Обмен энергии. Терморегуляция

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она существует в нем в четырех основных формах: химической, механической, электрической и тепловой. Центральное место из этих форм принадлежит химической энергии (АТФ), которая может необратимо превращаться во все другие виды энергии. Таким образом, обмен энергии — это совокупность процессов превращения различных форм энергии между собой, а также накопление и использование макроэргических соединений. Макроэргическими (высокоэнергетическими) называются биологически активные органические соединения, обладающие непрочной химической связью, при расщеплении которой выделяется достаточное количество свободной энергии для совершения полезной работы в клетке: синтеза химических соединений, транспорта веществ против градиента их концентрации, мышечного сокращения и т. д.

Энергия расходуется на процессы синтеза клеток, на осуществление различных физиологических функций, на внешнюю работу, поддержание температуры тела и т. д. Продолжение жизни возможно лишь при постоянном пополнении запасов энергии, что и происходит благодаря приему пищи. При окислении 1 грамма жира в организме освобождается 9,3 ккал, 1 грамма белка и углеводов — соответственно по 4,1 ккал.

Килокалория (ккал) — количество тепла (энергии), необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1 градус Цельсия. Наибольшая часть освобождающейся в организме энергии переходит в тепловую и только одна пятая часть (20%) переходит в механическую энергию. В электрическую превращается незначительная часть освобождающейся энергии. В конечном итоге все виды энергии отдаются в окружающую среду преимущественно в виде тепловой энергии.

Соотношение количества энергии, поступающей с пищей, и энергии, расходуемой организмом, называется энергетическим балансом. Он может быть положительным, равновесным и отрицательным. При избыточном питании, превышающим действительные расходы энергии, энергетический баланс положительный, происходит накопление энергетических запасов за счет увеличения массы жировой ткани. В условиях недостаточного питания энергетический баланс отрицательный, запасы энергобогатых веществ уменьшаются. Чтобы иметь представление о количестве расходуемой организмом энергии, достаточно измерить количество тепла, которое выделяется во внешнюю среду.

Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен, складывается из основного обмена и рабочей прибавки. Основной обмен — это минимальный уровень обмена веществ и энергетических затрат бодрствующего человека в состоянии мышечного и психического покоя, натощак и при температуре окружающей среды 18-20ºС. Рабочая прибавка — это увеличение энергетических затрат организма при мышечной работе. Для мужчин среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 170 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) основной обмен равен 1 ккал на 1 кг массы тела в час, или 1700 ккал в сутки. У женщин той же массы он примерно на 5-10% ниже. У детей он выше, чем у взрослых. В пожилом возрасте основной обмен снижается. В условиях основного обмена энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организма, работу внутренних органов, поддержание температуры тела.

При лихорадочных заболеваниях (малярия, брюшной тиф, туберкулез и т. д.), гиперфункции щитовидной железы основной обмен может повышаться до 150%. При гипофункции гипофиза, щитовидной железы, половых желез основной обмен понижается, усиливается отложение жира.

После приема пищи интенсивность обмена веществ и энергетические затраты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в условиях основного обмена. Это влияние принятой пищи на обмен веществ и энергозатраты получило название специфического динамического действия пищи. При белковой пище обмен увеличивается в среднем на 30%, при питании жирами и углеводами — на 15%.

Общий расход энергии зависит от профессии человека и характера его отдыха (занятия спортом, туризмом и т. д.). Суточный расход энергии для людей умственного труда, в том числе и для студентов медицинских училищ, составляет 3000 ккал, а для лиц, занимающихся очень тяжелым физическим трудом, около 5000 ккал/сутки.

Температура тела человека, несмотря на колебания температуры окружающей среды, непрерывно поддерживается на относительно постоянном уровне. Это постоянство температуры тела носит название изотермии (греч. isos — равный, одинаковый; therme — теплота). Стабильная температура тела — одна из важнейших биологических констант. Постоянная температура, значительно превышающая обычную температуру внешней среды, обеспечивает высокую скорость химических реакций внутри организма и высокую интенсивность всех процессов жизнедеятельности. Способность организма человека противостоять воздействию холода и тепла, сохраняя изотермию, не беспредельна. При чрезмерно низкой или высокой температуре окружающей среды защитные терморегуляционные механизмы оказываются уже недостаточными, температура организма соответственно начинает понижаться или повышаться. В первом случае развивается состояние гипотермии, во втором — состояние гипертермии.

