БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

19. ГОМЕОСТАЗ

19.5. Эндотермные животные

19.5.3. Теплоотдача

У эндотермных животных существует четыре механизма теплоотдачи, описанных в разд. 19.3.6, а именно теплопроводность, конвекция, излучение и испарение. Во всех случаях скорость теплоотдачи определяется разностью температур между внутренними областями тела и его поверхностью и между кожей и окружающей средой. Теплоотдача может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от интенсивности теплопродукции и внешней температуры.

Существуют три фактора, ограничивающих теплоотдачу, которые мы и рассмотрим ниже.

Скорость кровотока между внутренними областями тела и кожей

Потеря тепла через кожу путем излучения, конвекции и проведения зависит от количества крови, протекающей через этот орган в единицу времени. При слабом кровотоке температура кожи приближается к температуре окружающей среды, а при сильном — к температуре внутренних областей тела. Кожа эндотермных животных обильно снабжена кровеносными сосудами, и кровь может протекать через нее любым из двух путей: 1) через капиллярные сети в дерме; 2) через артериовенозные (артериоловенулярные) анастомозы в более глубоких ее слоях.

Мышечные стенки артериол могут сокращаться или расслабляться, изменяя диаметр сосудов и скорость кровотока через них. Степень сокращения регулируется симпатическими сосудодвигательными нервами, идущими от вазомоторного центра в продолговатом мозге, а этот центр в свою очередь получает импульсы от терморегуляторного центра, находящегося в гипоталамусе. У человека скорость кровотока в коже (в пересчете на 100 г) варьирует от 1 мл/мин и менее на холоде до 100 мл/мин при высокой температуре среды, благодаря чему теплоотдача может увеличиваться в 5—6 раз. При сужении артериол кровь выталкивается в обладающие малым сопротивлением соединяющие артерии с венами анастомозы, и основная часть крови минует капилляры (рис. 19.12). Это типичная реакция, уменьшающая теплоотдачу. При расширении артериол ток крови в основном направляется в капиллярное русло. В результате кровоток в коже увеличивается и отдача тепла возрастает.

Потоотделение и испарение через кожу

Пот — это водянистая жидкость, содержащая 0,1—0,4% хлорида натрия, лактата (соль молочной кислоты) натрия и мочевины. Он менее концентрированный, чем плазма крови и образуется из тканевой жидкости в результате деятельности потовых желез, регулируемой симпатическими нейронами. В свою очередь потовые железы получают соответствующие сигналы из гипоталамуса. У человека потоотделение начинается всякий раз, когда температура тела поднимается выше среднего нормального уровня, равного 36,7 °С. В условиях умеренного климата человек выделяет ежедневно примерно 900 мл пота, но при очень сильной жаре и достаточном снабжении водой и солями эта величина может возрастило 12 л.

19.2. Скрытая теплота испарения пота равна 2,45 кДж/мл. Рассчитайте какая доля (%) энергии расходуется на потоотделение у шахтера, который выделяет в день 4 л пота и потребляет за тот же период 50 000 кДж энергии.

При испарении пота с поверхности кожи организм теряет энергию в виде скрытой теплоты парообразования, что приводит к снижению температуры тела. При низкой температуре среды, высокой влажности и безветрии скорость испарения уменьшается.

Многие млекопитающие так густо покрыты шерстью, что потоотделение может происходить у них только на голых участках тела, например на подушечках лап у собак и кошек и с поверхности ушей у крыс. Эти животные увеличивают теплоотдачу путем вылизывания шерсти с последующим испарением влаги, а также путем частого поверхностного дыхания («тепловая одышка»), при котором тепло отдает влажная поверхность слизистой рта и носа. У человека, лошади и свиньи пот может выделяться через поверхность тела.

Экспериментально показано, что потоотделение является результатом повышения температуры во внутренних областях тела. В исследованиях, проведенных на людях и животных, установлено, что при снижении, температуры внутри тела после питья ледяной воды или охлаждении сонных артерий ледяными компрессами, приложенными вокруг шеи, пота будет выделяться меньше, даже если кожа будет подвергаться воздействию тепла. Изменение экспериментальных условий на противоположные дает обратный эффект. Поскольку сонные артерии снабжают кровью и гипоталамус, описанные опыты помогли понять его роль в терморегуляции. За изменениями температуры этой области мозга можно довольно точно следить, приложив терморезистор к барабанной перепонке. На рис. 19.13 приведены данные, полученные в эксперименте с обнаженным человеком, находящимся в термостатической камере. Проанализировав эти графики, ответьте на следующие вопросы.

Рис. 19.13. Графики, показывающие зависимость между температурой кожи, температурой гипоталамуса и скоростью испарения пота у человека в термостатической камере (45 °С). В моменты, обозначенные а, б и в, испытуемый пил ледяную воду.

19.3. Почему ледяную воду испытуемому дали только через 20 мин после начала эксперимента?

19.4. Опишите связь между температурой гипоталамуса и скоростью потоотделения.

19.5. Почему вскоре после питья ледяной воды температура кожи повышается?

Теплоизоляция между внутренней областью тела и окружающей средой

Теплоизоляция тела обеспечивается прослойкой неподвижного воздуха, удерживаемого между волосками на коже, и жировыми отложениями в дерме и подкожной клетчатке. Перья, мех и одежда сохраняют пограничный слой воздуха, а поскольку воздух — плохой проводник тепла, он уменьшает теплоотдачу. Степень достигаемой при этом теплоизоляции зависит от толщины воздушной прослойки. При низкой температуре в результате рефлекторного сокращения мышц, поднимающих волосы или перья, слой неподвижного воздуха становится толще. У человека эта реакция еще сохранилась, но так как волос на теле у него очень мало, эффект ограничивается лишь появлением «гусиной кожи». Отсутствие шерсти люди компенсируют теплоизолирующим действием одежды. Для многих млекопитающих, особенно не впадающих на зиму в спячку, характерно сезонное накопление толстого слоя подкожного жира. Этот слой (толщиной иногда до 50 см), называемый ворванью, отлично защищает от холода водных млекопитающих, особенно тех, которые живут в холодных водах (киты, тюлени, моржи, морские львы).