Ы по медицине Механизмы теплопродукции и теплоотдачи

метки: Теплообмен, Помещение, Процесс, Температура, Вещество, Теплопродукция, Часть, Кровь

Как бы ни были разнообразны формы проявления жизни, они всегда неразрывно связаны с превращением энергии. Энергетический обмен является особенностью, присущей каждой живой клетке. Бо­гатые энергией питательные вещества усваиваются и химически пре­образуются, а конечные продукты обмена веществ с более низким содержанием энергии выделяются из клетки. Согласно первому за­кону термодинамики, энергия не исчезает и не возникает вновь. Организмы должны получать энергию в доступной для них форме из окружающей среды и возвращать в среду соответствующее количество энергии в форме, менее пригодной для дальнейшего использования.

Около столетия тому назад французский физиолог Клод Бернар установил, что живой организм и среда образуют единую систему, гак как между ними происходитнепрерывныйобмен веществами и энергией. Нормальная жизнедеятельность организма поддержива­ется регуляцией внутренних компонентов, требующей затраты энер­гии. Использование химической энергии в организме называют энер­гетическим обменом: именно он служит показателем общего состо­яния и физиологическойактивностиорганизма.

Обменные (или метаболические) процессы, в ходе которых специфические элементы организма синтезируются из поглощенных пищевых продуктов, называют анаболизмом; соответственнотеме­таболические процессы, в ходе которых структурные элементы ор­ганизма или поглощенные пищевые продукты подвергаются распаду, называют катаболизмом.

Живой организм продуцирует тепло, которое идет на нагревание тела. Удельная тепло­емкость тела человека (количество тепла, необходимое для нагревания ткани на 1°С) равна в среднем 0,83 ккал/кг на 1 градус (для воды — 1 ккал/кг на градус).

Чтобы повысить темпе­ратуру тела человека массой 70 кг на 1°, следует затратить 58,1 ккал (0,83•70).

В среднем человек массой 70 кг в условиях покоя выделяетоколо72 ккал/час. Следовательно, если бы не было второго процесса — теплоотдачи, то ежечасно ткани человека нагревались бы на 1,24° (72:58,1).

Однако такого не происходит, так как в норме в условиях покоя скорость продукции тепла равна скорости ее потери. Это носит название теплового балан­са, в основекотороголежат процессы регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Все вмес­те это называется терморегуляция.

ПОЙКИЛОТЕРМИЯ, ГЕТЕРОТЕРМИЯ, ГОМОЙОТЕРМИЯ

В эволюции системы терморегуляции имеется нижняя ступень, на которой температура тела животного зависит в основном от температуры среды: когда она уменьшается, темпе­ратура телатожепадает и наоборот. Такое состояние температуры тела получило название пойкилотермия, а животные — пойкилотермные. Типичным представителем пойкилотермных является лягушка. Зимой температура тела лягушки прибли­жается к нулю. В этом состоянии она все же способна совершать прыжки в длину, нонеболее 12— 15 см. Летом температура тела ее достигает 20—25°С, а прыгать она может значительно дальше — до 1 м. Обычно в условиях низкойтем­пературыпойкилотермные живот­ные впадают в состояние анабиоза. Существуют микроорганизмы, для которых оптимум температуры среды варьирует от 0°С до минус 60°С, например, микробы, живу­щие в толще льда, или, наоборот, микроорганизмы, выдерживающие температуру среды от +70°С до +120°С,например, микробы горячих источников.

Обмен веществ и энергии

... сопротивляемостью к инфекциям и изменяющимся условиям внешней среды. Для изучения обмена веществ необходимо знать, сколько белков, жиров и углеводов поступило в организм и сколько им ... температуры тела. Основной обмен. Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен, складывается из основного обмена и рабочей прибавки. Если человек находится в состоянии возможного полного мышечного покоя: ...

Механизмы теплопродукции и теплоотдачи.

А – роль органов в теплопродукции

Б – роль органов в теплоотдаче

Ряд животных, например, летучая мышь, грызуны, некоторые виды птиц, к примеру, колибри, относится к группе гетеротермных организмов: при одних условиях они пойкилотермные организмы, при других – гомойотермные.

Млекопитающие относятся к гомойотермным организмам (теплокровным), у которыхимеетместоизотермия, или постоянство температуры организма. Однако изотермия имеет от­носительный характер: температура тка­ней, расположенных не глубже 3 см от поверхности тела (кожа, подкожная клетчатка, поверхностные мышцы), или оболочки, — во многом зависит от внеш­ней температуры, в то время как ядро тела, т. е. ЦНС, внутренниеорганы,ске­летные мышцы, расположенные глубже 3 см, имеют сравнительно постояннуютемпературу,независимо от температу­ры окружающей среды. Таким образом, теплокровные имеютпойкилотермнуюоболочку и гомойотермную «сердцеви­ну», или «ядро».

Органы теплопродукции и управление выработкой тепла.

К – кора, Кж – кожа, ЦГт – центры гипоталамуса, Сдц – сосудодвигательный центр, Пм – продолговатый мозг, См – спинной мозг, Гф – гипофиз, ТГ – тиреотропный гормон, Жвс – железы внутренней секреции, Гм – гормоны, М – мышца, Пч – печень, Птр – пищеварительный тракт, а, б – поток дифферентной импульсации.

У человека средняя температура мозга, крови, внутреннихоргановприближаетсяк37°С.Физиологический предел колебаний этой температуры составляет 1,5°.Изменение температу­ры крови ивнутренних органов у чело­века на 2—2,5°С от среднего уровнясо­провождается нарушениемфизиологи­ческих функций, а температура тела выше 43°С практическинесовместима с жизньючеловека.

ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА,, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Температура ядра (тела) определяется двумя потоками — теплообразованием (тепло­продукцией) итеплоотдачей(тепловыделением).

При термонейтральной, или комфортной зоне (при 27—32°С), существует баланс между теплопродукцией и теплоотдачей. Напри­мер, вусловияхфизиологического покоя в организме продуцируется около 1,18 ккал/минуту (или около 70 ккал в час) и такое же количествотеплаотдается в окружающую среду. При низкой температуре среды, несмотря на механизм защиты, возрастает потеря тепла организмом. В этихусловияхдля сохранения температуры тела организм должен эквива­лентно повысить теплопродукцию. Таким образом,возникаетновый уровень теплового ба­ланса. Например, при температуре воздуха 10°С теплоотдача достигает 120 ккал/час (в услови­ях комфорта — 70ккал/час),поэтому для поддержания температуры тела на постоянном уров­не теплопродукция тоже должна возрастать до120ккал/час.

Влияние на человека опасных вредных факторов производственной среды

Производственная среда , и факторы трудового процесса составляют в совокупности условия работы. На здоровье человека, его жизнеспособность и жизнедеятельность большое влияние имеют опасные и вредные факторы. Опасность — ... энергии. Они делятся на такие подгруппы: механические факторы , которые характеризуются кинетической и потенциальной энергией и механическим влиянием на человека. К ним належат: ...

При высокой температуре окружающей среды, например, при 40°С, отдача тепла значи­тельно уменьшается, например, до40ккал/час (вместо 70 ккал/час в условиях комфортной среды).

Для поддержания постоянства температуры тела теплопродукция тоже должна сни­зиться примерно до 40 ккал/час. Устанавливается новый уровень теплового баланса, кото­рый иобеспечиваетподдержание температуры тела.

Таким образом, ведущим фактором, определяющим уровень теп­лового баланса, является температура окружающей среды.

Учитывая, что продукция тепла меняется в зависимости от вида физической активности человека, а величина теплоотдачивомногом зависит от температуры окружающей среды, необходимы механизмы регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Они осуществляются с участием специализированныхструктурмозга, объединенных в центр терморегуляции. Принцип регулирования заключается в том, что управляющее устройство (центр терморе­гуляции) получает информацию от терморецепторов. На основании этой информации оно вырабатывает такие команды, благодарякоторымдеятельность объектов управления (ра­бочие структуры, определяющие интенсивность теплопродукции и теплоотдачи) изменяет­ся так, что возникает новый уровень теплового баланса, в результате которого температура тела сохраняется на постоянном уровне. Система терморегуляции может работать в режи­ме слежения или по принципу рассогласования — изменилась температура крови, изменя­ется деятельностьобъектовуправления. Однако в системе терморегуляции предусмотрен и более мягкий способ поддержания постоянства температуры тела, который основан на прин­ципе регуляцииповозмущению: улавливается изменение температуры среды, и не дожида­ясь, когда она отразится на температуре крови, в системе возникают команды, меняющие работу объектов управлениятакимобразом, что температура крови сохраняется постоян­ной. Кроме того, система терморегуляции может функционировать и в режиме управления попрогнозированию,т. е. досрочного управления (это условные рефлексы): человек еще только собирается выйти на зимнюю улицу, а у него уже возрастает продукция тепла, необ­ходимого для компенсации теплопотерь, которые произойдут у человека на улице в услови­ях низкой температуры. Во всех случаях для оптимального регулирования интенсивности теплопродукции и теплоотдачи необходима информация о температуре тела (ядра и обо­лочки).

Она передается в ЦНСоттерморецепторов.

ФИЗИОЛОГИЯ ТЕРМОРЕЦЕПТОРОВ

Терморецепторы расположены на различных участках кожи, во внутренних органах (в же­лудке, кишечнике, матке, мочевом пузыре), в дыхательных путях, слизистых, роговице глаза, скелетных мышцах, кровеносных сосудах, в том числе в артериях, аортальной и каротидной зонах, во многих крупных венах, а также в коре больших полушарий, спинном мозге, ретику­лярной формации, среднем мозге, гипоталамусе.

Терморецепторы ЦНС — это, скорее всего, нейроны, которые одновре­менно выполняют роль рецепторов и роль афферентного нейрона.

Наиболее полно изучены терморецепторы кожи. Больше всего терморецепторов на коже головы (лицо) и шеи. В среднем на1мм ² поверхности кожи приходится 1 терморецептор. Кожные терморецепторы делятся на холодовые и тепловые. В свою очередь, холодовые подразделяются на собственно холодовые (специфические), реагирующие только на изме­нение температуры,итактильно-холодовые, или неспецифические, которые одновременно могут отвечать и на изменение температуры, и на давление.

Температура тела, ее измерение, уход за лихорадящими пациентами

... Термометрия терморегуляции Так, при повышении температуры окружающей среды происходят расширение кровеносных сосудов кожи, увеличение ее теплопроводности (конвекции) и теплоизлучения, усиление потоотделения, что приводит к повышению теплоотдачи и уменьшению теплопродукции. ...

Холодовые рецепторы располагаются на глубине 0,17 мм от поверхности кожи. Всего их около 250 тысяч. Реагируют на изменение температуры с коротким латентным перио­дом. При этом частота потенциала действия линейно зависит от температуры в пределах от 41° до 10°С: чем ниже температура, тем выше частота импульсации. Оптимальная чувствительность в диа­пазоне от 15° до 30°С, а по некоторым данным — до 34°С.

Тепловые рецепторы залегают глубже — на расстоянии 0,3 мм от поверхности кожи. Всего их около 30 тысяч. Реагируют на изменение температуры линейно в диапазоне от 20° до 50°С: чем выше температура, тем выше частота генерации потенциала действия. Оптимум чувствительно­сти в пределах 34—43°С.

Среди холодовых и тепловых рецепторов имеются разные по чувствительности популя­ции рецепторов: одни реагируют на изменение температуры, равное 0,1 °С (высокочувствительные рецепторы), другие — на изменение температуры, равное 1°С (рецепторы средней чувствительности), третьи — на изменение в 10°С (высокопороговые, или рецепторы низ­кой чувствительности).

Информация от кожных рецепторов идет в ЦНС по афферентным волокнам группы А-дельта и по волокнам группы С, в ЦНС она доходит с разной скоростью. Вероятнее всего, что им­пульсы от холодовых рецепторов идут по волокнам А-дельта.

Импульсация от кожных рецепторов поступает в спинной мозг, где расположены вто­рые нейроны, дающие начало спиноталамическому пути, который заканчивается в вентробазальныхядрахталамуса, откуда часть информации поступает в сенсомоторную зону коры больших полушарий, а часть — в гипоталамические центры терморегуляции.

