Термодинамический подход в физиологии

 

Многие физиологические явления можно понять и объяснить, если использовать при этом термодинамический подход. Он основан на положениях, составляющих первый и второй законы термодинамики.

В популярном изложении эти законы весьма просты. Первый закон постулирует невозможность как возникновения энергии из ничего, так и бесследного ее исчезновения. Все энергетические процессы представляют собой превращения одного вида энергии в другой. Если при этом совершается какая-то работа, то часть энергии теряется в виде тепла, которое рассеивается в пространстве. Поэтому в соответствии с первым законом термодинамики невозможен не только вечный двигатель первого рода т. е., машина, которая постоянно работала бы только за счет энергии, извлекаемой из самой себя, но и двигатель с КПД 100%. Если эти закономерности понятны, то не составит труда ответить на следующий вопрос.

Пример 2.17. При сокращении сердца оно выбрасывает в аорту порцию крови, сообщив ей при этом Некоторую энергию. В покое 95-97 % этой энергии расходуется на преодоление сопротивления сосудистой системы, что находит отражение в возникновении кровяного давления. В аорте оно составляет 120-130 мм рт. ст. В полых венах давление падает до нуля. Куда же девалась полученная кровью энергия?

Ответ. Энергия была потрачена на преодоление сил трения, возникающих при течении крови по сосудам, и превратилась в тепло. Отсюда можно сделать существенный практический вывод, ответив на следующим вопрос. Как определить затраты энергии вцелом организме, например, за сутки? Ответ очевиден. В конечном счете псе виды энергии в организме превращаются в тепло. Поэтому достаточно измерить количество тепла, выделенное человеком пли животным за определенное время.

Примечание. Вам должно быть понятно, какие условия следует соблюдать, чтобы получить правильный ответ. Во-первых, в ходе исследования человек не должен производить механическую работу. Если, например, он будет поднимать штангу, то часть энергии уйдет на перемещение груза и не будет учтена. Мы сможем уловить только ту долю этой энергии, которая превратится в тепло, поскольку мышца, как и любой другой двигатель, не может работать с КПД 100 %. Во-вторых, за время опыта не должна изменяться масса тела. Если человек толстеет, то часть энергии уйдет на синтез дополнительных веществ. Если худеет, выделится дополнительная энергия за счет распада собственных веществ организма.

Термодинамический подход может понадобиться и при решении чисто медицинских вопросов. Вот один из многих возможных примеров.

Пример 2.18. Даже мало искушенные в медицине люди имеют представление о том, что инфаркт миокарда возникает из- за нарушения кровоснабжения сердца, например, при образовании тромбов в коронарных сосудах или сильном их спазме. Но как объяснить не столь уж редкие случаи инфаркта, когда кровоснабжение сердечной мышцы не испытывает столь серьезных нарушений? В литературе описан такой случай. Человек, перенесший инфаркт миокарда, стал после выздоровления заниматься оздоровительным бегом. К сожалению, он или не знал, или забыл важное правило, которое обязательно следовало соблюдать, а именно – бежать в достаточно медленном темпе и ни в коем случае не поддаваться искушению посоревноваться с кем- нибудь. В самом конце дистанции бегуна обогнала группа молодежи. Поскольку оставалось пробежать каких- то 100 метров, он решил ускорить бег и догнать молодых. И, действительно, догнал. И тут же упал замертво.

Этот трагический исход вполне понятен при термодинамическом подходе.

Сердце не сможет работать, если оно не ^удет получать ровно столько энергии, сколько будет расходовать. А у больного сердца возможности в этом отношении ограничены. Поэтому ускорение бега оказалось фатальным.

Если первый закон термодинамики говорит о количественных соотношениях при превращениях энергии, то второй закон определяет направление процесса. Состояние любой системы можно охарактеризовать двумя термодинамическими параметрами – свободная энергия и энтропия. Свободная энергия – это та часть общей энергии, которая может быть превращена в работу. Энтропия – мера неупорядоченности системы, хаотичности ее состояния.

Если в клетке происходит синтез белковых молекул, то упорядоченность повышается, молекулы становятся более сложными, неоднородными в разных направлениях. Соответственно энтропия клетки понижается, а свободная энергия повышается. При распаде молекул картина обратная и энтропия повышается, а свободная энергия понижается.

Второй закон термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах (т.е., без какого-либо вмешательства извне) свободная энергия системы всегда уменьшается вплоть до нуля, а энтропия возрастает до максимума.

Житейские иллюстрации второго закона общеизвестны. Нагретые тела самопроизвольно остывают, но не наоборот. Сжатые газы стремятся расшириться, а не сжаться еще больше. Молекулы сахара после растворения в воде постепенно равномерно распределяются во всем ее объеме, а не собираются в одном месте. Заряженный конденсатор из-за утечки в конце концов полностью разрядится. Фактор времени здесь никакой роли не играет. Важно лишь, что рано или поздно, через 10 или 100 лет это неминуемо произойдет. Но даже за тысячи лет разряженный конденсатор не сможет самопроизвольно зарядиться. Все это простые и понятные примеры. Сложнее обстоит дело с живыми организмами.

Пример 2.19. Синтез белковой молекулы начинается с построения ее первичной структуры. Для этого необходимы весьма значительные затраты энергии, а также получение информации, которая передается с помощью нуклеиновых кислот. А вот образование третичной структуры происходит самопроизвольно. Молекула «сама» свертывается в клубок, причем строго специфично для каждого белка. Почему?

Ответ. Если процесс идет самопроизвольно, значит, при этом свободная энергия системы уменьшается. Как же обстоит дело в данном случае? Аминокислоты, входящие в состав белковой молекулы, могут быть гидрофильными или гидрофобными. Для удержания гидрофобных групп в воде требуется дополнительная энергия. Но в соответствии с вторым законом термодинамики любая система стремится уменьшить запас свободной энергии. Поэтому молекула самопроизвольно свертывается таким образом, что гидрофобные группы «прячутся» внутри ее, так сказать, подальше от воды. А поскольку первичные структуры индивидуальных белков различаются, в частности, по расположению гидрофобных групп, то и свертывание каждой молекулы происходит строго индивидуально.

Очень важным для понимания многих вопросов является понятие градиента.

Если скорость – это изменение какой-либо величины во времени, то градиент – изменение величины в пространстве. Например, в кровеносной системе существует градиент давления – оно постепенно уменьшается от аорты до полых вен. В любом помещении имеется градиент температуры – чем ближе к потолку, тем воздух теплее. В месте впадения в океан очень больших рек можно обнаружить весьма значительный градиент солености воды – чем ближе к устью, тем вода менее соленая.

Все процессы в организме могут идти в одном из двух направлений – или по градиенту, или против градиента. По градиенту – значит, от большего к меньшему. Против – от меньшего к большему. Исходя из второго закона термодинамики, можно утверждать, что, если процесс идет против градиента, то для этого обязательно требуются затраты энергии. По градиенту же процесс идет самопроизвольно. Здесь можно провести аналогию с деньгами. Чтобы их накопить, надо работать, затрачивать энергию. А чтобы потратить накопленное, особого труда не требуется.

При анализе различных физиологических процессов термодинамический подход сразу же позволяет установить, на каких этапах необходимо затрачивать энергию, а когда процесс может идти самопроизвольно.

Пример 2.20. Для образования и выделения пота необходима энергия, которая обеспечивает работу потовых желез. После того как пот выделился, он будет испаряться с поверхности кожи самопроизвольно без затраты энергии организмом. Однако для этого необходимо наличие градиента давления паров воды между поверхностью кожи и окружающим воздухом. Поэтому* в бане пот практически не испаряется, а стекает по коже. В нормальных условиях пот будет испаряться быстрее, если дополнительно нагреть кожу. Но здесь уже организму придется потратить энергию, чтобы увеличить приток к коже нагретой крови.

Процессы, которые идут с затратой энергии (против градиента), называются активными, а без расхода энергии, самопроизвольно (по градиенту) – пассивными. Умение различать пассивные и активные процессы необходимо при решении некоторых задач. Таких как, например, эта.

Задача. При раздражении мышцы одиночными ударами электрического тока она каждый раз сокращается и расслабляется. Затем мышцу охлаждают и продолжают раздражать. В этих условиях она работает более медленно. Теперь надо ответить на два вопроса

1. Почему замедляется работа мышцы?

2. Что замедлится в большей степени – сокращение или расслабление?

Накопленный Вами опыт должен подсказать, что задачу нужно решать сразу на микроуровне.

Ответ. Мышца, как и любой другой орган, работает за счет химической энергии, которая непрерывно освобождается в клетках. Главный носитель энергии – АТФ. Постоянный ее распад требует быстрого ресинтеза за счет соответствующих химических реакций. Известно, что охлаждение замедляет скорость химических реакций. Отсюда ясен ответ на первый вопрос. Сложнее обстоит дело со вторым. С ним может справиться только тот, кто хотя бы в общих чертах представляет себе механизм мышечного сокращения и поэтому сможет работать на микроуровне.

Если такое представление имеется, то остается только уточнить, какие процессы являются активными, а какие пассивными. Ключевую роль здесь играют ионы кальция. Они обеспечивают электромеханическое сопряжение т.е., переход электрического процесса (потенциал действия) в механический (укорочение мышечных волокон). Ионы кальция в большом количестве находятся в саркоплазматическом ретикулуме. При деполяризации его мембраны потенциалом действия ионы кальция выходят по градиенту и способствуют соединению актина с миозином – поперечные мостики толстых протофибрилл присоединяются к тонкой протофибрилле и смещают ее «на один шаг». Далее каждый мостик должен отсоединиться и затем взаимодействовать со следующим участком тонкой протофибриллы и т. д. Но чтобы мостики могли отщепиться, ионы кальция должны возвратиться «домой» – в саркоплазматический ретикулум – против градиента. Это уже активный процесс, который требует затраты энергии АТФ для работы так называемого кальциевого насоса. Теперь понятно, что основная энергия в мышце тратится не на сокращение, а на расслабление. Поэтому при охлаждении мышцы в большей степени замедлится фаза расслабления.

Такая же картина может наблюдаться при утомлении мышцы. Здесь тоже имеет место недостаток АТФ. Когда мы говорим, что «затекла» рука или нога – это проявляется нарушение нормального расслабления мышц. Вернемся к тому, что энтропия любой системы всегда стремится к увеличению. Дотошный читатель может задать каверзный вопрос – а как же тогда объяснить существование жизни на Земле? Ведь жизнь – это высокоупорядоченное состояние и, следовательно, она Определяет низкий уровень энтропии, которая вопреки второму закону термодинамики не желает повышаться уже сотни миллионов лет.

Действительно, если рассматривать Землю изолированно, то получаются большие неприятности. Но все дело в том, что жизнь на Земле существует только потому, что она использует энергию, поступающую от Солнца. В общей системе Земля – Солнце понижение энтропии, связанное с существованием на Земле живых существ, сопровождается огромным увеличением энтропии на Солнце (потеря им энергии и массы). Поэтому в этой общей системе в целом энтропия повышается. Так что со вторым законом и здесь все в порядке.

Наверно, Вы еще не забыли о больном, перенесшем инфаркт миокарда и погибшем при попытке ускорить бег. В связи с этим нужно хотя бы кратко остановиться на важнейшем для биологии и медицины термодинамическом понятии. Это – стационарное состояние. В очень упрощенной форме его можно определить как способность системы уравновешивать расход и поступление энергии. При любых воздействиях на живую систему происходят изменения энергетических потоков. Но затем они обязательно должны уравновеситься. В результате стационарное состояние системы или вернется к исходному уровню, или установится на новом.

Приведем простой пример. В покое у большинства здоровых людейЧСС составляет 60-70 уд/мин. Если человек побежит, ЧСС начнет возрастать – 90-110-130-140 уд/мин и т.д. Но через какое-то время неизбежно установится новое стационарное состояние. Допустим, ЧСС достигнет 160-170 уд/мин и стабилизируется на этом уровне, так как теперь работа сердца будет удовлетворять возросшие потребности организма.

Из сказанного вытекает важнейший вывод. Если живая система в условиях функциональной нагрузки окажется неспособной установить новое стационарное состояние, то она неминуемо погибнет из-за нехватки энергии. Именно это и произошло с больным, о котором шла речь.

В заключение попытайтесь самостоятельно решить задачу, которая носит скорее развлекательный характер, так как можно предложить только идею, решения, но тем не менее в научном отношении она вполне обоснована и лежит на стыке биологии и термодинамики.

Задача. Как известно, в₎ Мировом океане находится огромное количество золота. Но оно растворено в еще более огромном количестве воды и пытаться извлечь его при помощи каких- то технических средств бессмысленно. Потребуются финансовые затраты, которые намного превысят стоимость добываемого драгоценного металла.

Предложите теоретически такой способ извлечения золота из морской воды, который, если бы его удалось осуществить, позволит вести добычу с минимальными затратами.

Подведем предварительные итоги. Мы разобрали некоторые положения, которые должны помочь Вам осваивать умение мыслить физиологически. Однако даже при наличии такого умения его реализация, например, при решении задач может натолкнуться на трудности. В частности, остается неясным, как ответить на главный вопрос, который должен ставиться (но, увы, далеко не всегда это происходит при решении самых различных задач). Это поистине коронный вопрос. С чего начать?

Рассмотрим следующий пример.

Пример 2.21. Представьте, что Вам дают список из нескольких десятков различных факторов (тепло, холод, избыток углекислого газа, физическая нагрузка, действие адреналина, кровопотеря и т. д). Требуется ответить, как каждый из этих факторов повлияет на величину кровяного давления. В физиологии имеются всего два варианта ответа на подобные вопросы. При воздействии любого агента физиологические показатели могут или увеличиваться или уменьшаться. Но пытаться механически запоминать, как изменится тот или иной показатель при действии какого- либо фактора трудно да и мало эффективно. Хотя, к сожалению, многие привыкают действовать именно таким образом. Работа пойдет гораздо продуктивней, если научиться в каждом конкретном случае находить элемент системы, в первую очередь реагирующий на данное воздействие, а затем определять, как при этом изменяется состояние всей системы. Для этого нужно уметь, во- первых, четко представить систему в целом, во- вторых, разбить ее на элементы и, в- третьих, рассмотреть взаимодействие между элементами.

Вот мы и подошли к понятиям, которые должны сыграть ключевую роль при освоении методики решения учебных (и не только учебных) задач. Это понятия система и соответственно системный анализ. Ввиду особой важности они заслуживают рассмотрения в специальной главе.

 

Глава 3. Системный подход и его значение

 

Системный подход (иногда говорят системный анализ) основан на том, что все изучаемые объекты рассматриваются, как системы. При этом значительно повышается эффективность решения задач в любой сфере деятельности. Чтобы понять, почему это происходит, начнем с определения системы. Таких определений существует несколько десятков. Остановимся на том, которое в наибольшей степени отвечает нашим целям.

Система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. В результате их взаимодействия достигается определенный полезный результат.

Все живые объекты – организмы, органы, клетки отвечают именно такому определению. Его мы и будем использовать во всей последующей работе. Однако в некоторых случаях нам потребуется более широкий подход. Дело в том, что живые системы могут взаимодействовать не только друг с другом, но и с внешними факторами – техническими и природными. Например, если человек попал в метель, то на него действуют ветер, холод, летящие снежинки. Это – элементы внешней среды. Но в отличие от истинной системы эти элементы взаимодействуют между собой не закономерным, а чисто случайным образом и это взаимодействие не направлено на получение какого-либо полезного результата. Несколько позже мы рассмотрим ситуацию с так называемой «собачьей пещерой». Человек или животное, оказавшиеся в этой пещере, подвергаются воздействию ряда факторов, которые влияют на живые организмы, но между собой могут вообще не взаимодействовать. Таким образом внешняя среда из нескольких признаков, позволяющих называть тот или иной объект системой, обладает только одним – совокупностью каких-то элементов. Поэтому во всех случаях, когда имеет место взаимодействие живых систем с внешними факторами, по отношению к последним более точным будет термин «квазисистема» (т. е., не истинная система). Однако детальное рассмотрение системного анализа не входит в нашу задачу. И в дальнейшем для облегчения Вашей работы мы будем называть системами как истинные системы (живые), так и квазисистемы (внешние факторы, действующие на организм).

Итак, главное в системном подходе – это то, что объект рассматривается целостно, как совокупность элементов. Именно свойства этих элементов, особенности их взаимодействия помогают проникнуть в сущность изучаемого явления. При традиционном же подходе мы обычно полностью сосредотачиваемся только на объекте непосредственного изучения, упуская при этом из вида его многочисленные связи с другими объектами, точнее, с другими элементами системы, в которую данный объект входит.

Особенно важен системный подход, когда мы рассматриваем взаимодействие систем, с чем приходится постоянно сталкиваться в любом виде практической деятельности.

Итак, любая система состоит из элементов, т. е., из каких-то дробных частей. В качестве элементов мы будем рассматривать как структуры, так и процессы. И те, и другие обладают какими-то свойствами и особенностями. Как Вы убедитесь в дальнейшем, именно они часто играют определяющую роль, когда мы применяем системный подход для решения той или иной задачи.

Например, элемент, «потовая железа» – это структура. Элемент «пот» тоже будем считать структурой. Элемент «выделение пота» – процесс. «Испарение пота» также процесс. Поверхностное натяжение пота – свойство этого элемента, которое, в частности, влияет на скорость испарения пота. Установить такую зависимость при исследовании системы «потоотделение» помогает именно системный анализ.

Очень важно отметить следующую особенность. Существуют системы разных порядков. При этом система более низкого порядка выступает как элемент системы более высокого порядка. Получается нечто подобное матрешкам. Так, например, если мы рассмотрим систему «человечество», то отдельный человек является элементом этой системы. В свою очередь, человеческий организм – это тоже система, в которой такой орган, как скажем сердце, представляет собой элемент. Идя дальше, можно рассматривать систему «сердце», одним из элементов которой является синусный узел, а клетки, из которых он состоит – это элементы системы «синусный узел» и т.д. В каждом конкретном случае нужно сначала определить, -что мы будем считать системой, что подсистемой (часть системы), а что – элементом.

В приведенном выше примере в зависимости от решаемой задачи сердце можно рассматривать как самостоятельную систему, как подсистему (или элемент) системы «кровообращение» и как элемент системы «организм». Применительно к каждой конкретной системе элементом мы можем считать любую ее часть при одном условии – дальнейшее дробление этой части в условиях изучаемой системы невозможно, ибо после этого система не сможет работать.

Для системы «сердце» мы можем рассматривать кардиомиоциты как ее элементы. Действительно, они обеспечивают сокращение сердца. Но для системы «организм» элементом может быть только целое сердце. Дробить его на более мелкие части в данном случае нельзя, потому что без целостного элемента «сердце» не сможет существовать система «организм».

Пожалуйста, задержитесь на изложенном материале подольше, чтобы лучше его усвоить.

При изучении физиологии и при решении задач часто бывает необходимо определить, на уровне какой системы следует вести рассмотрение. Приведем простой пример, который должен помочь Вам понять это весьма важное положение. Он потребует немного фантазии.

Пример 3.1. Итак, предположим, что на какой- то планете живут мыслящие существа. Они знают, что на Земле тоже есть мыслящие существа – люди, но строение человеческого тела им совершенно неизвестно. Обитатели планеты узнали, что у людей есть элемент тела, который называется большой палец правой руки. Его утрата приводит к потере 50 % трудоспособности. (Это официальные медицинские данные применительно к ряду профессий). Заинтересовавшись столь важным органом, ученые планеты как- то добывают его и начинают самым тщательным образом изучать. И что же? А ровным счетом ничего. Даже разложив палец на отдельные атомы, они ничуть не. приблизятся к пониманию его роли в организме. Причина этого – отсутствие системного подхода.

Нужно сообщить братьям по разуму, что в теле человека есть такая система, как рука, посредством которой мы можем удерживать и перемещать в пространстве разные предметы, в том числе и орудия труда. Далее сообщим, что элементом руки, который непосредственно удерживает эти орудия, является кисть. И, наконец, опишем строение кисти, разобьем ее на элементы, и подчеркнем роль большого пальца, который противопоставлен остальным четырем и тем самым обеспечивает работу кисти в целом. Попробуйте поработать любым инструментом – ножом, молотком, плоскогубцами, ножницами, не используя большой палец! Вот теперь особое его значение, как важнейшего элемента (но только элемента) системы «кисть» – становится полностью ясным.

А теперь посмотрите, что получится, если мы будем анализировать значение элемента «большой палец» на уровне систем.«организм», «опорно – двигательный аппарат» и даже «рука». Мы неминуемо запутаемся, потому что в этих системах много элементов, не имеющих непосредственного отношения к работе большого пальца. Например, детально изучив функции плечевого сустава, мы поймем его важную роль для руки в целом, но никак не для большого пальца. А вот на уровне системы «кисть» сразу становится понятным, насколько важен большой палец. Постарайтесь самостоятельно рассмотреть несколько любых систем и, разбив их на элементы, подумать, на уровне какой системы (подсистемы) наиболее целесообразно анализировать значение того или иного конкретного элемента.

Для того чтобы уверенно работать с любыми системами, их нужно обязательно изображать графически. Держать в памяти все элементы достаточно большой системы и связи между ними совершенно ни к чему. Всегда есть опасность упустить что-нибудь из виду. И наоборот, если все перед глазами, то образно говоря, можно играть на элементах системы, как на клавишах рояля.

Чтобы убедиться в этом, вернемся к примеру 2.21 с кровяным давлением, на которое могут действовать десятки, а то и сотни факторов, и попробуем применить системный подход. Итак, с чего начать? Ответ уже известен – с построения системы. Но какой? Мы помним, что элементы, образующие систему, взаимодействуют между собой для достижения какого-то полезного, результата. Именно ради этого они временно или постоянно объединяются в ту или иную систему.

Поэтому академик П. К. Анохин предложил называть результат, ради достижения которого работает система, системообразующим фактором. В таком случае для чего различные элементы объединяются в систему «кровообращение»? Ответ типа «для поддержания жизни» неконкретен, а ответы «для питания тканей» или «для снабжения органов кровью» близки к истине, но не содержат количественного показателя, позволяющего производить последующий анализ.

Тогда определим системообразующий фактор таким образом. Система кровообращения работает для того, чтобы обеспечивать оптимальную величину объемной скорости кровотока, или, что то же самое, для того, чтобы в каждый орган в каждый данный момент поступало нужное количество крови.

А вот для обеспечения определенной объемной скорости кровотока необходима соответствующая величина кровяного давления. Понятно, что ни в одной гидродинамической системе жидкость не будет течь, если в системе не создано давление. Следовательно, мы должны построить систему «кровяное давление.» Ее элементы должны показывать, от каких факторов зависит возникновение кровяного давления и изменения его величины. Такими факторами в конечном счете (обратите внимание – именно в конечном) являются работа сердца и сопротивление сосудов. По отношению к системе «кровяное давление» эти факторы можно рассматривать, как подсистемы, которые в свою очередь состоят из ряда элементов. Определим, каким образом связаны между собой все части системы, и в результате получим такое ее графическое изображение (рис. 3.1).

Теперь Вы должны убедиться, насколько легче, проще и эффективней пойдет работа по выяснению влияния самых различных факторов на величину кровяного давления, если иметь перед глазами построенную нами схему.

Итак, начнем. Рассмотрим несколько простых примеров.

Пример 3.2. Как изменится величина кровяного давления при воздействии' холода или тепла?

Ответ. Последовательность рассуждений такова. Под действием холода сосуды сузятся, линейная скорость кровотока возрастет, трение увеличится. Это приведет к увеличению сопротивления и давление увеличится. При действии тепла – обратная картина – сосуды расширятся, линейная скорость кровотока уменьшится, трение снизится и величина давления упадет. В результате снизится приток крови к сердцу. Если сердце не в состоянии усилить свою работу так, чтобы компенсировать эти сдвиги и поднять давление, то человек может почувствовать себя плохо, вплоть до обморока, что и происходит иногда в сауне или в горячей ванне.

Пример 3.3. Почему больным гипертонической болезнью назначают мочегонные средства или ставят пиявки?

Ответ. И то, и другое приводит к уменьшению количества крови и к снижению давления (проследите по схеме).

Пример 3.4. Почему большая кровопотеря опасна для жизни?

Ответ. Здесь ситуация обратная. Количество крови значительно уменьшается, давление соответственно падает вплоть до критического уровня. Опять-таки резко снижается приток крови к сердцу, нарушается кровоснабжение тканей и может наступить смерть.

Пример 3.5. Почему во время сна величина кровяного давления снижается?

Ответ. Ночью сердце работает реже и слабее и (проследите по схеме) в результате этого давление снижается. Понятно, что, например, 'при физической нагрузке сдвиги будут обратными.

Пример 3.6. В чем состоит причина гистаминного шока?

Ответ. Один из главных признаков шока – резкое снижение кровяного давления. Большая доза гистамина вызывает сильное расширение множества капилляров. Суммарный просвет их значительно увеличивается. Происходит так называемое «кровоизлияние в собственные капилляры». В результате (проследите по схеме) давление резко падает.

Точно так же можно анализировать действие на величину кровяного давления любых других факторов. Вы смогли убедиться, какую большую помощь при этом оказывает графическое изображение системы. Поэтому, когда Вы перейдете к самостоятельному решению задач, нужно прибегать к такому построению во всех случаях, которые покажутся Вам достаточно сложными.

Отметим еще одну особенность использования системного подхода. Она заключается в том, что один и тот же элемент может входить в состав различных систем, в зависимости от того, какой фактор является системообразующим.

Например, кровь играет роль как в доставке кислорода в ткани, так и в процессах теплоотдачи. Следовательно, кровь можно рассматривать в качестве элемента и системы поддержания постоянства газового состава внутренней среды, и системы поддержания постоянства температуры тела. Но, если в свою очередь разбить подсистему «кровь» на элементы и взять такой из них, как эритроциты, то окажется, что этот элемент играет важнейшую роль в работе первой из перечисленных систем, но не нужен для выполнения функций системы терморегуляции.

Все процессы, происходящие в системах, из которых состоит организм, можно разбить на три группы – пластические, энергетические, информационные. Соответственно этому и связи, существующие между элементами системы, относятся к одной из этих трех групп.

Пластические процессы связаны с обменом веществ. Например, в клетку поступают аминокислоты, которые потом используются для синтеза белка. В теле клетки синтезируется медиатор, затем он транспортируется по аксону к нервным окончаниям и из них выделяется в синаптическую щель и т. п.

Энергетические процессы в организме заключаются в том, что богатые энергией питательные вещества в результате химических реакций преобразуются в продукты с более низким содержанием энергии. При этом освобождается часть энергии, которую организм использует для совершения различных видов работы и для синтеза необходимых ему веществ. Например, за счет окислительных процессов в сердечной мышце извлекается энергия, необходимая для сокращения миокарда. В свою очередь энергия сокращающегося миокарда передается крови, что позволяет ей течь по сосудам. За счет сил трения механическая энергия движущейся крови превращается в тепло, которое рассеивается в пространстве. Но в организме протекают и другие, не менее важные процессы, при которых указанная зависимость отсутствует. Это информационные процессы. Так, для того, чтобы мышца сократилась, в нее должны поступить импульсы возбуждения. Эти импульсы имеют электрическую природу и представляют собой потенциалы действия. Их возникновение и распространение по нерву требуют затрат энергии. Однако эти затраты неизмеримо меньше того количества энергии, которое расходуется при сокращении мышцы. Дело в том, что потенциалы действия доставляют в мышцу не энергию, а информацию. Это какие-то сведения, получив которые система изменяет свое состояние. Информация переносится при помощи сигналов. В нашем случае это потенциалы действия. Сигналы могут быть электрическими, звуковыми, световыми и т.д. Для переноса сигнала требуется очень малое количество энергии. Но зато сам по себе сигнал за счет заключенной в нем информации может привести, как мы видели, к освобождению больших количеств энергии, запасенной в системе. Рассмотрим еще один пример.

Студент, вызванный преподавателем, поднимается с места. Совершенно ясно, что не энергия голоса преподавателя использовалась при сокращении мышц разгибателей студента. Звуковые колебания воздуха доставили информацию, которая привела в действие механизм сокращения мышц. В организме информация многократно перекодируется из одних систем сигналов в другие. Важнейшую роль в этом играет нервная система.

Анализируя процессы, протекающие как в здоровом, так и в больном организме, необходимо в каждом случае четко дифференцировать, имеем ли мы дело с пластическим, энергетическим или информационным процессом. Это решающим образом определяет наши действия. Так, при кислородном голодании, например, сердца нарушаются окислительные процессы и уменьшается освобождение энергии, что приводит к ослаблению сердечных сокращений. Следовательно, мы должны искать пути, позволяющие как-то устранить или компенсировать недостаток энергии. Но, если из-за дефекта в проводящей системе сердца перестают (полностью или частично) поступать импульсы возбуждения в миокард, то сколько бы ни снабжать сердце энергией, больного мы не спасем. В данном случае отсутствует не энергия, а информация, нет команды, заставляющей сердце сокращаться. Отсюда ясен и путь лечения. Если нет естественной информации, заменим ее искусственной. В тело больного вживляют электростимулятор, который вырабатывает ритмические импульсы и подает их на электроды, закрепленные на сердце. Итак, без энергии живые объекты вообще не могут работать, а без информации не знают, что делать и поэтому бездействуют.

Таким образом, когда мы проводим системный анализ какой-либо системы, нужно последовательно рассмотреть три ее компонента. Во-первых, элементы входящие в данную систему (при этом обязательно учитывать, какой фактор является системообразующим). Во-вторых, связи между этими элементами, в-третьих, характер каждой связи – пластический, энергетический или информационный.

Приведенных сведений достаточно, чтобы Вы могли приступить к решению задач, используя при этом два поистине золотых ключика. Первый – это умение мыслить физиологически. Второй – умение применять системный подход. Эти умения будут вырабатываться постепенно и не беда, если вначале не все будет получаться.

Народная мудрость недаром говорит – дорогу осилит идущий.

В следующей главе Вы познакомитесь с несколькими простыми правилами, которые необходимо использовать при работе над большинством задач с применением системного подхода. Главное при этом – не торопиться, действовать последовательно и помнить, что Ваша уверенность в своих силах будет возрастать по мере продвижения вперед.

 

Глава 4. Как самостоятельно решать задачи по правилам

 

Уточним, что следует понимать под самостоятельной работой. Вернее, какой она должна быть, чтобы приносить пользу. Такая работа обязательно предполагает преодоление каких-то трудностей. Именно в этом проявляется самостоятельность работающего. Вы можете пользоваться любыми консультациями, справочной литературой и т.д., но все это будет необходимо для главного – научиться самостоятельно решать ставящиеся в ходе работы задачи.

Одна из основных целей данного пособия состоит в том, чтобы показать Вам как правильная организация мышления позволяет двигаться вперед значительно быстрей, чем при «стихийном» методе решения. Существуют общие закономерности, позволяющие подходить к различным задачам с одинаковых позиций. При «стихийном» же подходе такие закономерности не улавливаются и каждый раз решение приходится начинать как бы заново.

Внимание! Вот общие правила, которые нужно использовать при решении задач.

1. Прежде чем начинать решение, тщательно ознакомьтесь с условием задачи. Ни в коем случае нельзя просматривать условие бегло, даже если Вами движет вполне понятное желание поскорее приступить к делу.

2. Нельзя начинать «прикидывать» варианты решения по ходу ознакомления с условием задачи. Последовательность – залог успеха. Прежде всего убедитесь в том, что условие полностью понято. Только после этого можно переходить к собственно решению.

3. Особое внимание обратите на специальные термины, содержащиеся в условии задачи. Если у Вас нет уверенности в правильном их понимании, проверьте себя по «Словарю физиологических терминов» или по любому учебнику.

4. Задачи второй части относятся к определенным разделам физиологии. В случае необходимости ознакомьтесь с соответствующим разделом по учебнику. Список учебников, которыми можно пользоваться, приведен в конце введения.

Ко всем задачам приводятся решения. Те, что помещены сразу после условия задачи, выполняют тренирующую функцию. С ними нужно обстоятельно ознакомиться, чтобы понять логику решения. В тех случаях, когда решения приводятся в конце параграфа, не торопитесь сразу же в них заглядывать. Иначе эффективность Вашего обучения резко снизится. Эти решения приводятся прежде всего для проверки. Ведь к этому времени у Вас уже будет некоторый опыт. Поэтому не отступайте и старайтесь все-таки решить задачу самостоятельно. И только после этого проверьте себя. Как уже говорилось выше, данное пособие сообщает минимум фактических сведений. Оно учит решать задачи, опираясь на факты. Но опираться-то нужно! Поэтому всякий раз, когда решение задачи вызовет у Вас затруднения, Вы должны четко представлять их причину – незнание каких-то фактов или неумение использовать имеющиеся знания.

После того как Вы проделали подготовительную работу в соответствии с вышеприведенными правилами, можно отправляться в путь. Чтобы пройти его успешно, большую роль должен сыграть системный подход, о котором говорилось в предыдущей главе. В этой же главе Вы познакомитесь с несколькими конкретными правилами, позволяющими использовать системный подход при решении многочисленных задач, приведенных в данной книге. Прежде чем перейти к рассмотрению этих правил, познакомьтесь еще с одним положением. Для того чтобы задача выполняла свою обучающую функцию, ее условие должно быть составлено корректно. Это означает следующее. Во-первых, в условии задачи должна содержаться вся информация, необходимая для решения. Во-вторых, в условии не должно быть лишней информации, не используемой при решении. В-третьих, в условии не следует использовать формулировки, допускающие различное толкование. Остановимся на данном положении более подробно.

В реальной жизни мы, к сожалению, далеко не всегда сталкиваемся с корректно сформулированными задачами. Зачастую в этом нет нашей вины. В таких случаях приходится устанавливать, какой именно информации недостает для решения задачи, как можно получить эту информацию, или попытаться каким-то образом компенсировать ее отсутствие. Возможна обратная ситуация – информации слишком много. Тогда нужно установить, какая информация ничего не дает для решения задачи и просто отбросить ее. Проще обстоит дело с формулировками, допускающими различные толкования. Такие формулировки нужно дополнительно уточнить, чтобы их понимание стало однозначным. Наконец, встречаются задачи, в условии которых содержится противоречивая информация – одно исключает другое.

(Такая ситуация нередко возникает, например, при постановке диагноза). Это противоречие может быть истинным и ложным. В первом случае скорее всего имеет место ошибка при получении какой-то части информации, искажение ее. Во втором – информация неправильно истолковывается. Но, повторим еще раз – все сказанное относится к реально возникающим задачам. Работая же с данным пособием, Вы будете учиться решать только учебные задачи. Подавляющее большинство этих задач имеет корректные условия. И только в самом конце, когда Вы выйдете на финишную прямую, будет приведено некоторое количество задач на недостаточность и избыточность информации. Эти особенности будут специально оговорены.

Внимание! Из сказанного выше вытекает, что, решая задачу, Вы должны использовать всю содержащуюся в ней информацию. Если какая-то часть информации не участвует в решении, значит, в Ваших рассуждениях допущена ошибка. В противном же случае (если решение, оказалось правильным), придется признать, что Вам удалось доказать некоторую некорректность условия задачи.

А теперь перейдем к нашим путеводным правилам. Они позволят Вам добиться главного – решать задачи не путем утомительного перебора вариантов, а используя некоторые общие принципы. Главный из них состоит в том, что все изучаемые объекты мы будем рассматривать как системы. Из этого следует, что для решения задачи потребуется проанализировать особенности элементов, из которых состоит та или иная система, и особенности взаимодействия этих элементов.

Самые различные физиологические ситуации (задачи) можно разбить на две большие группы.

1. Для решения задачи требуется проанализировать структурные или функциональные особенности той или иной системы. По условию эта система не взаимодействует с какими-либо другими системами.

2. Необходимо рассмотреть взаимодействие систем и объяснить или предсказать результат этого взаимодействия.

Для решения задач, входящих в любую из этих групп, мы будем использовать четыре правила. Вот они.

• Правило АСС – анализ системы структурный.

• Правило АСФ – анализ системы функциональный.

• Правило САС – сравнительный анализ систем.

• Правило АРР-ВС – анализ различных результатов взаимодействия систем.

Рассмотрим конкретные примеры применения этих правил.