Екстремальні стану організму і термодинаміка дисипативних систем






    Головна сторінка





Скачати 32.82 Kb.
Дата конвертації13.12.2018
Розмір32.82 Kb.
Типреферат

Міністерство освіти Російської Федерації

Пензенський Державний Університет

Медичний інститут

Кафедра Хірургії

реферат

на тему:

"Екстремальні стану організму і термодинаміка дисипативних систем"

Пенза 2008

план

1. Історичні відомості

2. Деякі відомості про термодинаміки і синергетики нелінійних процесів в дисипативних системах

література

1. Історичні відомості

Зазвичай головним джерелом вдосконалення лікувально-діагностичних методів служить дослідження глибинних механізмів виникнення клінічних проявів різних патологічних процесів і ситуацій. Цей шлях цілком можна застосувати також до екстремального стану, включаючи його слідові вплив в найближчому і віддаленому періодах життєвого циклу. Організм в такому випадку розглядається як єдине і неподільне ціле, як складний природний об'єкт, життєдіяльність якого пов'язана з умовами зовнішнього середовища. А саме дослідження в даному разі є своєрідним розчленовування, як би "анатомування" вже відомих клінічних фактів і коригуючих заходів, адекватних порушень, виявленим на різних рівнях структурно-функціональної ієрархії організму. При цьому лікувальний вплив постійно відстає від розвитку патологічного процесу, оскільки воно йде слідом за клінічними проявами або, якщо і може носити упереджувальний характер, то тільки відносно найближчих ланок патогенезу, що мають лінійну причинно-наслідковий зв'язок з тими порушеннями, які вже отримали клінічну маніфестацію .

Зрозуміло, перспективи даного напрямку досліджень далеко ще не вичерпані. Воно продовжує інтенсивно розвиватися. Однак саме при зустрічі з екстремальним станом організму гостро відчувається обмеженість такого підходу. У той же час результати інтенсивного розвитку загальнонаукових напрямів природознавства в останні десятиліття показують, що є і інший шлях пошуків можливостей збереження життя і повноцінного відновлення фізіологічного статусу організму у тих, хто переніс екстремальне стан. Для цього необхідно лише кілька переступити межі сформованого наукового світогляду, властивого традиційній медицині, і спробувати "побачити" організм людини зі значно більш абстрактних позицій, припустимо, як одну з елементарних структурних одиниць біосфери, яка підпорядковується загальним законам її існування. Тобто мова йде про прагнення докласти до вивчення життєдіяльності організму людини в екстремальних умовах деякі фундаментальні закони світу, які, по цитованого в епіграфі висловом А.Д. Сахарова, набагато абстрактніше і глибше класичних уявлень природознавства і в той же час доступні для вираження математичною мовою. Якщо принципово такий підхід визнати допустимим, то залишається лише обрати область природознавства, з якої варто запозичити ці загальні закони. Викладені в попередніх розділах клініко-фізіологічні аспекти проблеми екстремального стану переконують, то такий областю повинна бути термодинаміка.

І. Пригожин визначає термодинаміку як "науку про складнощі" і співвідносить її зародження з 1811 роком, коли барону Жану Батісту Жозефу Фур'є була присуджена премія Французької академії наук за математичну теорію поширення тепла. Тоді мова йшла лише про встановлення пропорційності потоку тепла градієнту температури. Становлення ж термодинаміки як науки відноситься до більш пізнього періоду XIX століття, коли в 1847 році Джеймс Прескотт Джоуль встановив між теплом, електрикою, магнетизмом, протіканням хімічних реакцій і біологічними процесами якусь спільність, яка визначається тим, що всі вони носять характер перетворень, тобто якісних змін. Уклавши, що якісні перетворення повинні спиратися на збереження "чогось" в кількісному складі. Джоуль встановив для фізико-хімічних трансформацій єдиний еквівалент, що дозволяє визначати зберігається величину за допомогою вимірювання механічної роботи, необхідної для нагрівання заданого кількості води на 1 °. Незабаром, як відомо. Майер, Гельмгольц, потім Клаузиус сформулювали закон збереження енергії, що послужив основою першого початку термодинаміки. А в 1865 році Рудольф Юліус Клаузиус ввів поняття ентропії, що визначила суть другого закону термодинаміки.

Першим фізіологом, який зіставив закони термодинаміки з біологічними явищами, був M. Rubner, який використовував мову енергетики для пояснення процесу старіння організму.

Особливо бурхливий розвиток отримала термодинаміка в останні десятиліття XX століття, що по суті завершило науково-технічну революцію. Якщо початок цієї революції, пов'язане з відкриттям розщеплення атома, докорінно змінило уявлення про матерію, то термодинаміка настільки ж радикально змінила уявлення про властивості макроскопічних структурно-функціональних систем. Вона стала розвиватися як наука про кореляцію змін цих властивостей, які раніше пов'язувалися з самостійними фізико-хімічними параметрами - об'ємом, тиском, хімічним складом, масою і температурою. Метою термодинаміки стає не прогноз поведінки системи в термінах взаємодії часток, а передбачення відповідної реакції на зміни, що вводяться ззовні. Саме ця сторона термодинаміки привертає до нього особливу увагу під час обговорення проблеми екстремального стану.

2. Деякі відомості про термодинаміки і синергетики нелінійних процесів в дисипативних системах

В математиці поняття нелінійності характеризує певний вид диференціальних рівнянь. Вони містять шукані величини в ступенях, що перевищують 1, і коефіцієнти, що залежать від умов розвитку процесу, що підлягає опису за допомогою математичної мови. У загальному плані наукового світогляду нелінійність розуміється як багатоваріантність, або точніше, як альтернативність. Цим підкреслюється спряженість нелінійності з жорсткістю рішення, з ідеєю вибору шляху, після чого процес стає незворотним.

Нелінійні, незворотні процеси характерні для природних, природних явищ взагалі і мають особливе поширення в складних біологічних системах, визначаючи принцип їх функціонування. Основу нелінійності, незворотності процесів становить ентропія, та сама категорія, яка не просто належить до сфери термодинаміки, але і займає в ній ключове положення, визначає сутність сучасних термодинамічних підходів, є базисним поняттям другого закону термодинаміки.

У спрощеній інтерпретації ентропія (dS) висловлює відмінність між "корисним" обміном енергії і диссипировать (розсіяною) енергією, що втрачається безповоротно і непродуктивно по відношенню до цільового результату процесу. Вона виражається формулою:

dS = deS + diS,

де deS- енергія, що втрачається в навколишнє середовище за рахунок тертя, в'язкості та інших форм розсіювання (е - exchange), adiS- енергія, що витрачається на корисну роботу в межах (усередині) цілеспрямованого процесу (i- inside).

Звідси роль ентропії у визначенні незворотності нелінійного процесу: він не може бути оборотним, оскільки якась частина енергії безповоротно втрачена. Саме тому поняття ентропії зберігає ключове значення у всіх роботах І. Пригожина та інших авторів, присвячених розробці теорії дисипативних систем.

У широкому сенсі під дисипативної системою розуміється будь-яка (в тому числі і механічна) система, повна енергія якої (представлена ​​сумою кінетичної і потенційної енергії) у міру завершення нею роботи поступово зменшується, переходячи в невпорядковані форми (наприклад, в теплоту), тобто розсіюється . І. Пригожин і його Брюссельська школа обмежують поняття про дисипативних системах по області застосування і в той же час значно розширюють його, по суті. Під дисипативної системою автори розуміють тільки складні, відкриті, нерівноважні системи. На думку І. Пригожина, інтерес дослідників сьогодні спрямований не на системи, що знаходяться в рівновазі, а на ті, які взаємодіють з навколишнім світом через потік ентропії ".

Ці системи не тільки нерівноважні, але вони і нестійкі, тобто можуть переходити з більш збалансованого стану до менш збалансованого і навпаки. Зміна станів відбувається не тільки під впливом зовнішніх чинників, але (що особливо важливо) тут проявляється і внутрісистемна саморегуляція. Більш того, для діяльності цих систем виявляється характерною періодизація, тобто їм властива певна періодичність функціональної осциляції, також співвідноситься з саморегуляцією.

Разом з тим поведінки розглянутого класу систем властива стохастичность, непередбачуваність. Вона залежить від того, що розвиток кожного з внутрішньосистемних процесів проходить через критичні точки, в яких здійснюється вибір подальшого шляху через так звані "біфуркації". Одномоментне поєднання безлічі біфуркацій у розвитку внутрішніх процесів призводить систему в цілому до "флуктуацій", від результату яких залежить спрямованість подальшої її динаміки з нерідко купують для системи доленосним значенням. Вона стає особливо вразливою по відношенню до будь-яких, навіть мінімальним, зовнішніх впливів, ефект яких може виявитися непередбачуваним. Звідси уявлення про стохастичности поведінки дисипативних систем.

У період флуктуації система знаходиться в особливо нестійкому, розбалансованому стані. Роль вирішального чинника тут продовжує грати ентропія. При цьому для неї самої постійно переважною тенденцією є тенденція до зниження, наближенню до нульового значення. Зниження ентропії може відбуватися або в результаті зростання впорядкованості дисипативної системи, коли знижується частка енергії, непродуктивно втрачається в навколишнє середовище (deS в представленій вище формулою), або ж, навпаки, в разі зниження впорядкованості системи, аж до її загибелі з переходом до абсолютного фізичного хаосу. В цьому випадку поступово знижується енергія, що витрачається на конструктивні внутрішньосистемні процеси (diS). Умовної моделлю абсолютного фізичного хаосу може служити броунівський рух молекул, тобто безладне і безцільне рух елементарних частинок, не пов'язане ні з витратою, ні з виробництвом енергії. Цей стан принципово відрізняється від "спокою" системи. Збереження спокою, тобто стійке збереження внутрішньої динамічної конструкції системи без зовнішніх проявів її активності, також вимагає енерговитрат. У зв'язку з енерговитратами система зберігає неодмінна умова свого існування - відкритість, зв'язок із зовнішнім світом. І лише розпад, загибель системи, перехід її елементарних інфраструктур в хаотичний стан руйнує цей зв'язок Однак суть одного з головних положень теорії дисипативних систем полягає в тому, що навіть після переходу в хаотичний стан елементарні структури вже колишньої, що розпалася системи підкоряються загальним природним закономірностям, що діють в межах біосфери. Вони потрапляють в середу внутрішніх процесів інший, більш загальної, більш глобальної системи і тут виявляють прагнення до самоорганізації на основі свого роду "пам'яті" за втраченим минулому стані. На молекулярному рівні така пам'ять проявляється у взаємній кореляції макромолекул, розташованих на значній відстані один від одного, але втягуються в великі флуктації в межах більш загальної системи, яка виконує роль, так би мовити, надсістеми по відношенню до тієї, що розпалася.

Отже, мова йде про саморегуляції, сенс якої полягає у формуванні загального цілого з розрізнених частин.Саморегуляція проявляється на різних рівнях організації природного світу і здійснюється у формі динамічної взаємодії двох начал, присутніх в будь-якій складній біологічній системі - прагнення до порядку і прагнення до хаосу. Об'єднує ці протилежні початку універсальна функція ентропії, яка неухильно прагнути до зниження свого кількісного вираження. В цьому відношенні теорія дисипативних систем в роботах І. Пригожина. представників його школи та багатьох інших дослідників змикається з теорією синергетики, що набула широкого поширення в останні роки. Синергетика заснована на ідеях системності, цілісності світу, спільності закономірностей його розвитку на всіх рівнях організації, на визнання нелінійності і незворотності що відбуваються в ньому змін і взаємозв'язку випадковості і необхідності, тобто хаосу і порядку. Будучи новим підходом до бачення світу, синергетика несподівано проявляє зв'язок з ідеями, які мають багатовікову історію.

Від стародавніх навчань Індії та Китаю синергетика успадковує ідею всеосяжної цілісності, загальних закономірностей, яким слід світ в цілому і людина в ньому. Не тільки філософська, але саме науково-світоглядна значимість ідеї з позицій синергетики сприймається набагато повніше і глибше. Однак у такому випадку недавно опубліковане російською мовою (видавництво Санкт-Петербурзького державного університету) дослідження Сатпрема, присвячене творчості Шрі Ауробіндо Гхош. основоположника інтегральної йоги. Спираючись на багаторічне вивчення індуїзму. Шрі Ауробіндо сформулював уявлення, додаток яких до широкоизвестному і затвердилася в сучасній науці принципом єдності і боротьби протилежностей надає йому оновлене зміст. Згідно з цими уявленнями, всі об'єкти Всесвіту, від мінералу до людини, зберігаються в цілісному стані, а живі об'єкти діють завдяки трьом якостям. Одне з них - тамас - привносить інерцію, темряву, гальмування, інше - раджас - рух, пристрасть, а третє - саттва - контролює протиборство (або протистояння) двох перших, створюючи світ, гармонію і цілісну багатобарвну картину світу. При цьому йога розуміється як здатність сконцентрувати енергію і направити її на стабілізацію і гармонізацію. Прояв виняткових здібностей людського тіла (тобто організму) Ауробіндо розцінює як використання прихованих, потенційних можливостей його саттви, яке може бути досягнуто лише на основі духовного, морального і фізичного самовдосконалення. Таким чином, мова йде не про двомірної, а про тривимірну діалектиці, в якій, крім двох протиборчих почав, присутній ще і третє - регулює. Виникає не дуже ясне, в науковому відношенні досить абстрактне, яке не отримало поки конкретного вираження, поняття про "оптимізаторі".

Коли обговорюються механізми регуляції на рівні функціональних систем організму, то сформовані уявлення про нейрогенних і гуморальних регулюють факторах цілком влаштовують. Якщо ж обговорювати елементарні процеси життєзабезпечення, здійснювані на ультраструктурному рівні, в живій клітині, то в цьому випадку виникають серйозні питання, пов'язані з регулюванням онтогенетической життєвої програми в різних умовах існування. Недостатньо ясні, зокрема, автономні механізми, що регулюють чутливість живої клітини до зовнішніх впливів, тобто так звану "пасивну стратегію її адаптації". Що стосується механізмів, що реалізують регуляцію активності клітини, то багато пояснюється досить добре розвиненими уявленнями про роль концентрації кальцію в цитозолі і його участь у створенні комплексів з кальмодулином. Правда, і тут не все, мабуть, вирішується на рівні біохімічних механізмів. Є дані, наприклад, про вплив слабкого магнітного поля в режимі параметричного резонансу на швидкість кальмодулінзавісімого фосфорилювання міозину. І пояснюється цей феномен зміною просторового розташування іонів кальцію в активному комплексі кальмодулина, тобто вже мікрофізичної, а не гістобіологіческімі процесами. Так само як феномен відмінності ізоферментних активності при ідентичності хімічного складу. І не можна виключити, що режим, періодичність цих резонансних регулюючих механізмів встановлюється за участю генетично детермінованої базисної програми життєдіяльності організму. Уже відомі відомості про можливості участі резонансних механізмів у феномені розпізнавання "свого" і "чужого" при імунних реакціях.

Існування генетично детермінованої програми базисної активності, на яку вже вдруге хіба що нашаровуються зміни режиму функціональної осциляції, зумовлені адаптивними процесами, підтверджується багатьма даними, хоча вони і не отримали поки ще досить конкретного наукового вираження. Так, автор оригінальної теорії функціональних систем П.К. Анохін свідомо відступає від конкретного стилю викладу, коли переходить до уявленням про узгодження внутрішньоклітинних механізмів з характером функціонування. Він обмежується зауваженням, що таке узгодження може виконуватися лише складною адаптивною системою, здатною оцінювати тимчасову організацію зовнішніх впливів і володіє випереджаючим відображенням зовнішнього середовища.

