Czy musi być tak zimno?!

Doświadczenie 1

Przygotuj garnek z wodą o temperaturze 37°C oraz pojemnik na mocz z wodą o temperaturze 41°C (użyj elektronicznego termometru). Zanurz całą dłoń w garnku z wodą, a w pojemniku na mocz tylko jeden palec. Który płyn jest cieplejszy?

Wyjaśnienie: Choć to zaskakujące, większość ludzi wskaże garnek z wodą jako ten zawierający cieplejszy płyn, co zaobserwował po raz pierwszy XIX-wieczny psycholog Ernst Heinrich Weber, testując sporą grupę ochotników. Wrażenie ciepła powstaje w mózgu, który składa w całość spływające do niego bodźce. Zanurzona dłoń bombarduje mózg licznymi sygnałami o ciepłej wodzie, mały palec, choć wystawiony na wyższą temperaturę, wysyła znacznie mniej sygnałów z niewielkiej powierzchni. Porównując oba strumienie bodźców, mózg popełnia błąd, a my ulegamy iluzji termicznej.

Doświadczenie 2

Na kuchennym stole odłóż na całą noc bawełnianą ścierkę, metalowy garnek oraz styropianowy kubek. Następnego dnia dotknij każdego z przedmiotów i sprawdź, który jest najzimniejszy.

Wyjaśnienie: Metalowy garnek wydaje się bardzo zimny, ścierka zdaje się mieć temperaturę pokojową, a styropianowy kubek sprawia wrażenie ciepłego w dotyku. Tymczasem wszystkie stały całą noc w tych samych warunkach i ich temperatura powinna być identyczna. Powinny wydawać się zimne, gdyż skóra naszych dłoni ma temperaturę ok. 33°C. Przedmioty te różni jednak przewodność cieplna – metal łatwo odprowadza energię cieplną ze skóry, termoreceptory wysyłają więc do mózgu sygnał o zimnie. Styropianowy kubek jest natomiast dobrym izolatorem termicznym – energia cieplna z naszych rąk nie rozprasza się tak łatwo, a ponieważ stale dopływa z rozgrzanego wnętrza organizmu, powstaje wrażenie wysokiej temperatury. W podobny sposób metalowe klamki zimą wydają się wyjątkowo zimne, a latem np. metalowa sprzączka pasów bezpieczeństwa nagrzana silniej niż reszta wnętrza samochodu.

Doświadczenie 3

Przygotuj 3 pojemniki na mocz. Pierwszy napełnij ciepłą (ok. 38°C) wodą (A), drugi wodą o temperaturze pokojowej (B), a do ostatniego wlej wodę o pośredniej temperaturze (C) (wystarczy zmieszać pół na pół płyny użyte do przygotowania próbek A i B). Włóż palec wskazujący jednej dłoni do pojemnika A, a drugiej do pojemnika B. Potrzymaj około minuty, po czym włóż palce wskazujące obu dłoni do pojemnika C.

Wyjaśnienie: Doświadczenie dobrze ilustruje, że nasza skóra nie jest termometrem i reagujemy jedynie na zmiany temperatury. W zimnej wodzie (B) jest aktywowanych dużo receptorów zimna, niewiele zaś receptorów ciepła. Przeniesienie palca z zimnej do letniej wody (C) to względny wzrost temperatury otoczenia, który sprawia, że uruchamiają się receptory ciepła, a odpowiedź receptorów zimna staje się słabsza niż w wodzie B. Równowaga sygnałów jest zachwiana – w efekcie odczuwamy, że woda C jest ciepła. W przypadku palca przeniesionego z A do C dzieje się dokładnie na odwrót – aktywność receptorów ciepła słabnie, aktywują się za to receptory zimna (woda C wydaje się zimna).

Doświadczenie 4

Przygotuj 3 pojemniki na mocz. Do A i C nalej ciepłej (35– 40°C) wody, do B – wody o temperaturze 5–15°C (dobierz temperatury tak, by po włożeniu palca do pojemników wrażenie było intensywne, ale po 15 s nie było czuć żadnego dyskomfortu). Wodę możesz schłodzić, trzymając ją całą noc w lodówce. Ułóż pojemniki obok siebie, zanurz jednocześnie do każdego odpowiednio palec wskazujący (A), środkowy (B) i serdeczny (C). Co czujesz?

Wyjaśnienie: Większości ludzi woda w kubku B z zimną wodą wydaje się ciepła (!) lub wręcz gorąca (doznanie będzie silniejsze, jeśli nie poruszymy palcem), aż do wrażenia bardzo nieprzyjemnego pieczenia, dyskomfortu na granicy bólu. I to mimo że żaden z pojemników z osobna nie wywołuje dyskomfortu, a ich zawartość nie zagraża zdrowiu. Jest to iluzja termiczna grilla, opisana w 1896 r. przez Torstena Thunberga, który zastosował naprzemiennie zimne i gorące pręty rusztu (w domu możemy częściowo odtworzyć ten wariant, kładąc dłoń na ułożonych naprzemiennie schłodzonych i ogrzanych do 40°C parówkach). Ale dopiero w ostatnich latach udało się częściowo wyjaśnić mechanizm tego fenomenu. Jednoczesne sygnały o gorącej i zimnej wodzie bombardują wzgórze naszego mózgu, które usiłuje przetworzyć te sprzeczne informacje i bardziej uporządkowane przesłać do kresomózgowia, które ostatecznie scala je i interpretuje jako coś nieprzyjemnego lub wręcz bolesnego (wrażenie bólu pojawia się zatem dopiero w mózgu!). I ma to pewien ewolucyjny sens. W końcu, jeśli stykamy się z czymś dziwnym, to rozsądnie jest tego nie dotykać. U ludzi z allodynią (wynik uszkodzenia układu nerwowego) interpretacja sygnałów o zmianach temperatury jest podobnie zaburzona i czują oni ból nawet przy niewielkich i dla zdrowych ludzi komfortowych jej wahaniach.

***

dr Paweł Jedynak

Popularyzator nauki i pracownik Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ w Krakowie. Bada nowe możliwości wykorzystania mikroorganizmów w biotechnologii i molekularne mechanizmy rozwoju roślin.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

elektroniczny termometr cukierniczy, pojemniki na mocz, parówki, styropianowy kubek

Niewliczone w cenę: lodówka, zamrażarka, metalowy garnek, czajnik do podgrzewania wody, ścierka

Koszt: 35 zł

Czas przygotowania: 1,5 godz. + całonocna inkubacja

***

Wiedza w pigułce

Nasza skóra naszpikowana jest mikroskopijnymi receptorami ciepła i zimna. Oprócz znanych z lekcji biologii ciałek Ruffiniego i Krausego (pełniących równocześnie liczne dodatkowe funkcje) w skórze oraz w naszych organach wewnętrznych znajduje się wiele tzw. wolnych zakończeń nerwowych. Są to po prostu aksony – wypustki komórek nerwowych reagujące na zmiany temperatury. Zmiany – bo skóra nie jest termometrem, nie informuje nas, jaka jest aktualnie temperatura, jedynie, czy ciepło jest zyskiwane, czy tracone. Oznacza to, że zmysł ten łatwo można zmylić, ponadto ocena warunków ma bardzo indywidualny charakter – ta sama temperatura dla jednych będzie wysoka, dla innych niska.

Nasze pokręcone odczucie temperatury znakomicie uwidacznia się na przełomie pór roku – wiosną robi się ciepło, gdy temperatura sięga 10°C, a latem byłoby to lodowate załamanie pogody. Co więcej, o detekcji temperatury otoczenia decydują też geny kodujące lub regulujące produkcję receptorów ciepła i zimna, którymi najeżone są zakończenia komórek nerwowych. Inne warianty występują u ludzi z gorących, umiarkowanych czy zimnych rejonów Ziemi, co przekłada się na różny zakres komfortowych dla nich temperatur. Wynikają z tego czasem przedziwne problemy – niektóre warianty uwrażliwiają nas na chłód, co może powodować... uporczywe migreny. Zwykle jednak zadaniem receptorów jest ratowanie nam życia i ochrona przed przegrzaniem lub oparzeniem albo wychłodzeniem i odmrożeniami. O powadze sytuacji przekonują obserwacje młodych ssaków – głośniej i częściej popiskują one o uwagę matki z zimna niż z głodu.

U wielu zwierząt (w tym człowieka) obserwuje się co najmniej dwustopniowy mechanizm odczuwania temperatury. Wystarczy spadek o 1–2°C, byśmy odczuli chłód zainicjowany aktywnością białka TRPM8. Ale poniżej 15–20°C uruchamia się już receptor TRPA1, wywołujący ze spadkiem temperatury coraz silniejszy ból – dlatego trzymanie w gołej dłoni kulki śniegu jest tak nieprzyjemne. Mechanizm ten nie działa np. w odsłoniętych kończynach kaczek, dlatego bez dyskomfortu mogą one stać na skutym lodem jeziorze. Kilka receptorów jest potrzebnych do odczuwania ciepła przyjemnej kąpieli, ból z powodu gorąca wywoła natomiast TRPV1, gdy tylko dotkniemy czegoś rozgrzanego do 42–45°C. I bardzo dobrze, bo już po kilku sekundach temperatura 50°C może rzeczywiście uszkodzić tkanki. Receptory te można aktywować też chemicznie – chłodząco zadziała mentol z miętówek, wasabi zaktywizuje TRPA1, a kapsaicyna wywoła wrażenie ciepła. Rezynyferatoksyna, trucizna z wilczomlecza (Euphorbia poissonii), spowoduje ból jak po dotknięciu rozżarzonego pręta. Wspomniane związki nie tyle jednak chłodzą lub rozgrzewają, ile drażnią zakończenia nerwowe, dając jedynie wrażenie ciepła albo zimna. Ale to czasem wystarczy – mózg wierzy w te sygnały i wpływa na termoregulację: pocimy się intensywniej lub odwrotnie, nasila się produkcja ciepła i wzrasta temperatura ciała. Zatem nawet z iluzorycznym ogniem nie ma żartów.