УДК 612.225:536.2+611.24

РОЛЬ БИОСИСТЕМЫ ЛЕГКИХ В ТЕПЛООБМЕНЕ ОРГАНИЗМА

© 1999 г. А. А. Стерлягов

Дается описание макромодели автоматического регулятора температуры тела человека. Описаны функции отдельных частей регулятора: генераторов тепла, теплоносителя и охладителей. Впервые предлагается в качестве эффективного охладителя рассматривать легкие, через поверхность которых в результате испарения влаги отводится избыточная теплота.

Поддержание постоянной температуры организма человека осуществляется благодаря действию системы регулирования отдачи теплоты окружающему пространству. Как известно, биохимические (окислительно-восстановительные) процессы протекают с выделением тепла, т.е. носят экзотермический характер. В связи с этим, при изменении скорости протекания этих процессов в организме или в его отдельных частях, будет изменяться и количество выделяемой теплоты.

Характер действия системы регулирования, при этом, будет зависеть от температуры и влажности окружающей среды. Для поддержания постоянной температуры отдельных тканей, в которых выделяется дополнительная энергия, необходимо обеспечить отвод "лишней" теплоты от таких участков. Этот процесс можно назвать регулированием температуры микросистемы или сокращенно - микрорегулированием.

В том случае, если температура тела выше температуры окружающей среды происходит охлаждение тела, как макросистемы, и при этом необходимо восполнить расход энергии, рассеиваемой в окружающее пространство (процесс охлаждения организма) - макрорегулирование температуры.

И наконец, самый сложный и плохо изученный процесс - нагревание тела от окружающей среды, когда температура окружающей среды (воздуха, воды) больше температуры тела. Этот случай также относится к макрорегулированию температуры или точнее к регулированию температуры организма, как макросистемы.

Интересным, с точки зрения поведения системы регулирования, является режим быстроизменяющихся физических нагрузок, когда продукция тканями теплоты носит "взрывной" характер. Как в этом случае, при сравнительно инерционной системе регулирования температуры, происходит выброс избыточной тепловой энергии?

Схематично движение теплового потока можно представить себе следующим образом. Тепловая энергия (теплота) от участков, в которых вырабатывается тепловая энергия (генераторов тепла) посредством теплоносителя рассеивается в окружающее пространство через поверхности - охладители, которые непосредственно с ним соприкасаются. К таким поверхностям относится кожа и слизистая поверхность легких.

Таким образом система терморегуляции состоит из генераторов тепла, теплоносителей, аккумуляторов тепловой энергии, охладителей, неких управляющих элементов и обратных связей. Рассмотрим элементы этой системы в отдельности.

Генератором тепла является любая ткань, в которой протекают экзотермические процессы. Но все же, главным источником теплопродукции, как принято говорить в физиологии, являются мышцы, они поставляют 65-70% теплоты в активном рабочем состоянии. Второй по значимости источник теплопродукции - печень.

В нормальных условиях теплопродукция человека составляет примерно 400 кДж/час, при интенсивных физических нагрузках может возрасти почти в 10 раз. Доля мышечной энергии при этом возрастает до 90% [1].

В задачу теплоносителя входит перенос тепловой энергии от генераторов к охладителям. В любом организме теплоносителем является жидкость. У человека - это кровь, лимфа и другие биологические жидкости с растворенными в ней продуктами жизнедеятельности клеток. Безусловно, наиболее универсальным по эффективности теплоносителем является кровь, так как она, во-первых, имеет большую активную массу, во-вторых, постоянно циркулирует в организме.

В полном объеме кровь проходит через сердце, сосуды и легкие. Последующий анализ показывает, что наиболее эффективным охладителем из них является слизистая поверхность легких.

Рассмотрим процессы, протекающие в тепловых коммуникациях - сосудах. Первый закон термодинамики для движущейся системы (в данном случае крови) имеет вид:

d(U + Mv²/2) = dQ + dA, (2)

где: U - внутренняя энергия системы; M - масса системы; v - скорость движения; dQ - подведенное извне количество теплоты; dA - работа, совершаемая внешними силами [2].

Внешнюю силу в данном случае создает сердце.

