Лихорадка и тепловой гомеостаз

Понятие о тепловом гомеостазе

Тепловой гомеостаз - способность поддержания постоянной температуры тела (ядра) на определенном уровне. Эта способность послужила основой для разделения животных на теплокровных и холоднокровных (от греч. "гомойос" - равный, "пойкилос" - разнообразный, "терме" - жар).

9.1. "Ядро" и "оболочка" тела как понятия теплового гомеостаз

Представления о гомойотермностн высших животных и человека в последнее десятилетне сильно поколеблены. Оказалось, что: а) поверхностная ткань тела - "оболочка" (кожа, подкожно-жировая клетчатка, поверхностные мышцы, ткани конечностей) обладают пойкилотермными свойствами, т.е. в зависимости от температуры окружающей среды их температура может колебаться в пределах до 10° С; б) в то же время органы грудной клеки, брюшной полости, мозг - "ядро" тела - находятся в гомойтермных условиях, их температура меняется не более, чем на 2° С.

Наиболее близко отражают температуру "ядра" тела температура в полостях, близких к нему (на барабанной перепонке ушного прохода, в подъязычной ямке, прямой кишке и влагалище, подмышечных впадинах).

Исходя из сказанного, тепловой гомеостаз можно определить как сохранение на постоянном уровне температуры "ядра" тела.

9.2. Механизмы теплового гомеостаза

Механизмы теплового гомеостаза - это механизмы теплообразования (термогенеза) и теплоотдачи.

9.2.1. Механизмы термогенеза: сократительный и несократительный

За счет "сгорания" АТФ работают и 1-й и 2-й механизмы. Универсальность проявляется в том, что часть энергии АТФ обязательно, кроме совершенной работы, рассеивается в виде тепла.

Сократительный термогенез обеспечивает 70% теплопродукции и осуществляется благодаря сократительной деятельности мышц (произвольные движения, терморегуляторный мышечный тонус). Если скелетные мышцы (быстрые мышечные волокна) связаны преимущественно с двигательной функцией, то термогенезное значение имеют в основном сокращения (дрожь) медленной познотонической мускулатуры (разгибательная), мышц волосяных фолликулов (эрекция волос, гусиная кожа) и т.д.

Несократительныи термогенез дает 30% теплопродукции и обеспечивается за счет выделения тепла при работе Na,K -АТФ-азы и разобщения окислительного фосфорилированпя.

Образование тепла у новорожденных в ответ на охлаждение на 80% обусловлено специальной тканью - бурым жиром. У них не наблюдается дрожи (нет сократительного термогенеза). Бурый жир откладывается вокруг сердца, шеи и между лопатками, на грудке (Рис. 18). В клетке белого жира имеется одна большая капля жира, а в клетках бурого присутствует много мелких капелек жира и очень много митохондрий. Железосодержащий пигмент цитохромов митохондрий придает ему бурый цвет. Благодаря большому количеству митохондрий окислительная способность клеток бурого жира превышает таковую у белого. Удаление у новорожденных кроликов нескольких граммов бурого жира лишало их способность увеличивать продукцию тепла в ответ на охлаждение.

Система включения термогенеза бурого жира может быть представлена следующим образом. Терморецепторы, воспринимающие холодовое воздействие, посылают импульсы в мозг. Центр терморегуляции гипоталамуса переключает эти импульсы через ретикулярную формацию на симпатические нервы, идущие к жировой ткани, где в их синапсах выделяется норадреналин. Он через 3,5-АМФ повышает активность триглицерид-липазы, расщепляющей жиры на глицерин и жирные кислоты. Жирные кислоты вызывают разобщение процессов окисления и фосфорилирования, при этом энергия окисления переходит не в АТФ, а сразу рассеивается в виде тепла.

Другой механизм несократительного термогенеза базируется на повышении деятельности Na-K-АТФ-зы под влиянием Т3/T4 (25-30% АТФ в норме переходит в тепло при работе АТФ-азы).

Вывод: химический катаболизм пищевых субстратов приводит к генерации АТФ, большая часть которой переходит в работу, а меньшая часть - обязательно в тепло. Таким образом, процессы теплообразования в организме химической природы.

