Потери тепла. Кровоток кожи в регуляции теплообмена

Обновлено: 05.06.2024

В основе тепловидения лежит дистантная визуализация ИК излучения тканей, осуществляемая с помощью специальных оптико-электронных приборов - тепловизоров. Интенсивность ИК излучения, регистрируемого тепловизорами, характеризует тепловое состояние тканей, их температуру. Метод позволяет тонко улавливать даже начальные стадии воспалительных, сосудистых и некоторых опухолевых процессов. В зависимости от повышения или понижения местной температуры на фоне привычных очертаний органа или конечности усиливается или, напротив, ослабевает свечение тканей в области патологии. Тепловидение дает одновременное представление об анатомо-топографических и функциональных изменениях в пораженной зоне.

Теплоизлучение человеческого тела, согласно закону Стефана-Больцмана, пропорционально четвертой степени температуры его поверхности. Следовательно, теплоизлучение тела, прежде всего, связано с температурой его кожи. Ее значения могут меняться в широких пределах и зависят от многих факторов.

При нормальных условиях температура кожи ниже температуры внутренних органов и измеряется в пределах 30,5-35,5 о С. Так как кожа является покровом, отделяющим внутренние органы от окружающей среды, ее температура должна изменяться в зависимости от состояния как внутренних органов, так и внешней среды. Такое представление лишь в общей форме характеризует факторы, от которых зависят колебания кожной температуры. Среди этих факторов:

1) скорость кровотока;

2) сосудистые реакции;

3) метаболические процессы;

4) наличие локальных или общих источников тепловой энергии;

5) регуляция теплообмена испарением, конвекцией, радиацией.

Температура кожи является результатом взаимодействия всех указанных факторов. Именно поэтому исследование температуры кожи невозможно без их учета. Стандартизации условий обследования можно достичь адаптацией кожных покровов к температурным условиям помещения - удалением с исследуемого одежды, пребыванием в покое в течение 10-15 минут при постоянной окружающей температуре (19-21 о С) без воздушных потоков, с исключением источников теплопродукции (батареи, тепловентиляторы, лампы накаливания) и охлаждения.

Известно, что организм человека обладает свойствами гомойтермности. В 1972 году Комиссия по термофизиологии Международного союза физиологов определила гомойтермию как способность организма сохранять температуру тела постоянной в пределах ±2 о С независимо от температуры внешней среды (Hensel Н., 1973).

Температурным гомеостазом обладает только ядро организма, то есть головной мозг и внутренние органы. Температура ядра равна 37,5±0,5 о С, а температура оболочки (поверхностные ткани и конечности) ниже. Средневзвешенная температура кожи в условиях комфорта составляет 32,0±1,0 о С и весьма изменчива в зависимости от температуры окружающей среды (Иванов К.П. и соавт., 1984). Это обусловлено терморегуляторной функцией кровообращения в покровных тканях. Сама по себе оболочка обладает высокой теплоизоляцией. Возрастание кровенаполнения и усиление кровообращения в ней делают ее более теплопроводной. Сужение сосудов в ответ на охлаждающее влияние внешней среды снижает температуру кожи и увеличивает теплоизоляцию оболочки, уменьшая тем самым как конвективную, так и прямую (кондуктивную) передачу тепла от глубоких тканей на поверхность.

Ткани дистальных отделов конечностей (кисти и стопы) и поверхность лица являются специализированными областями физической теплоотдачи (теплорегуляции). При изменении внешних и внутренних условий теплообмена раньше и значительнее, чем в других областях, изменяется температура кожи дистальных отделов конечностей (В.А.Лихтенштейн,1967).

Центральные терморегуляторные механизмы в человеческом организме управляются гипоталамусом. Реакции, которые увеличивают теплопотери, регулируются передним гипоталамусом (они вызывают потоотделение, расширение периферических сосудов, глубокое дыхание). Реакции, направленные на образование и сохранение тепла, осуществляются за счет сужения сосудов и обусловлены действием заднего гипоталамуса. Возникновение тех или иных реакций связано со стимуляцией двух групп рецепторов: периферических и центральных. Центральные расположены в самом гипоталамусе и рядом с ним. От них импульсы идут по афферентным путям в гипоталамус, а оттуда по соматическим и автономным путям распространяются к исполнительным органам, осуществляя регуляцию потоотделения, сосудистого и мышечного тонуса. Корковое воздействие может при определенных условиях вызвать неадекватные (извращенные) сосудистые реакции. При торможении высших отделов ЦНС включаются терморегуляторные процессы, направленные против перегрева организма. При возбуждении - усиление теплообразовательных процессов.

