Tajemnice cielesnego termostatu: co dla organizmu oznacza upał

Przy zbyt niskich lub bardzo wysokich temperaturach otoczenia czujemy się gorzej. Organizm usilnie wtedy walczy o utrzymanie warunków wewnętrznych na mniej więcej wyrównanym poziomie, aby komórki i narządy mogły prawidłowo funkcjonować. Pomaga w tym pocenie. Parowanie wody z powierzchni skóry jest bowiem najefektywniejszym mechanizmem wymiany cieplnej pomiędzy wnętrzem ustroju a otoczeniem. To dlatego natura hojnie obdarzyła nas gruczołami potowymi, aby ciało się nie przegrzewało. Łącznie posiadamy ich 2–3 mln, a na 1 cm² skóry może być w niektórych okolicach nawet 200.

Temperatura wewnętrzna człowieka powinna wynosić mniej więcej 37°C. Opublikowane w połowie czerwca w czasopiśmie „Brain” spostrzeżenia naukowców zadają kłam poglądom, że w całym naszym ciele jest ona taka sama, bo okazuje się, że mózg ma ją przeciętnie o 2°C wyższą (w dodatku nie jest to wartość stała, bo zmienia się w zależności od pory dnia, wieku, płci, a u kobiet nawet cyklu miesięcznego). Niektóre z głęboko położonych struktur mózgu mogą rozgrzewać się nawet do ponad 40°C, choć mogłoby się wydawać, że grozi to denaturacją białek w neuronach i towarzyszących im komórkach glejowych, a także zaburza aktywność enzymów, też przecież będących białkami.

– Za najbardziej komfortową dla człowieka temperaturę otoczenia uważa się ok. 21°C. Wtedy organizm oddaje nadwyżkę ciepła, czyli energię pozyskiwaną np. z pokarmu, w sposób dla nas nieodczuwalny – tłumaczy prof. dr hab. Krystyna Koziec z Katedry Fizjologii i Endokrynologii Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Przy temperaturze otoczenia przekraczającej 21°C z podwzgórza zlokalizowanego głęboko w mózgu wędruje do gruczołów potowych rozkaz, by nasiliły swoją pracę. Aż 99% potu stanowi woda. Występują w nim również: sód, potas, chlorki, wapń, magnez, a także węglowodany, tłuszcze, mocznik, kwas mlekowy – w proporcjach zależnych od diety, warunków klimatycznych, hormonów oraz współistniejących chorób. Skład potu ma związek z rodzajem gruczołów. Te, które regulują temperaturę ciała i rozsiane są na całym ciele (choć głównie na dłoniach i podeszwach), nazywamy gruczołami ekrynowymi. Wydzielają one samą wodę z dodatkiem soli. Natomiast pod pachami, w pachwinach, okolicy brodawek sutkowych i pępka znajdują się gruczoły apokrynowe. Uaktywniają się dopiero w okresie pokwitania i nie uczestniczą w termoregulacji, lecz reagują na bodźce hormonalne i emocjonalne, jak stres czy strach. Pot apokrynowy zawiera kwasy tłuszczowe i białka, które są doskonałą pożywką dla bakterii. Stąd bierze się nieprzyjemny jego zapach – pochodzi on z produktów przemiany materii drobnoustrojów, które odżywiają się nim na ludzkiej skórze.

Podczas wysiłku fizycznego w umiarkowanej temperaturze traci się poprzez pocenie średnio 1–1,5 l płynów na godzinę. Jeśli aktywność o podobnym natężeniu będzie się odbywać w upale i przy wysokiej wilgotności, tempo tej utraty może się podwoić. Wilgotniejsze powietrze hamuje odparowanie potu z ciała, dlatego odczucie gorąca w takich warunkach się nasila. Jak wyjaśnia prof. Krzysztof Błażejczyk, klimatolog i autor licznych opracowań z zakresu bioklimatologii, gdy powietrze jest przesycone wilgocią, to przestaje odbierać wodę z parującego ciała. Dlatego pocenie nie przynosi w takich warunkach ulgi, bo organizm nie jest w stanie oddać nadmiaru ciepła, które sam wytwarza.

Ale nie tylko skwar i wysiłek fizyczny stymulują nadmierną utratę potu. Może być ono oznaką: cukrzycy, nadczynności przysadki lub tarczycy, niektórych chorób nowotworowych albo zwykłej infekcji z gorączką. Wzmożona potliwość jest utrapieniem przede wszystkim osób chorujących na tzw. hiperhydrozę (nadpotliwość) z winy wadliwego funkcjonowania zakończeń nerwowych pobudzających gruczoły potowe. Pierwszy trymestr ciąży oraz otyłość to już bardziej fizjologiczne czynniki stymulujące pocenie.

Innym elementem termoregulacji jest też regulacja przepływu krwi. Rozszerzenie naczyń krwionośnych pozwala efektywniej oddawać ciepło na zewnątrz. To dlatego podczas upałów wielu osobom czerwienieją twarze.

Strażnicy równowagi termicznej

Co zabezpiecza organy wewnętrzne przed przegrzaniem, ale też przed wyziębieniem? Otóż takim termostatem i centrum dowodzenia jest wspomniane wcześniej podwzgórze, które decyduje, czy np. uruchomić drżenie mięśniowe albo obkurczyć naczynia krwionośne. Odbiera ono sygnały wysyłane przez znajdujące się w skórze termoreceptory, czyli wolne zakończenia komórek nerwowych. Dodatkową informację niesie temperatura przepływającej przez podwzgórze krwi.

– Tylna część podwzgórza odpowiada za zatrzymywanie ciepła, czyli reaguje na wychłodzenie organizmu. Natomiast przednia aktywizuje szlaki nerwowe, które uwalniają ciepło, gdy doskwiera upał – mówi prof. Koziec. I precyzuje, że w każdym z tych procesów uczestniczą endogenne peptydy opioidowe, które w zależności od odbieranej temperatury otoczenia zmieniają w podwzgórzu tzw. set-point, czyli regulator komfortu cieplnego (można porównać go do włącznika termostatu). Gdy na zewnątrz jest gorąco – set-point wzrasta; gdy zimno – obniża się, co zauważono po raz pierwszy u rdzennych mieszkańców Australii, którzy śpiąc na wychłodzonej ziemi w czasie zimy, mieli automatycznie niższą temperaturę ciała. Właśnie dzięki endogennym opioidom i niższej wartości wewnętrznego termostatu organizm oszczędza energię.

Uwaga na upał!

Wraz z potem tracimy wodę, sód i inne elektrolity. Choć więc pocenie może zwiększyć nawet dziesięciokrotnie oddawanie nadmiaru ciepła, trzeba uważać na ryzyko odwodnienia. Podczas upałów wszyscy, niezależnie od stanu zdrowia, powinni o tym pamiętać. W przeciwnym razie może dojść do omdlenia, czyli krótkotrwałej utraty przytomności, którą mogą poprzedzać zawroty głowy, zaburzenia widzenia (charakterystyczne ciemne mroczki przed oczami), kołatanie serca i nudności. Ryzyko omdleń jest największe w wieku 15–25 lat, a następnie po 70. roku życia. Można temu zapobiec w następujący sposób: nie męczyć się w upale, przyjmować odpowiednie ilości płynów, zapobiegać spadkom poziomu cukru, czyli nie głodować, i unikać stania w dusznych pomieszczeniach. Dlaczego ryzyko omdleń wzrasta u osób starszych? Między innymi dlatego, że z wiekiem mniej się pocimy, a u seniorów ośrodek pragnienia nie działa tak dobrze jak za młodych lat – powinni więc pić wodę w niewielkich porcjach, ale często i zanim poczują na to ochotę. [Co robić w razie zasłabnięcia, przedstawiamy w ramce - przyp. red.].

– W upale wszyscy czujemy się gorzej, szybciej się męczymy, bo cały wysiłek nakierowany jest na utrzymanie stałej temperatury ciała. Osłabienie zniechęca więc do wysiłku fizycznego i chroni przed niepotrzebnym wzrostem temperatury krwi – zauważa prof. Krystyna Koziec. Oto fizjologiczne uzasadnienie sjesty, którą urządzają sobie mieszkańcy południa Europy, aby odpocząć od najdotkliwszego upału w środku dnia. Ucinają sobie drzemkę i… trawią to, co zjedli.

Najliczniejsza grupa zagrożonych upałami to chorzy na serce, nerki, z nadciśnieniem, problemami oddechowymi i cukrzycą. Wysokie temperatury sprzyjają wzrostom poziomu cukru, co wymaga nieraz zwiększonych dawek insuliny, by uniknąć omdleń. Zmiany w dawkowaniu leków odwadniających powinni mieć na uwadze również pacjenci z nadciśnieniem. A chorujący na serce lub przewlekłą niewydolność nerek muszą pamiętać, że wzmożone pocenie narusza równowagę trzech najważniejszych z punktu widzenia ich terapii pierwiastków – sodu, potasu i fosforu – więc także może być potrzebna korekta w dawkowaniu leków. Oczywiście zawsze wymaga to konsultacji z lekarzem!

Ruletka z hormonami

Jak już wspomniano, z wiekiem organizm wydziela mniej potu. Ale jeszcze podczas menopauzy, gdy w organizmie obniża się poziom estrogenów, jego produkcja może być nasilona. Przekwitanie to proces fizjologiczny, lecz pełen odczuwalnych przez kobiety reperkusji, a uderzenia gorąca i nadmierna potliwość należą do szczególnie dotkliwych (skarży się na nie prawie 70% Europejek). Oblewający pot i charakterystyczny rumieniec na twarzy trwają tylko kilka minut, ale mogą się wielokrotnie powtarzać w ciągu dnia i nawet kilka razy nocą. Przyczyny tego chaosu termicznego są tylko częściowo wyjaśnione, choć sam mechanizm dość oczywisty: przegrzany organizm stara się ochłodzić, więc naczynia krwionośne w pobliżu skóry rozszerzają się, aby rozproszyć ciepło, a z naskórka zaczyna parować woda. Jednak skąd bierze się to przegrzanie – czy winien jest jedynie spadek poziomu estrogenów? Kobiety, którym usunięto jajniki, doświadczają identycznych dolegliwości, a hormonalna terapia zastępcza redukuje nadmierną potliwość, co wskazuje na to, że deficyt hormonów odgrywa tu pierwszorzędną rolę. Dlaczego w takim razie Azjatki podczas menopauzy dużo rzadziej zgłaszają identyczne problemy – czy różnica ta wynika z diety (częściej przyjmują fitoestrogeny w postaci soi), uwarunkowań genetycznych, a może z obu tych przyczyn jednocześnie?

Niestety nie udało się do tej pory w przekonujący sposób wyjaśnić, jaki może być wpływ braku estrogenów na ośrodki termoregulacyjne w podwzgórzu. I co takiego się dzieje, że po pewnym czasie dolegliwości te mijają same (choć hormonalna terapia zastępcza, obarczona ryzykiem rozmaitych skutków ubocznych, akurat najlepiej sprawdza się w zapobieganiu tym problemom). Jedna z hipotez mówi o wyższym poziomie noradrenaliny, mogącej odgrywać rolę w indukowaniu tych nieprzyjemnych odczuć – a jest to przecież hormon, który obok tyroksyny i adrenaliny uczestniczy w reakcjach zwiększających wytwarzanie ciepła.

Przegrzane zwierzęta

– Zwierzęta podczas upałów lub chłodu reagują różnie. Jeśli jest zimno, jedne odpowiednio układają pokrywę włosową, aby wiatr nie dochodził bezpośrednio do skóry, a inne się kulą, żeby nie oddawać ciepła – mówi prof. Krystyna Koziec. W lecie zwierzęta się pocą, ale nie wszystkie. Pozostaje im dyszenie. – Wydychają przez pysk gorące powietrze i kropelki wody wraz ze śliną, co widoczne jest szczególnie u psów – objaśnia prof. Koziec.

Bydło też traci ciepło ze śliną, choć ma na skórze bardzo dużo gruczołów potowych. Za to owce – bardzo mało; dlaczego więc te obrośnięte futrem nie padają z przegrzania? Dzięki istnieniu tzw. przeciwprądowego mechanizmu wymiany ciepła. – Owca ma długi pysk, w którym są specjalne komory, gdzie może nastąpić ogrzanie bądź ochłodzenie powietrza. Jeśli wdychane jest cieplejsze niż we wnętrzu jej ciała, od razu ulega ochłodzeniu – tłumaczy nasza ekspertka. Ponadto owce mają cienkie nogi, pozbawione futra. Żyły i tętnice w kończynach leżą bardzo blisko siebie, co umożliwia oddawanie ciepła z krwi tętniczej do krwi żylnej i warunkuje lepsze wyrównanie temperatury krwi wewnątrz organizmu zarówno latem, jak i zimą.

