Tepelné hospodaření živých organismů
Studenokrevní živočichové nemají stálou teplotu těla. Teplota jejich těla je závislá na okolí a na fyzikálních zákonech. Teplokrevní živočichové, mezi které patří i člověk, si udržují stálou teplotu těla regulačními mechanismy při látkové výměně. Tyto mechanismy řídí tvorbu tepla a výdej tepla z organismu při výkyvech venkovní teploty. Nazýváme je termoregulací. Ne všechny procesy termoregulace jsou vědecky objasněné.
Lidský organismus si udržuje stálou teplotu vlastní tvorbou a odevzdáváním tepla. Fyziologické hranice teploty těla 36,6 – 37 stupňů Celsia jsou stálé. Důležité řídící centrum se nachází v hypotalamu (část mozku). Toto centrum registruje odchylky tělesné teploty a podle potřeby spouští termoregulaci. V mozkovém kmeni (mezi velkým mozkem a prodlouženou míchou) se nachází centrum, pojmenované podle Krehla a Isenschmodta. Přijímá impulzy od chladových receptorů v kůži a spouští produkci tepla v organismu. Tato dvě hlavní centra spolu s ostatními zprostředkovávajícími centry termoregulace způsobují stav, při kterém jsou produkce tepla a jeho výdej z organismu v rovnováze. Poruchy termoregulace způsobují hromadění tepla v organismu, což se projevuje úpalem nebo úžehem, na druhé straně podchlazením organismu. Úpal se projevuje pocitem žízně, zvracením, bolestmi hlavy až kolapsem (závrať až omdlení). Příznaky podchlazení jsou třes, změna barvy kůže, excitace (zvýšení psychické činnosti až předráždění), svalový třes, později závratě, bolesti hlavy, ztráta orientace, poruchy dýchání až zástava srdce.
Tepelné hospodaření organismu za normálních podmínek
Pokud mluvíme o termoregulaci lidského organismu, nejdřív si musíme vysvětlit termoregulaci v podmínkách na vzduchu. Lidské tělo se skládá z jádra, které produkuje teplo, a z obalu, který odevzdává, resp. přijímá teplo. Orgány s intenzivním metabolismem jsou v lebce, trupu a v břichu a tvoří jádro. Orgány jádra (mozek, plíce, srdce, játra, trávící trakt) představují asi 3 % hmotnosti těla, ale v klidových podmínkách spotřebují až 70 % tepla. Obal těla – svaly a kůže – představují asi 62 % hmotnosti těla, ale v klidových podmínkách spotřebují asi jen 18 % tepla.
Při tělesné práci prudce stoupá produkce tepla v organismu, může být až několikanásobná. Přitom se téměř úplně mění tepelné poměry v těle. Při tělesné práci se tvoří 75 % tepla v obale a zbytek v jádru. Předností tohoto procesu je, že teplo tvořené v obalu se může rychle odstranit. Při svalové práci probíhá odstraňování tepla ve směru obal – okolí, v klidovém stavu ve směru jádro – obal – okolí. Jinak řečeno, v klidu jsou podmínky, které zaručují, že teplo vytvořené v jádru zůstává v jádru, čímž jsou příznivě ovlivněny metabolické procesy uvnitř těla. Odvod tepla probíhá prostřednictvím tkání, které obklopují jádro, z nich přechází do venkovního prostředí. Odvod tepla výrazně zatěžuje organismus. Při tělesné práci je transport ve směru jádro – obal výrazně omezený, protože teplo tvořící se v obalu se odevzdává bezprostředně do okolí. To znamená, že organismus hospodaří s teplem při tělesné práci ekonomicky.
Následující tabulka poskytuje přehled nejdůležitějších míst tvorby tepla (v procentech) v klidu a při práci.
Produkce tepla v procentech:
| V klidu | Při práci | |
| Mozek | 16 | 3 |
| Trup a břicho | 56 | 22 |
| Kůže a svalstvo | 18 | 73 |
| Ostatní (kosti atd.) | 10 | 2 |
Tepelné hospodaření organismu při plavání a potápění
Popsané poměry tepelného hospodaření organismu na vzduchu platí i ve vodě, jen mají určité odlišnosti.
Tepelné ztráty dýcháním při potápění závisí na teplotě a hustotě vdechnutého plynu. Při tlaku 1 atm ztrácí člověk dýcháním 10 % tepla tvořeného látkovou přeměnou . Tyto ztráty se zvyšují na 28 % při dýchání směsi hélium-kyslík pod tlakem 7 atm. Při tlaku 21 – 26 atm se zvyšují na více jak 50 %.
Tepelná produkce organismu se snižuje při zvýšení poměru kyslíku v dýchací směsi. Proto dýchání směsi bohatší na kyslík zpomaluje prochlazení organismu.
Tepelné ztráty povrchem těla při potápění probíhají prostřednictvím vedení tepla a konvekce.
Hlavními faktory při této ztrátě jsou:
- tepelná vodivost vody
- přímá hraniční vrstva
- rychlost proudění vody
- velikost povrchu těla
Tepelná vodivost vody je 25krát vyšší než vzduchu. Hraniční vrstva u neoblečeného člověka ve vodě představuje jen asi 10 % hraniční vrstvy na vzduchu. Tím se tepelné ztráty organismu ve vodě zvyšují až 250krát.
Navzdory této enormně zvýšené vodivosti představují ztráty tepla z organismu ve vodě jen asi 2 až 3násobek ztrát na vzduchu. Při rychle proudících tocích studených horských říček se tato ztráta zvyšuje na 4 až 5násobek. Skutečnost, že ztráty tepla jsou snížené až do této míry, způsobuje tepelná kapacity vody a organismu a hlavně reakce organismu na chlad stáhnutím cév. Tímto se snižuje prokrvení povrchu těla a snižuje se odevzdávání tepla z organismu. To vysvětluje, proč potápěči a zimní plavci vydrží pobyt v ledové vodě bez újmy na zdraví bez zvýšené tepelné ochrany organismu. Tuto skutečnost je potřeba vysvětlit blíže. Pod pojmem kritická teplota organismu rozumíme bod tepelné stupnice, při kterém by organismus při stejné produkci tepla vychladl. Tato teplota je v klidu u neoblečeného člověka 33 stupňů. Kritická teplota je závislá na výši bazálního metabolismu a na izolační schopnosti povrchu těla. Izolační schopnost závisí na prokrvení povrchu těla a síle podkožního tuku. Bazální metabolismus závisí i na žlázách s vnitřní sekrecí (hypofýza, štítná žláza, nadledvinky). Čím více se omezí prokrvení kůže a podkoží (škáry), o to větší je izolační schopnost podkožního tuku. O co je větší izolační schopnost kůže, o to je nižší teplota jejího povrchu a nižší jsou tepelné ztráty. Tím víc tepla se může uchovávat v jádře. V praxi to znamená, že osoby s větší vrstvou podkožního tuku jsou méně náchylné na podchlazení. Při tělesné práci se 75 % tepla produkuje ve svalech, proto osoby s vyvinutějším svalstvem vydrží v chladné vodě déle a později prochladnou.
Procesy při tělesné práci v chladné vodě je třeba rozvést, protože mají velký význam v praxi. V momentě, kdy plavec nebo potápěč vstoupí do vody a začne plavat nebo pracovat, enormně stoupnou jeho tepelné ztráty. Proto se v krátké době prudce zvýší tvorba tepla svalstvem. Snížením prokrvení kůry se omezuje ztráta tepla. Proto se při současné vyšší tvorbě tepla svalstvem zvyšuje teplota jádra. Kůra se však rychle ochlazuje a ztrácí zásoby svého vlastního tepla. Síla podkožního tuku ve zvýšené míře ovlivňuje ochlazování organismu. Proto je podchlazení různé u hubenějších a obéznějších lidí. V okamžiku, kdy se vyčerpají termoregulační mechanismy, což znamená, že tvorba tepla prací svalstva a jeho úbytek skrz kůru jsou v nerovnováze, nastává deficit tepla a třes. Třes je venkovním projevem zvýšené látkové výměny ve svalstvu. Podchlazení se dostává do kompenzační fáze. Kompenzační fáze je charakteristická zvýšenou tvorbou tepla, zrychlením tepu a růstem krevního tlaku, zvýšeným vylučováním adrenalinu, zvýšením tonusu sympatického nervstva, zvýšením hladiny krevního cukru, zvýšeným spalováním uhlohydrátů a zvýšeným prokrvením životně důležitých orgánů (mozek, plíce, srdce, játra, ledviny).
Při třesu se zlepšuje prokrvení kůry, což způsobuje zvýšení výdeje tepla z organismu. To má za následek prudké snížení teploty jádra. Při nastupujícím třesu musí plavec nebo potápěč urychleně opustit vodu. V tomto stádiu vznikají bolesti rukou, nohou, kolen a genitálií. Déle trvající třes vyčerpává energetické rezervy organismu. Svalstvo, játra a srdce ztrácí rezervní glykogen.
Podchlazení přechází do fáze dekompenzace. Při ztrátě množství glykogenu se zhoršuje celkový stav organismu. Dochází k přetížení šedé kůry mozkové v důsledku vyčerpání energetického glykogenu, k její zhoršené funkci. Mozková kůra působí na podřízená nervová centra. Narušením a zpomaleným působením na tato centra dochází k poruchám dýchání až k jeho zástavě.
Následuje ospalost, apatie, poruchy činnosti srdce, pokles tlaku krve a možná smrt v důsledku zástavy srdce.
U osob s malými rezervami glykogenu (vyčerpání, přechozené nemoci, nedostatečná výživa apod.) může nastat smrt zástavou srdce náhle. Při teplotě jádra přibližně 30 stupňů ztrácí člověk vědomí a pod 27 stupňů nastává smrt pro nenávratné zbrždění životně důležitých center a pro fibrilaci až zástavu srdce.
