Обмен веществ как источник образования тепла

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма.

 С точки зрения обменных процессов выработка тепла является побочным эффектом. Основное значение имеет метаболическое тепло.

По температурным показателям животные разделяются на две группы:

· пойкилотермные (холоднокровные), чья температура меняется вслед за изменениями температуры окружающей среды;

· гомойотермные (теплокровные) животные, способные поддерживать стабильную температуру тела за счет высокого уровня энергообмена и обладающие специальными механизмами теплопродукции и теплоотдачи.

Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры окружающей среды. Это постоянство температуры тела носит название изотермии. Температура тела у большинства теплокровных млекопитающих лежит в диапазоне 36 до 38⁰С, несмотря на различия в размерах тела. В противоположность этому интенсивность метаболизма находится в степенной зависимости от массы тела. Эта зависимость получила название закона зависимости обмена веществ от массы тела. Закон отражает тенденцию к установлению соответствия между теплопродукцией и интенсивностью теплоотдачи в окружающую среду. Потери тепла на единицу массы тела оказываются тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела. Соотношение между поверхностью и объемом тела уменьшается с увеличением размеров тела. Этим можно объяснить большие размеры теплокровных животных на северных широтах и в холодных морях.

В норме температура тела человека составляет около 37⁰С. Предельные отклонения температуры составляет 25-43⁰С. Температура тела одна из важных и жестких констант организма.

Температура тела поддерживается на постоянном уровне благодаря балансу двух процессов: теплопродукции и теплоотдачи.

С точки зрения терморегуляции выделяют  ядро и оболочку тела (рис.3).

Ядро тела — это органы, включая мышцы. В ядре тела происходит основная теплопродукция. Теплорегуляция направлена прежде всего на поддержание постоянства температуры ядра.

Оболочка тела — это кожа, а также слизистая оболочка дыхательных путей. Теплоотдача осуществляется с поверхности оболочки. Температура оболочки подвержена значительным колебаниям.

Тепло и оболочка тела разделены теплоизолятором. Им является подкожная жировая клетчатка.

Теплообразование. Теплообразование в организме имеет двухфазный характер. При окислении белков, жиров и углеводов одна часть энергии используется для синтеза АТФ, другая превращается в теплоту. Теплота, выделяющаяся непосредственно при окислении питательных веществ, получила название первичной теплоты. Обычно на этом этапе большая часть энергии превращается в тепло (первичная теплота), а меньшая используется на синтез АТФ и вновь аккумулируется в ее химических макроэргических связях.

Рис.3. Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (Б) (взят из кн. «Human physiology», Schmid R.F. and Thews G., 1986)

Вся энергия, которая вырабатывается в организме, в конечном счете переходит в теплоту. Это обязательная теплопродукция. Обязательную теплопродукцию уменьшить невозможно. В противном случае это означало бы прекращение или замедление необходимых для организма метаболических процессов. Обязательной теплопродукции хватает для поддержания температуры обнаженного тела на уровне 37⁰С при температуре окружающей среды 25-26⁰С. - Это зона комфорта. Если температура окружающей среды становится ниже зоны комфорта, то включаются механизмы дополнительной теплопродукции, или термогенеза. При этом теплота становится уже не побочным продуктом, а целью активации обменных процессов.

Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования и теплопотери всего организма. Это достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции. Терморегуляция – физиологическая функция, направленная на обеспечение оптимальной для данного вида температуры глубоких областей тела в условиях меняющейся температуры окружающей среды. Терморегуляция проявляется в форме взаимосочетания процессов теплообразования и теплоотдачи, регулируемых нейроэндокринными механизмами. Постоянство температуры тела поддерживается путем совместного действия механизмов, регулирующих интенсивность обмена веществ и зависящее от него теплообразование (химическая регуляция тепла) и механизмов, регулирующих теплоотдачу (физическая регуляция тепла).

Выделяют два вида дополнительной теплопродукции.

1. Сократительный термогенез. Этот вид термогенеза включает выработку теплоты в результате усиления сокращения мышц (произвольное сокращение мышц, дрожь).

2. Несократительный термогенез. или химический термогенез. Данный вид термогенеза представляет собой окисление субстратов без образования АТФ. У человека таким субстратом служат липиды бурой жировой ткани, которая имеется в достаточном количестве только у новорожденных и у людей, которые адаптированы к холоду. В некоторых условиях при адаптации к холоду происходит активация симпатоадреналовой системы и функции щитовидной железы. При этом повышается концентрация адреналина и тироксина в крови, что приводит к разобщению окисления и фосфорилирования в митохондриях и снижению синтеза АТФ, что сопровождается выделением теплоты.

Теплоотдача. Теплоотдача - это процесс выделения тепла из организма. Основное тепло генерируется в скелетных мышцах, печени, сердце и в мозге во время их работы. Затем тепло передаётся к коже, где оно теряется в воздухе и окружающей среде. Скорость теплоотдачи зависит от двух факторов: скорости проведения тепла (в основном с кровотоком) от мест его образования к коже и скорости отдачи тепла кожей в окружающую среду.

Теплоотдача осуществляется следующими путями:

• излучение – рассеивание тепла в окружающем воздухе посредством излучения инфракрасных волн длиной от 760 нм. Таким способом теряется около 60% от всего отдаваемого тепла;
• конвекция – потеря тепла путём переноса движущимися частицами воздуха или воды. Количество тепла, теряемого конвекционным способом, возрастает с увеличением скорости движения воздуха (ветер). Таким способом теряется около 15% от всего отдаваемого тепла;
• проведение – контактная передача тепла (3% отдаваемого тепла) при соприкосновении поверхности тела животного с окружающим предметам. Отдача тепла путем проведения окружающим твердым предметам в обычных условиях мала. Теплоотдача путем проведения тем выше, чем выше теплопроводность окружающей среды. В воде теплопроводность выше. Поэтому теплоотдача путем проведения будет выше в воде, чем в воздухе. Теплоотдача путем проведения снижается при повышении температуры окружающей среды. При температуре тела ниже окружающей среды, теплоотдача превращается в прием тепла.
• испарение необходимый механизм выделения тепла при высоких температурах.Испарение воды с поверхности тела приводит к потере 0,58 ккал тепла на каждый грамм испарившейся воды.

Испарение. Этот способ отдачи тепла обусловлен тем, что при испарении жидкости с поверхности эта поверхность охлаждается. Теплоотдача происходит в момент испарения любой жидкости (пот, вода и другие жидкости). Теплоотдача происходит в момент испарения пота; если пот выделяется, но не испаряется, то теплоотдачи не происходит. Теплоотдача путем испарения тем выше, чем выше температура окружающей среды. Теплоотдача путем испарения тем ниже, чем выше влажность воздуха окружающей среды; при 100% влажности (парная баня) теплоотдачи путем испарения не происходит.

• выделение тепла с выдыхаемым воздухом, мочой, калом и молоком.