Помоги проекту - поделись книгой:
Прикладная математика процессов управления, которой всю свою яркую жизнь занимался В. И. Зубов, это та область знаний, которая необходима в термодинамической биологии для того, чтобы описывать процессы сознательного (внешнего) управления применительно к разумной биосистеме (человеку), поскольку разум для нашего тела является мощнейшей внешней управляющей силой. Этим важны математические подходы Зубова в отличие от кибернетических подходов Ляпунова, которые больше применимы для описания и моделирования именно автоматических (бессознательных) процессов управления, проходящих в теле, но не выходящих за его рамки. Но именно поступательное моделирование биопроцессов, начиная с биокибернетики и переходящее в процессы внешнего управления с помощью разума, позволяет нам полностью и безошибочно строить биоматематические модели и давать прогнозы или целенаправленно находить ответы на разных от микро– до макроуровней устройства живого вещества.
Владимир Иванович Зубов происходил из семьи купцов первой гильдии, которая была лишена прав и состояния в 1917 году, в связи с чем жизнь семьи была отягощена бедностью. В 1944 году, когда Владимиру Ивановичу было 14 лет, произошла трагедия: в результате взрыва гранаты он потерял зрение. Узнав, что лучшая школа для слепых и слабовидящих находится в Ленинграде, Владимир переехал туда учиться.
Зубов обладал удивительной способностью следить за сложнейшими математическими выкладками, произносимыми вслух, и часто замечал в них ошибки, которые пропускали люди зрячие, видевшие выкладки, написанные на доске или плакатах. Ему рано стали давать на рецензию анонимные работы, на которые он писал содержательные отзывы с припиской – «Все правильно, как у Ляпунова». Позже, лет через десять, Владимир Иванович узнал, что это были статьи сидевшего в тюрьме, впоследствии видного ученого, Богданова Юрия Станиславовича.
В.И. Зубов защитил докторскую диссертацию в тридцать лет и работал научным консультантом в ряде исследовательских институтов Министерства судостроительной промышленности.
Характерной чертой Зубова-учёного была научная дерзость: он не боялся браться за решение актуальнейших и труднейших задач, стоящих перед наукой. Первая же монография Владимира Ивановича «Методы A.M. Ляпунова и их применение», изданная в 1957 году, была переведена за границей и принесла автору всемирную научную известность (дабы не ввести в заблуждение пытливого читателя, сразу внесем уточнение – Ляпунов Александр Михайлович – это
В дальнейшем Владимир Иванович Зубов направил все свои замечательные способности на разработку только что появившейся теории оптимальных процессов не только как учёный-теоретик, но и как учёный-организатор науки. Он основал в Ленинградском государственном университете кафедру теории управления. Кафедра является старейшей на факультете прикладной математики процессов управления. Её история начинается до организации самого факультета. Она была открыта в 1967 году на базе лаборатории теории управляющих устройств и механизмов математико-механического факультета.
В 1968 году Владимиру Ивановичу Зубову была присуждена Государственная премия СССР за цикл работ по теории автоматического регулирования. С тех пор и до 2000 года В. И. Зубов являлся бессменным заведующим кафедры теории управления. В 1969 году по постановлению Совета Министров СССР на базе кафедры теории управления был открыт первый в нашей стране факультет прикладной математики процессов управления.
Изначально в поле зрения кафедры находились три крупнейшие проблемы теории управления: задача управления техническими объектами, задача управления технологическими процессами и задача распределения сил и средств. В частности, учёными кафедры были решены задачи стабилизации и управления вращательным движением твердого тела, управления нагревом массивных тел и составления расписания работы пресса и распределения капиталовложений по отраслям.
Человек невероятной жизненной энергии, Зубов обладал редким свойством – видеть в едином многое, а во многом единое. Владимир Иванович Зубов в любой области опирался на одни и те же принципы – общую теорию управления. Структура устройства иерархичных термодинамических сфер находит бесспорное математическое подтверждение в теории управления Зубова.
Путилов Константин Анатольевич
Поскольку термодинамику мы изучаем, как правило, в курсе физики для средней школы, то такие понятия как первый закон термодинамики и второй закон термодинамики для меня были известны. Но вот третий закон термодинамики, а особенно нулевой закон термодинамики, как более сложные физические понятия не представляли для меня особенного практического интереса. Понять смысл этих постулатов природы мне удалось уже потом, в процессе создания учения о соподчиненных сферах. Из этих двух законов наибольшую роль в осознании работы биоструктур играет нулевое начало термодинамики, которое ещё называют принципом термодинамической допустимости Путилова.
В какой-то момент мне удалось осознать, что полноценное целостное математическое компьютерное моделирование работы организма на молекулярном уровне не представляется возможным из-за гигантского, не поддающегося никакому исчислению, количества деталей, которые в свою очередь могут взаимодействовать между собой совершенно различными способами. Вся эта бесконечность вариаций молекулярного взаимодействия сводит к нулю пользу от применения к моделированию организма в целом методов статистической математики.