Высшие отделы ЦНС (кора и лимбическая система) обеспечивают формирование теплоощущения (тепло, холодно, температурный комфорт, температурный дискомфорт).

Ощущение комфорта строится напотокеимпульсации от терморецепторов оболочки (в основ­ном — кожи).

Поэтому организм можно «обмануть» — если в условиях высокой темпера­туры охлаждать тело прохладной водой, как это бывает при летнем купании в зной, то создается ощущение температурного комфорта.

ЦЕНТРЫ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ

Терморегуляция в основном осуществляется с участием ЦНС, хотя возможны и некото­рые процессы терморегуляциибезЦНС. Так, известно, что кровеносные сосуды кожи мо­гут сами по себе реагировать на холод: за счет термочувствительности гладкомышечных клеток к холоду про­исходит релаксация гладких мышц, поэтому на холоде вначале происходит рефлекторным спазм, что сопровождаетсяболевымощущением, а потом сосуд расширяется за счет прямо­го воздействия холода на гладкомышечные клетки. Таким образом, сочетание двух механизмоврегуляциидает возможность, с одной стороны, сохранить тепло, а с другой — не позволить тканям испы­тывать кислородное голодание.

Центры терморегуляции представляют собой в широком смысле совокупность нейро­нов, участвующих в терморегуляции.Ониобнаружены в различных областях ЦНС, в том числе — в коре больших полушарий, лимбической системе (амигдалярный комплекс, гиппокамп), таламусе, гипоталамусе, среднем, продолговатом и спинном мозге. Каждый отдел мозга выполняет свои задачи. В частности, кора, лимбическая система и таламус обеспечи­вают контроль за деятельностью гипоталамических центров и спинномозговых структур, формируя адекватноеповедениечеловека в различных температурных условиях среды (ра­бочая поза, одежда, произвольная двигательная активность) и ощущения тепла, холода или комфорта. С помощью коры больших полушарий осуществляется заблаговременная (до­срочная) терморегуляция — формируются условные рефлексы. Например, у человека, со­бирающегося выйти на улицузимой,заблаговременно возрастает теплопродукция.

Температура тела. Методы измерения: история развития и современность

... специальной конструкции и опускается только в результате встряхивания. Глава 2. Методы термометрии Термометрия тела - измерение температуры тела. Для термометрии тела чаще всего используют медицинский термометр, который ... жёстко фиксировать его в прямой кишке, двигаться во время измерения температуры тела. Время измерения температуры тела в прямой кишке ртутным термометром: 1-2 минуты. Нормальная ...

В терморегуляции участвуют симпатическая и соматическая нервные системы. Симпа­тическая система регулирует процессы теплопродукции (гликогенолиз, липолиз), процес­сы теплоотдачи (потоотделение, теплоотдачу путем теплоизлучения, теплопроведения и конвекции — за счет изменения тонуса кожных сосудов).

Соматическая система регулиру­ет тоническое напряжение, произвольнуюинепроизвольную фазную активность скелет­ных мышц, т. е. процессы сократительного термогенеза.

Основную роль в терморегуляции играет гипоталамус. В нем различают скопления ней­ронов, регулирующихтеплоотдачу(центр теплоотдачи) и теплопродукцию.

Впервые существование таких центров в гипоталамусе обнаружил К. Бернар. Он произ­водил «тепловой укол» (механически раздражал гипоталамус животного), после чего по­вышалась температура тела.

Животные с разрушенными ядрами преоптической области гипоталамуса плохо пере­носят высокие температуры окружающей среды. Раздражение электрическим током этих структур приводит к расширению сосудов кожи, потоотделению, появлению тепловой одышки. Это скопление ядер (главным образом, паравентрикулярных, супраоптических, супрахиазматических) и получило название «центра теплоотдачи».

При разрушении нейронов задних отделов гипоталамуса животное плохо переносит холод. Электростимуляция этой областивызываетповышение температуры тела, мышеч­ную дрожь, увеличение липолиза, гликогенолиза. Полагают, что эти нейроны, в основном, концентрируются в области вентромедиального и дорсомедиального ядер гипоталамуса. Скопление этих ядер получило название «центра теплопродукции».

Разрушение центров терморегуляции превращает гомойотермный организм в пойкилотермный.

Согласно К. П. Иванову (1983, 1984), в центрах теплопродукции и теплоотдачи имеются сенсорные, интегрирующие иэфферентныенейроны. Сенсорные нейроны воспринимают информацию от терморецепторов, расположенных на периферии, а также непосредственно от крови, омывающей нейроны. К. П. Иванов делит сенсорные нейроны на два вида: 1)вос­принимающиеинформацию от периферических терморецепторов и 2) воспринимающие температуру крови. Информация от сенсорных нейронов поступает на интегрирующие ней­роны, где происходит суммация всей информации о состоянии температуры ядра и оболоч­ки тела, т. е. эти нейроны «вычисляют» среднюю температуру тела. Затем информация по­ступает на командные нейроны, в которых происходит сличение текущего значения сред­ней температуры тела с заданным уровнем. Вопрос о нейронах, которые задают этот уро­вень, остается открытым. Но, вероятно, такие нейроны есть, и они могут быть расположены в коре, лимбическойсистемеили, что более вероятно, в гипоталамусе. Итак, если в результате сличения выявляется отклонение от заданного уров­ня, то возбуждаются эфферентные нейроны: в центре теплоотдачи — это нейроны, регули­рующиепотоотделение,тонус кожных сосудов, объем циркулирующей крови, а в центре теплопродукции — это нейроны, которые регулируют процесс образования тепла. Остает­ся пока не ясным, каждый ли центр (теплоотдачи и теплопродукции) занимается «расчета­ми» и самостоятельно принимает решения,илисуществует еще какой-то отдельный центр, где совершается этот процесс.

Конвекция и теплоотдача

... теплоотдача с поверхности материала конвективным путем резко возрастает. 3. Критериальное уравнение Навье — Стокса В расчетной практике при конвективном обмене тепла ... Свободное движение жидкости (газа) или естественная конвекция, возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных ... передача теплоты через пленку происходит за счет теплопроводности; 2) изменение физических свойств жидкости ...

Центры теплоотдачи., Центры теплопродукции.

а) Одни нейроны при своем возбуждении активируют симпатическую систему, в резуль­тате чего повышается интенсивность процессов, генерирующих энергию (липолиз, гликогенолиз, гликолиз, окислительное фосфорилирование).

В частности, симпатические нервы за счет взаимодействия их медиатора (норадреналина) с бета-адренорецепторами активи­руют процессы гликогенолиза и гликолиза в печени, процессы липолиза в буром жире.

Одновременно, при возбуждении симпатической нервной системы увеличивается сек­реция гормонов мозгового слоя надпочечников — адреналина и норадреналина, которые повышаютпродукциютепла в печени, скелетных мышцах, буром жире, активируя гликогенолиз, гликолиз и липолиз.

б) В гипоталамусе имеются эфферентные нейроны, которые влияют на гипофиз, а через него — на щитовиднуюжелезу:возрастает продукция йодосодержащих гормонов (Т ₃ и Т₄ ), которые, возможно, за счет разобщения процессов окислительного фосфорилирования по­вышают поток первичной теплоты, т. е. под их влиянием уменьшается аккумуляция энер­гии в АТФ, а большая часть энергии рассеивается в виде тепла.

в) В гипоталамическом центре теплопродукции имеется также популяция эфферентных нейронов, возбуждение которых приводит к появлению терморегуляционного тонуса (при этом в скелетных мышцах возрастает тонус, благодаря чему, примерно на 40—60% возра­стает теплообразование)иливозникают фазноподобные сокращения отдельных мышечных волокон, которые получили название «дрожь». Во всех этих случаях команда от эфферент­ных нейронов гипоталамуса передается, в конечном итоге, на альфа-мотонейроны. Центральный дрожательный путь представляет собой эфферентный путь, идущий от гипоталамуса к альфа-мотонейронамчерезпромежуточные образования, в част­ности, через покрышку среднего мозга (тектоспинальный путь) и через красное ядро (руброспинальный тракт).

Детали этого пути до сих порнеясны.

МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ

Источником тепла в организме являются экзотермические реакции окисления белков, жиров, углеводов, а также гидролиза АТФ. При гидролизе питательных веществ часть осво­божденной энергии аккумулируется в АТФ, а часть рассеивается в виде теплоты (первичная теплота).

Прииспользованииэнергии, аккумулированной в АГФ, часть энергии идет на выполнение полезной работы, часть рассеивается в виде тепла (вторичная теплота).

Таким образом, двапотокатеплоты — первичной и вторичной — являются теплопродукцией. При высокой температуре среды или соприкосновении человекасгорячим телом, часть тепла организм может получать извне (экзогенное тепло).

При необходимости повысить теплопродукцию (например, в условиях низкой темпера­туры среды), помимовозможностиполучения тепла извне, в организме существуют меха­низмы, повышающие продукцию тепла.

Классификация механизмов теплопродукции:

1.Сократительный термогенез — продукция тепла в результате сокращения скелетных мышц:

а) произвольная активность локомоторного аппарата;

Нарушение обмена магния, меди, железа

... в железе возрастает при беременности, лактации, росте организма. Первым следствием превышения расхода железа над ... меди в сыворотке крови у женщин составляет 13-24 мкмоль/л, у мужчин - 11-22 мкмоль/л. Нарушения обмена железа ... веществами. Железодефицит (гипосидероз) - один из наиболее распространенных микроэлементозов человека. Гипосидероз может развиться при недостаточном поступлении железа ...

• б) терморегуляционный тонус;
• в) холодовая мышечная дрожь, или непроизвольная ритмическая активность скелет­ных мышц.

2.Несократительный термогенез, или недрожательный термогенез (продукция тепла в результате активации гликолиза, гликогенолиза и липолиза):

• а)в скелетных мышцах (за счет разобщения окислительного фосфорилирования);
• б) в печени;
• в) в буром жире;
• г) за счет специфико-динамического действия пищи.

Сократительный термогенез

При сокращении мышц возрастает гидролиз АТФ, и поэтому возрастает поток вторич­ной теплоты, идущей на согревание тела. Произвольная мышечная активность, в основном, возникает под влиянием коры больших полушарий. Опыт человека показывает, что в усло­виях низкой температуры среды необходимо движение. Поэтому реализуются условнорефлекторные акты, возрастает произвольная двигательная активность. Чем она выше, тем выше теплопродукция. Возможно повышение ее в 3—5 раз по сравнению с величиной ос­новного обмена.Обычнопри снижении температуры среды и температуры крови первой реакцией является увеличение терморегуляционного тонуса. Впервые его выявили в 1937 г. у животных, а в 1952 г. — у человека. С помощью метода электромиографии показано, что при повышении тонуса мышц, вызванного переохлаждением, повышается электрическая активность мышц. С точки зрения механики сокращения, герморегуляционный тонус пред­ставляет собой микровибрацию. В среднем, при его появлении, теплопродукция возрастает на 20—45% от исходного уровня. При более значительном переохлаждении терморегуля­ционный тонус переходитвмышечную холодовую дрожь. Терморегуляционный тонус эко­номнее, чем мышечная дрожь. Обычно в его создании участвуют мышцы головы и шеи.

Дрожь, или холодовая мышечная дрожь, представляет собой непроизвольную ритмиче­скую активностьповерхностнорасположенных мышц, в результате которой теплопродук­ция возрастает по сравнению с исходным уровнем в 2—3 раза. Обычно вначале возникает дрожь в мышцах головы и шеи, затем — туловища и, наконец, конечностей. Считается, чтоэффективностьтеплопродукции при дрожи в 2,5 раза выше, чем при произвольной деятель­ности.

Сигналы от нейронов гипоталамуса идут через «центральный дрожатель­ный путь» (тектум и красное ядро)кальфа-мотонейронам спинного мозга, откуда сигналы идут к соответствующим мышцам, вызывая их активность. Курареподобные вещества (миорелаксанты) за счет блокады Н-холинорецепторов блокируют развитие терморегуляционного тонуса и холодовой дрожи. Это используется для создания искусственной гипотер­мии, а также учитывается при проведении оперативных вмешательств, при которых приме­няются миорелаксанты.

Несократительный термогенез

Он осуществляется путем повышения процессов окисления и снижения эффективности сопряжения окислительного фосфорилирования. Основным местом продукции тепла явля­ются скелетныемышцы,печень, бурый жир. За счет этого вида термогенеза теплопродук­ция может возрасти в 3 раза.

