Текст книги "Экология человека"

Система дыхания

Наиболее частой реакцией дыхательной системы у новоселов Крайнего Севера является своеобразное затруднение дыхания, которое получило название «полярная одышка». Полагают, что основной причиной полярной одышки является механическое сопротивление дыханию, возникающее в результате рефлекторного сужения просвета бронхов под влиянием холодной струи воздуха.

В целом адаптация дыхательной функции к условиям высоких широт протекает поэтапно.

На первом этапе (3–6 месяцев) происходит перераспределение легочных объемов, при этом дыхательный объем увеличивается, резервный объем вдоха уменьшается, а часть резервного объема выдоха переходит в остаточный объем. Подобный эффект предохраняет легкие от переохлаждения. Легочная вентиляция имеет тенденцию к увеличению. В результате гипервентиляции легких развивается дыхательный алкалоз. Коэффициент использования кислорода при этом невысок, что связано с неустойчивостью вентиляционно-перфузионных отношений.

Несоответствие вентиляции и кровоснабжения легких приводит к снижению диффузионной способности последних. В результате подобных сдвигов резервы вентиляции сокращаются, а компенсаторные возможности системы дыхания уменьшаются.

Второй этап (2 года и более) характеризуется некоторой стабилизацией дыхательной функции. Он соответствует становлению адекватного и более экономного режима деятельности органов дыхания. В указанный период происходит урежение дыхания, восстановление резервных объемов до исходных величин, рост коэффициента использования кислорода. Вентиляционно-перфузионные отношения становятся менее вариабельными. Однако значения дыхательного и минутного объемов дыхания остаются высокими, что свидетельствует о сохранении определенной гипервентиляции легких, сопровождаемой частично или полностью компенсированным дыхательным алкалозом.

Третий период соответствует стадии адаптированности легких. Он продолжается 10 и более лет. В этот период восстанавливается эффективность вентиляционно-перфузионных отношений. Формируется адаптационная легочная гипертензия. Проявляется обструктивный синдром, морфологическим выражением которого является резкое утолщение бронхов. По мере увеличения сроков проживания в условиях низких температур под влиянием биохимических сдвигов в тканях может развиваться метаболический ацидоз. Степень его проявления со временем уменьшается.

В результате новый уровень функционирования легких у людей в условиях Севера достигается за счет более напряженной работы и постоянного использования структурных и функциональных резервов дыхания.

Питание, метаболизм, терморегуляция

Питание является одним из ведущих факторов, адаптации человека к условиям Арктики и Антарктики. Жизнедеятельность организма при низких температурах требует высокого энергообеспечения. В связи с этим возрастает роль диеты, богатой жирами и белками. Энергетическая роль углеводов при этом снижена. Существенное значение в питании приобретают витамины А и Е, участвующие в жировом обмене.

Существование в экстремальных условиях Севера формирует полярный метаболический тип. Он характеризуется сложными изменениями всех видов обмена веществ. При этом ведущую роль играет переключение энергетического обмена с углеводного типа на жировой.

В высоких широтах у людей возникает дефицит водорастворимых витаминов В₁, В₂, В₆, С, PP. Одной из его причин является недостаток микроэлементов, в частности магния, участвующего во всасывании водорастворимых витаминов. В свою очередь, дефицит микроэлементов связан с усиленным выделением мочи – так называемым холодовым диурезом, который наблюдается при адаптации к Северу. Потеря воды и микроэлементов обусловлена эндокринными сдвигами в гипоталамусе и надпочечниках. Исчезновение холодового диуреза служит одним из показателей развития адаптации к низким температурам.

Общепринятого мнения относительно динамики изменений основного обмена при адаптации к высоким широтам нет, вероятно, потому, что эти изменения обусловлены разными факторами, такими как сроки пребывания, время года и т. п. У вновь прибывших во время полярного дня основной обмен бывает повышен в среднем на 13–17 %. Это связывают с гиперфункцией щитовидной железы. Полярная ночь, которая сопровождается уменьшением степени освещенности (это угнетающе сказывается на функции гипоталамуса), относительной гиподинамией и уменьшением времени пребывания на холоде, приводит к снижению основного обмена.

У лиц, продолжительно пребывающих в условиях Заполярья, однозначных отклонений основного обмена выявить не удалось.

В поддержании постоянной температуры тела у людей, адаптирующихся к условиям Арктики и Антарктики, участвуют все виды терморегуляции.

При низких температурах окружающей среды поддержание температуры тела осуществляется посредством повышения теплообразования в организме (химическая терморегуляция) и снижения теплоотдачи (физическая терморегуляция). Одним из важнейших источников регулируемой теплопродукции является специфическая форма сократительной деятельности скелетной мускулатуры – терморегуляторный тонус и холодовая дрожь. В связи с тем что при дрожательных реакциях на холодовое раздражение не происходит никакой внешней механической работы, тепловая эффективность терморегуляторного тонуса и дрожи значительно выше, чем физической работы, и приближается к 100 %.

Благодаря повышению калоригенной эффективности терморегуляторного тонуса и дрожи отпадает необходимость в поддержании высокого уровня интенсивности мышечных сокращений в ответ на охлаждение.

Важную роль в увеличении теплопродукции сократительного термогенеза при адаптации организма к холоду играет медиатор симпатического отдела вегетативной нервной системы – норадреналин. В повышении выхода тепла при мышечном сокращении определенную роль играют и гормоны щитовидной железы.

Наиболее экономичной для организма реакцией на охлаждение является физическая терморегуляция. Связанная с небольшими затратами энергии, эта физиологическая реакция достаточно эффективно поддерживает постоянство температуры глубоких областей тела (ядра тела) при умеренных охлаждениях. Физиологические механизмы регуляции теплоотдачи позволяют человеку более тонко регулировать теплообмен с внешней средой и совместно с адекватными погоде и климату одеждой и химической терморегуляцией достаточно точно поддерживать температуру тела на постоянном уровне. За счет физиологических механизмов регуляции теплоотдачи теплоизоляция у человека может изменяться в 3–4 раза. Как известно, основные потери тепла в организме происходят через поверхность кожи и за счет легочной вентиляции.

Температура кожи у человека в большой степени определяется состоянием кожного и подкожного кровотоков. Важное значение при этом имеет регуляция просвета артериол и мелких артерий, которая осуществляется симпатическими нервными волокнами: расширение сосудов повышает температуру кожи и соответственно теплоотдачу, сужение – снижает ее.

Различные участки поверхности тела играют неодинаковую роль в регуляции теплоотдачи. У человека наибольшие потоки тепла при высоких внешних температурах приходятся на конечности. При холодовых нагрузках температура конечностей понижается в гораздо большей степени, чем на других участках тела, и таким образом обеспечивается значительное снижение теплоотдачи. Важную роль при этом играет не только сужение кровеносных сосудов, но и тот факт, что венозные сплетения в конечностях располагаются в непосредственной близости с артериями: передача тепла из артериальной крови в венозную существенно снижает его поступление в поверхностные ткани и способствует сохранению тепла в организме. Поток тепла с поверхности конечностей регулируется также количеством открытых и закрытых артериовенозных анастомозов.

Однако при очень сильных охлаждениях вазоконстрикция в конечностях может периодически сменяться резкой вазодилятацией: кровоток усиливается в десятки раз, температура кожи в результате этого повышается на 7-10 °C (реакция Льюиса). Подобная реакция, несколько усиливающая теплопотери, обеспечивает необходимый минимальный уровень метаболизма в конечностях и способствует предупреждению холодовых травм. В связи с этим особое значение для людей, проживающих на Севере, имеет локальная адаптация к холоду. По данным Э. Леблана, у эскимосов и рыбаков, руки которых регулярно подвергаются воздействиям холодной воды с температурой 0-10 °C, наблюдается пониженная реакция вазоконстрикции рук на холод. Это проявление адаптации может сохраняться в течение продолжительного времени (до 15 лет) после прекращения работы. Локальная холодовая адаптация характеризуется также более быстрой нормализацией кровообращения и температуры конечностей после холодового воздействия.

Наряду с сосудистыми реакциями важную роль в адаптации человека на Севере могут играть приспособительные изменения в системе дыхания. В комфортных условиях в покое у человека с поверхности легких и верхних дыхательных путей теплоотдача составляет около 10 % общей теплопродукции. При интенсивной работе эти потери тепла уже могут быть сравнимы с теплопродукцией при основном обмене. Воздействие резкого холода вызывает задержку дыхания и сопровождается сокращением гладкой мускулатуры бронхов. Последнее, видимо, и является причиной полярной одышки. В дальнейшем по мере адаптации к холоду эти явления исчезают и происходят адаптивные перестройки в сердечно-сосудистой системе: повышаются кислородная емкость крови и давление в малом круге кровообращения, несколько гипертрофируется «правое сердце». Одновременно увеличивается коэффициент использования кислорода в легких из вдыхаемого объема воздуха, что наиболее отчетливо проявляется у людей, работающих круглый год на открытом воздухе. У этих лиц снижены испарение влаги из респираторного тракта и связанные с испарением теплопотери. Таким образом, адаптивные сдвиги, наступающие в сердечно-сосудистой и респираторной системах в холодном климате, направлены на ограничение теплопотерь организма и служат, кроме того, физиологической защитой органов дыхания от поражения холодом.

Адаптивные изменения, наступающие в системе терморегуляции человека на Севере, затрагивают не только ее эфферентное звено, но и афферентное. Субъективное ослабление чувства холода в связи с адаптацией к этому фактору среды отмечается многими исследователями. В основе такого явления может лежать снижение количества функционирующих холодовых рецепторов кожи.

Морфофункциональные особенности аборигенов Севера. У коренного населения Арктики независимо от этнической принадлежности выявляется много общих черт как в строении тела, так и в физиологических особенностях. Это позволило выделить так называемый арктический адаптивный тип, который, как полагают, сформировался в ходе эволюции.

К характерным чертам конституции аборигенов Севера относится коренастое телосложение с хорошо развитой костно-мышечной массой, цилиндрическая форма грудной клетки. Лицо у них имеет овальную форму, широкий уплощенный нос, узкий разрез глаз. Эти особенности способствуют уменьшению теплоотдачи в условиях переохлаждения.

Функциональные характеристики также отражают приспособление к условиям холодового стресса. У коренных жителей высоких широт выработался в ходе эволюции и генетически закрепился определенный, отличный от приезжих уровень метаболизма. Энергетические процессы у них более интенсивны. Механизмы теплообмена имеют ряд особенностей. Чувствительность холодовых рецепторов снижена. Перераспределение кровотока между поверхностными и глубокими кровеносными сосудами тела, и особенно конечностей, ограничивает теплопотери через кожные покровы и способствует стабилизации температурного режима ядра туловища. Увеличение теплопродукции и изменения в системе теплоотдачи на клеточном и системном уровнях эффективно обеспечивают температурный гомеостаз аборигенов Севера. Основной обмен у них повышен. Определяющее влияние на характер обмена веществ у коренных жителей высоких широт оказывает питание. Увеличение доли жиров в пищевом рационе, повышенная способность к их окислению за счет гиперфункции щитовидной железы и надпочечников приводит к повышению липидного обмена. Усиление метаболических процессов ведет к интенсификации деятельности кислородтранспортной системы аборигенов Севера. Они обладают большой вентиляционной способностью легких. Коэффициент использования кислорода повышен. Высока скорость кроветворения, увеличено содержание гемоглобина в крови.

Повышенная гамма-глобулиновая фракция сыворотки обусловливает улучшение иммунных свойств организма.

Люди, обладающие специфическими признаками тела, уменьшающими теплоотдачу, обладающие интенсивными энергетическими процессами, имеют в условиях арктического климата преимущества перед теми, кто не отличается этими качествами. Однако цена приспособления аборигенов к жизни в условиях Севера достаточно высока. Задерживается период полового созревания. Велик процент бесплодия женщин и преждевременных родов. Часто встречаются патологии.

Аридная зона характеризуется сочетанием таких факторов, как высокая температура, малая относительная влажность воздуха, повышенные ультрафиолетовое и тепловое излучения, отсутствие воды, ветер с пылью. Подобные области встречаются в пустынях, которые имеют определенное климатическое разнообразие.

В жаркое время года в дневные часы условия пребывания в пустыне предъявляют к организму человека повышенные требования. Основным механизмом, поддерживающим тепловой баланс человека в пустыне, является испарение, осуществляемое путем прямой транспирации кожи, отдачей воды с дыханием и потоотделением. Эти функции определяют характер соответствующих физиологических изменений в организме.

Борясь с перегревом, человек теряет значительное количество воды с потом. Это ведет не только к обезвоживанию тканей, но и к их обессоливанию. В результате нарушается водно-солевой обмен, что создает реальную угрозу для организма. Ухудшается деятельность сердца и кровообращение. Ослабевают защитные силы организма. Тормозится секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта. Нарушается углеводный и белковый обмен. Угнетаются функции центральной и периферической нервной системы.

«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты – сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснишь нашими чувствами. С тобой возвращаются к нам силы, с которыми мы уже простились. По твоей милости в нас вновь начинают бурлить высохшие родники нашего сердца. Ты самое большое богатство на свете» – так воспел воду Антуан де Сент-Экзюпери.

Критерием переносимости тепловой нагрузки служит температура тела. Критической температурой для организма человека считают 38,4-38,9 °C.

Первой ступенью экзогенного нагревания тела человека является резкое повышение температуры кожи. Раздражение температурных рецепторов кожи и повышение температуры циркулирующей крови приводит к активации центральных терморегулирующих структур, находящихся в гипоталамусе. Гипоталамические терморегуляционные центры регулируют общее теплосодержание несколькими путями, преимущественно через симпатические влияния на потовые железы, периферические артериолы и на мозговое вещество надпочечников. Влияние это оказывается также на переднюю долю гипофиза, через который регулируется деятельность эндокринной системы.

При температуре воздуха +33 °C поддержание теплового баланса у человека осуществляется фактически лишь испарением пота. Роль пота в охлаждении организма велика, поскольку вода обладает большой скрытой теплотой испарения. Каждый испарившийся грамм уносит 580 кал тепла. Организм человека содержит от двух до пяти миллионов потовых желез. При возрастании тепловой нагрузки в работу включаются все новые и новые группы желез, усиливается их активность. Однако по мере траты запасов жидкости в организме потоотделение замедляется.

Изучение структуры дегидратации показало, что при потере массы тела при потоотделении от 4,0 до 4,5 % обезвоживание происходило за счет внесосудистой, экстрацелюллярной жидкости; при дефиците от 4,5 до 6,0 % – сократился объем циркулирующей плазмы. В дальнейшем при потере массы тела до 8,0-10,0 % уменьшалось количество внутриклеточной воды. Адаптации человека к обезвоживанию не выявлено.

Сигналом того, что организм нуждается в воде, является чувство жажды. Существует несколько гипотез ее возникновения.

• В соответствии с одной из них датчики-осморецепторы, находящиеся во внутренних органах, сигнализируют о повышении осмотического давления в головной мозг, где и формируется чувство жажды.

• По другой гипотезе, жажда появляется при подсыхании слизистой оболочки рта и глотки.

• Третья гипотеза предполагает, что обезвоживание тканей вызывает выделение гормона ангиотензина-11, раздражающего рецепторы, расположенные в подбугорной области головного мозга, которые вызывают жажду.

Тепловая нагрузка приводит к увеличению вязкости крови, повышению содержания гемоглобина и количества эритроцитов. Происходит дегрануляция базофильных лейкоцитов и тучных клеток. В результате в кровь секретируются гепарин, гистамин и другие биологически активные вещества.

Воздействие тепла вызывает расширение сосудов кожи и подкожной клетчатки, причем с повышением температуры крови на каждую 0,01 °C периферическое кровообращение возрастает на 15 мл/мин. При этом объем циркулирующей крови начинает снижаться, чему способствует также некоторое сгущение крови, вызываемое дегидратацией организма. Эти процессы могут вызвать замедление скорости кровотока, уменьшение ударного объема сердца.

Чтобы удержать минутный объем крови и артериальное давление на уровне, близком к нормальному, сердце вынуждено сокращаться чаще. Учащение пульса связано также с изменением функционального состояния экстракардиальных центров вегетативной нервной системы под влиянием импульсов с периферических терморецепторов и в результате прямого воздействия нагретой крови на эти центры.

В тесной связи с изменениями водного обмена находятся нарушения электролитного равновесия, вызванные значительными потерями электролитов с потом. В условиях пустыни, когда потоотделение от воздействия жары увеличивается до 10 л в сутки, организм теряет с потом 20–40 г солей. В результате в тканях может возникнуть дефицит электролитов – натрия и калия, что повлечет за собой серьезные расстройства функций многих органов и систем. Эти нарушения остаются даже тогда, когда устранена дегидратация организма.

Стараясь предотвратить обессоливание, и в первую очередь потери натрия, организм пускает в ход защитные механизмы. Так, например, содержание в поте хлористого натрия снижается с 0,2–0,4 % до 0,1–0,15 %. Уменьшается количество натрия, выделяемого с мочой. Это происходит в результате снижения мочеотделения, которое способствует сохранению воды в тканях и направлено на уменьшение солей, выводимых с мочой. В механизме развития тепловой олигурии большую роль играет симпатическое возбуждение, которое вызывает сужение почечных сосудов и, как следствие, уменьшение почечного кровотока и скорости клубочковой фильтрации. В результате выделительная функция почек снижается. Этому же способствует и повышенная секреция гормонов – вазопрессина и альдостерона.

Серьезными последствиями грозит обеднение организма калием. Этому процессу предшествует усиленный распад белков, вызываемый перегревом организма, а механизмы удержания калия маломощны. При уменьшении его содержания в плазме до 1,55 ммоль/л (норма 41–47 ммоль/л) снижается кровяное давление, нарушается энергообеспечение мышечной деятельности, появляется аритмия. Наблюдаются выраженные изменения кардиограммы: удлиняются интервалы Р – Q, Q – Т, увеличивается зубец Р, уменьшается и уплощается зубец Т, появляется зубец V. Эти показатели свидетельствуют о серьезных нарушениях деятельности сердца. Дефицит калия снижает и тепловую устойчивость.

При высокой температуре окружающей среды легочная вентиляция увеличивается преимущественно за счет глубины дыхания. Гипервентиляция способствует вымыванию угольной кислоты и сдвигу рН крови в щелочную сторону. Способность крови связывать СО₂ снижается под влиянием роста ее температуры. Таким образом, гипокапния и дыхательный алкалоз – характерные признаки и перегревания организма человека.

Повышение температуры тела ведет к угнетению секреторной, всасывательной и моторной функций органов пищеварения, к ухудшению аппетита.

В литературе имеются многочисленные данные о снижении основного обмена при адаптации человека к аридной зоне. Это связывают с некоторой гипофункцией щитовидной железы при длительном воздействии тепла.

Тепловая нагрузка, активируя симпатоадреналовую и гипофизарно-адренокортикальную системы, стимулирует секрецию катехоламинов мозговым веществом надпочечников и глюкокортикоидов их корой. Под влиянием этих гормонов усиливается образование глюкозы в печени в ходе гликолиза.

Поскольку щитовидная железа и надпочечники регулируют интенсивность метаболизма, они играют большую роль в приспособлении человека к высоким температурам пустыни.

Патологические реакции. К патологическим реакциям организма в аридной зоне можно отнести солнечный удар, тепловой удар и пустынную болезнь.

• Солнечный удар – внезапно наступающее состояние, зависящее от глубокого перегревания непокрытой головы. В легких случаях наступает общая слабость, покраснение лица, головокружение, потемнение в глазах, обморочное состояние; возможны головная боль, тошнота, рвота, понос. Частота пульса и дыхания может оставаться без резких изменений, иногда отмечается небольшое повышение температуры тела. При охлаждении больного или прекращении перегревания болезненное состояние обычно заканчивается относительно быстрым выздоровлением. В тяжелых случаях возможны резкое нервное возбуждение, галлюцинации, бред, судороги эпилептоидного типа, одышка, учащение пульса, повышение, а затем падение артериального давления, коллапс, отек мозга и его оболочек, точечные кровоизлияния.

• Тепловой удар – быстроразвивающееся состояние с той же симптоматикой, что и солнечный удар, но с более выраженными общими явлениями нарушения теплорегуляции и ослабления сердечно-сосудистой деятельности. Возможно повышение температуры тела до 40–41 °C и выше. Кожа бледная, сухая, тоны сердца глухие, пульс замедлен или учащен на 10-120 уд./мин. В отдельных случаях гипертермия развивается через некоторое время после воздействия или принимает затяжное, хроническое течение. Перегревание средней и тяжелой степени обычно сопровождается последействием. Повторяющиеся и длительные влияния перегревающих факторов способны вызвать невротические реакции, ваготонию, диэнцефальные кризы, гипотонию, миокардиодистрофию, нарушение функций желудка, почек, менструального цикла и пр.

• Пустынная болезнь – собирательное понятие, включающее нервно-психическое напряжение, состояние тоски и страха перед опасностью, реакцию стресса и, самое главное, сочетание перегревания с обезвоживанием организма. В этих случаях симптомы перегревания дополняются или начинаются с синдрома дегидратационного истощения. В этом случае, кроме жажды и сухости во рту, появляются чувство недомогания, беспокойство или сонливость, желание сесть или лечь, мышечное утомление, повышение температуры тела, учащение пульса, покалывание в мышцах конечностей, одышка, потеря аппетита. В случаях небольшого перегревания теплорегуляция сохраняется. После приема жидкости у здоровых людей наступает восстановление водяного обмена через 6-12 ч. В случаях значительного солнечно-теплового перегревания процесс восстановления затягивается.

Морфофизиологические особенности коренного населения аридной зоны. Коренное население аридной зоны, несмотря на различную расовую принадлежность, характеризуется комплексом общих морфологических и физиологических черт, способствующих облегчению процессов теплообмена.

К типичным морфологическим особенностям можно отнести большой процент астенического типа телосложения, возросшую относительную поверхность тела, увеличенные размеры скелета, уплощенную грудную клетку, сравнительно слабое развитие подкожного жирового слоя и мускулатуры, низкий уровень минерализации скелета.

Из физиологических признаков обращают на себя внимание понижение метаболической активности и увеличение удельной поверхности испаряемости. Отмечено повышение содержания гемоглобина, снижение артериального давления, увеличение пульса и частоты дыхания, понижение окислительных процессов.

Более эффективная сосудодвигательная нервная регуляция потери тепла в условиях резких температурных колебаний в течение суток также считается приспособительной чертой аборигенов.