Фізіологія людини - Вільям Ф. Ґанонґ 2002

Функції нервової системи
Центральне регулювання вісцеральних функцій
Гіпоталамус - Терморегулювання

Тепло в тілі утворюється внаслідок м’язової діяльності, засвоєння поживних речовин і всіх життєвих процесів, що забезпечують основний обмін (див. Розділ 17). Воно витрачається шляхом випромінювання, провідності та випаровування води з дихальних шляхів і поверхні шкіри. Невеликі кількості тепла втрачають з сечею і калом. Баланс між теплоутворенням і тепловіддачею визначає температуру тіла. Оскільки швидкість хімічних реакцій залежить від температури, і системи ензимів в організмі мають вузькі температурні межі, у яких їхня активність оптимальна, то нормальна життєдіяльність організму визначена порівняно сталою температурою тіла.

Безхребетні переважно не здатні регулювати температуру свого тіла, тому вона залежить від температури довкілля. В хребетних механізми підтримання сталої температури ґрунтуються на регулюванні процесів теплоутворення і тепловіддачі. В рептилій, амфібій і риб механізми терморегулювання порівняно рудиментарні, і ці види називають холоднокровними (пойкілотермними), оскільки температура їхнього тіла коливається в значних межах. У птахів і ссавців, тобто теплокровних (гомойотермних) тварин, комплекс рефлекторних реакцій, що інтегровані переважно в гіпоталамусі, забезпечує підтримання температури тіла у порівняно вузьких межах, незважаючи на значні коливання температури довкілля. Ссавці, що впадають в зимову сплячку, є винятком: після пробудження вони є гомойотермними, а під час зимової сплячки температура їхнього тіла знижується.

Нормальна температура тіла

Температура тіла різних видів гомойотермних тварин відрізняється. Менше різниця температури простежується між окремими суб’єктами всередині виду. В людини традиційно нормальною температурою ротової порожнини вважають 37°С проте вимірювання температури у групи практично здорових дорослих людей засвідчило, що вранці в ротовій порожнині вона становить 36,7° зі стандартним відхиленням 0,2°. Отже, можна припустити, що в 95% усіх молодих людей ранкова температура в ротовій порожнині становить 36,3-37,1°С; середнє значення середнього відхилення ±1,96; (див. Додаток). У різних частинах тіла зафіксовано різні значення температури. Також різною є залежність температури різних частин тіла від температури навколишнього середовища (рис. 14-21): кінцівки звичайно холодніші; температура калитки утримується в межах 32°С; температура в прямій кишці має особливості порівняно з температурою поверхні тіла - вона менше залежить від температури оточення; температура в ротовій порожнині у нормі на 0,5°С нижча, ніж у прямій кишці, проте вона залежить від низки факторів, зокрема вживання гарячих або холодних напоїв, жуйки, куріння чи дихання через рот.

Нормальна температура поверхні тіла підлягає постійним циркадного типу коливанням у межах 0,5-0,7°. В осіб, що сплять вночі і пробуджуються вранці (навіть якщо вони перебувають у лікарні за умов ліжкового режиму), найнижча температура буває о 6 годині, а найвища - о 18 (рис. 14-2); вона є найнижчою під час сну, злегка підвищується в разі спокійного пробудження і максимальна в активному стані. В жінок простежуються додаткові місячні цикли змін температури, тобто вона підвищується в період овуляції (див. Розділ 23 і рис. 23-30). Температура тіла в дітей молодшого віку в нормі може бути на 0,5°С (або близько до цього) вищою від норми дорослої людини.

Під час фізичної праці тепло, що виникає внаслідок м’язових скорочень, акумулюється в тілі, і температура в прямій кишці підвищується до 40°С. Це зростання частково зумовлене слабкістю механізмів тепловиділення в разі різкого збільшення кількості утвореного тепла, проте є підстави вважати, що під час інтенсивної м’язової роботи поряд з посиленням теплоутворення відбувається також активування механізмів тепловіддачі. Температура тіла дещо підвищується і під час емоційного збудження, можливо, внаслідок підсвідомого напруження м’язів. Стійке підвищення температури (приблизно на 0,5°) простежується в разі зростання рівня обміну речовин, зокрема у випадку гіпертиреоїдизму, а зниження - за умов низького рівня обміну речовин, зокрема у випадку гіпотиреоїдизму (рис. 14-23). Окремі практично здорові дорослі люди постійно мають підвищену температуру (конституційна гіпертермія).

Рис. 14-21. Температура різних частин тіла оголеного суб’єкта за умови різних температурних режимів калориметра (відтворено за дозволом з Hardy JD, DuBois EF. Vasal metabolism, radiation, convection and vaporization at temperatures of 22- 35°C. J Nutr 1938;15:477).

Теплоутворення

Теплоутворення й енергетичний баланс розглянуто в Розділі 17.

Значна кількість реакцій основного обміну забезпечує постійне теплоутворення. Споживання їжі підвищує теплоутворення внаслідок специфічної динамічної дії продуктів харчування (див. Розділ 17), проте головним джерелом тепла є скорочення скелетних м’язів (табл. 14-4). Окрім споживання їжі і м’язової діяльності, на інтенсивність теплоутворення впливають ендокринні механізми. Адреналін і норадреналін спричинюють швидке, проте короткочасне посилення теплоутворення. Рівень же збудження в симпатичних нейронах знижується під час голодування і підвищується у разі приймання їжі (див. Розділ 13).

Рис. 14-22. Типова температурна карта госпіталізованого пацієнта без ознак запального процесу. Зверніть увагу на незначне підвищення температури внаслідок збудження і страху в разі потрапляння в клініку, а також на регулярні циркадні температурні цикли.

Значним джерелом тепла, зокрема в немовлят, є бурий жир (див. вище і Розділ 17). Йому властивий високий рівень обміну речовин і його термогенну функцію можна порівняти хіба що з електричною ковдрою.

Тепловіддача

Процеси, завдяки яким відбувається тепловіддача, у випадку нижчої, ніж температура тіла, температури середовища, наведені в табл. 14-4. Теплопровідність - це обмін теплом між об’єктами або речовинами, що мають різну температуру і контактують між собою. Важлива властивість матерії та, що її молекули перебувають у постійному русі, а ступінь цього руху пропорційний до температури. Ці молекули стикаються з молекулами холоднішого об’єкта, передаючи йому термічну енергію. Кількість переданого тепла пропорційна до різниці температур між об’єктами, що контактують (термічний градієнт). Провідності сприяє конвекція - рух молекул від місця контакту. Наприклад, об’єкт, що контактує з повітрям і відрізняється за температурою, змінює питому вагу повітря, а оскільки тепле повітря підіймається, а холодне опускається, то з об’єктом контактують нові порції повітря. Звичайно конвекція значно посилюється, якщо об’єкт рухається в повітрі, пливе в воді, або вентилятор рухає повітря в кімнаті. Випромінювання забезпечує передавання тепла за допомогою інфрачервоних електромагнітних променів від одного об’єкта до іншого, що відрізняються температурою, у випадку, якщо об’єкти не контактують. Якщо особа перебуває в холодному середовищі, то тепловіддача відбувається шляхом конвекції до навколишнього повітря і випромінювання до холоднішого об’єкта, що розміщений поблизу. І навпаки, тепло надходить до особи і вона нагрівається завдяки цим процесам, якщо температура середовища вища, ніж температура тіла. Зазначимо, що завдяки випромінюванню особа може відчувати холод у кімнаті з холодними стінами, навіть якщо повітря там порівняно тепле. У холодний, проте сонячний день тепло сонячних променів відбивається від світлих об’єктів, забезпечуючи значний зігрівальний ефект. Наприклад, теплові промені відбиваються від снігу, що створює умови для катання на лижах у досить легкому одязі, навіть якщо температура повітря нижча від точки замерзання.

Рис. 14-23. Температурні рівні в прямій кишці і ротовій порожнині практично здорових людей (відтворено за дозволом з DuBois EF: Fever and the Regulation of the Body Temperature Thomas, 1948).

Таблиця 14-4. Теплоутворення і тепловіддача тіла людини

Оскільки теплопровідність відбувається між поверхнями об’єктів, то на температуру шкіри значно впливають процеси віддачі й отримання тепла. Кількість тепла, що надходить до шкіри з глибше розміщених тканин, може збільшуватись залежно від рівня припливу крові. У випадку розширення судин шкіри туди надходить тепла кров, тоді як за умов їхнього максимального звуження кров більше затримується всередині тіла. Ступінь надходження тепла до шкіри з глибоких тканин відображає тканинну провідність. Птахи мають шар пір’я безпосередньо біля шкіри, а шкіра більшості ссавців укрита значним волосяним покривом або хутром. Тепло з поверхні шкіри потрапляє в цей захисний шар і щойно звідти - до навколишнього повітря. Товщина цього захисного шару збільшується в разі настовбурчування пір’я або підіймання волосся, тоді тепловіддача (або надходження тепла за умов гарячої пори) зменшується. В людей у холодну погоду так звана гусяча шкіра виникає внаслідок скорочення м’язів-підіймачів волосся, що кріпляться до коренів волосяного покриву. Проте людина доповнює цей захисний шар одним або декількома шарами одягу. Тепло переходить з поверхні тіла до захисного шару, утвореного одягом, а звідти - назовні, до повітря середовища. Теплопровідність одягу, структура його тканини, товщина визначають те, наскільки одяг захищає від холоду чи спеки. Темний одяг абсорбує випромінювання тепла, а одяг світлих тонів відбиває його.

Іншим важливим процесом, що забезпечує тепловіддачу в людини і тварин, є випаровування води, яка виходить з потом через шкіру, а також з поверхні слизових оболонок ротової порожнини і дихальних шляхів. Випаровування 1 г води зумовлює віддачу з організму приблизно 0,6 ккал тепла. Деяка кількість води випаровується постійно. Ця невідчутна втрата води становить у людини до 50 мл/год. З посиленням потовиділення ступінь випаровування залежить від вологості середовища. Відомо, що за умов вологої погоди висока температура середовища більше впливає на організм. Частково це зумовлене зменшенням випаровування поту, проте навіть у випадку, коли випаровування поту відбувається повною мірою, особа, що перебуває в вологому середовищі, більше відчуває вплив тепла, ніж особа в сухому Причина цього невідома, проте, вірогідно, вона стосується факту, що у вологому середовищі піт перед випаровуванням виділяється з більшої площі поверхні шкіри. Під час напруженої м’язової роботи в гарячому середовищі потовиділення досягає рівня 1600 мл/год, і в сухій атмосфері більшість поту випаровується. Тепловіддача шляхом випаровування води коливається від 30 до 900 ккал/год.

Деякі ссавці віддають тепло за допомогою поверхневого частого дихання, завдяки чому збільшується випаровування води з поверхні слизових оболонок ротової порожнини і дихальних шляхів. Оскільки дихання в цьому разі поверхневе, то воно не сприяє повноцінному оновленню складу альвеолярного повітря (див. Розділ 34).

Співвідношення процесів, що забезпечують тепловіддачу (див. табл. 14-4), змінюється залежно від температури зовнішнього середовища. При температурі 21°С у стані відпочинку випаровування незначне; при температурі середовища, що наближається до температури тіла, роль випаровування посилюється, а роль випромінювання послаблюється.

Механізми теплорегулювання

Перелік рефлекторних і напіврефлекторних терморегуляторних реакцій у людини наведено в табл. 14-5. Він охоплює автономні, соматичні, ендокринні і поведінкові механізми. Одна з груп реакцій зумовлює посилення тепловіддачі і послаблення теплоутворення, інша - послаблення тепловіддачі і посилення теплоутворення. Загалом, дія тепла стимулює першу групу реакцій і пригнічує другу, а дія холоду чинить протилежний вплив.

Згортання калачиком - поширена реакція на холод у тварин, вона відповідає положенню, якого набуває людина, лягаючи у холодну постіль. Таке згортання зменшує поверхню контакту тіла з зовнішнім середовищем. Тремтіння становить підсвідому реакцію скелетних м’язів. Холод спричинює також напівсвідоме загальне підвищення рухової активності; прикладом може слугувати тупцювання і пританцьовування в холодну погоду. Підвищення секреції катехоламінів є важливою реакцією на холод. Миші, організм яких не спроможний виробляти норадреналін і адреналін унаслідок нокауту гена дофамін-β-гідроксилази, не переносять холоду. З огляду на недостатню вазоконстрикцію вони не здатні підвищувати рівень термогенезу в бурій жировій тканині за допомогою UCP 1 (див. Розділ 17). За умов холоду в лабораторних тварин посилюється секреція ТСГ, яка послаблюється в умовах тепла. В дорослих людей спричинені холодом зміни секреції ТСГ незначні і мають сумнівне значення. Відомо, що рухова активність знижується в гарячу пору - це реакція, яка характеризується висловом «є надто гаряче, щоб рухатись».

Терморегуляторні пристосувальні реакції є як місцевими, так і більш ґенералізованими. Охолодження шкірних кровоносних судин робить їх чутливішими до катехоламінів, унаслідок чого артеріоли і венули звужуються. Цей локальний ефект на холод спрямовує кров від шкіри. Іншим теплозбережним механізмом, важливим для тварин, що проживають у холодній воді, є передавання тепла з артеріальної крові до венозної в ділянці кінцівок. Глибокі вени (вени-супутниці) розміщені поряд з артеріями, що постачають кров у кінцівки, і тепло передається з гарячої артеріальної крові, яка надходить у кінцівки, до холодної венозної, що йде від кінцівок (обмін протиходу; див. Розділ 38). Таким способом, хоч кінцівки й охолоджуються, однак тепло тіла зберігається.

Рефлекторні реакції, що їх активує холод, регульовані із задніх ділянок гіпоталамуса, а реакції, що їх активує тепло, - переважно з передніх ділянок гіпоталамуса, хоча окремі реакції на тепло зберігаються навіть після децеребрації на рівні переднього краю середнього мозку. Стимулювання передніх ділянок гіпоталамуса спричинює розширення судин шкіри і потовиділення, а руйнування цієї ділянки зумовлює гіпертермію, за якої ректальна температура інколи досягає 43°С. Стимулювання задніх ділянок гіпоталамуса спричинює тремтіння, а температура тіла тварин, у яких ушкоджена ця ділянка, знижується до рівня температури навколишнього середовища.

Правдоподібно, що серотонін у приматів і людини виконує функцію синаптичного трансмітера в центрах, що регулюють механізми, активовані холодом, і що норадреналін відіграє подібну роль у центрах, активованих теплом. Однак є помітні видові особливості температурних реакцій стосовно цих амінів. Деяку роль можуть відігравати також і пептиди, проте детальна характеристика центральних синаптичних контактів апарату терморегулювання ще досі остаточно не з’ясована.

Аферентний вплив

Гіпоталамус виконує інтегроване регулювання температури тіла у відповідь на інформацію, яку він отримує від чутливих рецепторів (головно холодових) шкіри, глибоких тканин, спинного мозку, позагіпоталамічних частин головного мозку і самого гіпоталамуса. Внесок кожної з цих п’яти ділянок впливу становить приблизно 20% від інформації, що її інтегрує гіпоталамус. Для кожної важливої температурної реакції є свій рівень порогу, і коли його досягнуто, реакція розпочинається. Для потовиділення і вазодилятації він становить 37°С, для вазоконстрикції - 36,8, для термогенезу, що не супроводжується тремтінням, - 36, а з тремтінням - 35,5°С. Рівень порогу для виникнення вазодилятації і потовиділення показано на рис. 14-24, де значення, що відображають ці реакції, нанесено на температурну шкалу.

Таблиця 14-5. Терморегуляторні механізми

Рис. 14-24. Кількісні співвідношення між температурою всередині голови людини (внутрішня температура), інтенсивністю кровоплину в шкірі (прямокутники, шкала праворуч) і потовиділенням (кружечки і трикутники, шкала ліворуч). Стрілка спрямована до різкого повороту (поріг), починаючи з якого параметри різко зростають; порогове значення в цього суб’єкта - 36,9°С (відтворено за дозволом з Benzinger TH: Receptor organs and quantitative mechanisms of human temperature control in a warm environment. Fed Proc 1960; 19:32).

Гарячка

Мабуть, з давніх часів гарячка - найвідоміша ознака захворювання. Вона буває не тільки в ссавців, а й у птахів, рептилій, амфібій і риб. У гомойотермних тварин у стані гарячки терморегуляторні механізми такі, ніби вони відрегульовані для підтримання температури тіла на вищому, ніж нормально, рівні, тобто «ніби регулятор термостата встановлений в іншому положенні», і цей новий рівень відповідає температурі понад 37°С. Температурні рецептори і далі інформують, що наявна температура нижча, ніж новий заданий рівень, і механізми, завдяки яким вона підвищується, надалі активуються. Внаслідок цього виникає відчуття холоду, зумовлене звуженням судин, а інколи навіть тремтіння, що переходить в озноб. Характер відповіді залежить від температури оточення. Підвищення температури після ін’єкції пірогену експериментальним тваринам більше зумовлене підсиленням реакції теплоутворення, якщо тварини перебувають у холодному середовищі, і зниженням тепловитрати, якщо тварини є в теплі.

Рис. 14-25. Патогенез гарячки.

Патогенез гарячки схематично зображений на рис. 14-25. Токсини бактерій, такі як ендотоксин, впливають на моноцити, макрофаги і клітини Купфера, змушуючи їх виробляти цитокіни, що діють як ендогенні пірогени (ЕП). Є значна вірогідність, що ІЛ-1 В, IЛ-G, ß-IFN, y-IFN і ФНП- а (див. Розділ 27) можуть самі спричинити гарячку. Ці цитокіни - поліпептиди, і сумнівно, щоб вони проникали в речовину головного мозку. Навпаки, вірогідно, що вони впливають на СОКП, один із навколошлуночкових органів (див. вище і Розділ 32). Це, відповідно, зумовлює активування передзорового поля гіпоталамуса. Цитокіни теж утворені клітинами ЦНС за умов їхнього стимулювання в разі інфекції, і тоді вони можуть діяти безпосередньо на центри терморегулювання.

