Издавна ученых-биофизиков волновали проблемы установления энергетических закономерностей живого организма.
В этом плане большие перспективы открывает теория термодинамики тепловых агрегатов. В самом деле, живой организм характеризуется сложными тепловыми полями, свойства которых подчиняются термодинамическим закономерностям. Однако классическая термодинамика имеет дело с тепловыми объектами сравнительно однородной статистической структуры, т. е. с тепловыми источниками, функционирующими в стационарном режиме.
В 30-х годах биологу Э. С. Бауэру впервые удалось показать, что термодинамические свойства живого организма должны коренным образом отличаться от термодинамических закономерностей стационарных тепловых агрегатов. Поясним это примером. Если согласно классической термодинамике процесс взаимодействие тепловых источников рассматривается как отдача тепла телом, нагретым до высокой температуры, телу более холодному, то в живом организме теплота внутренних органов всегда находится при температуре, отличающейся от внешней среды. Например, температура человеческого тела 36,6°С резко отличается от температуры окружающей среды. Значит, любой живой организм обладает особыми термодинамическими свойствами, обеспечивающими ему поддержание постоянной внутренней температуры по отношению к внешней среде.
Откуда же в живых организмах берутся энергетические ресурсы для поддержания повышенного термодинамического потенциала? Э. С. Бауэр считал, что эту энергию живой организм черпает за счет структурных изменений белковой материи. В связи с этим Бауэром были выведены аналитические условия, устанавливающие связь между энергией формирования структуры белка, обладающей повышенным термодинамическим потенциалом, и энергией, высвобождаемой при его распаде. Согласно Бауэру, весь процесс жизнедеятельности, т. е. механизм старения человеческого организма, характер протекания болезни, процесс истощения энергетических реакций может быть представлен в виде взаимодействия энергии ассимиляции и диссимиляции белка. Однако Бауэру не удалось установить связь между энергией ассимиляции и диссимиляции со статистическими свойствами электрофизиологических реакций организма.
Потребовался длительный период, связанный с развитием новых аспектов термодинамики, теории информации, прежде чем появилась возможность вернуться к усовершенствованию термодинамических концепций Бауэра на основе новых подходов, а именно — термодинамики нестационарных процессов. Нужно отметить, что при исследовании термодинамических свойств в качестве Обобщенного энергетического параметра обычно рассматривается температура. Человек хорошо освоил технику измерения температуры с высокой точностью в различных физических и биофизических опытах. Однако, как правило, понятие температуры связывается с показаниями градусника, и это справедливо до тех пор, пока не встает задача измерения температуры в нестационарных тепловых объектах, какими являются живые организмы. С позиций термодинамики нестационарных процессов более общего вида температура определяется как сложная характеристика, учитывающая не только энергетическую компоненту теплового источника, но и его временную структуру.
В связи с этим теория нестационарных термодинамических систем оперирует понятием структурной температуры. Ее нельзя измерить с помощью физического прибора. Для ее измерения потребовался бы сложный расчет на вычислительной машине, связанный с определением текущей энергии и энтропии, исследуемого параметра. Тем не менее алгоритм измерения структурной температуры лежит в основе принципа функционирования клеток коры головного мозга. Исследование термодинамических свойств температурного потока в пространстве, окружающем человеческую голову, дает, например, основание полагать, что терморегуляция мозга осуществляется на основе критериев согласования структурной температуры биообъекта с окружающей средой.
Поясним более подробно принцип измерения структурной температуры. Приведены кривые, характеризующие изменения энергии физического параметра в зависимости от энтропии. Под энтропией в данном случае понимается статистический параметр, учитывающий степень упорядоченности измеряемой величины на том временном отрезке, в пределах которого определяется энергия физической характеристики. В зависимости от состояния энергетического объекта могут наблюдаться три вида кривых. При постепенном увеличении энергии по мере роста энтропии — стационарное состояние источника (кривая 1). Кривая 2 характеризуется резким изменением графика при достижении определенного уровня энтропии (происходит увеличение энергии при одновременном уменьшении энтропии). Участок кривой, соответствующий этому случаю, называется областью «отрицательной температуры». Такая область может практически наблюдаться при положительном значении температуры. За счет чего высвобождается энергия в этой фазе термодинамического состояния объекта? Уменьшение энтропии свидетельствует об упорядочивании структуры энергетического поля, которое высвобождает часть энергии, находящуюся до этого в рассеянном виде.
С позиций теории отрицательной температуры могут быть объяснены принципы работы источников когерентных излучений типа лазеров и мазеров. Выше уже отмечалось, что при исследовании биофизических реакций человека наблюдаются биолазерные эффекты. Основанием для подобного вывода являются опыты по исследованию термодинамических реакций, характеризующихся зависимостями, отображенными на кривой 2. И, наконец, могут происходить изменения термодинамических свойств, когда энергия в зависимости от энтропии изменяется по закону кривой 3. В этом случае термодинамический объект способен поглощать энергию окружающего рассеянного потока, резко понижая энергию естественного окружающего фона. Наблюдая энергетические реакции человеческого организма во время повышенного эмоционального напряжения, можно удостовериться в понижении естественного энергетического фона.
Сложные термодинамические функции человеческого организма проявляются в процессе активной работы клеток коры головного мозга. В отдельных областях коры головного мозга, а именно в левом и правом полушариях в районе лобных и затылочных полей, термодинамические свойства выражены неравномерно. Иначе говоря, имеет место различная степень термодинамической напряженности в левом и правом полушариях. Процесс изменения термодинамических свойств участков мозга является динамическим, т. е. он изменяется в зависимости от времени, от степени утомления человека, от сложности решаемых задач, и тем самым он обусловливает точность реакций человека. Установлено, что у человека «правши» наибольшая мозговая активность наблюдается в момент возбуждения центров левого полушария и наименьшая — при возбуждении правого полушария. Эти фазы деятельности мозга не остаются стабильными, и каждый человек лишь в какие-то определенные временные промежутки может достигать наилучших творческих показателей. Но в то же время семантическая значимость творческих результатов неодинакова в условиях возбуждения левого и правого полушарий.
Выясняется, что функции правого полушария обеспечивают человеческому мозгу достижения таких состояний, при которых в ограниченное время может быть осуществлен перебор гораздо большего числа вариантов. Следовательно, только согласованная, дополняющая друг друга деятельность обоих полушарий может привести к результатам, которые, с одной стороны, будут характеризоваться логической полнотой исследуемых вариантов сложной задачи, а с другой — точностью и аналитической завершенностью. И в заключение, левое полушарие как бы завершает построение законченной аналитической модели исследуемого объекта и выдает окончательный результат. Эта двойственная функция мозга никоим образом не должна нарушаться во время профессионального совершенствования человека, обучения, тренировок, составления программ производственной деятельности и т. п.
Непостоянство термодинамических режимов левого и правого полушарий является одной из причин заметного снижения коэффициента полезного действия (к. п. д.) умственной деятельности. Это должно учитываться как объективно действующий фактор, например, при планировании учебных занятий в вузах.
Для получения наибольшего эффекта в процессе творческой деятельности время непрерывной умственной работы должно составлять 6—8 ч. Именно в течение этого периода происходит естественная смена фазовых возбуждений левого и правого полушарий.
Как известно, реакции мозга характеризуются определенными биологическими ритмами, и поэтому встает естественная задача установления связи между частотой и спектрами этих ритмов с обобщенными термодинамическими показателями. При исследовании природы биологических ритмов мозга необходимо учитывать, как это было уже показано выше, наличие электрических реакций мозгового вещества квантовой и волновой природы. Поэтому термодинамика нестационарных волновых процессов должна быть дополнена термодинамическими концепциями квантовой нестационарной теории. Именно в этом направлении происходило усовершенствование термодинамических подходов применительно к оценке энергетических и информационных реакций коры головного мозга. Однако не существует простых способов определения квантовой структуры биотоков мозга. Это можно сделать лишь путем сложной обработки на ЭВМ биопотенциалов электрической активности мозга, зарегистрированной с помощью специальных приборов. Записи биоэлектрической активности мозга, рассматриваемые в виде кривых сложного вида, представляют не что иное, как выборки случайных процессов. Под случайным процессом понимается такая временная функция, характеристики которой на заданные заранее промежутки времени могут быть предсказаны лишь с определенной степенью вероятности. В самом деле, ввиду сложного характера взаимодействия мозговых клеток их суммарная реакция, фиксируемая с помощью приборов, имеет, как правило, вероятностный характер.
Для изучения таких процессов используются методы специального раздела математической теории, называемой теорией «случайных функций». Именно эта теория позволяет успешно исследовать структуру волновых и квантовых процессов биоэлектрической активности мозга. Данные первичной биоэлектрической активности преобразуются в дискретные или точечные отсчеты кривой и вводятся в цифровую вычислительную машину. Обработка результатов проводится по алгоритмам, позволяющим на основе анализа структуры кривой выработать последовательность временных промежутков, через которую должны появляться энергетические кванты соответственно волнового и квантового энергетического поля. Измеряя среднее соотношение временного промежутка между импульсами волновой и квантовой природы, мы получаем уже упоминавшийся ранее информационный показатель. Он связывается с уравнением Бауэра естественным образом. И это дает возможность контролировать допустимые границы ассимиляции и диссимиляции белковых структур, при которой обеспечивается устойчивость функционирования биологического Объекта. Динамические свойства мозгового вещества удовлетворяют требованиям оптимальной устойчивости в том случае, если биоэлектрическая активность мозга носит стационарный характер.
Информационный показатель вместе с тем может быть связан с частотой биоритмов. Рассмотрим соотношение между максимальной и минимальной разностью энтропии соответственно для границ верхней и нижней зоны устойчивости. Это соотношение равно 0,68. Подобный коэффициент характеризует величину диспропорции, которая известна в теории «золотого сечения» в качестве коэффициента оптимальной асимметрии. Здесь мы сталкиваемся с неожиданным результатом. Отношение разности энтропии для границ зоны устойчивости биоэлектрических реакций мозга соответствует принципу «золотого сечения». Графическая интерпретация принципа золотого сечения приобретает определенную термодинамическую трактовку в случае устойчивой и неустойчивой реакции коры головного мозга. Условие асимметрии между частотными параметрами биоритмов организма наблюдается и при изучении механизма разрушения стационарных реакций во время тех или иных болезненных состояний.
Таким образом, любая болезнь имеет свой своеобразный информационный «портрет», который может быть положен в основу электронной диагностики.
В качестве обобщенных статистических параметров, характеризующих средние периоды биоритмов в процессе нестационарных физико-химических изменений в организме, могут рассматриваться интервалы корреляции первого, второго, третьего и более высоких порядков.
Приведены кривые, масштаб развертывания которых определяется значениями интервалов корреляции первых четырех порядков. Область стационарных реакций организма, для которых соотношение интервалов корреляции первого и второго порядков (информационный параметр) лежит в пределах 2< τ1:τ2 < 3. Судить о нарушении физико-химических процессов больного организма можно по характеру изменения фазовых траекторий, изображенных в виде пунктирных линий.
Для осуществления экспресс-диагностики можно ограничиться знанием информационного показателя. Так, увеличение информационного показателя до значений свыше трех свидетельствует о развитии психических нарушений. Нужно отметить, что в отдельных случаях можно искусственно вызвать изменение информационного показателя биоэлектрической активности организма путем введения разных фармакологических препаратов или инъекций возбуждающих, тонизирующих веществ. Так, при введении новокаина даже в небольших дозах наблюдается быстрая реакция (уже через 1—3 мин) возбуждения, и при этом коэффициент пропорциональности заметно возрастает относительно фонового значения. По истечении некоторого промежутка времени информационный показатель вновь приобретает исходную величину. Применение анестезиологических препаратов, которые, как известно, даются больному перед операцией, приводит также к изменению термодинамических реакций организма на время, необходимое для выполнения операции.
Измерения показывают, что при тяжелом состоянии организма, например, после тяжелой травмы, когда человек находится в шоковом состоянии, информационный показатель биоэлектрической активности лежит в пределах от 3 до 11, что свидетельствует о глубоких термодинамических нарушениях. В зависимости от глубины и тяжести шоковой реакции нужно выводить организм из этого состояния с чрезвычайной осторожностью. В зависимости от величины шокового воздействия на организм и индивидуальной реакции нервной системы на это состояние не каждый человек может перенести без необратимых последствий те воздействия на его важнейшие органы — мозг, сердце, почки, которые неизбежно возникают во время противошоковых процедур. Так, например, при интенсивном введении противошокового препарата резкое нарушение термодинамических функций может явиться причиной угнетения жизнедеятельности важнейших органов и в конечном счете привести к смертельному исходу.
Поэтому программа противошоковых воздействий должна планироваться с учетом медленного вхождения в верхнюю границу зоны устойчивости, контроль за которой осуществляется с помощью специальных электронных анализаторов, формирующих текущее значение информационного параметра. Этот показатель, регистрируемый медицинскими приборами, позволяет хирургу и врачу-анестезиологу контролировать состояние больного, прибегая к эффективным мерам регулирования жизненно важных функций. Таким образом, врач может получать немедленную обратную связь, что особенно важно, так как больной находится в бессознательном состоянии. Нужно заметить, что информационный показатель может характеризовать наличие местных очагов заболевания на теле человека, в частности, заранее предупредить о намечающейся злокачественной опухоли, о наличии различных воспалительных процессов. С помощью информационного показателя можно локализировать область тяжелых сердечных поражений. Так, например, известен случай, когда при измерении сердечных реакций у больного с пороком сердца величина информационного показателя в области поражения составила 1,4. Это свидетельствовало о тяжелой форме нарушения жизненной активности. Измерения были сделаны перед операцией, которая окончилась летальным исходом. При исследовании открытого очага мозговой патологии информационный показатель в ряде точек черепного покрова имел величину 3,2—3,5 и выше. Это свидетельствует о резком перевозбуждении поля биоэлектрической активности мозга, что в действительности и было подтверждено во время операции.
Поскольку информационный показатель является обобщенным критерием устойчивости сложных динамических систем как биологических, так и физических объектов, то он может быть использован для оценки степени воздействия на человеческой организм внешних метеорологических, космических и других факторов. Установлено, что при увеличении нестационарной структуры магнитного и электрического поля Земли человеческий организм также изменяет свои биоэлектрические реакции.