Upały: jak działa system chłodzenia organizmu człowieka

Nasi przodkowie z epoki kamiennej zamieszkali w jaskiniach i zaczęli odziewać się z jednego podstawowego powodu – aby choć trochę uniezależnić się od pogody i klimatu. W jaskiniach można było się skryć przed ulewą, wichurą czy burzą. Przede wszystkim jednak chroniły przed skrajnymi temperaturami – latem schładzały, zimą ogrzewały. Roczne i dobowe wahania temperatur we wnętrzu jaskiń są bowiem nieduże, zwykle nie odbiegają wiele od średniej rocznej temperatury powietrza w okolicy. Jednak od czasu do czasu trzeba było opuścić ten przytulny skalny azyl, choćby po to, żeby poszukać czegoś do jedzenia. Wtedy przydawała się odzież.

Zapewne już na zawsze pozostanie tajemnicą, kiedy po raz pierwszy nasz przodek wdział skórzany lub futrzany strój. Bezpośrednie dowody, w postaci resztek takiego stroju, nie miały szans, by przetrwać do naszych czasów. Jednak na podstawie dowodów pośrednich, czyli badań genetycznych rekonstruujących dzieje wszy ludzkiej i jej podzielenie się na dwa podgatunki: wesz odzieżową i wesz głowową, naukowcy doszli do wniosku, że zaczęliśmy się ubierać ok. 170 tys. lat temu. Wtedy bowiem, jak wynika z wyliczeń genetyków, pojawiła się wesz odzieżowa. Jak sama jej nazwa wskazuje, jej istnienie jest nieodłącznie związane z istnieniem odzieży.

Oczywiście nie wszyscy ludzie z epoki neolitu przestali być naturystami. Dotyczyło to jedynie tych, którzy mieszkali z dala od równika, w umiarkowanej strefie klimatycznej, gdzie nie było już tak ciepło, szczególnie w porze zimowej. A jeszcze zimniej zrobiło się za sprawą zjazdu temperatur zwiastującego nadejście kolejnego zlodowacenia. Kto chciał przeżyć, musiał się przystosować, czyli założyć ciepłą odzież. Ta adaptacja, jak wiemy, się powiodła. Do tego stopnia, że człowiek skolonizował nawet Arktykę.

Być może nie musielibyśmy korzystać z odzienia, gdyby nasi afrykańscy pradziadowie ponad milion lat temu nie pozbyli się owłosienia. Staliśmy się jedynymi „nagimi małpami”, które przez setki tysięcy lat przechadzały się po świecie w stroju Adama. Najpopularniejsza hipoteza mówi, że doszło do tego po przeprowadzeniu się z chłodnych cienistych lasów tropikalnych na otwarte, zalewane słońcem sawanny, na których groziło nam przegrzanie. Wtedy to rozwinęliśmy i opanowaliśmy do perfekcji nowy system termoregulacji organizmu, wykorzystujący gruczoły potowe. Gruczoły te występują u wszystkich ssaków, ale to my mamy ich zdecydowanie najwięcej, bo ponad 2 mln (na drugim miejscu są konie). Szczególnie dużo posiadamy gruczołów potowych zwanych ekrynowymi, uchodzących bezpośrednio na powierzchnię skóry i rozmieszczonych na niej niemal równomiernie. Dzięki temu możemy błyskawicznie pozbyć się nadwyżek ciepła pojawiających się podczas intensywnego wysiłku. Nasi dwunożni przodkowie sprzed miliona lat, jak wskazuje budowa ich szkieletu, byli urodzonymi biegaczami i piechurami aktywnymi w ciągu dnia. Stali się nimi dzięki temu, że wcześniej zrezygnowali z gęstego owłosienia na rzecz milionów gruczołów ekrynowych wydzielających pot, czyli wodę z niewielką domieszką soli (NaCl) i innych związków. Woda stanowi 98% potu i jest najważniejsza w tym procesie szybkiego schładzania organizmu. Parując z powierzchni nagiej skóry, oddaje ciepło do otoczenia.

Podwzgórze wkracza do gry

Generalnie człowiek jak wszystkie organizmy stałocieplne jest wytwórcą ciepła. Musi je ciągle produkować, aby żyć. A skoro tak, musi też mieć możliwość oddawania jego nadwyżek do otoczenia. Gdybyśmy nie umieli pozbyć się tej nadwyżki, temperatura naszego ciała rosłaby, nawet gdybyśmy nic nie robili. W końcu to przegrzanie by nas zabiło. W przypadku człowieka ciężko pracującego fizycznie już po kwadransie temperatura ciała osiągnęłaby poziom niebezpieczny dla życia.

Na szczęście mamy skórę, za której pośrednictwem możemy wymieniać się ciepłem z otoczeniem. Taki proces może się odbywać na cztery sposoby – poprzez przewodnictwo, konwekcję, promieniowanie i parowanie potu. Pierwszy polega na oddawaniu lub odbieraniu ciepła od przedmiotu albo substancji bezpośrednio stykających się z naszą skórą. Ponieważ powietrze ma niewielką przewodność cieplną, w normalnych warunkach proces ten nie odgrywa większej roli w naszym bilansie cieplnym (jego znaczenie rośnie, gdy np. wejdziemy do wody, która przewodzi ciepło 25 razy lepiej niż powietrze). Konwekcja polega na unoszeniu się cząsteczek chłodniejszego powietrza po zetknięciu się z ciepłą skórą lub ich opadaniu, gdy powietrze jest cieplejsze od skóry. Wokół naszego ciała powstają mikroprądy powietrzne skierowane w górę lub w dół. Taką cyrkulację można przyspieszyć za pomocą wachlarza, wentylatora albo nawiewu. Jest wreszcie trzeci sposób, z którego co dzień najpowszechniej korzysta nasz organizm, czyli promieniowanie. Aby wyrównać bilans cieplny, oddajemy ciepło w postaci fal podczerwieni w zakresie ok. 10 µm. Oczywiście w ten sam sposób możemy również absorbować ciepło, np. wylegując się na słońcu na plaży.

Z tym wylegiwaniem na słońcu trzeba oczywiście uważać, bo łatwo tu o groźne przegrzanie organizmu. Ryzyko przegrzania wzrasta, kiedy dokładamy jeszcze wysiłek fizyczny, np. związany z udziałem w meczu piłki plażowej. Przegrzaniu da się zaradzić na wiele sposobów – trzeba schować się do cienia (wtedy zmniejszymy dawki słonecznej podczerwieni docierającej do naszej skóry), wykąpać się w chłodnej wodzie (przewodnictwo) lub sięgnąć po wachlarz (konwekcja). Jeśli jednak nic nie zrobimy, nasz mózg uruchomi ostatni, czwarty system schładzania – ten odziedziczony po przodkach sprzed miliona lat. Impuls przychodzi z centralnego ośrodka termoregulacji znajdującego się w podwzgórzu – obszarze mózgu ukrytym głęboko pod korą mózgową. Do pracy przystępują miliony gruczołów potowych, które dopóki nie jest to konieczne, pozostają w większości bezczynne. Zaczynamy się intensywnie pocić. Tylko w ten sposób organizm może szybko usunąć kumulujące się w nas ciepło. Nie ma efektywniejszej metody. Niestety nawet ten system chłodzenia może zawieść, jeśli się odwodnimy. Trzeba więc pić, żeby do tego nie doszło. Znaczne odwodnienie w połączeniu z przegrzaniem może zagrozić naszemu zdrowiu, a nawet życiu.

Robi się groźnie: za dużo pary

Nawet uzupełnianie płynów i intensywne pocenie się nic nie pomoże, gdy powietrze jest nasycone parą wodną. Intensywność parowania potu wtedy spada. Zamiast tego zaczyna się on skraplać na skórze. Po przekroczeniu pewnego progu wilgotności i temperatury powietrza organizm traci ostatnią sposobność do pozbycia się nadmiaru ciepła. Grozi mu śmiertelne przegrzanie. Szczególnie wrażliwe są małe dzieci i osoby starsze, ponieważ ich system termoregulacji jest zwykle mniej sprawny. W przypadku ludzi w podeszłym wieku dochodzą do tego jeszcze rozmaite dolegliwości zdrowotne, przede wszystkim dotyczące układów krążenia i oddechowego. Między innymi dlatego fale upałów, podczas których temperatury powietrza utrzymują się przez wiele dni znacznie powyżej poziomu komfortu termicznego, są dla nich szczególnie niebezpieczne.

Groźne są zresztą nie tylko gorące dni, ale również upalne noce, ponieważ pora snu, gdy przemiana materii i produkcja ciepła spadają, to najlepszy moment do pozbycia się ciepła zgromadzonego w ciągu dnia. Wysokie temperatury nocne to uniemożliwiają. Zamiast odpoczywać, pocimy się dalej. Oczywiście człowiek adaptuje się do klimatu, więc temperatury komfortowe dla mieszkańca Rzymu będą zbyt wysokie dla mieszkańca chłodniejszej Warszawy. Polscy bioklimatolodzy uważają, że nasze organizmy najbardziej komfortowo czują się przy średniej temperaturze dobowej wynoszącej 18–20°C i temperaturze maksymalnej nieprzekraczającej 25°C. Każdy stopień więcej to dla nas obciążenie. Źle znosimy noce z minimalnymi temperaturami powyżej 18°C. Wracając do potu, z obserwacji wynika, że osoby wysportowane zaczynają się pocić przy niższej temperaturze. Badania pokazały też, że mężczyźni znacznie efektywniej niż kobiety oddają w ten sposób ciepło do otoczenia – pocą się intensywniej i przy niższej temperaturze. Gruczoły potowe kobiet włączają się przy wyższej niż u mężczyzn temperaturze skóry, co sugeruje, że to kobiety są bardziej podatne na przegrzanie w sytuacji silnego stresu termicznego. Upały, których częstotliwość rośnie także w Polsce w związku z ocieplaniem się klimatu ziemskiego, mogą być dla nich groźniejsze.

Niestety, istnieje spore ryzyko, że z powodu zmian klimatycznych pocić się będziemy jeszcze bardziej, ale w niektórych miejscach na Ziemi nawet i to nie wystarczy. Zdaniem badaczy za pół wieku wybrzeża Zatoki Perskiej przestaną nadawać się do zamieszkania ze względu na wysokie temperatury oraz olbrzymią wilgotność powietrza. – To będzie piekło, w którym nie da się żyć – mówi Elfatih Eltahir, profesor Massachusetts Institute of Technology. W jego scenariuszu takie miasta jak Kuwejt, emirackie Dubaj i Abu Zabi albo stolica Kataru Doha staną się miejscami nie do życia. W miesiącach letnich codziennością staną się temperatury powietrza wynoszące 45°C, ale zabójczy będzie nie tylko upał. – Konsekwencją olbrzymiej intensywności parowania wód Zatoki Perskiej będzie bardzo wysoka wilgotność powietrza. Nawet organizm młodego, zdrowego człowieka nie pozbędzie się takiej nadwyżki ciepła, nie mówiąc o dzieciach i ludziach starszych, których tolerancja na przegrzanie jest niższa – podkreśla Eltahir.

Naukowiec przypomina również o oczywistym dla meteorologów i bioklimatologów fakcie, że próg wytrzymałości człowieka zostaje przekroczony, gdy tzw. temperatura mokrego termometru zaczyna regularnie i na dłużej przekraczać 35°C. Temperatura mokrego termometru to najniższa temperatura wskazywana przez termometr owinięty wilgotną gazą i dodatkowo schładzany strumieniem powietrza. Jeśli jej wartość przekracza 35°C, człowiek nie ma szans na przeżycie, ponieważ nie jest w stanie oddać ciepła, które wytwarza, do otoczenia. Po kilku godzinach grozi mu śmierć z przegrzania, nawet gdyby leżał bezczynnie na łóżku. Eltahir uważa, że Zatoka Perska jest już bardzo blisko tego progu wytrzymałości, a tylko odrobinę lepiej jest nad południowymi brzegami Morza Czerwonego. W kolejce czekają też wybrzeża Morza Arabskiego, północne Indie, Nizina Chińska, Amazonia, niektóre rejony zachodniej Afryki. – Za sto lat powstaną tam klimatyczne strefy śmierci – przestrzega badacz.

Na razie nigdzie na świecie nie zanotowano temperatury mokrego termometru przekraczającej 35°C. Jednak jak podkreśla inny naukowiec, John Dunne z amerykańskiej National Oceanic and Atmospheric Administration (odpowiednik naszego IMGW), wystarczy pokonanie progu 30°C, aby zrobiło się groźnie, a takie wartości pokazują mokre termometry w wymienionych wyżej i kilku innych rejonach świata. – Dziś zdarza się to kilka razy w roku, za pół wieku może to być nawet kilkadziesiąt razy – mówi Dunne. Jego zdaniem jedną z konsekwencji wzrostu wilgotności powietrza będzie zmniejszenie wydajności pracy. Ludzie pracujący na otwartym terenie lub też w nieklimatyzowanych pomieszczeniach będą zmuszeni do robienia częstszych przerw. Wysoka temperatura plus wysoka wilgotność równa się bowiem stres termiczny oraz dół fizyczny i intelektualny. Słowem, gorączka klimatyczna przeniesie się do wnętrza naszych ciał. – Jedną ze strategii adaptacyjnych może być wydłużenie sjesty oraz praca w godzinach nocnych – proponuje naukowiec.

Nowe sposoby chłodzenia

Pomysłów na strategie adaptacyjne nigdy nam nie brakowało. Skutecznie lawirowaliśmy pomiędzy wychłodzeniem a przegrzaniem, dążąc ku utrzymywaniu względnie stałej temperatury ciała, umożliwiającej prawidłowe funkcjonowanie tkanek i narządów. W upały unikamy słońca, pijemy dużo wody, nosimy luźną jasną odzież z naturalnych tkanin, unikamy alkoholu i kawy, które odwadniają, bierzemy prysznic w letniej wodzie, stosujemy zimne okłady na kark, ramiona, stopy i wszędzie tam, gdzie naczynia krwionośne znajdują się blisko skóry, schładzamy pościel i piżamę, śpimy na bambusowej macie, która się nie nagrzewa, i tak dalej. Ale mamy też nowe pomysły, jak choćby wynaleziony na początku XX w. klimatyzator. Propozycją zaś na miarę XXI w. jest np. pomysł, który na początku tego roku naukowcy z University of Maryland opisali na łamach czasopisma „Science”. To tkanina wykonana z dwóch tworzyw sztucznych, z których jedno pochłania wodę, a drugie ją odpycha, pokrytych dodatkowo warstwą nanorurek wykonanych z atomów węgla i mających średnicę setnych części mikrometra. Takie nanorurki mają olbrzymią wytrzymałość i są doskonałymi przewodnikami ciepła. Koszulka uszyta z takiej tkaniny schładza jej użytkownika równocześnie na dwa sposoby: zwiększa tempo parowania potu oraz pochłania i odprowadza do otoczenia większe dawki promieniowania podczerwonego. Autorzy badań twierdzą, że tego typu odzież ułatwi organizmowi funkcjonowanie w klimacie gorącym i zarazem wilgotnym, kiedy naszemu organizmowi jest najtrudniej utrzymać stałą temperaturę ciała.

Podobnych innowacji jest więcej. Kilka lat temu austriaccy badacze pokazali kurtkę zimową, która pochłania ciepło przychodzące, ale zarazem nie pozwala uciec ciepłu wypromieniowanemu przez nasze ciało. W 2017 r. pojawiła się też koncepcja tkaniny robotycznej, jak ją określono, ponieważ została wyposażona w moduł sztucznej inteligencji, analizujący temperaturę ciała człowieka i otoczenia, a następnie modyfikujący przepływy ciepła za pośrednictwem specjalnych otworków przypominających aparaty szparkowe, którymi rośliny pochłaniają dwutlenek węgla oraz oddają tlen i parę wodną. Również w „Science” jesienią zeszłego roku grupa badaczy przedstawiła kolejny wynalazek: farbę zawierającą nanobąbelki powietrza, która odbija 96–99% światła słonecznego od ultrafioletu przez promieniowanie widzialne po podczerwień. Testy pokazały, że redukuje temperaturę o 3–6°C (im silniejsze nasłonecznienie, tym większa redukcja) i można ją zastosować na elewacjach domów. Przebyliśmy daleką drogę od odzieży ze skór i jaskiń. Nasi paleolityczni przodkowie byliby z nas dumni.