Если вы выйдете из прохладного здания в жаркий солнечный день, вы наверняка заметите, что ваша кожа начинает краснеть. На теле появляются капельки пота. Эти реакции, как бы неприятны они ни были, призваны помочь вам выжить. Обе реакции являются частью автоматического способа организма восстановить внутреннюю температуру до типичных 98,6 градусов по Фаренгейту.
Этот процесс является одним из многих механизмов саморегуляции в организме, которые работают для поддержания постоянной внутренней среды в любых условиях - не только температуры, но и кровяного давления и pH. Ваше тело делает эти физиологические корректировки без необходимости думать. Эта суперспособность называется гомеостазом.
Ставки высоки. "Чем дальше ваш организм отходит от статус-кво... тем опаснее это может быть", - говорит Этейн Танси, преподаватель Университета королевы Белфаста, который руководит Центром обучения биомедицинским наукам. "Если гомеостаза не было, если механизмы, которые обычно существуют, перегружены, именно это может привести к болезни и заболеванию".
Что такое гомеостаз?
Термин "гомеостаз" происходит от двух греческих слов: "homio", что означает "подобный", и "stasis", что переводится как "неподвижный". Все организмы на Земле, за исключением вирусов, используют формы саморегуляции для поддержания постоянной внутренней среды. Для некоторых функций человека баланс достигается в относительно узком диапазоне, называемом "заданным значением". Например, около 98,6 градуса обычно является оптимальной температурой тела. Но для других функций уставка более динамична.
Все эти изменения происходят благодаря сигнальной системе в вашем организме. Три вещи - рецепторы, интегрирующий центр и эффекторы - поддерживают гомеостаз. По всему телу рецепторы, которые могут быть особым классом белков или специализированными нервными клетками, например, следят за такими состояниями, как температура или кровяное давление. Когда рецептор обнаруживает изменение, он посылает сигнал в интегрирующий центр, который иногда называют центром управления. У человека это обычно область в мозге под названием гипоталамус, которая регулирует температуру, частоту сердечных сокращений, чувство голода, водный баланс, циркадные ритмы и другие важные условия. "Интегрирующий центр - это место, где изменение сравнивается с заданным значением", - объясняет Танси.
Последний этап - ответная реакция, для которой часто используется эндокринная система или нервная система. Сигналы, посылаемые через эти системы, поступают к эффекторам - любым частям тела, которые вызывают необходимые физиологические реакции. Например, для регулирования температуры эффекторы включают кровеносные сосуды и потовые железы в коже. Или для повышения кровяного давления почки будут задерживать больше воды. Чтобы увеличить количество кислорода, диафрагма и дыхательные мышцы будут делать больше или глубже вдохов. Другие эффекторы изменяют поведение. Когда вы испытываете жажду или тягу к соленой пище, это может быть гомеостатической реакцией.
После того как данная функция вернется в нормальный диапазон, рецепторы пошлют новое сообщение, называемое отрицательной обратной связью, в интегрирующий центр. Это говорит другим частям тела прекратить чрезмерную компенсацию, выключая процесс.
Кондиционер Biology
Человек теряет тепло в окружающую среду в большинстве условий, говорит Танси. Но в особенно жарком климате тело нагревается за счет солнечного излучения и теплопроводности от более теплых предметов вокруг.
Хотя температурные рецепторы есть и в коже, "наиболее важна температура ядра тела", говорит она, поэтому рецепторы существуют также в самом гипоталамусе, вокруг вен, в висцерах и спинном мозге.
Когда на улице жара, все эти терморецепторы посылают сигналы в гипоталамус. Исследователи считают, что эта область мозга определяет, насколько далеко тепло тела от 98,6 градусов, по тому, как по-разному загораются нервные клетки, реагирующие на изменения температуры по всему телу, говорит Танси. Затем гипоталамус посылает сигналы, оповещая кровеносные сосуды в коже. Там гладкая мускулатура, окружающая сосуды, расслабляется, что вызывает усиление притока крови к поверхности кожи, унося тепло от ядра тела. Этот процесс, называемый вазодилатацией, также заставляет кожу выглядеть более розовой и покрасневшей. Миллионы потовых желез также активизируются, и эти капельки завершают работу, перенося тепло с поверхности кожи в воздух путем испарения.
Когда кондиционер организма перестает работать
Если организм начинает бороться за то, чтобы избавиться от достаточного количества тепла, он может стать перегруженным, говорит Доун Эмерсон, клинический доцент кафедры физических упражнений в Университете Южной Каролины. Когда тело не может потеть, оно перестает быть способным отводить тепло от тела. Это, по ее словам, классический тепловой удар. (По ее словам, тепловой удар при физической нагрузке может выглядеть несколько иначе, поскольку пациенты, перегревшиеся при физической нагрузке, все еще могут потеть).
Все начинает идти не так, как надо, когда центральная нервная система перестает функционировать должным образом. Люди с тепловым ударом "проявляют признаки аномального поведения, они становятся очень агрессивными, они как бы забывают, что происходит, потому что их мозг не функционирует так, как должен", - говорит Эмерсон. Другие органы начинают отключаться в попытке организма восстановить контроль.
Подобный отказ всей системы не является уникальным для перегрева. "Когда организм не находится в гомеостазе, он будет продолжать бороться за его поддержание, и это вызывает сильный стресс, - говорит Эмерсон. Организм, испытывающий стресс, будет нарушать другие функции в попытке достичь гомеостаза".
Однако некоторые виды перегрева не вызывают такой реакции. Например, когда у человека поднимается температура в качестве иммунного ответа на инфекцию или болезнь, организм устанавливает новую уставку, перенастраивая термостат на более высокую температуру. Это происходит потому, что воспалительная реакция в виде жары является полезной частью борьбы с патогеном, объясняет Эмерсон. "Тепло убивает патогены", - говорит она, а увеличение кровотока приводит к появлению большего количества белых кровяных телец для борьбы с инфекцией.
Взлом гомеостаза
Некоторые люди могут преодолевать свои гомеостатические установки. Возьмем "ледяного человека" Вима Хофа. Он пробежал полумарафон по снегу и льду босиком и может оставаться погруженным в кубики льда более 112 минут. Пара нейробиологов из Университета штата Уэйн изучила техники, которые использует "ледяной человек", такие как контролируемая задержка дыхания, гипервентиляция и медитация. По мнению ученых, такое поведение могло подготовить мозг Хофа к тому, чтобы выдержать стресс от погружения в ледяную воду.
Такие исследования открывают возможность того, что мы можем немного скорректировать наши уставки, но принудительная отмена может быть опасной.
"Вы можете нарушить гомеостаз, например, выпить много воды, когда она вам не нужна", - говорит Танси. Но если вы пьете слишком много, уровень натрия в клетках может упасть, так как они разбухают от воды, что особенно опасно, когда это происходит с клетками мозга. "Это может быть смертельно опасно", - говорит Танси.
Чаще всего взлом происходит во время занятий фитнесом. По словам Эмерсона, во время тренировок можно акклиматизировать организм к новым условиям, чтобы ему не приходилось прилагать столько усилий для поддержания гомеостаза. Тело человека, который начинает заниматься спортом, лучше переносит тепло, вызванное этой деятельностью. Со временем, говорит она, увеличится выделение пота, чтобы быстрее охладиться, изменится кровоток в коже, а нагрузка на сердечно-сосудистую систему снизится. Эмерсон говорит, что потребуется от 10 до 14 дней, чтобы привыкнуть к этой физической нагрузке и адаптироваться, установив новый базовый уровень для балансирующей суперспособности вашего организма.