В скелетных мышцах повышение несократителыюго термогенеза связано с уменьшени­ем эффективности окислительного фосфорилирования за счет разобщения окисления и фо­сфорилирования, в печени — в основном, путем активации гликогенолиза и последующего окисления глюкозы. Бурыйжирповышает теплопродукцию за счет липолиза (под влияни­ем симпатических воздействий и адреналина).

Обмен веществ и энергии в клетке

... за счет пищи (животные), либо путем синтеза из неорганических веществ при использовании света (зеленые растения). Совокупность всех процессов биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии. Реакции пластического и энергетического обменов ...

Бурый жир расположен в затылочной облас­ти, между лопатками,всредостении по ходу крупных сосудов, в подмышечных впадинах. В условиях покоя около 10% тепла образуется в буром жире. При охлаждении роль бурого жира резко повышается. При холодовой адаптации (у жителей арктических зон) возрастает масса бурого жира и ее вклад в общую теплопродукцию.

Регуляция процессов несократительного термогенеза осуществляется путем активации симпатической системы и продукции гормонов щитовидной железы (они разобщают окислительное фосфорилирование) и мозгового слоя надпочечников.

МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛООТДАЧИ

Основная масса тепла образует­ся во внутренних органах. Поэтому внутренний поток тепла для удале­ния из организма должен подойти к коже. Перенос тепла от внутренних органов осуществляется за счет теплопроведения (таким способом пе­реносится менее 50% тепла) и кон­векции, т. е. тепломассапереноса. Кровь всилусвоей высокой тепло­емкости является хорошим провод­ником тепла.

Второй поток тепла — это поток, направленный от кожи в среду. Его называют наружным потоком. Рас­сматривая механизмы теплоотдачи, обычно имеют ввиду именноэтотпоток.

Отдача тепла в среду осуществ­ляется с помощью 4 основных меха­низмов:

1)испарения;

2)теплопроведения;

3)теплоизлучения;

4)конвекции.

Механизмы теплоотдачи и управление выделением тепла.

К – кора, Кж – кожа, ЦГт – центры гипоталамуса, Сдц – сосудодвигательный центр, Пм – продолговатый мозг, См – спинной мозг, Гф – гипофиз, ТГ – тиреотропный гормон, Жвс – железы внутренней секреции, Гм – гормоны, Птр – пищеварительный тракт, Кс – кровеносные сосуды, Л – легкие, а, б – поток афферентной импульсации.

Вклад каждого механизма в теплоотдачу определяется состоянием среды и скоро­стью продукции тепла в организме. В условиях температурного комфорта основная масса тепла отдаетсязасчет теплопроведения, теплоизлучения и конвекции и лишь 19—20% — с помощью испарения. При высокой температуре средыдо75—90% тепла отдается за счет испарения.

Теплопроведение, Теплоизлучение, Конвекция.

Во всех перечисленных механизмах большую роль играет кожный кровоток: когда его интенсивность возрастает за счет снижения тонуса гладкомышечных клеток артериол и закрытия артериовенозных шунтов — отдача тепла существенно возрастает. Этому также способствует увели­чение объема циркулирующей крови:чембольше его значение, тем выше возможность переноса тепла в среду. На холоде происходят противоположные процессы — уменьшается кожный кровоток, в том числе за счетпрямогопереброса артериальной крови из артерий в вены, минуя капилляры, уменьшается объем циркулирующейкрови,меняется и поведенческая реакция: человек или жи­вотное инстинктивно занимает позу «калачиком», т. к. в этом случае площадь отдачи тепла уменьшается на 35%, у животных к этому добавляется и реакция — «гусиная кожа» — подъем волос кожи (пилоэрекция), чтоповышаетячеистость накожного покрова и снижает возможность отдачи тепла.

Нарушения обмена микроэлементов

... в обмене веществ и энергии (в том числе окислительном фосфорилировании и свободном окислении), оказывает влияние на воспроизведение, рост и развитие организма. Медь необходима для мобилизации железа из ... счет пищи. В норме концентрация сывороточного железа у мужчин составляет 14-25 мкмоль/л, у женщин - 11-22 мкмоль/л. Нарушения обмена меди Медь - один из основных незаменимых микроэлементов, ...

На долю кистей рук приходится небольшая часть поверхности тела — всего 6%, но их кожей отдается до 60% тепла припомощимеханизма сухой теплоотдачи (теплоизлучение, конвекция).

Испарение.

а)неощущаемая перспирация— это испарение воды со слизистых дыхательных путей и воды, которая просачивается через эпителий кожного покрова (тканевой жидкости).

За сут­ки через дыхательные пути испаряется в норме до 400 мл воды, т. е. отдается 400×0,58ккал=232ккал/сутки. При необходимости эта величина может быть увеличена за счет так назы­ваемой тепловойодышки,которая обусловлена влиянием нейронов центра теплоотдачи на дыхательные нейроны ствола мозга.

В среднем за сутки через эпидермис просачивается около 240 мл воды. Следовательно, за счет этого отдается240•0,58ккал=139ккал/сутки.Эта величина не зависит от процессов регуляции и различных факторов среды.

Оба вида неощущаемой перспирации за сутки позволяют отдать (400 + 240)

• 0,58 = 371 ккал.

б)ощущаемая перспирация (отдача тепла путем испарения пота).

В среднем за сутки при комфортнойтемпературесреды выделяется 400—500 мл пота, следовательно, отдает­ся до 300 ккал. Однако при необходимости объем потоотделения может возрасти до 12 л/сутки, т. е. путемпотоотделенияможно отдать почти 7000 ккал в сутки. За час потовые железы могут продуцировать до 1,5 л, а по некоторым источникам — до3л пота.

Эффективность испарения во многом зависит от среды: чем выше температура и ниже влажность воздуха (насыщенность воздуха водяными парами), тем выше эффективность потоотделения как механизма отдачи тепла. При 100% насыщения воздуха парами воды испарение невозможно.