В организме человека принято различать две температурные зоны: внутреннюю - «ядро» и наружную - «оболочку». «Ядро» (мозг, органы грудной клетки, брюшной полости, малого таза) характеризуются относительно стабильной температурой в диапазоне от 37 до 38,5ºС. «Оболочка» (кожа, большая часть скелетной мускулатуры и костной системы) имеет более низкую температуру в диапазоне 25-34ºС и призвана поддерживать изотермию «ядра». Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, которая является самым «горячим» органом тела: температура в ней равна 38-38,5ºС. В обычных условиях кровь, проходя по сосудам ядра, нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их), а проходя по сосудам «оболочки», отдает тепло тканям кожи и охлаждается (одновременно согревая их).

Широко используемый термин «температура тела», как правило, относится к температуре внутренних областей тела, т. е. «ядра». Однако трудности измерения и различия в величине ее заставляют измерять температуру тела в более доступных местах: в подмышечной впадине, полости рта, прямой кишке. У взрослого человека принято измерять температуру тела в подмышечной впадине. В норме подмышечная температура тела находится в диапазоне 36-37ºС. В клинике часто (особенно у грудных детей) измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека 37,2- 37,6ºС. Суточные колебания температуры тела весьма характерны: наиболее высокая температура наблюдается во второй половине дня в 16-18 часов, наиболее низкая в 3-4 часа утра. В течение суток температура тела обычно колеблется в пределах 0,5-0,7ºС.

Способность организма человека поддерживать изотермию, или тепловой гомеостаз, обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов — теплообразования и теплоотдачи. При этом необходимо, чтобы теплообразование равнялось теплоотдаче. Такое взаимосочетание процессов теплообразования и теплоотдачи достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции.

Процесс образования тепла в организме называется химической терморегуляцией, процесс, обеспечивающий удаление тепла из организма, называется физической терморегуляцией. Химическая терморегуляция имеет особенно большое значение при низкой температуре среды. Образование тепла происходит в результате окислительных экзотермических реакций в различных тканях и органах (в мышцах — 60%, печени — 30%, почках, легких, желудке — 10%). Главную роль в теплопродукции у человека играют мышцы и печень.

Пути повышения теплопродукции при действии холода:

1. Произвольная мышечная деятельность; небольшая двигательная активность ведет к увеличению теплообразования на 50-80%, а тяжелая мышечная работа — на 400-500%, т. е. в 4-5 раз.

2. Непроизвольное сокращение мышц, проявляющееся в виде холодовой дрожи (озноба), повышает энергетический обмен и образование тепла в 2-4 раза.

3. Рефлекторное повышение интенсивности обменных процессов в мышечной ткани без ее сокращения (так называемый несократительный мышечный термогенез).

4. Интенсификация образования тепла печенью и почками.

При повышении температуры окружающей среды теплообразование в организме уменьшается вследствие рефлекторного снижения обмена веществ.

При повышении или понижении температуры окружающей среды рефлекторно изменяется не только теплообразование, но и теплоотдача, причем при понижении температуры отдача тепла уменьшается, а при повышении температуры — увеличивается.

Физическая терморегуляция (т. е. теплоотдача) осуществляется следующими физическими процессами:

1. Конвекцией, т. е. путем движения и перемещения нагреваемого телом воздуха;

2. Радиацией, т. е. путем теплоизлучения (отдачи тепла телом в виде лучистой энергии инфракрасных лучей);

3. Теплопроведением, т. е. отдачей тепла веществом, непосредственно соприкасающимся с поверхностью тела;

4. Испарением воды с поверхности кожи и легких.

У человека в обычных условиях потеря тепла путем теплопроведения имеет небольшое значение, так как воздух и одежда являются плохими проводниками тепла. Одним из главных путей теплоотдачи человека при температуре воздуха 20°С является радиация (66% общей потери тепла организмом). При температуре наружного воздуха 35-37°С и более единственным способом отдачи тепла становится испарение воды с поверхности кожи и альвеол легких. В основном теплоотдача у человека осуществляется через кожу. Конвекция и радиация тесно связаны с функцией сосудистой системы.

При высокой температуре наружного воздуха (от 22°С до 35°С) сосуды внутренних органов суживаются, кожные сосуды расширяются, теплоотдача повышается. В условиях более низкой температуры внешней среды (менее 18°С) сосуды внутренних органов расширяются, а кожные сосуды суживаются. Теплоотдача уменьшается, т. е. происходит накопление тепла. В целом при повышении температуры внешней среды в организме человека теплопродукция уменьшается, теплоотдача увеличивается, при понижении температуры — наоборот: теплопродукция увеличивается, теплоотдача уменьшается.