Za zimno

Ponoć łatwiej poradzić sobie z wysokimi temperaturami niż z zimnem, chociaż skwar może być tak samo zabójczy jak mróz. Kiedy robi się nam bardzo zimno, krążąca krew z odsłoniętych części skóry przesuwa się do wnętrza organizmu, poniżej warstwy tłuszczu. Bieleją wtedy np. dłonie. Obniżenie temperatury krwi pobudza układ współczulny i przyspiesza metabolizm mięśni oraz tkanki tłuszczowej. To kolejne dwa kluczowe elementy, bez których trudno wyobrazić sobie zachowanie prawidłowej termoregulacji, czyli wytwarzania takiej ilości energii, jaka jest niezbędna do utrzymania odpowiedniej temperatury wewnętrznej organizmu, niezależnej od temperatury otoczenia. Na tym polega stałocieplność – charakterystyczna dla ssaków, ale też dla ptaków – dzięki którym mogą zachować aktywność w różnych porach roku. I żyć w różnych strefach klimatycznych.

– Tkanka tłuszczowa to nie tylko nasz izolator – zapewnia prof. Koziec, przekonując, że niefortunnie postrzegamy ją jako wyłącznie coś złego i zbędnego. Byłoby nam bez niej zawsze bardzo zimno. – Dlatego arktyczna dieta rdzennych mieszkańców Północy oparta jest na produktach wysokotłuszczowych. Nie chodzi już nawet o mięso, ale o sam tłuszcz pochodzący od ssaków morskich, np. fok i wielorybów. Zresztą one również mają bardzo dobrze rozwiniętą tłuszczową tkankę podskórną, która pozwala im przeżyć w zimnych akwenach – u wielorybów jest to nawet ponad 30 cm grubości, czyli 25–30% masy ciała.

Twarze ludzi przyzwyczajonych do zimna za kołem podbiegunowym zdradzają tę samą cechę – są charakterystycznie zaokrąglone dzięki grubszej warstwie podskórnego tłuszczu, ponieważ jego naturalne spalanie niweluje poczucie zimna. Osoby z anoreksją w polarnych warunkach nie mogłyby przeżyć, bo podczas gwałtownego odchudzania tracą tkankę tłuszczową, znacznie częściej marzną, mają gęsią skórkę i dreszcze. W ten sposób organizm broni się przed utratą ciepła.

Osobliwa nazwa gęsiej skórki bierze się stąd, że w efekcie skurczu drobnych mięśni przywłosowych, umiejscowionych u podstawy mieszków, na skórze pojawiają się drobne uwypuklenia, przez co przypomina ona skórę oskubanej gęsi. To ewolucyjny spadek po naszych przodkach, którzy byli dużo bardziej owłosieni i nastroszenie włosów na ciele (u współczesnych Homo sapiens zwłaszcza na przedramionach i udach) tworzyło specyficzny izolator termiczny chroniący przed zimnem. – Mechanizm ten nadal się sprawdza u zwierząt pokrytych gęstą sierścią, ponieważ najeżone futro doskonale chroni je przed stratami ciepła – uzupełnia prof. Koziec.

Gdy to zawodzi, ciało zaczyna dygotać z zimna, mięśnie kurczą się i w ten sposób wydzielają ogromne ilości ciepła. Dreszcze mogą pojawiać się też przy wysokiej gorączce, ale z reguły mają wtedy inne przyczyny i skutki. Charakterystyczne dzwonienie zębami na mrozie to również efekt niekontrolowanego napinania oraz rozluźniania najmniejszych mięśni, które w wyniku skurczu włókien wytwarzają ciepło. W niskiej temperaturze nie mamy nad nimi kontroli, w związku z tym kurczą się samoistnie, wprawiając w drgania różne okolice ciała. – Organizm ratuje się, jak może – mówi fizjolog. – Sam wymusza pracę mięśni, wywołując drżenie komórek, które powodują wzrost temperatury ciała.

Przy narażeniu na chłód organizm wytwarza więc ciepło na drodze termogenezy drżeniowej – mięśnie przyspieszają swoją aktywność, a zużycie tlenu i glukozy zwiększa się w nich wtedy aż pięciokrotnie. Niemal równolegle do tych procesów zachodzi termogeneza bezdrżeniowa, związana z układem hormonalnym. Dochodzi do pobudzenia układu współczulnego i uwalniania m.in. noradrenaliny wzmagającej metabolizm mięśni oraz tkanki tłuszczowej. Ale pojawia się też zwiększone wydzielanie hormonów tarczycy – głównie przyspieszającej metabolizm tyroksyny. Ponieważ potrzeba na to więcej tlenu, stąd szybsza praca mięśni, przyspieszone bicie serca i w efekcie wytwarza się ciepło, które podnosi temperaturę wewnętrzną, by nie było nam zimno.