Лекция №16 "Экстремальное состояние организма и законы
advertisement
Профессор Профессор М.М. М.М. Абакумов Абакумов Лекция № 16 Экстремальное состояние организма и законы термодинамики Экстремальное состояние организма – особая форма жизнедеятельности, отражающая переломный момент существования высокоорганизованной живой системы, наступивший внезапно вследствие неблагоприятного воздействия 1 Первое начало термодинамики Второе начало термодинамики закон сохранения энергии закон энтропии 2 1908 г. – М. Рубнер сопоставил законы термодинамики с биологическими процессами в организме на примере его старения 3 Нелинейные процессы характерны для естественных явлений вообще и имеют особое распространение в сложных биологических системах, определяя принцип их функционирования 4 Основу нелинейности (необратимости) процессов составляет энтропия. Энтропия выражает выражает разность разность между между «полезным» «полезным» обменом обменом энергии энергии и и диссипированной, рассеянной энергией, теряемой безвозвратно и диссипированной, рассеянной энергией, теряемой безвозвратно и непроизводительно непроизводительно по по отношению отношению кк конечному конечному результату результату процесса процесса dS = deS + diS, где: где: dS dS –– энтропия энтропия ddeeS S –– энергия, энергия, теряемая теряемая во во внешнюю внешнюю среду среду за за счет счет трения, трения, вязкости вязкости ии других других форм форм рассеивания рассеивания (е (е –– exchange) exchange) ddiiS S –– энергия, энергия, затрачиваемая затрачиваемая на на полезную полезную работу работу внутри внутри процесса процесса (i(i –– inside) inside) 5 Диссипативная система – любая система, полная энергия которой (кинетическая + потенциальная) по мере завершения ею работы постепенно убывает, переходя в неупорядоченные формы, т.е. рассеивается. ☺ Эти системы: • • • • неравновесны и неустойчивы; имеют определенную периодичность функциональной осцилляции; имеют механизм внутренней саморегуляции сохранение устойчивого покоя требует затрат энергии 6 Синергетика (теория самоорганизации или иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах) основана на идее системности, целостности мира, общности закономерностей его развития на всех уровнях организации (включая живые системы), на признаках нелинейности и необратимости, происходящих в мире изменений, взаимосвязи случайности и необходимости, т.е. хаоса и порядка. 7 Синергетика занимается изучением систем, состоящих из множества подсистем самой различной природы, таких как: электроны атомы молекулы клетки нейроны механические элементы фотоны органы животные люди (Г. Хаген, 1985) 8 Синергетика рассматривает «каким образом взаимодействие подсистем приводит к возникновению пространственных, временных и пространственно-временных структур в макроскопическом масштабе» (Г. (Г. Хаген. Хаген. Синергетика. Синергетика. Иерархия Иерархия неустойчивости неустойчивости вв самоорганизующихся самоорганизующихся системах системах ии устройствах. устройствах. Пер. Пер. сс англ. англ. М, М, Мир, Мир, 1985 1985 г) г) 9 Аттрактор – строго координированное во времени и пространстве сведение множества нелинейных функциональных процессов, имеющих общее предназначение, в определенной конечной точке 10 Простая пространственная композиция на основе бифуркаций 11 Динамика каждого внутрисистемного процесса проходит через критические значения, или точки «бифуркации», после чего процесс необратимо продолжает развиваться либо в «правильном» – упорядоченном направлении, либо в любом другом – случайном, хаотичном направлении. А Схема Схема аттрактора, аттрактора, реализующего реализующего доминанту доминанту устойчивости устойчивости Схема Схема аттрактора аттрактора при при дисфункции дисфункции 12 Одномоментное сочетание нескольких бифуркаций в развитии внутренних процессов в системе приводит ее в крайне неустойчивое, разбалансированное состояние. Она становится уязвимой к любым, самым минимальным внешним воздействиям с непредсказуемым результатом. 13 Принцип саморегуляции заключается в динамическом взаимодействии двух начал, присущих системе: любой сложной биологической • стремление к порядку • стремление к хаосу 14 Дизрегуляция – основа экстремального состояния организма 15 Экстремальное состояние организма Повреждение клетки Нарушение регулярных систем 16 Гипотетическая подсистема Преобразование энергии Распределение энергии в интересах: 9 всего организма 9 для энерговоспроизведения 9 для обновления клетки и тканей (С.Н. Гринченко, С.Л. Загускин. Механизмы живой клетки: алгоритмическая модель.) 17 Две гипотезы 1. В условиях грубой разбалансированности жизненных процессов главная битва за выживание живой системы перемещается на уровень глубинных факторов системообразования 2. Сохранение сложной живой системы в критической ситуации может достигаться за счет разрушения её инфраструктурных элементов с высвобождением энергии 18 Заключение 1. 1. Физические Физические законы законы в в значительной значительной мере мере определяют определяют жизнедеяжизнедеятельность тельность организма организма человека. человека. 2. 2. Взаимодействие Взаимодействие множества множества подсистем, подсистем, начиная начиная сс электронов, электронов, атомов атомов и и заканчивая заканчивая организмом организмом в в целом, целом, приводит приводит кк возникновению возникновению пространственных пространственных и и пространственно-временных пространственно-временных структур. структур. 3. функционирование обеспечивается 3. Устойчивое Устойчивое функционирование этих этих структур структур обеспечивается за за счет счет того, того, что что кк конечной конечной цели цели каждой каждой цепочки цепочки процесса процесса устремляустремляются ются сразу сразу несколько несколько функциональных функциональных алгоритмов алгоритмов одной одной и и той той же же направленности. направленности. 4. 4. Отклонение Отклонение одного одного или или нескольких нескольких функциональных функциональных процессов процессов от от детерминированного детерминированного алгоритма алгоритма приводит приводит кк тому, тому, что что вместо вместо того, того, чтобы чтобы запустить запустить следующий следующий необходимый необходимый организму организму процесс, процесс, происходит происходит беспорядочное беспорядочное накопление накопление промежуточных промежуточных продуктов продуктов метаболизма метаболизма –– медиаторов. медиаторов. 19 Продолжение Заключение 5. Организм человека как сложная живая система представляет собой яркий пример неравновесной системы, существующей по законам термодинамики. Абсолютное большинство внутренних процессов живых систем носит необратимый характер. 6. До настоящего времени не удается выяснить особенности пространственно-временных взаимодействий медиаторов, механизмов саморегуляции и цикличности важнейших биологических механизмов как в норме, так и при экстремальных состояниях. 7. Вмешательство в глубинные молекулярно-клеточные процессы без достаточных знаний этих процессов при экстремальном состоянии организма чревато усугублением, ускорением диссипации неравновесной системы, т.е. окончательной разбалансировки жизненно важных процессов. 8. Дальнейший прогресс в изучении процессов, происходящих в живом организме как в норме, так и при экстремальном состоянии связан с интеграцией фундаментальных знаний медицины и физики. 20