Теперь рассмотрим компоненты теплового гомеостаза, связанные с различными путями теплоотдачи.

9.2.2. Механизмы теплоотдачи

Следует сразу сказать, что они в своей основе физической природы.

Теплоотдача испарением с кожи и верхних дыхательных путей. При испарении 1 мл Н₂О от испаряющей площади отнимается 0,58 ккал. За сутки человек при температуре окружающей среды 35° С теряет около 5 л, пота, что соответствует 2900 ккал. Испарение с поверхности тела зависит от потоотделения и от температуры, влажности окружающей среды. При высокой температуре и влажности испарение влаги может прекратиться и кожа останется смоченной, вызывая ощущение духоты и плохого самочувствия (летом в автобусе).
Теплоотдача конвекцией - поглощение тепла окружающей человека средой (воздухом - вентилятор, водой - плавание).
Теплоотдача радиацией - отдача тепла телом за счет инфракрасного излучения организма (обнажение частей тела или, наоборот, укрытие их одеждой).

Вывод. В механизмах теплоотдачи используется "оболочка" организма, температура которой поддерживается в основном за счет переноса тепла с артериальной кровью от "ядра" (внутренних органов) к оболочке" тела.

9.3. Система регуляции теплового гомеостаза

Нейроэндокринная система контролирует физиологические и поведенческие сдвиги тепло-регуляторного поведения млекопитающих и холоднокровных.

Как условились ранее, под тепловым гомеостазом мы понимаем поддержание на постоянном уровне температуры "ядра" тела, в таком случае "оболочке" тела придаются функции рабочего органа, вся деятельность которого направлена лишь на обслуживание теплового гомеостаза внутренних органов, "ядра".

9.3.1. Понятие об "установочной точке"

Вопрос о включении и выключении механизмов теплообразования и теплоотдачи под влиянием нейроэндокринной системы управления тесно связан с концепцией "установочной точки". Под этой контролируемой переменной предложено понимать температуру глубоких структур головного мозга.

О ней лучше всего дает представление температура барабанной перепонки (около 37,1° С).

Отклонение температуры головного мозга от 37,1° С вызывает изменения активности центральных отделов нейро-эндокринной системы (гипоталамуса), которые запускают либо реакции теплопродукции (усиление катаболизма, дрожь), либо реакции усиления теплопотери (расширение сосудов).

Путь включения систем теплоотдачи и теплообразования общий (Рис. 19). Импульсы с холодовых рецепторов кожи, непосредственное омывание гипоталамуса холодной кровью или действие на него пирогенов приводит к отклонению температуры нейронов ядра теплорегуляции от установочной точки. Возбуждение гипоталамуса переключается через ретикулярную формацию на САС или через систему первичного стресс-посредника на гипофиз. В результате усиливается - ослабляется работа системы теплоотдачи (игра микрососудов кожи) и системы термогенеза (сократительного и несократительного).

9.3.2. Роль обратной связи в терморегуляции

После включения указанных систем и приближения температуры головного мозга к 37,1° С, эффект возбуждения физической и химической терморегуляции по принципу отрицательной обратной связи подавляется.

При избыточной задержке или отдаче тепла температура "ядра" уже не может быть компенсирована за счет физиологического терморегулирования и предотвращается только изменением поведения человека, животных, т.е. включается 2-я система теплового гомеостаза.

9.3.3. Социальная терморегуляция

Таким образом, сохранение теплового гомеостаза "ядра" с помощью физических и химических механизмов терморегуляции возможно лишь в определенных нормальных пределах воздействия окружающей среды. Для поддержания теплового гомеостаза "ядра" при неблагоприятном воздействии вне этих пределов необходимо включение иных механизмов - сдвигов поведения, сознательных действий человека или изменения поведенческих реакций живых существ.

Возвращаясь к теме наследственности, можно сказать, что создание системы терморегуляции человека - это тоже фенотипическое проявление генотипа человека, его видовой признак. Этот новый, появившийся в эволюции признак, обеспечил виду огромные преимущества в выживаемости. Конкретным примером в данном случае является сознательная терморегуляторная деятельность человека, позволяющая ему выжить при таких температурных воздействиях, при которых жизнь других живых организмов вообще невозможна (космос). Этот путь приспособления организма связан с сохранением на нормальном или незначительно сниженном уровне температуры "оболочки" тела за счет костров, одежды, строительства жилищ.

9.4. Суточный (циркадианный) ритм изменения температуры тела

Температурная кривая у изголовья больного - отражение состояния теплового гомеостаза. Поддержание теплового гомеостаза "ядра" тела находит свое выражение в том, что температура человека в норме колеблется в очень узких пределах в течении дня (от 0,8 до 1,2° С).

Динамика этих колебаний отражает суточный (циркадианный) ритм колебаний функций активности высших животных и человека, связанный со сменой дня и ночи.

Суточный ритм и его изменения имеют большое значение для гигиены труда и проблем адаптации человека к необычным (экстремальным) условиям среды. Его изучение важно и для патологии, т.к. при многих болезнях суточное колебание температуры в той пли иной мере сохраняется. В частности, суточная температурная динамика (в различных формах) сохраняется и при лихорадке.

Практическое значение температурной кривой - отражение состояния теплового гомеостаза. Резкие нарушения ритмики у лихорадящих больных имеют существенное диагностическое - до применения лекарств - и прогностическое значение.

9.5. Что же такое лихорадка?

Лихорадка - фебрис - известна давно, со времен Гиппократа, который выделил некоторые заболевания и назвал их лихорадочными (тиф, малярия, лихорадка Паппатачи и другие). Через всю историю медицины эти заболевания и прошли под этим термином. С середины и до начала XX века лихорадка считалась болезнью, которая может протекать и без повышения температуры.

Теперь мы понимаем под лихорадкой комплекс симптомов, характеризующихся повышением температуры тела, характерной для многих инфекционных заболеваний. Т.е., повышение температуры составляет суть лихорадки. Русское название "лихо" (плохо) достаточно полно отражает состояние больного при этой патологии.

9.5.1. Этиология: инфекционные и ненфекционные воздействия, вызывающие в организме образование пирогенов (интерлейкин-1)

Повышение температуры происходит обычно при бактериальной или вирусной инфекции. Иногда высокая температура сопровождает и неинфекционные воздействия. При этом бактерии, вызывающие лихорадочное состояние, не обязательно должны быть живыми. "Пожирая" бактерии, лейкоциты вырабатывают особый белок - интерлейкин-1. Именно он, по-видимому, сообщает гипоталамусу о необходимости повышения температуры тела, увеличивая содержание простагландина Е в центре теплорегуляции гипоталамуса, что приводит к повышению установочной точки (Рис. 20). Установлено также, что аспирин доводит температуру до нормальной, подавляя образование простагландина Е в центре терморегуляции. Известно, что аспирин снижает высокую температуру, но не оказывает никакого влияния на нормальную.

9.5.2. Роль соотношения термогенеза и теплоотдачи в патогенезе лихорадки

Ранее причиной лихорадки считали увеличение теплообразования. Но еще Гален показал, что причиной лихорадки является задержка тепла в организме. Мы и теперь считаем, что это один из основных факторов. Далее многие исследователи предполагали, что одно повышение теплопропзводства лихорадку вызвать не может, необходимо еще ограничение теплопотери. Либермейстер, А.А.Лихачев, П.П.Авроров доказали с помощью калориметрической системы В.В.Пашутина, что при физической работе теплообразование повышается на 200-300%, а температура повышается незначительно.

При лихорадке теплообразование повышается на 63%, но теплоотдача запаздывает, в результате температура тела повышается до 40° С.

Позже П.Р.Веселкин показал роль смещения установочной точки в подъеме температурного гомеостаза на более высокий уровень.