Из уравнения (2) следует, что при увеличении подводимой теплоты (к примеру, из мышц), возрастает правая часть уравнения (2), поэтому должна возрастать и левая. При этом увеличение энергии происходит как за счет увеличения внутренней энергии U, так и за счет увеличения кинетической энергии E_к = Mv²/2.

Внутренняя энергия системы включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (ткани): молекул, атомов, ионов, энергию взаимодействия этих частиц, энергию электронных оболочек атомов и ионов, внутриядерную энергию.

Поскольку внутренняя энергия и температура системы, в данном случае крови, взаимозависимы, то внутренняя энергия изменится ненамного, так как температура крови, также как и температура тканей в результате температурного регулирования изменяется незначительно по сравнению с абсолютной температурой.

В большей степени изменится кинетическая энергия Е_к. В свою очередь кинетическая энергия может измениться за счет увеличения массы крови M и скорости ее движения v. Если в качестве объекта регулирования рассматривать отдельный участок ткани с кровеносным сосудом, то увеличение массы крови может быть связано с увеличением ее объема на единице длины сосуда и, следовательно, с увеличением диаметра сосуда.

Если речь идет о макросистеме, то увеличение массы циркулирующей крови также возможно - за счет депонированной крови. Как известно, в спокойном состоянии в кровяных депо находится до 50% крови. Она циркулирует со скоростью в 10-20 раз меньшей, чем кровь, циркулирующая по сосудам малого и большого круга. При увеличении нагрузки депонированная кровь поступает в общий кровоток и увеличивает тепловую емкость системы.

Более эффективно (менее инерционно) повышение кинетической энергии происходит за счет увеличения скорости движения крови. Именно этот процесс и вызывает, в основном, передачу тепловой энергии от генераторов к охладителям.

Важным выводом, который вытекает из данного анализа, является то, что кровоток при повышении нагрузки происходит не только за счет усиления сердечной деятельности (частоты и мощности сокращения сердца), но и за счет повышения кинетической энергии, вызванной, в свою очередь, повышением теплопродукции в результате работы мышц.

Итак, в некоторых клетках определенных тканей вырабатывается тепловая энергия, которая передается крови. Энергия крови при этом возрастает за счет кинетической энергии, скорость и масса крови увеличиваются. Несколько должна возрастать и температура крови, отводимой от тепловыделяющего участка. Как же в дальнейшем происходит "выброс" лишней энергии?

Первый путь. Он связан с уменьшением скорости движения крови при попадании из более крупных сосудов в сеть более мелких - капиллярных. При уменьшении скорости движения уменьшается и кинетическая энергия крови. Избыток энергии выделяется в окружающие ткани и во внешнюю среду.

Второй путь. Он связан с полным циклом тепловыделения и включает в себя все этапы: передачу энергии теплоносителю - крови, последующую передачу энергии охладителю и, наконец, от охладителя в окружающее пространство.

Несмотря на то, что кровь, с запасенной в ней тепловой энергией достаточно быстро циркулирует в организме (известно, что весь объем циркулирующей крови проходит по малому и большому кругу 2,5 - 3 раза за одну минуту), процесс передачи тепловой энергии от генераторов к охладителям посредством крови достаточно инерционен. При импульсных нагрузках необходимо отводить тепло практически мгновенно - за секунды.

Самым быстрым (малоинерционным) процессом тепловыделения является потоотделение. С потом выделяется большое количество воды, а также ряд органических и неорганических веществ. Для простоты будем называть данную смесь жидкостью. Находясь в организме, жидкость (в строгом смысле до поступления в потовые железы она может находиться в связанном состоянии), аккумулирует тепловую энергию. Запасенная в жидкости энергия зависит от ее теплоемкости.

В моменты импульсных нагрузок происходит выброс пота через потовые железы. Таким образом за сравнительно короткий промежуток времени организм освобождается от избыточной энергии, которая пропорциональна теплоемкости жидкости и ее массе. Процесс потоотделения протекает постоянно, составляя одну из форм тепловыделения. Дальнейшее уменьшение тепловой энергии организма происходит при испарении пота с поверхности тела.

Рассмотрим взаимодействие организма с окружающей средой с точки зрения тепловыделения или теплоотдачи. Как известно теплообмен между поверхностью тела и соприкасающейся с ним средой (которая может рассматриваться как теплоноситель, так как в свою очередь также переносит тепло к другим телам) осуществляется конвекцией, теплопроводностью и лучистым теплообменом. Мы не включаем сюда испарение, так как испаряющаяся с поверхности тела жидкость также является теплоносителем, т.е. окружающей средой.

Анализ кажется простым до тех пор, пока температура окружающей среды меньше температуры тела - 36,6 ⁰С. При этом условии, тепловые потоки направлены от тела к среде -градиент температуры положителен, и тепло от тела отводится - теплота уменьшается. Но все выводы становятся абсурдными, когда температура среды (воздуха, воды) больше температуры тела. Градиент температуры становится отрицательным и окружающая среда по всем законам физики (термодинамики) начинает нагревать тело. (Закон термодинамики говорит о том, что теплота передается от горячих тел к более холодным).

Рассмотрим более подробно процесс теплопередачи и сравним между собой два охладителя - кожу и легкие. Теплопередачу от тела человека можно рассматривать как теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их стенку или через поверхность раздела между ними. В качестве такой стенки или поверхности раздела выступают кожа и слизистую поверхность легких (поверхность альвеол).

Теплообмен включает в себя передачу теплоты от теплоносителя (крови) к поверхности раздела (коже, альвеолам), теплопроводность в самой поверхности раздела (коже, альвеолах) и теплоотдачу от поверхности к более холодной подвижной среде.

Отдаваемая теплота при этом равна:

Q_т = ( T₂ - T₁ ) / R_t ( 3 )

где: T₂ - T₁ - тепловой напор, разность температур поверхности и окружающей среды, R_t - полное термическое сопротивление.

Как следует из формулы тепловой поток от тела к среде возможен только при положительной разности температур. Термическое сопротивление зависит от площади охладителя: чем больше площадь, тем меньше сопротивление. С этой точки зрения поверхность легких более эффективна, как охлаждающая поверхность. Площадь поверхности легких примерно в 75 раз больше площади поверхности кожи.

Термическое сопротивление зависит также от скорости потока охлаждающей среды, внешнего теплоносителя. Поскольку в легких происходит принудительная вентиляция, то этот факт также указывает на их меньшее, при прочих равных условиях, термическое сопротивление.

Анализируя вышесказанное, можно придти к следующему выводу. Термическое сопротивление легких меньше термического сопротивления кожи, поэтому легкие могут более эффективно отводить избыточную теплоту в случае теплопроводности и конвекции .

Через легкие проходит вся кровь в процессе циркуляции. Легкие пронизаны сетью мелких сосудов и капилляров, в которых кровь резко тормозится и из нее выделяется переносимая тепловая энергия. Эта отдаваемая кровью энергия передается альвеолам и альвеолярной жидкости, а затем внешнему теплоносителю - воздуху и выбрасывается за пределы организма.

При определенных условиях (высоких температурах, физических нагрузках) главную роль в отводе от организма теплоты играет выброс и испарение жидкости. Как известно, в горячих цехах рабочие теряют за сутки 6-8 литров жидкости.

Испарение - это переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар). Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с увеличением температуры жидкости скорость испарения увеличивается. При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил (работа выхода), а также против внешнего давления уже образовавшегося пара, совершается за счет кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Охлаждается и поверхность, с которой или из которой испаряется жидкость.

Вновь сравним, теперь уже по показателям испарения кожу и легкие. Потовые железы занимают лишь небольшую площадь по сравнению со всей поверхностью кожи. Поэтому, после того, как жидкость (пот) попадает на поверхность кожи, она растекается по поверхности, как любая другая жидкость, охлаждается за счет лучистого теплообмена, когда температура окружающей среды ниже температуры кожи, и испаряется с интенсивностью, зависящей от многих факторов: одежды, температуры воздуха, влажности и прочих.

Существенно ослабевает испарение при повышенной влажности воздуха и совсем исчезает в воде. В воде, а тем более в горячей, в качестве "испарителя" можно рассматривать только легкие.

Еще одним "недостатком" испарения с кожи является высокое термическое сопротивление последней. Кожа - защитный покров человека. Ее назначение не только в чисто механической защите тканей, но и в тепловой защите. Кожа должна демпфировать резкие колебания температуры окружающей среды. Точно также она относится и к испарению. Все процессы, протекающие на коже и вблизи кожи передаются в организм в ослабленном виде.

