В.Д.Цветков «Кислородное обеспечение сердца и принцип оптимального вхождения» Пущино, 2004 г. 153 с.

Проблема недостаточного кислородного обеспечения сердца по-прежнему является одной из самых актуальных в современной медицине и физиологии. Эта проблема до сих пор все еще далека от полного решения по многим причинам. Одной из них является недостаточное внимание к изучению деятельности здорового сердца в нормальных, естественных условиях. По мере изучения множества патологических нарушений работы сердца и других органов на передний план все более выступает потребность понять: «Что же такое Норма? Какой критерий заложен Природой в основу гармоничной деятельности здорового сердца и всего организма»? Четкое теоретическое обоснование нормы может облегчить поиски наиболее эффективных путей к излечению. К сожаленью, следует отметить, что современные определения нормы в значительной степени расплывчаты. Большая медицинская энциклопедия определяет норму как «условное обозначение равновесия организма, отдельных его органов и функций в условиях внешней среды» [БМЭ, 1961, т. 21, с. 138]. В более позднем издании БМЭ высказывается представление о норме как «оптимуме функционирования и развития человека» [БМЭ, 1981, т. 17, с. 196]. Недостатком этих определений является их расплывчатость, в них отсутствует критерий, в соответствии с которым норма может быть однозначно установлена.

В практической медицине нормой обычно принято считать совокупность среднестатистических величин наиболее важных параметров, которые, как установлено из практики, соответствуют здоровому организму. Однако набор усредненных значений отражает лишь поверхностную картину Нормы, не позволяя проникнуть в ее суть. Глубокий анализ объединения множества клеток, тканей и органов в единую систему возможен лишь при известных универсальных критериях, в соответствии с которыми части объединены в единое нормальное целое. Любая живая система независимо от ее сложности имеет функцию, структуру и организацию. Последней (организации) в биологических науках (в частности, в биофизике) не придается должного внимания. Организация живого объекта биологами чаще всего воспринимается как некая данность, не подлежащая исследованию. Однако уже в 60-х годах прошлого века ученые пришли к пониманию того, что «биологический порядок и организация не являются аксиоматическими категориями, а, напротив, предъявляют к исследователям требование фундаментальной важности – дать этим понятиям научное истолкование» (J. Needham, 1968). Именно на пути выявления законов и принципов организации живых объектов возможно установление теоретической сущности Нормы.

В настоящее время в биологических науках господствует редукционистский подход к исследуемому объекту – дробление на все более мелкие элементы. Естественно, что при движении в таком направлении теряется значительная часть информации об организации целого. Как противовес редукционисткому методу в современной науке возникает обратное, интегративистское, течение – метод, подразумевающий «сборку» объекта из ранее изученных частей. Академик В.А.Энгельгардт писал по этому поводу: «Главенствующим должен стать вопрос: каким образом возникает сложное из простого, какие силы тут вступают действие, каковы закономерности этого процесса, как создаются новые качества в результате прогрессивного усложнения, с переходом к новым, более высоким уровням организации» [Энгельгардт, 1970]. Для этого методологического направления В.А.Энгельгардт предложил наименование «интегратизм». Интегратизм предполагает «сборку» системы из ранее изученных частей. Материал для последовательной «математической» сборки объекта (от простого к более сложному) — экспериментальные данные. У исследователя появляется возможность «восстановить» раздробленный объект, попытаться понять по каким принципам и законам он создан Природой. Метод интегратизма – прямой путь к выявлению сущности Нормы.

Огромное количество биологических объектов по причине их исключительной сложности и трудностей технического и методологического порядка изучены чаще всего очень «мозаично». Для этих систем в настоящее время практически невозможно произвести достаточно полный и глубокий системный анализ «по вертикали сложности». Система кислородного обеспечения сердца человека и млекопитающих является одним из немногих объектов, пригодных для «сборки». Эта система достаточно полно изучена по «вертикали» (от эритроцитов и мышечных клеток до системы в целом). Она является не только подходящим объектом для «сборки», но также и «полем поиска» для выявления не только своих собственных, «сердечных», но и, возможно, общих законов и критериев организации всех биосистем.