Ключевая мысль, которая позволила приблизиться к теоретической возможности, несмотря на огромное количество деталей, всё-таки создать качественную целостную математическую картину жизнедеятельности организма, возникла в моем сознании во время прочтения, уже упомянутой ранее, книги Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». В ней автор рассказывает одну историю, произошедшую на первой конференции SETI.
Остановимся на этом случае более подробно. Во время выступления один из учёных докладывал, что главное в науке – это количество накопленной информации, поэтому чем больше мы сможем обрабатывать и хранить информации, тем умнее и могущественнее мы будем становиться. На что один из академиков, входящих в президиум, очень интересно это утверждение развенчал: «Можно я задам один вопрос? Вы утверждаете, что самое важное – это информация и её количество. Чем больше количество информации, тем умнее мы становимся. Тем глубже проникаем в тайны природы. Тогда объясните, как это соотнести с тем фактом, что Эйнштейн в своё время придумал формулу
Эта ситуация красочно описывает тенденции, властвующие в науке и в наше время высоких технологий, ракет и электронных микроскопов. Самые передовые и просвещенные группы учёных современности, опираясь на финансовые и компьютерные возможности, начинают декларировать, что самое главное и самое нужное – это создать компьютеры, способные с мгновенной скоростью обрабатывать сверхгигантские массивы данных, при этом утверждая, что это и есть путь успеха и научных прорывов. Ученые, применяющие такие подходы, в некотором роде обрели леность ума: вместо того, чтобы путем сильнейшего напряжения умственных способностей (так называемых «научных мучений») пытаться вскрыть с помощью скальпеля разума структуру реальности, они предпочитают просто сваливать в мощнейшую информационную машину, как в мусорное ведро, гигантские массивы big data. При этом они утверждают, что чем громаднее и глубже будет это «ведро», тем больше тайн природы откроется нашему взору. Я, честно говоря, не понимаю, на что они при этом надеются.
Можно абсолютно чётко утверждать, что это тупиковый путь. В данный исторический период этот вариант развития науки исчерпал себя почти полностью. Правда, он принес при этом немалые плоды человечеству. А вот дальнейшие научные горизонты будут покоряться лишь тем искателям, которые сделают ставку не на обработку сверхбольших массивов информации, а на поиск алгоритмов правильного функционирования и циркулирования информации в системе. Алгоритм может быть самый простой –
Так вот, в математическом моделировании биологических систем самое важное – это найти общий (надорганизменный) алгоритм протекания потоков информации. Вот что самое важное! Но как нащупать эти алгоритмы?
Ответ пришел от Путилова! Когда я натолкнулся на его формулировку нулевого начала термодинамики, я понял, что это и есть тот основополагающий физический принцип, который позволяет при его применении к моделированию биологических систем выявлять уже сами биологические алгоритмы. Этот принцип стоит над биологией и проявляется в биологии.
Путилов Константин Анатольевич – крупный советский физик, методист, опытнейший педагог, выдающийся специалист в области молекулярной физики и термодинамики, доктор физико-математических наук, профессор, родился 29 апреля 1900 г. в г. Мехов Келецкой губернии.
В 1918 г. окончил Пензенское реальное училище. В 1919–1923 гг. служил добровольцем в рядах Красной Армии, был инструктором, лектором и инспектором политуправлений на Урале и на Кавказе. Очень рано начал научную деятельность. Еще до поступления в университет он принимал активное участие в работе семинара по молекулярной физике на физическом факультете МГУ. В 1926 г. поступил на физико-математический факультет Московского университета. В период учебы опубликовал ряд научных работ и вскоре успешно защитил дипломную работу по теме «К электрической теории молекулярных сил». Впоследствии эти исследования послужили основой при разработке нового раздела физики, названного им молекулярной термодинамикой. Еще будучи студентом, он читал лекции по курсу физики в Центральном институте повышения квалификации педагогов. В 1930 г. с отличием окончил физико-математический факультет Московского государственного университета по специальности «Теоретическая физика». Свои исследования по термодинамике К.А. Путилов начал с уточнения основных понятий и законов и развил систему воззрений, которые были обобщены в цикле лекций, прочитанных им в 1938 г. На основе этих лекций им была издана книга «Лекции по термодинамике». Итогом всей его работы в области термодинамики была почти законченная рукопись «Термодинамика», которая была подготовлена к печати и опубликована в 1971 г. уже после его смерти. К исследованиям К.А. Путилова относятся также его работы по температурной зависимости насыщенного пара, по свойствам металлов, по теории двигателей. В разные годы он заведовал кафедрами физики многих институтов: Московского авиационного института (1943–1944), Высшего технического училища им. Н.Э. Баумана и др. Был научным консультантом в Институте прикладной минералогии. Опубликовал около 310 научных трудов в отечественных и зарубежных журналах. Автор нескольких изобретений и первого отечественного фундаментального учебника по курсу физики для высших учебных заведений. Первое издание этого учебника вышло в 1934 г.
Мало кто знает, что Константин Анатольевич являлся одним из вдохновителей идеи создания гидрореактивного двигателя. Все работы по конструированию долгое время были строго засекречены. На заре «холодной войны» постановлением Сталина в срочном порядке была развернута работа Специальной научно-исследовательской лаборатории по гидрореактивным двигателям №1, которую возглавил Путилов.
Константин Анатольевич был талантливым преподавателем. У него был удивительный дар превращать любого студента в исследователя, находившего нетрадиционные решения. Так, для определения минимального сопротивления самолета Путилов предложил в аэродинамической трубе с восходящим потоком горячего воздуха поместить модель, облепленную воском. Под воздействием тепла и силы тяжести воск растекался, образуя оптимальную форму модели.
Одним из важнейших столпов современной термодинамики является принцип термодинамической допустимости Путилова, который гласит: «в термодинамике допустимо пользоваться какими угодно воображаемыми идеализированными по своим свойствам телами и приспособлениями, без риска применяя эти представления в рассуждениях прийти к неверным результатам, если предварительно доказано, что их реализация, как бы ни были неправдоподобны их свойства, не противоречила бы ни первому, ни второму началу термодинамики». В термодинамике достаточно распространено использование для мысленных экспериментов разного рода воображаемые идеализированные тела, приспособления и механизмы. То обстоятельство, что такой подход не приводит к противоречию между теорией и опытными данными позволило К. А. Путилову сформулировать данный принцип.
Этот принцип позволяет использовать мысленные эксперименты для осознания, понимания и объяснения многих термодинамических механизмов, что позволяет прогнозировать функционирование той или иной модели. Принцип Путилова так же еще называют нулевым или общим началом термодинамики. Использование его биологами и биохимиками особенно целесообразно в построении термодинамических моделей функционирования живой материи, поскольку в живом организме одномоментно происходит огромное количество биохимических реакций разного толка, и в отличие от «технарей» биологи не имеют возможности моделировать каждую систему на практике. И только используя принцип Путилова возможно провести любой мысленный эксперимент с биологической моделью.
Принцип позволяет предположить наличие неких, еще не открытых наукой, биологических инструментов. Еще Эрвин Бауэр предполагал наличие такого принципа, он называл это «принципом биологической дедукции». Здесь можно и нужно поставить знак равенства. Принцип Путилова – принцип биологической дедукции. Принцип Путилова явился основой моих мысленных экспериментов, в результате которых появились теории, которые будут подробно рассмотрены в соответствующем разделе нашей книги.
Эрвин Рудольф Шрёдингер
В процессе написания книги мне посчастливилось изучить многие интересные труды и узнать о жизни великих ученых, написавших эти прорывные вещи.
Среди них особенную помощь для моего разума дали такие глубочайшие личности, как Н. В. Тимофеев-Ресовский в своем труде «Краткий очерк теории эволюции» и Г. А. Гамов, который совершил прорыв к формированию подходов в понимании генетического кодирования биосистем, позволив тем самым Уотсону и Крику совершить ДНК-эволюцию в науке.
Эти великие люди делали передовую науку того времени, оперируя данными на уровне генов. Это были подходы молекулярного характера. Мне же, как Вы понимаете, еще более интересной представлялась системная интерпретация. Я хотел среди больших ученых, занимающихся атомами и молекулами, найти ту значимую фигуру, которой удалось рассмотреть всё это комплексно. Такой фигурой оказался Эрвин Шрёдингер. Понимая, что многим биологам, жаждущим познания, будет тяжело разобраться в его научных работах, он попытался написать популярную книгу, которая бы дала комплексное понимание физических подходов в понятной форме. И она очень хорошо получилась. В ней красной нитью идёт поиск подходов и ключей к тому, как обнаружить базовый алгоритм функционирования жизни, некую простую формулу.
Эрвин Шредингер – австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Иностранный член-корреспондент и иностранный почетный член АН СССР. Разработал волновую механику, сформулировал ее основное уравнение (уравнение Шредингера), доказал ее идентичность матричному варианту квантовой механики. Автор многочисленных работ по кристаллографии, математической физике, теории относительности, биофизике. В 1933 году ему присуждена Нобелевская премия по физике «за открытие новых плодотворных форм атомной теории».
Эрвин Шрёдингер был единственным ребёнком в обеспеченной и культурной венской семье. Его отец, Рудольф Шрёдингер получил по наследству небольшую фабрику клеенки, что обеспечивало его семью материально и оставляло ему возможности заниматься и естественными науками: он много лет был вице-президентом Венского ботанико-зоологического общества и выступал там с докладами. Эрвин Шрёдингер писал впоследствии, что отец был ему «другом, учителем и неутомимым собеседником». Мать Эрвина была чуткой, заботливой и жизнерадостной женщиной. Безоблачное детство Эрвина протекало в доме, где царили доброта, наука и искусство. До одиннадцати лет ребенка учили дома, а в 1898 году, успешно выдержав вступительные экзамены, Эрвин поступил в Академическую гимназию, которую окончил в 1906 году. Блестяще сдав выпускные экзамены в школе, осенью этого же года, Эрвин поступил в Венский университет, где выбрал для изучения курсы математики и физики.
После службы в армии Эрвин Шрёдингер получил место ассистента физического практикума во Втором физическом институте Венского университета. Круг его интересов был весьма широк: радиоактивность в ее связи с атмосферным электричеством, электротехника, акустика и оптика, в особенности, теория цветов. Тогда же он впервые заинтересовался квантовой физикой. В начале войны Эрвин Шрёдингер был мобилизован. Иногда ему удавалось выкроить время для чтения физической литературы – именно тогда Шрёдингер познакомился с только что появившимися работами Альберта Эйнштейна по основам общей теории относительности. Послевоенная жизнь в Австрии была трудна, поэтому получив приглашение поработать в Йенском физическом институте у Макса Вина, Шрёдингер поселился в Германии, а затем, в 1921 году он перебрался в Швейцарию, чтобы возглавить кафедру теоретической физики Политехникума в Цюрихе, которую до этого занимал Альберт Эйнштейн.
По складу ума Эрвин Шрёдингер, подобно Планку, Эйнштейну и ряду других физиков того времени, тяготел к классическим представлениям в физике. В 1925–26 годах Шрёдингером были выполнены работы, выдвинувшие его в первый ряд создателей волновой механики. Уравнение Шрёдингера – основное уравнение нерелятивистской квантовой механики, которое позволяет определить возможные состояния системы, а также изменение состояния во времени.
Знаменитый ученый Лайнус Полинг писал о Шрёдингере:
В конце лета 1927 года Эрвин Шрёдингер переселился в Берлин, чтобы возглавить кафедру теоретической физики в Берлинском университете, которой до него руководил Макс Планк. Тепло принятый новыми коллегами, Шрёдингер быстро освоился на новом месте. Годы жизни и продуктивной работы в Берлине он потом вспоминал как «прекрасные». Все рухнуло в 1933 году, когда к власти пришли фашисты: Эрвин Шрёдингер был из-за политической неблагонадежности, вычеркнут из всех университетских списков Германии и Австрии. Дабы избежать нацистских преследований, Эрвин Шрёдингер эмигрировал в Ирландию, где ему предложили место директора вновь созданного Дублинского института высших исследований. Здесь он проработал семнадцать лет, активно занимаясь не только физикой, но и философией, поэзией и даже биологией.
Непосредственный вклад Шрёдингера в биологию связан с его книгой «Что такое жизнь?». В ней автор ввёл концепцию отрицательной энтропии, которую живые организмы должны получать из окружающего мира, чтобы скомпенсировать рост энтропии, ведущий их к термодинамическому равновесию и, следовательно, к смерти. В последней главе Шрёдингер возвратился к своей мысли, проходящей через всю книгу и состоящей в том, что механизм функционирования живых организмов не согласуется с законами статистической термодинамики. По мнению Шрёдингера, открытия генетики позволяют заключить, что в ней нет места вероятностным законам, которым должно подчиняться поведение отдельных молекул; изучение живой материи, таким образом, может привести к каким-то новым неклассическим (но при этом детерминистическим) законам природы.
Очарованный достижениями биологии, он посвятил эту книгу хромосомным метаморфозам. Репликация, кроссинговер, митоз, мейоз с точки зрения физики. Размер атома равен от одной пятитысячной до одной двухтысячной длины волны света. Длина волны света говорит нам о мельчайших частицах, которые мы можем увидеть в оптический микроскоп. Любая мельчайшая частица содержит в себе сотни миллионов атомов, из которых состоит тело человека. Главная мысль этой книги – это осознание Шредингером, что человек – машина, состоящая из гигантского числа атомов, которые все работают в слаженном режиме и четко подчиняются физическим законам.
Организм подчиняется четкой детерминированной системе физических законов, нам остается лишь найти точку приложения этих законов, найти понимание того, как они управляют и работают. Этим мы и будем заниматься все последующие главы, начиная от теоретических построений и заканчивая практическими и методологическими моментами.
Пройдя вместе с Вами по стопам великих учителей науки, я надеюсь, мне удалось сформировать ощущение великого оптимизма и веры в будущие научные свершения, которыми буквально пронизан каждый из этих людей. В связи с этим и прежде чем приступить к детальному описанию термодинамической биологии и теории конвергентных биопроцессов, я хотел бы познакомить Вас с одним из прекраснейших изречений, когда-либо сказанных об ученых, как о людях, которые неутомимо открывают тайны природы, порой не жалея при этом даже собственной жизни. Фраза эта принадлежит персидскому поэту-суфию, ученому и реформатору, одному из величайших сынов Востока – Джалал-ад-Дину Мухаммаду Балхи Руми:
Раздел II: Термодинамическая биология
В данном разделе речь пойдет об основах термодинамической биологии, представленных такими составляющими, как:
1. Учение о иерархично-соподчиненных термодинамических сферах, основной задачей которого является объяснение того, каким образом законы физики, действуя на биовещество, приводят не к уничтожению последнего, а наоборот организуют его в сложнейшие структуры;
2. Специальные теории биологической термодинамики, представляющие собой логические ключи, созданные для описания нарушений в основных принципах работы организма, приводящих к болезням, старению и смерти, а также поиска методов их устранения;
3. Прикладная медицинская термодинамика, задачей которой является клинический и патофизиологический разбор основных патологических состояний организма, начиная от гипертонии и заканчивая старением, которое впервые рассматривается именно как заболевание, а не как естественный процесс;
4. Методология термодинамического воздействия на организм, открывающая путь к созданию новых, сверхэффективных медицинских протоколов, позволяющих излечивать основные заболевания, включая онкологию и само старение.
1. Учение об устройстве иерархически соподчиненных термодинамических сфер в структуре организма
Целью создания и развития «учения о соподчиненных термодинамических сферах» является упорядочивание многочисленных и разрозненных данных о принципах функционирования живой материи. «Учение о сферах» позволяет вести научный поиск методов лечения различных заболеваний на качественно новом уровне, однако фундаментом учения являются незыблемые законы физики, фундаментальные исследования великих умов разных эпох и эксперименты, которые преподносит нам сама природа. Учение о сферах является неким увеличительным стеклом, направив которое на организм, мы можем разглядеть удивительную гипотетическую физическую термодинамическую модель функционирования живого организма. Термодинамические сферы есть удобные ментальные инструменты для изучения «физики организма» с целью поиска физически обоснованных и оправданных методов лечения социально значимых заболеваний.
Первая термодинамическая сфера
Как родилась эта идея….
В свое время я с удовольствием прочитал книгу Иосифа Самуиловича Шкловского – «Вселенная. Жизнь. Разум». Он так живописно описал теорию соподчинения управляющих систем на нескольких страницах, что в голове сразу возникла четкая картина существования внешней мембраны и центра внутри, который, считывая информацию с мембраны, уже оперирует потоками вещества и энергии, которую необходимо поглотить и выделить в окружающую среду. Осознав, насколько удобно и доступно можно сконструировать сложнейшие процессы, проистекающие в живой природе, у меня мгновенно родилась идея отразить совокупность механизмов работы живого вещества в виде «сфер-матрёшек». И прообразом первой сферы стало описание «сферы Дайсона» в книге Шкловского. Фримен Джон Дайсон, наш современник, американский физик-теоретик предположил возможность существования во вселенной некоего гипотетического астроинженерного проекта в виде сферы, представляющей собой относительно тонкую сферическую оболочку большого радиуса (порядка радиуса планетных орбит) со звездой в центре. Предполагается, что технологически развитая цивилизация может применять подобное сооружение для максимально возможного использования энергии центральной звезды и/или для решения проблемы жизненного пространства. Согласно теоретическим расчётам для сооружения сферы Дайсона вокруг Солнца необходимо вещество с массой порядка массы Юпитера.
Осознание, пусть даже лишь мизерной вероятности существования такой структуры, произвело на меня огромное неизгладимое впечатление. Тот факт, что разрозненные мелкие частицы системы, коими являются отдельные индивидуумы, при наличии разума и должном целевом управлении, могут создавать подобные грандиозные объекты не может не впечатлить! Это яркий пример космического масштаба, который иллюстрирует, насколько может быть огромной, гармоничной и стабильной управляемая система и насколько велика роль разума в управлении этой мегасистемой. Вероятно, что подобные объекты на самом деле существуют во вселенной. Просто они так далеки, что сегодня непонятно, как обнаружить и измерить их излучение с помощью спектрометрии. Последние научные данные позволяют нам говорить о том, что в отличие от гипотетических форм, мы уже достаточно приблизились к практическому наблюдению подобных структур.
Речь идет о звезде Табби, признаки странного поведения которой выявил космический телескоп Кеплер, постоянно наблюдавший за звездой с 2009 по 2013 год. Астрономы, гражданские ученые и компьютеры занялись поиском причины
Альтернативное объяснение нашлось после заявления астронома Джейсона Райта о том, что за сигнал может быть ответственна продвинутая внеземная цивилизация, которая построила мегаструктуры вроде солнечных панелей вокруг звезды. Новые результаты также изменили требования к гипотезе с мегаструктурами инопланетян. Общее затемнение можно было бы объяснить массивной инопланетной сферой вокруг звезды. Астрономы подсчитали, что инопланетянам потребовалось бы отстроить минимум 750 миллиардов квадратных километров солнечных панелей, чтобы обеспечить 20-процентное падение яркости звезды. Это в 1500 раз больше площади Земли.
Таким образом, прообразом первой термодинамической сферы можно считать сферу Дайсона.
Итак, ПЕРВАЯ СФЕРА. Для удобства восприятия читателем представленного материала, изложенного в данной книге, нам будет необходимо ввести основные понятия – мембрана, управляющий центр и передающая среда. У меня родилась идея развернуть организм человека в виде мембран, контактирующих с внешней средой. Например, площадь слизистой оболочки кишечника или кишечной мембраны – если развернуть каждую ворсинку толщиной в одну клетку, – по данным разных авторов, составит примерно 200 квадратных метров. Если же взять мембрану лёгочной ткани, альвеолярную, то получится около 80 квадратных метров. Это и есть две основных мембраны, контактирующие с внешней средой. То есть, если человека представить в виде сферического аэростата, то мы увидим схожую картину. Огромная по площади сфера, которая воспринимает энергию, вещество и информацию от внешней среды. Эта информация поступает в
В этом месте нашего повествования я хотел бы заострить внимание читателя на переходе научных взглядов с чисто медико-биологических к биофизическим. Такой переход стал возможен лишь благодаря работам А. А. Ляпунова в области математической биологии, суть которых сводится к двум проблемам: первая – это проблема устойчивости процессов управления в живых системах, а вторая – проблема осознания и описания структуры иерархически соподчиненных управляющих систем в живой природе. Именно представив организм в образе «первой сферы», мы получаем возможность четко и понятно применить математический инструментарий Ляпунова к описанию и компьютерному моделированию этого уровня организации управления в живом организме. Таким образом, четко прослеживаются этапы эволюции научного понимания: первый – медико-биологический, второй – математико-кибернетический, третий – биофизический, когда через математическое осознание функционирования живого объекта мы выходим на уровень понимания работы организма с точки зрения законов физики. И наиболее подходящей для этого областью физики, естественно, предстает нелинейная термодинамика диссипативных систем Пригожина.
Но вернёмся к предмету нашего обсуждения. Термодинамические сферы были придуманы мною для упрощения визуализации сложных процессов и для того, чтобы любознательный читатель мог легче познавать теоретическую часть термодинамической биологии, используя эту модель. Термодинамическая сфера – это хороший удобный виртуальный инструмент. Можно сказать, это адаптированная визуализация математических и физических формул. Сухие формулы, переведенные в ощущения, в образное мышление.
Далее я начал «играть со сферой», то есть проводить мысленные эксперименты для выявления причины того, как работает организм, и на примере первой сферы увидел, что есть некая проблема, связанная с несоответствием площадей развернутых мембран и тем энергетическим вкладом, которые они привносят в метаболизм. Учитывая, как тяжело переносит организм кислородное голодание, площади легочной мембраны казалось явно недостаточно относительно кишечной мембраны. Возникает вопрос: почему без воздуха, который взаимодействует с легочной мембраной, организм может продержаться намного меньше, нежели без воды и еды, которые взаимодействуют с кишечной мембраной? Почему так важна именно легочная мембрана при меньшей площади? Решение оказалось на поверхности. После некоторых раздумий я пришел к выводу, что полезное действие данных мембран необходимо оценивать
Как мы знаем, реакция аэробного дыхания дает 36 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы, против реакции анаэробного гликолиза, которая дает лишь 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Путем простых вычислений, мы получаем
Еще в 1966 году, нобелевский лауреат в области физиологии и медицины, немецкий биохимик Отто Варбург, о котором я ранее упоминал в исторической справке, отметил, что «первопричина рака – это замена дыхания с использованием кислорода в теле нормальной клетки на другой тип энергетики – ферментацию глюкозы».
После того, как был установлен энергетический баланс мембран я попытался визуализировать термодинамическую сферу в виде шара. Площадь шара – это мембраны, легкие и кишечник; точка в центре круга – это управляющий центр, в данном случае – это
Если мы обратим внимание на структуру клетки, мы отметим наличие среды между ее оболочкой и ядром, а именно – цитоплазмы. В человеческом организме, по аналогии с клеткой и цитоплазмой,
Я давно прицельно обратил внимание на анатомию этих сосудов, с которыми работал уже много лет. У нас есть четыре артерии, которые доставляют кровь в головной мозг – это две вертебральных артерии и две внутренних сонных артерии. Данная информация должна гарантированно доходить от сердца до мозга без искажения. В данном случае артерии являются транспортными магистралями, каналами для передачи информации. Самое интересное, что если мы обратим внимание на анатомию кровоснабжения ствола головного мозга, мы увидим, что все эти четыре артерии соединяются в одну – базилярную артерию, она представляет собой цистерну, которая соединяет между собой внутренние сонные и позвоночные артерии. И уже из базилярной артерии отходят ветки к стволу мозга. Фактически, это путь от сердца к управляющей системе. Поэтому, если каким-либо образом скорость поступления информации по этому пути уменьшается за счет внешнего воздействия, возникает ситуация, когда управляющий центр получает искаженную информацию, что в свою очередь приводит к возникновению ряда патологических состояний, которые мы рассмотрим в разделе «Прикладная медицинская термодинамика».
Забегая вперед, для упрощения восприятия вышесказанного, приведем наиболее яркий клинический пример: остеохондроз шейного отдела позвоночника, нестабильность 3-го и 4-го шейных позвонков, сужение просвета позвоночных артерий и вен, уменьшение скорости циркуляции крови в бассейне ствола мозга. Произошло нарушение скорости передачи информации. В первую очередь это касается концентрации кислорода в крови, но не ограничивается этим параметром. Весь ствол мозга стал получать неправильную информацию от всех органов и систем из-за неполного сдавливания позвоночных артерий и вен!
Сначала мозг оценивает сложившуюся ситуацию как
Внесем еще одно ключевое понятие о первой сфере. Представим человека как огромный шар, который находится в некой гипотетически «идеальной» среде, где снаружи, там, где легочная мембрана, – постоянная концентрация кислорода и других газов, температура и давление, а кишечная мембрана погружена в идеальный бульон тоже с идеальными условиями. Поскольку это гипотетическая модель, мы сознательно не будем учитывать влияние второго закона термодинамики для упрощения подачи материала. В дальнейшем мы введем такое понятие, как
Итак, при идеальных условиях передачи биохимической информации, эта сфера может существовать в идеальном равновесии сколь угодно долго – вечно. Если же появится малейшее нарушение передачи информации от мембраны к управляющей системе, сразу же возникнет биохимический дисбаланс – метаболический синдром, и если вовремя не устранить это нарушение передачи, путем воздействия на причину возникновения, этот дисбаланс со временем неизбежно приведет к прекращению существования данной системы. Биохимическое угасание будет иметь вид последовательных деструктивных изменений по направлению от мембраны к центру. Если описываемые процессы рассматривать по отношению к единичной клетке – это будет деструкция плазматической оболочки, затем клеточных включений и, в конце концов, клеточного ядра. Если же методически рассматривать ситуацию в целом по отношению к организму человека, можно привести следующую схему: компрессия сосудов – артериальная гипертензия – метаболический синдром – единичные атеросклеротические бляшки – сужение просвета магистральных сосудов – ишемический инсульт – смерть. Итогом любых нарушений передачи в управляющей системе первого уровня будет постепенный дисбаланс, начиная от мембран и далее по пути к самому управляющему центру.
Таким образом, первая термодинамическая сфера, это анатомо-физиологическая структура, которая состоит из легочной и кишечной мембран, крови – как передающей среды и ствола мозга в качестве управляющего центра. Первая термодинамическая сфера полностью подчинена принципам функционирования второй сферы, к описанию которой подошло наше повествование.
Вторая термодинамическая сфера
Несмотря на то, что первая термодинамическая сфера является ярким примером управляемой системы, у нее есть существенный недостаток – она может существовать исключительно в идеальной среде, чего не наблюдается в реальной жизни. Вследствие этого возможности первой сферы сильно ограничены. Окружающая среда, как правило, агрессивна в той или иной степени по отношению к организму. Такие факторы, как температура воздуха, атмосферное давление, состав воды, уровень солнечной радиации активно влияют на живую материю, то есть окружающая нас среда – это далеко не «идеальные условия» в отличие от гипотетической модели. Каким же образом организм компенсирует колебания постоянства среды? На этот вопрос нам поможет ответить
Функция и суть существования второй сферы сводятся к обеспечению стабильности окружающей среды на мембранах первой сферы. То есть, вторая сфера следит за внутренними показателями первой и осуществляет подстройку к внешним факторам. Со временем ко мне пришло понимание, что путем эволюции появились механизмы, которые в автоматическом режиме помогают организму подстроиться под изменения внешней среды в режиме «по требованию». Эти механизмы позволяют контролировать частоту дыхания, уровень биологически активных веществ в крови и прочее. Совокупность этих механизмов я определил, как вторую термодинамическую оболочку. Ведь фактически наше тело и есть вторая сфера, в которой управляющим центром является область головного мозга, которая отвечает за безусловные рефлексы.
Мембраной будет являться кожа, рецепторы и органы чувств, а проводящей средой, соответственно, нервная ткань. Каким конкретно образом функционирует вторая сфера? Во-первых, это контроль дыхания, его частота и глубина, то есть контроль над количеством вдыхаемого воздуха.
Во-вторых, это пищевой инстинкт – автоматический контроль над количеством и качеством поглощаемых питательных веществ путем процесса добывания пищи, а это уже использование нервно-мышечной передачи. К проявлениям работы второй сферы также относится инстинкт самосохранения. Следует отметить тот факт, что вторая сфера подчиняется определенным биоритмам. При массивных затратах энергии, которые ей необходимы для стабилизации внутренней среды обеих сфер, требуется чередование периодов сна и бодрствования. Чтобы организм имел возможность восстановиться, регенерировать.
Все вышеперечисленные механизмы в высшей мере изучены и описаны великим русским ученым, первым российским нобелевским лауреатом Иваном Петровичем Павловым. В 1903 году на Мадридской конференции, И. П. Павлов впервые сформулировал принципы физиологии высшей нервной деятельности, которой он и посвятил последующие тридцать пять лет своей жизни. Уже тогда старейшина физиологов приоткрыл тайну управляющих систем на уровне нервной проводимости. Мы лишь представляем оптимизированный взгляд, который бы позволил максимально удобно визуализировать сложные процессы энергетического обмена, происходящего в живой материи. Для этого я руководствовался научным принципом использования соподчиненных иерархично систем Ляпунова или «методом матрешки», когда мы имеем возможность последовательно поместить термодинамические сферы одну в другую.
Для того, чтобы в полной мере отвечать функциям хранителя первой сферы вторая термодинамическая сфера должна обладать высокой энергичностью: иметь более высокий и быстрый энергетический обмен, энергетический запас и стабильность структур. Также ведущую роль имеет непрерывный быстрый информационный обмен между двумя сферами для их слаженной работы. То есть вторая сфера должна иметь высокую реактивность. Пищу нужно догнать, поймать и еще остаться самому при этом в живых, поэтому скорость передачи информации должна быть намного выше.
