– они называются анастомозами. Эти структуры весьма эффективно поддерживают терморегуляцию. Каждый специалист по хирургии кисти испытывает величайшее почтение к этим анатомическим образованиям, реконструкция которых после травм представляет собой весьма сложную задачу. Работу анастомозов можно представить следующим образом: под воздействием жары закручивается кран, соединяющий сосуды, идущие от внутренности тела к глубоким сосудам, и кровоток переключается на поверхностные сосуды. Здесь, вблизи от поверхности кожи, охлажденной в результате потоотделения, теплоотдача происходит легче и быстрее. Кровь, охлажденная таким способом на периферии, через открытые анастомозы перетекает в параллельно идущие вены и из предплечья и кисти возвращается к внутренним органам и структурам организма. При воздействии холода сосудистые анастомозы закрываются. Это делает возможной чрезвычайно высокую вариабельность кровотока в конечностях, ушах и кончике носа, что позволяет обеспечить регуляцию внутренних потоков тепла.
Помимо внутреннего транспорта тепла от органов тела к поверхности, существует и внешний транспорт, отдача тепла от покровов тела в окружающую среду. У раздетого человека он определяется, главным образом, метеорологическими условиями, такими как температура воздуха и солнечного излучения, относительная влажность воздуха и скорость ветра, а также физиологическими параметрами, такими как, например, температура кожи. Если человек одет, то в обмене тепла играет роль поверхность тела, оставшаяся доступной; одежда уменьшает эффективную поверхность теплообмена, и при воздействии холода это желательно. А при воздействии тепла люди снимают лишнюю одежду.
С физической точки зрения теплообмен осуществляется четырьмя способами: это конвекция, теплопередача, испарение (испарение пота) и излучение. Конвекционный теплообмен происходит главным образом в слое воздуха толщиной несколько миллиметров (пограничном слое), окружающем кожу. Существуют две формы конвекции – естественная и принудительная. Если человек находится в прохладной среде – возьмем для наглядности воздух или воду, то вдоль поверхности тела происходит перемещение масс снизу вверх, так как холодный воздух тяжелее теплого. Восходящий поток воздуха забирает при этом тепло путем конвекции. Этот конвекционный транспорт на поверхности тела раздетого человека составляет приблизительно 600 литров в минуту. Тепло, отведенное таким способом, относительно легко рассчитать. Надо только знать поверхность, доступную для теплообмена, в квадратных метрах и сколько ватт переносится с 1 м2 в окружающую среду при разнице температур поверхности кожи и окружающего воздуха в 1 °C. Площадь поверхности тела у молодого здорового человека составляет около 2 м2. Когда человек голый, ее можно принять за 2 м2. Сейчас мы знаем, основываясь на измерениях потока тепла, что 1 м2 отдает в окружающую среду при разнице температур в 1 °C три джоуля в секунду или, что то же самое, три ватта. Так как в норме разница температур составляет от 13 °C – средняя температура поверхности тела составляет 33 °C, а температуру окружающей среды мы примем за 20 °C, – можно легко посчитать, что организм отдает с 1 м2 поверхности тела 39 ватт. При температуре окружающей среды 20 °C, средней температуре кожи 33 °C и эффективной площади поверхности тела 2 м2 производительность конвекционной теплоотдачи составляет около 80 ватт или 80 джоулей в секунду. Это приблизительно равно мощности потолочной электрической лампочки. Примерно ту же энергию мы ежесекундно теряем в покое, и она же образуется в организме за счет питания; это количество должно быть равно, чтобы обеспечивать энергетический баланс. Каждая дополнительная физическая работа, снижение температуры окружающей среды или усиление воздушного потока повышают потребность в энергии и требуют дополнительной ее продукции.
О принудительной конвекции говорят, например, когда человек подвергается воздействию сильного ветра. В этом случае конвекционная теплоотдача усиливается, потому что, во-первых, разрушается окружающий кожу пограничный слой воздуха. Во-вторых, отвод тепла от поверхности тела ускоряется благодаря ветру. Оба фактора способствуют быстрому охлаждению тела. При этом важную роль в теплоотдаче играют форма и размер корпуса. У маленьких организмов, таких как мыши, большая поверхность тела в отношении объема, а у слонов, наоборот, при большом объеме тела поверхность его невелика. Такие организмы защищены от переохлаждения, но легче перегреваются. У мелких организмов принудительная конвекция может быстро привести к нарушению теплового баланса.
Под теплопередачей понимают прямой транспорт тепла между двумя твердыми веществами, которые находятся в непосредственном физическом контакте. Поток тепла направлен от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой. Теплопередача между двумя предметами зависит от разницы их температур, эффективной площади соприкосновения, свойств материала и удельной теплопроводности. Тепло, передаваемое с кровью к поверхности тела, на границе с кожей выходит наружу путем теплопередачи, а затем за счет конвекции уносится потоком воздуха. Теплопередача играет важную роль во внешнем транспорте тепла только при непосредственном соприкосновении тела с материалами, обладающими высокой теплопроводностью, например с металлами. Незащищенный контакт может в этом случае мгновенно привести либо к обморожению, либо к ожогу – это испытывал практически каждый. Если зимой взяться голой рукой за металлический фонарный столб, можно за считаные секунды отморозить руку, а в иных случаях ладонь может примерзнуть к металлу. То же самое касается ожогов. Мы можем долго держать ладонь в нескольких сантиметрах над горячей плитой, потому что между ладонью и плитой находится теплоизолирующий слой воздуха; но непосредственный контакт с огнем в доли секунды приведет к сильному ожогу.
Таким образом, чем толще пограничный слой воздуха, окружающий тело, тем слабее теплообмен между телом и окружающей средой. Выбирая подходящую одежду, можно зимой увеличивать толщину этого слоя, а летом ее уменьшать. Здесь решающую роль играет количество воздуха, которое может удерживать одежда; поэтому пуховые куртки и одежда из полых полиэстеровых нитей «Дюпон» – такие теплые.
Еще один способ транспорта тепла – излучение. Если конвекция, теплопередача и отделение пота (испарение) представляются весьма наглядными физическими явлениями, то излучение этой наглядности лишено. Отложим книгу и поднесем ладони к щекам на расстояние приблизительно в сантиметр. За несколько минут мы ощутим, что щекам становится теплее. Это происходит оттого, что в воздухе между ладонями и щеками их инфракрасное излучение нагревает находящийся между ними воздух. Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение из спектра невидимых глазом лучей. Змеи и цихлилы относятся к немногим позвоночным животным, которые способны улавливать инфракрасное излучение и успешно пользуются этим на охоте. С точки зрения физики любое вещество, имеющее температуру выше абсолютного нуля (–273,15 °C), представляет собой источник электромагнитного излучения с определенной длиной волны. Длина волны зависит от температуры поверхности и обратно пропорциональна ей; то есть раскаленные, горячие предметы излучают более короткие волны, а холодные – более длинные. Люди и животные – относительно холодные объекты и испускают излучение длинноволнового спектра. Температура поверхности определяет не только длину испускаемых волн, но и скорость, с которой тело отдает энергию излучения. В состоянии покоя, при температуре воздуха 20–25 °C, низкой относительной влажности воздуха и малой скорости ветра от 50 до 60 % продуцируемого