e-gépész online szaklap

Bőrérzékelés

2013. május 6. | Kalmár Ferenc PhD, f. tanár, tanszékvezető, DE MK Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék | |  0 |

Az épületek üzemeltetése során az energia-megtakarítás elsőrendű cél. Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy az épületekben tartózkodó emberek számára, a végzett tevékenység mellett, megfelelő mikrokörnyezeti feltételeket kell biztosítani annak érdekében, hogy kellemes hőérzet alakuljon ki. Számos kutatás bizonyította azt a tényt, hogy a munka hatékonysága magasabb kellemes hőérzet mellett. Ebben a cikkben röviden bemutatjuk a termoreceptorok működését, amelyek fontos szerepet játszanak a hőérzet kialakulásában.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2013/4. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke letölthető ITT.

1. Bevezetés

A bőrben hő-, fájdalom-, tapintás- és nyomásérzékelő idegvégződések vannak. A tapintás- és nyomásérzékelő receptorok közül előbbiek a bőrfelszín közelében helyezkednek el, kisebb méretűek, és gyenge mechanikai ingerre reagálnak; utóbbiak nagyobbak, mélyebben találhatók, és erősebb inger hozza őket működésbe. A hőérzékelő receptorok hideg- és melegreceptorokra oszlanak [1]. A bőrben található fontosabb receptorokat az 1. ábra mutatja.

A receptorok ektodermális eredetű, módosult idegsejtek. A receptorok felfogják a külső és belső ingereket. Ezek az ingerek (hő, fény, mechanikai) valamilyen energiát tartalmaznak, amelyet a receptor bioelektromos jelenséggé alakít át. Az ingernek elég erősnek kell lennie, hogy a receptor nyugalmi feszültségét átalakítsa működési feszültséggé. Ezt vagy egy nagy inger teszi, vagy sok kicsi egymás után. Ha a receptor érzékeli az ingert, akkor az inger elérte az ingerküszöböt.

A thermoreceptorok nem közvetlenül a környezet hőmérsékletét érzékelik, hanem a bőrhőmérsékletet:
• hidegreceptorok – az optimális érzékenység 28 °C (13 – 30 °C között érzékenyek);
• melegreceptorok – az optimális érzékenység 38 °C (35 – 48 ° C között érzékenyek).

1. ábra. Receptorok a bőrben
(Forrás:
http://pmr-science.wikispaces.com/1.2+The+Sense+of+Touch)

A hőérzékelő receptorok ioncsatornákkal és áteresztő membránnal vannak ellátva. A plazma membrán a kálcium és a nátrium ionok számára permeábilis. A „hideg” receptorok száma a bőrben jóval nagyobb, mint a „meleg” receptorok száma, ugyanakkor ez az agyban fordítva van. Ott a melegreceptorok jóval nagyobb számban fordulnak el, mint a hidegreceptorok.

A bőrben az alábbi receptorokat különböztetjük meg:
TRPV4 – meleg (~27 – 34 °C);
TRPV3 – melegebb, (~34 – 39 °C);
TRPV1 – forró (≥43 °C). Ezt a receptort a kapszaicin, a kámfor és különböző savak is aktiválják. A kapszaicin (C18H27O3N) az a vegyület, amitől a paprikát erősnek érezzük.
TRPV2 – fájdalmasan forró (>52 °C).
(TRPV – Transient Receptor Potential Vanilloid)
TRPM8 – hűvös (<28 °C). Ezt a receptort a menthol és a mentholtartalmú anyagok is aktiválják.
(TRPM – Transient Receptor Potential Melastin)
TRPA1 – hideg (<18 °C).
(TRPA – Transient Receptor Potential Ankyrin)

2. Érzékelés

Amikor egy testet megtapintunk, a hőmérséklete felől is tájékozódunk. Amikor valamely testet hidegnek, vagy melegnek, illetőleg forrónak mondunk, akkor azt a hatást jelezzük, amely annak a testnek a hőmérsékletétől ér bennünket, nem pedig a hőmérsékletet olyan értelemben, amint a hőmérő jelzi. Az embernek hideg az a test, amely a bőr hőmérsékleténél kisebb hőmérséklettel rendelkezik és meleg az, amelynek a bőrhőmérsékletnél nagyobb a hőmérséklete. A bőr hőmérséklete tehát az a nullafok, amelyhez viszonyítva valamely testet hidegnek vagy melegnek érzünk. Ez a nullafok a bőrfelület különböző helyein eltérő és ugyanazon helyen is különböző időben más és más lehet.

A bőr nullafoka rendes körülmények között, 27 és 33 °C közt változik. Ha kezünket +20 °C-os vízbe mártjuk, a vizet rendesen hidegnek ítéljük; ellenben melegnek találjuk akkor, ha megelőzőleg hosszabb ideig +10 °C-os vízben lehűtött kezünket a +20 °C-os vízbe tesszük. De ez csak kezdetben van így, mert ha hosszasan ott hagyjuk a kezünket a +20 °C-os vízben, a víz abban az arányban mind kevésbé melegnek, sőt hidegnek tetszik, ha kezünk hőmérséklete, a benne keringő meleg vér miatt emelkedik, így a víz 20 °C-os hőmérsékletét túlhaladja [3].

Hőérzetet okoz tehát mindaz, ami bőrünk nullafokát megváltoztatja. A bőrünknél melegebb test hőt ad át a bőrnek és ezért melegnek mondjuk, a hidegebb tárgy pedig hőt von el a bőrtől, és emiatt érezzük hidegnek.

A bőr olyan hőmérő tehát, amelynek segítségével meg tudjuk ítélni, hogy két egymásután érintett tárgy közül melyik a melegebb. Ez a megállapítás azonban téves is lehet, mivel a hőáramlás folyamata is lényegesen hat a hőérzetre. Így például egy fadarabot melegebbnek ítélünk azonos hőmérsékletű fémdarabnál azért, mert az érintett fém sokkal gyorsabban vonja el a hőt a bőrtől, mint a fa. Két érintett test hőmérsékletét csak akkor ítélhetjük meg helyesen, ha a hőmérsékletvezetési tényezőjük (λ/ρ•c) azonos értékű. Így, amikor a kezünket különböző hőmérsékletű vízbe mártjuk, pontosan meg tudjuk mondani, hogy melyik víz melegebb és melyik hidegebb. Ily módon 0,5 °C – 0,3 °C sőt 0,2 °C hőfokkülönbséget is érzékel az ember. A bőr egyes helyein nem egyforma az érzékelési pontosság. Vizsgálatokból kitűnt, hogy az arcon 0,4 °C – 0,2 °C, a halántékon 0,4 °C – 0,3 °C, a mellen 0,6 °C, a hát közepén 1,2 °C hőfokkülönbséget ismerünk fel. A hőérzet tehát nem azonos a bőr különböző területein [3]. A hőmérsékletváltozások iránt érzékenyebb az ujjak és kéz hátbőre a tenyérbőrnél. Ennek megfelelően a hideg vagy meleg vízbe mártott kéz előbb érzi meg a hőfokváltozást a kézháton, mint a tenyér oldalán. (A gyermekek fürösztése alkalmával a könyökkel szokás megítélni a víz hőmérsékletét, nem pedig a tenyérrel).

A hőérzékenységi küszöb ilyen különbségeinek egyik lényeges oka az, hogy az irhát fedő felhám rossz hővezető. A vékonyabb felhámréteggel fedett kézhátnak finomabb a hőérző képessége, mint a vastagabb felhámréteggel fedett tenyérnek, mivel a meleg ott könnyebben jut az idegvégekhez.

Egy további, a hőérzékelés finomságára kiható körülmény a receptorok mennyisége. Így a tenyér oldalán sokkal nagyobb számban fordulnak elő receptorok, mint a kézháton. Amikor mind a két kezünket 2 – 3 °C-os vízbe mártjuk úgy, hogy nem érintkeznek egymással, akkor a két kézfejen sokkal élénkebben érezzük a hideget, mint a tenyér oldalán; de néhány másodperc múlva az érzés a tenyéren sokkal élénkebbé válik és élénkebb is marad. A vastag felhámréteg késleltette a hőérzet kifejlődését a kéztenyéren, de amint a hideg hatása egyszer az irháig eljutott, az érzet is a tenyéren lett élénkebb, ahol az idegvégek nagyobb számban találhatóak [3].

A hőnek kitett bőrfelület nagysága is kihat a hőérzet fokára; a hőérzet annál élénkebb, minél nagyobb a hideg vagy meleg hatásának kitett bőrterület. Ez magyarázza meg, hogy amikor ugyanazon meleg vízbe egyszer ujjunkat, máskor egész kezünket mártjuk, a víz az utóbbi esetben melegebbnek tetszik. Ebből érthető az is, hogy amikor a kezünkkel valamely fürdővíz hőmérsékletét vizsgáljuk, megfelelően ítéljük, ugyanakkor egész testünkkel bemerülve úgy találjuk, hogy a fürdővíz túlságosan meleg [3].

A tudományos vizsgálatok adatai szerint a bőr felületén nem egyenletes a hideg és a meleg érzékelő pontok eloszlása. Ezeknek az érzékelő pontoknak az átmérője néhány milliméter. Jóval több hideg érzékelő pont van a testen, mint meleg érzékelő pont. Így például az alkaron minden 100 mm2-en 7 hideg érzékelő pont van és 0,24 meleg érzékelő pont [2]. A hideg- és melegérzet kiváltását nemcsak a receptorok száma befolyásolja, hanem az is, hogy a hideg receptorok csatornái myelinizáltak (2. ábra). (Myelinizáció = fiatal felnőtt korig zajló folyamat, amely során a hosszú axonok velőshüvelye kialakul, más néven behüvelyeződés. Myelin = egy zsíros anyag, amely burkot, vagy hüvelyt képez az idegszálak, az axononok körül.) A myelin – amely elektromos szigeteléshez hasonló – az agy idegsejtjei között sokkal gyorsabb és hatékonyabb kommunikációt tesz lehetővé. Így az információ a hidegérzetet illetően 10 – 20 m/s sebességgel áramlik az agy felé, míg a meleg érzetet érintő információ 1 – 2 m/s sebességgel áramlik a nem myelenizált idegcsatornákon. Ennek megfelelően a hideg ingerre sokkal rövidebb idő alatt reagál az ember, mint a meleg ingerre.

2. ábra. Neuron

A receptorok azonos módon reagálnak a vezetéssel vagy sugárzással átadott hőre és feladatuk az úgynevezett ártalmatlan hőmérsékletek érzékelése. A hidegreceptorok az 5 – 43 °C hőmérséklet tartományban működnek és a legaktívabbak 25 °C körül. A meleg receptorok, melyek a bőr hőfokának emelkedését jelzik, 45 °C körül a legaktívabbak [2, 4]. ha a bőr hőmérséklet 30 – 36 °C közötti, akkor úgy a meleg-, mint a hideg receptorok aktívak ugyan, de nem jeleznek sem hideget, sem pedig meleget.

A testközpont hőmérsékletével ellentétben, amely az egészséges embereknél maximum 1 °C-kal térhet el a kívánt értéktől az egyes testrészek hőmérsékletei között, akár 12 °C hőmérsékletkülönbség is felléphet [2, 5].

A bőrben helyezkednek el a hő-fájdalom receptorok (nociceptorok) is. Ezek a receptorok a káros hőmérsékletek esetén lépnek működésbe, akkor, amikor sérülés léphet fel. A hatás fellépésekor a fájdalomreceptorok (nociceptorok) ingerületbe jönnek és fájdalomüzenetet küldenek az agyba a gerincvelőn keresztül, ahol megtörténik a feldolgozás és megszületik a megfelelő válasz. Az ingerületek két különböző típusú idegroston keresztül jutnak az agyba. Az egyik idegrost gyorsan közvetíti az erőteljes, éles fájdalmat, ami azonnali választ vált ki (például azt, hogy elrántjuk a kezünket a tűzforró tárgytól). A másik idegrost a tartós, tompa fájdalmakat közvetíti lényegesen lassabban, mint az előző és nem vált ki azonnali választ. Ennek megfelelően ezek a receptorok 15 – 18 °C alatti, illetve 45 °C feletti hőmérsékletek esetén lépnek működésbe.

A bőr hőmérséklet-változásának az észlelése számos tényezőtől függ. Ezek között említhetjük az inger nagyságát, a bőrfelület kiinduló hőmérsékletét és az sem mindegy, hogy melyik testfelületet tesszük ki az adott inger hatásának. Elfogadott, hogy az egyes testrészek érzékenysége között mintegy százszoros az arány (az arc és az ajkak a legérzékenyebbek, a lábak a legkevésbé érzékenyek. Annak ellenére, hogy a hőmérséklet érzékelésének határértéke nagyon változó a testfelületen, elmondható, hogy a hidegre érzékenyebbek vagyunk, mint a melegre. Általában elmondható, hogy ahhoz, hogy egy hőmérsékletcsökkenést érzékeljünk, fele akkora változásra van szükség, mint a hőmérsékletemelkedés érzékeléséhez [6].

Az ember hőmérsékletérzékelő rendszere nagyon érzékeny a kis hőmérsékletváltozásokra is. A hüvelykujj alapjánál például két hideg impulzus amplitúdója között 0,02 – 0,07 °C hőfokkülönbséget is érzékelnek az emberek. Ugyanez meleg impulzusok esetében 0,03 – 0,09 °C. Az érzékenység függ a testrész hőmérsékletétől is. Így, ha a hüvelykujj alapjánál a bőrhőmérséklet 33 °C, akkor a hőmérséklet-növekményt csak 0,2 °C-nál nagyobb értéknél érzékeljük, míg a hőfokcsökkenést 0,11 °C-tól érzékeljük.

A hőmérsékletváltozás rátája (sebessége) szintén befolyásolja az észlelés sebességét. Így például, ha a környezeti hőmérséklet nagyon lassan változik (<0,5 °C/perc) akkor az ember 4 – 5 °C környezeti hőmérsékletváltozást nem is érzékel, feltéve, hogy a bőrhőmérséklet a 30 – 36 °C tartományban marad [2]. Ha a hőmérséklet gyorsan változik (pl. 0,1 °C/s), akkor a kis bőrhőmérséklet-változásokat is érzékeljük. A hőmérsékletváltozás észlelésének küszöbértéke viszont nem csökken tovább, bármennyire is emelnék a környezeti hőmérsékletváltozás sebességét a 0,1 °C/s értékhez képest.

A hideg- és melegérzékelő receptorok reakciójának sebességét külső inger (hőmérséklet) esetén a 3. ábra mutatja. Látható, hogy a hidegreceptorok 25 – 30 °C közötti hőmérsékletek esetén a legaktívabbak, vagyis e hőmérsékletek esetén reagálnak a legintenzívebben a hőmérsékletcsökkenésre. A melegreceptorok 40 °C hőmérséklet esetén a legaktívabbak, de érzékenységük jóval kisebb a hideg receptorok érzékenységénél.

3. ábra. A hőmérséklet-receptorok érzékenysége
(Forrás:
http://www.neurophysiology.ws/receptors.htm)

A hidegreceptorok reakciója nagyobb értékeket vesz fel 45 °C-nál nagyobb hőmérsékletek esetén, de ez az eset általában láz esetén fordul elő (hidegrázás), amikor – bár magas a bőrhőmérsékletünk – hidegnek érezzük környezetünket és fázunk (a receptor károsodása miatt), majd reszketünk, ami további hőtermelést idéz elő. Ez szélsőséges esetben a hypotalamusban elhelyezett hőérzékelő mechanizmus (4. ábra) károsodásához, vagyis agykárosodáshoz is vezethet.

