что такое первичная теплота
Терморегуляция тела
Теплота способна переходить только из области более высокой температуры в область более низкой. Поэтому поток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не прекращается до тех пор, пока температура тела выше, чем температура среды.
Температура тела определяется соотношением скорости метаболической теплопродукции клеточных структур и скорости рассеивания образующейся тепловой энергии в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и средой является неотъемлемым условием существования теплокровных организмов. Нарушение соотношения этих процессов приводит к изменению температуры тела.
Жизнь может протекать в узком диапазоне температур.
Возможность протекания процессов жизнедеятельности ограничена узким диапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основные ферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°с и её увеличение выше 43°с, как правило, смертельно. Особенно чувствительны к изменениям температуры нервные клетки.
Ядро и внешняя оболочка тела
С точки зрения терморегуляции, тело человека можно представить состоящим из двух компонентов: внешней оболочки, и внутреннего, ядра. Ядро – это часть тела, которая имеет постоянную температуру, а оболочка – часть тела, в которой имеется температурный градиент. Через оболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой.
Терморегуляция – это совокупность физиологических процессов, направленных на поддержание относительного постоянства температуры ядра в условиях изменения температуры среды с помощью регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Терморегуляция направлена на предупреждение нарушений теплового баланса организма или на его восстановление, если подобные нарушения уже произошли, и осуществляется нервно-гуморальным путём.
Терморегуляцию можно разделить на два основных вида:
Химическую и физическую терморегуляцию. Они, в свою очередь, также подразделяются на несколько видов:
— Сократительный термогенез
— Несократительный термогенез
-Излучение
-Теплопроведение (кондукция)
-Конвекция
-Испарение
Рассмотрим эти виды терморегуляции подробнее.
Регулирование объёма теплопродукции
Химическая терморегуляция теплообразования – осуществляется за счёт изменения уровня обмена веществ, что приводит к изменению образования тепла в организме. Источником тепла в организме являются экзотермические реакции окисления белков, жиров, углеводов, а также гидролиз АТФ.
При расщеплении питательных веществ часть освобождённой энергии аккумулируется в АТФ, часть рассеивается в виде тепла (первичная теплота – 65–70% энергии). При использовании макроэргических связей молекул АТФ часть энергии идёт на выполнение полезной работы, а часть рассеивается (вторичная теплота). Таким образом, два потока теплоты – первичной и вторичной – являются теплопродукцией.
При необходимости повысить теплопродукцию, помимо возможности получения тепла извне, в организме используются механизмы, увеличивающие производство тепловой энергии.
К таким механизмам относятся сократительный и несократительный термогенез.
Этот вид терморегуляции работает если нам холодно и необходимо поднять температуру тела. Заключается этот метод в сокращении мышц.
При сокращении мышц возрастает гидролиз АТФ, поэтому возрастает поток вторичной теплоты, идущей на согревание тела.
Произвольная активность мышечного аппарата, в основном, возникает под влиянием коры больших полушарий. При этом повышение теплопродукции возможно в 3–5 раз по сравнению с величиной основного обмена.
Обычно при снижении температуры среды и температуры крови первой реакцией является увеличение терморегуляционного тонуса (волосы на теле «встают дыбом», появляются «мурашки»). С точки зрения механики сокращения, данный тонус представляет собой микровибрацию и позволяет увеличить теплопродукцию на 25–40% от исходного уровня. Обычно в создании тонуса принимают участие мышцы головы и шеи.
При более значительном переохлаждении терморегуляционный тонус переходит в мышечную холодовую дрожь. Холодовая дрожь представляет собой непроизвольную ритмическую активность поверхностно расположенных мышц, в результате которой теплопродукция повышается. Считается, что теплопродукция при холодовой дрожи в 2,5 раз выше, чем при произвольной мышечной деятельности.
Описанный механизм работает на рефлекторном уровне, без участия нашего сознания. Но поднять температуру тела можно и при помощи сознательной двигательной активности.
При выполнении физической нагрузки разной мощности теплопродукция возрастает в 5–15 раз по сравнению с уровнем покоя. Температура ядра на протяжении первых 15–30 минут длительной работы довольно быстро повышается до относительно стационарного уровня, а затем сохраняется на этом уровне или продолжает медленно повышаться.
Этот вид терморегуляции может приводить, как повышению, так и к понижению температуры тела.
