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. 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.

Чем интенсивнее работа, тем выше тепловая нагрузка на организм. Именно это является главной причиной физиологической 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 работает как «короткое замыкание» в митохондрии: вместо того чтобы синтезировать АТФ, энергия от расщепления питательных веществ напрямую рассеивается в виде тепла.

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. Излучение (радиация) как путь теплообмена
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 лучами, отдавая энергию более холодным стенам и предметам. Но радиация работает в обе стороны. Если спортсмен тренируется под палящим солнцем или на раскалённом асфальте, его тело не только не теряет тепло этим путём, но и получает огромную дополнительную тепловую нагрузку извне.


5. Конвекция
Конвекция — это передача тепла движущейся среде, то есть воздуху или воде. Когда воздух соприкасается с кожей, он нагревается. Если этот воздух остаётся неподвижным, вокруг тела образуется тёплая прослойка, и отдача тепла замедляется. Но если дует ветер или спортсмен быстро движется (например, едет на велосипеде), нагретый воздух постоянно сдувается и заменяется холодным.

Чем выше скорость потока, тем сильнее конвекционная потеря тепла. В спорте это имеет двоякое значение. В жару встречный ветер спасает от перегрева. В холодную погоду ветер резко ускоряет переохлаждение — этот феномен известен как ветро-холодовой индекс (wind chill).


6. Теплопроводность (кондукция)
Теплопроводность — это передача тепла при прямом физическом контакте с объектом. В обычных условиях, например, когда спортсмен просто стоит в кроссовках на земле, потери тепла кондукцией минимальны (не более 2–3%).

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, 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.

Важно помнить физическое правило: охлаждает тело только тот пот, который испарился. Если пот просто стекает каплями или впитывается в одежду, организм теряет жидкость, но охлаждается значительно меньше.


8. Тепловой баланс организма
Взаимодействие всех описанных механизмов описывается уравнением теплового баланса. Оно учитывает метаболическую теплопродукцию, полученное или отданное тепло через радиацию, кондукцию и конвекцию, а также потерю тепла испарением.

Если сумма произведённого и полученного тепла равна сумме отданного, тело находится в тепловом балансе, и температура ядра остаётся стабильной. Если образуется больше тепла, чем среда способна принять, организм уходит в положительный баланс — начинается накопление тепла и рост температуры ядра. Это нормальное явление в начале тренировки, но если процесс не стабилизируется, то работоспособность неизбежно падает.


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, создающим микроклимат между тканью и кожей. В зависимости от свойств материалов она может изолировать тело от холодного воздуха (сохраняя конвекционный слой тепла) или мешать испарению пота. Поэтому в спортивной практике подбор экипировки рассматривается не как вопрос эстетики, а как прямое управление физикой теплообмена.