🗊Презентация Биофизические основы терморегуляции. Тепловой баланс организма

Лекция БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ОРГАНИЗМА

План лекции 1. Введение 2. Кибернетические принципы и схемы авторегуляций в биологических системах 3. Терморегуляция и изотермия у человека 4. Тепловой баланс и способы теплообмена

1.ВВЕДЕНИЕ Деятельность всех органов, т.е. термодинамических систем человека и животных, характеризуется определенными показателями, имеющими те или иные диапазоны колебаний. Физиологическая норма находится в рамках этих колебаний.

Основоположником представления о внутренней среде организма и её постоянстве является К. Бернар. Он говорил, что высшие животные как бы “сами себя поместили в теплицу, создав свою стабильную внутреннюю среду, и обеспечив тем самым известную независимость от внешней среды’’. Основоположником представления о внутренней среде организма и её постоянстве является К. Бернар. Он говорил, что высшие животные как бы “сами себя поместили в теплицу, создав свою стабильную внутреннюю среду, и обеспечив тем самым известную независимость от внешней среды’’.

Регулируемое постоянство внутренней среды было названо американским физиологом У. Кенноном гомеостазисом. Регулируемое постоянство внутренней среды было названо американским физиологом У. Кенноном гомеостазисом. Термин характеризует динамическое постоянство в поддержании разнообразных констант организма: температуры тела, состава крови, кровяного давления и т.д.

Основным механизмом поддержания постоянства показателей деятельности разных систем организма является саморегуляция. Основным механизмом поддержания постоянства показателей деятельности разных систем организма является саморегуляция.

2.КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И СХЕМЫ АВТОРЕГУЛЯЦИЙ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Составной частью биофизики сложных систем является биологическая кибернетика

Кибернетика – наука об общих законах процессов организации, управлении и переработки информации в сложных системах. Кибернетический подход, к изучению функционирования органов и организма в целом, позволяет объяснить особенности управления и саморегулирования биологических систем в норме и патологии. Кибернетика – наука об общих законах процессов организации, управлении и переработки информации в сложных системах. Кибернетический подход, к изучению функционирования органов и организма в целом, позволяет объяснить особенности управления и саморегулирования биологических систем в норме и патологии.

Управление ( регуляция) – процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей Всякая регулируемая система содержит Управление ( регуляция) – процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей Всякая регулируемая система содержит Управляющий орган (У.О.)и исполнительный орган (И.О.).

Рис.1. Элементарная схема системы авторегулирования.

Например: Например: головной мозг ( управляющий орган ) посылает команды мышцам (исполнительный орган) по каналам прямой связи, а по каналам обратной связи в головной мозг поступают сведения о выполнении команды ( например, о соответствующем двигательном акте.)

Биологические системы относятся к саморегулируемым системам, т.е. к таким системам, которые обладают способностью поддерживать свое состояние или режим функционирования на определенном заданном уровне при непредвиденных внешних воздействия. Биологические системы относятся к саморегулируемым системам, т.е. к таким системам, которые обладают способностью поддерживать свое состояние или режим функционирования на определенном заданном уровне при непредвиденных внешних воздействия.

. . То есть под саморегулированием подразумевается процесс с помощью которого принудительно поддерживается заранее заданное значение определенного параметра (физического,химического,физиологического)

Восстановление и сохранение этого постоянного уровня данной величины происходит даже тогда, когда какие-либо внешние воздействия пытаются изменить этот заданный уровень.

В теории автоматического регулирования выделяются два основных способа регулирования: регулирование по возмущению и регулирование по отклонению

Система регулирования по возмущению позволяет устранить результаты непредвиденного внешнего воздействия на систему с целью сохранения заданного режима функционирования или сохранения прежнего параметра. Для этого система должна содержать в своей памяти информацию о возможных последствиях данного возмущения (внешнего воздействия). Система регулирования по возмущению позволяет устранить результаты непредвиденного внешнего воздействия на систему с целью сохранения заданного режима функционирования или сохранения прежнего параметра. Для этого система должна содержать в своей памяти информацию о возможных последствиях данного возмущения (внешнего воздействия).

Рис. 2. Система регулирования по возмущению – в управляющий орган системы (УО) поступает информация о воздействии внешних факторов на систему (Х) через анализатор.

Примером регуляции по возмещению - система терморегуляции организма, основанная на сигналах кожных рецепторов реагирующих на изменения температуры окружающего воздуха (датчик- терморецептор; Х – температура пламени свечи, расположенной около руки; исполнительный орган (ИО) – рука ; управляющий орган (УО) – гипоталамус. Примером регуляции по возмещению - система терморегуляции организма, основанная на сигналах кожных рецепторов реагирующих на изменения температуры окружающего воздуха (датчик- терморецептор; Х – температура пламени свечи, расположенной около руки; исполнительный орган (ИО) – рука ; управляющий орган (УО) – гипоталамус.

Другим распространенным видом регулирования – является регулирование по отклонению. Другим распространенным видом регулирования – является регулирование по отклонению. В случае регулирования по отклонению - управляющий орган вырабатывает команды, вызывающие изменения в системе, которые компенсируют последствия отклонений для заданного режима функционирования системы. Рис. 3.

Рис.3 Схема системы авторегулирования по отклонению. Рис.3 Схема системы авторегулирования по отклонению.

Например: Авторегуляция температуры внутренних органов у высших животных .Система регулирования по отклонению – в управляющий орган системы(УО – головной мозг) поступает информация о реакции системы на воздействие (контролируемый параметр – температура органа). Датчик ( основным регулирующим температуру элементом служит кровь) предает по каналу обратной связи (кровеносные сосуды ) сведения о режиме функционирования системы в аппарат сравнения( гипоталамус- этот орган расположен в нижней части мозга рядом с гипофизом и местом разветвления главной артерии, несущей кровь от сердца к мозгу), в котором они сравниваются с заданными параметрами, в случае отклонения от задания (рассогласование - ε ) управляющий орган вырабатывает команды – Y=φ(x) , идущие по каналам прямой связи, устраняющие данное отклонения. Например: Авторегуляция температуры внутренних органов у высших животных .Система регулирования по отклонению – в управляющий орган системы(УО – головной мозг) поступает информация о реакции системы на воздействие (контролируемый параметр – температура органа). Датчик ( основным регулирующим температуру элементом служит кровь) предает по каналу обратной связи (кровеносные сосуды ) сведения о режиме функционирования системы в аппарат сравнения( гипоталамус- этот орган расположен в нижней части мозга рядом с гипофизом и местом разветвления главной артерии, несущей кровь от сердца к мозгу), в котором они сравниваются с заданными параметрами, в случае отклонения от задания (рассогласование - ε ) управляющий орган вырабатывает команды – Y=φ(x) , идущие по каналам прямой связи, устраняющие данное отклонения.

Обратные связи – необходимое условие процессов саморегуляции. Обратная связь передает информацию о результате функционирования системы в управляющий орган. Обратные связи – необходимое условие процессов саморегуляции. Обратная связь передает информацию о результате функционирования системы в управляющий орган. Различают положительные и отрицательные обратные связи.

Положительные обратные связи приводят к выработки команд, ведущих к увеличению отклонения системы от первоначального состояния. Положительные обратные связи приводят к выработки команд, ведущих к увеличению отклонения системы от первоначального состояния.

Например: Например: всасывание желудком продуктов в результате переваривания белков приводит к увеличению сокоотделения ( “аппетит приходит во время еды”); некоторые патологии развиваются с участием положительных обратных связей - ослабление сердечной деятельности может приводить к закупорки кровеносных сосудов, что в свою очередь вызывает еще большее ослабление сердечной деятельности.

3.ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ И ИЗОТЕРМИЯ У ЧЕЛОВЕКА. К наиболее совершенным гомеостатическим механизмам в организме животных и человека относятся процессы терморегуляции.

Поддержание постоянства температуры тела обеспечивается работой авторегуляторного механизма. В организме существует замкнутый контур регулирования, этот контур представляет собой систему с отрицательной обратной связью Поддержание постоянства температуры тела обеспечивается работой авторегуляторного механизма. В организме существует замкнутый контур регулирования, этот контур представляет собой систему с отрицательной обратной связью

Основным регулируемым параметром служит температура внутренних частей, более строго – температура соответствующих нервных клеток гипоталамуса. Здесь расположена чувствительная часть управляющего органа, представляющая собой два центра, которые контролируют постоянство температуры каждого органа и всего организма в целом. Один центр реагирует на повышение температуры крови, циркулирующей вокруг его нервных клеток, другой – на понижение температуры. Объектом регулирования в данной системе можно считать внутренние части тела. Основным регулируемым параметром служит температура внутренних частей, более строго – температура соответствующих нервных клеток гипоталамуса. Здесь расположена чувствительная часть управляющего органа, представляющая собой два центра, которые контролируют постоянство температуры каждого органа и всего организма в целом. Один центр реагирует на повышение температуры крови, циркулирующей вокруг его нервных клеток, другой – на понижение температуры. Объектом регулирования в данной системе можно считать внутренние части тела.

На внешнюю поверхность тела действуют факторы возмущения в виде перегрева или переохлаждения. Терморецепторы кожи воспринимают эти возмущения и через соответствующие нервные пути приводят в действие регуляторные механизмы. На внешнюю поверхность тела действуют факторы возмущения в виде перегрева или переохлаждения. Терморецепторы кожи воспринимают эти возмущения и через соответствующие нервные пути приводят в действие регуляторные механизмы.

Отрицательные обратные связи вызывают команды, стремящиеся уменьшить отклонения в системе. Например: при перегреве организма усиливается потоотделение, учащается дыхание, что приводит к увеличению теплоотдачи в окружающую среду и к понижению температуры организма.

Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры внешней среды. На стабилизацию температуры расходуется значительная часть энергии – до 83-84%. Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры внешней среды. На стабилизацию температуры расходуется значительная часть энергии – до 83-84%. Это постоянство носит название – изотермия.

Изотермия отсутствует у холоднокровных животных. У новорожденных способность подержания постоянной температуры снижена, а у недоношенных – еще в большей степени. Изменение температуры человека служит показателем сбоев в механизмах теплового баланса. Повышение температуры даже на градус – это уже явный признак патологии. : Изотермия отсутствует у холоднокровных животных. У новорожденных способность подержания постоянной температуры снижена, а у недоношенных – еще в большей степени. Изменение температуры человека служит показателем сбоев в механизмах теплового баланса. Повышение температуры даже на градус – это уже явный признак патологии. :

До появления тепловидения в медицинской практике использовали в основном четыре способа измерения температуры в тех местах, которые сравнительно защищены от воздействия внешней среды. Измерения производились, как правило, контактными термометрами либо в подмышечной впадине, либо под языком, либо в наружном слуховом проходе, либо в прямой кишке. До появления тепловидения в медицинской практике использовали в основном четыре способа измерения температуры в тех местах, которые сравнительно защищены от воздействия внешней среды. Измерения производились, как правило, контактными термометрами либо в подмышечной впадине, либо под языком, либо в наружном слуховом проходе, либо в прямой кишке.

Существуют суточные и сезонные колебания внутренней температуры человека. Они составляют не более 0,1-0.6°С ( наименьшая – ночью летом, наибольшая – во второй половине дня зимой ). Гормональная активность щитовидной железы, коры надпочечников повышают температуру. Существуют суточные и сезонные колебания внутренней температуры человека. Они составляют не более 0,1-0.6°С ( наименьшая – ночью летом, наибольшая – во второй половине дня зимой ). Гормональная активность щитовидной железы, коры надпочечников повышают температуру.

У женщин в период овуляции температура часто повышается на 0,6-0,8°С У женщин в период овуляции температура часто повышается на 0,6-0,8°С Кроме того известно, что интегральная температура левой стороны половины тела человека у людей в 54% случаев выше, чем правой. Возможно, это связано с асимметричным расположением сердца.

Наибольшее количество тепла в покое дает печень, около 50% всего тепла, вырабатываемого в организме, мышцы – 20% и ЦНС – 20%. Наибольшее количество тепла в покое дает печень, около 50% всего тепла, вырабатываемого в организме, мышцы – 20% и ЦНС – 20%.

При средней физической нагрузке это соотношение меняется, на долю мышц уже приходится 75%, а на печень лишь 10%. При средней физической нагрузке это соотношение меняется, на долю мышц уже приходится 75%, а на печень лишь 10%.

Потеря тепла органами и тканями зависит от их местоположения. Расположенные на поверхности отдают больше тепла и охлаждаются сильнее. На участках открытой поверхности тела человека разница в температуре может достигать 7°С. Наименьшая температура регистрируется в ногах – в области стопы ( 27°С), а сравнительно высокая – в глазной впадине (36,4°С) и на шее, в области сонной артерии (34°С). Так, печень – самая теплая ( 37,8-38°С), кожа (29.5-33,9°С). Потеря тепла органами и тканями зависит от их местоположения. Расположенные на поверхности отдают больше тепла и охлаждаются сильнее. На участках открытой поверхности тела человека разница в температуре может достигать 7°С. Наименьшая температура регистрируется в ногах – в области стопы ( 27°С), а сравнительно высокая – в глазной впадине (36,4°С) и на шее, в области сонной артерии (34°С). Так, печень – самая теплая ( 37,8-38°С), кожа (29.5-33,9°С).

Поэтому справедливо говорить, что изотермия присуща главным образом внутренним органам. Поэтому справедливо говорить, что изотермия присуща главным образом внутренним органам.

4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ОРГАНИЗМА. СПОСОБЫ ТЕПЛООБМЕНА. Постоянство температуры может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования и теплоотдачи всего организма.

Теплообмен Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты, обусловленный градиентом температуры. На поверхности тела теплообмен осуществляется четырьмя основными способами:

Теплопроводность Теплопроводность - это перенос теплоты от более нагретого тела к холодному. При этом перенос энергии осуществляется в результате передачи энергии при соударениях от быстро движущихся атомов и молекул (в более нагретом состоянии) медленно движущимся атомам и молекулам холодного тела.

теплопроводность – процесс передачи энергии при столкновениях на микроскопическом уровне, но без заметного движения вещества

где QT - количество теплоты; k-коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом теплопроводности, характеризующим материал, через который происходит перенос тепла; где QT - количество теплоты; k-коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом теплопроводности, характеризующим материал, через который происходит перенос тепла; S - площадь соприкосновения тела со средой; t - время теплообмена; Тн - Тх - разность температур между нагретым и холодным телом; l - толщина слоя, через который происходит перенос тепла.

Конвекция Конвекция - это процесс, благодаря которому тепло переносится за счёт перемещения большого числа молекул из одного места в другое.

Различие между явлениями теплопроводности и конвекции в том, что при теплопроводности молекулы перемещаются на очень малое расстояние (короче длины свободного пробега) и затем сталкиваются, а при конвекции молекулы перемещаются на значительные расстояния Различие между явлениями теплопроводности и конвекции в том, что при теплопроводности молекулы перемещаются на очень малое расстояние (короче длины свободного пробега) и затем сталкиваются, а при конвекции молекулы перемещаются на значительные расстояния

Различают естественную и вынужденную конвекцию При естественной конвекции перемещение может быть вызвано имеющейся разностью температур в разных её частях. При вынужденной конвекции имеется внешняя сила, приводящая среду в движение

Перенос тепла при конвекции Перенос тепла при конвекции

Излучение. Излучение. Перенос тепла излучением осуществляется путём испускания инфракрасных лучей.

Для абсолютно чёрного тела потеря тепла на излучение определяется по формуле

Испарение Испарение -переход тепла из жидкого состояния в газообразное. Тепло, отдаваемое организмом посредством испарения, вычисляется по формуле :

Испарение является наиболее эффективным видом теплообмена организма при высокой температуре и низкой влажности внешней среды. При повышении температуры окружающей среды испарение увеличивается. Все остальные виды теплообмена функционируют лишь при температуре внешней среды более низкой по сравнению с температурой кожи человека. При температуре внешней среды более высокой, чем температура кожи человека, они способствуют дополнительному нагреву организма.

Это утверждение можно представить уравнением теплового баланса организма человека M - QL QT QR QС= 0 где М - метаболизм или теплопродукция, т.е. Σ Qi ; (+) - при температуре окружающей среды выше температуры тела; (-) - при температуре окружающей среды ниже температуры тела.

Терморегуляцию, в целом, принято делить на физическую и химическую Химическая терморегуляция осуществляется путем усиления или ослабления интенсивности обмена веществ. Физическая терморегуляция осуществляется путем изменения интенсивности отдачи тепла телом.

Немаловажная роль в терморегуляции отводится поведенческим реакциям человека и животного, например, переход в тень или на солнце, сознательные разогревающие движения, прием пищи соответствующей температуры, выбор одежды. Немаловажная роль в терморегуляции отводится поведенческим реакциям человека и животного, например, переход в тень или на солнце, сознательные разогревающие движения, прием пищи соответствующей температуры, выбор одежды.

Все пути терморегуляции можно разделить Все пути терморегуляции можно разделить на метаболический, вазомоторный (сосудистый) и потоотделительный

Метаболический путь - активация симпатической и парасимпатической нервной системы. Это приводит к скорости изменения обмена веществ, а следовательно и к уровню теплопродукции. Метаболический путь - активация симпатической и парасимпатической нервной системы. Это приводит к скорости изменения обмена веществ, а следовательно и к уровню теплопродукции.

Вазомоторный механизм - это усиление или уменьшение теплоотдачи за счёт циркуляции крови по кровеносным сосудам. Вазомоторный механизм - это усиление или уменьшение теплоотдачи за счёт циркуляции крови по кровеносным сосудам.

Потоотделительный механизм - это секреторный процесс. Этот механизм работает хорошо в условиях низкой влажности и плохо в условиях повышенной. Потоотделительный механизм - это секреторный процесс. Этот механизм работает хорошо в условиях низкой влажности и плохо в условиях повышенной.