Потовые железы состоят из концевой части, или тела, и потового протока, который от­крывается наружу потовой порой. По характеру секреции потовые железы делятся на эккриновые (мерокриновые) и апокриновые. Апокриновые железы локализуются, главным образом, в подмышечной впадине, в лобковой области, а также в области половых губ, промежности, околососковом кругемолочнойжелезы. Апокриновые железы секретируют жирное вещество, богатое органическими соединениями. Вопрос об их иннервации диску­тируется — одни утверждают, что она адренергическая симпатическая, другие считают, что она вообще отсутствуетипродукция секрета зависит от гормонов мозгового вещества над­почечников (адреналина и норадреналина).

Видоизмененными апокриновыми железами являются ресничные железы, расположен­ные в веках у ресниц, а также железы, продуцирующие ушную серу в наружном слуховом проходе, и железы носа (преддверные железы).

В испарении, однако, апокриновые железы не участвуют. Эккриновые,илимерокриновые, потовые железы расположены в коже почти всех областей тела. Всего их более 2 млн. (хотя есть люди,укоторых они почти полностью отсутствуют).

Больше всего потовых желез на ладонях и подошвах (свыше 400 на 1 см ² ) и в коже лобка (около 300 на 1см² ).

Скорость потообразования, также как и включение в актив­ность потовых желез, в разных участках тела очень широко варьирует.

По химическому составу пот — это гипотонический раствор: он содержит 0,3% хлористо­го натрия (в крови — почти 0,9%), мочевину, глюкозу, аминокислоты, аммоний, малые коли­чества молочной кислоты. рН пота варьирует от 4,2 до 7, в среднем рН = 6. Удельный вес — 1,001—1,006. Так как пот — это гипотоническая среда, то при обильном потоотделении боль­ше теряется воды, чем солей, и в крови может происходить повышение осмотического давле­ния. Таким образом, обильное потоотделение чревато изменением водно-солевого обмена.

Потовые железы иннервируются симпатическими холинергическими волокнами — в их окончаниях выделяется ацетилхолин,которыйвзаимодействует с М-холинорецепторами, повышая продукцию пота. Преганглионарные нейроны расположены в боковых столбах спин­ного мозга на уровне Th ₂ —L₂ , а постганглионарные нейроны — в симпатическом стволе.

При необходимости повышения теплоотдачи путем потоиспарения происходит актива­ция нейронов коры, лимбической системы и, главным образом, гипоталамуса. От гипоталамических нейронов сигналы идут к нейронам спинного мозга и постепенно вовлекают раз­личные участки кожи в процесс потоотделения: вначале лицо, лоб, шею, потом — тулови­ще и конечности.

Существуют различные способы активного воздействия на процесс потоотделения. На­пример, многиежаропонижающиесредства, или антипиретики: аспирин и другие салицилаты — повышают потообразование и, тем самым, снижают температуру тела (происходит усиленная теплоотдачапутемиспарения).

Потогонным эффектом обладают также соцве­тия липы, ягоды малины, листья мать-и-мачехи.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ

Обмен веществ — это процесс метаболизма веществ, поступивших в организм, в ре­зультате которого из этих веществ могут образовываться более сложные или, наоборот, более простые вещества.

Человеческий организм, как и организмы других представителей животного и расти­тельного мира, — это открытая термодинамическая система. В нее постоянно поступает поток свободной энергии. Одновременно она отдает окружающей среде энергию, в основ­ном,обесцененную(связанную).

Благодаря этим двум потокам энтропия живого организ­ма (степень неупорядоченности, хаоса, деградации) остается на постоянном (минималь­ном) уровне. Когдажепо каким-то причинам поток свободной энергии (негэнтропии) умень­шается (или возрастает образование связанной энергии), то суммарная энтропия организ­ма возрастает, что может привести к его термодинамической смерти.

Согласно термодинамике живых систем, жизнь — это борьба с энтропией, борьба упо­рядоченности системы с деградацией. Согласно известному уравнению Пригожина, мини­мальный прирост энтропии имеет место в том случае, если скорость негэнтропийного по­тока равна скорости энтропийного потока в среду.

Свободная энергия для организма может поступать лишь с пищей. Она аккумулирована в сложных химических связях белков, жиров и углеводов. Для того чтобы освободить эту энергию, питательные вещества вначале подвергаются гидролизу, а потом — окислению в анаэробных или аэробных условиях.

В процессе гидролиза, который осуществляется в желудочно-кишечном тракте, высво­бождается незначительная часть свободной энергии (менее 0,5%).

Она не может быть ис­пользована для нужд биоэнергетики, т. к. не аккумулируется макроэргами типа АТФ. Она превращается лишь в тепловую энергию (первичную теплоту), которая используется орга­низмом для поддерживания температурного гомеостаза.

2-й этап высвобождения энергии — это процесс анаэробного окисления. В частности, таким способом высвобождается около 5% всей свободной энергии из глюкозы при окисле­нии до молочной кислоты. Эта энергия, однако, аккумулируется макроэргом АТФ и ис­пользуется на совершение полезной работы, например, для мышечного сокращения, для работы натрий-калиевого насоса, но, в конечном итоге, она тоже превращается в теплоту, которая называется вторичной теплотой.

3-й этап — основной этап высвобождения энергии — до 94,5% всей энергии, которая способна высвободиться в условиях организма. Осуществляется этот процесс в цикле Кребса: в нем происходит окисление пировиноградной кислоты (продукт окисления глюкозы) и ацетилкоэнзима А (продуктокисленияаминокислот и жирных кислот).

В процессе аэроб­ного окисления свободная энергия высвобождается в результате отрыва водорода и перено­са его электронов и протонов по цепи дыхательных ферментов на кислород. При этом осво­бождение энергии идет не одномоментно, а постепенно, поэтому большую часть этой свободной энергии(примерно52—55%) удается аккумулировать в энергию макроэрга (АТФ).

Остальная часть в результате «несовершенства» биологического окисления теряется в виде первичной теплоты. После использования свободной энергии, запасенной в АТФ, для со­вершения полезнойработыона превращается во вторичную теплоту.

Таким образом, вся свободная энергия, которая высвобождается при окислении пита­тельных веществ, в конечном итоге, превращается в тепловую энергию. Поэтому замер количества тепловой энергии, которую выделяет организм, является методом определения энерготраторганизма.

В результате окисления глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты в организме превраща­ются в углекислый газ и воду.

Энергетический обмен животного организма (валовый обмен) складывается из основного обмена и рабочей прибавки к основному обмену. Исходной величиной уровня обменных процессов является основной обмен. Указанные стандартные условия определения основного обмена характеризуют те факторы, которые могут влиять наинтенсивностьпроцессов обмена веществ у человека. Например, интенсивность обмена веществ подвержена суточным колебаниям, которая возрастает утром и снижается вночноевремя. Интенсивность обмена возрастает также при физической и умственной работе. Существенное влияние на уровень обмена оказывает потребление питательных веществ и их дальнейшее переваривание особенно в том случае, если питательные вещества имеют белковую природу. Это явление называют специфически-динамическим действием пищи. Увеличение интенсивности обмена веществ после принятия белковой пищи может продолжаться в течение 12—18 ч.Инаконец, если температура окружающей среды становится ниже температуры комфорта, то интенсивность процессовобменавозрастает. Сдвиги в сторону охлаждения приводят к большему усилению обмена веществ, чем соответствующие сдвиги всторонуповышения температуры.

Даже при полном и строгом соблюдении стандартных условий величина основного обмена у здоровых людей может варьировать. Эта вариабельность объясняется различиями в возрасте, поле, росте, массе тела. Как правило, в качестве пример­ного значения стандартной (основной) интенсивности обмена ве­ществ принимается величина 4,2 кДж/кг

• ч [1 ккал/(кг
• ч) ]; для человека массой 70 кг соответствующий показатель основного обмена составляет примерно 7100 кДж/сут (1700 ккал/сут).

ПИТАНИЕ

Питание — это процесс усвоения организмом веществ, необходимых для построения и обновления тканей его тела, а такжедляпокрытия энергетических затрат.

В целом эволюция пищевых потребностей животных организмов включала в себя процесс ограничения собственного синтеза ряда соединений с одновременным расширением потребления органических соединений определенныхтипов.Это привело к выделению целой группы веществ, незаменимых для высших животных и человека, т. е. необходимых для обмена веществ, но не синтезируемых самостоятельно.

Использование пищевых средств, состоящих в основном из сложных соединений растительного или животного происхождения, для энергетических или пластическихнуждорганизма возможно только после гидролиза этих средств и превращения в сравнительно простые соединения, лишенные видовой специфичности. Пищевые потребности разных видов животных различны в зависимости от того, какие пищевые вещества организмспособенсинтезировать и какие должны поступать извне. И все же в основном различия в пищевых потребностях обусловлены способами переваривания(гидролиза)пищи. Это связано с тем, что у высших животных организмов промежуточные процессы обмена веществ протекают сходным образом.

В обмене веществ (метаболизм) и энергии различают два процесса: анаболизм и катаболизм. Под анаболизмомпонимаютсовокупность процессов, направленных на построение структур организма главным образом через синтез сложных органических веществ; под катаболизмом—совокупность процессов распада сложных органических соединений и использование образовавшихся при этом сравнительно простых веществ в процессах энергообмена. В основе анаболизма икатаболизмалежат соответственно процессы ассимиляции и диссимиляции, которые в организме взаимосвязаны ивнормальном организме сбалансированы.

В целом потребности животных достаточно однородны: они нуждаются в сходных по структуре питательных веществах для энергообмена; в веществах типа аминокислот,пуринов и некоторые липидов для построения сложных белковых молекул и клеточные структур; в специальных катализаторахобменавеществ и стабилизаторах клеточных мембран; в неорганических ионах и соединениях для физико-химических процессов в организме и, наконец, в универсальном биологическом растворителе — воде — для создания среды клеточного обмена веществ.

В конечном итоге в состав пищи высокоорганизованных организмов входят органические вещества, подавляющая частькоторыхотносится к белкам, липидам и углеводам. Продукты их гидролиза — аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и моносахара — тратятся на энергообеспечение организма. В процессах энергообмена аминокислоты, жирные кислоты и моносахара взаимосвязаны общими путями их превращения. Поэтому как энергоносители пищевые вещества могут взаимозаменяться всоответствиис энергетической ценностью (правило изодинамии).

Энергетическую (калорическую) ценность пищи оценивают по количеству тепловой энергии, высвобождающейся при сгорании 1 г пищевого вещества (физиологическая теплота сгорания), которую выражают традиционно в килокалориях или по СИ — в джоулях (1 ккал = 4,187 кДж).

Расчеты показали, что энергетическая ценность жиров (38,9 кДж/г; 9,3 ккал/г) в два раза выше, чем белков и углеводов (17,2 кДж/г; 4,1 ккал/г).

Белки и углеводы имеют одинаковую энергетическую ценность и могут заменяться 1:1 в весовом соотношении.

Для поддержания стационарного состояния организма общие затраты энергии должны покрываться поступлением пищевых ве­ществ, несущих в своих химических связях эквивалентный запас энергии. Если количества поступающей пищи для покрытия энер­готрат недостаточно, то энерготраты компенсируютсяза счет внут­ренних резервов, главным образом — жира. Если же масса посту­пающей пищипоэнергоносителям превышает расход энергии, то идет процесс запасания жира независимо от состава пищи.

Однако следует всегда помнить, что эти три источника энергии являются и пластическим материалом животного организма. По­этому длительное исключение одного из трех питательных веществ из пищевого рациона и заменаэнергетическиэквивалентным ко­личеством другого вещества недопустимы.

Под рациональным питанием понимают питание, достаточное в количественном и полноценное в качественном отношении.Основарационального питания — сбалансированность, т. е. оптимальное соотношение потребляемой пищи. Сбалансированноепитаниедолжно включать белки, жиры и углеводы в массовой пропорции, примерно 1:1:4. В качественном отношении пища должна быть полноценной, т. е. содержать белки (включающие незаменимые аминокислоты), незаменимые жирные кислоты (так называемый витамин F), витамины, в большинстве входящие в состав катализирующих систем, и большуюгруппувитаминоподобных веществ, неорганических элементов и воду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Жизнь сопряжена с непрерывным расходом энергии, которая необходима для функционирования организма. С точки зрения термодинамики, живые организмы относятся к открытым системам, так как для своего существования они непрерывно обмениваются с внешней средой веществами и энергией. Источником энергии живых организмов служат химическиепревращенияорганических веществ, поступающих из окружающей среды. Превращение этих веществ изсложных в простые и приводит к высвобождению энергии, заключенной в химических связях. Извлечение энергии из химических связей осуществляется главным образом с затратоймолекулярногокислорода (аэробный обмен); окислению в ряде цепей предшествует бескислородное расщепление (анаэробный обмен).

Основным аккумулятором энергии для использования ее в клеточных процессах является аденозинтрифосфат (АТФ).

С помощью энергии АТФ обеспечиваетсявозможностьсинтеза белка, деления клеток, поддержания их осмотического гради­ента, мышечного сокращения и др. Согласно первому закону термодинамики, химическая энергия АТФ, пройдя черезпромежуточныестадии, в конечном итоге превращается в тепловую, которая и теряется организмом. Поэтому интенсивность энергообмена организма является суммой энерготрат на функцию клеточных систем, аккумулированной энергии и потерь ее в виде теплоты.

Жизнь организма зависит от протекания химических реакций с превращением всех видов энергии в тепловую. Скорость химических реакций, а следовательно, и энергообмена зависит от температуры тканей. Теплота как конечное превращение энергии способна переходить из области более высокой тем­пературы в область более низкой. Температуратканей опре­деляется соотношением скорости метаболической теплопродук­ции их клеточных структур и скорости рассеиванияобразующейсятеплоты в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и внешней средой является неотъемлемым условием существования животных организмов. Для под­держания нормальной (оптимальной) температуры тела у животных организмов имеется системарегуляциитеплообмена со средой.

Животные организмы подразделяются на пойкилотермные и гомойотермные. Пойкилотермные (стоящие на болеенизкихступенях филогенетической лестницы) обладают несовершенны­ми, но все же достаточно эффективными механизмами тер­морегуляции. Эти механизмы включают химическую систему температурной компенсации, позволяющую удерживать устой­чивый энергообмен при значительных перепадах температуры тела, терморегуляцию поведением (выбор оптимальной температуры среды) и температурныйгистерезис(способ­ность захватывать теплоту из внешней среды быстрее, чем ее терять).

Гомойотермия — более позднее приобретение эволюции животного мира. К истинно гомойотермным животным относят птицимлекопитающих, так как эти животные способны под­держивать постоянную в пределах 2°С температуру тела мри сравнительно широких колебаниях температурывнешнейсреды.

В основе гомойотермии лежит более высокий, чем у пойкилотермных животных, уровень энергообмена за счет усиления роли тиреоидных гормонов, стимулирующихработуклеточного натриевого насоса. Высокий энергообмен привел к формированию совершенных механизмов регуляции тепловой энергии в организме.

Ряд животных относится к группе гетеротермных организмов: при одних условиях они пойкилотермные организмы, при других – гомойотермные.

Для поддержания постоянной температуры тела го­мойотермные животные обладают химической ифизическойтерморегуляцией. Физическая терморегуляция осуществляется изменением теплопроводности покровных тканей тела(изменениекровотока кожи, пилоэрекция, испарение влаги с поверхности тела или ротовой полости).

Химическая терморегуляция осуществляется путем увеличения теплообразования в организме. Выделяют два основных источника химической терморегуляции (регулируемого теплообразования): сократительный термогенез за счет произвольнойактивностилокомоторного аппарата, терморегуляционного тонуса и дрожи мышц и несократительный термогенез за счет бурой жировой ткани, специфико-динамического действия пищи и др.

Управление теплообменом осуществляется активностью тepморецепторов, информация от которых поступает в центр терморегуляции гипоталамуса, управляющийреакциямихимической и физической терморегуляции.

Длительное пребывание в условиях высокой или низкой температуры окружающей среды приводит к существеннымизменениямсвойств организма, повышающих его устойчивость к действию соответствующих температурных факторов.

Построение и обновление тканей тела, а также покрытие энерготрат организма должны обеспечиваться адекватным питанием. В обмене веществ и энергии различают два процесса: анаболизм и катаболизм. Под анаболизмом понимают совокупность процессов, направленных на построение структур организма главным образом через синтез сложных органических веществ. Катаболизм — это совокупность процессов распада сложных органических веществ сцельювысвобождения энергии. В основе анаболизма и катаболизма лежат соответственно процессы ассимиляции и диссимиляции, которые взаимосвязаныисбалансированы.

Пищевые потребности животных достаточно однородны: необходимые вещества для энергообмена (белки, жиры, углеводы), вещества для построения сложныхбелковыхмолекул и клеточных структур (аминокислоты, пурины, липиды, углеводы), специальные катализаторы обмена (витамины) и стабилизаторы клеточных мембран (антиоксиданты), неорганические ионы и универсальный биологическийрастворитель— вода.

Энергетическую ценность пищи определяют по количеству тепловой энергии, высвобождаемой при сгорании 1г пищевоговещества(физиологическая теплота сгорания).

Под рациональным питанием понимают питание, достаточное в количественном и полноценное в качественном отношении.Основарационального питания — сбалансированность, т. е. оптимальное соотношение потребляемой пищи. Сбалансированноепитаниедолжно включать белки, жиры и углеводы в массовой пропорции, примерно 1:1:4. В качественном отношении пища должна быть полноценной, т. е. содержать белки (включающие незаменимые аминокислоты), незаменимые жирные кислоты (так называемый витамин F), витамины, в большинстве входящие в состав катализирующих систем, и большуюгруппувитаминоподобных веществ, неорганических элементов и воду.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/teploobmen-v-pomeschenii/

1) Мак-Мюрей В. Обмен веществ у человека. М., 1980.

2) Нортон А., Эдхолм О. Человек в условиях холода. М., 1957.

3) Общий курс физиологии человека и животных / под ред А. Д. Ноздрачева. М., 1991. кн. 2.

4) Основы физиологии / под ред. П. Стерки. М., 1984.

5) Слоним А. Д. Эволюция терморегуляции. Л., 1986.

6) Физиология терморегуляции: Руководство по физиологии / под ред. К. П. Иванова. Л., 1984.

7) Физиология человека / под ред. Н.А.Агаджаняна, В.И.Циркина. СПб., 1998.

8) Физиология человека / под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1986. Т. 4.

[149,6 Кб]

Информация о работе