Он осуществляется путём ускорения или замедления катаболических процессов обмена веществ. А это, в свою очередь, будет приводить к снижению или увеличению теплопродукции. За счёт этого вида термогенеза теплопродукция может вырасти в 3 раза.
Регуляция процессов несократительного термогенеза осуществляется путём активации симпатической нервной системы, продукции гормонов щитовидной и мозгового слоя надпочечников.
Под физической терморегуляцией понимают совокупность физиологических процессов, ведущих к изменению уровня теплоотдачи. Различают несколько механизмов отдачи тепла в окружающую среду.
Неощущаемая перспирация – испарение воды со слизистых дыхательных путей (через дыхание) и воды, просачивающейся через эпителий кожного покрова (Испарение с поверхности кожи. Оно идёт даже в случае, если кожа сухая.).
За сутки через дыхательные пути испаряется до 400 мл воды, т.е. организм теряет до 232 ккал в сутки. При необходимости эта величина может быть увеличена за счёт тепловой одышки.
Через эпидермис в среднем за сутки просачивается около 240 мл воды. Следовательно, этим путём организм теряет до 139 ккал в сутки. Эта величина, как правило, не зависит от процессов регуляции и различных факторов среды.
Ощущаемая перспирация – отдача тепла путём испарения пота. В среднем за сутки при комфортной температуре среды выделяется 400–500 мл пота, следовательно, отдаётся до 300 ккал энергии. Однако при необходимости объём потоотделения может увеличиться до 12 л в сутки, т.е. путём потоотделения можно потерять до 7000 ккал в сутки.
Эффективность испарения во многом зависит от среды: чем выше температура и ниже влажность, тем выше эффективность потоотделения как механизма отдачи тепла. При 100% влажности испарение невозможно.
Система терморегуляции состоит из ряда элементов с взаимосвязанными функциями. Информация о температуре поступает от терморецепторов и при помощи нервной системы попадает в мозг.
Основную роль в терморегуляции играет гипоталамус. Разрушение его центров или нарушение нервных связей ведёт к утрате способности регулировать температуру тела. В переднем гипоталамусе расположены нейроны, управляющие процессами теплоотдачи. При разрушении нейронов переднего гипоталамуса организм плохо переносит высокие температуры, но физиологическая активность в условиях холода сохраняется. Нейроны заднего гипоталамуса управляют процессами теплопродукции. При их повреждении нарушается способность к усилению энергообмена, поэтому организм плохо переносит холод.
Гипоталамус управляет процессами теплопродукции и теплоотдачи, посылая нервные импульсы к железам внутренней секреции, главным образом щитовидной и надпочечникам.
Участие щитовидной железы в терморегуляции обусловлено тем, что влияние пониженной температуры приводит к усиленному выделению её гормонов, ускоряющих обмен веществ и, следовательно, теплообразование.
Роль надпочечников связана с выделением ими в кровь катехоламинов, которые, усиливая или уменьшая окислительные процессы в тканях (например, мышечной), увеличивают или уменьшают теплопродукцию и сужают или увеличивают кожные сосуды, меняя уровень теплоотдачи.
Основа процессов обмена энергии
В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.
С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает:
Принцип устойчивого неравновесия живых систем гласит: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии».
Законы термодинамики
Второй закон термодинамики (Больцман, 1880) гласит: Если любой вид энергии можно трансформировать в эквивалентное количества тепла, то в случае обратного превращения полная трансформация невозможна.
Свободная энергия способна к превращениям и к совершению полезной работы. Связанная энергия составляет ту «непроизводительную» часть, которая не переходит в другие формы и рассеивается в виде тепла, характеризуя меру термодинамической неупорядоченности системы, называемую эктропией.
Коэффициент полезного действия живой клетки определяется: КПД = Внешняя работа / Вырабатываемая энергия * 100%
Вследствие энтропии КПД живых организмов всегда очень низок. При мышечном сокращении, например, 80% энергии теряются в виде теплоты и только 20% превращаются в механическую работу.
Первичная и вторичная теплота организма
Теплоту, выделяемую организмом, условно делят на два типа. Первичная теплота постоянно высвобождается в ходе клеточного метаболизма, Вне зависимости оттого, совершается внешняя работа или нет. Ее количество является показателем интенсивности основного обмена, обеспечивающего функционирование жизненно важных органов.
Вторичная теплота выделяется при совершении организмом любой работы за счет резерва аккумулированной энергии АТФ, образующегося в результате метаболических превращений питательных веществ.
В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в относительном равновесии. Первичная теплота непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если её температура превышает температуру тела. При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).
Нормальная физиология
Витамины.
Витаминами являются пищевые факторы, необходимые в небольших количествах для обеспечения нормальных обменных процессов, структуры, функции и состояния здоровья целостного организма.
Различают жиро- и водорастворимые витамины. К первым относятся витамины А, Д, Е, К, ко вторым – С, В1, 2, 3, 6, 12, Р, РР, фолиевая кислота (Вс) и др.
Основными источниками большинства витаминов являются овощи, фрукты, ягоды и некоторые продукты животного происхождения (молоко, сливочное и растительное масло, печень, мясо, икра, рыба, яйца, почки и др.). Суточная потребность в витаминах неодинаковая и существенно зависит от характера и интенсивности деятельности организма.
где Б – количество поступивших белков (г/сутки);
У – количество поступивших углеводов (г/сутки);
Ж – количество поступивших жиров (г/сутки);
Энергозатраты организма.
Минимальные энергозатраты бодрствующего организма, необходимые для обеспечения его жизненных функций в условиях исключения действия на него факторов, изменяющих термодинамические процессы, называются основным обменом. Основной обмен – это энергетические затраты организма в стандартных условиях, присущие данному человеку:
1) при бодрствовании в состоянии мышечного покоя (лёжа с расслабленными мышцами) без воздействий, вызывающих эмоциональное напряжение;
2) утром через 12-16 часов после приёма пищи (т.е. натощак);
3) в условиях температурного комфорта (18-22 0 С).
Энергия основного обмена – это энергия, обусловленная тоническим напряжением скелетных мышц и работой постоянно функционирующих органов – дыхательных мышц, сердца, печени, почек. Полученные в таких условиях величины основного обмена характеризуют исходный «базальный» уровень энергозатрат организма. Количество энергии, выделяемой организмом, выражают в ккал (1ккал = 4,2кДж). Величина основного обмена равна 1-1,2 ккал/кг•час, что соответствует для человека массой 70 кг 1700-1800 ккал/сутки (7200-7800 кДж/сутки) или 37 ккал/м 2 •час (150 кДж/м•час).
Количество выделяемой организмом энергии зависит от различных факторов: массы тела, роста, поверхности тела, возраста, пола, состояния нервной и эндокринной систем, вида работы, профессии, питания, условий внешней среды (температура, влажность, давление) и др. Например, у женщин основной обмен на 7-10% меньше, чем у мужчин. У людей с развитой мышечной системой он больше, чем у тучных (при одной и той же массе тела). Основной обмен у новорождённых и детей больше, чем у взрослых, а у взрослых больше, чем у пожилых.
Правило поверхности Рубнера гласит о том, что энергозатраты организма прямо пропорциональны поверхности тела.
Поверхность тела можно рассчитать по формуле:
где R – поверхность тела;
К – коэффициент = 12,3;
m – масса тела.
Правило поверхности не абсолютно. Так, если следовать этому правилу, то у слона энергозатраты должны быть больше, чем у мыши. Однако это не так – у мыши энергозатраты выше, чем у слона. Для точного расчёта зависимости энергозатрат от поверхности тела необходимо учитывать массу органов, продуцирующих тепло в организме:
Таким образом, энергозатраты зависят не от абсолютной поверхности тела, а от относительной. Относительность правила поверхности подтверждает также факт, что у людей с одинаковой поверхностью тела бывают разные энергозатраты, что связано не только с теплоотдачей поверхностью тела, но и с теплопродукцией, которая зависит от особенностей обмена веществ у данного человека. У мужчины на 1 м2 поверхности тела в сутки выделяется примерно 948 ккал.
Величину основного обмена можно определить по таблице, методами прямой и непрямой калориметрии, а также рассчитат по формуле Дрейера:
где Н – величина основного обмена;
W – масса тела, г;
К – константа: для мужчин 0,10; для женщин 0,11;
А – возраст, год.
Методы прямой и непрямой калориметрии.
Для определения энергозатрат организма измеряют количество теплоты, отдаваемой им в окружающую среду, двумя основными методами: прямой и непрямой калориметрией.
Для прямой калориметрии используют специальные биокалориметры (первый калориметр был создан в конце XIX века академиком В.В.Пашутиным, более совершенной является модель биокалориметра Этуотера-Бенедикта). Биокалориметр представляет собой герметичную теплоизолированную камеру, в стенах которой вмонтированы трубки с циркулирующей в них водой. По количеству протекающей воды и изменению её температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла. Определение энергозатрат методом прямой калориметрии довольно точное, но эта методика громоздкая и сложная.
Метод непрямой калориметрии основан на исследовании газообмена. Установлено, что между объёмом потребляемого О2 и энергозатратами обычно имеется линейная зависимость. Существуют закрытые и открытые методы непрямой калориметрии. Каждый из этих методов может выполняться с использованием полного и неполного газового анализа.
Закрытые методы проводятся в специальных закрытых респираторных камерах (респираторный аппарат Шатерникова). Наиболее распространённым является метод открытой непрямой калориметрии. Это некамерный метод, во время которого определяется газообмен кратковременно.
Непрямая калориметрия с полным газовым анализом (метод Дугласа-Холдена) производится в четыре этапа.
1. Определение объёма поглощённого кислорода и выделенного СО 2. Вначале производится анализ выдыхаемого воздуха в газоанализаторе. Затем объём поглощённого О2 и выделенного СО2 вычисляется при сравнении выдыхаемого воздуха с атмосферным. На этом же этапе определяется общее количество поглощённого кислорода за единицу времени.
2. Определение дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент равен отношению объёма выделенного СО2 к объёму поглощенного О2. Величина дыхательного коэффициента при окислении углеводов, белков и жиров различна и равна соответственно 1,0; 0,8; 0,7. Например, при использовании организмом глюкозы число молекул образовавшегося СО2 равно числу молекул поглощённого О2:
При использовании смешанной пищи дыхательный коэффициент составляет 0,85. Во время мышечной работы этот коэффициент повышается, приближаясь к единице, так как основным источником энергии при интенсивной мышечной деятельности является окисление углеводов. Сразу после работы дыхательный коэффициент резко увеличивается (выше единицы). Это связано с тем, что во время работы в мышцах накапливается лактат, на окисление которого не хватало кислорода (кислородный долг). Лактат, поступая в кровь, вытесняет СО2 из гидрокарбонатов, присоединяя основание. В результате этого количество выделяемого СО2 увеличивается. А затем лактат уходит из крови (часть окисляется, часть ресинтезируется в гликоген, часть выделяется с мочой и потом), при этом освобождаются основания, которые были отняты у гидрокарбонатов. Эти основания вновь связывают СО 2 и дыхательный коэффициент резко падает до величин меньше исходных (0,65) и только через 40-50 минут нормализуется.
3. Определение калорического эквивалента кислорода. Количество тепла, образующегося в организме при использовании 1 л О2 для окисления тех или иных питательных веществ, называется калорическим эквивалентом кислорода. Каждому дыхательному коэффициенту соответствует свой калорический эквивалент кислорода, т.е. он различен при окислении углеводов, белков и жиров и равен, соответственно, 5,05; 4,8 и 4,7 ккал. Его определение производится по специальным таблицам. В среднем, при использовании смешанной пищи он равен 4,86 ккал.
4. Зная общее количество поглощённого кислорода за единицу времени, можно вычислить энергетические затраты путём умножения этой величины на определённый калорический эквивалент кислорода.
При методе непрямой калориметрии с неполным газовым анализом определяют количество потреблённого организмом кислорода за единицу времени, а затем эту величину умножают на средний калорический эквивалент.
В условиях резкого усиления анаэробного синтеза АТФ метод непрямой калориметрии даёт неточные результаты (не соответствующие методу прямой калориметрии).
У нетренированных людей КПД меньше, чем у тренированных.
Степень энергозатрат определяется коэффициентом физической активности (КФА), который рассчитывается как отношение общих энергозатрат за сутки к величине основного обмена. В зависимости от профессии все люди по этому коэффициенту делятся на 5 групп (таблица14). В старости энергозатраты снижаются, составляя к 80 годам примерно 2000 ккал.
Обмен энергии при умственной работе ниже, чем при физической. Если умственная работа выполняется без дополнительной физической работы, то энергозатраты увеличиваются только на 2-3% по сравнению с состоянием покоя.
Часто умственный труд связан с эмоциональным возбуждением (артисты, ораторы и т.п.). В этих случаях энергозатраты могут быть большими. После эмоционального возбуждения обмен веществ может сохраняться увеличенным в разной степени (10-20%) в течение нескольких дней.
Регуляция обмена энергии осуществляется нервно-гуморальным путём.