Местные механизмы терморегуляции. Кожа, имеет густую сеть капилляров, находящихся под контролем вегетативной нервной системы. Благодаря вегетативной иннервации, которая контролирует расширение или сужение просвета капилляров, вплоть до полного их закрытия, обеспечивается регуляция температуры отдельных участков кожи и всего организма в целом. Нервные связи между кожей и внутренними органами реализуются через висцеро-кожные рефлексы, протекающие по типу аксон-рефлексов, либо сегментарных, либо проекционных рефлексов. Импульсы из внутренних органов идут по афферентным путям в передние и боковые рога спинного мозга, а оттуда передаются на поверхность тела через эфферентные преганглионарные и постганглионарные симпатические волокна. Наиболее отчетливо это проявляется при патологии, когда возникают стойко существующие кожные зоны с измененной чувствительностью, трофикой, нарушенными сосудистыми и секреторными реакциями. При внутренней патологии формируются многообразные сосудистые и трофические эффекты. В результате кожа человека превращается в обширную зону, отражающую в той или иной степени процессы, совершающиеся во внутренних органах. Следует обратить внимание на разветвленность подкожной сосудистой сети, препятствующую контактному пути передачи термических аномалий как вглубь тела, так и в обратном направлении.

Факторы, влияющие на термопаттерн кожных покровов человека:

1) температура воздуха;

2) радиационная температура;

3) влажность воздуха;

4) скорость обдува;

5) теплопроводность тканей;

6) конвекция системного кровотока;

7) конвекция кожного кровотока;

8) интенсивность обменных процессов в подлежащих тканях.

Тепло, вырабатываемое организмом в процессе жизнедеятельности, от центральных областей через кожные покровы отводится в окружающую среду. Кожа - это граница раздела между телом и средой. К коже тепло передается за счет теплопроводности (способности к прогреванию), которая действует в направлении от центра последовательно через все слои оболочки, и за счет конвекции благодаря кровотоку по сосудистым структурам разного калибра: от магистральных сосудов к участкам с развитой капиллярной сетью.

Влияние внешних факторов. При повышении скорости обдува кожных покровов относительная доля радиационных теплопотерь снижается (при повышении скорости обдува на 4 м/с потери снижаются на 20%).

Имеется прямая зависимость радиационной температуры фона (окружающей среды) и радиационных теплопотерь кожных покровов. При 12 о С окружающей среды радиационные теплопотери возрастают до 80% от всех теплопотерь.

Влияние внутренних факторов. Прямой фактор, определяющий формирование температурных полей кожи, - особенности ее кровоснабжения: скорость кровотока, объем протекающей крови и состояние артерий, артериол и капилляров. Величина кожного кровотока нестабильна и меняется как при изменении температуры окружающей среды, так и при изменениях внутренней температуры. По расчетным данным, изменения кожного кровотока от 2 до 5 мл/см 2 /мин. ведут к изменению температуры кожи на 2 о С.

Оценка вклада магистрального и кожного кровотока показывает, что изменение величины магистрального кровотока проявляется сравнительно медленно и приводит к маловыраженным изменениям поверхностной температуры. Рефлекторные же реакции сосудов кожи ведут к быстрым изменениям этих значений.

Второй фактор - уровень обменно-метаболических процессов в коже и подлежащих тканях.

Основные причины нарушения нормальной термотопографии:

1) врожденная сосудистая патология, включая сосудистые опухоли;

2) вегетативные расстройства, приводящие к нарушениям регуляции сосудистого тонуса;

3) нарушения кровообращения в связи с травмой, тромбозом, эмболией или склерозом магистральных сосудов;

4) венозный застой, ретроградный ток крови при недостаточности клапанов, вен;

5) воспалительные процессы и опухоли, вызывающие местное усиление обменных процессов;

6) изменение теплопроводности тканей в связи с отеком, увеличением или снижением слоя подкожно-жировой клетчатки.

Очаги патологической теплопродукции могут формировать несколько вариантов патологических термопаттернов: а) локально-проекционный; б) нервно-рефлекторный; в) в зонах биологически активных точек.

Локально-проекционный вариант - это прямой путь передачи тепла от области патологии на кожные покровы над пораженным органом. В частности, при поражении щитовидной железы зона повышения свечения формируется на передней поверхности шеи, при опухоли молочной железы - в квадранте, где расположен узел. На первый план при данном варианте выступают изменения локального кровоснабжения или уровня обменных процессов. Например, повышение ИК излучения области правого подреберья при гепатитах, острых холециститах или кожных покровов грудной клетки над очагом воспаления в легком, что можно объяснить усилением кровоснабжения как в висцеральной, так и в париетальной серозной оболочках и усилением обменных процессов в самих пораженных органах.