9.5.2.1. Стадии лихорадки

Лихорадка развивается в 3 стадии в результате изменения соотношения теплоотдачи и теплообразования:

Подъем температуры [показать]
Происходит изменение теплорегуляции, характеризующееся следующими изменениями: резким ограничением теплоотдачи и начинающимся нарастанием термогенеза. Повышение тонуса симпатической нервной системы (активация САС) приводит к сужению поверхностных сосудов и ограничению таким образом теплоотдачи за счет испарения, излучения, конвекции. Начинается активация термогенеза как несократительного, так и сократительного. Последний начинается с жевательных мышц ("зубы стучат"), затем подключаются и другие мышцы, что сопровождается выработкой энергии. Главным в повышении температуры в этой стадии является не столько повышение теплообразования, сколько снижение теплоотдачи.
Стояние температуры на высоком уровне [показать]
Характеризуется тем, что резко возрастает теплопродукция. Увеличивается, наряду с этим, теплоотдача, но по сравнению с 1 стадией, а не с нормой. Главным образом, за счет расширения поверхностных сосудов кожи (гиперемия), потоотделение уменьшено.
Падение температуры [показать]
На полную мощность включается теплоотдача за счет расширения поверхностных сосудов и резкого повышения потоотделения, излучения, конвекции. Результатом является падение температуры: критическое (быстрое) или литическое (медленное). Последний вариант благоприятнее для больного.

Осложнения. Температурный кризис (переломный момент) может сопровождаться острой сердечно-сосудистой недостаточностью - коллапсом. Врач должен быть внимательным в связи с тем, что термообразование может оставаться повышенным.

9.6. Изменение функций ряда органов при лихорадке

Главное событие на уровне клеток - увеличение температуры до 40° С вызывает повышение текучести липидов мембран с нарушением функций белков - рецепторов, переносчиков, генерации АТФ, детоксиакции.

9.6.1. Изменение функций центральной нервной системы охватывает все образования, начиная от коры до спинного мозга и клинически проявляется:

преобладанием тормозного процесса (затормаживание реакций больного, вялость, сонливость, апатия). Изменения в нервной системе определяются не только изменениями температуры, но и другими факторами: интоксикация и т.д.;
преобладанием возбудительных процессов (описаны случаи бреда, галлюцинаций, буйства у больных брюшным тифом, крупозной пневмонией).

9.6.2. Изменение сердечно-сосудистой системы

Деятельность сердечно-сосудистой системы изменяется стадийно. Вначале отмечается учащение ритма, в большинстве случаев пропорционально подъему температуры. Наблюдается сокращение поверхностных сосудов и отлив крови к внутренним органам. Во второй стадии ритм сердца также учащен, но поверхностные сосуды могут расширяться, приводя к падению кровяного давления. В третьей стадии наблюдается снижение сердечного ритма, падение кровяного давления вплоть до коллапса.

9.6.3. Изменение дыхания проявляются в виде тахипноэ, но минутный объем не повышается, т.к. дыхание поверхностное. Вместе с тем, это один из путей компенсаторного увеличения теплоотдачи испарением.

9.6.4. Изменения пищеварительной системы связаны во многом с действием интерлейкина-1. В частности, отмечается замедление секреции соков желудочно-кишечного тракта, снижение кислотности желудочного сока, замедление перистальтики, сопровождающееся повышением всасывания жидкой части содержимого пищеварительной трубки.

9.6.5. Изменения обмена веществ

1-я стадия, в основном, проявляется ускорением окислительных процессов. В целом отмечается повышение катаболизма в начале и дезорганизации метаболизма в конце с нарушением резистентности организма к действию стресс-факторов. Белковый обмен характеризуется отрицательным азотистым балансом, т.е. превышением выведения азота из организма над его поступлением. Искусственное увеличение поступления белка не нормализует азотистый баланс, который в 3-й стадии возвращается к норме. Углеводный обмен характеризуется увеличением распада депо глюкозы - гликогена. Липиды также мобилизуются из депо с образованием неэстерифицированных жирных кислот - энергетического материала.

Для 3-й стадии характерна резкая потеря с потом воды и минеральных веществ. Вначале развивается изотоническая, затем гипотоническая гипогидратация.

9.7. Биологическая роль лихорадки

В процессе эволюции лихорадка выработалась как защитный механизм, но она может носить и патологический характер при повышении температуры до цифр, при которых отмечается существенное повышение текучести липидов биомембран клеток.

Лихорадят ли холоднокровные? Американскому исследователю доктору М.Дж.Клюгеру удалось подтвердить защитную роль лихорадки экспериментально. Для своих опытов исследователь использовал холоднокровных животных, температура тела которых изменяется легко - она адаптируется к температуре окружающей их среды. Крупная ящерица (длина без хвоста до 15 см) игуана в естественных условиях может изменить температуру своего тела в диапазоне от 15° С ночью до 29-50° С днем в зависимости от того, находится она в тени или на солнце.

В лаборатории был создан климатический режим, близкий тому, который игуана может найти у себя в пустыне. В разных местах клетки и в соответствии со временем суток лампы включались таким образом, что ящерица могла выбрать для себя нужную ей температуру. Крохотный термометр в прямой кишке игуаны позволял все время следить за температурой ее тела. Здоровые ящерицы перемещались в различных "микроклиматах", которые были в их распоряжении, и поддерживали свою температуру неизменно на уровне 38-39° С.

А как будут вести себя больные ящерицы? Игуаны были заражены бактериями, вызывающими воспаление лап. В этом случае ящерицы стали выбирать место в клетке потеплее и их температура повысилась до 40-42° С. Другими словами, они специально вызывали у себя жар.

Сразу же возник вопрос: было ли это для них полезно? Ответ дал следующий несложный эксперимент. Игуаны были помещены в 5 ящиков, каждый из которых имел постоянную температуру: 34 и 36° С - низкая температура, но все же для игуан в пределах нормы: 38° С - норма: 40 и 42° С - выше нормы.

Спустя три дня 96% ящериц, содержащихся при самой высокой температуре, были живы. В ящиках с нормальной температурой выжили 34% животных, а в ящиках с температурой 34° С - лишь 10%.

Другими словами, высокая температура помогла животным противостоять инфекции. Конечно, можно было бы сказать, что высокая температура тормозит деление бактерий. Это действительно так. Ученые, (в частности, доктор А.Львов из Пастеровского института в Париже) давно показали, что некоторые инфекционные организмы воспроизводятся при повышенной температуре медленнее, чем при нормальной (бактериостатическое действие). Однако есть основания считать, что помимо этого, при повышении температуры активизируются многие компоненты гомеостаза: увеличивается производство фагоцитов и Т-лимфоцитов-хелперов под влиянием интерлейкина-1, уменьшается количество микроэлементов (в частности, железа), необходимых инфекционным микроорганизмам. Этот последний феномен наблюдался и другими учеными. Кроме того, лихорадка вызывает и стресс-синдром.

Вывод: Задачей врача является оценка состояния больного в данное время. Неверно очень частое стремление обязательно снять высокую температуру. Для обоснования положения о том, что лихорадка больного человека отличается прежде всего тем, что он регулирует свою температуру на более высоком уровне, можно привести следующие данные:

Лихорадящий больной, как и здоровый, при помещении в холодную ванну дрожит.
Повышение температуры тела при лихорадке не зависит прямо от температуры окружающей среды, а может наблюдаться и при повышении, и при понижении температуры окружающей среды.
При лихорадке температура, поднявшись до определенного значения, продолжает длительно оставаться на этом уровне, даже если теплообразование остается высоким. Это свидетельствует о том, что теплообразование и теплоотдача уравновешиваются и температура устойчиво регулируется на новом уровне.

9.8. Различия между лихорадкой и перегреванием

Общее - повышение температуры тела.

Различия:

Лихорадочная реакция не зависит от температуры окружающей среды, т.е. тeпловой гомеостаз сохранен.
При лихорадке наблюдается активное повышение температуры, т.к. под влиянием пирогенов смещается установочная точка. Перегревание же пассивно, тепловой гомеостаз нарушен и когда температура тела повышается вследствие повышения температуры окружающем среды. Это уже не защитное явление, а следствие слома терморегуляционной системы. Причиной перегревания может быть длительное пребывание в среде с более высокой температурой или затруднение процессов теплоотдачи (работа в скафандре).
Лихорадка оказывает защитное действие, перегревание - нет.

9.9. Применение лихорадки с лечебной целью

Используется для перевода хронического процесса в острый (стрессор). Например, искусственная лихорадка используется при лечении таких хронических, вялотекущих инфекции как дизентерия, гонорея. С этой целью вводят готовый пироген, либо вызывают воспаление (внутримышечное введение молока, аутокрови). Во всех варианатах общим звеном является усиление образования интерлейкина-1.