Центры нервной регуляции обмена энергии находятся в гипоталамусе и коре больших полушарий. Реализация регуляторных влияний с гипоталамуса осуществляется симпатическими и парасимпатическими волокнами автономной нервной системы. Доказательством регулирующей роли коры служит резкое увеличение потребления кислорода в ответ на действие какого-либо раздражителя, связанного по времени с выполняемой ранее мышечной работой. Например, у рабочих физического труда только приход на работу (действие факторов рабочей обстановки) повышает потребление кислорода и, следовательно, увеличивает энергообмен.
Гуморальная регуляция осуществляется эндокринными железами. Гормоны щитовидной железы (Т3, Т4), а также мозгового слоя надпочечников (адреналин) значительно усиливают обмен энергии.
Особенности первого начала термодинамики в биологических системах. Виды полезной работы организма. Первичное и вторичное тепло.
Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): в изолированной термодинамической системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращение одного вида энергии в другой в эквивалентных соотношениях.
Формулировка первого начала термодинамики для закрытых систем: теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы против внешних сил.
Особенность первого закона термодинамики в биологии: в живой системе работа не может совершаться за счёт притока тепла извне, как в тепловой машине, она совершается за счёт изменения внутренней энергии системы при различного рода биохимических процессах или за счёт энтропийного фактора.
Метод калориметрии позволил установить, что количество энергии, поглощенной организмом за сутки вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте.
Энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии, и никаких специфических источников жизни не существует.
Основными направлениями затраты энергии являются:
2)синтез сложных молекул, в первую очередь – белков (в организме человека каждый час распадается и синтезируется около 100 г белков, белковый состав организма обновляется примерно в течении 3-х суток. На это затрачивается значительная свободная энергия (от 25 000 кДж/ моль до 200 000 кДж/моль для разных белков). Эту энергию можно подсчитать по формуле:
Gсинт = ν Δµ, где ν – число синтезированных молей, Δµ – изменение химического потенциала при синтезе данного белка);
3)поддержание разницы концентраций многих веществ в цитоплазме и в межклеточной среде (во всех клетках концентрация многих веществ внутри клетки Cвнутри заметно отличается от концентрации снаружи Снар. Например, калия в цитоплазме много больше, чем в межклеточной жидкости, натрия наоборот, больше снаружи. Эта разница концентраций необходима для жизнедеятельности клеток. Диффузия ионов и молекул через мембрану стремится выровнять концентрации, поэтому в клетках существуют особые механизмы (насосы), которые переносят вещество через мембрану против разности концентраций. На работу этих насосов тратится заметное количество свободной энергии);
G = Wэлектр = q * U, где q- Заряд перенесенных ионов. q= 
.z.F, где – число молей ионов, перенесенных через мембрану, z – валентность иона, F – число Фарадея, заряд одного моля ионов (F = 96 500 Кл/моль). Отсюда получаем: G = zFU).
Вторичная теплота выделяется при совершении организмом любой работы за счет резерва аккумулированной энергии АТФ, образующегося в результате метаболических превращений питательных веществ.
В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в относительном равновесии. Первичная теплота непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если её температура превышает температуру тела. При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).
В физиологических и медицинских исследованиях для определения количества энергии, выделенной организмом, используют внесистемные единицы — калорию (кал) и килокалорию (ккал). Калория — количество энергии (тепла), необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1 0 С.
Глава 1. Механизмы теплопродукции. 4
Сократительный термогенез. 6
Несократительный термогенез. 8
Глава 2. Механизмы теплоотдачи. 9
ГЛАВА 3. Механизмы регуляции температуры тела. 14
Центр терморегуляции. 15
Эфферентные пути терморегуляции. 17
ГЛАВА 4. Гипертермия и гипотермия. 19
ГЛАВА 5. Особенности терморегуляции у детей и пожилых людей. 21
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 26
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.
Французский физиолог Клод Бернар установил, что живой организм и среда образуют единую систему, так как между ними происходит непрерывный обмен 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 физиологической активности организма.
Глава 1. 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). При использовании энергии, аккумулированной в АГФ, часть энергии идет на выполнение полезной работы, часть рассеивается в виде тепла (вторичная теплота). Таким образом, два потока теплоты — первичной и вторичной — являются теплопродукцией. При высокой температуре среды или соприкосновении человека с горячим телом, часть тепла организм может получать извне (экзогенное тепло).
При необходимости повысить теплопродукцию (например, в условиях низкой температуры среды), помимо возможности получения 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;
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);
г) за счет специфико-динамического действия пищи.