При нервно-рефлекторном варианте основную роль в передаче теплового потока от пораженного органа на поверхность играет механизм с вовлечением рефлекторных зон Захарьина-Геда. Еще в конце прошлого века выдающимся русским ученым Г.А.Захарьиным и английским невропатологом Гедом были установлены и описаны определенные участки кожи, в которых при заболевании того или иного внутреннего органа появляются отраженные боли, а также болевая и температурная гиперестезия. Согласно существующему мнению, появление зон Захарьина-Геда связано с иррадиацией раздражения, идущего от патологически измененного органа и проводимого через нервные волокна, выходящие из этого органа, к спинальным центрам. Возбуждение же спинальных центров проявляется болевыми ощущениями и гиперестезией в определенных зонах. Границы этих зон соответствуют дерматомам - корешковым распределениям чувствительности. Можно представить себе следующий механизм проявлений: вследствие идущих из пораженного органа нервных импульсов в соответствующих сегментах спинного мозга возникают очаги возбуждения, от которых по эфферентным волокнам идут сигналы в соответствующие им зоны поверхности тела. Именно здесь возникают и стойко удерживаются изменения трофики, связанные с нарушениями микроциркуляции. Несомненно, что помимо спинальных механизмов существенную роль в этом процессе играет и центральная нервная система, включая кору головного мозга. Не исключено и влияние аксон-рефлекторных механизмов.

Определенное «представительство» внутренних органов на поверхности тела, отмечаемое при патологии на термограммах, было установлено уже в первые годы развития термографии (Вильямс, 1961, Хаберман, 1963).

Оценка по биологически активным точкам - изменение теплового потока кожных покровов на небольших по площади участках кожи, где расположены точки конкретных меридианов, ответственных за функцию конкретной системы или органа.

Потери тепла. Кровоток кожи в регуляции теплообмена

а) Потери тепла. Большая часть тепла, продуцируемого организмом, образуется в глубоко расположенных органах, особенно в печени, мозге, сердце, и скелетных мышцах при физических нагрузках. Затем это тепло передается от глубоко расположенных органов коже и далее в окружающую среду. Скорость теплоотдачи детерминирована главным образом двумя факторами:

(1) скоростью, с которой тепло передается от мест его образования в глубоко расположенных структурах организма («сердцевине» тела) к коже;

(2) скоростью отдачи тепла кожей окружающей среде.

Начнем обсуждение с систем, изолирующих «сердцевину» тела от поверхности кожи.

б) Изолирующие системы тела. Кожа, подкожные ткани и особенно жировая ткань подкожного слоя действуют совместно в качестве изолирующего материала организма. При этом особенно важна роль жира, т.к. его теплопроводность составляет лишь 1/3 теплопроводности других тканей. При отсутствии кровотока от нагретых внутренних органов к коже ее изолирующие свойства у здорового мужского организма составляют приблизительно 3/4 изолирующей способности одежды. У женщин изолирующие свойства подкожных тканей более выражены.

Изолирующие свойства подкожных тканей являются эффективным способом поддержания нормальной внутренней температуры «сердцевины» тела, позволяя температуре кожи отличаться от температуры окружающей среды.

в) Кровоток к коже от внутренних частей тела обеспечивает перенос тепла. Кровеносные сосуды образуют широко разветвленную сеть в подкожном слое. Особенно важны протяженные венозные сплетения, которые получают кровь от капилляров кожи (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже).

Кровообращение в коже

Они наиболее выражены в таких областях тела, как кисти рук, стопы и уши, где кровь поступает в венозные сплетения напрямую из мелких артерий через артериовенозные анастомозы, в которых хорошо выражен мышечный слой.

Интенсивность кровотока в венозных сплетениях кожи может чрезвычайно быстро меняться от почти нулевого уровня до уровня, превышающего 30% общего сердечного выброса. Высокая интенсивность кровотока через кожу создает возможность эффективного проведения тепла от глубинных отделов тела к коже. Напротив, снижение интенсивности кровотока через кожу может значительно уменьшить теплопроведение от сердцевины тела.

На рисунке ниже показано количественное влияние температуры окружающего воздуха на проведение тепла от глубинных отделов тела к кожной поверхности и затем — передача тепла воздуху, обнаруживая увеличение проведения тепла почти в 8 раз при максимальном расширении сосудов в противоположность состоянию, когда сосуды максимально спазмированы.

Влияние изменений температуры окружающей среды на теплопроведение от «сердцевины» тела к поверхности кожи

Следовательно, кожа является действенным регулятором — «теплоизлучателем», а кожный кровоток является одним из важных механизмов передачи тепла от «сердцевины» тела к коже.

г) Регуляция теплопроведения к коже с помощью симпатической нервной системы. Теплопроведение к коже, осуществляемое кровью, регулируется посредством степени сужения артериол и артериове-нозных анастомозов, несущих кровь к венозным синусам кожи. Вазоконстрикция регулируется практически полностью симпатической нервной системой в ответ на изменение температуры в глубине тела и изменение температуры окружающей среды. Это будет обсуждаться далее в связи с регуляцией температуры тела гипоталамусом.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?

Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье «Кто согревает теплую одежду». В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.

Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.

В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.

Гомеостаз

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Теплообмен

Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?

Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.

Три вида теплообмена

Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.

1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.

Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек

Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.

2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.

Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену

3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.

Виды конвекции в чайнике и туристе

Роль механизмов регуляции теплообмена

Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.

Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.

Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.

И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.

К таким механизмам относятся:

Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.

Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.

Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.

Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».

Резюме:

Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.

Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.

При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.

Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.

Читайте также: