Озвучена стаття Біологія — 27 грудня, 2022

Дрижаки беруть: чому нам буває холодно і що з цим робити

ТЕКСТ:

ІЛЮСТРАЦІЇ: Каталіна Маєвська

На початку зими з усіх соцмереж на нас сипались поради, як пережити холоднечу: одні дієві, інші – відверта маячня. Зараз, коли вже всі запаслись термобілизною і теплими шкарпеточками, можна спокійно з’ясувати що воно таке –  терморегуляція. Як організм розуміє, що йому холодно, і які механізми використовує, щоб підтримати сталу температуру тіла? Чому саме 36,6°С оптимально і для нас, і для пінгвінів, і для африканських слонів? Яку суперсилу мають немовлята? Які методи збереження тепла найефективніші з біологічної точки зору?

Чому бути холоднокровним – добре лише в переносному значенні? 

Ідея написати про терморегуляцію виникла в кінці листопада, коли ми з чоловіком сперечалися, відчиняти вікно чи ні: я – у двох светрах, він – у футболці. Спочатку ця тема викликала питання більш приземлені: чому ми так по-різному відчуваємо однакову температуру? Чому так важко заснути, коли змерз у ноги? Чому від холоду цокотять зуби? Проте що глибше копаєш, то більш глобальними стають ці запитання. Для чого нам терморегуляція? Які переваги вона дає, якщо за свої стабільні 36,6 ми платимо постійним дискомфортом і колосальною кількістю енергії?

Можна почати з того, що відомо достеменно. Теплокровність (або ендотермність) – здатність організму зберігати постійну температуру тіла (31-45°С для різних видів) незалежно від температури зовнішнього середовища. Теплокровність характерна для ссавців та птахів, проте бувають і винятки. Наприклад, голий землекоп – холоднокровний гризун, а вид ящірок аргентинський чорно-білий тегу – «вмикає» сезонну теплокровність у період розмноження.

Більшість організмів на Землі холоднокровні, або екзотермні. Це означає, що температура їхнього тіла цілком залежить від температури зовнішнього середовища. До холоднокровних належать комахи, риби, земноводні, плазуни. Такі тварини – заручники навколишніх умов: коли в затишному куточку стає прохолодно, їм потрібно погрітись на сонці, якщо критично холодно – впадають у заціпеніння. Деякі навчились використовувати фішки теплокровних – тремтіння м’язів може дещо підвищити температуру тіла, але це все одно не дозволяє постійно підтримувати вузькі температурні межі.

Надто активний рух для них також небезпечний – висока рухова активність загрожує перегрівом, а системи охолодження немає. Зате таким тваринам потрібно значно менше енергії. Це такий собі замкнутий трикутник: не їси так багато, як теплокровні – не нагріваєшся – не потрібно так багато їсти, щоб нагріватися. В умовах нестачі їжі така стратегія більш виграшна. Також у середовищі з мінімальним коливанням температури (тропіки, океани, під землею) холоднокровні можуть жити максимально комфортно, проте інші куточки планети для них уже будуть не такими привабливими1,2.

До речі, до такої енергоощадної стратегії вдаються навіть теплокровні. Лінивці живуть у тропіках, на деревах їм майже не загрожують хижаки, їхні рухи повільні, а раціон – низькокалорійні листки3. Тому коли наступного разу вам дорікатимуть за лінь, можна сміливо стверджувати, що ви не ліниві, а раціонально використовуєте ресурси!

Чому бути теплокровним – теж не надто добре, але все одно краще, ніж холоднокровним?

Теплокровним вкрай важливо підтримувати стабільну температуру, тому основний недолік такого типу терморегуляції – постійна зовнішня загроза переохолодження та внутрішня загроза перегріву. Щоб боротися з такими проблемами, потрібна значно більша кількість енергії. Це змушує теплокровних поглинати в 5–10 разів більше калорій, які досить важко здобути.

Але теплокровні, отримавши одного разу таку круту адаптацію, вирішили використати її з максимальною користю для себе (не так, як ми річний абонемент у спортзал). Висока температура дозволяє ферментам працювати у своєму температурному оптимумі (близько 37°С), тому більшість теплокровних у всіх куточках планети підтримують саме таку температуру. Ферменти – це біологічні каталізатори, що пришвидшують реакції в сотні, а іноді й у тисячі разів. Про ферменти ми часто чуємо лише в контексті травлення, але насправді вони беруть участь майже в усіх процесах в організмі. У такому випадку маємо теплокровний організм, який миттєво реагує на зміни зовнішнього середовища (наприклад, стрес), швидко синтезує антитіла до патогенів, може довго рухатися без перегріву і готовий до витривалих навантажень. Погодьтесь, не найгірші якості для виживання4.

Ще з приємних бонусів теплокровності – можливість жити в холодних широтах без впадання в анабіоз, захист від паразитичних грибків5,6  і можливість обернути на свою користь тепло, яке й так розсіюється в процесі метаболізму (таке собі безвідходне виробництво енергії).

Як тіло розуміє, що нам холодно? 

Для кращого розуміння терморегуляції організм можна порівняти з нашою планетою, де в центрі – розпечене ядро, а ззовні – більш холодна кора. Наше тіло всередині гаряче, тут кипить метаболізм і мільйони інших процесів. Для забезпечення всіх цих процесів мітохондрії постійно створюють енергію, ніби електростанції. Але коефіцієнт корисної дії електростанцій не може досягати 100%. Те саме і з мітохондріями: частина енергії, яку вони виробляють, розсіюється як тепло. Водночас наша шкіра постійно контактує із холодним/спекотним зовнішнім світом, тому щоб підтримувати сталу температуру, тілу насамперед необхідно навчитися її вимірювати.

Такими біотермометрами у нас працюють терморецептори. Терморецептори бувають центральні та периферійні. Периферійні розташовані на шкірі, слизових оболонках, дихальних шляхах і можуть бути тепловими і холодовими, оскільки температура зовні може бути і високою, і низькою. Центральні терморецептори розташовані в гіпоталамусі, різних відділах спинного мозку, м’язах, черевній ділянці. Ці рецептори вже винятково теплові, і їхнє основне завдання – вчасно помітити перегрів.

Проте помітити проблему – це тільки половина справи. Головна ціль організму – не допустити критичного відхилення від температури за замовчуванням. Це відповідальне завдання виконує відділ головного мозку гіпоталамус. Спочатку нейрони гіпоталамуса визначають фактичну температуру крові, яка йде до нього від серця, та аналізують інформацію від центральних/периферійних терморецепторів. Потім ця температура порівнюється з температурою, яка повинна бути за замовчуванням (у різні періоди доби та сезони вона може відрізнятись). І вже відповідно до отриманих даних гіпоталамус дає команду, нагріватися чи охолоджуватися7.

Як організм налаштовує термостат?

Одним із найпростіших способів терморегуляції для Homo sapiens є насамперед поведінкові реакції. Холодним зимовим ранком ми вилазимо з-під теплої ковдри і одразу накидаємо улюблений теплий халат, п’ємо гарячу каву, вмикаємо обігрівач. Коли на зупинці довго немає автобуса – так і тягне потупати ногами чи ще якось порухатися. А ввечері, лягаючи спати, скручуємося калачиком під ковдрою. Скільки поведінкових реакцій ви нарахували? Одягання додаткового одягу, регуляція температури кімнати, бажання рухатися, якщо змерзли кінцівки, прийняття пози ембріона – все це поведінкові реакції у відповідь на некомфортні зовнішні умови. Але температура тіла – надто важлива штука, щоб покладатися лише на кору головного мозку, і дивлячись на себе шістнадцятирічного без шапки, важко з цим не погодитися.

Вегетативна нервова система може самостійно контролювати температуру, якщо поведінкових реакцій недостатньо. Для охолодження тіла вона має два механізми, які запускаються, коли температура тіла перетинає 37,3°С (для жінок цей поріг вищий на 0,3-0,5°С). Це відправна точка, з якої починається процес охолодження.

Секреція поту – єдиний спосіб віддавати тепло в середовище з температурою вищою, ніж температура тіла. Коли поверхня тіла волога, воно швидше втрачає тепло – як пляшка води, обгорнута вологими серветками, в морозилці. Тварини, густо покриті шерстю, менше можуть використовувати цей лайфхак, проте вони мають схожий механізм і висувають язика, щоб волога ротової порожнини випаровувалась і охолоджувала їх.

Розширення судин (активна вазодилатація) запускається одночасно з потовиділенням, але розвивається повільніше. Розширення судин стимулює поверхневий кровотік, і прискорюється віддача тепла в зовнішнє середовище, але за умови, що воно холодніше, ніж тіло.

Значно більше у нас є способів зігрітись. Звуження судин поверхневого кровотоку (вазоконстрикція) – це головний механізм обмеження втрати тепла. Водночас частково перетискаються поверхневі капіляри, тоді як важливі внутрішні органи постачаються кров’ю у звичному режимі. Поверхнева вазоконстрикція не впливає на нормальне функціонування шкіри, але рукавичками все-таки краще запастись.

Тремтіння м’язів а своїм принципом схоже на звичайну рухову активність, але теплопродукція виростає в 4–5 разів, що значно менше, ніж від звичайної руханки. Крім того, від такого методу зігрівання зростає киснева потреба організму.

Метаболічний термогенез – один з найпотужніших інструментів теплопродукції. Центральну роль в цьому процесі відіграє білок термогенін. Пам’ятаєте ту частину, де мітохондрії виробляють енергію і якась її частина розсіюється у вигляді тепла? Так от, організм уміє робити це цілеспрямовано, коли потрібно зігрітись. Термогенін роз’єднує цей енергетичний ланцюжок, і вся енергія розсіюється теплом. Такий процес протікає у бурій жировій тканині. Багато такої тканини у немовлят, тому вони можуть бути більш стійкими до холодних температур. Донедавна вважалось, що у дорослих така тканина – дуже обмежений ресурс, проте останні дослідження показують, що вона може синтезуватися зі звичайної білої жирової тканини, якщо є потреба в термогенезі. Але слід пам’ятати, що бурий жир синтезується в невеликих кількостях, і після повернення в нормальне тепле середовище може назад ставати білим, тому їсти тістечка на морозі – не найкраща стратегія для схуднення8.

Підвищення секреції тироксину – це вже механізм довготривалої адаптації до холодного середовища. Для його запуску потрібні тижні. Якщо підвищується рівень цього гормону, утворюється вже знайомий нам термогенін, тільки вже не час від часу, а систематично. Такий метод ефективний для організмів, що живуть в середніх широтах, де теплий сезон змінюється холодним.

Гусяча шкіра (пілоерекція) – для людей штука рудиментарна. Дісталась у спадок, як стара татова дискета: колись було круто, а тепер нікуди її і не засунеш. Пілоерекцію запускає гіпоталамус, який дає команду крихітним м’язам підіймати кожну волосину. Цей процес добре працює для пухнастих тварин і птахів – шерсть чи пір’їнки підіймаються і створюють повітряну подушку, яка добре зберігає тепло9,10.

 

Підписатися на Куншт

Корисна розсилка про науку.
Статті, відео і подкасти щотижня та без спаму.
 

Як не ловити дрижаків цієї зими? Найефективніші з біологічної точки зору методи збереження тепла

Тепер, знаючи всі тонкощі терморегуляції, можна не тільки використовувати лайфхаки з інтернету, а й розуміти їх.

1. Порада вживати більше калорій звучить цілком логічно, коли ми знаємо, що ці калорії взимку не осядуть в місцях небажаних для осідання, а підуть на обігрів.

2. Порада замість бавовняних шкарпеток обирати шерстяні теж цілком себе виправдовує, оскільки бавовна не відводить від тіла вологу, і такий одяг даватиме зворотний ефект – піт скоріше буде охолоджувати шкіру. Те саме стосується надто теплого одягу, якщо ви спітнієте ще до виходу з дому: волога шкіра скоріше втрачатиме тепло. Ефективна також порада за можливості змінювати одяг на сухий, якщо, наприклад, намочили ноги.

3. В одязі замість однієї дуже теплої речі краще надати перевагу багатошаровості: якщо надто тепло, можна буде скинути один шар і не спітніти. Крім того, краще вибирати не надто вузький одяг – так ми зможемо використати й недоступну нам пілоерекцію: вільний одяг створюватиме повітряну подушку, як у пухнастих тварин чи настовбурчених пташок.

4. На морозі краще дихати носом. Тварини дихають ротом для охолодження, й у нас це працюватиме за таким самим принципом.

5. Обличчя ми не закутаємо на 100%, проте можна скористатися захисним жирним кремом, але тільки за пів години до виходу, щоб лице не було вологим.

6. Металеві прикраси та аксесуари можуть стати джерелом локального переохолодження, оскільки в металу більша теплопровідність, ніж, наприклад, у дерева. Тому коли ми торкаємось до дерева і металу однакової температури, метал нам здається холоднішим.

7. Порада від старшого покоління випити алкоголь для «зігріву» не працює. Чому? Алкоголь розширює судини, а це, як ми дізналися, механізм охолодження тіла. Воно може дати тимчасовий ефект відчуття тепла в кінцівках, але насправді ми тільки швидше втрачатимемо тепло.

8. Рухова активність дає більше тепла, ніж просте тремтіння м’язів. Тому не чекаємо, поки зуби самі почнуть цокотіти і робимо вправи11.

Запасайтесь шерстяним одягом, смаколиками та терпінням. Ця зима нелегка, але ми обов’язково впораємось!


Ця публікація створена за підтримки Європейського фонду підтримки демократії (EED). Її зміст не обов’язково відображає офіційну думку EED. Відповідальність за інформацію та погляди, висловлені в цій публікації, повністю несе автор(и).

Посилання:

  1. What is thermoregulation, and how does it work? Medical News Today.
  2. Temperature regulation strategies. Khan Academy.
  3. Cliffe, R. N., Scantlebury, D. M., Kennedy, S. J., Avey-Arroyo, J., Mindich, D., & Wilson, R. P. (2018). The metabolic response of the Bradypus sloth to temperature. PeerJ, 6, e5600.
  4. Hardy, J. D. (1961). Physiology of temperature regulation. Physiological reviews, 41(3), 521-606.
  5. Bergman, A., & Casadevall, A. (2010). Mammalian endothermy optimally restricts fungi and metabolic costs. MBio, 1(5), e00212-10.
  6. Killer fungi made us hot-blooded. NewScientist.
  7. Zhang, X. (2015). Molecular sensors and modulators of thermoreception. Channels, 9(2), 73-81.
  8. The browning of white fat. Society for Endocrinology.
  9. Temperature regulation strategies. How behavior, anatomy, and physiology help animals regulate body temperature. Khan Academy.
  10. Collins, K. J. (1999). Temperature regulation and the autonomic nervous system. Autonomic failure: a textbook of clinical disorders of the autonomic nervous system, 5, 247-255.
  11. It’s cold! A physiologist explains how to keep your body feeling warm.

0:00/0:00

Популярні статті

Стаття Суспільство — 27 березня

Як Росія завойовувала вплив у країнах Африки

Стаття Космос - 29 лютого

Куншткамера з Девідом Сперґелом про реліктове випромінювання, НАЯ (НЛО) та співпрацю з українськими науковцями

Стаття Пост правди - 25 березня

Пост правди, епізод 7: Анонімність в телеграмі