研究人员用人体模型来研究出汗机理,以研究在车辆中限制空调使用的途径
一个炎热的下午,在美国时代广场地铁站的一群汗津津的人员,像是在赛跑场上刚刚跑过终点线似的。一位身高体胖的女子只穿着短裤和轻便的上衣,满脸通红,使劲地摇着扇子,浑身像是从水里捞出来似的;一位上了年纪的先生西装领带一丝不苟,平静地看着报纸,只是衣服也已微微为汗水所湿。研究人员在这里进行着一场别开生面的调查研究。
汗,就是我们身体内的散热剂,是人类的一个独特的组成部分。这架“机器”的功能就是专司出汗,专家们乐观地认为,人类的出汗机制是一个可调节的系统,出汗系统若出故障甚至还可以再生。在未来,我们的出汗机制可能不会让我们觉得这么难受。
人类适宜生存的体温保持在一个较小的范围内,我们能够忍受过度的寒冷,在体温低于正常温度20度的情况下可以经历一段较长的时间。但是温度稍高一些,我们就很难忍受了。高烧超过正常体温6～7度,大脑功能就会受到损害。体温达到摄氏43度,通常就被认为是生命存活的最高极限了。因此体内有一个良好的内部“空调机”是至关重要的,它将起到两个作用:将体内新陈代谢产生的热量以及在炎炎盛夏的外部环境中吸收的热量散发出去。
“正是看上去最平淡无奇的汗,才成就了今天的人类,”进化人类学家尼娜·G·雅布隆斯基(Nina G.Jablonski)在她最近出版的《皮肤》一书中写道:“没有丰富的汗腺渗出大量的汗水,也许我们至今还像人类祖先一样,披着厚厚的毛皮,过着与古代猿人相差无几的生活。”
由于人类善于选择温度适宜的环境,在温和的气候条件下没有必要一定要通过出汗散热,新陈代谢产生的多余热量可以轻易地通过皮肤表面的血管散热(由于皮肤并非是绝对不透水的,一些水分通过皮肤细胞蒸发,从而给人带来凉爽的感觉)。
如果人类要进行一些较为剧烈的体育锻炼等活动,肌肉就会产生大量的热量,无法被周围的空气所完全吸收。其次,当环境温度达到摄氏32度时,皮肤细胞会停止散热,相反从周围空气中吸收热量。这时,皮肤上和身体内的温度感知神经就会通知大脑,让身体大量出汗,发挥汗腺高效率的蒸发和冷却机制。
得克萨斯西南大学医学中心的体温调节研究专家克雷格·克兰德尔(Craig Crandall)说:每个人都会出汗,但个体之间却有很大的差异,年龄、性别、基因、体重和体形都是起重要作用的因素。二次大战中关于出汗的一些研究表明,非锻炼为目的的其他活动,如穿衣着装以及其他一些无法预测的因素都有可能是引起出汗的原因。
有的人身上的汗腺少于200万个,有的人多达400万个。特别爱出汗的人,他们的汗腺有可能是普通人的5倍,这些人的汗腺系统对热特别敏感,比一般人出的汗要多得多。
每个人的体温周期稍有不同,是由大脑视丘下部决定的,大脑视丘下部起着人体恒温器的作用。清晨体温会稍低一些,下午会稍高一些;女性在排卵后的体温会比平时高半度,更年期女性身体“恒温器”的反应有可能会产生紊乱,感觉实际上并不存在的多余热量,产生多余的汗水。
男子的体温比较恒定,但也不能持久地保持下去。大约从60岁开始,无论男女,即使是身体状况不错的人,或者在感觉很热的情况下出汗量都会减少。根据有关统计,每当夏季热浪袭来时,老年人中暑的风险总是最高的。
克兰德尔博士指出,肥胖症患者的情况可能更复杂些。一方面,脂肪可以防止外部的热量进入体内,但另一方面,脂肪也能阻止身体内部的热量到达皮肤表面。体重越重者,新陈代谢产生需要排出的热量也更多,也就意味着会出更多的汗。
不过,总的来说,这些因素对于出汗的多少来说影响甚小。对出汗产生较大影响的因素主要来自于一些平时缺乏锻炼的活动,比如,一阵急跑后的代谢产热会让人汗流浃背,还有愤怒和着急也会让人大量出汗。克兰德尔说道,在地铁站上出汗最多的人很有可能就是那些拼命赶车而没有赶上的人。
至于穿衣着装和出汗的关系,并非穿得越少就一定最好。在二次大战中,研究人员让受试者站在放在沙漠中的木箱子上,有的人穿着标准的草绿色军装,有的人穿着轻便的褐色夏装,有的人则“光着脊梁”几乎没穿什么衣服。结果,没穿什么衣服的士兵出汗竟然比其他人多出30%。这表明,几乎没有防护的皮肤从外部环境中吸收的热量比其他人更多。因此城市里的执勤人员事先都会得到警告,比如炎夏在地铁站执勤的人员,为了凉快而半裸,结果会适得其反。
当地球变暖,环境对我们的汗腺提出更高的要求时会怎么样呢?专家们说,没问题,人类的出汗系统会轻而易举地自我调节。这一过程叫做“热适应”,运动员在夏天进行训练中经常会有这种情况发生。一开始,他们的体温开始升高,大量出汗,随着汗水而失去大量盐份,此时人会觉得很难受。这样的情形持续几天后,汗可能会出得更多,但盐份损失却降了下来,因为皮肤温度和体内温度同时都下降,他们对于热的耐受程度得到了提高和改善。
热适应至少部分是汗腺扩大导致的结果,在沙漠里的受试者只过了一个星期,就有了更高的出汗率、更低的脉搏,以及更低的直肠温度。在身体健康状况大大得到改善的情况下,他们对周围环境的感觉也觉得更为舒适了。用科学家的话来说,他们已经“适应了沙漠环境。”
达拉斯的研究实验室里,身穿运动服的马克·桑德斯正在进行测试
克兰德尔指出,总而言之,全球变暖对于个人的影响,并不比从加拿大搬到佛罗里达去住的影响更大,到时只要汗腺变得更大些,出汗效率更高些,皮肤变得稍微湿润些也就没有问题了。
如果随着全球变暖,每个人都挥汗如雨该怎么办?为此一些科学家正在开始研究对策了。两年前,美国能源部在科罗拉多州的再生能源实验室的一个研究小组,完成了对一个命名为“亚当”的人体模型的实验项目,该模型能像真人一样出汗,如果太热了,还会像真人一样地抱怨。
亚当以碳为材料的身体框架上覆盖着120个温度传感器和出汗区,体内有一个两夸脱容量的蓄水池(水可以从它多孔的皮肤里渗出来)。它和计算机以无线通讯方式连接起来,计算机软件就是它的“大脑视丘下部”;另外,还有其他一些软件是根据人类对各种温度环境下的反应设计的,用来参照提供在各种温度环境下感觉舒适程度的数据资料。
设计人体模型亚当的初衷是对空调使用的限度进行评估,以达到降低车辆能耗的目的。当它穿戴整齐的坐在烈日下停车场的车内时,其后背和臀部也和人类司机一样,因“出汗”而变得湿漉漉的,而且也像真人一样变得焦躁不安。
亚当项目还有助于研究宇航员在太空服里该如何着装,以及研制开发使受伤的士兵在严寒的环境中迅速回暖的装置。