Nestetasapainon säilyttäminen lämpimässä liikuttaessa

Nestetasapainon säilyttäminen lämpimässä liikuttaessa
1. Johdanto Ihminen ja muut nisäkkäät sekä linnut käyttävät elimistön kemiallisissa reaktioissa vapautuvaa lämpöä korkean ruumiinlämmön ylläpitämiseen. Säätelymekanismit huolehtivat siitä, että ruumiinlämpö pysyy vakiona, vaikka ympäristön lämpötila vaihtelee, mikäli vaihtelut pysyvät tietyissä rajoissa. Elimistön lämpötila ei ole kaikkialla sama. Voidaan ajatella, että elimistö jakautuu tässä suhteessa sisä- eli ydinosaan ja pintaosaan. Ydinosaan kuuluvat rinta- ja vatsaontelon elimet sekä keskushermosto ja osa raajoista, ja sen lämpötila on lähes sama. Normaalisti se pysyy jokseenkin tasaisena ja sitä kutsutaan sisäiseksi ruumiinlämmöksi. Peräsuolesta mitattu (rektaalinen) lämpötila on lähellä sisäistä ruumiinlämpöä. Levossa ja rentoutuneena peräsuolilämpö vaihtelee 0,5-1,0 °C vuorokauden aikana ja on keskimäärin 37 °C. Pikkulasten ruumiinlämpö on jonkin verran korkeampi kuin aikuisten, ja useimpien vanhusten ruumiinlämpö jonkin verran matalampi kuin nuorempien aikuisten. Elimistön pintakerrokseen kuuluvat lähinnä iho ja ihonalainen rasva. Kun elimistön sisäosien lämpötila pysyy lähes aina vakiona, ihon lämpötila saattaa vaihdella huomattavasti. Ihon lämpötilan säätely on elimistön tärkein keino säädellä lämmönhukkaa ja pitää ruumiinlämpö vakaana. 2. Lämmönluovutus Elimistö luovuttaa lämpöä neljän fysikaalisen prosessin kautta: (1) säteily, (2) johtuminen, (3) kuljetus ja (4) haihtuminen. Lämmönvaihto ihon pinnan ja ympäristön välillä tapahtuu samojen fysiikan lakien mukaan kuin lämmön siirtyminen elottomien esineiden välillä. Säteily johtuminen ja kuljettaminen siirtävät aina lämpöä lämpimämmältä alueelta kylmemmälle. Tämä merkitsee sitä, että lämmön poistuminen näillä tavoilla lisääntyy, kun ihon pinnan ja ympäristön välinen lämpötilaero kasvaa. Haihtuminen noudattaa jossain määrin toisenlaisia lakeja. 2.1. Lämpösäteily Lämpösäteilyksi kutsutaan sitä lämpöä, jota kaikki esineet lähettävät infrapunasäteilynä. Ihminen lähettää siis lämpösäteilyä kaikkiin ympäristön esineisiin. Toisaalta myös ympäristön esineet säteilevät lämpöä ihmiskehoon. Ihon tai vaatteiden pinnan lämpötilan ja ympäristön lämpötilan välisestä suhteesta riippuu, saako elimistö säteilyn kautta lisälämpöä vai luovuttaako se lämpöä ympäristöönsä. Kun huoneenlämpötila on 21 °C, noin 60 % lämmönluovutuksesta tapahtuu levossa säteilyn kautta (Tortora ja Grabowski 2000;899). 2.2. Lämmön johtuminen Lämmön johtumisella tarkoitetaan lämpöenergian siirtymistä molekyylistä toiseen, kun molekyylit törmäävät toisiinsa. Kun kahta erilämpöistä esinettä pidetään toisiaan vasten, lämmin esine menettää tästä syystä osan lämmöstään ja kylmempi esine saa lisää lämpöä. Lämmön johtuminen on helppo havaita auringon lämmittämällä nahkatuolilla istuttaessa. Levossa noin 3 % lämmönhukasta tapahtuu johtumisen kautta (Tortora ja Grabowksi 2000;899). 2.3. Lämmön kuljetus Kun ilman liikkeet vaikuttavat lämmönvaihtoon elimistön ja ympäristön välillä, tapahtuu lämmön kuljetusta (konvektiota). Lämmin ilman on kevyempää kuin kylmä ja nousee siksi ylöspäin. Kun ihon pinnan lämpötila on korkeampi kuin ympäristön lämpötila, ihon vieressä oleva ilma lämpenee lämmön johtumisen vaikutuksesta. Lämmin ilma nousee ylöspäin ja pois ihon läheltä. Tilalle virtaa viileämpää ilmaa, ja sama kiertokulku jatkuu. Levossa noin 15 % lämmönhukasta tapahtuu konvektion kautta (Tortora ja Grabowski 2000;899). 2.4. Haihtuminen Kun vesi haihtuu, se muuttuu nesteestä kaasuksi. Tämä kuluttaa lämpöenergiaa. Yhden litran haihtuminen kuluttaa jopa 580 kcal. Haihtuminen tapahtuu ihon pinnalta, hengitysteistä ja suuontelosta. Haihtuva lämpö on peräisin elimistöstä, joka siis samalla jäähtyy. Levossa noin 22 % lämmönhukasta tapahtuu haihtumisen kautta (Tortora ja Grabowski 2000;899). 3. Lämmöntuotto 3.1. Lihastyö Lihastyö on elimistön tehokkain tapa vaikuttaa lämmöntuotantoon. Tavallisissa liikuntamuodoissa mekaaninen hyötysuhde on 15-27 %, ja 73-85 % kulutetusta energiasta muuttuu täten lämmöksi (Olkkola ym. 1996;312). Elimistön lämpötila kohoaa sitä enemmän, mitä raskaampaa fyysinen ponnistelu on. Jos lämmönpoistomekanismit eivät käynnistyisi, ruumiin sisälämpötila nousisi raskaassa fyysisessä rasituksessa nopeasti, noin 1 °C/5 min (Olkkola ym. 1996;312). 3.2. Lihasvärinä Kun ruumiinlämpö laskee normaalitason alapuolelle, lämpötilaan reagoivat aistinsolut lähettävät siitä tiedon hypotalamuksen lämmönsäätelykeskukseen. Hypotalamus lisää luustolihaksiin menevien motoristen hermosyiden aktiivisuutta, minkä seurauksena lihaksissa alkaa rytmikäs, tahdosta riippumaton supistelu (lihasvärinä), jonka taajuus on 10-20 värähdystä sekunnissa. Tahdonalaisissa liikkeissä eri lihasryhmät supistelevat vuorotellen liikuttaen niveliä eri suuntiin. Lihasvärinässä ne supistelevat kuitenkin samaan aikaan, jolloin näkyvää liikettä ei synny. Voimakkaassa lihasvärinässä liike voi kuitenkin olla havaittavissa. Tällaiset tahattomat vilunväristykset ovat niin tehokkaita, että ne voivat moninkertaistaa elimistön lämmöntuoton muutamassa sekunnissa. 3.2. Lämmönmuodostuksen lisääntyminen ilman lihasvärinää Kun koe-eläimiä altistetaan pitkäaikaiselle kylmyydelle, niiden aineenvaihdunta vilkastuu vähitellen. Lämmöntuoton tehostuminen ei tällöin johdu lihasaktiivisuuden lisääntymisestä., vaan lisämunuaisten adrenaliinierityksen lisääntymisestä. Ihmisillä tämäntyyppinen lämmönmuodostus on merkittävää ainoastaan pienillä lapsilla. Alle vuoden ikäisillä lapsilla on erityistä ruskeaa rasvaa lapaluiden välissä ja munuaisten ympärillä. Ruskeissa rasvasoluissa on runsaasti mitokondrioita, ja aktivoituneiden solujen aineenvaihdunta on erittäin vilkasta. Vain suhteellisen pieni osa solujen vapauttamasta energiasta käytetään adenosiinitrifosfaatin (ATP) tuottamiseen. Suurempi osa muuttuu lämmöksi. 4. Ruumiinlämmön säätely 4.1. Säätelyjärjestelmä Ruumiinlämmön säätely on pääasiassa reflektorista. Säätelyjärjestelmässä on, kuten muissakin refleksijärjestelmissä, (1) sensorinen osa, (2) koordinoiva osa ja (3) motorinen osa. Sensorisen osan muodostavat hermosolut, joissa on lämpötilaan reagoivia hermopäätteitä. Hermopäätteissä on lämpötilareseptoreita. Koordinaattorina toimiva lämmönsäätelykeskus sijaitsee hypotalamuksessa. Se vertaa vastaanottamaansa informaatiota sisäiseen "standardiinsa" ja "ratkaisee", onko elimistö liian lämmin, liian kylmä vai onko lämpötila sopiva. Järjestelmän motorisen osan muodostavat hermosolut vievät lämmönsäätelykeskuksesta käskyjä, jotka voivat muuttaa lämmöntuottoa ja lämmönhukkaa. 4.2. Liian korkean ruumiinlämmön alentaminen Lämmönsäätelykeskus alentaa liian korkeaa ruumiinlämpöä kolmella menetelmällä: (1) pienentämällä ihon pikkuvaltimoiden vastusta, jolloin ne laajenevat ja enemmän lämpöä kulkeutuu elimistön ulkopintaan, (2) hikoilun avulla ja (3) vähentämällä lämmönmuodostusta. 4.2.1. Ihon pikkuvaltimoiden vastuksen pienentäminen Kuten sanottua, lämpösäteilyn, lämmön johtumisen ja kuljetuksen kautta ympäristöön siirtyvä lämpömäärä riippuu ihon pinnan ja ympäristön välisestä lämpötilaerosta. Mitä enemmän verta ihoon virtaa, sitä enemmän siihen tulee myös lämpöä, joka poistuu ympäristöön. Esimerkkinä voidaan ajatella tilannetta, jossa ympäristön lämpötila nousee äkillisesti, mutta pysyy kuitenkin selvästi ruumiinlämpöä alhaisempana. Ilman lämpötilan muutos pienentää ensin ihon pinnan ja ilman välistä lämpötilaeroa, jolloin lämmönhukka vähenee. Koska lämmönmuodostus pysyy muuttumattomana, sisäinen ruumiinlämpö nousee jonkin verran. Ihon ja elimistön sisäosien lämpötilareseptorit lähettävät tästä tiedon hypotalamuksen lämmönsäätelykeskukseen. Keskus vähentää ihon pikkuvaltimoihin menevien sympaattisten hermosyiden aktiivisuutta, mikä laajentaa valtimoita ja lisää verenvirtausta ihoon. Veri tuo lämpöä elimistön sisäosista ihoon, jolloin ihon ja ympäristön lämpötilaero suurenee. Tämän seurauksena lämmön kokonaishukka voi nousta ympäristön lämpötilan kohoamista edeltäneelle tasolle. Kun tämä taso on saavutettu, ruumiinlämpö ei enää nouse. 4.2.2. Hikoilu Ellei ihon pikkuvaltimoiden maksimaalinen laajeneminen pysty poistamaan riittävästi lämpöä elimistöstä, ruumiinlämpö nousee huomattavasti. Tämä lisää hikoilua. Jos sisäinen ruumiinlämpö nousee yhden asteen, hieneritys lisääntyy niin voimakkaasti, että elimistöstä poistuu lämpöä haihtumisen kautta kymmenen kertaa enemmän kuin levon aikana, mikäli ilmankosteus ei ole suuri. 4.2.3. Lämmöntuoton vähentäminen Lämpimällä ilmalla luustolihakset veltostuvat enemmän kuin tavallisesti. Tämä vähentää lämmönmuodostusta jossain määrin. Taulukko 1. Yhteenveto kuumuuden stimuloimista effektorimekanismeista ruumiinlämmön säätelyssä Toivottu vaikutus Mekanismi Lämmönhukan lisääminen 1. Ihon pikkuvaltimoiden vasodilataatio 2. Hikoilu 3. Käyttäytymismuutokset (vaatetus, tuuletus jne.) Lämmöntuoton vähentäminen 1. Vähentynyt lihasjännitys ja tahdonalainen aktiviteetti 2. Vähentynyt adrenaliinin eritys (c) (minimaalista aikuisilla) 3. Vähentynyt ruokahalu (a,b) Modifoitu lähteestä Vander, A. ym. (2001). Human Physiology: The Mechanisms of Body Function. New York: McGraw-Hill. a) Kun koe-eläin altistetaan kuumuudelle, se alkaa syömään vähemmän. Tämän oletetaan johtuvan hypotalamuksen lämmönsäätelykeskuksen ja ravinnonottoa säätelevien keskusten välisistä interaktioista (Guyton ja Hall 2000;807). Ravinnonotto on monimutkaisen säätelyn alaista, eikä säätelyä tunneta yksityiskohtaisesti. Ravinnonottoa lisäävät mm. noradrenaliini, opioidit, galaniini, melaniinia konsentroiva hormoni, kasvuhormonia vapauttava hormoni ja neuropeptidi Y. Ravinnonottoa vähentävät mm. serotoniini, dopamiini, kolekystokiniini, kortikotropiinia vapauttava tekijä, neurotensiini, bombesiini, kalsitoniinin kaltainen peptidi, amyliini, adrenomedulliini, glukagoni ja glukagonin kaltainen peptidi 1 (Uusitupa 1999;358). b) Aterioiden aiheuttama energian kulutus (dietary-induced thermogenesis) selittää noin 10 % vuorokauden energiankulutuksesta. Jos aterian aiheuttamaa energiankulutusta eri ravintoaineista arvioidaan jakamalla ko. ravintoaineen aiheuttama energiankulutuksen lisäys sen sisältämällä energiamäärällä, ovat proteiinit epätaloudellisinta polttoainetta, noin 30 % energiasisällöstä kuluu energiantuottokustannuksiin. Hiilihydraatit ovat keskihintaista (5-10 %) ja rasvat edullisinta (3 %) polttoainetta c) Lisämunuaisytimen valmistama adrenaliini on vaikutuksiltaan kalorigeeninen eli se suurentaa PAV-nopeutta. 5. Sopeutuminen kuumaan 5.1. Fyysinen harjoittelu Elimistöä voidaan sopeuttaa lämpörasitukseen fyysisellä harjoittelulla. Fyysinen harjoittelu lisää verenkiertoa ja lämmönhaihduntakykyä. Kiertävä verivolyymi kasvaa, mikä vähentää verenkierron pettämisen riskiä. Harjoitelleilla henkilöillä seerumin proteiinipitoisuus on yleensä suurentunut (Olkkola ym. 1996;313). Tällöin veri sitoo paremmin vettä ja vettä karkaa lämmönnousussa soluvälitilaan vähemmän. Fyysisen harjoittelun ansioista myös hikirauhaset hypertrofioituvat (Olkkola 1996;313). Näin yksittäisen hikirauhasen hienmuodostukyky kasvaa ja samalla koko elimistön lämmönhaihdutuskapasiteetti lisääntyy. Olkkolan ym. mukaan uusia hikirauhasia ei synny. 5.2. Kuuma-akkilimatisaatio Kuuma-akklimatisaatio lisää elimistön lämmönsietokykyä enemmän kuin kuntoharjoittelu. Akklimatisaatio perustuu lähes yksinomaan hikirauhasten toiminnan aktivoitumiseen. Toisin kuin fyysinen harjoittelu, se ei vaikuta hikoilun laukaisevaan kynnyslämpötilaan elimistössä (Olkkola ym. 1996;313). Hikirauhasten metabolia sen sijaan sopeutuu korkeampaan lämpötilaan. Lisäksi akklimatisaatio saattaa vaikuttaa ihon pintaverisuonten laajenemisherkkyyteen (Olkkola ym. 1996;313). 6. Äkillisille lämpösairauksille altistavat tekijät Terve elimistön sopeutuu yleensä hyvin fyysisen rasituksen aiheuttamaan lämpökuormitukseen. Monet sairaudet huonontavat tätä kykyä. Eräät lääkeaineet ja alkoholi sekä kuuma ilman lisäävät ihmisen riskiä sairastua akuutteihin lämpösairauksiin, samoin unen puute. Mitä kuumempi, kosteampi ja tyynempi ilma on, sitä vaikeampi elimistön on poistaa liiallista lämpöä ympäristöön. Taulukossa 2 on esitelty lämpötasapainon pettämiselle altistavia tekijöitä. Taulukko 2. Lämpötasapainon pettämiselle erityisesti altistavia tekijöitä Ylipaino (a) Huono fyysinen kunto ja harjaantumattomuus rasitukseen Nestevajaus (b) Virheellinen pukeutuminen Tottumattomuus helteeseen Liiallinen motivaatio ponnisteluun Toipilasaika (hengitystieinfektio, gastroenteriitti) Tiettyjen lääkkeiden tilapäinenkin käyttö (c) Sairaudet Pitkäaikainen valvominen Vanhuus, lapsuus Lämpötasapaino pettänyt aiemmin vakavasti Taipumus pahanlaatuiseen hypertermiaan Lähde: Olkkola, K. ym. (1996). Äkillisille lämpösairauksille altistavat tekijät. Kirjassa: Sotilasterveydenhuolto (toim. K. Koskenvuo), s. 314-315. Helsinki: Puolustusvoimat. a) Ylipainoisella sydämen lyöntitiheys lisääntyy nopeammin rasituksessa ja ihon verisuonet supistuvat aikaisemmin kuin normaalipainoiselle. Lisäksi rasvakudoksen vesipitoisuus on vähäisempi kuin lihaksen ja lämmönsäätelyn teho veden avulla siten vähentynyt. Runsas rasvakudos vähentää myös aktiivisten hikirauhasten tiheyttä iholla. b) Liian vähäinen nesteen nauttiminen lisää olennaisesti lämpösairauden riskiä. Janontunne on epäluotettava nestevajauksen mittari; nestevajaus on säännönmukaisesti suurempi, yleensä puolitoista-kaksinkertainen janontunteen mukaan juotuun määrään verrattuna. c) Aktivoivat aineet (esim. kokaiini ja amfetamiini) samoin kuin aineenvaihduntaa kiihdyttävät aineet (esim. kilpirauhashormoni ja anaboliset steroidit) lisäävät lämmöntuottoa. Lämmönhaihdutusta voivat häiritä mm. antikolinergit, antihistamiinit ja trisykliset depressiolääkkeet. Kirjallisuutta 1. BjÃ¥lie, J. ym. (1999). Ihminen: Fysiologia ja anatomia. Helsinki: WSOY. 2. Olkkola, K. ym. (1996). Lämmönsäätelyn fysiologia. Kirjassa: Sotilasterveydenhuolto (toim. K. Koskenvuo), s. 312-314. Helsinki: Puolustusvoimat. 3. Tortora, G. ja Grabowski, S. (2000). Principles of Anatomy and Physiology. New York: John Wiley & Sons. 4. Uusitupa, M. (1999). Lihavuus. Kirjassa: Ravitsemustiede (toim. A. Aro, M. Mutanen ja M. Uusitupa), s. 354-376. Helsinki: Duodecim. 5. Vander, A. ym. (2001). Human Physiology: The Mechanisms of Body Function. New York: McGraw-Hill.