кунду. Это приблизительно равно мощности потолочной электрической лампочки. Примерно ту же энергию мы ежесекундно теряем в покое, и она же образуется в организме за счет питания; это количество должно быть равно, чтобы обеспечивать энергетический баланс. Каждая дополнительная физическая работа, снижение температуры окружающей среды или усиление воздушного потока повышают потребность в энергии и требуют дополнительной ее продукции.
О принудительной конвекции говорят, например, когда человек подвергается воздействию сильного ветра. В этом случае конвекционная теплоотдача усиливается, потому что, во-первых, разрушается окружающий кожу пограничный слой воздуха. Во-вторых, отвод тепла от поверхности тела ускоряется благодаря ветру. Оба фактора способствуют быстрому охлаждению тела. При этом важную роль в теплоотдаче играют форма и размер корпуса. У маленьких организмов, таких как мыши, большая поверхность тела в отношении объема, а у слонов, наоборот, при большом объеме тела поверхность его невелика. Такие организмы защищены от переохлаждения, но легче перегреваются. У мелких организмов принудительная конвекция может быстро привести к нарушению теплового баланса.
Под теплопередачей понимают прямой транспорт тепла между двумя твердыми веществами, которые находятся в непосредственном физическом контакте. Поток тепла направлен от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой. Теплопередача между двумя предметами зависит от разницы их температур, эффективной площади соприкосновения, свойств материала и удельной теплопроводности. Тепло, передаваемое с кровью к поверхности тела, на границе с кожей выходит наружу путем теплопередачи, а затем за счет конвекции уносится потоком воздуха. Теплопередача играет важную роль во внешнем транспорте тепла только при непосредственном соприкосновении тела с материалами, обладающими высокой теплопроводностью, например с металлами. Незащищенный контакт может в этом случае мгновенно привести либо к обморожению, либо к ожогу – это испытывал практически каждый. Если зимой взяться голой рукой за металлический фонарный столб, можно за считаные секунды отморозить руку, а в иных случаях ладонь может примерзнуть к металлу. То же самое касается ожогов. Мы можем долго держать ладонь в нескольких сантиметрах над горячей плитой, потому что между ладонью и плитой находится теплоизолирующий слой воздуха; но непосредственный контакт с огнем в доли секунды приведет к сильному ожогу.
Таким образом, чем толще пограничный слой воздуха, окружающий тело, тем слабее теплообмен между телом и окружающей средой. Выбирая подходящую одежду, можно зимой увеличивать толщину этого слоя, а летом ее уменьшать. Здесь решающую роль играет количество воздуха, которое может удерживать одежда; поэтому пуховые куртки и одежда из полых полиэстеровых нитей «Дюпон» – такие теплые.
Еще один способ транспорта тепла – излучение. Если конвекция, теплопередача и отделение пота (испарение) представляются весьма наглядными физическими явлениями, то излучение этой наглядности лишено. Отложим книгу и поднесем ладони к щекам на расстояние приблизительно в сантиметр. За несколько минут мы ощутим, что щекам становится теплее. Это происходит оттого, что в воздухе между ладонями и щеками их инфракрасное излучение нагревает находящийся между ними воздух. Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение из спектра невидимых глазом лучей. Змеи и цихлилы относятся к немногим позвоночным животным, которые способны улавливать инфракрасное излучение и успешно пользуются этим на охоте. С точки зрения физики любое вещество, имеющее температуру выше абсолютного нуля (–273,15 °C), представляет собой источник электромагнитного излучения с определенной длиной волны. Длина волны зависит от температуры поверхности и обратно пропорциональна ей; то есть раскаленные, горячие предметы излучают более короткие волны, а холодные – более длинные. Люди и животные – относительно холодные объекты и испускают излучение длинноволнового спектра. Температура поверхности определяет не только длину испускаемых волн, но и скорость, с которой тело отдает энергию излучения. В состоянии покоя, при температуре воздуха 20–25 °C, низкой относительной влажности воздуха и малой скорости ветра от 50 до 60 % продуцируемого в организме тепла отдается в окружающую среду в форме инфракрасного излучения. Остальное тепло отдается телом приблизительно в равных долях за счет теплопередачи, конвекции и испарения пота. Потеря тепла за счет излучения зависит от величины температуры поверхности расположенных рядом предметов и стен относительно температуры поверхности тела. При прохладной температуре воздуха и при низкой температуре окон ширмы или занавески, поверхностная температура которых соответствует средней температуре в помещении, значительно снижают потери тепла организмом за счет излучения. Незащищенное воздействие на тело существенно более холодных предметов ведет к тому, что падает местная температура кожи, активируются ее холодовые рецепторы и происходит сужение кровеносных сосудов. Пораженные холодом участки кожи и подлежащие мышцы продолжают остывать. За этим следуют судорожное напряжение мышц, нарастающее ощущение холода и озноб. Впрочем, предметы с более высокой температурой за счет излучения вызывают ощущение тепла. Этот эффект используют для прогревания уха инфракрасной лампой при среднем отите или для согревания воздуха в доме с помощью инфракрасного излучателя на балконе.
Под испарением в узком смысле понимают физическое испарение телесной жидкости, иначе говоря, пота. При этом организм избавляется от определенного количества тепла, так как для перехода веществ из жидкого в газообразное состояние, то есть в данном случае в водяной пар, требуется энергия; в физике подобные процессы называются эндотермическими. Наряду с активной потерей воды через потовые железы (экзокринные железы) существует и пассивная, «незаметная или неощущаемая» потеря воды через кожу за счет диффузии. Эта потеря тепла происходит, потому что организм постоянно и непрерывно, путем диффузии, теряет воду через кожу и слизистые оболочки дыхательных путей – это не зависит от величины потерь воды через потовые железы. При тяжелой физической работе или при внешнем тепловом воздействии (например, в сауне) испарение становится основным механизмом отвода тепла. Решающим фактором адекватного функционирования этого механизма, помимо достаточного потребления жидкости, становится то, что давление водяного пара, создаваемое потовыми железами, выше, чем в окружающей среде. Чем выше давление пара снаружи (душное помещение, тропики), тем труднее отдавать воду за счет испарения. Если же относительная влажность воздуха низкая (в сухом пустынном климате), то человек может в течение непродолжительного времени переносить чрезвычайно высокую температуру воздуха и поступление тепла извне, так как очень велик градиент давления водяного пара между кожей и окружающей средой.
Для обеспечения испарения воды человек располагает в среднем 2 млн потовых желез, хотя и здесь есть существенные различия: у айнов, автохтонного населения Японии, только 1,5 млн потовых желез, а у женственных белых дам Северной Америки – около 3 млн. Плотность расположения потовых желез на поверхности кожи также значительно варьируется: от 55 на см2 кожи спины до 751 на см2 подмышечной впадины. При нейтральной температуре окружающей среды около 27 °C температура кожи у легко одетого человека составляет 32–33 °C. Если температура повышается до 34° (всего на один градус!), то активируются потовые железы. При длительном пребывании в тропиках, где суточная потеря воды с потом у взрослого человека достигает 7–10 л, необходим дополнительный прием электролитов и таких микроэлементов, как цинк, железо и фосфор, которые теряются с потом. Это еще в большей степени касается бегунов, ультрамарафонцев, о которых мы говорили в предыдущих главах. Если на экстремальные нагрузки накладываются еще и экстремальные условия окружающей среды, как, например, на соревнованиях «Айронмен» на Гавайях или на франкфуртском марафоне 2015 года, то к организму участников предъявляются особенно высокие требования; в частности к таким системам, как автономная нервная система, состоящая из симпатического и парасимпатического отделов, а также контролирующего их гипоталамуса. Именно автономная нервная система отвечает за поддержание водно-солевого баланса, энергетического обмена и терморегуляцию.
Но как все это работает? Где сенсоры этой системы? Что они регулируют и каким образом? Где находятся регуляторные центры организма? Эти важные вопросы мы сейчас проясним, чтобы понять, что происходит в экстремальных условиях. Центр управления температурой тела располагается в гипоталамусе. Эволюционно это очень древний отдел головного мозга, и, кроме того, он входит в состав лимбической системы. В отличие от большого мозга с его когнитивными функциями, гипоталамус – центр автономной нервной системы; он управляет основным эмоциональным состоянием и контролирует такие естественные потребности, как голод, жажду, половое поведение и температуру тела. Задача всей этой системы заключается в том, чтобы поддерживать температуру тела в очень узком диапазоне. Если этот контролирующий центр выйдет из строя, то весь организм окажется в непосредственной смертельной опасности. Он должен надежно обеспечивать поддержание равновесия между реальным поступлением тепла в организм извне и изнутри в результате протекания процессов обмена веществ, с одной стороны, и отдачей тепла вовне – с другой. Только при условии этого равновесия может быть гарантировано постоянство температуры тела и обеспечена полноценная работа других важных систем, например сердечно-сосудистой. Мы редко осознанно ощущаем, как функционируют эти механизмы, так как всю незаметную, но важнейшую работу по контролю деятельности органов берет на себя гипоталамус. Примечательно, что человек, в отличие от других животных, может игнорировать возможности этих контролирующих и страховочных систем терморегуляции, руководствуясь определенными мотивациями, религиозными (паломничество в Саудовскую Аравию) побуждениями или стремлением участвовать в соревнованиях, что порой заканчивается смертью. В животном царстве мы, наоборот, наблюдаем, что организмы доходят до температурных ограничений, а если переступают их на короткое время, то не допускают дальнейших термических нагрузок, чтобы избежать перегревания тела.