Необходимо также заметить, что не вся жидкость, попадающая на кожу. испаряется с нее. Часть пота удаляется механическим путем: стекает с тела, впитывается одеждой, растворяется в воде, просто вытирается. Процесс испарения с кожи очень инерционен, особенно при низких температурах окружающей среды.

Поверхность легких по сравнению с кожей обладает следующими особенностями:

• она имеет большую площадь;
• альвеолы проницаемы для молекул воды практически также, как проницаемы для молекул кислорода,
• с внешней стороны поверхность легких покрыта так называемой альвеолярной жидкостью;
• процесс испарения с поверхности легких - внутреннего органа, в меньшей степени зависит от окружающей организм среды; можно также предположить, что парообразование - особое свойство легких, так как пар из легких выбрасывается во внешнюю среду вне зависимости от ее состояния, даже во время сильных морозов.
• Приведенный выше анализ доказывает существование еще одной функции легких ранее не описанной и не учитываемой в системе работы организма в целом. В системе организма легкие необходимо рассматривать не только как генератор кислорода, но и как эффективный охладитель.
• Из литературных источников следует, что в нормальных условиях (при комфортных температурах воздуха и малой нагрузке) большая часть энергии отводится от тела за счет теплопередачи (более 60%) и меньшая часть, около 30%, - за счет потоотделения и испарения. Для области высоких температур или для больших и особенно импульсных нагрузок этих данных не приводится, но вполне очевидно, что здесь картина будет совсем иной. Избыточная энергия в большей степени будет удаляться за счет потоотделения и испарения, причем, не в меньшей, а иногда и в большей степени, будет удаляться через легкие.

Приведем некоторые расчеты, которые подтверждают важную роль процесса испарения в системе терморегуляции для области высоких температур или больших физических нагрузок, а следовательно, указывают на участие легких в этих процессах.

Предположим, что при интенсивной физической работе тепловая энергия вырабатывается, в основном, в мышцах. Поскольку литературные данные по теплопродукции мышц отсутствуют воспользуемся данными по общей теплопродукции организма и данными по теплопродукции в режиме физиологического покоя.

С достаточной степенью точности теплопродукция мышц будет равна разности между общей теплопродукцией и теплопродукцией в режиме покоя, которая составляет около 250 кДж/час. Тогда теплопродукция мышц составит:

• при легкой сидячей работе 150 - 200 кДж/час;
• при средней физической работе 1200 - 1700 кДж/час;
• при тяжелой работе 1800 - 3000 кДж/час.

Указанная выше дополнительная теплота должна быть выведена из организма.

Предположим, что энергия выводится только за счет потоотделения, причем пот удаляется чисто механическим путем, без испарения.

Удельная теплота пота будет равна:

Q_п = C*(T₂ - T₁) (4)

где: С - удельная теплоемкость (воды); (T₂  - T₁) - разность температур.

Расчет показывает, что Q_п примерно равна 1300 кДж/кг (для воды С=4,18 кДж/кг*К). При средней физической нагрузке потоотделение должно составлять примерно 1 кг в час, при тяжелой - более 2 кг, что маловероятно.

Испарение жидкости - более эффективный процесс, т.к. теплота испарения воды составляет Q_исп=539 ккал/кг=2260 кДж/кг (больше удельной теплоты пота в 1,7 раза).

При тяжелой физической нагрузке в сложных условиях для выведения всей избыточной теплоты потребуется испарить 0,8 - 1,3 кг жидкости в час.

В реальных условиях оба процесса протекают одновременно, поэтому, если предположить, что вся жидкость, поступающая на поверхность охладителя, испаряется, то эффективная удельная отводимая теплота будет равна:

Q_эфф = Q_п + Q_исп (5)

Из (5) следует, что для тяжелой физической работы в трудных условиях с учетом приведенных выше цифр масса удаленной из организма жидкости должна составлять 0,7-0,8 кг в час, что согласуется с практическими данными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фомин Н. А. Физиология человека. - М.: Просвещение, 1982.

2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1974.

Комитет науки и технологии администрации Смоленской области

Поступила в редакцию 17.03.99.