Оптимальное тепловое состояние человека обеспечивается условиями теплового комфорта, не ограничиваемого по времени пребывания и не требующего включения дополнительных приспособительных механизмов организма.
В экстремальных условиях среды, сопровождаемых значительными перепадами температуры, включаются поведенческие, физиологические адаптивные реакции, а при резких иди длительных термических сдвигах могут развиваться патологические состояния, в крайних случаях приводящие к летальному исходу.
Исследователями предложены различные классификации тепловых состояний человека в зависимости от того, какие критерии были положены в основу. С точки зрения адаптации наибольший интерес представляет классификация, построенная на основании данных о характере изменений приспособительных механизмов системы терморегуляции, то есть основных приспособительных реакций, позволяющих организму бороться с действием высоких и низких температур окружающей среды (табл. 1).
При выборе физиологических показателей для оценки теплового состояния, очевидно, основное внимание необходимо уделять изменению таких показателей, которые наиболее полно отражают функциональное состояние организма при каждой степени нагревания или охлаждения человека. Так, в условиях, когда теплосодержание «сердцевины» значительно не изменяется, но нарушена структура теплового обмена, наиболее важны физиологические показатели, характеризующие тепловое состояние «оболочки» тела. К таким показателям относятся температура кожи, средняя температура тела, тепловые потоки с поверхности тела, внутренний градиент температур, разность температур туловища и конечностей, теплоизоляция поверхностных тканей. При повышенных температурах окружающей среды большое значение приобретает исследование потерь веса тела и теплоотдачи испарением влаги, при пониженных – тепловых потоков с поверхности тела, теплопродукции организма, биоэлектрической активности мышц. В условиях, когда значительно изменяется теплосодержание организма, оценка теплового состояния человека должна проводиться в основном по физиологическим показателям, характеризующим изменения теплового обмена и состояние сердечно-сосудистой системы (уровень теплоотдачи, минутный, систолический объем сердца и т.д.). Эти показатели позволяют контролировать состояние организма человека в условиях высоких и низких температур окружающей среды.
При перегревании и охлаждении человека наблюдается фазность изменений многих физиологических показателей, означающих в одном случае возможность сохранения теплового баланса, а в другом – угрозу срыва или срыв приспособительных реакций организма (табл.2).
На первой стадии перегревания и охлаждения организма (устойчивое приспособление) наблюдаются явления, свидетельствующие о том, что организм успешно противостоит неблагоприятному действию окружающей среды. При высоких температурах происходит расширение периферических сосудов, увеличивается теплоотдача испарением влаги с поверхности тела и дыхательных путей. Последняя равна общей тепловой нагрузке – суммарной величине теплопродукции организма и внешней тепловой нагрузки. Действие низких температур окружающей среды приводит к сужению периферических сосудов и повышению теплопродукции организма вследствие мышечного термогенеза.
Следовательно, при первой степени перегревания и охлаждения реакция сосудов на воздействие тепла и холода играет весьма большую роль. Однако уже здесь играют роль механизмы химической терморегуляции, проявляющиеся в некотором снижении теплопродукции организма в условиях высоких температур и повышении – в условиях низких температур окружающей среды.
На первой стадии перегревания и охлаждения человека накопление или дефицит тепла в организме происходит в основном за счет изменений температуры «оболочки». Температура же «сердцевины» изменяется сравнительно немного (на 0,2-0,5°). Работоспособность человека при таких воздействиях, по данным многих авторов, практически не изменяется.
При второй степени перегревания или охлаждения человека (частичное приспособление) терморегуляция не справляется с действием высоких и низких температур окружающей среды. Даже максимальное включение приспособительных механизмов терморегуляции (теплопродукции при охлаждении, теплоотдачи при перегревании) не дает возможность компенсировать тепловую нагрузку при высоких температурах и теплоотдачу при низких температурах окружающей среды. В этом случае значительно изменяется температура «сердцевины» (при высоких – на 1-1,5°С; при низких –- на 1,5-2,0°С),
При высоких температурах окружающей среды (45; 50; 55°С), несмотря на повышение теплоотдачи испарением влаги с поверхности тела и дыхательных путей, общая тепловая нагрузка не компенсируется, и перегревание организма происходит вследствие уменьшения или прекращения отдачи эндогенного тепла во внешнюю среду. В условиях низких температур окружающей среды при продолжающемся увеличении окислительных процессов r организме из-за мышечной дрожи теплопотери с поверхности тела и дыхательных путей превышают уровень теплопродукции.
В этих условиях снижаются отдельные показатели работоспособности, например, такие как качество управления в режиме слежения, способность к динамической и статической работе, выполнение тонких координированных движений. Многие показатели работоспособности, включая определение временных интервалов на световой и звуковой раздражители, скорость счета, познавательные и другие психические функции, по данным большинства авторов, не изменяются или даже несколько улучшаются.
Третья степень перегревания и охлаждения организма (срыв приспособления) характеризуется признаками, свидетельствующими о полной невозможности приспособления организма к условиям внешней среды. Приспособительные механизмы терморегуляции некоторое время остаются максимально напряженными, а затем их уровень начинает постепенно уменьшаться. Одновременно происходит снижение эффективности деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной и мышечной систем.
Таблица 8
Классификация тепловых состояний человека (по: Ажаев A. M.. 1979).
| Показатель | Уровень физиологических показателей в условиях | ||||||
| перегревания | теплового равновесия | охлаждения | |||||
| предельно-переносимые | предельно-допустимые | допустимые | оптимальные | допустимые | предельно-допустимые | предельно-переносимые | |
| Теплоощущения | Очень жарко | Жарко | Тепло | Комфорт | Прохладно | Холодно | Очень холодно |
| Ректальная температура, °С | 39,5-38,5 | 38,4-37,7 | 37,6 | 37,0-37,4 | 36,7 | 36,6-35,5 | Ниже 35,5 |
| Оральная температура, °С | 40,0-38,4 | 38,3-37,5 | 37,1 | 36,6-37,0 | 36,0 | 35,2-34,5 | Ниже 34,5 |
| Средневзвешенная температура кожи, °С | 40,5-38,8 | 38,5-38,1 | 36,0 | 32,5-33,5 | 30,0 | 29,9-27,0 | Ниже 27,0 |
| Средняя температура тела, °С | 39,5-38,5 | 38,4-37,6 | 37,3 | 36,0-36,7 | 34,5 | 34,4-31,7 | Ниже 31,7 |
| Разность температуры туловища и конечностей, °С | -2,5¸-1,5 | -1,5¸0 | -4,0¸2,0 | +6,0 | +6,0¸+10,0 | Выше +10,0 | |
| Внутренний градиент температур, °С | +1,0¸0 | 0¸-1,6 | -1,6 | -4,5¸-3,5 | -6,7 | -6,7¸-8,5 | >-8,3 |
| Теплоизоляция поверхностных тканей, нло | <0,03 | 0,005-0,10 | 0,10 | 0,35-0,25 | 0,30 | 0,50-0,60 | >0,60 |
| Потеря веса, г/ч | 1200-650 | 650-250 | 40-60 | 80-100 | - | ||
| Частота пульса, уд/мин | 160-120 | 120-90 | 60-80 | 60-50 | - | ||
| Теплопродукция организма, Вт/м2 | 80-65 | 65-45 | 60-45 | -70 | 70-140 | Повышение до 350 с последующим уменьшением | |
| Теплоотдача испарением влаги, Вт/м2 | 185-150 | 150-60 | 10-20 | 25-35 | - | ||
| Изменение теплосодержания организма, кДж/м2 | +420¸+250 | +250¸+150 | +150 | -50¸+50 | -250 | -250¸-600 | >-600 |
На срыв приспособительных реакций организма в условиях высоких температур среды (60; 70; 80°С) указывает снижение теплоотдачи испарением влаги, преобладание внешней тепловой нагрузки над теплоотдачей испарением влаги, снижение скорости секреции нота, уменьшение систолического и минутного объемов крови, мощности сокращения левого желудочка и скорости выброса крови.
В работах А. Бартона, О. Эдхолма и др. показано, что при ректальной температуре около 35° (после максимального увеличения теплопродукции организма наблюдается ее снижение. На основании этих сведений (по аналогии с характером изменений приспособительных реакций при высокой температуре), вторая стадия охлаждения заканчивается максимальным увеличением теплопродукции, в третьей стадии происходит снижение ее уровня, достигающего при температуре тела около 30% величин основного обмена и ниже.
Подобное деление стадий охлаждения по изменению приспособительных реакций организма, очевидно, является наиболее рациональным, так как характеризует компенсаторные возможности теплового обмена, сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
При третьей степени перегревания и охлаждения организма наблюдается снижение всех показателей работоспособности человека. Выполнение заданной работы возможно только за счет максимального волевого усилия при включении дополнительных физиологических резервов организма.
И, наконец, четвертая степень перегревания и охлаждения организма характеризуется быстрым угнетением деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем (коллапс, потеря сознания).
Таким образом, в рассмотренной классификации стадии и степени перегревания и охлаждения организма также различают не только по температуре тела и клиническим признакам, но и по изменению приспособительных реакций организма. По этим показателям первая, вторая, третья и четвертая стадии (степени) перегревания и охлаждения организма отличаются друг от друга степенью включения приспособительных механизмов в процесс терморегуляции. В первой стадии приспособительные реакции организма включены только частично, во второй стадии – включены до максимума, в третьей – частично отключены, в четвертой стадии – отключены полностью (до исходных и ниже).
Условия пребывания человека в окружающей среде, вызывающей первую, вторую и третью степени перегревания или охлаждения организма, расценены соответственно как допустимые, предельно допустимые и критические, или недопустимые (см. табл. 8).
При допустимом уровне перегревания или охлаждения человека наблюдается определенное напряжение механизмов терморегуляции организма. Однако при этом сохраняется термостабильное состояние «сердцевины» вследствие включения приспособительных реакций организма. Снижение при высоких температурах и повышение при низких температурах окружающей среды теплоотдачи радиацией и конвекцией компенсируется изменениями теплопродукции, теплоотдачи испарением влаги с поверхности тела и дыхательных путей. В этих условиях возможно продолжительное пребывание человека при отсутствии изменений работоспособности, опасности для здоровья и явлений кумуляции при повторном действии подобных условий внешней среды. Основными физиологическими показателями оценки теплового состояния человека являются средняя температура тела, средневзвешенная температура кожи, тепловые потоки с поверхности тела, внутренний градиент температур, теплоизоляция поверхностных тканей, структура теплового обмена.
Предельно допустимыми условиями перегревания и охлаждения считаются такие, которые, вследствие неполного приспособления организма к действию внешней среды, вызывают значительное напряжение терморегуляции и снижение некоторых показателей работоспособности, безопасны для здоровья, не приводят к кумуляции при повторном их действии и допускаются только на ограниченное время при постоянном медицинском контроле.
В условиях критического (недопустимого) перегревания и охлаждения человека наблюдается срыв приспособительных механизмов терморегуляции организма, снижение работоспособности, наличие опасности для здоровья и явлений кумуляции при повторном действии неблагоприятных условий микроклимата.
При предельно допустимом и критическом перегревании и охлаждении организма в качестве основных физиологических критериев принимаются потери веса и теплоотдача испарением влаги (при перегревании), средняя температура и температура тела, компоненты теплового обмена (теплоотдача, тепло продукция, изменения теплосодержания), показатели состояния сердечно-сосудистой системы (минутный и систолический объем крови и др.).
Таким образом, первая, вторая и третья степени воздействия высоких и низких температур окружающей среды могут быть расценены как допустимые, предельно допустимые и критические (или предельно переносимые) условия перегревания и охлаждения организма. Каждая из степеней дискомфорта характеризуется определенной величиной дефицита или накопления тепла в организме. При составлении классификации тепловых состояний учитывались общегигиенические подходы к нормированию микроклимата, возможность выполнения работы с необходимым объемом и качеством, степень влияния неблагоприятных условий на состояние здоровья при однократном и повторном действии окружающей среды.
Исследования, проводимыее экипажами летательных аппаратов, работающими в экстремальных условиях, свидетельствуют о необходимости разработки средств профилактики от перегревания и охлаждения организма человека.
Решение этой важной проблемы может осуществляться по трем направлениям:
1. Разработка средств индивидуальной защиты членов экипажей летательных аппаратов.
2. Нормирование микроклимата помещений с учетом теплозащитных свойств одежды, сезона года, уровней эмоциональной и физической нагрузки, метеорологических условий окружающей среды и других факторов, встречающихся в полете.
3. Физиолого-гигиеническая регламентация режима труда и отдыха экипажей летательных аппаратов.
Одним из важных условий при конструировании теплорегулирующих систем является принцип автоматического терморегулирования, применение которого позволяет поддерживать комфортные условия микроклимата воздуха при различной теплоизоляции одежды и тяжести физической работы.