Чтобы поддерживать температуру тела, организм должен балансировать между двумя процессами: образованием тепла внутри тела (теплопродукцией) и обменом теплом с окружающей средой (теплоотдачей). В спортивной физиологии понимание этих процессов требует количественного подхода.

Тренеру важно знать не только то, что спортсмену «жарко», но и то, сколько именно тепла производят его мышцы и сможет ли внешняя среда принять и отвести это тепло.


1. Источники теплопродукции в покое и при мышечной работе
В состоянии абсолютного покоя тепло в организме образуется как побочный продукт обмена веществ. Основными источниками теплопродукции в покое выступают внутренние органы: печень, сердце, головной мозг и почки. На их долю приходится около 70% всего вырабатываемого тепла, хотя по массе они составляют лишь малую часть тела (около 5%). Скелетные мышцы в покое производят не более 20–25% тепла.

При интенсивной физической нагрузке картина радикально меняется. Кровоток перераспределяется, а метаболизм в работающих мышцах возрастает в десятки раз. В результате скелетная мускулатура становится главным источником теплопродукции, генерируя до 90% всего тепла в организме. Общее производство тепла при тяжёлой работе может возрастать в 15–20 раз по сравнению с уровнем покоя.

Как уже было рассмотрено в разделе по биоэнергетике, это объясняется тем, что только 20–25% освобождённой при расщеплении АТФ энергии переходит в полезную механическую работу (движение). Остальные 75–80% энергии неизбежно превращаются в тепло.

Таким образом, чем интенсивнее и мощнее работа, тем сильнее мышцы разогревают организм изнутри. Именно эта эндогенная тепловая нагрузка, а не только внешнее тепло, является главной причиной гипертермии в спорте.


2. Дрожательный (сократительный) термогенез
Если организм оказывается в условиях сильного холода, ему необходимо дополнительное тепло. Первой линией защиты становится дрожательный (сократительный) термогенез — непроизвольное, асинхронное сокращение мышечных волокон.

При дрожи мышцы физиологически работают так же, как при обычном сокращении, расходуя АТФ. Однако при этом они не совершают полезной внешней работы (конечности не перемещают груз в пространстве). Поскольку внешняя работа равна нулю, те 20–25% энергии, которые обычно уходят на движение, из-за внутреннего трения тканей также полностью преобразуются в тепло. В результате механическая эффективность падает до нуля, и 100% затраченной энергии остаётся внутри тела в виде тепловой энергии. Это позволяет увеличить теплопродукцию в 3–5 раз по сравнению с покоем.

Однако этот механизм имеет высокую физиологическую цену: дрожь быстро истощает запасы мышечного гликогена и вызывает утомление, что крайне невыгодно в условиях спортивных соревнований в холодную погоду.


3. Недрожательный (несократительный) термогенез
Помимо дрожи, организм способен вырабатывать тепло и чисто биохимическим путём. Этот процесс называется недрожательным (несократительным) термогенезом. Долгое время считалось, что он играет роль только у младенцев, однако современные исследования доказали его важность и для взрослых.

Главную роль в этом процессе играет бурая жировая ткань (в отличие от обычной, белой, которая служит для запасания энергии). Клетки бурого жира богаты митохондриями, содержащими специфический разобщающий белок (UCP-1, или термогенин). Этот белок разобщает дыхательную цепь в митохондриях: вместо того чтобы синтезировать АТФ, энергия от расщепления питательных веществ напрямую рассеивается в виде тепла.

Активация этого механизма невозможна без участия эндокринной системы. Охлаждение тела стимулирует выработку тироксина щитовидной железой, который способен значительно повысить скорость базального метаболизма. Параллельно с этим адреналин и норадреналин (катехоламины), выделяемые мозговым веществом надпочечников, усиливают действие симпатической нервной системы. Работая вместе, эти гормоны напрямую ускоряют обмен веществ практически во всех клетках организма, резко увеличивая биохимическую теплопродукцию.

Важно, что под регулярным воздействием холода или физических тренировок (через гуморальные сигналы и общую адаптацию обмена веществ) часть белой жировой ткани может приобретать свойства бурой (процесс, называемый «браунингованием» или бежевением жира).

Более тёмный (бежевый, бурый) цвет жира определяется прежде всего высоким содержанием митохондрий. Митохондрии богаты цитохромами — белками дыхательной цепи, содержащими железо, что и придаёт ткани буровато-коричневый оттенок.

Дополнительный вклад в более тёмный цвет вносит и богатое кровоснабжение такой ткани, поскольку для интенсивного термогенеза ей требуется постоянная доставка кислорода и питательных веществ. Бежевые адипоциты обычно окрашены менее интенсивно, чем бурые, потому что в них, как правило, меньше митохондрий и ниже выраженность термогенной активности.


4. Пути теплоотдачи: от ядра к среде.
Чтобы тело могло отдать метаболическое тепло окружающей среде, оно должно сначала переместить его из внутренних органов (ядра) к коже (оболочке). Главным транспортным средством (теплоносителем) в этом процессе выступает кровь. Нагреваясь во внутренних органах и работающих мышцах, она течёт к кожным капиллярам. Только когда тепло достигает поверхности кожи, оно может быть передано во внешнюю среду посредством четырёх физических механизмов: излучения, конвекции, кондукции или испарения.

Излучение, конвекция и теплопроводность в спортивной физиологии объединяются термином сухой теплообмен (dry heat exchange).

Излучение (радиация)
Тепло постоянно перемещается от более нагретых объектов к более холодным. Один из главных путей такого обмена — тепловое (инфракрасное) излучение. Оно не требует физического контакта между объектами и даже наличия воздуха.

В покое при комнатной температуре человек теряет через излучение до 60% тепла — тело буквально «светится» инфракрасными волнами, отдавая энергию более холодным объектам.

Но радиация работает в обе стороны. Если спортсмен тренируется под палящим солнцем, его тело получает огромную дополнительную тепловую нагрузку в виде солнечной радиации. Именно поэтому для снижения радиационного нагрева в жару рекомендуется использовать светлую экипировку, которая отражает, а не поглощает инфракрасные лучи.


5. Конвекция
Конвекция — это передача тепла движущейся среде (воздуху, воде). Когда холодный воздух соприкасается с тёплой кожей, он нагревается. Если человек неподвижен, а движения воздуха нет, вокруг тела образуется тонкий, невозмущённый пограничный слой воздуха (своеобразная тепловая изоляция), и отдача тепла сильно замедляется. Но если дует ветер или спортсмен быстро движется (например, едет на велосипеде), этот пограничный слой постоянно срывается и заменяется новыми порциями холодного воздуха.

Чем выше скорость потока, тем сильнее конвекционная потеря тепла. В спорте это имеет двоякое значение: в жару встречный ветер помогает рассеивать тепло, а в холодную погоду резко ускоряет охлаждение тканей. Именно поэтому в метеорологии используют ветро-холодовой индекс (wind chill), отражающий охлаждающий эффект сочетания холода и ветра.


6. Теплопроводность (кондукция)
Теплопроводность (кондукция) — это передача тепла посредством прямого молекулярного контакта твердых тел. В обычных условиях на суше спортивные физиологи часто пренебрегают этим путём теплообмена, так как потери тепла кондукцией минимальны (не более 2–3%). Это связано с тем, что площадь поверхности тела, контактирующая с твёрдыми объектами (например, только подошвы стоп спортсмена с поверхностью беговой дорожки), ничтожно мала.

Однако ситуация кардинально меняется в водных видах спорта. Вода обладает теплопроводностью, примерно в 25 раз превышающей теплопроводность воздуха. Это значит, что пловец в воде с температурой 20 °C теряет тепло в десятки раз быстрее, чем бегун при той же температуре воздуха. Без специальной защиты (гидрокостюма) или мощной теплопродукции за счёт движения длительное нахождение в воде неизбежно ведёт к гипотермии.


7. Испарение и его особая роль при физической нагрузке
Испарение — это превращение жидкости (пота) в пар. Для этого перехода требуется огромное количество энергии, которая забирается с поверхности кожи, тем самым охлаждая её. Испарение одного литра пота отводит от тела около 580 ккал тепла.

В покое испарение составляет лишь около 20% от общей теплоотдачи (в основном за счёт неощутимого потоотделения и дыхания). Но при интенсивной тренировке, особенно когда температура воздуха приближается к температуре кожи или превышает её, излучение и конвекция перестают работать. В этих условиях испарение становится единственным доступным организму механизмом охлаждения, беря на себя до 80–90% всей теплоотдачи.

С физической точки зрения эффективность испарения определяется градиентом давления водяного пара между влажной поверхностью кожи и окружающим воздухом. Относительная влажность показывает, насколько текущее содержание водяного пара в воздухе близко к уровню насыщения при данной температуре. Чем ближе воздух к насыщению (чем выше влажность), тем меньше градиент давления пара между кожей и средой, и тем хуже воздух способен принимать дополнительную влагу. Поэтому в жарком и влажном климате пот может выделяться очень обильно, но охлаждать тело значительно хуже, чем в сухом воздухе.

Важно помнить физическое правило: охлаждает тело только тот пот, который испарился. Если пот стекает каплями или запирается плотной экипировкой, это не даёт охлаждающего эффекта и ведёт только к потере воды.

Чтобы оценить масштаб испарительного охлаждения, представим марафонца весом 70 кг, бегущего с соревновательной скоростью. Чтобы отвести всё вырабатываемое метаболическое тепло только за счёт испарения, ему необходимо испарять не менее 1,5 литров пота в час. Поскольку часть пота неизбежно стекает впустую, реальная потеря жидкости может достигать 2 литров в час. Без адекватного восполнения жидкости такой бегун за 2,5 часа марафона потеряет около 5 литров воды (более 7% массы тела), что приведёт к тяжелейшему обезвоживанию и резкому падению работоспособности.


8. Тепловой баланс организма
Взаимодействие всех описанных механизмов описывается классическим уравнением теплового баланса:

M – W ± R ± C ± K – E = 0, где:

• M (Metabolic rate) — метаболическая теплопродукция (всегда со знаком +);
• W (Work) — полезная механическая работа (вычитается из общей теплопродукции);
• R (Radiation) — излучение;
• C (Convection) — конвекция;
• K (Conduction) — теплопроводность (обозначается буквой K, от физического коэффициента теплопроводности k, чтобы избежать путаницы с конвекцией);
• E (Evaporation) — испарение (всегда со знаком –, так как только забирает тепло).

Обратите внимание, что сухой теплообмен (R, C, K) может быть как со знаком «минус» (когда тело отдаёт тепло в холодную среду), так и со знаком «плюс» (когда среда нагревает тело).

Если результат уравнения равен нулю, тело находится в идеальном тепловом балансе, и температура ядра стабильна. Если (M – W ± R ± C ± K – E) > 0, организм уходит в положительный баланс — начинается накопление избыточного тепла и рост внутренней температуры. Если это не скомпенсировать снижением темпа (M) или усилением испарения (E), работоспособность неизбежно упадёт.


9. Влияние внешних факторов среды
Теплообмен никогда не зависит от одного параметра. Температура воздуха — лишь один из факторов. Солнечная радиация может добавить критическую дозу тепла даже в прохладный день. Ветер может облегчать охлаждение в жару, но резко ускорять теплоотдачу в холоде.

Особенно коварным фактором является влажность воздуха. Она не влияет на выработку пота, но напрямую определяет способность среды этот пот испарить. Если воздух уже насыщен водяными парами (тропический климат, дождь, закрытый влажный зал), давление водяного пара в среде становится высоким. Градиент между влажной кожей и воздухом резко уменьшается, и испарение существенно затрудняется. В таких условиях спортсмен обильно потеет, быстро теряет жидкость и электролиты, но охлаждается значительно хуже.


10. Площадь поверхности тела, телосложение и одежда
На теплообмен влияет и физика самого тела. Отношение площади поверхности тела к его массе определяет, насколько эффективно человек обменивается теплом со средой.

Высокие, худощавые спортсмены с длинными конечностями имеют большую площадь поверхности относительно массы. Они лучше отдают тепло, что даёт им эволюционное преимущество в жарком климате и в видах спорта на выносливость. Более крупные, коренастые атлеты обладают меньшим соотношением площади к массе. Они эффективнее сохраняют тепло, что является плюсом на холоде, но фактором риска при длительной интенсивной работе в жару.

Одежда выступает искусственным барьером, регулирующим теплообмен. Сопротивление одежды сухому теплообмену называется теплоизоляцией. С физической точки зрения, идеальным изолятором является слой неподвижного воздуха. Задача зимней экипировки (например, флиса или пуховика) — захватить и удержать нагретый пограничный слой воздуха между волокнами ткани, предотвратив его сдувание (конвективную потерю).

С другой стороны, в жару экипировка должна не только обеспечивать максимальную конвекцию, но и минимизировать сопротивление испарению пота. Иначе даже при хорошем потоотделении охлаждение будет ограничено: пот будет скапливаться на коже и ткани, а не переходить в пар. Поэтому подбор одежды в жаркую погоду — это управление не только теплоизоляцией, но и испарительным теплообменом. В спортивной практике выбор экипировки рассматривается как прямое управление физикой теплообмена.