В книге впервые на базе огромного объема экспериментальных данных представлен процесс «сборки» системы кислородного обеспечения сердца человека и млекопитающих. Для функционально связанных систем возрастающей сложности «сборка» последовательно производилась по направлению от «простой» системы к более сложной (эритроцит, кровь, сосуд с движущейся кровью, сосудистый тройник, генерация микрососудов, гемососудистая система сердца, система кислородного обеспечения в целом). Впервые для всех рассматриваемых систем был установлен универсальный критерий «сборки» сложных систем, обозначенный автором как принцип оптимального вхождения. Суть этого принципа состоит в том, что «Всякая из сердечных систем, совместно образующих сложную кардиосистему, включается в последнюю оптимальным образом; вследствие этого сложная система исполняет свою функцию с минимальными затратами энергии и строительного материала». Основу организации для всех сердечных систем любой сложности и сердца как отдельного органа составляет один и тот же универсальный критерий – принцип оптимального вхождения. Следует отметить, что этот же принцип определяет сущность гармонии сердечных систем, поскольку «гармония – соразмерность частей и целого, слияние различных комплексов объекта в единое органическое целое» (Сов. энц., 1971, т. 6, с. 128). Таким образом, здоровой (гармоничной) является та живая система (клетка, ткань, орган и т.д.), которая затрачивает на исполнение своей функции минимальное количество энергии и живого вещества!

Транспорт необходимого объема кислорода к месту его потребления в любом регионе сердца всегда обеспечивается при минимальном расходе энергии, сосудистого материала и крови. Автором впервые показано, что этот феномен имеет место как в покое организма, так и при различных уровнях физической нагрузки. Различие состоит лишь в том, что по мере роста нагрузки оптимальная «цена» доставки кислорода возрастает. Архитектоника сосудистой сети и мышечной ткани сердца «подобраны» Природой таким образом, что помимо энергооптимальности и сбережения живого материала имеет место также и максимальный уровень метаболизма в крови и сердечных клетках, что обеспечивает наиболее эффективное течение биологических процессов. Кроме того, за счет оптимальной конструкции сосудистой сети и мышечной ткани сердце в норме исполняет свою функцию с привлечением минимального объема и косных веществ — воды и кислорода. Известно, что и другие системы организма (дыхательная система, система эритропоэза, кости) также «сконструированы» Природой с привлечением минимального строительного материала; их функционирование связано с минимальными затратами энергии. Вследствие этого, по мнению автора, принцип оптимального вхождения, может быть критерием Нормы как для отдельных органов и систем, так и организма в целом. Здоровый организм функционирует с минимальными затратами энергии и строительного материала, а следовательно, и при минимальном потреблении пищи из окружающей среды!

В книге представлено математическое обоснование нормы для различных объектов системы кислородного обеспечения сердца. Выявлена решающая роль золотого сечения и чисел Фибоначчи в оптимальной организации этих систем. Показано, что основу оптимизации для всех сердечных сосудов независимо от их размеров составляет математические соотношение

l/dt = 162 c^-1,

где d, l — диаметр и длина сосуда, t — время пребывания движущегося эритроцита в сосуде. При соблюдении этого правила транспорт единичного объема кислорода к месту потребления происходит с минимально возможным расходом энергии, крови и сосудистого материала. Другим условием оптимального кислородного обеспечения сердца является постоянство скорости диффузии кислорода

U = 220% с^-1,

где U – общее количество кислорода, отдаваемого из каждого поперечного сечения любого сердечного микрососуда за единицу времени (расчет произведен по кривой насыщения гемоглобина). Эта величина является максимально возможной скоростью диссоциации оксигемоглобина.

Величины 162 с^-1 и 220% с^-1 являются инвариантами оптимальной конструкции для всех сердечных сосудов. Эти величины совместно с золотым сечением и числами Фибоначчи являются «математической сердцевиной», основой, фундаментом оптимальной организации всей системы кислородного обеспечения миокарда. Использование Природой этих соотношений обусловливает нормальную, максимально эффективную, деятельность сердца человека и млекопитающих.

Принцип оптимального вхождения установлен при анализе экспериментальных данных здоровых людей и животных репродуктивного возраста. Исследуемые находились в нормальных условиях окружающей среды (нормоксия, нормокапния, нормотермия, отсутствие стрессовых ситуаций и т.д.). Для анализа использовались экспериментальные данные, погрешность измерения которых не превышает ±10%.

Книга предназначена для биофизиков, физиологов, медиков, специалистов, интересующихся проблемами теоретической биологии.