Гарячка, що виникає під впливом цитокінів, очевидно, зумовлена локальним виділенням у гіпоталамусі простагландинів. Інфекція простагландинів у ділянку гіпоталамуса спричинює гарячку. Крім того, жарознижувальний засіб аспірин впливає безпосередньо на таламус. Відомо також, що аспірин пригнічує синтез простагландинів. Однак досі тривають дебати стосовно ролі простагландинів гіпоталамуса. ПГЕ₂ - один з простагландинів, що спричинюють гарячку. Він діє на чотири субтипи простагландинових рецепторів - ЕР₁, ЕР₂, ЕР₃ І ЕР₄. Нокаут ЕР₃- рецептора послаблює температурну реакцію, що виникає під впливом ПГЕ₂, ІЛ-1 ß і бактеріального ліпополісахариду (ЛПС).

Значення гарячки для організму не з’ясоване. Вона, очевидно позитивна, оскільки розвинулась у процесі еволюції і є реакцією на розвиток інфекції та інші захворювання. Багато мікроорганізмів ліпше розвиваються і розмножуються за умов деякого, порівняно вузького, температурного режиму, і підвищення температури пригнічує їхній ріст. Крім того, синтез антитіл посилюється в умовах підвищення температури тіла. Перед винайденням антибіотиків гарячку штучно спричинювали, намагаючись лікувати нейросифіліс, і ці спроби виявились успішними. Гіпертермія доцільна в разі захворювання на сибірку, пневмококову пневмонію, проказу, грибкові, вірусні інфекції і рикетсіози. Вона також сповільнює ріст окремих злоякісних пухлин. Однак дуже висока температура шкідлива. Якщо температура в прямій кишці підвищується понад 41 °С і зберігається на цьому рівні протягом тривалого часу, то виникають певні незворотні ушкодження в тканинах головного мозку, а якщо вона сягає 43°С, то настає тепловий удар і часто смерть.

У разі злоякісної гіпертермії мутація гена, що кодує рецептор ріанодину (див. Розділ 3), спричинює надмірне вивільнення Са²⁺ під час скорочення м’язів, зумовленого стресом. Це, відповідно, спричинює контрактуру м’язів, підвищення в них рівня метаболізму і теплоутворення. Посилене теплоутворення призводить до сильного підвищення температури тіла, яке без втручання спричинює смерть. Такий стан зумовлюють різні мутації рецепторного гена в людини, а поодинока мутація цього гена в свиней доволі поширена.

Гіпотермія

У ссавців, які впадають у зимову сплячку, температура тіла значно знижується, не спричинюючи ніяких патологічних змін, про що свідчить їхнє наступне пробудження й активність. Ці спостереження спонукали до експериментів з індукованою гіпотермією. Якщо шкіру або кров охолодити до температури, що нижча від температури тіла, то в тварин, які не впадають у сплячку, а також у людини рівень метаболічних і фізіологічних процесів послабиться: сповільниться дихання і серцеві скорочення, знизиться кров’яний тиск аж до непритомності. Зі зниженням температури в прямій кишці до 28°С можливість спонтанного повернення температури до нормального рівня втрачається, проте особа жива, і відігрівання зовнішнім теплом поверне її до нормального стану. Якщо в разі охолодження вжити заходів, що запобігають утворенню в тканинах кристалів льоду, то температура тіла експериментальних тварин може бути знижена нижче від точки замерзання, і після наступного відігрівання не настане ніяких ушкоджень.

Зниження температури тіла в людини до 21-24°С не спричинює стійких патологічних змін, і таку індуковану гіпотермію широко використовують у хірургічній практиці. В пацієнта, який перебуває в стані гіпотермії, протягом порівняно тривалого часу може бути зупинена кровотеча, оскільки потреба тканин в О₂ значно зменшується; кров’яний тиск знижується, а крововтрати стають мінімальними. За умов гіпотермії з’являється можливість зупинити серце, оперувати його, а також виконувати інші маніпуляції, зокрема операції на головному мозку, які неможливі без охолодження.

З іншого боку, випадкова гіпотермія, зумовлена тривалим перебуванням на холодному повітрі або в холодній воді, може мати серйозні наслідки і тому потребує старанного обстеження та негайного відігрівання.