Deținătorii brevetului RU 2533846:

Invenția se referă la biologie și medicină, și anume la studiul influenței mediului și mediului intern al organismului asupra sănătății umane sau animale. Metoda se referă la studiul entropiei în organism. Pentru a face acest lucru, determinați masa relativă a inimii în raport cu greutatea corporală în % (X), numărul de bătăi ale inimii (A) și conținutul de oxigen din aerul alveolar al plămânilor în % (Co2). Calculul se efectuează după formula: α = (0,25/T) Co 2, unde α este entropia în%, T este timpul de turnover complet al unui eritrocit cu fluxul sanguin circulant în sec, cu T = [( 0,44 75) /(X A)] 21,5. Metoda face posibilă măsurarea caracteristicii principale a unui organism care unește sistemele vii, care poate fi utilizată pentru a determina vârsta biologică, starea de sănătate și pentru a studia efectul diferitelor mijloace de prevenire a problemelor de sănătate și de prelungire a vieții. 1 masă

Invenția se referă la biologie și medicină, și anume la metode de studiere a influenței mediului și a mediului intern al organismului asupra sănătății oamenilor și animalelor și poate fi utilizată pentru a determina vârsta lor biologică, rata de îmbătrânire, prezicerea longevității. a indivizilor aflati in diverse conditii ale organismului si gestionarea acestor semne vitale .

Se știe că sistemele vii sunt sisteme termodinamice deschise și se caracterizează printr-o structură ordonată complexă. Nivelurile lor de organizare sunt mult mai ridicate decât în ​​natura neînsuflețită. Pentru a-și menține și crește ordinea ridicată, sistemele vii, în măsura deschiderii lor inerente (inclusiv la nivel de organism), fac schimb continuu de energie, materie și informații cu mediul extern și, în același timp, efectuează lucrări de reducere a entropiei (disiparea energiei). în mediu), care crește inevitabil din cauza pierderilor datorate transferului de căldură, mișcării browniene și îmbătrânirii moleculelor etc. [Nikolis G., Prigozhy I. Cunoașterea complexului. M., 1990. - P.293]. Procesul acestui schimb se numește metabolism. Se știe că metabolismul cu un nivel minim de entropie este de preferat, deoarece acesta este cel care asigură funcționarea sistemului cu economii maxime de pierderi și stabilitate în mediul extern [Prigozhy I. De la existent la emergent. - M., 1985. - 113 p.; Prigozhy I. Introducere în termodinamica proceselor ireversibile. Pe. din engleza M., 1960; Frank G.M., Kuzin A.M. Despre esența vieții. - M., 1964. - 350 p.]. Pe această bază, am înaintat ipoteza că, cu cât nivelul metabolismului într-un sistem viu este mai mare, adică cu cât schimbă mai intens energie, materie și informații cu mediul extern, cu atât acest sistem este forțat să facă mai multă muncă pentru a menține. homeostazia pentru a menține un nivel minim de entropie, a suferi pierderi mai semnificative în acest sens, a deveni mai deschis față de mediu și, prin urmare, vulnerabil la efectele sale adverse. În urma acestei ipoteze, nivelul de deschidere al unui sistem viu poate fi considerat ca un indicator al calității stării sale fiziologice, care are o relație inversă cu caracteristicile acestei calități - sănătate, performanță, speranță de viață. Trebuie remarcat faptul că alți autori [Frolov V.A., Moiseeva T.Yu. Un organism viu ca sistem informațional-termodinamic. - Buletinul Universității RUDN, 1999, Nr. 1. - P.6-14] ia în considerare și deschiderea unui sistem viu în legătură cu durata de viață a acestuia în stadiul de evoluție către un sistem termodinamic închis. Astfel, metabolismul, entropia și deschiderea unui sistem viu față de mediul aer înconjurător pot caracteriza nu numai calitatea proceselor de susținere a vieții care au loc în acest sistem, ci și cauza principală a acestuia. Însuși conceptul de deschidere a unui sistem viu față de mediu poate primi următoarea definiție: deschiderea unui sistem viu este dezvoltarea sa inerentă a proprietății universale de interacțiune rapidă a susținerii vieții cu mediul.

În legătură cu cele de mai sus, ne-am stabilit sarcina dezvoltării unei metode de determinare a entropiei în corpul uman sau animal pentru a putea controla procesele de susținere a vieții.

Entropia în corpul uman sau animal poate fi caracterizată prin cinetica O 2 în etapele mișcării sale din atmosferă în corp, care depinde de conținutul de O 2 din aerul inhalat și din aerul conținut în alveolele plămânii (alveolari), timpul de saturație completă a globulelor roșii din sânge cu oxigen în plămâni, timpul acordat eritrocitei pentru eliberarea de O 2 primit în plămâni către celulele corpului și puterea conexiunii dintre hemoglobina eritrocitară cu O2.

Se știe că conținutul de O2 din aerul inhalat depinde de conținutul acestuia în zona de respirație. Conținutul natural de O 2 în aerul spațiilor deschise este mai mare decât în ​​spațiile închise și este în medie de 20,9%. Conținutul de O 2 din aerul alveolar este una dintre constantele homeostatice individuale și (în egală măsură: vârsta, rezistența la deficiența de oxigen etc.) interacționează cu indicatorii de performanță și de sănătate generală a organismului [Sirotinin N.N., 1971; Evgenieva L.Ya., 1974; Karpman V.L., Lyubina B.G., 1982; Meerson F.Z., 1981 etc.].

Se știe că durata de rezidență a eritrocitelor în capilarele pulmonare depinde de viteza fluxului sanguin pulmonar și este de 0,25-0,75 s. Acest timp este suficient pentru oxigenarea sângelui, deoarece în mod normal eritrocitul este complet saturat cu O 2 în 0,25 s [Zayko N.N., Byts Yu.V., Ataman A.V. și altele Fiziologie patologică (Manual pentru studenții universităților de medicină). - La „Logos”, 1996]. Astfel, timpul de saturare completă a unui eritrocit cu oxigen în plămâni, egal cu 0,25 s, caracterizează perioada sau faza contactului efectiv (direct sau deschis) al eritrocitei cu O 2 al aerului alveolar. Se știe că momentul în care eritrocitul eliberează oxigenul primit în plămâni către celulele corpului înainte de următoarea trecere a eritrocitei prin plămâni pentru saturarea cu oxigen caracterizează perioada sau faza de contact ineficient (indirect sau închis) a eritrocitului. a sângelui circulant cu O 2 a aerului alveolar. Durata acestei perioade (fază) depășește semnificativ durata contactului direct al unui eritrocit sanguin circulant cu O 2 al aerului alveolar și depinde de viteza de circulație a sângelui sau de timpul (T) al unui turnover complet al sângelui circulant în corp, care (toate celelalte lucruri fiind egale) este afectat de ritmul cardiac (HR) ) [Babsky E.B., Zubkov A.A., Kositsky G.I., Khodorov B.I. Fiziologia umană. - M.: Medicină, 1966. - P.117]. De exemplu, la un adult normal, cu o frecvență cardiacă de 75 de bătăi/min (stare de repaus muscular), T este o medie de 21,5 s. Luând în considerare diferențele cunoscute de vârstă, sex și între specii în raportul dintre masa inimii și greutatea corporală [Zhedenov V.N. Plămânii și inima animalelor și oamenilor. a 2-a ed. M., 1961. - 478 p.] valoarea lui T la diferite frecvenţe cardiace la animale şi la om poate fi determinată prin următoarea expresie matematică:

T = [ (0,44 ⋅ 75) / (X ⋅ A) ] ⋅ 21,5 ; (1)

T este timpul de turnover complet al unui eritrocit cu curentul de sânge circulant în organism (timpul de turnover complet al sângelui circulant la animalul și ființa umană studiate, timp în care sângele circulant face o rotație completă în suma circulații pulmonare și sistemice), s;

0,44 - masa relativă medie a inimii umane (în raport cu masa corporală totală), care se caracterizează printr-un timp de circulație completă a sângelui de 21,5 s la o frecvență cardiacă de 75 bătăi/min, %;

75 - frecvența cardiacă (HR), la care momentul circulației complete a sângelui circulant la o persoană are loc în medie în 21,5 s, bătăi/min;

21,5 - timpul de circulație completă a sângelui circulant la o persoană la o frecvență cardiacă de 75 bătăi/min, s;

X este masa cardiacă relativă medie reală sau (dacă este imposibil de măsurat) caracteristică oamenilor și speciilor de animale studiate, %; (conform [Zhedenov V.N. Plămânii și inima animalelor și oamenilor. Ed. a 2-a M., 1961. - 478 p.] greutatea inimii din greutatea corporală totală este în medie de 1/215 la bărbați și 1/250 la femei );

A - ritmul cardiac real, măsurat în momentul examinării individului, bătăi/min.

Este cunoscut [Eckert R., Randall D., Augustine J. Animal physiology. T.2. M., 1992], că puterea legăturii hemoglobinei eritrocitare cu O 2 sau rezistența oxihemoglobinei la disociere, celelalte lucruri fiind egale, depinde de valoarea pH-ului sângelui, care, de exemplu, scade odată cu creșterea CO 2 tensiunea în ea și, prin urmare, reduce puterea conexiunii hemoglobinei cu O 2 (afinitatea hemoglobinei pentru O 2), ceea ce promovează eliberarea de O 2 în plasma sanguină și de acolo în țesuturile din jur. De asemenea, se știe că există o relație reciprocă (feedback reciproc) între modificările concentrațiilor de CO 2 și O 2 din organism. Prin urmare, dacă conținutul de CO 2 din orice parte a corpului afectează în mod natural puterea legăturii hemoglobinei cu O 2, atunci influența acestei forțe asupra mișcării ulterioare a O 2 în structurile corpului poate fi luată în considerare de către concentrația de O2 alveolar.

Cu toate acestea, luați separat, acești indicatori fiziologici care influențează interacțiunea O 2 atmosferică cu structurile corpului (fazele contactelor directe și indirecte ale eritrocitelor din sângele circulant cu O 2 alveolar din plămâni și concentrația acestuia) nu pot caracteriza pe deplin. entropia sa, deoarece în acest caz, efectul lor combinat asupra proceselor metabolice nu este luat în considerare.

Obiectivul invenţiei este determinarea entropiei în corpul uman sau animal prin interacţiunea fazelor de contact direct şi indirect ale eritrocitelor sanguine circulante cu O2 alveolar din plămâni şi concentraţia acestuia.

Această problemă este rezolvată în metoda inventiva de determinare a entropiei în corpul uman sau animal, care constă în luarea în considerare a timpului de contact direct al unui eritrocit de sânge circulant cu O 2 alveolar, egal cu 0,25 s, determinând timpul de completare. turnover-ul unui eritrocite cu fluxul sanguin circulant în organism la numărul real de bătăi ale inimii pe minut în funcție de raportul dintre produsul masei relative medii a inimii umane, exprimat ca procent, egal cu 0,44, prin numărul 75, exprimat în bătăi ale inimii pe minut, la produsul masei relative a inimii individului studiat, exprimat ca procent, cu numărul de bătăi ale inimii reale disponibile la momentul studiului pe minut, înmulțit prin momentul turnover-ului complet al unui eritrocit cu curentul de sânge circulant, exprimat în secunde, egal cu numărul 21,5 la 75 bătăi ale inimii pe minut, o măsurătoare exprimată ca procent din conținutul de O 2 din aerul alveolar și caracterizată în acea entropie în corpul uman sau animal este determinată de valoarea obținută din produsul raportului dintre timpul de contact direct al unui eritrocit de sânge circulant cu O 2 alveolar și timpul de turnover complet al unui eritrocit cu fluxul de sângele care circulă în organism la numărul efectiv de bătăi ale inimii pe minut cu procentul de O 2 din aerul alveolar.

unde α este entropia în corpul uman sau animal, %;

0,25 - numărul corespunzător timpului de saturație completă a globulelor roșii din sângele circulant în organism cu oxigen, s;

T este timpul de turnover complet al unui eritrocit cu curentul de sânge circulant în organism, s;

Metoda propusă pentru determinarea entropiei în corpul uman sau animal se bazează pe luarea în considerare a faptului că, odată cu creșterea frecvenței cardiace (HR), durata totală (pe un anumit timp) a contactelor directe ale unui eritrocit în sângele circulant cu oxigenul. în aerul alveolar crește, iar contactele indirecte scad, ceea ce este însoțit de o creștere a metabolismului în organism și o creștere a disipării ireversibile a energiei libere în mediu. Deci, la o persoană (de exemplu, în 10 minute), durata totală a contactelor directe ale unui eritrocit cu O 2 al aerului alveolar la o frecvență cardiacă de 75 bătăi/min (T = 21,5 s) este de 7 s (adică , 600 s/21,5 s = 27,9 rotații de sânge circulant 27,9·0,25 s≈7 s), la o frecvență cardiacă de 100 bătăi/min (T=16,1 s) - 9,3 s, și la o frecvență cardiacă de 180; batai/min (T =8,96 s) - 16,7 s. În același timp, în același timp, durata totală a contactelor indirecte ale eritrocitelor sanguine circulante cu oxigenul aerului alveolar la o frecvență cardiacă de 75 bătăi/min este de 593 s [adică 600 s/21,5 s = 27,9 rotații ale sângelui circulant; 27,9·(21,5 s-0,25 s)=593 s], cu o frecvență cardiacă de 100 bătăi/min - 591 s, și cu o frecvență cardiacă de 180 bătăi/min - 583 s. Astfel, în metoda propusă, deschiderea corpului la atmosferă, metabolismul și entropia cresc odată cu creșterea frecvenței cardiace datorită creșterii fazei de contact direct al eritrocitelor cu atmosfera (aer alveolar-atmosfera) pe unitatea de timp și o reducere în faza opusă fără schimb de gaze cu atmosfera.

Tabelul prezintă exemple de determinare a entropiei (α) la 12 specii diferite de animale, care au fost comparate cu informațiile disponibile în literatură privind speranța medie de viață (media D) a speciilor acestor animale. Pe baza datelor de mai sus, a fost obținută următoarea ecuație de regresie a puterii, care caracterizează relația dintre α și speranța de viață medie statistică (media D):

unde 5,1845 este un coeficient empiric;

R 2 - valoarea fiabilității aproximării dintre D media și α.

Pentru a simplifica expresia matematică 3, am dezvoltat formula 4 cu coeficientul de corelație r D medie / D o medie = 0,996; R<0,001:

unde D o medie este speranța medie de viață așteptată;

5,262 - coeficient empiric;

R 2 - valoarea fiabilității aproximării dintre D o medie și α.

Dependența obținută a speranței de viață a unei specii de animale de entropia în organism face posibilă explicarea longevității rozătoarei „Șobolan al cârtiței goale” (Heterocephalus glaber), care este considerat paradoxal, numai prin locuirea acestui mamifer în dificultate. condiții subterane ventilate (tunele cu un diametru de 2-4 cm, o adâncime de până la 2 m, o lungime de până la 5 km) cu un conținut extrem de scăzut de O 2 în aerul inhalat de la 8 la 12% (în medie 10%) și o concentrație de CO 2 care este letală pentru multe alte animale (10%). Există date despre conținutul de concentrații mari de dioxid de carbon pe suprafața pielii și mucoaselor acestor rozătoare [Shinder A. Un animal care nu simte durere // Săptămânal 2000. - 27.06.03.07.2008. 26 (420)], care nu sunt observate la alte specii de animale. Condițiile specificate de existență a șobolanului aluniță gol duc la concentrații extrem de scăzute de O 2 în alveolele plămânilor (3,5%) și, conform datelor prezentate în tabel, reduc entropia de peste 8 ori în comparație cu alte rozătoare de masă egală, ceea ce, aparent, duce la o creștere semnificativă (de peste 15 ori) a speranței de viață a indivizilor acestei specii. În literatura de specialitate disponibilă, fenomenul indicat de longevitate a Heterocephalus glaber este explicat din punct de vedere genetic printr-o proprietate specială dobândită a corpului său, dar aceasta nu caracterizează încă cauza principală (cauza externă) a formării și consolidării. de această proprietate la această specie de rozătoare. Din rezultatele obținute rezultă că (cu celelalte lucruri fiind egale) durata de viață a unui organism este cel mai probabil o valoare medie ponderată determinată de durata stărilor sale în procesul de ontogeneză, caracterizată prin intensitatea interacțiunii globulelor roșii în circulație. sânge cu oxigen atmosferic.

Totuși, pe baza unei analize a literaturii (Gavrilov L.A., Gavrilova N.S. Biologia speranței de viață M.: Nauka. 1991. - 280 p.) ar trebui considerată incorectă transferarea legilor lumii animale la înțelegerea problemelor. a longevității umane, care este determinată în primul rând de factori socio-economici (nivelul îngrijirii medicale, siguranța muncii și eficiența timpului liber, securitatea materială și confortul spiritual). Întrucât condițiile socio-economice de viață ale Homo sapiens s-au schimbat semnificativ pe parcursul evoluției sale, măsurarea speranței de viață a unei persoane moderne, folosind modelul identificat și reflectat în formula 4, trebuie completată, ținând cont de influența acestor condiții asupra longevitate.

Speranța medie de viață a unei persoane în paleolitic (acum 2,6 milioane de ani), când condițiile sale de viață diferă puțin de animale, era egală cu 31 de ani [Buzhilova A.P. Cu privire la problema semanticii înmormântărilor colective în epoca paleolitică. În carte: Etiologie umană și discipline conexe. Metode moderne de cercetare. Ed. Butovskoy, M.: Institute of Etiology and Anthropology, 2004. P.21-35], care corespunde rezultatului obținut pentru maimuțe, de exemplu, pentru un mascul gorilă:

α (pentru gorilă)=(0,25 s/21,5 s)·14,4%=0,167%;

D aproximativ medie =5,262·0,167 -1 =31,5 ani.

Ținând cont de calculele B.Ts. Urlanis [Urlanis B.Ts. Creșterea speranței de viață în URSS // Cercetări sociale: sat. - M.: Nauka, 1965. - P. 151, 153; Urlanis B.Ts. Schiță despre vârstă // Săptămâna. - 1966. - Nr. 40], în care el, folosind exemplul celor mai avansate și prospere țări, dovedește statistic că speranța de viață biologică specifică speciei sau caracteristică pentru om, ca una dintre speciile de ființe vii (desemnate de autorul normal) ar trebui să aibă 90 de ani, am ajustat formula 4, transformând-o în formula 5, ținând cont de cei 58 de ani suplimentari pe care, în opinia noastră, bărbații și femeile ar trebui să trăiască în condiții socio-economice normale de muncă și viață. . Deci, de exemplu, dacă luăm în considerare că la un adult, concentrația de O 2 în aerul alveolar este în mod normal de 14,4% [Babsky E.B., Zubkov A.A., Kositsky G.I., Khodorov B.I. Fiziologia umană. - M.: Medicine, 1966. - P.117, 143], apoi (cu o frecvență cardiacă medie de 72 de bătăi pe minut tipică bărbaților în stare de repaus muscular și o greutate a inimii de 1/215 din greutatea corporală totală). ) perioada de circulație completă a sângelui circulant în organism este egală cu 21,4 s, α și Do media sunt:

a=(0,25 s/21,4 s)·14,4%=0,168%;

D aproximativ medie =5,262·0,168 -1 =31,3 ani.

Ca urmare, contribuția condițiilor socio-economice normale la speranța de viață a bărbaților este de: 90 de ani - 31,3 ani = 58,7 ani.

Cu o frecvență cardiacă medie caracteristică femeilor în stare de repaus muscular de 78 bătăi/min și o greutate a inimii de 1/250 din greutatea totală a corpului, perioada de circulație completă a sângelui circulant în organism este de 22,7 s, α și D o media sunt:

a=(0,25 s/22,7 s)·14,4%=0,158%;

D aproximativ medie =5,262·0,158 -1 =33,3 ani.

Ca urmare, contribuția condițiilor socio-economice normale la speranța de viață a femeilor este de: 90 de ani - 33,3 ani = 56,7 ani.

Pe baza acestor date obținute, după cum sa menționat mai sus, am acceptat valoarea medie pentru bărbați și femei a contribuției condițiilor socio-economice normale la speranța de viață, egală cu 58 de ani.

Se știe că, spre deosebire de condițiile socio-economice normale care asigură unei persoane o speranță de viață specifică (normală), condițiile socio-economice reale legate de regiunea studiată și perioada de timp de rezidență formează speranța medie de viață. De exemplu, dacă speranța medie de viață în Rusia în 2011 (conform lui Rosstat) a fost de 64,3 ani pentru bărbați și 76,1 ani pentru femei, atunci contribuția condițiilor socio-economice existente (în 2011) la speranța de viață a unui rus a fost:

64,3 ani - 31,3 ani = 33,0 ani (pentru bărbați);

76,1 ani - 33,3 ani = 42,8 ani (pentru femei).

În formulările de speranță de viață normală și medie, conținutul semantic al expresiilor „normal și mediu” ia în considerare, în primul rând, condițiile socio-economice de viață (normal - caracterizează condițiile apropiate de ideal, cele mai propice realizării). a unei specii, speranța de viață biologică, medie - reflectă condițiile reale din regiune într-o anumită perioadă de rezidență). Având în vedere cele de mai sus, speranța de viață a unei persoane (L) ar trebui calculată folosind următoarea expresie matematică:

D o = 5,262 ⋅ α − 1 + A; (5)

unde A este numărul așteptat de ani de viață din cauza condițiilor socio-economice (în condiții apropiate de ideale, desemnate normale - 58 de ani; în alte condiții - numărul de ani obținut prin scăderea din datele statistice cunoscute privind speranța medie de viață în regiune în această perioadă de rezidență este de 31,3 ani pentru bărbați și 33,3 ani pentru femei). Desemnarea simbolurilor rămase este dată mai sus.

Remarcabil academician gerontolog modern D.F. Chebotarev subliniază că speranța de viață a speciilor ar trebui să servească drept un ghid real pentru creșterea speranței medii de viață. Diferența dintre aceste valori reprezintă o rezervă care poate fi dezvoltată cu ușurință prin îmbunătățirea condițiilor și a stilului de viață. El consideră că sarcina tactică a gerontologiei este lupta împotriva îmbătrânirii premature și dezvoltarea cel puțin parțială a acelor rezerve pe care o persoană le are cu siguranță și care sunt determinate de perioada nefolosită dintre media modernă și speranța de viață a speciei, păstrarea sănătății practice pe tot parcursul întreaga perioadă a așa-numitei vârste a treia (de la 60 la 90 de ani). El consideră că sarcina strategică este extinderea longevității active dincolo de durata de viață a speciei a unei persoane [Chebotarev D.F. Mecanismele fiziologice ale îmbătrânirii. L.: Nauka, 1982. - 228 p.]. Formula care definește obiectivele finale ale gerontologiei, „Să adăugați nu numai ani la viață, ci și viață la ani”, întruchipează atât obiectivele tactice, cât și strategice ale acestei științe și combină atât problemele medicale, cât și cele sociale ale îmbătrânirii. Prin urmare, dezvoltarea unor instrumente care să permită evaluarea dezvoltării unor astfel de rezerve corporale care lucrează pentru a atinge longevitatea activă dincolo de speranța normală de viață ar trebui să fie considerată unul dintre pașii primari importanți către rezolvarea problemei complexe a îmbătrânirii. În acest sens, considerăm că metoda pe care am dezvoltat-o ​​pentru a determina deschiderea organismelor umane și animale față de atmosferă este un mijloc important pentru rezolvarea cu succes a acestei probleme, deoarece face posibilă, de exemplu, identificarea și evaluarea a priori a dezvoltarea rezervei de longevitate a organismului în stadiile de ontogeneză și în diferite stări funcționale, pentru a identifica asemănările și diferențele în formarea acestei rezerve la oameni și animale.

Să dăm exemple de utilizare a metodei propuse la oameni și unele animale în diferite stări funcționale (repaus muscular, activitate fizică, tulburări ale sistemului cardiovascular și respirator, perioada neonatală și copilăria ontogenezei postnatale).

La om, atunci când efectuează o muncă moderată, ritmul cardiac este de 100 bătăi/min, concentrația de O 2 în aerul alveolar, măsurată de analizorul de gaz PGA-12 în ultimele porțiuni de aer expirat, se menține la 14,4%. Prin urmare, entropia în corpul uman atunci când se efectuează o muncă moderată este:

α=(0,25 s/15,4 s)·14,4%=0,23%.

Cu această valoare a entropiei, speranța de viață normală și medie în 2011 poate fi:

D o normal =(5,262·0,23 -1)+58 ani=80,9 ani;

D aproximativ medie = (5,262·0,23 -1) + 33,0 ani = 55,9 ani.

La un bărbat cu o tulburare a sistemului cardiovascular și respirator, ritmul cardiac în stare de repaus muscular este de 95 bătăi/min, la efectuarea unui lucru moderat - 130 bătăi/min, concentrația de O 2 în aerul alveolar, măsurată prin un analizor de gaz PGA-12 în condiţiile indicate, egal cu 16,1%. Prin urmare, entropia în corp va fi:

- (în stare de repaus muscular) α 1 =0,25 s/16,2 s·16,1%=0,25%;

- (în starea de a efectua lucrări moderat grele) α 2 =0,25 s/11,9 s·16,1%=0,34%.

Speranța de viață normală și medie a unui bărbat cu tulburări ale sistemului cardiovascular și respirator va fi:

D o1 =(5,262·0,25 -1)+58 ani=79,0 ani (normal în stare de repaus muscular);

D o2 = (5,262·0,34 -1) + 58 de ani = 73,5 ani (normal în stare de executare a muncii moderat dificile);

D o1 =(5,262·0,25 -1)+33,0 ani=54,0 ani (medie în stare de repaus muscular);

D o2 = (5,262·0,34 -1) + 33,0 ani = 48,5 ani (medie în starea de a efectua o muncă moderată).

La un băiat nou-născut, ritmul cardiac este de 150 bătăi/min, greutatea inimii în greutatea totală a corpului este de 0,89%, concentrația de O 2 în aerul alveolar este de 17,8%. După 1/2 și un an mai târziu, ritmul cardiac și conținutul de O 2 din aerul alveolar al copilului au scăzut la 130 și 120 bătăi/min, 17,3 și, respectiv, 17,2%. Prin urmare, entropia în corp este:

La un nou-născut, α=0,25 s/5,31 s·17,8%=0,84%,

1/2 an după naștere α=0,25 s/6,13 s·17,3%=0,70%,

La un an de la naștere α=0,25 s/6,64 s·17,2%=0,65%.

Speranța normală de viață, măsurată în stările funcționale specificate ale corpului, va fi egală cu:

Pentru un nou-născut D o =(5,262·0,84 -1)+58 ani=64,3 ani

1/2 an după naștere D o =(5.262·0.70 -1)+58 ani=65.5 ani

La un an de la naștere D o =(5,262·0,65 -1)+58 ani=66,1 ani.

Speranța medie de viață va fi:

La un nou-născut D o =(5,262·0,84 -1)+33,0 ani=39,3 ani

1/2 an după naștere D o =(5,262·0,70 -1)+33,0 ani=40,5 ani

La un an de la naștere D o =(5,262·0,65 -1)+33,0 ani=41,1 ani.

Diferențele identificate în valoarea entropiei în organism în condițiile indicate sunt în concordanță cu riscul unor probleme de sănătate la care nou-născuții sunt mai expuși, aparent din cauza mecanismelor metabolice insuficient formate. În special, în ceea ce privește greutatea corporală, sugarii și copiii mici beau mai multă apă, consumă mai multă mâncare și inhalează mai mult aer decât adulții [Dyachenko V.G., Rzyankina M.F., Solokhina L.V. Ghid de pediatrie socială: manual / V.G. Dyachenko, M.F. Rzyankina, L.V. Solokhin / Ed. V.G. Dyachenko. - Habarovsk: Editura Dalnevostochny. stat Miere. un-ta. - 2012. - 322 p.]. Aceste rezultate ale testării metodei propuse sunt în concordanță cu datele din literatură că vârsta biologică a corpului nu este o valoare constantă, se modifică în diferite condiții cauzate de vârstă, activitate fizică, sănătate, stres psiho-emoțional și alți factori [Pozdnyakova N.M. , Proshchaev K O.I., Ilnitsky A.N., Pavlova T.V., Bashuk V.V. Vederi moderne asupra posibilităților de evaluare a vârstei biologice în practica clinică // Cercetare fundamentală. - 2011. - Nr 2 - P.17-22].

La vrabia de casă, ritmul cardiac în repaus muscular este de 460 de bătăi/min, iar în zbor - 950 de bătăi/min (această specie de animal are o speranță medie de viață de 1,2 ani și o masă relativă a inimii de 1,5%; [Zhedenov V.N. . Plămâni și inima animalelor și a oamenilor 2 ed. M., 478 p.]), concentrația de O 2 în aerul alveolar. În consecință, entropia în corpul unei vrăbii de casă în aceste condiții va fi egală cu:

- (în stare de repaus muscular) α 1 = (0,25 s/1,03 s) · 14,4% = 3,49%;

- (în timpul zborului) α 2 = (0,25 s/0,50 s) · 14,4% = 7,20%.

Speranța medie de viață a acestei vrăbii va fi:

- (în stare de repaus muscular) D o =(5,262·3,49 -1)=1,5 ani;

- (în timpul zborului) D o = (5.262·7.20 -1) = 0.73 ani.

Din exemple de utilizare a metodei propuse, rezultă că odată cu creșterea entropiei în corpul uman sau animal, speranța de viață normală și medie a indivizilor scade și invers. Rezultatele obținute prin utilizarea metodei propuse sunt în concordanță cu rezultatele cunoscute ale studiilor fiziologice [Marshak M.E. Semnificația fiziologică a dioxidului de carbon. - M.: Medicină, 1969. - 145 p.; Agadzhanyan N.A., Elfimov A.I. Funcțiile corpului în condiții de hipoxie și hipercapnie. M.: Medicină, 1986. - 272 p.; Agadzhanyan N.A., Katkov A.Yu. Rezervele corpului nostru. M.: Znanie, 1990. - 240 p.], care a stabilit efectul antrenării organismului la lipsa de O 2 și excesul de CO 2 asupra îmbunătățirii sănătății, creșterii eficienței și creșterii speranței de viață. Deoarece studiile acestor autori au stabilit în mod fiabil că antrenamentul la lipsa de O 2 și excesul de CO 2 reduce ritmul cardiac, frecvența și profunzimea respirației pulmonare, precum și conținutul de O 2 în aerul alveolar, efectul benefic indicat al unui astfel de antrenament. asupra corpului poate fi explicată prin scăderea realizată a deschiderii sale către atmosferă și disiparea ireversibilă a energiei libere în mediu.

Astfel, în timpul antrenamentului sistematic cu întârzieri volitive în respiraţia pulmonară şi inhalarea amestecurilor de aer hipoxic-hipercapnic care conţin O 2 15-9% şi CO 2 5-11%, aerul alveolar conţine O 2 8,5; 7,5%. Ca rezultat (la ritmul cardiac, de exemplu, 50 bătăi/min) T=32,25 s; a=0,0659%; 0,0581%. Atunci speranța normală de viață va fi:

D o =(5,262·0,0659 -1)+58 ani=138 ani;

D o1 =(5,262·0,0581 -1)+58 ani=149 ani.

Speranța medie de viață pentru bărbați va fi:

D o =(5,262·0,0659 -1)+33,0 ani=113 ani;

D o1 =(5,262·0,0581 -1)+33,0 ani=124 ani.

Astfel, în metoda revendicată pentru determinarea entropiei în corpul uman sau animal, problema invenției este rezolvată: entropia în corpul uman sau animal este determinată de interacțiunea fazelor de contact ale eritrocitelor sanguine circulante cu O2 alveolar în plămânii și concentrația acestuia.

LITERATURĂ

1. Agadzhanyan N.A., Elfimov A.I. Funcțiile corpului în condiții de hipoxie și hipercapnie. M.: Medicină, 1986. - 272 p.

2. Agadzhanyan N.A., Katkov A.Yu. Rezervele corpului nostru. M.: Cunoașterea, 1990. - 240 p.

3. Babsky E.B., Zubkov A.A., Kositsky G.I., Khodorov B.I. Fiziologia umană. - M.: Medicină, 1966. - P. 117, 143.

4. Buzhilova A.P. Cu privire la problema semanticii înmormântărilor colective în epoca paleolitică. În carte: Etiologie umană și discipline conexe. Metode moderne de cercetare. Ed. Butovskoy, M.: Institutul de Etiologie și Antropologie, 2004. - P.21-35.

5. Gavrilov L.A., Gavrilova N.S. Biologia duratei de viață. M.: Nauka, 1991. - 280 p.

6. Dyachenko V.G., Rzyankina M.F., Solokhina L.V. Ghid de pediatrie socială: manual / V.G. Dyachenko, M.F. Rzyankina, L.V. Solokhin / Ed. V.G. Dyachenko. - Habarovsk: Editura Dalnevo-stoch. stat Miere. Universitatea, 2012. - 322 p.

7. Evgenieva L.Ya. Respirația unui atlet - Kiev, Zdorov, 1974. - 101 p.

8. Jedenov V.N. Plămânii și inima animalelor și oamenilor. a 2-a ed. M., 1961. - 478 p.

9. Zaiko N.N., Byts Yu.V., Ataman A.V. și altele Fiziologie patologică (Manual pentru studenții universităților de medicină). - La „Logos”, 1996.

10. Karpman V.L., Lyubina B.G. Dinamica circulației sângelui la sportivi. M.: Cultură fizică și sport, 1982. - 135 p.

11. Marshak M.E. Semnificația fiziologică a dioxidului de carbon. - M.: Medicină, 1969. - 145 p.

12. Meerson F.Z. Adaptare, stres și prevenire. M., 1981.

13. Nikolis G., Prigozhy I. Cunoașterea complexului. M., 1990. - P.293.

14. Pozdnyakova N.M., Proshchaev K.I., Ilnitsky A.N., Pavlova T.V., Bashuk V.V. Vederi moderne asupra posibilităţilor de evaluare a vârstei biologice în practica clinică // Cercetare fundamentală, 2011. - Nr. 2 - P. 17-22.

15. Prigozhy I.R. Introducere în termodinamica proceselor ireversibile. Pe. din engleza M., 1960.

16. Prigozhy I. De la existent la emergent. - M., 1985. - 113 p.

17. Sirotinină N.N. Reglarea respirației și adaptarea fiziologică a funcției respiratorii în timpul hipoxiei // Physiol. în viaţă URSS, 1971. - T.7. - Nr. 12.

18. Urlanis B.Ts. Creșterea speranței de viață în URSS // Cercetări sociale: sat. - M.: Nauka, 1965. - P. 151, 153.

19. Urlanis B.Ts. Schiță despre vârstă // Săptămâna, 1966. - Nr. 40.

20. Frank G.M., Kuzin A.M. Despre esența vieții. - M., 1964. - 350 s.

21. Chebotarev D.F. Mecanismele fiziologice ale îmbătrânirii. L.: Nauka, 1982. - 228 p.

22. Shinder A. Un animal care nu simte durere // Săptămânal 2000.-27.06-03.07.2008. Nr. 26 (420).

23. Eckert R., Randell D., Augustine J. Fiziologia animalelor. T.2. M., 1992.

24. Stahl W.R. Greutățile organelor la primate și alte mamifere, Science, 1965, 150, P.1039-1042.

25. Stahl W.R. Scalarea variabilelor respiratorii la mamifere. J. Apl. Physiol., 1967, 22, p.453-460.

O metodă pentru determinarea entropiei într-un corp uman sau animal, caracterizată prin aceea că masa relativă a inimii în raport cu greutatea corporală în % (X), numărul de bătăi ale inimii (A) și conținutul de oxigen din aerul alveolar al plămânilor în Se determină % (Co 2 ) iar calculul se efectuează după formula: α=(0,25/T)·Co 2, unde α este entropia în%, T este timpul de turnover complet al unui eritrocit cu sângele circulant debit în sec, în timp ce T=[(0,44.75)/( X·A)]·21,5.

Brevete similare:

Invenţia se referă la medicină, şi anume pneumologie, alergologie, cardiologie, diagnostic funcţional. Proprietățile elastice și funcționale ale aortei sunt evaluate prin analiza caracteristicilor undei de puls înregistrate prin arteriografia neinvazivă.

Grupul de invenții se referă la diagnosticul medical. Dispozitivul pentru colectarea informațiilor transportate de puls conține o componentă senzor, iar componenta senzor specificată conține o mașină electrică instalată în carcasă, un șurub conectat la mașina electrică specificată, o structură de ridicare situată în afara șurubului specificat și o sondă cu senzor fixat la baza modelelor de ridicare specificate.

Invenţia se referă la medicină, medicina legală, domeniul măsurătorilor în scopuri de diagnostic, inclusiv în practica investigativă. Testarea psihofiziologică interactivă (IPT) include prezentarea întrebărilor de testare persoanei testate, determinarea și analizarea parametrilor psihogenezei folosind senzori ai parametrilor fizici ai persoanei testate, afișarea rezultatelor și emiterea unei judecăți.

Invenția se referă la domeniul medicinei și tehnologiei medicale și poate fi utilizată pentru evaluarea stării sistemului cardiovascular uman (CVS), inclusiv pentru implementarea diagnosticului electronic automat prin monitorizarea de la distanță a datelor cardiace umane, precum și pentru examinarea preventivă. a populației pentru a identifica riscul de apariție a bolii coronariene cardiace (CHD).

Invenţia se referă la medicină, şi anume la oftalmologie, şi are scopul de a prezice valoarea maximă a fluctuaţiilor zilnice ale presiunii intraoculare (PIO) la pacienţii cu manifestări oculare ale sindromului de pseudoexfoliere (PES).

Invenţia se referă la mijloace pentru monitorizarea fără contact a respiraţiei unui pacient. O metodă pentru detectarea unei schimbări de la expirație la inhalare a unui pacient sau invers, inclusiv etapele emiterii unui semnal electromagnetic către pacient și recepționării semnalului reflectat de la pacient, conversia semnalului reflectat pentru a obține un prim semnal, schimbarea fazei a semnalului electromagnetic reflectat și conversia acestuia pentru a obține un al doilea semnal, detectarea utilizând unitatea de calcul pentru primele treceri simultane cu zero în derivata în timp a primului semnal și în derivata în timp a celui de-al doilea semnal, a doua trecere simultană cu zero în derivata în timp a primul semnal și în derivata în timp a celui de-al doilea semnal și treceri simultane de a treia cu zero în derivata în timp a primului semnal și în derivata în timp a celui de-al doilea semnal, determinând primul și al doilea vector și calculând produsul lor punctual ca un valoare indicator pentru trecerea de la expirație la inspirație a pacientului sau invers, comparând valoarea indicatorului cu o valoare de prag predefinită și indicând schimbarea de la expirație la inspirație a pacientului sau invers dacă valoarea indicatorului este mai mică decât valoarea de prag.

Invenţia se referă la medicină, şi anume la chirurgie, şi poate fi utilizată la efectuarea colecistectomiei la pacienţii cu colelitiază. Pentru a face acest lucru, se determină mai întâi indicele de masă corporală (IMC) al pacienților, nivelul glicemiei, glucozuria, se măsoară tensiunea arterială și se detectează prezența osteocondrozei spinale și a artrozei articulațiilor genunchiului.

Invenţia se referă la domeniul medicinei, şi anume la cardiologie pediatrică, şi poate fi utilizată pentru determinarea formei de hipertensiune arterială esenţială la copii şi adolescenţi. La copiii și adolescenții cu hipertensiune arterială esențială, valoarea volumului vascular cerebral al ventriculului stâng este determinată în funcție de ecocardiografie, conținutul de plumb din serul sanguin și se calculează valoarea indicelui de timp al hipertensiunii arteriale a tensiunii arteriale sistolice în timpul zilei. folosind formula de analiză de regresie: IV SBP day = 0,12 + 0, 0035*UO+0,13*Pb syv., unde IV SBP day este indicele de timp al hipertensiunii arteriale SBP în timpul zilei; SV - volumul stroke al ventriculului stâng conform ecocardiografiei; Pb uscat - continutul de plumb in serul sanguin. Când valoarea indicelui de timp al hipertensiunii arteriale sistolice este în intervalul de la 0,25 la 0,50, forma hipertensiunii arteriale esențiale este definită ca fiind labilă, cu valori mai mari de 0,50 - o formă stabilă de hipertensiune arterială esențială. Metoda face posibilă determinarea formei hipertensiunii arteriale esențiale la copii și adolescenți prin determinarea conținutului de plumb din serul sanguin în funcție de spectrofotometria de absorbție atomică și a volumului vascular cerebral al ventriculului stâng conform ecocardiografiei. 1 filă, 3 av.

Invenţia se referă la medicina sportivă, şi anume la o metodă de diagnostic prenosologic al sănătăţii sportivilor. O examinare clinică și de laborator cuprinzătoare a sportivului este efectuată la 12-16 ore după încetarea activității fizice grele. Sfera studiului este determinată luând în considerare organele și sistemele cele mai vulnerabile la stres fizic atunci când se evaluează criteriile semnificative din punct de vedere prognostic pentru starea morfofuncțională a organismului. Studiul include determinarea și analiza indicatorilor biochimici, hematologici, imunologici și funcționali, precum și a indicatorilor saturației de vitamine și minerale a organismului. Și, dacă acești indicatori rămân modificați stabil, semnificativ diferiți de valorile normale, sunt diagnosticate modificări nespecifice ale organelor și sistemelor sportivului. Metoda oferă diagnosticarea precoce a modificărilor semnificative ale organelor și sistemelor corpului în timpul ciclului de antrenament și competiție, ceea ce face posibilă luarea ulterior de măsuri în timp util pentru a preveni dezvoltarea ulterioară a stărilor patologice și, în acest sens, menținerea performanței profesionale și atingerea rezultate sportive constant ridicate.

Invenția se referă la echipamente medicale. Un dispozitiv pentru măsurarea tensiunii arteriale în condiții de activitate fizică a unei persoane conține un senzor de măsurare a undei de puls sub o manșetă pneumatică la locația arterei brahiale și un senzor compensator de undă de puls pe partea diametral opusă a brațului. Ieșirile senzorilor de măsurare și compensare sunt conectate la amplificatoarele corespunzătoare, care sunt conectate la un scădere, a cărui ieșire este conectată la un filtru trece-bandă, care este ieșirea contorului de presiune. Dispozitivul este echipat suplimentar cu un al doilea filtru trece-bandă, primul și al doilea comparator, prima și a doua sursă de tensiune de prag negativă, primul și al doilea multivibrator de așteptare, un element logic 2I și un dispozitiv pentru generarea unui semnal de informare despre deplasarea inacceptabilă a senzorului. Utilizarea invenţiei va elimina alarmele false şi erorile în măsurarea tensiunii arteriale în cazurile de deplasare inacceptabilă a senzorilor de la punctul de instalare prin obţinerea promptă a informaţiilor despre aceasta. 4 bolnavi.

Invenţia se referă la medicină, şi anume la boli interne. Pacientul este testat, se determină semnele clinice și fiecare este punctat și se calculează un indicator de diagnostic. Totodată, se determină semnele clinice: hipertensiunea arterială, ținând cont de stadiul și durata acesteia; diabet zaharat, durata acestuia ținând cont de vârsta și complicațiile pacientului; boala coronariană și durata acesteia, prezența anginei pectorale, infarctul miocardic și durata acesteia; vârsta pacientului; aderența la tratament; fumat. Absența oricăruia dintre semnele enumerate se punctează cu 0 puncte. După aceea, se calculează suma punctelor, în funcție de valoarea obținută, se prezice o probabilitate mare, moderată sau scăzută de a suferi un AVC „tăcut”. Metoda face posibilă stabilirea în mod fiabil a prezenței unui accident vascular cerebral „tăcut”, care se realizează prin identificarea semnelor semnificative clinic și clasarea acestora, ținând cont de caracteristicile individuale ale severității lor la pacient. 3 ill., 4 tabele, 3 ex.

Invenția se referă la medicină, și anume la medicina preventivă, și are ca scop identificarea tinerilor cu risc crescut de a dezvolta boli cardiovasculare pentru corectarea în timp util a acesteia. Se efectuează un sondaj pentru a identifica principalii factori de risc pentru dezvoltarea bolilor cardiovasculare, în conformitate cu Ghidurile Naționale pentru Prevenirea Cardiovasculară. Rezultatul sondajului se apreciază în puncte: dacă nivelul de stres psihologic este de 3,01-4 pentru bărbați și 2,83-4 pentru femei, se atribuie 0 puncte; dacă 2,01-3 pentru bărbați și 1,83-2,82 pentru femei, se atribuie 1 punct; dacă 2 sau mai puțin pentru bărbați și 1,82 sau mai puțin pentru femei, se atribuie 2 puncte; dacă respondentul nu fumează, se atribuie 0 puncte dacă respondentul fumează mai puțin de 1 țigară pe zi, se atribuie 1 punct dacă respondentul fumează 1 sau mai multe țigări pe zi; când se consumă 13,7 grame sau mai puțin de etanol pe zi, se atribuie 0 puncte, când se consumă de la 13,8 grame la 27,4 grame - 1 punct, când se consumă 27,5 grame sau mai mult - 2 puncte; dacă tensiunea arterială este mai mică de 129/84 mmHg, se atribuie 0 puncte, dacă se află în intervalul 130-139/85-89 mmHg. - 1 punct dacă 140/90 mmHg. și mai mult - 2 puncte; dacă indicele de masă corporală este de 24,9 kg/m2 sau mai puțin, se atribuie 0 puncte, dacă se află în intervalul 25-29,9 kg/m2 - 1 punct, dacă 30 kg/m2 sau mai mult - 2 puncte; pentru activitatea fizică însoțită de ardere de energie de 3 MET/min sau mai mult în ultimele șase luni sau mai mult, se atribuie 0 puncte, pentru activitatea fizică însoțită de ardere de energie de 3 MET/min pentru mai puțin de ultimele șase luni - 1 punct, pentru activitate fizică însoțită de energie de ardere mai mică de 3 MET/min, alocate 2 puncte; la consumul de 500 g sau mai mult de legume și fructe pe zi se acordă 0 puncte, la consumul de mai puțin de 500 g - 1 punct, dacă nu există legume și fructe în alimentația zilnică - 2 puncte; dacă ritmul cardiac în repaus este de la 50 la 69 pe minut, se atribuie 0 puncte, de la 70 la 79 pe minut - 1 punct, 80 pe minut sau mai mult - 2 puncte; cu antecedente negative de boli cardiovasculare în cazul manifestării bolii coronariene sau BCV la rudele de gradul I la bărbați sub 55 de ani și la femeile sub 65 de ani, se atribuie 0 puncte, cu antecedente cardiovasculare pozitive. boli - 1 punct. Punctele sunt însumate, iar dacă suma este de 8 puncte sau mai mult, respondentul este clasificat ca grup cu risc crescut pentru dezvoltarea bolilor cardiovasculare și se recomandă măsuri preventive. Metoda face posibilă determinarea riscului de boli cardiovasculare la tineri prin evaluarea factorilor de risc. 1 filă, 1 pr.

Metoda se referă la domeniul medicinei, și anume la diagnosticarea clinică, și are ca scop identificarea persoanelor sănătoase cu boli cronice neinfecțioase sau predispoziție la acestea folosind o evaluare integrală a factorilor de risc, a stării de sănătate suboptimale și a disfuncției endoteliale. Pacientul răspunde la chestionarul „Evaluarea stării de sănătate suboptimale. SHS-25”, indică istoricul dumneavoastră de fumat și numărul de țigări fumate pe zi. În plus, se măsoară greutatea pacientului, înălțimea, tensiunea arterială sistolică și diastolică, glicemia, colesterolul total din sânge și indicii rigidității peretelui vascular și reflectarea undei de puls sunt măsurați folosind un test de manșetă. Sunt calculati indicii fumătorului, greutatea corporală și indicatorii funcției endoteliale. Prelucrarea datelor computerizate se realizează în conformitate cu ecuațiile. Pe baza celei mai mari valori obținute în urma calculelor, subiectul va fi repartizat într-una din cele cinci grupe: starea optimă de sănătate, starea de sănătate suboptimă cu risc scăzut de apariție a stărilor patologice, starea de sănătate suboptimă a riscului ridicat de apariție a afecțiunilor patologice, fenotipul cardiovascular al starea de sănătate suboptimală cu risc scăzut de dezvoltare a patologiei cardiovasculare, fenotipul cardiovascular de starea de sănătate suboptimă cu risc ridicat de dezvoltare a patologiei cardiovasculare. Metoda vă permite să evaluați starea de sănătate care prezintă abateri de sănătate în stadiul preclinic prin identificarea și evaluarea factorilor de risc și determinarea stării de sănătate suboptimale. 1 av.

Invenția se referă la domeniul medicinei și poate fi utilizată de stomatologi în diverse domenii. Înainte de începerea procedurilor stomatologice, testele sunt utilizate pentru a identifica gradul de stres psiho-emoțional și starea psihofiziologică a pacientului, precum și pentru a determina nivelul pulsului înainte de primul test (P1), între două teste (P2) și după cel de-al doilea test ( P3). În prezența unui grad ușor de stres psiho-emoțional, o stare psihofiziologică stabilă în combinație cu diferența dintre P3 și P2 de cel mult 15 bătăi/min față de diferența dintre P2 și P1, se evaluează starea psiho-emoțională. ca stabilă şi se precizează disponibilitatea pacientului pentru intervenţia stomatologică. În prezența unui grad mediu de stres psiho-emoțional, o stare psihofiziologică limită în combinație cu diferența dintre P3 și P2 nu mai mult de 15 bătăi/min față de starea optimă cu diferența dintre P2 și P1, psiho-emoțional starea este evaluată ca labilă și necesitatea efectelor de relaxare asupra pacientului este declarată înainte de intervenția stomatologică. În prezența unui grad sever de stres psiho-emoțional, a unei stări psihofiziologice instabile în combinație cu diferența dintre P3 și P2 de peste 15 bătăi/min față de diferența dintre P2 și P1, starea psiho-emoțională este evaluată ca nefavorabil interventiei dentare, necesitand intarzierea acesteia. Metoda vă permite să efectuați o evaluare rapidă a stării psiho-emoționale a pacientului înainte de intervenția stomatologică. 3 av.

Grupul de invenții se referă la medicină. Sistemul de măsurare a tensiunii arteriale care utilizează metoda indirectă conține un dispozitiv pentru aplicarea unei forțe de contact externe arterei care este măsurată, un senzor de expresie arterială și un dispozitiv de măsurare și înregistrare pentru determinarea perioadelor sistolice și diastolice ale ciclului arterial pe baza valorilor. inregistrat de senzor. Dispozitivul de măsurare și înregistrare măsoară presiunea diastolică în timpul perioadei diastolice înainte ca artera să fie complet oclusă și măsoară presiunea sistolice în timpul perioadei sistolice când artera este obturată. Senzorul înregistrează simptome semnificative înainte, în timpul și după primirea unei forțe externe. La măsurarea tensiunii arteriale prin obliterare, ciclul arterial se obține prin distingerea perioadelor sistolice și diastolice fără a afecta fluxul sanguin și peretele arterial de către forțele externe. Aplicați o forță externă arterei și înregistrați expresia arterială din fiecare perioadă. Forța externă crește până la egalizarea tensiunii arteriale în perioada de măsurat. Tensiunea arterială specificată este măsurată într-un ciclu arterial dat când semnul pronunțat arterial dispare în oricare dintre perioadele sistolice sau diastolice. Când se măsoară tensiunea arterială diastolică prin eliberare, o forță externă este aplicată arterei până când aceasta este obturată. Forța externă este slăbită până la egalizarea tensiunii arteriale în perioada diastolică. Presiunea diastolică se măsoară atunci când se înregistrează un semn exprimat arterial în momentul în care apare un semn exprimat arterial din perioada diastolică a ciclului arterial. Utilizarea unui grup de invenții va îmbunătăți acuratețea măsurării indirecte a tensiunii arteriale. 3 n. și 29 z.p. f-ly, 13 bolnav.

Invenția se referă la echipamente medicale. Un dispozitiv pentru înregistrarea pulsațiilor sângelui arterial conține un generator de impulsuri, o sursă de lumină, un fotodetector, un convertor de curent/tensiune, un amplificator de tensiune alternativă, un demodulator sincron și un filtru trece-bandă. În plus, dispozitivul include un accelerometru, un convertor analog-digital, un microcontroler, un filtru adaptiv și o unitate de scădere. Ieșirea filtrului trece-bandă este conectată la prima intrare a convertorului analog-digital, ieșirea accelerometrului este conectată la a doua intrare a convertorului analog-digital, ieșirea convertorului analog-digital este conectată la intrarea microcontrolerului, prima ieșire a microcontrolerului este conectată la prima intrare a blocului de scădere, a doua ieșire a microcontrolerului este conectată la primul filtru adaptiv de intrare, ieșirea blocului de scădere este conectată la a doua intrare a filtrului adaptiv, ieșirea filtrului adaptiv este conectată la a doua intrare a blocului de scădere. Utilizarea invenţiei va face posibilă creşterea imunităţii la zgomot la înregistrarea unui semnal de pulsaţie arterială umană în prezenţa artefactelor de mişcare cauzate de mişcări aleatorii ale subiectului. 1 bolnav.

Invenția se referă la biologie și medicină, și anume la studiul influenței mediului și mediului intern al organismului asupra sănătății umane sau animale. Metoda se referă la studiul entropiei în organism. Pentru a face acest lucru, determinați masa relativă a inimii în raport cu greutatea corporală, numărul de contracții ale inimii și conținutul de oxigen din aerul alveolar al plămânilor. Calculul se efectuează după formula: α·Co2, unde α este entropia în, T este timpul de turnover complet al eritrocitei cu fluxul sanguin circulant în sec, cu T·21,5. Metoda face posibilă măsurarea caracteristicii principale a unui organism care unește sistemele vii, care poate fi utilizată pentru a determina vârsta biologică, starea de sănătate și pentru a studia efectul diferitelor mijloace de prevenire a problemelor de sănătate și de prelungire a vieții. 1 masă

„Omul nu poate găsi esența materiei, ceea ce se face sub soare,
- oricât de mult încearcă o persoană să caute, nu o va găsi;
și chiar dacă înțeleptul spune că poate, nu o va găsi.”
Solomon cel Înțelept, regele evreilor, secolul al X-lea î.Hr.

Așa este această lume și de ce este așa?
Nici cel deștept, nici cel prost nu știu asta.
D. I. Fonvizin (1745 – 1792).

Un sistem poate fi numit o colecție de părți care interacționează. Este un fapt experimental că unele proprietăți ale părților sunt dictate de sistemul însuși, că proprietățile integrative, sistemice ale acestei totalități nu sunt proprietățile părților în sine. Pentru o persoană cu gândire inductivă, această idee este sediție și cineva ar dori să o anatematizeze.

O celulă dintr-un corp uman viu.

O celulă umană face parte dintr-un organism. Volumul geometric intern al unei celule este limitat de mediul extern printr-o membrană, o înveliș. Prin această graniță are loc interacțiunea dintre mediu și celulă. Vom considera celula umană cu învelișul ei ca un sistem termodinamic, chiar dacă marii termodinamiști ai timpului nostru consideră celula propriului nostru corp un obiect vulgar și nedemn de luat în considerare pentru termodinamică.

În raport cu o celulă umană, mediul extern este un fluid intercelular, o soluție apoasă. Compoziția sa este determinată de schimbul de substanțe chimice cu vasele de sânge (capilare) și schimbul cu multe celule. Din fluidul intercelular, substanțele „utile” și oxigenul intră în celulă prin membrană. Din celulă prin aceeași membrană, produsele reziduale ies în fluidul intercelular, acestea sunt substanțe necesare organismului, subproduse, deșeuri și componente nereacționate. În consecință, celula umană, ca sistem termodinamic, interacționează cu mediul extern chimic. Potențialul acestei interacțiuni este notat în mod tradițional cu litera μ, iar coordonatele stării acestui tip de interacțiune este notat cu m. Atunci cantitatea acestei interacțiuni între lumea exterioară și celulele corpului este egală cu

unde j este numărul traseului transformărilor chimice succesive și/sau paralele, m j este masa substanței j-a nou formată. Indicele (e) din partea de sus înseamnă că ar trebui să luăm valoarea potențialului de transformare j-a pentru mediul extern, adică. pentru lichidul intercelular.

În același timp, prin membrana celulară a corpului are loc interacțiunea termică cu potențialul T (temperatura absolută) și coordonata termică s (entropia). Cantitatea de interacțiune este T (e) ds.

Neglijăm interacțiunea de deformare (potențial - presiune, coordonată stare - volum specific al sistemului) pentru lichide.

Atunci prima lege a termodinamicii pentru un sistem termo-chimic este scrisă în formă standard:

du = μ j (e) dm j + T (e) ds ,

unde u este energia internă a sistemului.

Dacă potențialele din celula corpului μ j (i) și T (i) sunt apropiate de potențialele din exterior, atunci are loc echilibrul. Echilibrul înseamnă că cantitatea de reactanți inițiali și cantitatea de produși de reacție în transformările chimice reversibile devin neschimbate (toate reacțiile chimice sunt reversibile).

O proprietate sistemică a organismului este că scopul funcțional al fiecărei celule umane este producerea de substanțe necesare organismului (proteine, grăsimi, enzime, purtători de energie etc.). Celula trebuie emisiune aceste substanțe în lichidul intercelular și mai departe în sistemul circulator. Prin urmare, starea celulei umane acolo trebuie sa fie neechilibru, iar procesele de schimb sunt ireversibile. Aceasta înseamnă că dacă

Δμ j = μ j (e) – μ j (i), apoi Δμ j /μ j (i) ≥ 10 0.

Pentru situația luată în considerare (ireversibilitate), prima lege a termodinamicii ia forma:

du = T (e) ds + (Δμ j + μ j (i))dm j = T (e) ds + μ j (i) dm j + Δμ j dm j .

Ultimul termen din această ecuație se datorează ireversibilității procesului de interacțiune chimică. Și, conform celei de-a doua lege a termodinamicii, această ireversibilitate duce în mod necesar la o creștere a entropiei:

Δμ j dm j = T (i) ds (m) diss, unde ds (m) diss > 0. (diss = disipare).

Totul se întâmplă ca și cum ar fi ireversibil în timpul interacțiunii orice un fel de „aprinde” într-un sistem termodinamic o sursă de căldură cu activitate T (i) ds (m) diss, celula corpului se încălzește (nu neapărat în sensul creșterii temperaturii, ca în bucătărie, ci într-un sens mai larg - furnizarea de căldură). O creștere a entropiei într-o celulă umană cu siguranță distorsionează cursul reacțiilor chimice (mai multe despre asta puțin mai târziu). Sunt generate substanțe, resturi și toxine care nu sunt necesare organismului, iar soluția este diluată. Corpul trebuie să elimine entropia din celulă, altfel îi va face asta!

Termodinamica indică una dintre modalitățile de a elimina entropia: este necesar să se reducă potențialul termic T (e), să-l facă mai mic decât T (i). Și pentru a realiza îndepărtarea căldurii, diferența de temperatură ΔT = T (i) – T (e) trebuie să fie din nou o valoare finită, prin urmare, procesul de schimb de căldură va deveni și el ireversibil, o altă sursă de căldură cu activitate T (i) ds. (T) va apărea diss. În cele din urmă, prima lege a termodinamicii pentru un sistem termo-chimic cu procese de schimb ireversibile va lua forma:

du = T (i) ds + μ j (i) dm j + T (i) ds (m) diss + T (i) ds (T) diss.

Primii doi termeni din du din dreapta sunt responsabili pentru procesele de interacțiune reversibile, ultimii doi - pentru cele ireversibile, iar ultimul se datorează penultimului. În consecință, o parte din energia internă a sistemului este convertită ireversibil în căldură, adică. celula umană generează entropie.

Aici ne vom concentra asupra aplicării metodei termodinamice de analiză celulară într-un organism viu. Oprirea este determinată de sensul epigrafelor acestui articol: această metodă de cercetare necesită și informații cantitative, pe care nu le avem. Dar ceea ce avem merită mult! Rămâne doar să faci un comentariu și să primești consecințe.

De ce este entropia periculoasă în celula unui organism?

Să încercăm să înțelegem de ce o creștere a entropiei ds (m) diss > 0 și ds (T) diss > 0 este periculoasă pentru organism. Sau poate această creștere este favorabilă?

Organismul „cere” celulei funcționarea acesteia, efectuarea unor servicii utile și necesare consumatorilor sub forma producerii anumitor substanțe. Mai mult decât atât, necesită implementarea acestor servicii „rapid” într-un anumit sens. Viteza de transformare este determinată de caracterul finit al diferențelor de potențial, utilizarea catalizatorilor și a moleculelor speciale de transport. Dar în orice situație este necesar să se aranjeze moleculele reactante strâns și în apropiere (în sens geometric). În plus, moleculele reactive, datorită energiei lor E, trebuie să „excite” învelișurile electronice ale unor atomi, apoi poate avea loc un act de conexiune și sinteză cu formarea de noi substanțe.

Moleculele dintr-o celulă umană, de regulă, au o structură spațială tridimensională complexă. Și, prin urmare, astfel de molecule au multe grade de libertate de mișcare a elementelor. Aceasta poate fi o mișcare de rotație a fragmentelor unei molecule sau poate fi o mișcare de vibrație a acelorași fragmente și a acelorași atomi individuali. Probabil, rotația fragmentelor mari ale unei molecule în fază lichidă este dificilă, foarte strânsă. Aparent, doar fragmente mici se rotesc. Dar densitatea mare a fazei lichide nu interferează prea mult cu vibrațiile fragmentelor mici și ale atomilor individuali ai moleculei. În orice caz, numărul de grade de libertate de mișcare într-o astfel de moleculă este enorm, prin urmare, numărul total W de opțiuni pentru distribuirea energiei E peste aceste grade de libertate este și mai mare. Dacă îl urmăm pe Boltzmann și acceptăm

apoi creșterea entropiei în celula corpului duce la eliminarea energiei din opțiunile care pot excita învelișurile electronice cu formarea ulterioară a substanțelor „necesare”. Mai mult, odată cu o astfel de creștere a entropiei, încep să fie sintetizați produse secundare.

Corpul va trebui să restabilească ordinea în celula umană, să elimine entropia din volumul celulei pentru a concentra energia moleculelor în grade „utile” de libertate. Bietul organism, chiar și la nivel celular nu are gratuități: dacă vrei să obții ceva valoros, elimină entropia din celulă.

Metode de intensificare a eliminării entropiei.

Din teoria transferului de căldură rezultă că cantitatea de căldură

dQ = kF(T (i) – T (e)) dτ = (T (i) ds (m) diss + T (i) ds (T) diss)ρV,

unde k este coeficientul de transfer de căldură, F este suprafața de schimb de căldură (membrana celulară a corpului), τ este timpul, ρ este densitatea sistemului. Să împărțim ambele părți ale acestei ecuații la volumul celulei V. Apoi factorul F/V ∼ d -1 va apărea în stânga, unde d este dimensiunea caracteristică a celulei corpului. În consecință, cu cât celula este mai mică, cu atât este mai intens procesul de îndepărtare a entropiei la aceeași diferență de potențial termic. Mai mult, odată cu scăderea mărimii d, această diferență poate fi redusă la același dQ și, prin urmare, măsura ireversibilității termice ds (T) diss.

Cu alte cuvinte, generarea de entropie are loc în volumul celulei V ∼ d 3, iar îndepărtarea entropiei din celula umană are loc prin suprafața F ∼ d 2 (vezi Fig. 1).

Orez. 1. Ilustrație pentru determinarea dimensiunii critice a celulei unui organism.

Dar celula își mărește masa și, prin urmare, volumul. Și în timp ce d d 0 suprafața îndepărtează mai puțină entropie decât este generată și chiar și la rata mediului extern. Când d > d 0, celula se va „încălzi” și va începe să dăuneze organismului. Ce să fac? Pe de o parte, o celulă umană trebuie să-și mărească masa, dar, pe de altă parte, nu își poate crește dimensiunea. Singura modalitate de a „salva” o celulă și un organism este diviziunea celulară. Dintr-o celulă „mare” de mărimea d 0 (presupunând pentru simplitate că o celulă umană este sferică deocamdată), se formează doi „copii” de dimensiunea d p:

πd 0 3 /6 = 2πd 3 r /6 > d r = 2 -1/3 d 0 = 0,794d 0 .

Mărimea „copiilor” va fi cu 20% mai mică decât dimensiunea „mamei”. În fig. Figura 2 prezintă dinamica dimensiunii celulelor umane din organism.

Orez. 2. Dinamica dimensiunii celulelor corpului. d 00 – dimensiunea celulei la un nou-născut.

cometariu. O creștere a intensității eliminării entropiei dintr-o celulă umană este posibilă nu numai prin scăderea temperaturii T (e) a fluidului intercelular și, în consecință, a sângelui din capilare, ci și prin creșterea temperaturii T (i) în interior. celula corpului. Dar această metodă va schimba întreaga chimie a celulei, va înceta să-și îndeplinească funcțiile în organism și chiar va începe să producă tot felul de „gunoi”. Amintește-ți cât de rău te simți din cauza temperaturii ridicate din cauza unor boli. Este mai bine să nu atingeți temperatura într-o celulă umană pentru ca organismul să funcționeze, celula va trebui să se dividă în mod regulat, iar aceeași circumstanță reduce creșterea ds (T) diss > 0.

Încă o notă. Dacă luăm în considerare suprafața specifică a corpurilor de diferite forme geometrice, nu este dificil să vedem că suprafața specifică minimă este o sferă. Prin urmare, în nord și Siberia, locuitorii construiesc case sub formă de emisfere și încearcă să facă și case de dimensiuni mari (d > d 0) pentru 2-3 familii. Acest lucru vă permite să economisiți în mod semnificativ energia la pregătirea lemnului de foc pentru iarnă. Dar în țările fierbinți, casele sunt construite sub formă de corpuri alungite, cu un număr mare de extensii. Pentru a intensifica eliminarea entropiei dintr-o celulă umană, aceasta din urmă trebuie să aibă o formă care este departe de a fi sferică.

Entropia conduce totul.

Acum să încercăm să ne imaginăm ce s-ar întâmpla dacă celulele nervoase umane (neuronii cu procesele lor dendritice și sinapsele la capete) s-ar diviza și ele. Un neurofiziolog ar fi imediat îngrozit de o astfel de perspectivă: ar însemna pur și simplu distrugerea întregului sistem de inervație al corpului și funcționarea creierului. O persoană tocmai a stăpânit unele cunoștințe, a dobândit o anumită abilitate, tehnică și dintr-o dată totul a dispărut, a început din nou sau a dispărut.

Un simplu analog al diviziunii celulelor nervoase sunt loviturile, tulburările, revoltele și revoluțiile, adică. schimbarea echipei elitei conducătoare într-o țară. Și atunci popoarele se zvârcește îndelung, adaptându-se noilor domnitori. Nu, celulele nervoase umane pur funcționale nu pot fi lăsate să se divizeze!

Cum se realizează acest lucru, deoarece entropia în celulele corpului crește inexorabil? În primul rând, să acordăm atenție ramificării celulei nervoase umane, dezvoltării mari a suprafeței sale de transfer de căldură (suprafața unui fir subțire lung este mult mai mare decât suprafața unei mingi de același volum).

În plus, se dovedește că organismul monitorizează cu atenție temperatura sângelui arterial care intră în creier. Acest lucru se manifestă, în special, prin faptul că animalele cu sânge cald au creat un sistem autonom (cerc mic) de circulație a sângelui. Singurul senzor de temperatură este localizat în artera carotidă, cu ajutorul său corpul controlează temperatura sângelui arterial care vine la creier. Preocuparea cu privire la reglarea acestei temperaturi a ajuns la punctul în care animalele terestre cu sânge cald au capacitatea suplimentară de a răci sângele care intră în creier. Se pare că artera carotidă se ramifică astfel încât o parte din bypassul sângelui trece prin schimbătoarele de căldură ale urechii. Un senzor special controlează fluxul acestui sânge. Dacă temperatura a crescut peste valoarea nominală, atunci acest debit crește, sângele se răcește în urechi în briza, apoi se amestecă cu fluxul principal și este trimis la creier.

Adu-ți aminte de bietul elefant african: la căldură trebuie să bati din urechi tot timpul. Amintiți-vă cât de mari sunt urechile mamiferelor în țările fierbinți și cât de mici sunt în țările reci. Într-o baie rusească sau într-o baie de aburi, ar trebui să vă acoperiți urechile pentru a vă bucura de o baie de aburi mai lungă. Când schiați iarna, trebuie să vă acoperiți din nou urechile pentru a nu vă răcori creierul. Un elev cu o notă proastă, care visează la un C rușinos, are mereu urechi roșii în timpul unui examen sau test, în timp ce un elev excelent are urechi de culoare normală. Îți poți determina imediat nota după culoarea urechilor!

Ei bine, când capul uman încetează complet să mai gândească, adică. a acumulat multă entropie în celulele nervoase ale creierului, atunci va trebui să mergeți la o plimbare, să schimbați tipul de activitate, de exemplu, să tăiați lemne. În cele din urmă, doar dormi, eliberează sarcina neuronilor creierului, reduce producția de entropie și, în 8 ore de somn noaptea, scoate-l din creier cu ajutorul sângelui venos. Se dovedește că acumularea de entropie în celulele nervoase ale unei persoane determină întregul său tipar de viață: dimineața mergem la serviciu, apoi plecăm acasă de la serviciu, ne odihnim puțin și apoi dormim.

Mi-aș dori să putem găsi un mecanism pentru eliminarea entropiei din celulele nervoase, astfel încât să putem lucra 24 de ore pe zi! Ce bucurie ar fi pentru oamenii creativi si exploatatori! PIB-ul țării ar crește imediat cu peste 30%! Nu este nevoie de transport pentru a transporta oameni, nu este nevoie de locuințe, ci doar de locuri de muncă. Organizarea vieții ar deveni cea mai simplă: copilul învață continuu la școală, apoi la un institut sau școală profesională, apoi persoana este plasată la locul de muncă și în cele din urmă dusă la un crematoriu. Băieți de science fiction, apucați ideea!

Este probabil clar că producția de produse țintă diferite pentru organism duce la rate diferite de generare a entropiei în diferite celule umane. Totul este determinat de „complexitate”, adică. arhitectura spațială a moleculelor substanței țintă și varietatea și numărul de radicali și atomi din compoziția sa. Cu cât această „complexitate” este mai mare, cu atât entropia scade mai mult în timpul sintezei din radicali simpli, dar și creșterea entropiei disipative este mai mare.

Producția de hormoni sexuali masculini la animalele terestre cu sânge cald diferă de producția de alte substanțe necesare organismului. Esența problemei este că acest hormon trebuie să conțină o cantitate imensă de informații pe care organismul - tata vrea să le transfere în ovulul feminin. El este îngrijorat de transmiterea proprietăților și trăsăturilor sale copilului său, deoarece i-au permis tatălui să supraviețuiască în macrolumea din jurul lui.

Experții în teoria informației susțin că informația nu există fără purtătorii ei materiale. Iar un astfel de purtător de informații despre proprietățile și trăsăturile tatălui este molecula hormonală, mai exact, arhitectura sa, setul și aranjarea fragmentelor, radicalilor și atomilor elementelor din tabelul lui D.I. Mendeleev. Și cu cât cantitatea de informații este mai mare, cu atât este mai detaliată și mai detaliată, cu atât molecula de hormon este mai complexă. Un pas la dreapta, un pas la stânga - se formează o mutație, o abatere de la visele tatălui. În consecință, sinteza unei astfel de molecule înseamnă o scădere semnificativă a entropiei în sistem și, în același timp, producerea unei cantități și mai mari de entropie disipativă în celula umană.

O analogie simplă este construcția unei clădiri. Construcția Palatului regal de iarnă din Sankt Petersburg cu toate excesele sale arhitecturale și luxul înseamnă o scădere puternică a entropiei în comparație cu construcția de bordeie sătești din aceeași suprafață utilă, dar cantitatea de deșeuri (entropia) după finalizare este incomensurabilă.

Producția de hormoni sexuali masculini la animalele terestre cu sânge cald generează entropie disipativă atât de intens încât fluidul intercelular cu vasele de sânge nu poate elimina atât de mult din celule. Bietul mascul a trebuit să separe aceste organe pentru aerul rece din atmosferă. Dacă un tânăr stă pe o bancă în metrou sau într-un autobuz, cu genunchii larg depărtați, spre marea indignare a vechilor săi vecini, atunci nu-l învinovăți pentru grosolănie, aceasta este entropie. Și băieți sub 15 ani, bătrâni și femei de toate vârstele stau cu genunchii modest și apropiat cultural.

Iar în oul femelă, după formarea lui, apar transformări chimice care îl mențin într-o stare „gata de luptă”. Dar entropia crește inexorabil în timp, în esență nu există nicio îndepărtare a căldurii, corpul trebuie să arunce oul și apoi să facă unul nou, creând o mulțime de probleme doamnelor noastre drăguțe. Dacă nu faci asta, atunci fie nu va exista nicio concepție, fie se vor naște tot felul de povești de groază. Alte mamifere nu au aceste probleme cu entropia în ou sunt gata să dea naștere într-o perioadă scurtă de timp, și chiar strict discret: elefanții - o dată la 5-6 ani, maimuțele mari - o dată la 3 ani, vacile -; o dată pe an, pisici – de 3-4 ori pe an. Dar omule – aproape continuu. Și de ce natura l-a împovărat atât de mult? Sau poate a făcut-o fericită? Secret!

Conform formulei lui Boltzmann, entropia este definită ca logaritmul numărului de microstări posibile într-un sistem macroscopic dat.

unde A in = 1,38-10 16 erg-grade sau 3,31? 10 24 unități de entropie (1 e.u. = 1 cal deg 1 = 4,1 J/K), sau 1,38 10“ 23 J/K. - constanta Boltzmann; W- numărul de microstări (de exemplu, numărul de moduri în care moleculele de gaz pot fi plasate într-un vas).

În acest sens, entropia este o măsură a dezordinei și haosului într-un sistem. În sistemele reale, există grade de libertate stabile și instabile (de exemplu, pereții solizi ai unui vas și moleculele de gaz închise în acesta).

Conceptul de entropie este asociat tocmai cu gradele instabile prin care este posibilă haotizarea unui sistem, iar numărul de microstări posibile este mult mai mare decât unul. În sistemele complet stabile, se realizează o singură soluție, adică numărul de moduri în care este realizată această macrostare unică a sistemului este egal cu unu. (IV = 1), iar entropia este zero. În biologie, conceptul de entropie, precum și conceptele termodinamice, pot fi utilizate numai în legătură cu procese metabolice specifice și nu pentru a descrie comportamentul general și proprietățile biologice generale ale organismelor. Legătura dintre entropie și informație în teoria informației a fost stabilită pentru grade de libertate statistice.

Să presupunem că am primit informații despre cum este realizată această macrostare a sistemului. Evident, cantitatea de informații care se obține va fi mai mare, cu atât incertitudinea sau entropia inițială este mai mare.

Conform teoriei informației, în acest caz simplu, cantitatea de informații despre singura stare reală a sistemului va fi egală cu

Unitatea cantității de informații (bit) este considerată a fi informația conținută într-un mesaj de încredere atunci când numărul de stări inițiale posibile a fost egal cu W= 2:

De exemplu, mesajul despre ce parte a aterizat o monedă atunci când a fost aruncată în aer conține o cantitate de informații de 1 bit. Comparând formulele (7.1) și (7.2), se poate găsi legătura dintre entropie (în unități de entropie) și informații (în biți)

Acum să încercăm să estimăm în mod oficial cantitatea de informații conținute în corpul uman, unde există 10 13 celule. Folosind formula (7.2) obținem cantitatea

O astfel de cantitate de informații ar trebui să fie obținută inițial pentru a realiza singura aranjare corectă a celulelor din organism. Aceasta este echivalentă cu o scădere foarte ușoară a entropiei sistemului prin

Dacă presupunem că organismul are, de asemenea, un aranjament unic de reziduuri de aminoacizi în proteine ​​și reziduuri de nucleotide în ADN, atunci cantitatea totală de informații conținute într-un gel uman va fi

ceea ce echivalează cu o uşoară scădere a entropiei prin AS~~ 300 e.s. = 1200 J/K.

În procesele metabolice GS, această scădere a entropiei este ușor compensată de o creștere a entropiei în timpul oxidării a 900 g de glucoză. Astfel, o comparație a formulelor (7.1) și (7.2) arată că sistemele biologice nu au o capacitate informațională crescută în comparație cu alte sisteme nevii constând din același număr de elemente structurale. La prima vedere, această concluzie contrazice rolul și semnificația proceselor informaționale în biologie.

Cu toate acestea, legătura dintre / și Sîn (7.4) este valabil numai în ceea ce privește informațiile despre care dintre toate W microstările sunt implementate în prezent. Această microinformație asociată cu locația tuturor atomilor din sistem nu poate fi memorată și stocată, deoarece oricare dintre astfel de microstări se va transforma rapid în alta datorită fluctuațiilor termice. Iar valoarea informațiilor biologice este determinată nu de cantitate, ci în primul rând de posibilitatea memorării, stocării, procesării și transmiterii ulterioare a acesteia pentru utilizare în viața corpului.

Condiția principală pentru perceperea și memorarea informațiilor este capacitatea sistemului receptor, ca urmare a informațiilor primite, de a trece la una dintre stările stabile predeterminate în virtutea organizării sale. Prin urmare, procesele informaționale din sistemele organizate sunt asociate doar cu anumite grade de libertate. Procesul de memorare a informației în sine trebuie să fie însoțit de o oarecare pierdere de energie în sistemul receptor, astfel încât să poată rămâne acolo un timp suficient și să nu se piardă din cauza fluctuațiilor termice. Aici se realizează transformarea microinformației, pe care sistemul nu și-a putut aminti, în macroinformații, pe care sistemul le amintește, le stochează și le poate transmite apoi altor sisteme acceptoare. După cum se spune, entropia este o măsură a setului de microstări pe care sistemul nu le amintește, iar macroinformația este o măsură a setului de stări ale acestora, în care sistemul trebuie să-și amintească că se află.

De exemplu, capacitatea de informare în ADN este determinată doar de numărul de nucleotide specifice, și nu de numărul total de microstări, inclusiv vibrațiile tuturor atomilor lanțului de ADN. Procesul de stocare a informațiilor în ADN este fixarea unui aranjament specific de nucleotide, care este stabil datorită legăturilor chimice formate în lanț. Transferul suplimentar de informații genetice se realizează ca urmare a proceselor biochimice în care disiparea energiei și formarea structurilor chimice stabile corespunzătoare asigură eficiența prelucrării biologice a informațiilor.

În general, procesele informaționale sunt larg răspândite în biologie. La nivel molecular, ele apar nu numai în timpul memorării și prelucrării informațiilor genetice, ci și în timpul recunoașterii reciproce a macromoleculelor, asigură specificul și natura dirijată a reacțiilor enzimatice și sunt importante în interacțiunea membranelor și suprafețelor celulare.

Procesele receptorilor fiziologici, care joacă un rol informațional independent în viața corpului, se bazează și pe interacțiunile macromoleculelor. În toate cazurile, macroinformația apare inițial sub forma unor modificări conformaționale în timpul disipării unei părți a energiei de-a lungul anumitor grade de libertate în macromoleculele care interacționează. Ca urmare, macroinformațiile se dovedesc a fi înregistrate sub forma unui set de substări conformaționale suficient de profunde din punct de vedere energetic, care fac posibilă păstrarea acestor informații pentru timpul necesar procesării sale ulterioare. Semnificația biologică a acestei macroinformații este realizată în conformitate cu particularitățile organizării sistemului biologic și structurilor celulare specifice pe care se desfășoară procese ulterioare, ducând în cele din urmă la efectele fiziologice și biochimice corespunzătoare.

Se poate susține că sistemele vii controlează în mod specific reacțiile biochimice la nivelul macromoleculelor individuale.

a căror totalitate determină în cele din urmă proprietăţile macroscopice ale sistemelor biologice.

Nici cele mai moderne dispozitive tehnologice nu au astfel de proprietăți, cum ar fi, de exemplu, procesoarele submicronice, unde controlul fluxurilor electronice are loc cu pierderi inevitabile de energie. Se va arăta mai jos că în biomembrane reglarea fluxurilor de electroni se realizează în raport cu transferul fiecărui electron individual de-a lungul unui lanț de purtători macromoleculari.

În plus, se va arăta că transformarea energiei în procesele biologice are loc în „mașini” de conversie a energiei macromoleculare care sunt nanodimensionate.

Dimensiunile mici determină și valori mici ale gradienților de energie. si in consecinta, ele apropie functionarea unor astfel de masini de conditiile de reversibilitate termodinamica. Acest lucru este cunoscut pentru îmbunătățirea eficienței energetice (eficiența) conversiei energiei. În astfel de mașini moleculare de dimensiuni nanometrice, producția maximă de energie și nivelul scăzut de disipare a energiei, corespunzător ratei scăzute de producere a entropiei în sistem, sunt combinate în mod optim.

Diferențele scăzute ale valorilor potențialului redox între purtătorii individuali din lanțul de fotosinteză și respirație ilustrează această situație, oferind condiții apropiate de reversibilitatea proceselor individuale de transport de electroni.

Studiul funcționării motoarelor moleculare individuale asociate cu transformarea energiei ridică necesitatea dezvoltării termodinamicii sistemelor mici, în care scăderile de energie în etapele elementare ale ciclurilor de funcționare sunt comparabile ca mărime cu fluctuațiile termice. De fapt, valoarea medie a energiei totale a unui macrosistem (gaz ideal) format din N particule și distribuite peste ele conform legii gaussiene, este 2>/2Nk b T. Mărimea fluctuațiilor aleatorii ale acestei mărimi este de ordinul lui l/V)V și este neglijabilă în raport cu valoarea medie pentru un sistem format dintr-un număr mare de particule. Cu toate acestea, la mic N dimensiunea fluctuațiilor se apropie de valoarea energetică medie a unui sistem atât de mic, care în sine poate fi doar câteva unități k h T.

De exemplu, o moleculă de kinesină mai mică de 100 nm se deplasează de-a lungul microtubulilor, transportând organele celulare și făcând „pași” de 8 nm la fiecare 10-15 ms datorită energiei hidrolizei ATP (20 k și T).„Motorul kinesin” produce lucru la fiecare pas 2k g,T cu randament = 60%. În acest sens, kinesina este una dintre multele mașini moleculare care utilizează energia hidrolizei legăturilor de fosfat în diferite procese, inclusiv replicare, transcriere, traducere, reparare etc. Dimensiunea mică a unor astfel de mașini le poate ajuta să absoarbă energia termică mare. fluctuații din spațiul înconjurător. În medie, desigur, atunci când un motor molecular se mișcă de-a lungul traiectoriei sale dinamice, munca este însoțită de eliberarea de energie termică, cu toate acestea, este posibil ca energia absorbită aleatoriu a fluctuațiilor termice în etapele individuale ale ciclului de funcționare, în combinație cu energia „dirijată” de hidroliză a legăturilor fosfatice, contribuie la raportul dintre modificarea energiei libere și munca efectuată. În acest caz, fluctuațiile termice pot duce deja la abateri vizibile de la traiectoriile dinamice medii. În consecință, astfel de sisteme mici nu pot fi descrise în mod adecvat pe baza termodinamicii clasice. În prezent, aceste probleme sunt studiate intens, inclusiv cu dezvoltarea nanotehnologiilor asociate cu crearea de mașini moleculare de dimensiuni nano.

Să remarcăm încă o dată că procesele biochimice de transformare a energiei, în care se efectuează lucrări chimice utile, sunt ele însele doar un furnizor de elemente inițiale pentru autoorganizarea structurilor biologice și, prin urmare, crearea de informații în sistemele biologice.

Reacțiilor biochimice sunt aplicabile principiile de bază ale termodinamicii chimice și, în special, conceptul fundamental al potențialului chimic ca măsură a dependenței numărului de microstări permise de numărul de particule din sistem.

O reacție chimică este considerată ca rezultat al unei redistribuiri a numărului de moli sau a numărului relativ de particule (molecule) de reactivi și produse în timpul reacției cu un număr în general constant al atomilor acestora. Aceste redistribuiri sunt asociate cu ruperea și formarea legăturilor chimice și sunt, prin urmare, însoțite de efecte termice. În domeniul termodinamicii liniare, direcția lor generală se supune teoremei lui Prigogine. Figurat vorbind, o reacție biochimică creează elemente inițiale și le livrează la locul de auto-asamblare a complexelor macromoleculare stabile de „informații”, purtători de informații. Auto-asamblarea directă are loc spontan și, în mod natural, vine cu o scădere generală a energiei libere: A F= D U - TAS

De fapt, atunci când apare o structură ordonată stabilă, energia legăturilor structurale formate (-AU)în valoare absolută trebuie să fie mai mare decât scăderea termenului de entropie ( -TAS)în expresia pentru energie liberă |DS/| > | 7A,S|, deci D F

Să reamintim că în perioada evoluției prebiologice s-au format astfel în mod spontan, abiogen, din compuși anorganici simpli, fără nicio participare a sistemelor vii, „blocuri” structurale stabile ale viețuitoarelor (aminoacizi, nucleotide, zaharuri). surse de energie (lumină, descărcări electrice) necesare depășirii barierelor de activare ale reacțiilor de fuziune.

În general, apariția directă a informațiilor biologice la nivel macromolecular duce de fapt la o scădere corespunzătoare a entropiei structurale (apariția entropiei negative). Această scădere a entropiei este compensată de formarea de conexiuni stabile în structura informațională. În același timp, echilibrul entropiei „termodinamice” într-un sistem deschis este determinat de raportul dintre forțele motrice și viteze într-un grup de procese chimice care creează condiții pentru sinteza structurilor informaționale.

În mod evident, calcularea echilibrului general al entropiei structurale și termodinamice modificate într-un sistem viu este de natură pur aritmetică. Este determinată de două grupuri de procese interconectate, dar diferite ca natură, nu are loc compensarea directă a modificărilor entropiei dintre ele.

În 1945, unul dintre fondatorii mecanicii cuantice, Erwin Schrödinger, a publicat cartea „Ce este viața din punctul de vedere al unui fizician?”, unde a examinat obiectele vii din punctul de vedere al termodinamicii. Ideile principale au fost următoarele.

Cum se dezvoltă și cum există un organism biologic? De obicei vorbim despre numărul de calorii absorbite din alimente, vitamine, minerale, aer și energia solară. Ideea principală este că, cu cât consumăm mai multe calorii, cu atât ne îngrășăm mai mult. Sistemul simplu de dietă occidentală se bazează pe numărarea și limitarea numărului de calorii consumate. Dar, după o cantitate imensă de materiale publicate și un interes crescut al publicului, un studiu atent a constatat că, în multe cazuri, conceptul de calorii nu funcționează. Organismul funcționează mult mai complex decât o sobă în care alimentele sunt arse, eliberând o anumită cantitate de căldură. Unii oameni pot mânca foarte puțin și rămân energici și activi, în timp ce alții trebuie să proceseze alimentele tot timpul, ca să nu mai vorbim de foamea constantă a copiilor în creștere. Și ce putem spune despre popoarele din nordul îndepărtat, care mănâncă doar carne, fără să primească deloc vitamine? De ce există diferențe atât de mari? De ce diferiți oameni, diferite naționalități diferă atât de mult în obiceiurile lor alimentare?

Pe de altă parte, obținem energie doar din alimente? Atunci cum pot păsările mici să zboare peste Atlantic? Este ușor să calculezi munca mecanică pe care o fac batând aripile pe o anumită distanță și să o transformi în calorii. Puteți calcula apoi câte calorii pot extrage păsările dintr-un kilogram de cereale. Și apoi vom vedea că fiecare pasăre trebuie să poarte cu ea un sac uriaș de provizii, la fel cum un avion poartă un rezervor de combustibil. Deci, din punct de vedere clasic, zborul păsărilor peste Atlantic este imposibil! Ar trebui să cadă pe jumătate și să se înece! Dar zboară de mii de ani!

Există o fizică specială la lucru în acest caz? Fizica obiectelor biologice?

Credem că există o singură fizică: fizica Lumii Materiale, care este valabilă atât pentru obiectele anorganice, cât și pentru cele biologice. Singura diferență este complexitatea organizației și timpul caracteristic proceselor. În același timp, împreună cu Lumea Materială, vorbim despre Informație, Lumea Spirituală sau Lumea Conștiinței. Aceste Lumi există împreună cu Materialul și îl influențează prin activitatea Conștientă a Umanității.

Primul principiu, notat de E. Schrödinger și dezvoltat ulterior de I. Prigogine și A. Haken, a fost principiul SISTEME DESCHISE. Aceasta înseamnă că sistemele biologice schimbă continuu substanțe materiale, energie și informații cu spațiul înconjurător. Când o piatră se află în soare, temperatura ei crește - cu cât mai mult soare, cu atât temperatura este mai mare. În mare, piatra poate fi considerată un sistem închis pasiv. Când o persoană sănătoasă rămâne la soare, temperatura sa rămâne constantă - 36,6 C°. Putem spune că o persoană menține o stare de homeostazie - echilibru, echilibru activ cu mediul. Acest echilibru este posibil doar printr-un proces de schimb bidirecțional. Corpul absoarbe energie din alimente, soare, aer și, în același timp, produce energie și o disipează în spațiu. Pentru a exprima mai corect ideile suplimentare, este necesar să scrieți mai multe ecuații.

Entropia se exprimă astfel: S = k ln p(E), Unde La- constanta Boltzmann, R- probabilitate, E- posibilele stări energetice ale sistemului.

După cum sa arătat mai sus, conceptul de entropie este utilizat pe scară largă în fizică și este din ce în ce mai introdus în științele biologice și sociale. Entropia este o măsură a diversităţii. De exemplu, cea mai organizată societate este un regiment de armată, unde toată lumea poartă aceleași haine și respectă cu strictețe ordinele. În societatea civilă, îmbrăcămintea și comportamentul oamenilor sunt foarte diverse. Prin urmare, entropia unei unități de armată este mult mai mică decât entropia societății civile. Dar entropia este și o măsură a haosului.

Pentru sistemele vii, modificarea entropiei poate fi determinată. Este egală cu suma entropiei „externe” provenite din hrană și apă dS (hrană), aer dS (aer), lumina dS (lumină) și entropia „internă” dată de corp în spațiu dS (inter).

dS = dS (alimente) + dS (aer) + dS (lumină) + dS (inter) = dS (ext) + dS (inter) (1)

Această ecuație poate duce la trei situații diferite:

dS=dS (ext) +dS (inter) =0

dS=dS (ext) +dS (inte g)<0

dS=dS (ext) +dS (inter) >0

Prima ecuație dS = 0 caracterizează starea de homeostazie, sau de echilibru cu mediul, atunci când fluxul absorbit de entropie sau energie este complet echilibrat datorită proceselor interne ale corpului.

dS=dS (ext) +dS (inter) =0 . Această condiție este tipică pentru o persoană adultă, practic sănătoasă, într-o stare calmă. Cu alte cuvinte, toți parametrii corpului sunt menținuți constant. Această ecuație poate fi reprezentată sub altă formă:

dS (ext) = - dS (inter)

După cum sugerează această ecuație, dS (inter) trebuie să fie negativ! În conformitate cu terminologia lui E. Schrödinger, corpul „produce” entropie negativă. Nu există nicio contradicție cu legile fizicii sau termodinamicii, pentru că nu entropia este negativă, ci rata de producere a acesteia. Aceasta înseamnă că un organism biologic structurează, ordonează, organizează energia și informațiile și, prin urmare, reduce haosul în Univers. Această proprietate, conform lui E. Schrödinger, este cea care separă sistemele vii de natura non-biologică. De-a lungul vieții lor, sistemele biologice organizează spațiul, creează ordine și structură într-o lume dezordonată.

Dar acest echilibru de entropie se aplică doar unui organism adult cu sănătate normală. O boală este reacția organismului la o influență externă care schimbă corpul dintr-o stare de echilibru. Aceasta înseamnă că dS(inter) crește brusc. Organismul răspunde la influențele externe prin creșterea producției de energie internă și a activității interne. Pe măsură ce temperatura crește, dS (inter) crește în încercarea de a compensa dS (ext). Acest lucru afectează imediat comportamentul: în timpul bolii, organismul are nevoie de mai puțină hrană - aceasta este o modalitate de a reduce consumul de dS (inter). În această etapă, rata producției de entropie de către întregul organism devine negativă:

dS(ext)< dS (inter) , =>dS< 0 . При этом энтропия всего организма может быть вычислена как:

Aceasta înseamnă că ecuația (1) nu determină valoarea entropiei, ci unghiul de înclinare al curbei de entropie: devine plată la dS = 0, crește la dS > 0 și scade la dS.< 0. Конкретное значение энтропии в данный момент времени зависит от "истории" развития организма, от всех его предшествующих трансформаций и изменений.

În caz de boală, curba entropiei crește mai întâi de la linia de echilibru, iar apoi, datorită luptei organismului împotriva inflamației, scade la valori mai mici, la o ordine mai mare. Astfel, organismul luptă împotriva influențelor externe, împotriva bolilor, prin reducerea entropiei generale datorită producției crescute de entropie „negativă” internă!

Un proces similar are loc în copilărie: corpul copilului produce o cantitate mare de entropie „negativă” datorită unor procese fiziologice mai active în comparație cu starea adultă. Acest lucru se exprimă în activitate fizică și consum crescut de informații. Încercați să sari împreună cu un copil sănătos de cinci ani - într-o oră vei cădea pe pat epuizat, iar copilul va continua să sară. La fel și cu informațiile: un copil percepe și procesează o cantitate imensă de informații, iar viteza de procesare, de regulă, este incomparabilă cu capacitățile unui adult.

Care este diferența dintre starea copilului și starea de boală? Diferența este că pentru a compensa producerea de entropie „negativă”, corpul copilului consumă o cantitate mare de energie din spațiul înconjurător. Copiii consumă de câteva ori mai multă hrană pe unitatea de greutate în comparație cu adulții;

Se poate presupune că un proces special de compensare dS (inter) are loc în timpul somnului. Aparent, aceasta este o compensare pentru componenta informațională a fluxului de entropie. În timpul somnului, jumătățile creierului schimbă în mod activ informațiile primite în timpul zilei, evaluează semnificația acesteia și iau decizii privind implementarea acesteia. Este momentul în care jumătatea dreaptă a creierului, de obicei suprimată de stânga, dobândește „dreptul de vot” și poate aduce la suprafață informații neconfirmate, instabile: senzații, suspiciuni intuitive, anxietăți, temeri, dorințe, procese emergente. Și această informație este vizualizată sub formă de vise, transformând fluxuri de informații în imagini fantastice, dar atât de reale!

Acesta este motivul pentru care copiii și pacienții au nevoie de mult mai mult timp pentru a dormi - acesta este timpul pentru procesarea informațiilor, procesarea entropiei. Corpul se deconectează de lumea exterioară și se adaptează la munca internă, în timpul căreia are loc un proces activ de formare a conexiunilor și crearea de structuri informaționale. Urmărește-ți copilul: faza lui activă de somn este semnificativ mai lungă decât cea a unui adult, iar în aceste vise copilul procesează impresii din Vasta Lume de Neînțeles.

Pentru persoanele în vârstă, rata producției de entropie dS (inter) scade: toate procesele încetinesc. În consecință, nevoia de hrană, somn și informații noi scade, dar în timp, rata de intrare a entropiei din exterior încetează să fie compensată de procesele interne dS (ext) > - dS (inter) și echilibrul devine pozitiv. Acest lucru corespunde faptului că curba de entropie totală începe să se îndoaie în sus - devine din ce în ce mai dificil pentru organism să restabilească ordinea în sistem și să-și mențină organizarea structurală. La un moment dat, corpul nu mai poate menține această stare și sare într-o altă stare organizată cu entropie scăzută - starea de Moarte.

Acea. putem lega ecuațiile notate mai sus la diferite vârste:

dS = dS (ext) + dS (inter) = 0 stare de sănătate a adulților,

dS = dS (ext) + dS (inter)< 0 датско-юношеский возраст или заболевание,

dS = dS (ext) + dS (inter) > 0 bătrânețe.

O analiză energetică similară poate fi aplicată sub aspect evolutiv. Când comparăm formele inferioare și superioare de viață organică, vedem că protozoarele au un sistem primitiv pentru transformarea energetică a substanțelor primite (procesul principal de conversie este fermentația) și o zonă mare de contact cu mediul în comparație cu volumul. a organismului, ceea ce crește pierderile de energie și complică controlul proceselor metabolice. Prin urmare, ciclul de viață al unor astfel de organisme este foarte scurt și supraviețuiesc ca specie datorită reproducerii intensive. Pentru astfel de organisme, rata de producție a entropiei negative este scăzută.

Pe măsură ce organismul se dezvoltă, se izolează din ce în ce mai mult de mediu, creând un Mediu Intern cu un sistem special de control și reglare a parametrilor interni. La nivelul anumitor sisteme organismelor operează principiul pierderilor minime de energie. În procesul de dezvoltare, parametrii diferitelor sisteme funcționale s-au dezvoltat în direcția minimizării consumului de energie necesar îndeplinirii anumitor funcții: respirație, circulație sanguină, contracții musculare etc.

Din acest punct de vedere, cu cât alimentele consumate de organism sunt mai variate, cu atât procesul de schimb de entropie are loc mai simplu. Alimentele vegetale sunt bogate în minerale și oligoelemente, carnea este o sursă de proteine ​​și energie direct către mușchi, oase și țesuturi în curs de dezvoltare. Prin urmare, în copilărie și adolescență, carnea este o componentă integrală a metabolismului entropio-energetic: păstrează puterea organismului pentru activitatea creativă. La bătrânețe nu este nevoie de muncă fizică activă sau de crearea de noi structuri, astfel încât consumul de carne creează în organism un exces de proteine ​​care trebuie utilizate. Și acest lucru duce la producția excesivă de entropie negativă, folosind resursele deja mici ale corpului. În același timp, carnea conține informații negative de la animalele sacrificate. Această informație necesită și procesare, organismul trebuie să fie activ și „egoist”, ceea ce este, de asemenea, caracteristic în principal stării de tinerețe, dar se manifestă adesea la bătrânețe ca un produs secundar al unui anumit tip de nutriție.

Și din nou trebuie să fim atenți la aspectul informațional al existenței noastre. Un punct important în dezvoltarea biologică a fost separarea SCHIMB DE ENERGIE SI INFORMATII organism cu mediul. Corpul consumă nu doar energia necesară existenței, ci și informații care determină forme complexe de comportament. Pentru cele mai simple organisme, interacțiunea cu mediul decurge ca un proces clar definit de iritare - reacție. Cu cât organismul este mai complex, cu atât natura reacției sale la iritațiile mediului este mai complexă - depinde de starea curentă, vârsta, nivelul de dezvoltare, interacțiunea cu alte organisme. Organismul consumă, procesează, analizează, stochează și folosește în mod constant informații. Aceasta este o condiție necesară pentru existență. Dar în fizica modernă, informația poate fi exprimată în termeni de entropie, așa că putem spune că schimbul de informații face parte din schimbul de entropie și toate proprietățile proceselor de entropie pe care le-am considerat sunt pe deplin aplicabile proceselor informaționale. De aceea vorbim despre ENERGIE-SCHIMB DE INFORMAȚII organism cu mediul. Schimbul de energie aparține proceselor materiale și este guvernat de legile fizice materiale, schimbul de informații aparține fenomenelor nemateriale, acesta nu este un proces fizic și aici funcționează regulile teoriei informațiilor. (În același timp, trebuie să ne amintim că purtătorii de informații sunt întotdeauna procese materiale sau particule). În acest sens, procesele spirituale sunt cea mai înaltă formă de procese informaționale.

Organismul consumă substanțe materiale, energie și informații din mediu. Percepția informației are loc prin intermediul sistemelor senzoriale (viziunea, auzul, atingerea) și receptorii interni (chimici, baro-, gluco- etc.). Fluxurile de informații sunt analizate de sistemul nervos central și periferic și de creier, rezultatele prelucrării și analizei afectează comportamentul psihologic, fiziologic și spiritual. Aceasta conduce la formarea de Programe de Decizii și Comportament, pe de o parte, și de noi Informații, pe de altă parte.

Unul dintre instrumentele universale pentru descrierea funcționării sistemice a obiectelor biologice și, în special, a corpului uman este utilizarea unei abordări sinergetic-probabilistice folosind conceptul generalizat de entropie. Acest concept este utilizat pe scară largă în termodinamică pentru a determina măsura disipării de energie necesară a unui sistem termodinamic neuniform și în fizica statistică ca măsură a probabilității ca sistemul să se afle într-o stare dată. În 1949, Shannon a introdus entropia în teoria informației ca măsură a incertitudinii rezultatului unui experiment. S-a dovedit că conceptul de entropie este una dintre proprietățile fundamentale ale oricărui sistem cu comportament probabilist, oferind noi niveluri de înțelegere în teoria codificării informațiilor, lingvistică, procesarea imaginilor, statistică și biologie.

Entropia este direct legată de conceptul de informație, care caracterizează matematic relația dintre diverse evenimente și devine din ce în ce mai importantă în studiul funcționării obiectelor biologice. Este recunoscut faptul că atunci când descriem funcționarea unui organism biologic, care este un sistem disipativ deschis, este necesar să se țină seama de procesele de schimb atât de energie, cât și de informații. Influența informațiilor externe asupra organismului poate fi evaluată printr-o modificare a entropiei stării.

Orez. 1. Stări energetice ale unui sistem biologic.

În conformitate cu conceptele laureatului Nobel I. Prigogine, în procesul de creștere și dezvoltare a organismului, rata producției de entropie pe unitatea de masă a obiectului scade. Când se atinge o stare staționară, modificarea totală a entropiei poate fi considerată egală cu zero, ceea ce corespunde compensării reciproce a tuturor proceselor asociate cu absorbția, îndepărtarea și transformarea materiei, energiei și informațiilor. I. Prigogine a formulat principala proprietate a stării staționare a sistemelor deschise: la parametri externi fix, rata de producere a entropiei, datorita aparitiei unor procese ireversibile, este constanta in timp si minima in valoare dS/dt -> min.

Astfel, conform teoremei lui Prigogine, starea staționară este caracterizată de disiparea entropiei minime, care pentru sistemele vii poate fi formulată după cum urmează: menținerea homeostaziei necesită un consum minim de energie, adică Organismul se străduiește să lucreze în modul energetic cel mai economic. Abaterea de la starea staționară - boală - este asociată cu pierderi suplimentare de energie, compensarea defectelor biologice congenitale sau dobândite și o creștere economică a entropiei.

Într-un sistem dinamic pot exista mai multe stări staționare care diferă în ceea ce privește nivelul producției de entropie dS k / dt. Starea unui organism poate fi descrisă ca un set de niveluri de energie ( Fig.1), dintre care unele sunt stabile (nivelurile 1 și 4), altele sunt instabile (nivelurile 2, 3, 5). În prezența unei perturbări externe sau interne care funcționează constant, poate avea loc o tranziție bruscă de la o stare la alta. Orice inflamație se caracterizează printr-un consum crescut de energie: temperatura corpului crește, rata proceselor metabolice crește.

Abaterea de la starea staționară cu consum minim de energie determină dezvoltarea proceselor interne care se străduiesc să readucă sistemul la nivelul 1. Cu acțiunea prelungită a factorilor, sistemul se poate trece la nivelul 3, la așa-numitul punct de bifurcație, din care sunt posibile mai multe rezultate: revenirea la nivelul stabil 1, tranziția la o altă stare de echilibru stabilă 2, caracterizată printr-un nou nivel de informație energetică sau un „salt” la un nivel 5 mai înalt, dar instabil.

Pentru un organism, aceasta corespunde mai multor niveluri adaptative de sănătate relativă sau boli cronice cu diferite niveluri de funcționare a sistemului. O boală acută corespunde unei stări non-staționare cu producție crescută de entropie, adică. tip neeconomic de funcționare a organismului. Conform teoriei catastrofelor lui V. I. Arnold, în cazul bolilor acute sau al sindroamelor patologice în curs de dezvoltare acută (debutul acut al pneumoniei severe, starea astmatică, șoc anafilactic etc.), este necesar să se transfere brusc corpul dintr-un „rau” stare stabilă la una „bună”. În acest caz, este recomandabil să utilizați doze mari de medicamente. În faza de diminuare a exacerbării și în remisie a bolilor cronice crește rolul influențelor mici, de exemplu, acupunctura și remediile homeopate, care au un efect energetic-informațional pozitiv.

Multistabilitatea sistemelor neliniare complexe, cum ar fi corpul uman, natura probabilistică a dezvoltării sale constante și auto-organizarea duc la nevoia de a căuta „factori care formează sistemul”, care pot include entropia.

Principiul Curie ca mecanism reglator al evoluției în procesele de bifurcație.

Se exprimă punctul de vedere că evoluția în sistemele geologice are loc datorită formării structurilor disipative în procese de neechilibru în conformitate cu prevederile termodinamicii neliniare ale lui I. Prigogine. Este fundamentată aplicabilitatea și rolul conducător al principiului universal de simetrie - disimetrie al lui P. Curie, care determină gradul de complexitate sau gradul de degradare a sistemelor atunci când acestea ating un punct critic de dezechilibru, precum și mecanismul de moștenire al principalele caracteristici ale sistemelor în procesul evoluţiei lor. Combinația dintre teoria lui Prigogine și principiul Curie face posibilă, în principiu, prezicerea căii de evoluție a sistemelor complexe.

Prin evoluție, mulți cercetători înțeleg succesiunea tranzițiilor într-o ierarhie de structuri de complexitate crescândă. Această definiție cuprinde în mod evident:

1) procese evolutive treptate;

2) succesiunea de creștere a complexității în timpul formării de noi structuri. Prin definiție, evoluția nu este o proprietate a unor sisteme sau grupuri de sisteme selectate.

Ideile despre evoluție au apărut și s-au dezvoltat în profunzimea biologiei. Natura anti-entropică a evoluției și contradicția sa evidentă cu cea de-a doua lege a termodinamicii ne-au făcut să credem că pentru o descriere termodinamică a evoluției biologice mai trebuie să ne descoperim legile, că a doua lege a termodinamicii este aplicabilă numai obiectelor de natură neînsuflețită. . În același timp, se presupunea că în natura neînsuflețită evoluția fie este absentă, fie manifestarea ei nu duce la o încălcare a celui de-al doilea principiu.

Evoluția obiectelor de natură neînsuflețită este un fapt stabilit științific, iar acest fapt necesită înțelegere din punctul de vedere al legilor generale și al mecanismelor de implementare spontană naturală.

Cercetătorul german W. Ebeling afirmă că „problemele formării structurilor aparțin problemelor fundamentale ale științelor naturii, iar studiul apariției structurilor este unul dintre cele mai importante scopuri ale cunoașterii științifice”. Premisele necesare pentru rezolvarea problemei apariției structurilor au fost create în cadrul termodinamicii neliniare a lui I. Prigogine și al teoriei rezultate a apariției structurilor disipative. Din păcate, aceste idei pătrund încet în geologie. Prevederile termodinamicii neliniare (sau termodinamicii neechilibrului, proceselor ireversibile) sunt aplicabile în mod egal atât obiectelor biologice, cât și obiectelor neînsuflețite. Să ne amintim pe scurt câteva concluzii din această teorie.

· I. Prigogine și studenții săi au arătat că sistemele deschise departe de echilibru pot evolua către o stare nouă datorită faptului că microfluctuațiile din ele capătă un caracter cooperant, coerent. Noua stare a sistemului poate exista pentru o perioadă nedefinită de timp, în timp ce în sistem apar noi structuri, care sunt numite disipative. Acestea includ binecunoscutele instabilități hidrodinamice ale lui Benard, reacții periodice ale lui Belousov-Zhabotinsky, Briggs - Rauscher etc. Apariția lor este „anti-entropică” în sensul că este însoțită de o scădere generală a entropiei sistemului ( datorită schimbului de materie şi/sau energie cu mediul extern).

· Creșterea fluctuațiilor cu distanța față de starea de echilibru duce la o pierdere spontană a stabilității sistemului. Într-un punct critic, numit punct de bifurcare, sistemul fie se prăbușește (se transformă în haos), fie datorită predominării comportamentului coerent al particulelor, are loc în el formarea de structuri disipative. Sistemul alege calea dezvoltării sale ulterioare sub influența unor factori aleatori, astfel încât este imposibil să se prezică starea sa specifică după punctul de bifurcare și natura structurilor disipative emergente.

· Cea mai importantă proprietate a structurilor disipative este reducerea simetriei lor spațiale în punctul de bifurcație. Simetria redusă generează un ordin superior și, prin urmare, reduce entropia sistemului.

· Evoluția este formarea secvențială a structurilor disipative în stări departe de echilibrul termodinamic. (Neechilibrul este ceea ce generează ordine din haos.) În același timp, în ciuda creșterii nivelului de organizare și a complexității sistemelor în procesul de autodezvoltare, evoluția se accelerează în timp.

După cum reiese din cele de mai sus, teoria structurilor disipative pornește din comportamentul aleator al sistemului la punctele de bifurcație, i.e. postulează caracterul aleatoriu al caracteristicilor morfologice ale structurilor disipative nou apărute. Există o singură limitare - o scădere generală a simetriei, dar și aceasta este imprevizibilă. Cu alte cuvinte, această teorie, cu toată natura ei revoluționară și capacitatea de a răspunde la cea mai presantă întrebare a științei naturii: ce face ca sistemele să evolueze, în general nu conține condiții de limitare a diversității structurilor emergente și permite, în principiu, apariția a unei structuri de orice complexitate într-un singur proces de neechilibru. Aceasta contrazice paradigma evoluției, al cărei element principal este principiul constant confirmat: de la simplu la complex.

Morfologia eterogenităților rezultate într-un mediu în primul rând omogen nu poate fi considerată aleatorie. Se poate presupune că natura evenimentelor care duc la apariția unor structuri spațial periodice stabile este guvernată de o anumită lege generală.

Autorul teoriei structurilor disipative a simțit o nevoie urgentă de o astfel de lege și a făcut anumiți pași în vederea identificării acesteia. Evident, din acest motiv, Prigogine trebuia să analizeze modificarea caracteristicilor de simetrie la punctul de bifurcație, întrucât trebuia să afle aplicabilitatea principiului simetriei - disimetria Curie la gama de fenomene studiate. Acest principiu conține restricții foarte specifice asupra simetriei structurilor emergente și, în consecință, asupra creșterii ordinii lor. I. Prigogine a citit-o drept principiul aditivității simetriei, conform căruia „influențele externe care provoacă diverse fenomene nu pot avea o simetrie mai mare decât efectul pe care îl generează”, adică. un nou fenomen are o simetrie nu mai mică decât simetria cauzelor care l-au dat naştere. Întrucât se observă o scădere a simetriei în punctul de bifurcație, a rezultat concluzia că principiul Curie nu este aplicabil proceselor de echilibru, ireversibile.

Potrivit lui I.I. Shafranovsky, principiul Curie este împărțit în patru puncte, indisolubil legate, dar dezvăluindu-l din părți diferite:

1) condiții de simetrie pentru coexistența mediului și a fenomenelor care se produc în el (un fenomen poate exista în mediu cu simetria lui caracteristică sau simetria unuia dintre supergrupurile sau subgrupurile acestuia din urmă);

2) nevoia de disimetrie („disimetria creează fenomenul”);

3) regula de suprapunere (suprapunere) a elementelor de simetrie și disimetrie a mediului și fenomenului (ca urmare, se păstrează doar elementele comune mediului și fenomenului - principiul disimetrizării);

4) persistența elementelor de simetrie și a disimetriei cauzelor în efectele pe care le generează (elementele de simetrie a cauzelor se regăsesc în efectele produse, disimetria efectului ar trebui să se regăsească în cauzele care l-au dat naștere - principiul simetrizare).

O analiză a textului lui P. Curie, susținută de exemple specifice de formare minerală reală, l-a condus pe I.I. Shafranovsky la concluzia că nucleul principiului este punctul 3 - despre conservarea unui fenomen doar a elementelor de simetrie generală a cauzelor care au dat. ridică-te la ea (principiul disimetrizării). Dimpotrivă, prezența într-un fenomen a oricăror elemente de simetrie care nu sunt caracteristice uneia dintre cauzele generatoare (principiul simetrizării - punctul 4) este asociată cu existența unor condiții speciale. Potrivit lui I.I. Shafranovsky, principiile simetrizării și disimetrizării în implementarea lor naturală diferă puternic în ceea ce privește prevalența. Prima se realizează numai în condiții speciale, specifice, a doua se manifestă literalmente peste tot. Astfel, în lucrarea lui I.I Shafranovsky și a co-autorilor se afirmă: „Principiul „simetrizării” nu este universal, ci se manifestă în natură numai în condiții strict definite și limitate. În schimb, principiul „disimetrizării” este, cu unele rezerve, cu adevărat universal. Îi vedem manifestarea pe orice obiect natural.”

Fenomenele de simetrizare în formarea minerală reală sunt asociate cu apariția intercreșterilor (gemeni, tees, cvadruple etc.) sau cu apariția unor forme simple false. Astfel de „superforme” și forme simple false constau din seturi de fețe aparținând mai multor forme simple, conectate prin elemente de simetrie aparentă ridicată.

Exemplele de funcționare a principiului disimetrizării sunt extrem de numeroase și sunt asociate cu dispariția anumitor elemente de simetrie caracteristică a cristalelor în cazurile în care acestea sunt absente în mediul de formare a mineralelor. În astfel de condiții, simetria externă a cristalului este un subgrup al simetriei sale caracteristice și, în același timp, este un subgrup al simetriei mediului.

I. Prigogine și colegii săi au absolutizat principiul simetrizării („influențele externe... nu pot avea o simetrie mai mare decât efectul pe care îl generează”), înlocuindu-le cu întregul conținut al ideilor lui P. Curie. După cum rezultă din cele de mai sus, o astfel de lectură a principiului Curie este în general incorectă și reflectă doar una dintre condițiile posibile pentru apariția proceselor (conform lui Shafranovsky - special, specific), care, în opinia noastră, se realizează în starea sa pură. se formează în punctul de bifurcație dacă sistemul alege o dezvoltare catastrofală. În consecință, concluzia despre inaplicabilitatea principiului Curie la teoria auto-organizării prin apariția structurilor disipative în condiții de neechilibru nu poate fi considerată justificată.

Această concluzie schimbă radical înțelegerea esenței fenomenelor care au loc în punctele de bifurcație. Ideea naturii aleatorii a noilor structuri care apar în aceste puncte, formulată în teoria lui Prigogine, este supusă unor restricții stricte, care fac posibilă aprecierea gradului de complexitate a sistemului în timpul formării structurilor disipative.

Rezumând cele de mai sus, putem trage următoarele concluzii:

1. În aplicarea structurilor disipative, când haosul în anumite condiții departe de echilibru dă naștere unor neomogenități periodice spațiale și/sau temporale care reduc în general simetria mediului, formularea principiului Curie, enunțat mai sus ca principiu al disimetrizării, are o importanță primordială.

2. Conform principiului Curie, se presupune că simetria structurilor disipative care apar într-un proces de neechilibru nu este întâmplătoare: nu poate fi mai mică decât cea determinată de elementele comune de simetrie ale mediului și procesului ca cauze. care dau naştere fenomenului sub formă de noi elemente structurale. Această concluzie pare importantă din punctul de vedere că limitează „de jos” gradul de ordonare a structurilor disipative emergente și astfel umple cu conținut real ideea de evoluție ca succesiune de tranziții într-o ierarhie a structurilor de complexitate crescândă, iar în fiecare act specific de evoluţie are loc o scădere a simetriei (ordine crescătoare). Luând în considerare cele de mai sus, se poate argumenta că într-un proces de neechilibru nu pot apărea structuri de o mare complexitate (ceea ce este permis în mod fundamental de ideea lui Prigogine despre impredictibilitatea comportamentului sistemului la punctele de bifurcație). Nivelul de complexitate al structurii este clar limitat „de jos” de principiul Curie.

3. Dacă sistemul alege o cale catastrofală în punctul de bifurcare, structura haosului nou apărut este caracterizată nu de o creștere arbitrar de mare, ci de o creștere a simetriei strict definită (o scădere în ordine, o creștere a entropiei). Această creștere este determinată de principiul simetriei ca una dintre laturile principiului universal de simetrie-disimetrie Curie. Involuția în acest caz nu este absolută; gradul de degradare structurală a sistemului este determinat în totalitate de suma elementelor de simetrie ale mediului înconjurător și de procesul care a dat naștere fenomenului. Aici principiul Curie limitează „de sus” măsura simplificării structurale a sistemului.

Prin urmare, ajungem la concluzia că în natură există un mecanism care controlează morfologia structurilor disipative care apar în condiții de neechilibru, i.e. gradul de ordonare a obiectelor evolutive. Rolul unui astfel de mecanism este jucat de universal principiul simetriei - disimetria Curie . Acest principiu face posibilă prezicerea, în cazul general, a caracteristicilor morfologice ale produselor evoluției în natura neînsuflețită, precum și în sistemele biologice și sociale, pe baza unei descrieri complete a caracteristicilor de simetrie ale mediului și a proceselor care au loc. în ea. Aceasta înseamnă nimic mai puțin decât capacitatea de a prezice căi evolutive. De asemenea, este necesar să subliniem că principiul simetriei Curie face posibilă înțelegerea mecanismului de moștenire de către un sistem după ce acesta a depășit punctul de bifurcare a principalelor elemente ale stării sale anterioare. Moștenirea, continuitatea principalelor trăsături într-o serie de schimbări evolutive dintr-un sistem, este unul dintre tiparele observate constant și nu este pusă sub semnul întrebării de nimeni. Evoluţia după I. Prigogine , interpretat ca apariția unor structuri disipative mereu noi în condiții de neechilibru brusc, în cazul general, exclude nu numai prognoza stării viitoare, ci și posibilitatea judecății stării premergătoare bifurcării.

Acest punct de vedere declarat înlătură toate problemele asociate cu studiul evoluției. În același timp, există motive să credem că această cale de cercetare poate fi productivă atât în ​​dezvoltarea fundamentelor teoretice ale evoluției, cât și în rezolvarea unor probleme particulare legate de elucidarea mecanismului de formare a noilor structuri.

1. Note de curs.

2. Gubanov N.I. Biofizica medicala. M.: Medicină, 1978, p. 39 – 66.

3. Vladimirov Yu.A. Biofizică. M.: Medicină, 1983, p. 8 – 29.

4. Remizov A.N. curs de fizica. M.: Butarda, 2004, p. 201 – 222.

5. Remizov A.N. Fizică medicală și biologică. M.: Şcoala superioară, 1987, p. 216 – 238.

Formularea general acceptată a celei de-a doua legi a termodinamicii în fizică afirmă că în sisteme închise energia tinde să fie distribuită uniform, adică sistemul tinde spre o stare de entropie maximă.

O trăsătură distinctivă a corpurilor vii, a ecosistemelor și a biosferei în ansamblu este capacitatea de a crea și de a menține un grad ridicat de ordine interioară, de exemplu. stări cu entropie scăzută. Concept entropie caracterizează acea parte din energia totală a sistemului care nu poate fi folosită pentru a produce muncă. Spre deosebire de energia liberă, este degradată, risipă de energie. Dacă notăm energia liberă prin F iar entropie via S, apoi energia totală a sistemului E va fi egal cu:

E=F+ST;

unde T este temperatura absolută în Kelvin.

Conform definiției fizicianului E. Schrödinger: „viața este comportamentul ordonat și regulat al materiei, bazat nu numai pe o tendință de a trece de la ordine la dezordine, ci și parțial pe existența ordinii, care se menține tot timpul. .. - ... înseamnă, cu ajutorul căruia organismul se menține constant la un nivel de ordine suficient de ridicat (și la un nivel de entropie suficient de scăzut), constă în realitate în extragerea continuă a ordinii din mediu.”

La animalele superioare suntem bine conștienți de tipul de ordine cu care se hrănesc, și anume: o stare extrem de ordonată a materiei în compuși organici mai mult sau mai puțin complecși le servește ca hrană. După utilizare, animalele returnează aceste substanțe într-o formă foarte degradată, dar nu complet degradate, deoarece pot fi încă absorbite de plante.

Pentru plante, o sursă puternică de „entropie negativă” este negentropie - este lumina soarelui.

Proprietatea sistemelor vii de a extrage ordine din mediul lor a dat unor oameni de știință motive pentru a concluziona că pentru aceste sisteme a doua lege a termodinamicii nu este îndeplinită. Totuși, a doua lege are și o altă formulare, mai generală, valabilă pentru sistemele deschise, inclusiv pentru cele vii. Ea spune asta eficiența conversiei spontane a energiei este întotdeauna mai mică 100%. Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, menținerea vieții pe Pământ fără un aflux de energie solară este imposibilă.

Să ne întoarcem din nou la E. Schrödinger: „Tot ceea ce se întâmplă în natură înseamnă o creștere a entropiei în partea din Univers în care are loc aceasta. La fel, un organism viu își crește continuu entropia, sau produce entropie pozitivă, și astfel se apropie de o stare periculoasă - entropia maximă, care reprezintă moartea. El poate evita această stare, adică. rămâne în viață doar prin extragerea constantă a entropiei negative din mediu.”

Transferul de energie în ecosisteme și pierderile acestuia

După cum se știe, transferul de energie alimentară din sursa sa - plante - printr-un număr de organisme, care are loc prin mâncarea unor organisme de către altele, trece prin lanțul trofic. Cu fiecare transfer succesiv, cea mai mare parte (80-90%) din energia potențială se pierde, transformându-se în căldură. Tranziția la fiecare legătură următoare reduce energia disponibilă de aproximativ 10 ori. Piramida energiei ecologice se îngustează întotdeauna în vârf, deoarece energia se pierde la fiecare nivel ulterior (Fig. 1).

Eficiența sistemelor naturale este mult mai mică decât eficiența motoarelor electrice și a altor motoare. În sistemele vii, o mulțime de „combustibil” este cheltuită pentru „reparații”, care nu este luată în considerare la calcularea eficienței motoarelor. Orice creștere a eficienței unui sistem biologic are ca rezultat o creștere a costurilor de menținere a acestora într-o stare stabilă. Un sistem ecologic poate fi comparat cu o mașină din care nu poți „strânge” mai mult decât este capabil să furnizeze. Întotdeauna vine o limită, după care câștigurile din creșterea eficienței sunt anulate de costurile crescute și de riscul distrugerii sistemului. Îndepărtarea directă de către oameni sau animale a mai mult de 30-50% din creșterea anuală a vegetației poate reduce capacitatea unui ecosistem de a rezista stresului.

Una dintre limitele biosferei este producția brută de fotosinteză, iar o persoană va trebui să-și ajusteze nevoile la aceasta până se va putea dovedi că absorbția de energie prin fotosinteză poate fi mult crescută fără a pune în pericol echilibrul altora, mai importante. resursele din ciclul de viață. Acum doar aproximativ jumătate din toată energia radiantă este absorbită (în principal în partea vizibilă a spectrului) și, cel mult, aproximativ 5% - în cele mai favorabile condiții este transformată într-un produs al fotosintezei.

Orez. 1. Piramida energiilor. E - energie eliberată cu metaboliți; D = decese naturale; W—fecale; R - respirație

În ecosistemele artificiale, pentru a obține o recoltă mai mare, oamenii sunt nevoiți să cheltuiască energie suplimentară. Este necesar pentru agricultura industrializată, deoarece este cerut de culturile special create pentru aceasta. „Agricultura industrializată (alimentată cu combustibili fosili) (așa cum se practică în Japonia) poate produce producții de 4 ori mai mari la hectar decât agricultura în care toată munca este făcută de oameni și animale domestice (ca în India), dar necesită de 10 ori mai mult. cheltuieli cu diverse tipuri de resurse și energie.”

Închiderea ciclurilor de producție în funcție de parametrul energie-entropie este teoretic imposibilă, deoarece fluxul proceselor energetice (în conformitate cu cea de-a doua lege a termodinamicii) este însoțită de degradarea energiei și de o creștere a entropiei mediului natural. Acțiunea celei de-a doua legi a termodinamicii se exprimă în faptul că transformările de energie au loc într-o singură direcție, spre deosebire de mișcarea ciclică a substanțelor.

În prezent, asistăm la faptul că creșterea nivelului de organizare și diversitate a unui sistem cultural reduce entropia acestuia, dar crește entropia mediului natural, determinând degradarea acestuia. În ce măsură pot fi eliminate aceste consecințe ale celei de-a doua legi a termodinamicii? Există două moduri.

Prima cale este de a reduce pierderea de energie folosită de oameni în timpul diferitelor sale transformări. Această cale este eficientă în măsura în care nu duce la o scădere a stabilității sistemului prin care circulă energia (după cum se știe, în sistemele ecologice, o creștere a numărului de niveluri trofice ajută la creșterea stabilității acestora, dar contribuie în același timp la creșterea pierderilor de energie care trec prin sistem).

A doua cale constă în trecerea de la creşterea ordinii sistemului cultural la creşterea ordinii întregii biosfere. Societatea în acest caz mărește organizarea mediului natural prin reducerea organizării părții naturii care se află în afara biosferei Pământului.

Transformarea materiei și energiei în biosferă ca sistem deschis

Teoria și metodele sistemelor deschise, care reprezintă una dintre cele mai importante realizări ale secolului al XX-lea, sunt de o importanță fundamentală pentru înțelegerea dinamicii proceselor biosferei și a soluțiilor constructive la problemele specifice de mediu.

Conform teoriei clasice a termodinamicii, sistemele fizice și alte sisteme de natură neînsuflețită evoluează în direcția creșterii dezordinei, distrugerii și dezorganizarii lor. În același timp, măsura energetică a dezorganizării, exprimată prin entropie, tinde să crească continuu. Se pune întrebarea: cum ar putea să iasă natura vie, ale cărei sisteme în evoluția lor tind să-și îmbunătățească și să-și complice organizarea, din natura neînsuflețită, ale cărei sisteme tind să se dezorganizeze? Mai mult, în societate în ansamblu, progresul este evident. În consecință, conceptul original al fizicii clasice - conceptul de sistem închis sau izolat nu reflectă realitatea și este în contradicție clară cu rezultatele cercetărilor în biologie și științe sociale (de exemplu, previziunile sumbre ale „moartei termice” a Univers). Și este destul de firesc ca în anii 1960 să apară o nouă termodinamică (neliniară), bazată pe conceptul de procese ireversibile. Locul unui sistem închis, izolat în el este ocupat de un concept fundamental fundamental diferit al unui sistem deschis, care este capabil să facă schimb de materie, energie și informații cu mediul. Mijloacele prin care un organism se menține la un nivel suficient de ridicat de ordine (și la un nivel de entropie suficient de scăzut) constă de fapt în extragerea continuă a ordinii din mediu.

Sistem deschis Astfel, împrumută din exterior fie substanță nouă, fie energie proaspătă și, în același timp, eliberează substanța uzată și energia reziduală în mediul extern, adică. ea nu poate rămâne închis.În timpul procesului de evoluție, sistemul schimbă constant energie cu mediul și produce entropie. În acest caz, entropia, care caracterizează gradul de dezordine într-un sistem, nu se acumulează, ci este transportată în mediu, spre deosebire de sistemele închise. Concluzia logică este că un sistem deschis nu poate fi în echilibru, deoarece necesită o furnizare continuă de energie sau o substanță bogată în ea din mediul extern. Potrivit lui E. Schrödinger, datorită unei astfel de interacțiuni sistemul trage ordine din mediu și prin aceasta introduce dezordine în el.

Interacțiuni între ecosisteme

Dacă există o legătură între două sisteme, este posibilă o tranziție a entropiei de la un sistem la altul, al cărei vector este determinat de valorile potențialelor termodinamice. Aici intervine diferența calitativă dintre sistemele izolate și cele deschise. Într-un sistem izolat situația rămâne neechilibrată. Procesele continuă până când entropia atinge un maxim.

În sistemele deschise, fluxul de entropie în exterior își poate echilibra creșterea în sistemul însuși. Aceste tipuri de condiții contribuie la apariția și menținerea unei stări staționare (un tip de echilibru dinamic), numită echilibru curent. Într-o stare staționară, entropia unui sistem deschis rămâne constantă, deși nu este maximă. Constanta este mentinuta datorita faptului ca sistemul extrage continuu energie libera din mediu.

Dinamica entropiei într-un sistem deschis este descrisă de ecuația I.R. Prigogine (fizician belgian, laureat al Premiului Nobel 1977):

ds/dt = ds 1 /dt + ds e /dt,

Unde ds 1/dt- caracterizarea entropiei proceselor ireversibile din cadrul sistemului propriu-zis; ds e /dt- caracteristică schimbului de entropie între un sistem biologic și mediu.

Autoreglementarea ecosistemelor fluctuante

Scăderea totală a entropiei ca urmare a schimbului cu mediul extern, în anumite condiții, poate depăși producția sa internă. Apare instabilitatea stării anterioare dezordonate. Apar fluctuații la scară largă și cresc la nivel macroscopic. În acest caz este posibil autoreglare, adică apariţia anumitor structuri din formaţiuni haotice. Astfel de structuri se pot transforma succesiv într-o stare din ce în ce mai ordonată (structuri disipative). Entropia scade în ele.

Structurile disipative se formează ca urmare a dezvoltării propriilor instabilități interne în sistem (ca urmare a auto-organizării), ceea ce le deosebește de organizarea structurilor ordonate formate sub influența unor cauze externe.

Structurile ordonate (dissipative) care apar spontan din dezordine și haos ca urmare a procesului de autoorganizare se realizează și în sistemele ecologice. Un exemplu este aranjarea ordonată spațial a bacteriilor în mediile nutritive, observată în anumite condiții, precum și structuri temporare în sistemul „prădător-pradă”, caracterizate printr-un regim stabil de fluctuații cu o anumită periodicitate a numărului de populații de animale.

Procesele de autoorganizare se bazează pe schimbul de energie și masă cu mediul. Acest lucru face posibilă menținerea unei stări create artificial de echilibru curent, atunci când pierderile datorate disipării sunt compensate din exterior. Odată cu sosirea de noi energie sau materie în sistem, dezechilibrul crește. În cele din urmă, relațiile anterioare dintre elementele sistemului care îi determină structura sunt distruse. Se stabilesc noi conexiuni între elementele sistemului, conducând la procese de cooperare, adică. la comportamentul colectiv al elementelor sale. Aceasta este schema generală a proceselor de auto-organizare în sisteme deschise, numită știință sinergetice.

Conceptul de autoorganizare, aruncând o nouă lumină asupra relației dintre natura neînsuflețită și cea vie, ne permite să înțelegem mai bine că întreaga lume din jurul nostru și Universul sunt un set de procese de auto-organizare care stau la baza oricărei dezvoltări evolutive.

Este recomandabil să acordați atenție următoarei circumstanțe. Pe baza naturii aleatorii a fluctuațiilor, rezultă că Apariția a ceva nou în lume se datorează întotdeauna acțiunii unor factori aleatori.

Apariția auto-organizării se bazează pe principiul feedback-ului pozitiv, conform căruia schimbările care apar în sistem nu sunt eliminate, ci se acumulează. În cele din urmă, aceasta este ceea ce duce la apariția unei noi ordini și a unei noi structuri.

Punctul de bifurcație este impulsul dezvoltării biosferei pe o nouă cale

Sistemele deschise ale Universului fizic (care include biosfera noastră) fluctuează continuu și la un anumit stadiu pot ajunge puncte de bifurcație. Esența bifurcației este ilustrată cel mai clar de cavalerul de basm care stă la o răscruce de drumuri. La un moment dat de-a lungul potecii există o bifurcație în drum unde trebuie luată o decizie. Când se ajunge la punctul de bifurcare, este fundamental imposibil de prezis în ce direcție se va dezvolta sistemul în continuare: dacă va intra într-o stare haotică sau va dobândi un nou nivel de organizare mai înalt.

Pentru un punct de bifurcație, este un impuls pentru dezvoltarea sa pe o cale nouă, necunoscută. Este dificil de prezis ce loc va ocupa societatea umană în ea, dar cel mai probabil biosfera își va continua dezvoltarea.