Кожа и терморегуляция
Как кожа удерживает температуру тела — пот и сосуды.
Кожа как терморегулятор
Терморегуляция (от греч. «therme» — «тепло» + лат. «regulare» — «упорядочивать») — это способность организма поддерживать постоянную температуру тела независимо от того, жарко или холодно вокруг. Человек относится к теплокровным существам: температура его внутренней среды удерживается около 37 °C и колеблется лишь в узких пределах. И главный орган, через который тело отдаёт или сберегает тепло, — это кожа. Общее устройство кожи разобрано в обзоре кожи; здесь — о том, как она поддерживает температуру тела.
Зачем нужна постоянная температура? Все химические реакции в клетках — в том числе работа ферментов (белков-ускорителей реакций) — идут правильно лишь в узком диапазоне температур. Слишком холодно — реакции замедляются; слишком горячо — белки разрушаются. Поэтому организм тщательно удерживает «рабочую» температуру, а кожа служит его главным теплообменником с внешним миром.
Как тело теряет и получает тепло
Тепло постоянно образуется внутри тела — прежде всего в работающих мышцах и внутренних органах (печени, сердце). Чтобы не перегреться, лишнее тепло нужно отдавать наружу. Это происходит четырьмя физическими путями, и все они реализуются на поверхности кожи:
- Излучение (радиация) — тело отдаёт тепло в виде инфракрасных лучей окружающим предметам, даже не касаясь их. В покое при комфортной температуре это основной путь потери тепла.
- Проведение (кондукция) — прямая передача тепла предметам, которых касается кожа (например, холодному полу или скамье).
- Конвекция — унос тепла движущимся воздухом или водой. Прохладный ветер охлаждает сильнее неподвижного воздуха именно потому, что уносит нагретый у кожи слой.
- Испарение — при превращении воды (пота) в пар с поверхности кожи уносится много тепла. Это единственный путь, который работает даже тогда, когда вокруг жарче, чем тело, — поэтому в сильную жару потоотделение становится главным способом охлаждения.
В холоде задача обратная — не отдать тепло, а сберечь его. Тогда организм сокращает потери через кожу и включает дополнительную выработку тепла. Всеми этими процессами управляет один центр в мозге.
Центр управления: гипоталамус
Терморегуляцией руководит гипоталамус — небольшой участок в глубине мозга, работающий как «термостат» организма. Он получает информацию о температуре из двух источников:
- Кожные терморецепторы — нервные окончания в коже, которые воспринимают внешний холод и тепло. Именно они первыми сообщают мозгу, что снаружи похолодало или потеплело.
- Центральные рецепторы — расположены в самом гипоталамусе и следят за температурой крови, то есть за температурой ядра тела.
Сравнив поступающие данные с «заданной точкой» (около 37 °C), гипоталамус запускает нужную реакцию: при перегреве — механизмы охлаждения, при переохлаждении — механизмы сбережения и выработки тепла. Команды идут по вегетативной (автономной) нервной системе — той части нервной системы, что управляет органами без участия сознания. Подробнее о ней — в разделе Нервная система.
Механизмы охлаждения (когда жарко)
Когда телу нужно отдать лишнее тепло, кожа включает два главных механизма.
Сосуды дермы расширяются (вазодилатация, от лат. «vas» — «сосуд» + «dilatare» — «расширять»). К коже приливает больше горячей крови из глубины тела, и она отдаёт тепло наружу — излучением и конвекцией. Именно поэтому в жару или при нагрузке кожа краснеет и становится тёплой: это работает система охлаждения.
Эккринные потовые железы выделяют пот на поверхность кожи. Испаряясь, вода уносит тепло — и тело охлаждается. Чем суше и подвижнее воздух, тем эффективнее испарение. Этот механизм особенно важен в сильную жару, когда отдавать тепло излучением уже невозможно.
Именно поэтому в жаркую влажную погоду переносить жару тяжелее: воздух уже насыщен влагой, пот плохо испаряется, и охлаждение работает хуже. А обмахивание веером или ветер помогают, потому что ускоряют испарение и уносят нагретый воздух от кожи.
Механизмы согревания (когда холодно)
Когда телу грозит переохлаждение, кожа и организм включают противоположные механизмы.
Сосуды дермы сужаются (вазоконстрикция, от лат. «vas» — «сосуд» + «constringere» — «сжимать»). К коже поступает меньше крови, и потери тепла с поверхности снижаются — тёплая кровь остаётся в глубине, у жизненно важных органов. Поэтому на холоде кожа бледнеет и становится прохладной, а пальцы рук и ног мёрзнут первыми: организм «жертвует» их теплом ради защиты ядра.
Дрожь — частые непроизвольные сокращения мышц, при которых почти вся их энергия переходит в тепло: так тело активно догревается. А сокращение крошечных мышц у волос поднимает волоски дыбом — возникает «гусиная кожа» (пилоэрекция). У животных с густой шерстью это создаёт тёплую воздушную прослойку, у человека сохранилось как рудимент (утративший смысл остаток).
Дополнительно в согревании участвует гиподерма — подкожный жировой слой: жир плохо проводит тепло и работает как изоляция. Отдельную роль играет бурая жировая ткань, которая не запасает энергию, а сжигает её, выделяя тепло; у младенцев её особенно много. Об этом — в статье Гиподерма.
Пот: состав и объёмы
Пот — рабочая жидкость охлаждения. Его выделяют эккринные потовые железы, разбросанные почти по всей коже (подробно — в статье Кожные железы). Пот на 99% состоит из воды; остальное — соли (в основном хлорид натрия, обычная поваренная соль), немного мочевины и других веществ. Солёный вкус пота — именно от солей.
Объём пота сильно зависит от условий. В покое в прохладе человек почти не потеет, а в жару или при тяжёлой физической работе может выделять до 10–12 литров пота в сутки. При таком потоотделении вместе с водой теряются и соли, поэтому в жару важно восполнять не только воду, но и электролиты (соли).
Что происходит при нарушениях
Терморегуляция может не справляться — при экстремальных условиях, болезнях или сбоях самих механизмов. Это опасные состояния.
Когда тело не успевает отдавать тепло (сильная жара, большая нагрузка, обезвоживание), температура тела растёт. Крайняя форма — тепловой удар: механизмы охлаждения истощаются, потоотделение может прекратиться, температура резко повышается. Это опасное для жизни состояние, требующее немедленной помощи.
Если тело теряет тепло быстрее, чем вырабатывает (холод, ветер, мокрая одежда), температура ядра падает ниже нормы. Появляются сильная дрожь, затем — заторможенность и нарушение работы органов. Тяжёлая гипотермия так же опасна, как и перегрев.
Местное повреждение тканей от холода. При сильном сужении сосудов и низкой температуре участки кожи (пальцы, уши, нос) перестают снабжаться кровью и могут повреждаться вплоть до омертвения. По сути, это цена защиты ядра, доведённая до крайности.
Это не поломка, а осознанная перенастройка «термостата»: при инфекции иммунная система через особые вещества (пирогены) поднимает заданную точку гипоталамуса выше 37 °C. Тело само нагревается (отсюда озноб и дрожь в начале лихорадки), потому что при повышенной температуре иммунитет работает активнее, а микробам хуже.
Связи с другими системами
- Покровная система: терморегуляцию обеспечивают сосуды дермы, потовые железы, мышцы волос и подкожный жир. Подробнее — в разделах Кожа, Дерма, Гиподерма и Кожные железы.
- Нервная система: гипоталамус управляет терморегуляцией через вегетативные нервы. Подробнее — в разделе Нервная система.
- Сердечно-сосудистая система: расширение и сужение сосудов кожи, перераспределение крови — ключевые инструменты теплообмена. Подробнее — в разделе Кровь.
- Опорно-двигательная система: работающие мышцы — главный источник тепла, а дрожь — способ его быстро выработать. Подробнее — в разделе Опорно-двигательная система.
- Обмен веществ и энергия: тепло — побочный продукт обмена веществ; уровень теплопродукции зависит от интенсивности метаболизма. Подробнее — в разделе Обмен веществ и энергия.
Таким образом, кожа — главный теплообменник тела. Через неё организм отдаёт тепло (излучением, проведением, конвекцией и испарением пота) или сберегает его. Управляет всем гипоталамус — «термостат» мозга, который по сигналам кожных и центральных рецепторов включает нужные механизмы: при жаре — расширение сосудов и потоотделение, при холоде — сужение сосудов, дрожь и «гусиную кожу», а также изоляцию подкожным жиром. Когда эти механизмы не справляются, возникают опасные состояния — перегрев, переохлаждение, обморожение; а лихорадка при болезни — это не поломка, а сознательная перенастройка «термостата» ради борьбы с инфекцией.