Джерелом тепла в організмі є екзотермічні реакції окислення білків, жирів, вуглеводів, а також гідролізу АТФ. При гідролізі поживних речовин частина звільненої енергії акумулюється в АТФ, а частина розсіюється у вигляді теплоти (первинна теплота). При використанні енергії, акумульованої в АГФ, частина енергії йде на виконання корисної роботи, частина розсіюється у вигляді тепла (вторинна теплота). Таким чином, два потоки теплоти - первинної та вторинної - є теплопродукцией. При високій температурі середовища або зіткненні людини з гарячим тілом, частина тепла організм може отримувати ззовні (екзогенне тепло).
При необхідності підвищити теплопродукцию (наприклад, в умовах низької температури середовища), крім можливості отримання тепла ззовні, в організмі існують механізми, що підвищують продукцію тепла.
Класифікація механізмів теплопродукції:
1.Скоротливий термогенез - продукція тепла в результаті скорочення скелетних м'язів:
а) довільна активність локомо;
б) теплорегуляційні тонус;
в) холодова м'язове тремтіння, або мимовільна ритмічна активність скелетних м'язів.
2.Нескоротливий термогенез (продукція тепла в результаті активації гліколізу, глікогенолізу і ліполізу):
а) у скелетних м'язах (за рахунок роз'єднання окисного фосфорилювання);
б) у печінці;
в) у буром жирі;
г) за рахунок специфіки-динамічної дії їжі.
Скорочувальний термогенез
При скороченні м'язів зростає гідроліз АТФ, і тому зростає потік вторинної теплоти, що йде на зігрівання тіла. Довільна м'язова активність, в основному, виникає під впливом кори великих півкуль. Досвід людини показує, що в умовах низької температури середовища необхідний рух. Тому реалізуються умовнорефлекторні акти, зростає довільна рухова активність. Чим вона вища, тим вище теплопродукція. Можливе підвищення її в 3-5 разів в порівнянні з величиною основного обміну. Зазвичай при зниженні температури середовища і температури крові першою реакцією є збільшення теплорегуляційні тонусу. Вперше його виявили в 1937 р. у тварин, а в 1952 р. - у людини. За допомогою методу електроміографії показано, що при підвищенні тонусу м'язів, викликаного переохолодженням, підвищується електрична активність м'язів. З точки зору механіки скорочення, герморегуляціонний тонус представляє собою мікровібрацію. У середньому, при його появі, теплопродукція зростає на 20-45% від вихідного рівня. При більш значному переохолодженні теплорегуляційні тонус переходить в м'язову холодову тремтіння. Теплорегуляційні тонус економніше, ніж м'язове тремтіння. Зазвичай у його створенні беруть участь м'язи голови і шиї.
Тремтіння, або холодова м'язове тремтіння, являє собою мимовільну ритмічну активність поверхнево розташованих м'язів, в результаті якої теплопродукція зростає в порівнянні з вихідним рівнем в 2-3 рази. Зазвичай спочатку виникає тремтіння в м'язах голови і шиї, потім - тулуба і, нарешті, кінцівок. Вважається, що ефективність теплопродукції при тремтіння в 2,5 рази вище, ніж при довільної діяльності.
Сигнали від нейронів гіпоталамуса йдуть через «центральний дрожательний шлях» (тектум і червоне ядро) до альфа-мотонейронів спинного мозку, звідки сигнали йдуть до відповідних м'язам, викликаючи їх активність. Курареподібних речовини (міорелаксанти) за рахунок блокади Н-холінорецепторів блокують розвиток теплорегуляційні тонусу і холодового тремтіння. Це використовується для створення штучної гіпотермії, а також враховується при проведенні оперативних втручань, при яких застосовуються міорелаксанти.
Нескоротливий термогенез
Він здійснюється шляхом підвищення процесів окислення і зниження ефективності сполучення окисного фосфорилювання. Основним місцем продукції тепла є скелетні м'язи, печінку, бурий жир. За рахунок цього виду термогенеза теплопродукція може зрости в 3 рази.
У скелетних м'язах підвищення несократітелиюго термогенеза пов'язано із зменшенням ефективності окисного фосфорилювання за рахунок роз'єднання окислення і фосфорилювання, в печінці - в основному, шляхом активації глікогенолізу і наступного окислення глюкози. Бурий жир підвищує теплопродукцию за рахунок ліполізу (під впливом симпатичних впливів і адреналіну). Бурий жир розташований в потиличній області, між лопатками, в середостінні по ходу великих судин, у пахвових западинах. В умовах спокою близько 10% тепла утворюється в буром жирі. При охолодженні роль бурого жиру різко підвищується. При холодової адаптації (у жителів арктичних зон) зростає маса бурого жиру та її внесок у загальну теплопродукцию.
Регуляція процесів несократітельного термогенеза здійснюється шляхом активації симпатичної системи та продукції гормонів щитовидної залози (вони роз'єднують окислювальне фосфорилювання) і мозкового шару надниркових залоз.
Розсіювання теплоти
Основна маса тепла утворюється у внутрішніх органах. Тому внутрішній потік тепла для видалення з організму повинен підійти до шкіри. Перенесення тепла від внутрішніх органів здійснюється за рахунок теплопроведения (таким способом переноситься менше 50% тепла) і конвекції, тобто тепломассапереноса. Кров у силу своєї високої теплоємності є хорошим провідником тепла.
Другий потік тепла - це потік, спрямований від шкіри в середу. Його називають зовнішнім потоком. Розглядаючи механізми тепловіддачі, зазвичай мають на увазі саме цей потік.
Віддача тепла в середу здійснюється за допомогою 4 основних механізмів:
1) випаровування;
2) теплопроведения;
3) тепловипромінювання;
4) конвекції.
Теплопроведение - це спосіб віддачі тепла тілу, яке безпосередньо контактує з тілом людини. Чим нижче температура цього тіла, чим вище температурний градієнт, тим вище швидкість втрати тепла за рахунок цього механізму. Зазвичай цей спосіб віддачі тепла обмежений одягом і повітряним прошарком, які є хорошими ізоляторами тепла, а також підшкірним жировим шаром. Чим товщі цей шар, тим менше ймовірність передачі тепла до холодного тіла.
Тепловипромінювання - віддача тепла з ділянок шкіри, не прикритих одягом. Відбувається шляхом довгохвильового інфрачервоного випромінювання, тому такий вид тепловіддачі ще називають радіаційної тепловіддачею. В умовах температурного комфорту за рахунок цього механізму віддається до 60% тепла. Ефективність тепловипромінювання залежить від градієнта температури (чим він вищий, тим більше тепла віддається), від площі, з якою відбувається випромінювання, від кількості об'єктів, що знаходяться в середовищі, які поглинають інфрачервоні промені.
Конвекція. Повітря, дотичний зі шкірою, нагрівається і піднімається, його місце займає «холодна» порція повітря і т. д. Таким способом - за рахунок тепломассапереноса віддається в умовах температурного комфорту до 15% тепла.
У всіх перерахованих механізмах велику роль грає шкірний кровотік: коли його інтенсивність зростає за рахунок зниження тонусу гладком'язових клітин артеріол і закриття артеріовенозних шунтів - віддача тепла істотно зростає. Цьому також сприяє збільшення обсягу циркулюючої крові: чим більше його значення, тим вище можливість перенесення тепла в середу. На холоді відбуваються протилежні процеси - зменшується шкірний кровообіг, у тому числі за рахунок прямого перекидання артеріальної крові з артерій у вени, минаючи капіляри, зменшується обсяг циркулюючої крові, змінюється і поведінкова реакція: людина або тварина інстинктивно займає позу «калачиком», т. до . в цьому випадку площа віддачі тепла зменшується на 35%, у тварин до цього додається і реакція - «гусяча шкіра» - підйом волосся шкіри (пілоерекція), що підвищує пористого накожного покриву і знижує можливість віддачі тепла.
На частку кистей рук припадає невелика частина поверхні тіла - всього 6%, але їх шкірою віддається до 60% тепла за допомогою механізму сухий тепловіддачі (тепловипромінювання, конвекція).
Випаровування. Віддача тепла відбувається за рахунок витрати ресурсів (0,58 ккал на 1 мл води) на випаровування води. Розрізняють два види випаровування, або перспірації: не відчувається і відчувається перспірація.
