Kiểm soát nhiệt độ cơ thể bởi sự cân bằng giữa sinh nhiệt và mất nhiệt

Sự sinh nhiệt

Nhiệt sinh ra chủ yếu là sản phẩm của chuyển hóa. Năng lượng của cơ thể, các yếu tố khác nhau quyết định đến tỷ lệ sinh nhiệt, gọi là mức chuyển hóa của cơ thể. Những yếu tố quan trọng nhất được liệt kê lại dưới đây:

(1) Mức chuyển hóa cơ sở của mọi tế bào của cơ thể (2) Mức chuyển hóa thêm tạo nên bởi hoạt động của cơ, bao gồm sự co cơ gây ra bởi run cơ (3) Chuyển hóa thêm bởi tác dụng của thyroxine (cùng các hormon khác ví dụ GH và testosteron) lên tế bào; (4) Chuyển hóa thêm tạo ra bởi tác dụng của epinephrine, norepinephrin và kích thích giao cảm lên tế bào; (5) chuyển hóa thêm tạo ra bởi tăng hoạt động hóa học của tế bào, đặc biệt là khi nhiệt độ của tế bào tăng lên, và (6) chuyển hóa thêm cần cho tiêu hóa, hấp thụ và dự trữ thức ăn (tác dụng nhiệt của thức ăn).

Sự mất nhiệt

Hầu hết nhiệt sản sinh trong cơ thể được sinh ra từ các cơ quan sâu, đặc biệt là gan, não, tim và cơ xương trong khi tập luyện. Nhiệt này được vận chuyển từ những cơ quan và mô ở sâu đến da, rồi từ da mất ra không khí và môi trường xung quanh khác. Vì vậy, mức nhiệt mất được xác định hầu như hoàn toàn bởi 2 yếu tố: (1) nhiệt có thể được truyền từ nơi nó được sinh ra ở trung tâm cơ thể đến da nhanh như thế nào và (2) nhiệt có thể được vận chuyển từ da ra môi trường xung quanh nhanh như thế nào?.

Hệ thống cách nhiệt của cơ thể

Da, mô dưới da và đặc biệt là lớp mỡ dưới da hoạt động cùng nhau như là một tấm cách nhiệt cho cơ thể. Lớp mỡ là quan trọng bởi khả năng dẫn nhiệt của nó chỉ bằng 1/3 so với các mô khác. Khi không có máu chảy từ các cơ quan bên trong tới da đặc tính cách nhiệt của một cơ thể nam giới bình thường bằng khoảng 1/2 đến 3/4 tính cách nhiệt của bộ quần áo thông thường. Ở phụ nữ, đặc tính này thậm chí tốt hơn.

Sự cách nhiệt ở dưới da là một biện pháp hiệu quả để duy trì nhiệt độ trung tâm bình thường, cho dù nó cho phép nhiệt độ của da gần như bằng với nhiệt độ môi trường xung quanh.

Dòng máu từ trung tâm cơ thể tới da cung cấp sự truyền nhiệt

Các mạch máu được phân bố dồi dào dưới da. Đặc biệt quan trọng là mạng lưới (đám rối) tĩnh mạch liên tục được cung cấp bởi dòng máu từ các mao mạch ở da. Những vùng cơ thể hở nhiều nhất - bàn tay, bàn chân, và tai - các mạng lưới (đám rối) được cung cấp máu trực tiếp từ các tiểu động mạch qua chỗ nối động tĩnh mạch cơ cao.

Hình. Tuần hoàn da.

Lượng máu đến mạng lưới tĩnh mạch ở da có thể thay đổi rất lớn, từ gần bằng không cho đến lớn bằng 30% tổng cung lượng tim. Lượng máu tới da lớn làm cho nhiệt được truyền từ trung tâm cơ thể đến da rất hiệu quả, trong khi sự giảm lượng máu tới da có thể làm giảm rất ít sự dẫn nhiệt từ trung tâm cơ thể.

Mức ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến sự dẫn nhiệt từ trung tâm đến bề mặt da và ra không khí, cho thấy khả năng dẫn nhiệt tăng lên khoảng 8 lần giữa trạng thái co mạch hoàn toàn và giãn mạch hoàn toàn.

Hình. Ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ môi trường đến sự dẫn nhiệt từ trung tâm cơ thể đến bề mặt da.

Vì vậy, da là một hệ thống “bức xạ nhiệt” được kiểm soát hiệu quả, và dòng máu tới da là một cơ chế hiệu quả nhất để truyền nhiệt từ trung tâm cơ thể đến da.

Kiểm soát sự dẫn nhiệt đến da bởi hệ thần kinh giao cảm. Sự dẫn nhiệt đến da qua máu được kiểm soát bởi mức độ co mạch của các tiểu động mạch và chỗ nối động tĩnh mạch mà cung cấp máu cho đám rối tĩnh mạch của da. Sự co mạch này được kiểm soát hầu như hoàn toàn bởi hệ thần kinh giao cảm trong đáp ứng với sự thay đổi của nhiệt độ trung tâm cơ thể và nhiệt độ của môi trường xung quanh.

Các phương thức mất nhiệt cơ bản từ bề mặt da

Các phương thức mất nhiệt từ da đến môi trường xung quanh khác nhau. Bao gồm bức xạ nhiệt, dẫn truyền nhiệt và bay hơi nước được giải thích bên dưới.

Hình. Cơ chế mất nhiệt của cơ thể.

Bức xạ nhiệt làm mất nhiệt dưới dạng tia hồng ngoại. Một người khỏa thân ngồi trong một căn phòng có nhiệt độ bình thường, khoảng 60% lượng nhiệt mất là do bức xạ nhiệt.

Hầu hết tia hồng ngoại (1 loại tia điện từ) phát ra từ cơ thể có bước sóng từ 5-20 micromet, gấp 10-30 lần bước sóng của ánh sáng. Tất cả các vật không có nhiệt độ tuyệt đối bằng 0 đều phát ra những tia như vậy.

Cơ thể người bức xạ nhiệt theo mọi hướng. Tia nhiệt cũng được bức xạ từ bức tường và các đồ vật khác về phía cơ thể. Nếu nhiệt độ của cơ thể cao hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh thì lượng nhiệt cơ thể bức xạ ra lớn hơn lượng nhiệt được bức xạ đến cơ thể.

Sự mất nhiệt dẫn truyền xảy ra qua tiếp xúc trực tiếp với vật khác (truyền nhiệt trực tiếp). Chỉ một lượng nhiệt nhỏ, thông thường khoảng 3%, mất từ cơ thể thông qua dẫn truyền trực tiếp từ bề mặt cơ thể tới những vật rắn ví dụ ghế hoặc giường. Tuy nhiên, tỷ lệ nhiệt mất đi là lớn hơn thông qua dẫn truyền ra không khí (khoảng 15%) thậm chí dưới những điều kiện thông thường.

Nhắc lại rằng nhiệt có bản chất là động năng của chuyển động phân tử, và các phân tử của da liên tiếp chịu sự chuyển động rung. Nhiều năng lượng của chuyển động này có thể được truyền đến không khí nếu không khí lạnh hơn da, từ đó làm tăng tốc độ chuyển động của các phân tử khí. Khi nhiệt độ của không khí kề sát da bằng với nhiệt độ của da, không xảy ra mất nhiệt theo cách này bởi lúc này có một lượng nhiệt ngang bằng được dẫn truyền từ không khí đến cơ thể. Vì vậy, sự dẫn nhiệt từ cơ thể đến không khí là có giới hạn trừ khi không khí được làm nóng di chuyển ra xa bề mặt da, không khí không được làm nóng liên tiếp được mang đến tiếp xúc với da, hiện tượng này được gọi là sự đối lưu không khí.

Sự mất nhiệt đối lưu do chuyển động của không khí

Nhiệt từ da đầu tiên được truyền đến không khí sau đó được mang đi bởi dòng không khí đối lưu.

Một lượng nhỏ sự đối lưu hầu như luôn xảy ra xung quanh cơ thể bởi xu hướng bay lên của không khí kề sát da khi chúng được làm nóng. Vì vậy một người khỏa thân ngồi trong một phòng thoải mái không có chuyển động không khí, khoảng 15% lượng nhiệt mất xảy ra bởi sự truyền nhiệt ra không khí và bởi sự đối lưu không khí ra xa cơ thể.

Tác dụng làm mát của gió. Khi cơ thể tiếp xúc với gió, lớp không khí kề sát da được thay thế bởi không khí mới nhanh hơn nhiều so với bình thường, và nhiệt mất đi bởi đối lưu cũng theo đó tăng lên. Hiệu quả làm mát của gió ở tốc độ thấp tỉ lệ với căn bậc hai tốc độ gió. Ví dụ, tốc độ gió là 4 miles/h có tác dụng làm mát gấp 2 lần so với tốc độ gió là 1 miles/h.

Sự dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt của một người trong môi trường nước.Nước có nhiệt dung riêng lớn gấp vài nghìn lần so với không khí, vì vậy mỗi một phần nước kề sát da có thể hấp thu một lượng nhiệt lớn hơn nhiều so với lượng nhiệt được hấp thụ bởi không khí. Cũng vậy, sự dẫn truyền nhiệt trong nước là rất lớn khi so sánh với trong không khí. Do đó, cơ thể không thể làm nóng một lớp nước mỏng trên bề mặt cơ thể để hình thành một “vùng cách ly” như đã làm với không khí. Vì vậy, tỉ lệ nhiệt mất ra môi trường nước thường lớn hơn nhiều lần so với tỉ lệ nhiệt mất trong không khí nếu nhiệt độ của nước thấp hơn nhệt độ của cơ thể.

Sự bay hơi nước. Khi nước bốc hơi từ bề mặt cơ thể, 0,58 Calorie (kilocalorie) nhiệt bị mất đi trong mỗi gam nước bay hơi. Thậm chí khi một người không toát mồ hôi, vẫn có hiện tượng bay hơi nước không cảm thấy qua da và phổi ở mức khoảng 600-700 ml/ngày. Sự bay hơi không cảm thấy này gây mất nhiệt liên tục ở mức 16-19 Calo mỗi giờ. Sự bay hơi không cảm thấy qua da và phổi có thể không được kiểm soát bởi mục đích điều nhiệt do sự khuếch tán liên tục các phân tử nước qua da và bề mặt hô hấp. Tuy nhiên, mất nhiệt qua bay mồ hôi có thể được kiểm soát bởi điều hòa lượng mồ hôi.

Sự bay hơi là một cơ chế làm mát cần thiết trong điều kiện nhiệt độ không khí rất cao. Miễn là nhiệt độ da cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, nhiệt có thể mất qua bức xạ và dẫn truyền. Tuy nhiên khi nhiệt độ môi trường xung quanh trở nên cao hơn nhiệt độ của da, thay vì mất nhiệt,cơ thể lại thu thêm nhiệt bởi cả bức xạ và dẫn truyền nhiệt. Trong những trường hợp này, chỉ có một phương thức thải nhiệt hiệu quả là bay hơi nước.

Vì vậy, bất cứ gì ngăn chặn sự bay hơi nước thích hợp khi nhiệt độ môi trường xung quanh cao hơn nhiệt độ da sẽ làm tăng nhiệt độ cơ thể. Cơ chế này thường xảy ra ở những người sỉnh ra không có tuyến mồ hôi bẩm sinh. Những người này có thể chịu được nhiệt độ lạnh tốt như người bình thường nhưng họ có thể chết vì say nóng ở vùng nhiệt đới bởi không có hệ thống làm mát qua bay hơi nước, họ không thể ngăn sự tăng lên của nhiệt độ cơ thể khi nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ cơ thể.

Quần áo làm giảm sự mất nhiệt qua dẫn truyền và đối lưu. Quần áo giúp lưu giữ lớp không khí bên cạnh da trong quần áo, theo cách ấy làm tăng độ dày của vùng không khí cách ly kề sát da và cũng giảm dòng không khí đối lưu. Vì vậy mức nhiệt mất đi do dẫn truyền và đối lưu giảm nhiều. Một bộ quần áo thông thường làm giảm khoảng một nửa mức nhiệt mất đi từ một người khỏa thân, nhưng quần áo kiểu Bắc cực có thể làm giảm sự mất nhiệt này chỉ còn 1/6.

Khoảng một nửa nhiệt truyền từ da đến quần áo là được bức xạ tới quần áo thay vì được truyền qua các khoảng nhỏ ở giữa. Vì vậy phủ ngoài lớp mặt trong quần áo một lớp vàng mỏng sẽ dội lại nhiệt bức xạ trở lại cơ thể, làm cho đặc tính cách ly của quần áo hiệu quả hơn nhiều so với cách khác.Sử dụng phương pháp này, quần áo được dùng ở vùng Bắc cực có thể được giảm khối lượng đi 1 nửa.

Tác dụng của quần áo trong duy trì nhiệt độ cơ thể sẽ mất đi hầu như hoàn toàn khi quần áo bị ướt bởi vì sự dẫn nhiệt cao của nước làm tăng mức truyền nhiệt qua quần áo gấp 20 lần hoặc hơn. Vì vậy, một trong những yếu tố quan trọng nhất để bảo vệ cơ thể chống lại lạnh ở khu vực băng giá là hết sức cẩn trọng để không làm cho quần áo bị ướt. Đúng vậy, một người cần cẩn thận để không trở nên quá nóng bởi sự toát mồ hôi trong quần áo ở những người này khiến cho hiệu quả cách nhiệt của quần áo kém đi nhiều.

Mồ hôi và sự điều tiết mồ hôi bởi thần kinh tự động

Kích thích vào khu vực trước thị phần trước vùng dưới đồi ở não bằng điện hoặc nhiệt độ quá mức đều gây ra toát mồ hôi. Thần kinh từ khu vực này có thể gây ra toát mồ hôi được truyền đi theo con đường tự động tới tủy sống rồi qua giao cảm tới da ở mọi nơi trên cơ thể.

Tuyến mồ hôi được phân bố các sợi thần kinh cholinergic (sợi tiết ra ACh nhưng chạy trong sợi thần kinh giao cảm dọc theo sợi adrenergic). Những tuyến này có thể được kích thích bài tiết bởi epinephrin hoặc nor epinephrin tuần hoàn trong máu, mặc dù chính những tuyến này không có các sợi adrenergic phân bố tới. Cơ chế này rất quan trọng trong khi tập luyện, khi những hormon này được tiết ra từ tủy thượng thận và cơ thể cần thải ra một lượng nhiệt được sinh ra quá mức từ hoạt động cơ bắp.

Cơ chế bài tiết mồ hôi. Tuyến mồ hôi được cho thấy là một cấu trúc ống bao gồm 2 phần: (1) phần búi dưới lớp hạ bì bài tiết mồ hôi và (2) phần ống xuyên qua hạ bì và biểu bì của da. Như rất nhiều tuyến khác, phần bài tiết của tuyến mồ hôi bài tiết một dịch được gọi là dịch tiết ban đầu. Nồng độ các thành phần trong dịch được thay đổi khi dịch chảy qua phần ống.

Hình. Tuyến mồ hôi được hình thành bởi dây thần kinh giao cảm tiết acetylcholin. Một phần chính không có protein được hình thành bởi phần tuyến, nhưng hầu hết các chất điện giải được tái hấp thu trong ống dẫn, để lại một chất tiết loãng và nhiều nước.

Dịch tiết ban đầu là một sản phẩm bài tiết tích cực của các tế bào biểu mô lót trong phần búi của tuyến mồ hôi. Tận cùng sợi thần kinh giao cảm cholinergic ở tại hoặc gần các tế bào tuyến.

Thành phần của chất tiết ban đầu giống với huyết tương, ngoại trừ các protein huyết tương. Nồng độ Na khoảng 142 mEq/l, và nồng độ Clo khoảng 104 mEq/l với nồng độ nhỏ hơn nhiều các chất hòa tan khác trong huyết tương. Khi dịch tiết ban đầu chảy qua phần ống của tuyến, nó được thay đổi bởi sự tái hấp thu hầu hết ion Na và Clo. Mức độ tái hấp thu phụ thuộc vào mức bài tiết mồ hôi.

Khi kích thích nhẹ tuyến mồ hôi, dịch ban đầu chảy qua ống chậm. Trong trường hợp này, thực chất toàn bộ ion Na và Clo được tái hấp thu, và nồng độ mỗi ion giảm thấp xuống còn 5mEq. Quá trình này làm giảm thấp áp lực thẩm thấu của mồ hôi mà nước hầu hết cũng được tái hấp thu, làm cô đặc hầu hết các thành phần khác. Vì vậy,ở mức bài tiết mồ hôi thấp các thành phần như ure, acid lactic và ion Kali thường xuyên được cô đặc.

Ngược lại, khi tuyến mồ hôi được kích thích mạnh bởi hê thần kinh giao cảm, một lượng lớn chất tiết ban đầu được tạo thành và phần ống có thể tái hấp thu hơn một nửa NaCl, nồng độ ion Na và Clo lớn nhất là khoảng 50-60 mEq/l, ít hơn một nửa so với nồng độ trong huyết tương. Hơn nữa, mồ hôi chảy qua ống tuyến nhanh nên rất ít nước được tái hấp thu. Vì vậy nồng độ các thành phần hòa tan khác trong mồ hôi chỉ tăng ở mức độ vừa phải; ure gấp khoảng 2 lần trong huyết tương, acid lactic gấp khoảng 4 lần, và kali gấp khoảng 1,2 lần.

Việc mất lượng lớn ion Na qua mồ hôi xảy ra khi một người chưa thích nghi với khí hậu nóng. Xảy ra mất ít điện giải hơn nhiều mặc dù tăng năng suất tiết mồ hôi khi một người trở nên thích nghi với khí hậu.

Sự thích nghi với khí hậu của cơ chế toát mồ hôi đối với nhiệt - Vai trò của Aldosteron. Mặc dù một người bình thường, chưa thích nghi khí hậu hiếm khi tiết ra nhiều hơn 1 lít mồ hôi mỗi giờ. Khi người này ở trong thời tiết nóng trong 1- 6 tuần, người đó bắt đầu tiết nhiều mồ hôi, thường tăng bài tiết mồ hôi nhiều nhất là 2-3l/h. Sự bay hơi thông qua toát mồ hôi nhiều có thể làm mất nhiệt của cơ thể gấp 10 lần so với mức sinh nhiệt cơ bản bình thường. Hiệu quả tăng lên cơ chế tiết mồ hôi gây ra bởi thay đổi tế bào tuyến mồ hôi làm tăng khả năng tiết mồ hôi.

Cũng liên quan đến sự thích nghi khí hậu làm giảm hơn nữa nồng độ NaCl trong mồ hôi, cho phép duy trì lượng muối của cơ thể tốt hơn nữa. Hầu hết tác dụng này gây ra bởi tăng bài tiết aldosteron từ tuyến thượng thận, do giảm nhẹ nồng độ NaCl ở dịch ngoại bào và huyết tương. Một người chưa thích nghi với khí hậu có thể tiết nhiều mồ hôi thường mất 15-30 g muối mỗi ngày trong vài ngày đầu tiên. Sau 4-6 tuần thích nghi, mức mất đi thường là 3-5 g/ngày.

Mất nhiệt qua hơi thở

Nhiều động vật ít có khả năng làm mất nhiệt từ bề mặt cơ thể, có 2 lý do: (1) bề mặt cơ thể có lông che phủ, và (2) da của hầu hết động vật bậc thấp không có các tuyến mồ hôi, ngăn hầu hết sự mất nhiệt qua bay hơi từ da. Một cơ chế thay thế, cơ chế thở gấp được sử dụng ở rất nhiều động vật như một phương tiện để tỏa nhiệt.

Hiện tượng thở gấp được “bật lên” bởi trung tâm điều hòa nhiệt của não. Đó là, khi máu trở nên quá nóng, vùng dưới đồi khởi động các tín hiệu thần kinh để làm giảm nhiệt độ cơ thể. Một trong những tín hiệu này khởi động thở gấp. Quá trình thở thực tế được kiểm soát bởi trung tâm thở gấp liên quan đến trung tâm điều chỉnh thở nằm ở cầu não.

Khi một động vật thở gấp, nó hít vào thở ra nhanh và vì vậy một lượng lớn không khí mới từ bên ngoài vào tiếp xúc với phần trên của đường thở. Cơ chế này làm mát máu trong niêm mạc đường thở là kết quả sự bay hơi nước từ bề mặt niêm mạc, đặc biệt là sự bay hơi của nước bọt từ lưỡi. Thở hổn hển không làm tăng thông khí phế nang nhiều hơn kiểm soát thích hợp khí máu bởi vì mỗi hơi thở rất nông, vì vậy hầu hết không khí đi vào phế nang là không khí khoảng chết chủ yếu từ khí quản và không phải từ khí quyển.