4. ábra. Az agy hőszabályozó mechanizmusa
(Forrás:
www.duhs.edu.pk/.../lec11-sem2-hnsweek4-201109)

A hőmérséklet receptorok reakciója változik, ha az inger időben nem változik. Ezt adaptációnak nevezzük. A hőmérsékletérzékelő receptorok érzékenységét az adaptáció is befolyásolja. Például ±1 °C hőfokváltozáshoz a bőr 60 s alatt adaptálódik, nagyobb hőfokváltozásokhoz hosszabb idő kell [7].
Az 5. ábra azt szemlélteti, hogy miként változik a receptor által az agy felé küldött impulzusok száma az időben.

5. ábra. Receptorok adaptációja
(Forrás:
www.duhs.edu.pk/.../lec11-sem2-hnsweek4-201109)

A receptorok által küldött információk alapján az agy a bőrvéráramot változtatja annak érdekében, hogy megfelelő értékre álljon be a hőcsere a környezettel.

3. Összefoglalás
A komfortelmélet [8] alapösszefüggéseinek ismerete elengedhetetlen ahhoz, hogy megfelelő minőségű belső környezetet [9] hozzunk létre az épületekben tartózkodók számára. Az érzékelés mechanizmusa rendkívül komplex folyamat és tény, hogy a kialakuló hőérzet szubjektív, azonban ezek az összefüggések képezik az alapját a belső terek hőérzeti méretezési paramétereinek [10, 11, 12].

Köszönetnyilvánítás
A publikáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Felhasznált szakirodalom
[1]
http://www.kislexikon.hu/borerzekletek.html (Letöltés: 2012.07.16)
[2] Lynette Jones (2009), Thermal touch, Scholarpedia, 4(5):7955.
http://www.scholarpedia.org/article/Thermal_touch (Letöltés: 2012.07.13).
[3] Klug Nándor: Az érzékszervek élettana, K.M. Természettudományi Társulat, Budapest, 1896. (
http://mek.oszk.hu/02900/02938/html/) (Letöltés: 2012.07.12)
[4] Darian-Smith, I. & Johnson, K. O.: Thermal sensibility and thermal receptors. Journal of Investigative Dermatology, 69, p: 146-153, 1977.
[5] Parsons, K.: Human Thermal Environments (2nd ed.). Taylor & Francis, 2003.
[6] Stevens, J. C., & Choo, K. K.: Temperature sensitivity of the body surface over the life span. Somatosensory & Motor Research, 15, 13-28, 1998.
[7] Kenshalo, D. R. & Scott, H. A.: Temporal course of thermal adaptation. Science, 152, p: 1095-1096, 1966.
[8] Bánhidi László, Kajtár László: Komfortelmélet, Tankönyvkiadó, Budapest, 2000.
[9] Kalmár Ferenc: A belső környezet minősége, TERC Kiadó, Budapest, 2013.
[10] MSZ EN ISO 7730:2006 A hőmérsékleti környezet ergonómiája. A hőkomfort analitikus meghatározása és megadása a PMV- és a PPD-index kiszámításával, valamint a helyi hőkomfort kritériumai (ISO 7730:2005)
[11] MSZ CR 1752:2000 Épületek szellőztetése. Épületek belső környezetének tervezési alapjai
[12] MSZ EN 15251:2007 Épületek energia-teljesítőképességének tervezésére és becslésére, levegőminőségére, hőmérsékletére, fény- és akusztikai viszonyaira vonatkozó beltéri bemeneti paraméterei

Abstract
Energy saving is primordial in the building sector. Nevertheless we should not forget that in buildings proper thermal comfort must be assured for occupants, taking into account their activity level. Different scholars proved that it is a strong interrelation between thermal comfort and performed work efficiency. In this paper is shortly presented the function of thermoreceptors in the skin, which contribute to the thermal sensation of occupants.

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul