تنظيم حراري

إن توليد الحرارة في الجسم هو أحد النواتج الاستقلاب الثانوية الرئيسية؛ بمختلف العوامل التي تعين سرعة توليد الحرارة والتي تسمى سرعة استقلاب الجسم وأهم هذه العوامل:

1. السرعة الأساسية لاستقلاب كل خلايا الجسم.
2. السرعة الإضافية للاستقلاب التي تولدها الأنشطة العضلية، والتي تشمل التقلصات العضلية التي تولدها القشعريرة.
3. الاستقلاب الإضافي الذي يسببه تأثير هرمون الثيروكسين المفرز من الغدة الدرقية، ولمدى أقل الهرمونات الأخرى على الخلايا مثل: هرمون النمو، وهرمون التستوستيرون.
4. الاستقلاب الإضافي الذي يسببه تأثير الأدرينالين والنورإبينفرين والتنبيه العصبي على الخلايا.
5. الاستقلاب الإضافي الذي تسببه زيادة التفاعلات الكيميائية في الخلايا نفسها، خصوصا عند ارتفاع درجة حرارتها.

تتكون معظم الحرارة التي تولد في الجسم في أعضائه العميقة، وخاصة في الكبد والدماغ والقلب والعضلات الهيكلية أثناء الجهد الجسدي. ومن ثم تحول هذه الحرارة من الأعضاء العميقة والأنسجة إلى الجلد، حيث تفقد إلى الهواء في الوسط الخارجي وكل ما يحيط بالجسم . ولهذا فإن سرعة فقدان الحرارة تعين غالبا وبصورة تامة تقريبا بعاملين هما:

1. السرعة التي يمكن أن يتم بها توصيل الحرارة من مكان توليدها في لب الجسم إلى الجلد.
2. السرعة التي يمكن بها تحويل الحرارة من الجلد إلى الوسط الخارجي المحيط.

يفقد الشخص العاري في غرفة ذات درجة حرارة عادية بالإشعاع radiation حوالي 60 % من كل الحرارة التي يفقدها جسمه (حوالي 15 %) .

و يعني فقدان حرارة الجسم إلى الوسط الخارجي المحيط به بالإشعاع فقدانها بشكل أشعة حرارية تحت حمراء، وهي نمط من الآشعة موجية من الموجات الكهرومغناطيسية . ولمعظم الأشعة الحرارية تحت الحمراء - التي تشع من الجسم - موجات بأطوال 5 - 20 ميكرومترا، وهي 10 - 30 ضعفا طول الأشعة الضوئية .

و كل الأجسام التي لها درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق تشع مثل هذه الأشعة . ولهذا فإن جسم الإنسان يشع أشعة حرارية في كل الاتجاهات ؛ ولكن الأشعة الحرارية تشع أيضا من الجدران ومن الأجسام الأخرى نحو الجسم . فإذا كانت درجة حرارة الجسم أعلى من درجة حرارة الوسط الخارجي المحيط، فيتم إشعاع كمية أكبر من الحرارة من الجسم مما يشع نحوه .

تفقد من الجسم كميات صغيرة فقط بالتوصيل conduction المباشر في سطح الجسم إلى الأجسام الأخرى كالفراش والمقعد.

وعلى الطرف الآخر، فإن فقدان الحرارة بالتوصيل إلى الهواء يمثل فعلا نسبة كبيرة من فقدان الحرارة من الجسم (حوالي 15 %) حتى في ظروف التوصيل السوية.

كما أن الحرارة في الواقع هي طاقة حركية للحركة الجزيئية، وأن جزيئات الجلد تخضع باستمرار لحركات اهتزازية. ومن الممكن نقل الكثير من هذه الحركة إلى الهواء إذا كان أبرد من الجلد، فيزيد ذلك من سرعة حركة جزيئات الهواء .

ولكن متى ما تساوت درجة حرارة الهواء المجاور مباشرة للجلد بدرجة حرارة الجلد، فلن يكون عندئذ بالإمكان فقدان حرارة من الجلد إلى الهواء. ولهذا فإن توصيل الحرارة من الجسم إلى الهواء يحدد ذاتيا إلا إذا تحرك الهواء الساخن بعيدا عن الجلد بحيث يجري دائما هواء جديد غير مسخن وباستمرار ليلامس الجلد فيما يسمى بحملان الهواء.

تسمى إزالة الحرارة من الجسم بحمل التيارات الهوائية لها بفقدان الحرارة بالحملان convection.

وفي الواقع يجب أولا توصيل الحرارة إلى الهواء ومن ثم حملها بعيدا عنه بتيارات الحمل . و تتم كمية قليلة من الحملان دائما تقريبا من حول الجسم لأن الهواء المجاور للجسم يرتفع بعيدا عنه عندما يسخن .

ولهذا فإن الشخص العاري الذي يجلس ساكنا في غرفة من دون حركة قوية للهواء يفقد حوالي 15 % من حرارته بالتوصيل إلى الهواء ومن ثم بحمل الهواء بعيدا عن الجسم.

عندما يتعرض الجسم للرياح تتبدل طبقة الهواء المجاورة للجلد مباشرة، وتعوض بهواء جديد بسرعة أكبر من المعتاد ويزداد بذلك فقدان الحرارة بطريقة الحملان.

ويتناسب التأثير التبريدي للرياح الخفيفة السرعة تقريبا مع الجذر التربيعي لسرعة الرياح .

فمثلا يكون للرياح بسرعة 4 أميال في الساعة ضعف التأثير التبريدي لتلك التي بسرعة ميل واحد فقط في الساعة.

للماء حرارة نوعية[10] تعادل عدة آلاف تلك التي للهواء ؛ بحيث أن أي قسم من الماء الذي يلامس الجلد يتمكن من امتصاص كمية من الحرارة منه أكثر بكثير مما يتمكن الهواء بذلك. كما أن توصيل الحرارة في الماء أكثر بكثير مما هو في الهواء. ولهذا لن يتمكن الجسم من أن يسخن طبقة رقيقة من الماء تحيط به لتكون له منطقة عازلة كما يتمكن من عمله مع الهواء.

ولهذا فإن سرعة فقدان الحرارة إلى الماء في درجات الحرارة المعتدلة تزيد بأضعاف كثيرة على سرعة فقدانها للهواء في نفس درجة الحرارة. ولكن عندما يكون الهواء والماء باردين لدرجة قليلة جدا، تكون سرعة فقدان الحرارة للهواء مساوية لسرعة فقدانها للماء لأن كليهما - الماء والهواء - يكونان قادرين على نقل كل الحرارة التي تنتشر إلى الجلد من العازل تحت الجلدي.

عندما يتبخر الماء من سطح الجسم تفقد 0.58 سعرة كبيرة (كيلو كالوري) من الحرارة لكل جرام يتبخر من الماء. ويتبخر الماء حتى عند عدم تعرق الشخص، إذ إنه يتبخر بطريقة غير محسوسة من على الجلد ومن الرئتين بسرعة 450 إلى 600 مليلتر يوميا تقريبا. ويسبب ذلك فقدانا مستمرا للحرارة بسرعة 12 - 16 سعرة حرارية في الساعة. ولكن هذا التبخر الغير محسوس خلال الجلد والرئتين لا يمكن أن يحكم لغرض تنظيم درجة حرارة الجسم لأنه يتولد عن الانتشار المستمر لجزيئات الماء خلال الجلد والأسطح التنفسية، ولكن فقدان الحرارة بتبخر العرق يمكن أن يحكم بتنظيم سرعة التعرق .

تفقد الحرارة بالإشعاع والتوصيل ما دامت درجة حرارة الجسم أعلى من درجة حرارة الوسط المحيط. ولكن عندما تكون درجة حرارة الوسط الخارجي المحيط بالجسم أعلى من تلك التي للجلد فبدلا من فقدان الجسم للحرارة فإنه يكتسبها بالإشعاع والتوصيل. وفي هذه الحالات تكون الطريقة الوحيدة للتخلص من الحرارة هي التبخر.

ولهذا يؤدي أي عامل يحول دون التبخر المناسب عندما تكون درجة حرارة الوسط الخارجي المحيط بالجسم أعلى من درجة حرارة الجسم نفسه إلى رفع درجة حرارة الجسم؛ ويحصل ذلك أحيانا لدى الأشخاص الذين يولدون من دون غدد عرقية كعيب خلقي؛ فمثل هؤلاء الأشخاص يتمكنون من تحمل درجات الحرارة الباردة مثل الأشخاص الأسوياء ولكن يحتمل أن يموتوا بضربة الحرارة في المناطق المدارية الحارة؛ لأنه من دون نظام التبخر التبريدي لا يمكنهم منع ارتفاع درجة حرارة أجسادهم عندما تكون درجة حرارة الهواء أعلى من درجة الحرارة تلك التي لأجسامهم.