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Physical Exercise and Exhaustion from Heat Strain

한국생활환경학회지 제8권 제2호, 2001.9, 134-145 (12 pages)
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초록
Exercise and environmental heat stress impose a significant strain on the thermoregulatory system and reduce endurance exercise performance. The factors implicated in heat stress fatigue include numerous potential biological derangements. However, the fact that heat stress per se elicits fatigue in humans is clear. The literature supports a clear continuum of core temperatures (38-42℃) at which exhaustion from heat strain occurs (Figure 5). Low levels of fitness and heat acclimatization implicate cardiovascular strain in the fatigue process at lower core temperatures (Sawka et al., 2001). At higher core temperatures, heat stress per se may result in fatigue (Gonzalez-Alonso et al., 1999) originating from the central nervous system (Nielsen et al., 2001; Nybo & Nielsen 2001), although high levels of concurrent cardiovascular strain cannot be excluded entirely from this process. Although direct measurements of elements linking the central nervous system to heat stress fatigue are restricted in humans, clever indirect assessments of man and more invasive, but direct analyses in animals support a central nervous system component to heat stress fatigue and also a possible serotonergic mediation of this effect (Brisson et al., 1991; Lin et al., 1998; Marvin et al., 1997; Nielsen et al., 2001; Nybo & Nielsen, 2001; Wilson & Maughan, 1992). Human tissues retain their function and tolerate temperatures above 40℃ without injury, but the efficiency of some metabolic processes decline above 40℃ (Brooks et al., 1971) and irrevocable damage can result beyond the upper limit of the core temperature heat exhaustion continuum (>42℃) (Febbraio, 2000; Meshorer et al., 1983; Segal et al., 1986). Therefore, the inability or unwillingness to exercise beyond destructive internal body Core Temperature & Exhaustion from Heat Strain temperatures may represent a type of protection against catastrophic hyperthermia (Noakes, 1997). In conclusion, the teleology of exhaustion from heat strain depends largely on environment, work task and fitness. These factors modify heat strain fatigue and result in a ~4℃ core temperature continuum for the occurrence of heat exhaustion.

태양의 빛이나 온도 그리고 습도와 같은 환경적 요인들은 대사열의 생산을 왕성하게 하는 운동과 열발산을 막는 의복과 함께 열스트레스를 제공하는 주요 요인들이다(Sawka et al., 1996). 때로는 이러한 외적 조건들의 스트레스 강도가 인간으로 하여금 체온을 조절할 수 없게끔 하여 결국에는 열탈진과 같은 열상해가 발생하도록 한다(Montain et al., 1994). 인체는 더위에서 열발산을 통해 체온을 유지하며, 그러기 위해서 말초부위로 혈액을 공급한다. 이와는 반대로 운동은 수축하는 근육으로 혈액을 보려내고 한다. 신체의 많은 부위에 한꺼번에 적잖은 혈액 공급해야하는 심혈관계는 따라서 과부하가 걸리게 되며, 이것이 더 위에서 일찍 지치게 하는 이유가 되는 것이다. 사실, 더위에서의 지구력은 떨어지며 열스트레스가 강할수록 체력감소의 정도는 더욱 크다(Galloway & Maughan, 1997; Suping et al., 1992). 최근의 동물 또는 사람을 대상으로 하는 연구결과에 의하면, 이러한 피로발생의 과정에서 중추신경의 역할이 상당하다는 것을 보여주고 있다.
더위에서 체온을 유지하기 위해 필요한 열발산의 양만큼 증발로 인한 열발산이 이루어지지 않으면 보상할 수 없는 열스트레스(uncompensable heat stress)를 겪게된다. 이때 체온은 안정된 수준을 넘어 계속적으로 상승하게 되며 따라서 열탈진에 이르게 되는 것이다. 더욱이, 보상 불가능한 열스트레스 상황에서는 상대적으로 낮은 심부온에서도 열탈진이 발생하게 되며(Montain et al., 1994; Sawka et al., 1992), 심혈관계의 과부하에 의한 것으로 사료된다(Adolph, 1947; Gonzalez-Alonso et al. 1997; 1999; Johnson & Proppe, 1996; Latzka et al., 1998; Montain et al., 1994; Sawka et al., 1992). 최근의 실험실 연구결과를 분석한 것에 의하면 50%의 열탈진은 심부온이 38.6℃ 일 때 발생했으며, 직장온이 39.5℃이 되었을 때는 모든 피험자들이 탈진한다는 분석에 이르렀다(Sawka et al., 2001). 그러나 이러한 결과는 피험자들 간에 현저한 차이가 발생하는 것도 사실이며, 잘 훈련된 달리기 선수들의 경우에는 40℃ 이상을 상회하더라도 열에 대한 내성을 보이는 것으로 보고되고 있다. 중요한 점은 열탈진에 의한 쇠진(collapse)은 오히려 정상적인 또는 체온이 저하된 상태에서 발생하기도 한다(Roberts, 2000).
한 연구에서는 체온이 오른 상태(40℃)에서 활동적인(active) 또는 비활동적인(inactive) 근육군의 최대수축력이 상온(38℃)에서의 그것에 비해 감소하였음이 관찰되었다(Nybo & Nielsen, 2001). 이러한 결과, 즉 높은 심부온에서 열 그 자체가 피로를 유발한다는 것은 아마도-최소한 일정 부분-중추신경계가 연관되어 있지 않은가 하는 의문점을 제기한다. 이러한 여기에 중추신경계의 신경전달물질인 세로토닌이 관여하는 것으로 보여진다(Brisson et al., 1991; Lin et al., 1998; Marvin et al., 1997; Nielsen et al., 2001; Nybo & Nielsen, 2001; Wilson & Maughan, 1992). 세로토닌은 신경계에서 작용부위에 따라 흥분성(excitatory) 또는 억제성(inhibitory)로 작용하며(Role & Kelly, 1991), 졸림과 기면상태(lethargy)을 조장한다(Young, 1986). 실험에 의하면 세로토닌의 투여는 운동에 대한 내성 또는 지구성을 줄이는 것으로 보인다(Marvin et al., 1997; Wilson & Maughan, 1992).
인체는 40℃를 상회하는 수준에서도 조직의 손상 없이 기능을 유지할 수 있지만 일부 대사과정은 이 온도를 넘어서는 효율성을 잃는다. 그리고 42℃가 넘은 상황에서는 돌이킬 수 없는 손상이 오기도 한다(Febbraio, 2000; Meshorer et al., 1983; Segal et al., 1986). 따라서 인체 기능을 손상시킬 수 있는 심부온 이상으로 체온이 오르는 운동을 못하거나 안 하는 것은 하나의 방어기능으로 볼 수 있는 것이다. 결론적으로, 과열에 의한 탈진의 목적성은 환경과 일과 체력에 의존한다. 이러한 요인들은 과열로 인한 피로를 조절한다. 그리고 열탈진 현상의 발생하는데는 약 4℃ 폭의 체온변화 동안에 어디서나 발생할 수 있다.

목차
1. Introduction
2. Physiology of Exercise and Heat Stress
3. Body Temperature & Exhaustion
4. Heat Stress and Central Nervous System Fatigue
5. Summary
Acknowledgments
국문 요약
References
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