Znova je potřeba zdůraznit, že při nástupu třesu musí plavec nebo potápěč urychleně opustit vodu. Musí myslet na to, že po opuštění chladné vody teplota ještě klesá, když se snažíme zahřát během nebo cvičením. Při těchto činnostech proudí více krve z jádra do kůry, která je ochlazená, a krvi odevzdává chlad. Špatným prouděním ochlazené krve se ochlazuje jádro. Tento paradoxní pokles teploty jádra může vést až k životu nebezpečnému podchlazení. Toto paradoxní podchlazení jádra nastává velmi rychle.
Transport tepla v organismu
Teplo se v těle z nitra – z jádra – přenáší do obalu hlavně krevním oběhem. Je to přenos prostřednictvím konvekce. Pod konvekcí rozumíme přenos tepla prostřednictvím hmoty v pohybu. Malá část tepla se přenáší kondukcí – přímým šířením tepla z jedné tkáně do druhé. Prostřednictvím krevního oběhu má organismus více možností regulace tepla. Pokud se při přehřátí přenese více tepla z jádra do obalu, transport zabezpečují také části těla, které při relativně malém průměru disponují velkým povrchem a tím ulehčují odevzdávání tepla. Orgány s malým průměrem a velkým povrchem jsou končetiny. Hlavně ruce a nohy (především prsty) a šlachy se vyznačují tím, že velikost jejich prokrvení je proměnlivá. V krajních polohách při stáhnutí a roztáhnutí cév se může do končetin přivádět rozdílné množství krve. Tímto má organismus možnost prostřednictvím konvektivního tepelného transportu krví měnit transport podle potřeby – při podchlazení stáhnutím cév v končetinách omezit transport a tím šetřit tělu teplo, při hrozícím přehřátí v horkém prostředí se roztažením cév v končetinách zvyšuje jejich prokrvení a možnost odevzdávat nadbytečné teplo z organismu do okolí. Termoregulační vlastnosti končetin zvýrazňuje jejich anatomická zvláštnost. Tepny a žíly v končetinách jsou paralelně vedle sebe v dlouhých úsecích, takto si můžou předávat teplo. Krev vracející se z končetin žílami je chladnější než tepenná krev tekoucí z jádra do končetin. Takto vzniklý tepelný rozdíl mezi tepnami a žílami a jejich paralelní průběh v dlouhých úsecích umožňuje lepší předávání tepla mezi nimi. Složité regulační mechanismy a změny proudění krve mezi žílami a tepnami způsobují, že prostřednictvím této protiproudové výměny tepla dochází buď k zvýšenému odevzdávání tepla do okolí nebo k jeho úspoře v těle. Odevzdávání tepla z těla do okolí probíhá jeho sáláním, vedením, odpařováním a konvekcí. Při normálních venkovních podmínkách jsou tepelné ztráty organismu sáláním mezi pokožkou a okolím proporčně vyvážené. Odpařování vody z povrchu těla odebírá organismu 580 kalorií tepla za minutu. Na odevzdávání tepla vedením a konvekcí se podílí v podstatné míře kůži obklopující vrstva vzduchu. Tuto vrstvu vzduchu nazýváme hraniční. Při silné hraniční vrstvě se odevzdává málo tepla, při tenké hodně. Na venkovní straně hraniční vrstvy začíná konvektivní odevzdávání tepla pohybem vzduchu mezi hraniční vrstvou vzduchu a ostatním vzduchem.
Při podmínkách průměrných teplot prostředí, při slabém pohybu vzduchu a při 50% vlhkosti vzduchu se rozděluje odevzdávání tepla následovně:
45 % tepla se odevzdává sáláním z kůže a svalstva
20 % tepla se odevzdává odpařováním přes kůži
25 % tepla se odevzdává vedením přes kůži
10 % tepla se odevzdává dýchacími cestami
Tyto hodnoty jsou proměnlivé a závisí na teplotě venkovního prostředí. Při teplotách nad 35 stupňů se odevzdává největší část tepla sáláním, při nižších teplotách se zvyšuje podíl ztrát dýchacími cestami na více jak 30 %.
Ústřední úlohou při chemické termoregulaci organismu sehrávají plíce. Podle K. S. Trintschera jsou plíce nejdůležitějším orgánem chemické termoregulace. P. A. Korchujev hovoří v těchto souvislostech o multifunkčnosti plic. Krev přiváděná do plic z periférie, chudá na kyslík, zintenzivňuje vnitroplicní oxidační procesy. Tím se zvyšuje chemická produkce tepla v plicích a uvolňuje se velké množství energie.
Poznámka webmastera JK, 15. září 2019: Text neznámého autora byl zpracován na webu zimního plavání pravděpodobně v letech 2005 – 2010. Byl převzat bez jakýchkoliv úprav, s vyjímkou jazykových a pravopisných.