Чтобы достичь высокой скорости передачи информации, в работе второй сферы используется принцип «многоканальности» – нервные волокна по аналогии можно сравнить с оптоволокном, где информация передается не диффузно, а целенаправленно. В этом есть значимое отличие механизма распространения информации первой и второй сфер: первая – диффузный тип (гуморальный), вторая – многоканальный, целенаправленный механизм передачи и реагирования по типу «реле».
Представим себе ситуацию: рецепторы каким-либо образом фиксируют изменения гомеостаза на мембранах и/или изменения состава крови; в мозг посылается нервный импульс, биологическое реле срабатывает – возвращается ответный сигнал на запуск компенсаторных механизмов. Пример – долгий перерыв без принятия пищи, снижение уровня глюкозы в крови. Сначала возникает чувство голода, которое стимулирует к поиску пищи. Если пищу найти невозможно, срабатывает виртуальное биологическое реле и запускаются механизмы возобновления энергетического баланса за счет использования собственных ресурсов – получение энергии из печени, жирового депо, мышц и прочих резервов. Если говорить о такой критической ситуации как переохлаждение или острая кровопотеря, – централизация кровообращения для максимально долгого поддержания жизнедеятельности именно тот механизм, работу которого обеспечивает вторая сфера.
Вторая термодинамическая сфера функционирует по тем же законам и формулам, что и первая, но при этом количество энергии, циркулирующее по контурам второй сферы, гораздо выше по сравнению с энергетическим потенциалом первой сферы, что, собственно, и позволяет второй сфере обеспечивать, за счет своих ресурсов, бесперебойное функционирование первой сферы.
Если выразиться по-другому, то вторая сфера более приспособлена к изменениям внешней среды, чем первая именно за счет наличия в ней гораздо большего количества запасенной энергии.
В данном месте будет не лишним разобрать такое понятие, как «фрактальность» (самоподобие). Это понятие позволяет нам увидеть, что на каждом уровне иерархической организации живого вещества, мы можем использовать для описания процессов одни и те же математические подходы, с разницей лишь в количестве джоулей энергии, которыми собираемся оперировать. На микроуровне (биохимические подходы) мы будем пользоваться микроджоулями, а на уровне, например, биологического вида нам придется столкнуться с мегаджоулями, однако математический инструментарий будет прежним – фрактально-применимым (то есть на уровне математического аппарата мы наблюдаем самоподобие уравнений на уровне полной идентичности).
Таким образом, признаки второй сферы:
– Может активно перемещаться в агрессивной внешней среде и реагировать быстрее, чем первая сфера.
– Обеспечивает стабильность первой, за счет своих энергозапасов (печень, жир, мышцы и пр.) – поддерживает баланс биологически активных веществ и газов крови.
– Оберегает первую сферу и возобновляет через нее свои ресурсы, так как первая сфера является энергетическим реактором, который может собрать и аккумулировать энергию внешней среды.
– Вторая сфера – это анатомо-физиологическое образование, которое, по сути, представляет нашу физическую оболочку, наше тело.
– В отличие от первой сферы передача информации происходит не диффузно, а по выделенным высокоскоростным каналам, коими являются пучки нервных волокон.
– Соблюдается принцип фрактального действия физических законов.
Третья термодинамическая сфера
Как мы уже отметили, контроль основных процессов, проистекающих на уровне второй сферы, осуществляется в автоматическом режиме. Дальнейшее совершенствование живой природы приводит нас к возникновению разума и вместе с ним к появлению сферы совершенно иного качества – третьей термодинамической сферы или сферы разума. Данная сфера представлена только у человека, её управляющая система – это корковое вещество головного мозга. Особенность разума в том, что он может качественно влиять на окружающую среду. Не количественно, как вторая сфера, путем дыхания и еды (ЧДД, количество съедаемой пищи и т.д.), а именно качественно. Разум можно объединить с некой гипотетической сферой, выстроенной вокруг тела человека, в которой он, используя мыслительный процесс (науку по Мечникову), может создавать различные комбинации и концентрации каких-либо веществ, либо изменять качественные показатели окружающей среды – давление, температуру и др. Например, это создание и прием лекарственных препаратов, приготовление пищи, фильтрация воды, изменение температуры и состава. То есть человек осознанно использует энергию внешней среды с целью изменения условий для обеспечения своего комфортного существования. Это любая физическая активность, не связанная с инстинктивными реакциями, а обусловленная разумной деятельностью.
Третья сфера – это некоторое представление, которое укладывает наличие разума как необходимого звена в единую цепочку соподчиненных термодинамических сфер. В такой цепочке разум необходим для качественного влияния на окружающую среду. Третья сфера полимембрана. Отличительная особенность её в том, что мембрана третьей сферы может создаваться непосредственно управляющей системой. В качестве примера, это и теплая одежда, которую мы надеваем, чтобы согреться, это и рабочий кабинет с кондиционером, это бассейн с подогретой водой и т.д. Если привести не обыденный, а высокотехнологичный пример, то это барокамера для проведения гипероксигенации, космический корабль и прочее.
Поделиться книгой: