняющихся достаточно длительное время. При выходе параметров температуры за определенные пределы организмы прекращают свою деятельность. Приспособления к меняющимся температурам у этих животных носят частный характер.
У гомойотермных организмов имеется комплекс приспособлений к меняющимся условиям температуры среды. Температурные адаптации связаны с поддержанием постоянного уровня температуры тела и. сводятся к получению энергии для обеспечения высокого уровня метаболизма. Интенсивность последнего у них на 1 - 2 порядка выше, чем у пойкилотермных. Физиолого-биохимические процессы у них протекают в оптимальных температурных условиях. В основе теплового баланса лежит использование собственной теплопродукции, поэтому их относят к эндотермным организмам. Регулирующую роль в поддержании постоянной температуры тела играет нервная система.
Стратегия гомойотермии связана с большими энергетическими затратами на поддержание постоянной температуры тела. Гомойотермия характерна для высших организмов. К ним относят два класса высших позвоночных животных: птиц и млекопитающих. Эволюция этих групп была направлена на ослабление зависимости от внешних факторов среды путем повышения роли центральных регулирующих механизмов, в частности, нервной системы. Большинство видов живых организмов являются пойкилотермными. Они широко расселены на Земле и занимают многообразные экологические ниши.
Реакция конкретного вида на температуру не постоянна и может изменяться в зависимости от времени воздействия температуры окружающей среды и ряда других условий. Другими словами, организм может приспосабливаться к изменению температурного режима. Если тaкое приспособление регистрируют в лабораторных условиях, то процесс обычно называют акклимацией, если же в природных - акклиматизацией. Однако различие между этими терминами лежит не в месте регистрации реакции, а в ее сути: в первом случае речь идет о так называемой фенотипической, а во втором - генотипической адаптации, т. е. адаптации на генетическом уровне. В том случае, если организм не может приспособиться к изменению температурного режима, он погибает. Причиной гибели организма при высоких температурах является нарушение гомеостаза и интенсивности обмена веществ, денатурация белков и инактивация ферментов, обезвоживание. Необратимые нарушения структуры белков возникают при температуре около 60°С. Именно таков порог "тепловой смерти" у ряда простейших и некоторых низших многоклеточных организмов. Адаптации к изменению температур выражаются у них в образовании таких форм существования, как цисты, споры, семена. У животных "тепловая смерть" наступает раньше, чем происходит денатурация белков, вследствие нарушений деятельности нервной системы и других регуляторных механизмов.
При низких температурах обмен замедляется или даже приостанавливается, происходит образование кристаллов льда внутри клеток, что приводит к их разрушению, повышению внутриклеточной концентрации солей, нарушению осмотического равновесия и денатурации белков. Морозоустойчивые растения выдерживают полное зимнее промерзание благодаря ультраструктурным перестройкам, направленным на обезвоживание клеток. Семена выдерживают температуры, близкие к абсолютному нулю.
Человеческое тело постоянно потребляет калории и переводит их в энергию. Так как мы - не вечный двигатель, КПД у потребления калорий у нас не 100%, часть уходит в выделение тепла, то есть нагрев тела.
Комфортная температура окружающей среды для каждого индивидуальна, но варьируется в пределах от 15 до 25 градусов по Цельсию. Почему не 36,6? Потому что телу необходимо охлаждение. Оно будет происходить, если температура окружающей среды ниже температуры тела на определённое количество градусов (зависит от количества выделяемого тепла). В противном случае пойдёт нагрев и перегрев тела => тепловой удар.
Поэтому, чем больше мы потребляем энергии, тем жарче нам становится. И, следовательно, тем холоднее нам нужна окружающая среда. Людям с ускоренным обменом веществ жарко даже при 20-ти градусах, например, а некоторым холодно и в 25 градусов.
Если температура окружающей среды не способна принять на себя излишки тепла (пробежка по тридцатиградусной жаре), то организм прибегает к «тяжёлой технике» - потоотделению. Это один из способов терморегуляции. Если вы будете бежать в лёгкой одежде по зимнему морозу, то едва вспотеете. А вот переохладиться можете.
Добавлю ещё сюда то, что ощущение температуры, помимо личных предпочтений, может варьироваться как из-за разных климатических условий, вроде ветра, атмосферного давления и влажности воздуха, так и от физических качеств среды - то есть её теплоёмкости.
Чем больше теплоёмкость, тем холоднее нам кажется вещество по сравнению с другим, ровно такой же температуры. у воды теплоёмкость больше, чем у воздуха, поэтому температура воздуха в 20 градусов для нас приемлема, а 20 градусов в воде - слишком холодно. Железо имеет ещё бОльшую теплоёмкость, поэтому реально получить обморожение только из-за плотного прикосновения к железному столбу на морозе.
Если смешать лёд с солью, у них будет большая теплоёмкость, поэтому, зажав эту смесь в руке, можно получить переохлаждение и травму конечности. Об этом .
Нам холодно становится не тогда, когда температура снаружи становится меньшей температуры поверхности тела, и жарко не тогда, когда воздух теплее чем кожа. Из-за этого во многих ответах ниже закралась ошибка.
Все потому что человек - теплокровный, и пока живет, выделяет тепло. При этом для поддержания постоянной температуры тела рассеиваться (забираться, отдаваться окружающей среде, воздуху) тепла должно ровно столько же сколько и вырабатывается.
А если температура внешней среды и температура тела равны, нет разницы температур, тогда теплообмена практически не будет и выделяемая нами энергия пойдет на наш нагрев, что приведет к перегреву, тепловому удару и прочим неприятным вещам, и может быть опасно. Именно потому должна быть именно разница температур - чтобы наше тело могло спокойно избавляться от излишков тепла, чтобы количество отдаваемого нами тепла было равным количеству вырабатываемого и наш организм мог поддерживать постоянную нужную температуру. Ведь тепло передается от более нагретых к менее нагретым телам и со скоростью, пропорциональной разнице температур. А передавать его нам нужно предостаточно, пока мы живы.
Когда на улице +30 то разницы температур в 6-7 градусов недостаточно чтобы отдавать в воздух нужное количество тепла, потому в ход идут специальные механизмы - потовыделение (испарение отбирает много тепла) и прочие, которые приводят к обезвоживанию и жажде и в общем слишком долго наш организм в таком режиме работать не приспособлен потому и подает сигнал " жарко, найди где охладиться!" Правда тут еще не все учтено, комфортная температура зависит от влажности воздуха, ветрености, солнечности, наличии одежды / волосяного покрова, а так же комплекции и особенностей организма человека. Но эта комфортная температура для теплокровных животных всегда ниже температуры тела - должна быть разница температур чтобы выделяемое тепло могло покинуть наше тело а не перегревать его.
Не специалист. Но температура ПОВЕРХНОСТИ тела ниже; почему градусник и надо держать подмышкой и тщательно. Или в полостях. Температура поверхности рук-ног, кажется, порядка 24 градусов (могу путать).
Впрочем, наверняка это только часть ответа.
Человеческое тело вырабатывает очень много тепла. Правильная температура для правильной работы организма 36,6. Чем больше температура извне - тем сложнее охлаждать организм. Ведь количество тепла вырабатываемое организмом не падает, а отдавать температуру все сложнее. Организм перенагревается и как следствие -- тепловой удар.
