Цветков В. Д. Кислородное обеспечение сердца и принцип оптимального вхождения. - Пущино, 2004. - 152 с. [Архив].
Кислородное обеспечение сердца по-прежнему привлекает внимание многих специалистов. Одной из важнейших проблем в этой области является установление математической основы адекватного кислородного обеспечения здорового сердца в условиях покоя и физической нагрузки. Системный подход, представленный в монографии, позволил показать в математической форме оптимальное сопряжение множества архитектонических, гемодинамических и кислородных параметров коронарного русла млекопитающих. Показано, что транспорт единичного объема кислорода к месту его потребления происходит при минимальных затратах энергии, крови и сосудистого материала. Впервые представлена и математически обоснована гипотеза регуляции коронарного русла в условиях гипертензии. В основе оптимальной организации системы кислородного обеспечения сердца лежат универсальные математические соотношения, аналогичные для различных видов млекопитающих.
Книга предназначена для биофизиков, медиков, физиологов, биохимиков, специалистов, интересующихся проблемами теоретической биологии.
Oxygen supply of the heart continues to be a matter of interest to many specialists. One of the most important problems in this field is the establishment of the mathematical basis of adequate oxygen supply in the healthy heart under conditions of rest and physical exercise. The systemic approach presented in this monograph makes it possible to show in the mathematical form the optimal conjugation of a great number of oxygen, architectonic and hemodynamic parameters of the mammalian coronary bed. The hypothesis of coronary bed regulation in the condition of hypertension has been advanced for the first time and based mathematically. It was shown that the transport of a unit volume of oxygen to the site of its consumption occurs at minimum expenditures of energy, blood and vessel material. The optimal organization of oxygen supply of the heart is based on universal mathematical relationships, which are identical in various mammalian species.
The book is intended for biophysicists, physicians, physiologists, biochemists, and specialists engaged in problems of theoretical biology.
Ответственный редактор: д-р мед. наук В.А.Глотов
Рецезент: д-р биол. наук, проф. Н.К.Чемерис
© Цветков В.Д., 2004
Проблема кислородного обеспечения сердца по-прежнему является одной из самых актуальных в медицине и физиологии. Связано это с тем, что ишемическая болезнь сердца, следствием которой является недостаточное снабжение сердечной мышцы кислородом, по-прежнему остается широко распространенной в наиболее развитых странах. По-видимому, одной из причин того, что эта проблема до сих пор все еще далека от полного решения, является недостаточное внимание к изучению деятельности здорового сердца в нормальных, естественных условиях. По мере изучения множества патологических нарушений функционирования сердца и других органов, организма в целом все более возникает потребность понять: "Что же такое норма? Какой критерий заложен Природой в основу деятельности здорового сердца? Необходимо иметь исходные, теоретически обоснованные, "точки отсчета", соответствующие норме. Следует отметить, что современные определения нормы в значительной степени расплывчаты. Большая медицинская энциклопедия [БМЭ, 1961, т. 21, с. 138] определяет норму как "условное обозначение равновесия организма, отдельных его органов и функций в условиях внешней среды". 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 величин наиболее важных параметров, которые, как установлено из практики, соответствуют здоровому организму. Однако представляется затруднительным общий системный анализ деятельности организма как совокупности клеток, тканей и органов, поскольку не установлен их общий, универсальный критерий сопряжения частей в "нормальное" единое целое. Всякая живая система имеет функцию, структуру и организацию. Последней (организации) в биологических науках (в частности, в биофизике и биохимии) часто не придается должного значения. Организация живого объекта чаще всего воспринимается как некоторая данность, не подлежащая исследованию. Однако уже в 60-х годах прошлого века 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).
В настоящее время в биологических науках преобладает 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, т.е. системный подход к объекту, 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 (в основе такой сборки, естественно, должны лежать экспериментальные данные). При этом у исследователя появляется возможность "восстановить" раздробленный объект, выявить законы и принципы его организации, что в конечном счете позволяет установить Критерий нормы. Однако большинство биологических объектов по причине их исключительной сложности и трудностей технического и методологического порядка чаще всего изучены очень "мозаично". Вследствие этого в настоящее время невозможно произвести достаточно полный и глубокий системный анализ многих живых систем. Сердце и его система кислородного обеспечения является одним из немногих "исключений" из этого правила. Система кислородного обеспечения по "вертикали" изучена достаточно полно (от эритроцитов и мышечных клеток до системы в целом), она является не только наиболее подходящим объектом для "сборки", но также и "полем поиска" для выявления не только своих собственных, "сердечных", но и общих, "нормальных", законов и критериев организации биосистем.
В книге представлен процесс "сборки" системы кислородного обеспечения сердца человека и млекопитающих. “Сборка” производилась для последовательности функционально связанных систем возрастающей сложности по направлению от самой "простой" системы - эритроцита - до системы кислородного обеспечения сердца в целом. В итоге был установлен энергооптимальный критерий "сборки" или вхождения (включения) "мелких" сердечных систем в более сложную, обозначенный автором как принцип оптимального вхождения Суть этого критерия состоит в том, что всякая из сердечных систем, образующих сложную кардиосистему, включается в последнюю оптимальным образом; вследствие этого сложная система исполняет свою функцию с минимальными затратами энергии и строительного материала. Таким образом, основу НОРМЫ для сердца составляет энергооптимальный критерий – принцип оптимального вхождения.
Автором представлено конкретное математическое обоснование нормы для системы кислородного обеспечения сердца. Установлено, что основу оптимизации движущейся крови для всех сердечных сосудов независимо от их размеров составляет математические соотношение
l/dt = 162 c-1, (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 скорость потребления кислорода
U = 220% с-1, (2)
U – общее количество кислорода, отдаваемого из любого поперечного сечения всякого сердечного микрососуда за единицу времени (расчет произведен по кривой насыщения гемоглобина). Эта величина является максимально возможной скоростью диссоциации оксигемоглобина.
Отношения (1) и (2) являются инвариантами оптимального вхождения. Эти величины являются "математической" сердцевиной, основой, фундаментом энергооптимальной организации всей системы кислородного обеспечения сердца человека и млекопитающих. Использование Природой именно этих соотношений обеспечивает адекватную деятельность сердца человека и млекопитающих в наиболее выгодном энергетическом варианте.
Необходимо дополнительно отметить, что за счет оптимальной "вписанности" обменных микрососудов коронарного русла в кривую вязкости крови имеет место значительное "бесплатное" увеличение обменной поверхности микрососудистого русла. С другой стороны, при этом обеспечивается и наиболее высокий уровень метаболизма в артериолах и капиллярах. Оптимальное же сопряжение кривых насыщения гемоглобина и миоглобина, а также оптимальное взаимное расположение капилляров и кардиомиоцитов, обеспечивает одинаковое по "количеству и качеству" кислородное обеспечение всех клеток миокарда.
Принцип оптимального вхождения установлен для здорового сердца половозрелых людей и млекопитающих, находящихся в нормальных условиях окружающей среды (нормоксия, нормокапния, нормотермия, отсутствие стрессовых ситуаций и т.д.). Для анализа использовались экспериментальные данные, погрешность измерения которых не превышала ±10%.
Цветков Виктор Дмитриевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (г. Пущино московской обл., 142290, Институтская ул., 3). Член-корреспондент Международной Академии информатизации, член совета Международного клуба Золотого сечения. Автор 2 монографий. Выпускник радиофакультета Московского авиационного института. Научные интересы: системная организация деятельности сердца человека и млекопитающих в условияхпокоя и физической нагрузки, кровокислородное обеспечение сердечной мышцы, оптимальность и симметрия сердечных систем, отрицательные аэроионы. Адрес электронной почты: tsvetkov@iteb.ru
Поступила в редакцию 27.01.2005