Organizm człowieka jest stałocieplny, co oznacza, że dla zachowania funkcji życiowych i właściwego przebiegu procesów fizjologicznych, warunki wewnątrz ciała powinny być utrzymane na względnie stałym poziomie. Jeżeli środowisko zewnętrze znacząco się zmienia, muszą zostać uruchomione procesy dostosowawcze, czyli właśnie termoregulacja. W zimnym otoczeniu ma ona redukować lub spowolnić utratę ciepła z organizmu, a w ciepłym – prowadzić do jego schłodzenia. Im lepiej jesteśmy zaadoptowani i „wytrenowani”, tym termoregulacja działa sprawniej, a nasz organizm lepiej przystosowuje się do zmian pogody.
AUTOR: Joanna Wieczorek IMGW-PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego, Zakład Analiz Meteorologicznych i Prognoz Długoterminowych
Ciało człowieka odbiera bodźce termiczne głównie przez receptory zlokalizowane w warstwach skóry. Stanowią one zakończenia nerwów czuciowych, które przesyłają odebrane impulsy bezpośrednio do ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Termoreceptory nie potrafią wskazać precyzyjnie jaką wartością można opisać warunki w otoczeniu, natomiast analizują czucie zimna lub ciepła oraz kierunek ich zmiany. Po wyjściu z pomieszczenia (warunki komfortowe) jeszcze przez dłuższy czas możemy oceniać obecne warunki jako mniej obciążające i na przykład bagatelizować chłodzący wpływ środowiska. Dopiero po kilku minutach, gdy temperatura powierzchni skóry ulegnie zmianie, może pojawić się odczucie chłodu. Zwykle największe zmiany temperatury powierzchni skóry, zwłaszcza nieosłoniętych części ciała, następują w pierwszych 15 minutach ekspozycji. Natężenie tych zmian modyfikowane jest głównie przez kontrast pomiędzy warunkami początkowymi (komfortu) a warunkami, do których układ termoregulacji musi dostosować reakcje organizmu, ale również przez inne elementy meteorologiczne oraz indywidualne cechy każdego człowieka.
Regulacją ciepłoty ludzkiego ciała steruje podwzgórze, które znajduje się w centralnej części mózgu człowieka. W tych złożonych procesach fizjologicznych ważną rolę odgrywają również hormony tarczycy, ponieważ zarządzają naszym metabolizmem. Co jednak istotne, mechanizmy fizjologicznej termoregulacji są efektywne tylko w ograniczonym zakresie, tj. 37±2 st. Celsjusza. Jeśli organizm zaczyna się szybciej chłodzić lub przegrzewać, to by powstrzymać dalszy spadek lub wzrost wewnętrznej temperatury ciała potrzebne są dodatkowe działania wspomagające, jak zmiana behawioru (np. zestawu odzieży, poziomu aktywności fizycznej, wspomagania rozgrzewającymi lub chłodzącymi napojami), miejsca pobytu lub ingerencja z zewnątrz.
Termika kontrolowana
Ciało człowieka pozostaje w relacji (również cieplnej) z otaczającym go środowiskiem. Choć często żyjemy w warunkach kontrolowanych lub częściowej izolacji od świata zewnętrznego, to warto zdać sobie sprawę, że nasz organizm każdego dnia prowadzi wymianę ciepła między swoim wnętrzem a najbliższym otoczeniem. Można ją w opisać w uproszczony sposób procesami fizycznymi, takimi jak: promieniowanie, przewodzenie (przy kontakcie bezpośrednim), konwekcja (unoszenie ogrzanych, cieplejszych porcji powietrza w przypowierzchniowej warstwie skóry) i parowanie (potu bądź z wilgotnej powierzchni przykrywającej skórę). W zależności od warunków pogodowych zachodzą one z różną intensywnością, stąd ich znaczenie zmienia się również sezonowo.
Co z ciepłem gdy „zimno”?
W okresie jesiennym i zimowym bardzo duże znaczenie ma konwekcja, czyli unoszenie cieplejszych niż otoczenie porcji powietrza. Konwekcja jest istotnie modyfikowana przez przepływ powietrza – im większa jest prędkość wiatru, tym większy będzie ochładzający wpływ tego procesu. Co ciekawe, największy przyrost strat ciepła z organizmu obserwuje się w przedziale prędkości wiatru słabego i umiarkowanego (3-8 m/s). Ruch powietrza wzmagać będzie również parowanie (o ile w powietrzu atmosferycznym występować będzie deficyt wilgotności), choć w chłodnej porze roku straty dotyczyć będą głównie tych na odparowanie wilgoci w porcjach wydychanego powietrza. Chyba, że zastosujemy odzież o zbyt wysokiej, w stosunku do panujących warunków, izolacyjności termicznej i dojdzie do odparowania potu. Ale nawet wówczas nie będą to bardzo duże straty energii, bowiem w warunkach chłodnej połowy roku deficyt wilgotności – ze względu na ograniczone parowanie – jest zazwyczaj niewielki. Większym problem jest utrata ciepła przez przewodzenie, które wzrasta proporcjonalnie, w zależności od różnicy temperatury pomiędzy ciałem a powietrzem, innym ciałem lub cieczą, z którym styka się powierzchnia skóry. W przypadku kontaktu z wodą lub wilgotną odzieżą straty mogą być znaczące, a to ze względu na większą pojemność cieplną wody. Z tego powodu osoba mająca na sobie zamoczone ubranie ulegnie wychłodzeniu znacznie szybciej niż osoba w suchej odzieży przebywająca w takich samych warunkach termicznych.
Ciepło, cieplej
Latem, ze względu na wielkość strumienia ciepła, parowanie jest najważniejszym sposobem wymiany ciepła pomiędzy ciałem człowieka a jego otoczeniem. Pot parujący z powierzchni skóry pozwala usunąć znaczne ilości energii cieplnej z organizmu, chroniąc go w ten sposób przed przegrzaniem. Parowanie jest najefektywniejsze, jeśli występuje znaczny niedosyt wilgotności, czyli powietrze wokół ciała jest suche i może pomieścić więcej pary wodnej oraz gdy występuje dobre przewietrzanie, czyli porcja nagrzanego powietrza jest szybko usuwana znad powierzchni ciała i może być zastąpiona przez kolejną porcję. Natomiast jeśli temperatura powietrza lub otoczenia zaczyna znacznie przekraczać temperaturę powierzchni skóry, gdy dodatkowo ustaje przewietrzanie, a ciśnienie pary wodnej i wilgotność powietrza są wysokie, to ciało zamiast schładzać się, ulega przegrzaniu. Sytuacja jeszcze się pogarsza, kiedy ustaje transfer w postaci rozpraszania i przekazywania nadmiaru wewnętrznego ciepła poprzez parowanie, a dodatkowo zawarta w powietrzu para wodna zaczyna się kondensować (skraplać) na powierzchni ciała. Zahamowanie parowania potu może nastąpić również z przyczyn wewnętrznych, na przykład ze względu na postępujące odwodnienie organizmu lub wyczerpanie gruczołów potowych (niewłaściwa gospodarka elektrolityczna – więcej w temacie przeczytaj tu: https://biometeo.imgw.pl/docs/odwodnienie_nie_daj_sie.pdf)
W gorącym środowisku ciało może również przyjmować (na drodze przewodzenia) ciepło z otoczenia. Wspomnianego efektu można doświadczyć podczas pobytu w saunie. W saunie parowej (o dużej wilgotności powietrza) stosuje się zdecydowanie niższe nastawy temperatury powietrza niż w saunie suchej, by finalnie osiągnąć podobny efekt fizjologiczny u użytkownika, tj. wzrost częstości skurczy serca i w efekcie szybsze krążenie krwi w krwioobiegu oraz przenoszenie ciepła. Warto zauważyć, że do sauny wchodzimy zwykle na ograniczony czas i kontrolując swoje samopoczucie. Zdecydowanie gorzej jest, gdy pozostajemy przez dłuższy czas w niekorzystnych dla nas – bo obciążających serce – warunkach środowiska, szczególnie gdy bagatelizujemy ostrzeżenia o upale.
Fizjologiczne dostosowanie
A jakie zmiany fizjologiczne zachodzą w naszym ciele w reakcji na pobyt w zimnym lub gorącym środowisku? U wszystkich podobne i zwykle niezależne od nas. Często również poza naszą świadomością. Może jedynie próg, przy którym zmiany występują (choćby dobrze znana „gęsia skórka”) jest w niewielkim stopniu modyfikowany genetycznie oraz zależny od poziomu adaptacji (np. inny u mieszkańca i turysty).
Ochrona organizmu przed utratą ciepła i obniżeniem temperatury wnętrza ciała:
– Skurcz naczyń włosowatych skóry i śluzówek – najpierw w częściach peryferyjnych.
– Skurcz mięśni przywłośnych – „gęsia skórka” (reakcja pilomotoryczna).
– Termogeneza drżeniowa – mimowolne szybkie kurcze włókien mięśniowych mięśni szkieletowych = dreszcze.
– Nasilenie produkcji ciepła metabolicznego – np. wytwarzanie ciepła w brunatnej tkance tłuszczowej.
Ochrona organizmu przed nadmiarem ciepła i wzrostem temperatury wnętrza ciała:
– Rozszerzenie skórnych naczyń krwionośnych – obniżenie ciśnienia tętniczego i wzrost objętości krwi krążącej (najszybsza reakcja w częściach peryferyjnych i w skórze głowy w celu ochrony mózgu).
– Wzrost zawartości wody w skórze – lepsze przewodnictwo i stymulacja pocenia.
– Uruchomienie gruczołów potowych – odparowanie potu jest najbardziej efektywnym procesem utraty nadmiaru ciepła.
– Zmiany respiracji i krążenia – wzrost częstości oddechów i tętna.
– Obniżenie poziomu metabolizmu (sterowanie hormonalne) – wolniejszy przebieg procesów trawienia, a ponadto obniżenie łaknienia.
Wspomaganie fizjologii behawiorem
Procesy związane z naszą wewnętrzną termoregulacją zawsze możemy i powinniśmy wspomagać swoim behawiorem, czyli zachowaniem i wyborami. Bywa, że takie łączne działanie okazuje się wystarczające, aby wewnętrzna temperatura ciała oraz najważniejszych organów i mózgu nie wzrosła lub nie spadła poniżej bezpiecznej granicy 37±2 st. Celsjusza.
W „środowisku zimnym” zadbajmy o dobre przygotowanie energetyczne – odzież o właściwej izolacji termicznej, ciepły posiłek lub napój. Gdy jesteśmy już na zewnątrz możemy niwelować chłodzący wpływ wiatru, osłaniając się od niego i kuląc (ewentualnie znajdźmy powierzchnię lub ciało, które będą nam nieco tego ciepła przewodzić). Sposobem na uzyskanie dodatkowego ciepła jest również aktywność fizyczna, ale niezbyt duża, by wydatek energetyczny poniesiony przez organizm nie przewyższył zysków z produkcji energii w mięśniach. Najważniejsze to pobudzać i utrzymywać mikrokrążenie w palcach dłoni, stóp i odsłoniętych częściach ciała, te bowiem najszybciej ulegają wychłodzeniu i narażone są na odmrożenia. By dobrze przygotować się na wyjście najlepiej sprawdzić wcześniej, jaka jest temperatura odczuwalna.
W „środowisku gorącym” powinniśmy zadbać o osłonę przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym. Istotny jest również wybór odpowiedniej odzieży – powinna być jasna (odbija więcej promieniowania słonecznego i dlatego wolniej się nagrzewa) oraz z materiałów lekkich i przewiewnych. Nie zakłócą one możliwości odparowania potu, a odzież zabezpieczy skórę przed niekorzystnym działaniem promieniowania Bardzo duże znaczenie ma aktywność fizyczna – jeśli w środowisku obciążającym będzie nadmierna (a w skrajnych warunkach termiczno-wilgotnościowych nawet każda poza odpoczynkiem), spowoduje znaczne obciążenie serca i przyrost produkcji energii, z której usunięciem na zewnątrz procesy fizjologiczne mogą nie być w stanie sobie poradzić. Utrzymywanie właściwego nawodnienia, a także schładzanie organizmu napojami (choć nie bardzo zimnymi, by kontrast nie był znaczny, a organizm nie musiał wytworzyć dodatkowej energii i ciepła na podgrzanie płynu zanim ten trafi do żołądka) ma kluczowe znaczenie dla termoregulacji. W suchym i gorącym klimacie warto korzystać z kurtyn wodnych, ale tylko do czasu, gdy występuje przewietrzanie i obserwujemy parowanie z powierzchni skóry oraz gdy skóra nie staje się zbytnio przesuszona i zaczerwieniona – bowiem wówczas może dojść do jej uszkodzenia (rezultat podobny, jak przy spierzchniętych ustach w okresie zimowym).
Jeszcze zimno czy już ciepło?
Obciążenie cieplne organizmu a odczucia termiczne to dwie różne kwestie – te drugie są bardzo subiektywne. Wiele zależy od czynników osobniczych związanych z wiekiem, stylem życia, stanem zdrowia czy przygotowaniem na aktualnie panujące warunki. Dlatego w tym samym środowisku jednej osobie może być jeszcze zimno, poniżej strefy komfortu, podczas gdy drugiej będzie już ciepło. Nasza percepcja może ponadto zmieniać się zależnie od warunków termicznych, jakie poprzedzały te obecnie występujące. A ponieważ nasz odbiór warunków termicznych jest w znacznym stopniu kształtowany przez zespół powiązanych ze sobą elementów meteorologicznych (temperatura i wilgotność powietrza, prędkość wiatru, strumień promieniowania słonecznego), to lepszym sposobem oceny aktualnie panujących warunków termicznych będzie weryfikacja temperatury odczuwalnej niż temperatury powietrza.
Nie zmarznij ani się nie przegrzej
W praktyce chcąc uniknąć niepotrzebnego wychłodzenia lub przegrzania organizmu, zdecydowanie lepiej jest ocenić, jaki będzie bilans cieplny naszego ciała w danych warunkach meteorologicznych. Czyli czy dostawa energii (w postaci promieniowania słonecznego, ciepła generowanego przez nasze mięśnie lub metabolizm) będzie przewyższać i niwelować straty energii i ciepła wynikające z odparowania potu, przewodzenia, oddychania oraz unoszenia nagrzanych porcji powietrza znad powierzchni skóry. Jeśli bilans będzie ujemny, to bez wzrostu natężenia procesów fizjologicznych i zastosowania dodatkowych działań wspomagających ciało będzie się sukcesywnie wychładzać – mimo że w określonym przedziale czasu możemy jeszcze pozostawać przy subiektywnym odczuciu „ciepło”. Gdy nasze odczucia nagle zaczynają ulegać zmianie, jest to sygnał, że najwyższy czas coś zmienić i to od razu; rozpoczynając od zmian behawioru, o których była mowa wcześniej.
Najlepszym sposobem zadbania o termiczny komfort jest przewidywanie warunków, jakie mogą panować w okresie naszych aktywności. I tu z pomocą przychodzą prognozy wskaźnika oceny obciążenia cieplnego organizmu UTCI, które codziennie są publikowana na stronie Biometeo.
Oprac. Joanna Wieczorek | Centrum Modelowania Meteorologicznego, Zakład Analiz Meteorologicznych i Prognoz Długoterminowych, IMGW-PIB.
Zdjęcie główne: Ilse Orsel | Unsplash.