При температуре наружного воздуха, равной или выше температуры тела человека, для сохранения изотермии происходит интенсивное испарение пота. На испарение 1 мл пота при температуре тела человека затрачивается 0,58 ккал тепла. Этот путь теплоотдачи осуществляется главным образом за счет функций потовых желез. Испарение влаги с поверхности легких и дыхательных путей у человека играет меньшую роль, так как с выдыхаемым воздухом за сутки испаряется всего 350 мл воды. С потом же обычно человек теряет за сутки в среднем около 500 мл воды, а с ним около 300 ккал тепла. При температуре наружного воздуха 36°С для поддержания изотермии необходимо испарение 4,5 л воды с затратой 2500-2800 ккал тепла. При тяжелой мышечной работе человек может выделить до 9-12 л пота в день, а в горячих цехах даже до 15 л.

Следует помнить, что испарение воды зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе вода испаряться не может. Поэтому при большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, жара переносится тяжело, может возникнуть перегревание тела (гипертермия) и развиться тепловой удар. Температура тела, при которой наступает расстройство сознания (бред), находится в диапазоне 40-41°С, а при температуре тела выше 43°С наступает гибель организма.

Таким образом, постоянство температуры тела человека поддерживается путем совместного действия, с одной стороны, механизмов, регулирующих интенсивность обмена веществ и теплообразования (химическая регуляция тепла), а с другой стороны — механизмов, регулирующих теплоотдачу (физическая регуляция тепла).

Регуляция процессов теплообмена, обмена веществ и энергии осуществляется двумя механизмами:

1. Рефлекторно — по механизму безусловных и условных рефлексов

2. Гуморально

Безусловнорефлекторная регуляция теплообмена состоит в том, что любые колебания температуры окружающей среды воспринимаются холодовыми (их на коже человека 250 тысяч) и тепловыми (их соответственно около 30 тысяч) рецепторами кожи. Они возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007°С и понижении — на 0,012°С. От терморецепторов нервные импульсы по афферентным (чувствительным) путям через спинной мозг достигают промежуточного мозга и коры. Основным подкорковым центром терморегуляции и регуляции температуры человека является гипоталамус. Установлено, что передние отделы (ядра) гипоталамуса контролируют механизмы физической терморегуляции (изменение просвета сосудов, интенсивности потоотделения), т. е. являются центром теплоотдачи, а задние отделы (ядра) — контролируют химическую терморегуляцию и являются центром теплообразования. Гипоталамус поэтому называют термостатом организма. Возбуждение из гипоталамуса передается по эфферентным нервам, главным образом симпатическим, к органам теплообразования (мышцы, печень и др.) и теплоотдачи (сосуды, потовые железы) и изменяют их деятельность.

Большую роль в терморегуляции играет кора большого мозга, что доказано опытами по условнорефлекторному повышению теплообразования у животных и человека. Например, в этих опытах звук свистка сочетался с подвешиванием собаке на спину груза массой 16 кг на 15 минут. Температура у собаки от подвешивания груза повышалась на 0,3-0,8°С. После нескольких повторений этого сочетания в дальнейшем только один звук свистка вызывал повышение температуры. В другом опыте собаку на несколько часов помещали в комнату с температурой 22°С. В этой обстановке температура у собаки повышалась. Через несколько дней собака была помещена в эту же комнату, однако температура комнаты на этот раз была 10°С. Несмотря на это, температура тела собаки все равно увеличилась. Как в первом, так и во втором случае у собаки был выработан условный рефлекс на увеличение теплообразования.

Было выполнено наблюдение и над проводниками товарных вагонов, которые целыми часами в зимнюю холодную погоду стояли на открытых площадках во время движения поезда. Как показали исследования, у них происходило увеличение теплообразования. Однако у этих же проводников теплообразование не увеличивалось, если они находились не в пути, а на тормозной площадке вагона в городе или во дворе здания лаборатории.

В регуляции теплообмена участвует и гуморальный механизм. Гормон щитовидной железы — тироксин, повышая обмен веществ, увеличивает теплообразование. Поэтому поступление тироксина в кровь увеличивается при охлаждении организма. Гормон мозгового слоя надпочечника — адреналин усиливает окислительные процессы, увеличивая тем самым образование тепла. Одновременно он суживает сосуды кожи, вызывая за счет этого уменьшение теплоотдачи.

Регуляция обмена веществ и энергии в организме осуществляется нервной и эндокринной системами. Основным отделом ЦНС, регулирующим все виды обменных и энергетических процессов, является также гипоталамус. В нем расположены центры регуляции обмена белков, жиров, углеводов, воды и солей.