Quando una persona è esposta a condizioni ambientali calde si attivano i meccanismi fisiologici di perdita di calore per mantenere la normale temperatura corporea. I flussi di calore tra il corpo e l'ambiente dipendono dalla differenza di temperatura tra:

1. l'aria circostante e oggetti come pareti, finestre, il cielo e così via
2. la temperatura superficiale della persona

La temperatura superficiale della persona è regolata da meccanismi fisiologici, come le variazioni del flusso sanguigno alla pelle e l'evaporazione del sudore secreto dalle ghiandole sudoripare. Inoltre, la persona può cambiare i vestiti per variare lo scambio di calore con l'ambiente. Più calde sono le condizioni ambientali, minore è la differenza tra la temperatura circostante e la temperatura superficiale della pelle o degli indumenti. Ciò significa che lo "scambio di calore secco" per convezione e irraggiamento è ridotto in condizioni calde rispetto a quelle fredde. A temperature ambientali superiori alla temperatura superficiale, il calore viene acquisito dall'ambiente circostante. In questo caso questo calore in più insieme a quello liberato dai processi metabolici deve essere disperso attraverso l'evaporazione del sudore per il mantenimento della temperatura corporea. Così l'evaporazione del sudore diventa sempre più critica con l'aumentare della temperatura ambientale. Data l'importanza dell'evaporazione del sudore, non sorprende che la velocità del vento e l'umidità dell'aria (pressione del vapore acqueo) siano fattori ambientali critici in condizioni di caldo. Se l'umidità è elevata, si produce ancora sudore ma si riduce l'evaporazione. Il sudore che non può evaporare non ha effetto rinfrescante; gocciola e viene sprecato dal punto di vista termoregolatorio.

Il corpo umano contiene circa il 60% di acqua, circa 35-40 l in una persona adulta. Circa un terzo dell'acqua nel corpo, il fluido extracellulare, è distribuito tra le cellule e nel sistema vascolare (il plasma sanguigno). I restanti due terzi dell'acqua corporea, il fluido intracellulare, si trova all'interno delle cellule. La composizione e il volume dei compartimenti idrici del corpo sono controllati in modo molto preciso da meccanismi ormonali e neurali. Il sudore viene secreto dai milioni di ghiandole sudoripare sulla superficie della pelle quando il centro di termoregolazione viene attivato da un aumento della temperatura corporea. Il sudore contiene sale (NaCl, cloruro di sodio) ma in misura minore rispetto al fluido extracellulare. Pertanto, sia l'acqua che il sale vengono persi e devono essere sostituiti dopo aver sudato.

Effetti della perdita di sudore

In condizioni ambientali neutre, confortevoli, piccole quantità di acqua vengono perse per diffusione attraverso la pelle. Tuttavia, durante il lavoro duro e in condizioni di caldo, possono essere prodotte grandi quantità di sudore dalle ghiandole sudoripare attive, fino a più di 2 l/h per diverse ore. Anche una perdita di sudore di solo l'1% del peso corporeo (» da 600 a 700 ml) ha un effetto misurabile sulla capacità di svolgere il lavoro. Questo è visto da un aumento della frequenza cardiaca (HR) (HR aumenta di circa cinque battiti al minuto per ogni perdita percentuale di acqua corporea) e un aumento della temperatura interna del corpo. Se si prosegue il lavoro si ha un graduale aumento della temperatura corporea, che può salire fino a un valore intorno ai 40ºC; a questa temperatura può verificarsi una malattia da calore. Ciò è in parte dovuto alla perdita di liquidi dal sistema vascolare (figura 1). Una perdita di acqua dal plasma sanguigno riduce la quantità di sangue che riempie le vene centrali e il cuore. Ogni battito cardiaco pomperà quindi una gittata sistolica inferiore. Di conseguenza la gittata cardiaca (la quantità di sangue che viene espulsa dal cuore al minuto) tende a diminuire e la frequenza cardiaca deve aumentare per mantenere la circolazione e la pressione sanguigna.

Figura 1. Distribuzioni calcolate di acqua nel compartimento extracellulare (ECW) e nel compartimento intracellulare (ICW) prima e dopo 2 ore di disidratazione da esercizio a temperatura ambiente di 30°C.

Un sistema di controllo fisiologico chiamato sistema riflesso dei barocettori mantiene la gittata cardiaca e la pressione sanguigna vicino alla normalità in tutte le condizioni. I riflessi coinvolgono recettori, sensori nel cuore e nel sistema arterioso (aorta e arterie carotidi), che monitorano il grado di stiramento del cuore e dei vasi da parte del sangue che li riempie. Gli impulsi da questi viaggiano attraverso i nervi al sistema nervoso centrale, da cui gli aggiustamenti, in caso di disidratazione, provocano una costrizione dei vasi sanguigni e una riduzione del flusso sanguigno agli organi splancnici (fegato, intestino, reni) e alla pelle. In questo modo il flusso sanguigno disponibile viene ridistribuito per favorire la circolazione ai muscoli che lavorano e al cervello (Rowell 1986).

Una grave disidratazione può portare a esaurimento da calore e collasso circolatorio; in questo caso la persona non riesce a mantenere la pressione sanguigna e la conseguenza è lo svenimento. Nell'esaurimento da calore, i sintomi sono l'esaurimento fisico, spesso insieme a mal di testa, vertigini e nausea. La causa principale dell'esaurimento da calore è lo sforzo circolatorio indotto dalla perdita di acqua dal sistema vascolare. La diminuzione del volume del sangue porta a riflessi che riducono la circolazione nell'intestino e nella pelle. La riduzione del flusso sanguigno cutaneo aggrava la situazione, poiché la perdita di calore dalla superficie diminuisce, quindi la temperatura interna aumenta ulteriormente. Il soggetto può svenire a causa di un calo della pressione sanguigna e del conseguente basso flusso sanguigno al cervello. La posizione sdraiata migliora l'afflusso di sangue al cuore e al cervello e, dopo essersi raffreddati e aver bevuto un po' d'acqua, la persona ritrova quasi immediatamente il proprio benessere.

Se i processi che causano l'esaurimento da calore "si scatenano", si sviluppa in un colpo di calore. La graduale riduzione della circolazione cutanea fa salire sempre di più la temperatura, e questo porta ad una riduzione, persino all'arresto della sudorazione e ad un aumento ancora più rapido della temperatura interna, che provoca collasso circolatorio e può provocare la morte o danni irreversibili al cervello. Cambiamenti nel sangue (come alta osmolalità, basso pH, ipossia, aderenza cellulare dei globuli rossi, coagulazione intravascolare) e danni al sistema nervoso sono risultati nei pazienti con colpo di calore. Il ridotto afflusso di sangue all'intestino durante lo stress da calore può provocare danni ai tessuti e possono essere liberate sostanze (endotossine) che inducono febbre in relazione al colpo di calore (Hales e Richards 1987). Il colpo di calore è un'emergenza acuta e pericolosa per la vita ulteriormente discussa nella sezione sui "disturbi da calore".

Insieme alla perdita di acqua, la sudorazione produce una perdita di elettroliti, principalmente sodio (Na⁺) e cloruro (Cl^-), ma anche in misura minore magnesio (Mg⁺⁺), potassio (K⁺) e così via (vedi tabella 1). Il sudore contiene meno sale rispetto ai compartimenti del fluido corporeo. Ciò significa che diventano più salati dopo la perdita di sudore. L'aumento della salinità sembra avere un effetto specifico sulla circolazione tramite effetti sulla muscolatura liscia vascolare, che controlla il grado di apertura dei vasi. Tuttavia, diversi ricercatori hanno dimostrato che interferisce con la capacità di sudare, in modo tale che è necessaria una temperatura corporea più elevata per stimolare le ghiandole sudoripare: la sensibilità delle ghiandole sudoripare si riduce (Nielsen 1984). Se la perdita di sudore viene sostituita solo dall'acqua, ciò può portare a una situazione in cui il corpo contiene meno cloruro di sodio rispetto allo stato normale (ipo-osmotico). Ciò causerà crampi dovuti al malfunzionamento di nervi e muscoli, una condizione nota in passato come "crampi del minatore" o "crampi del fuochista". Può essere prevenuta aggiungendo sale alla dieta (bere birra era una misura preventiva suggerita nel Regno Unito negli anni '1920!).

Tabella 1. Concentrazione di elettroliti nel plasma sanguigno e nel sudore

Adattato da Vellar 1969.

La ridotta circolazione cutanea e l'attività delle ghiandole sudoripare influiscono sulla termoregolazione e sulla perdita di calore in modo tale che la temperatura interna aumenterà più che nello stato completamente idratato.

In molti mestieri diversi, i lavoratori sono esposti a stress da calore esterno, ad esempio i lavoratori nelle acciaierie, nelle industrie del vetro, nelle cartiere, nei panifici, nelle industrie minerarie. Anche gli spazzacamini ei vigili del fuoco sono esposti al calore esterno. Anche le persone che lavorano in spazi ristretti su veicoli, navi e aerei possono soffrire di calore. Tuttavia, va notato che le persone che lavorano in tute protettive o che svolgono lavori pesanti in indumenti impermeabili possono essere vittime di esaurimento da calore anche in condizioni di temperatura ambientale moderata e fresca. Gli effetti negativi dello stress da calore si verificano in condizioni in cui la temperatura interna è elevata e la perdita di sudore è elevata.

Reidratazione

Gli effetti della disidratazione dovuta alla perdita di sudore possono essere invertiti bevendo abbastanza per sostituire il sudore. Questo di solito avverrà durante il recupero dopo il lavoro e l'esercizio. Tuttavia, durante il lavoro prolungato in ambienti caldi, le prestazioni migliorano bevendo durante l'attività. Il consiglio comune è quindi quello di bere quando si ha sete.

Ma ci sono alcuni problemi molto importanti in questo. Uno è che la voglia di bere non è abbastanza forte da sostituire la perdita d'acqua che si verifica simultaneamente; e in secondo luogo, il tempo necessario per sostituire un grande deficit idrico è molto lungo, più di 12 ore. Infine, c'è un limite alla velocità con cui l'acqua può passare dallo stomaco (dove viene immagazzinata) all'intestino (gut), dove avviene l'assorbimento. Questo tasso è inferiore ai tassi di sudorazione osservati durante l'esercizio in condizioni di caldo.

Ci sono stati un gran numero di studi su varie bevande per ripristinare l'acqua corporea, gli elettroliti e le riserve di carboidrati degli atleti durante l'esercizio prolungato. I risultati principali sono i seguenti:

• La quantità di liquido che può essere utilizzata, cioè trasportata dallo stomaco all'intestino, è limitata dalla “velocità di svuotamento gastrico”, che ha un massimo di circa 1,000 ml/h.
• Se il fluido è “iperosmotico” (contiene ioni/molecole in concentrazioni più elevate rispetto al sangue) la velocità è rallentata. D'altra parte i "fluidi isosmotici" (contenenti acqua e ioni/molecole alla stessa concentrazione, osmolalità, del sangue) passano alla stessa velocità dell'acqua pura.
• L'aggiunta di piccole quantità di sale e zucchero aumenta il tasso di assorbimento di acqua dall'intestino (Maughan 1991).

Con questo in mente puoi creare il tuo "fluido reidratante" o scegliere tra un gran numero di prodotti commerciali. Normalmente l'equilibrio idrico ed elettrolitico viene ripristinato bevendo durante i pasti. I lavoratori o gli atleti con grandi perdite di sudore dovrebbero essere incoraggiati a bere più del loro bisogno. Il sudore contiene da 1 a 3 g circa di NaCl per litro. Ciò significa che perdite di sudore superiori a 5 l al giorno possono causare una carenza di cloruro di sodio, a meno che la dieta non sia integrata.

Si consiglia inoltre ai lavoratori e agli atleti di controllare il proprio bilancio idrico pesandosi regolarmente, ad esempio al mattino (alla stessa ora e condizione) e cercando di mantenere un peso costante. Tuttavia, una variazione del peso corporeo non riflette necessariamente il grado di ipoidratazione. L'acqua è legata chimicamente al glicogeno, il deposito di carboidrati nei muscoli, e viene liberata quando il glicogeno viene utilizzato durante l'esercizio. Possono verificarsi variazioni di peso fino a circa 1 kg, a seconda del contenuto di glicogeno del corpo. Anche il peso corporeo “da mattina a mattina” mostra cambiamenti dovuti a “variazioni biologiche” nel contenuto di acqua, ad esempio nelle donne in relazione al ciclo mestruale possono essere trattenuti fino a 1-2 kg di acqua durante la fase premestruale (“premenstrual tensione").

Il controllo dell'acqua e degli elettroliti

Il volume dei compartimenti idrici corporei, cioè i volumi dei fluidi extracellulari e intracellulari, e le loro concentrazioni di elettroliti sono mantenuti molto costanti attraverso un equilibrio regolato tra l'assunzione e la perdita di liquidi e sostanze.

L'acqua viene ottenuta dall'assunzione di cibo e liquidi, e parte viene liberata dai processi metabolici, inclusa la combustione di grassi e carboidrati dal cibo. La perdita di acqua avviene dai polmoni durante la respirazione, dove l'aria inspirata assorbe l'acqua nei polmoni dalle superfici umide delle vie aeree prima di essere espirata. L'acqua si diffonde anche attraverso la pelle in piccole quantità in condizioni confortevoli durante il riposo. Tuttavia, durante la sudorazione, l'acqua può essere persa a velocità superiori a 1-2 l/h per diverse ore. Il contenuto di acqua corporea è controllato. L'aumento della perdita di acqua per sudorazione è compensato dal bere e da una riduzione della produzione di urina, mentre l'eccesso di acqua viene escreto dall'aumento della produzione di urina.

Questo controllo sia dell'assunzione che dell'uscita dell'acqua è esercitato attraverso il sistema nervoso autonomo e dagli ormoni. La sete aumenterà l'assunzione di acqua e la perdita di acqua da parte dei reni sarà regolata; sia il volume che la composizione elettrolitica delle urine sono sotto controllo. I sensori nel meccanismo di controllo sono nel cuore, rispondendo alla "pienezza" del sistema vascolare. Se il riempimento del cuore è ridotto, ad esempio dopo una perdita di sudore, i recettori segnaleranno questo messaggio ai centri cerebrali responsabili della sensazione di sete e alle aree che inducono una liberazione dell'ormone antidiuretico (ADH) da l'ipofisi posteriore. Questo ormone agisce per ridurre il volume delle urine.

Allo stesso modo, i meccanismi fisiologici controllano la composizione elettrolitica dei fluidi corporei attraverso processi nei reni. Il cibo contiene sostanze nutritive, minerali, vitamine ed elettroliti. Nel contesto attuale, l'assunzione di cloruro di sodio è la questione importante. L'assunzione di sodio nella dieta varia con le abitudini alimentari, tra 10 e 20-30 g al giorno. Questo è normalmente molto più del necessario, quindi l'eccesso viene escreto dai reni, controllato dall'azione di molteplici meccanismi ormonali (angiotensina, aldosterone, ANF, ecc.) che sono controllati dagli stimoli degli osmocettori nel cervello e nei reni , rispondendo all'osmolalità principalmente di Na⁺ e Cl^- nel sangue e nel fluido nei reni, rispettivamente.

Differenze interindividuali ed etniche

Ci si potrebbero aspettare differenze tra maschi e femmine, nonché tra persone giovani e anziane nella reazione al calore. Differiscono in alcune caratteristiche che potrebbero influenzare il trasferimento di calore, come la superficie, il rapporto altezza/peso, lo spessore degli strati di grasso cutaneo isolante e la capacità fisica di produrre lavoro e calore (capacità aerobica »tasso massimo di consumo di ossigeno). I dati disponibili suggeriscono che la tolleranza al calore è ridotta nelle persone anziane. Cominciano a sudare più tardi rispetto ai giovani e le persone anziane reagiscono con un flusso sanguigno più elevato nella pelle durante l'esposizione al calore.

Confrontando i sessi si è osservato che le donne tollerano meglio il caldo umido rispetto agli uomini. In questo ambiente l'evaporazione del sudore è ridotta, quindi la superficie/massa leggermente maggiore nelle donne potrebbe essere a loro vantaggio. Tuttavia, la capacità aerobica è un fattore importante da considerare quando si confrontano individui esposti al calore. In condizioni di laboratorio le risposte fisiologiche al calore sono simili, se gruppi di soggetti con la stessa capacità di lavoro fisico ("massimo consumo di ossigeno" - VO_{2 max}) vengono testati, ad esempio maschi più giovani e più anziani o maschi contro femmine (Pandolf et al. 1988). In questo caso una determinata attività lavorativa (esercizio su un cicloergometro) comporterà lo stesso carico sul sistema circolatorio, ovvero la stessa frequenza cardiaca e lo stesso aumento della temperatura interna, indipendentemente dall'età e dal sesso.

Le stesse considerazioni valgono per il confronto tra gruppi etnici. Quando si tiene conto delle differenze di dimensioni e capacità aerobica, non si possono evidenziare differenze significative dovute alla razza. Ma nella vita quotidiana in generale, le persone anziane hanno, in media, un VO più basso_{2 max} rispetto alle persone più giovani e alle femmine un VO inferiore_{2 max} rispetto ai maschi della stessa fascia di età.

Pertanto, quando si esegue un compito specifico che consiste in una certa velocità di lavoro assoluta (misurata, ad esempio, in Watt), la persona con una capacità aerobica inferiore avrà una frequenza cardiaca e una temperatura corporea più elevate e sarà meno in grado di far fronte allo sforzo aggiuntivo di calore esterno, rispetto a uno con un VO più alto_{2 max}.

Per motivi di salute e sicurezza sul lavoro sono stati sviluppati numerosi indici di stress da calore. In questi vengono presi in considerazione la grande variazione interindividuale in risposta al calore e al lavoro, nonché gli specifici ambienti caldi per i quali l'indice è costruito. Questi sono trattati altrove in questo capitolo.

Le persone esposte ripetutamente al calore tollereranno meglio il calore anche dopo pochi giorni. Si acclimatano. La frequenza della sudorazione aumenta e il conseguente aumento del raffreddamento della pelle porta a una temperatura interna e una frequenza cardiaca inferiori durante il lavoro nelle stesse condizioni.

Pertanto, l'acclimatazione artificiale del personale che dovrebbe essere esposto a temperature estreme (vigili del fuoco, personale di soccorso, personale militare) sarà probabilmente utile per ridurre lo sforzo.

Riassumendo, più calore produce una persona, più deve essere dissipato. In un ambiente caldo l'evaporazione del sudore è il fattore limitante per la perdita di calore. Le differenze interindividuali nella capacità di sudorazione sono notevoli. Mentre alcune persone non hanno affatto ghiandole sudoripare, nella maggior parte dei casi, con l'allenamento fisico e l'esposizione ripetuta al calore, la quantità di sudore prodotta in un normale test di stress da calore aumenta. Lo stress da calore si traduce in un aumento della frequenza cardiaca e della temperatura interna. La frequenza cardiaca massima e/o una temperatura interna di circa 40ºC definiscono il limite fisiologico assoluto per le prestazioni lavorative in un ambiente caldo (Nielsen 1994).

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