На підставі дослідження адаптивних процесів в живій клітині С.Н. Грінченка і С.Л. Загускін приходять до висновку, що зміна пасивної і активної стратегій адаптації відповідно до тимчасової організацією зовнішнього середовища і ритмами енергетики становить характерну особливість не тільки клітини, але і взагалі всіх біосистем. Автори вказують на наявність в клітинах, а, на їхню думку, і взагалі в биосистемах внутрішніх джерел активності. Для реалізації цих джерел повинна існувати особлива підсистема цілеспрямованої оптимізує регуляції. Пропонована авторами алгометріческая модель живої клітини містить поряд з функціональним каналом і пов'язаними з ним енергетичним і трофічних (пластичним) каналами ще і підсистему "оптимізатор". Завдання останнього полягає в перетворенні енергії і розподілі її між трьома вегетативними процесами в живій клітині:

- виконанням цільової функції в інтересах всього організму;

- енерговоспроізведеніем (включаючи і електрогенез);

- пластичним оновленням (трофічними процесами).

Кожен з цих процесів протікає у власному, детерминированном тимчасовому режимі. Причому енерговоспроізведеніе - на порядок, а трофіка - на два порядки інерційні функціонального каналу. Згідно з уявленнями авторів, це має глибокий сенс: міжклітинний взаємодія, відповідальна за стабільну "життя" тканин і, отже. за стійку адаптацію всього організму, здійснюється в набагато більш сповільненому режимі, ніж общеорганізменний відповідна реакція, що забезпечує термінову адаптацію до змін зовнішнього середовища.

Якщо навіть обмежитися тільки представленими прикладами, стає очевидним, що поява синергетики як наукового напрямку відбулося не на порожньому місці. Йому передували, з одного боку, філософські, світоглядні узагальнення, засновані на стародавніх навчаннях і широко використовуються в медицині Сходу, а з іншого боку - наукові факти, отримані при вивченні глибинних, ультраструктурних процесів і потребують черговому етапному узагальненні. В.Д. Бєляков спеціально присвятив свою актового промову, виголошену 29 грудня 1981 року в день 183-ї річниці Військово-медичної академії, обґрунтуванню необхідності таких етапних узагальнень. Результатом узагальнення багатьох і різнопланових наукових фактів і стало створення самостійного наукового напряму - синергетики.

Народження нового об'єднуючого напрямки в науці - синергетики - пов'язано з ім'ям відомого західнонімецького фізика-теоретика, професора Штутгартського університету Германа Хагена. Головне завдання синергетики - з'ясування законів побудови організації, виникнення упорядкованості. На думку одного з піонерів синергетичного напряму в теорії дисипативних процесів у нас в країні С.П. Курдюмова. на відміну від кібернетики, тут акцент ставиться не на механізмах управління та обміну інформацією, а на принципах ієрархічної побудови організації, її виникнення, розвитку та самоусложненію.

Сам Г. Хаген визначає синергетику як область науки, яка "займається вивченням систем, що складаються з багатьох підсистем самої різної природи, таких, як електрони, атоми, молекули, клітини, нейрони, механічні елементи, фотони, органи, тварини і навіть люди", і яка дозволяє розглянути, "яким чином взаємодія таких підсистем приводить до виникнення просторових, тимчасових і просторово-часових структур в макроскопічних масштабах".

Формування нового наукового напрямку завжди пов'язано з впровадженням нових понять, нових термінів. Формування синергетики підтверджує це правило. Вище вже згадувалися такі поняття, як "система", "самоорганізація", "нелінійність", "біфуркації", "флуктуації", "ентропія", "диссипация", "дисипативні системи" та ін. Вони повністю увійшли в синергетику, складають неодмінну належність її мови, хоча і не є для неї специфічними. Є і більш специфічні терміни, наприклад "атрактори", "фрактал", "привертає хаос". З урахуванням наявних даних літератури, їх зміст може бути роз'яснено наступним чином.

Аттрактор (від латинського слова "attrachere" - притягувати) - це своєрідний "конус", який об'єднує траєкторії безлічі складових процесів і приводить нерівноважну систему в стан щодо стійкої рівноваги. Тобто це мета, кінцева (в сенсі завершення певної фази активних перетворень) спрямованість поведінки складної нелінійної системи в цілому або окремих її підсистем.

Іншими словами, під аттрактором розуміється просторове зображення мети, до якої спрямовуються кілька спрямованих функціональних алгоритмів, якщо кожен з них представити у вигляді траєкторії алгоритмічної ланцюга послідовних елементарних процесів. При цьому мається на увазі, що спрямованість пов'язаних процесів визначається загальною мотивацією, яка реалізується в деякій притягує силі.

Іноді уявлення про аттракторе описується на прикладі поведінки м'ячика в лійкоподібної ямі. Поміщений в будь-яку точку, м'ячик в силу гравітації неминуче скочується на дно ями. Виходячи з такого уявлення, в роботах по теорії автоматизованих систем управління аттрактор нерідко зображується у вигляді "потенційної ями". При цьому як би ілюструється ситуація, коли процес, що починається в будь-якій точці атрактора, спрямовується до найнижчій точці в силу гравітації. Таким чином, підкреслюється значення рушійної сили, яка визначає загальну спрямованість функціональних процесів в межах аттрактора. Тоді поглиблення "потенційної ями" буде сприяти стабілізації аттрактора, оскільки обурення, обумовлені нелінійністю елементарних функціональних процесів, виявляться недостатніми для "вихлюпування з ями" їх сполученого вираження.

У фізіології і медицині уявлення про рушійні сили функціональних аттракторов виявляються значно складнішими і неоднозначними. Так, складний процес поєднання функціональних алгоритмів неспецифічної реакції термінової адаптації організму до надзвичайної або критичної ситуації здійснюється за принципом домінанти, наукове обгрунтування якої, як уже згадувалося, пов'язане з роботами видатного вітчизняного фізіолога А.А. Ухтомського, що відносяться до початку нинішнього століття. Цей принцип визначає спрямованість термінової переорієнтації термодинамічної потенціалу організму з метою забезпечення адаптаційних процесів. Така переорієнтація має складні механізми реалізації, серед яких важлива роль належить детермінованим фізіологічним реакцій, їх конституційним або типовим модифікаціям, а також психологічним факторам, що формують поведінкові реакції в соціальній сфері.

Неможливо не дивуватися прозорливості, простоті і ясності судженні великого російського лікаря Н.І. Пирогова, який задовго до формування сучасних наукових уявлень і впровадження понять синергетики зумів позначити те, що починає проявлятися в повній мірі лише через століття. У передсмертних записах Н.І. Пирогова, що відносяться до 1879-1881 років і названих ним "Питання життя. Щоденник старого лікаря, писаний виключно для самого себе, але не без таємної думки, що може бути коли-небудь прочитає і хто інший", є свідоцтво усвідомлення того, що " з самого початку нашого буття і до кінця життя всі органи приносять до нас і утримують в нас цілу масу відчуттів, отримуючи враження ззовні, то з власного свого єства. Ми не відчуваємо наших органів, але жоден орган не може не приносити від себе відчуттів до загального організм, складений з цих орг нов. Жоден орган, як частина цілого, не може не нагадувати безперестанку про свою присутність цього цілого. І ось ця низка відчуттів ззовні і зсередини, без сумніву відомим чином регульованих і тому скажу краще - звід, ансамбль відчуттів і є наше Я ".

Таким чином, в російської словесності є своє, більш ємне і, мабуть, більш поетичне зображення аттрактора - звід, тобто єднання, зведення природного руху будь-якої точки до центру в Росії цей феномен здавна використовувався при будівництві та розпису православних храмів. Внутрішня поверхня їх куполів при зоровому сприйнятті живопису створює особливе відчуття висоти і спрямованості до вершини купола. У фізіології людини дане позначення набуває відокремлений сенс. Воно вказує на існування не тільки детермінованих реакцій, а й психогенної, моральної домінанти при функціональної пов'язаності в умовах надзвичайної ситуації. Слід враховувати, що людина являє собою не тільки біологічну систему, а й істота соціальна, особистість. Саме особистісні якості людини визначають стійкість його поведінкової домінанти, яка формує функціональний аттрактор в екстремальній ситуації. А деформація особистості внаслідок екстремального потрясіння тягне за собою зниження сили поведінкової домінанти і як наслідок - порушення функціонального аттрактора.

Подання про аттракторе значно ускладнюється, якщо організм сприймається як глибоко інтегрована складна багато рівнева ієрархічна система. Тоді виявляється, що кожна з функцій, що реалізують аттрактор на основі домінанти в масштабах цілого організму, в свою чергу формується на основі аттракторов, що забезпечують цю функцію на молекулярному і клітинному рівнях. Таким чином, створюється складна багатоступенева система аттракторов, що реалізується в поведінкових реакціях на рівні цілого організму.

Ситуацію, що створюється в організмі в умовах патологічного зриву термінової адаптаційної реакції, відображає сприйняте з синергетики поняття про "дивному" аттракторе. Як уже згадувалося вище, згідно з теоретичними положеннями, сформульованим І. Пригожиним і І. Стінгерс, на різних етапах свого розвитку складні нерівноважні процеси проходять критичні точки, в яких здійснюється вибір подальшого шляху через так звані "біфуркації". Відхилення одного або декількох функціональних процесів від детермінованого алгоритму призводить до того, що фазові їх траєкторії не сходяться в єдиній точці, а як би блукають ( "мандрують") в обмеженій області фазового простору. В даному випадку визначення "дивний" означає не стільки незвичність аттрактора, скільки його нестабільність. Кінцеві точки кожної з функціональних траєкторій замість того, щоб зійтися воєдино, постійно безладно змішаються одна відносно іншої на зразок броунівського руху молекул газу, що, як відомо, відповідає уявленню про фізичну хаосі. У цьому випадку взаємодія функціональних процесів стає випадковим і погано піддається прогнозуванню.

Фрактал, фрактальні об'єкти, фрактальні множини - це об'єкти, що мають властивості самоподібності в межах складної системи (або складної структури). Малий фрагмент структури такого об'єкта подібний за властивостями більш крупному фрагменту або структурі в цілому. Треба сказати, що ідея фрактальності, ще не отримавши свого термінологічного вираження, широко використовувалася в медицині для підкріплення принципу "лікування подібного подібним". Ця ідея була присутня і в світоглядних позиціях медицини стародавнього Сходу, і в уявленнях Парацельса про "макрокосм" і "мікрокосм". Присутній вона і в сучасній гомеопатії. Здається, що плідний резерв ідеї фрактальности для теоретичної і практичної медицини ще не вичерпаний. І прагнення до використання загальних природних закономірностей в теорії екстремального стану організму людини також виходить з ідеї фрактальности світу, що дозволяє використовувати в клінічній медицині деякі загальнонаукові закономірності.

Таке прагнення проявляється не на порожньому місці. Використання основних положень і понять синергетики надає ключ до наукового опису багатьох природних явищ, в основі яких лежать нелінійні процеси. Одним з подібних явищ, досить часто згадуються в літературі із синергетики, є фазова хімічна реакція Бєлоусова-Жаботинського, відома як "хімічні годинник". Феномен реакції полягає в тому, що окислення органічної кислоти (лимонної або малоновой) в присутності іонів цезію або заліза, які одночасно виконують роль і каталізатора, і пофарбованого індикатора, при певних умовах включає більше 20 елементарних стадій і протікає циклічно. При цьому гомогенний розчин з великою точністю періодично змінює забарвлення. Реакція Бєлоусова-Жаботинського представляє не тільки найбільш вивчений приклад хімічних годин, але володіє і іншими властивостями самоорганізації, що дозволяє розглядати її як прототип різних дисипативних структур, присутніх в живих організмах.

У монографії А. Баблоянц, учениці І. Пригожина, представниці керованої ним Брюссельської школи дослідників, наводяться переконливі дані про значне поширення саморегуляції і узгодженості в біологічних системах різної складності. Так, ритмічні явища в живих клітинах зустрічаються на всіх рівнях організації з періодичністю від секунд до років. Практично всім багатоклітинних організмів властива ендогенна ритмічність життєдіяльності з періодом від 20 до 28 годин. За відсутності зовнішніх подразників ці циркадні базисні ритми характеризуються стійкою періодичністю. І навіть одноклітинні водорості виявляють циркадний ритм в своєму кисневий баланс. Гликолитические коливання в дріжджових клітинах, пов'язані з активністю ферментів-биокатализаторов, індукція ферментів в бактеріях також підпадають під дію законів хімічних годин. Є підстави вважати, що і в структурі багатоклітинного організму людини аналогічні процеси протікають ритмічно і злагоджено на основі самоорганізації.

Синергетичні закономірності проявляються і в розвитку організму, що представляє собою процес з яскраво вираженою просторовою впорядкованістю. Вже на самому початку ембріонального циклу розвитку можна простежити процес диференціювання: кожна з двох дочірніх клітин, на які ділиться материнська клітина, набуває альтернативний шлях розвитку, проходячи через точку біфуркації. А. Баблоянц вважає, що цей шлях реалізується за допомогою виборчого включення або виключення генів, відповідальних за синтез спеціалізованих білків. Існуючі теорії ембріонального розвитку, засновані на моделюванні клітинної диференціювання і структурних утворень, підводять до висновку про те, що основу розвитку складають нелінійні процеси, узгодження яких досягається шляхом самоорганізації.

Обгрунтування доцільності використання синергетики в різних областях природознавства підтверджується розробкою математичної мови для вираження процесів самоорганізації в багатоклітинних структурах. Так, компактні клітинні ансамблі з багаторазовими контактними зв'язками "клітина-клітина" можуть досліджуватися шляхом підбору відповідних змінних для опису часових змін властивостей окремих частинок і шляхом встановлення зв'язку між ними за допомогою відповідних контактних функцій. За допомогою системи диференціальних рівнянь можуть бути знайдені чисельні рішення однорідних стаціонарних станів для складної біоструктури. Використовуючи цей загальний прийом, вдалося описати за допомогою диференціальних рівнянь з двома змінними процес мимовільного структуроутворення за допомогою морфогенезу. Той же прийом дозволив автору описати процес саморегуляції періодичної осциляції збудження електричної активності мозку у хворих на епілепсію під час нападу. Виявлене за допомогою електроенцефалографії поєднане порушення виключно складною багатоклітинній нейронної мережі кори головного мозку з її багаторазовими міжклітинними контактними зв'язками свідчить про просторової і тимчасової упорядкованості цієї структури. Особливо цікаво, що більш впорядкований режим функціональної осциляції (що відображає, мабуть, індивідуальну базисну періодизацію активності) проявляється саме в період епілептичного нападу, коли перевищено граничне значення возбудительного імпульсу. Пояснення полягає в тому, що електрична активність мозку здорової людини, що здійснює звичайну життєдіяльність, характеризується фрактальним "дивним" аттрактором. Це пов'язано з необхідністю одночасної переробки безлічі надходять, приблизно рівних за силою, інформаційних сигналів. В результаті базисний режим осциляції (якщо він не посилений штучно або іншим шляхом, наприклад - епілептичним нападом) не проявляється на електроенцефалограмі. Він ніби "затушовується" постійною роботою з аналізу інформації, що надходить.

Таким чином, використання понять і мови синергетики для аналізу внутрішніх процесів життєдіяльності організму людини видається цілком коректним і доцільним. Особливу важливість цей підхід набуває при аналізі глибинної природи екстремального стану, коли граничний, критичний характер ситуації оголює сутність механізмів саморегуляції організму, що знаходиться на межі загибелі.

література

1. "Невідкладна медична допомога", під ред. Дж.Е. Тінтіналлі, Р. Кроума, Е. Руїза, Переклад з англійської д-ра мед. наук В.І. Кандрора, М.В. Неверово, А.В. Сучкова, А.В. Низового, Ю.Л. Амченкова; під ред. В.Т. Ивашкина, П.Г. Брюсова; Москва "Медицина" 2001

2. Єлісєєв О.М. Довідник з надання швидкої та невідкладної допомоги, «Лейла», СПБ, 1996 год

3. Ерюхин І.А., Шляпников С.А. Екстремальне стан організму. Елементи теорії та практичні проблеми на клінічній моделі важкої поєднаної травми. - СПб .: Ескулап, 1997..


  • Кафедра Хірургії
  • 1. Історичні відомості
  • 2. Деякі відомості про термодинаміки і синергетики нелінійних процесів в дисипативних системах

  • Скачати 32.82 Kb.