ПРОСТРАНСТВО ССЦ (НА УРОВНЕ ОРГАНА) И ОСНОВЫ М-ТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МЫШЕЧНОЙ МАССЫ СЕРДЦА

Глава 2. "ПРОСТРАНСТВО" ССЦ (НА УРОВНЕ ОРГАНА) И ОСНОВЫ МАТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МЫШЕЧНОЙ МАССЫ СЕРДЦА

2.1. Система "структура сердечного цикла"

2.1.1. Особенности структур сердечного цикла

Фазовая структура любого сердечного параметра отображает его изменения в течение кардиоцикла в соответствии с некоторым функциональным признаком. Необходимо решить, каким образом произвести раздел состояний в пределах кардиоцикла, чтобы при анализе получить информацию о наиболее глубоких законах организации сердечной деятельности. Диалектическая сущность вещей такова, что исследуемый объект всегда предстает как нечто двойственное, как единство по меньшей мере двух противоположностей. Деятельность сердца связана с периодической сменой двух противоположных, взаимно дополняющих друг друга состояний миокарда - систолы (напряжения) и диастолы (расслабления). Исходя из этого, нами выбрана для анализа структура сердечного цикла (ССЦ), представляющая систолическую и диастолическую "противоположности" того или иного параметра. По этому разделению всякая ССЦ, соответствующая определенному параметру деятельности сердца, включает в себя систолическое и диастолическое значения рассматриваемого параметра и их сумму.

2.1.2. Представление системы

Теперь представим ССЦ в качестве объект-системы. Согласно ОТС Ю.А.Урманцева в каждой объект-системе необходимо выделить следующие аспекты: 1) первичные элементы, рассматриваемые на данном уровне исследования как неделимые; 2) отношения единства между этими элементами и 3) законы композиции, определяющие границы этих отношений. Исходя из этих положений, всякую из рассматриваемых ССЦ можно представить в качестве системы. Первичными элементами ССЦ по основанию "противоположности" является совокупность систолического, диастолического и суммарного значений параметра. Отношением единства между этими элементами является их функциональная связь, а законом композиции - математическое выражение определенного вида, связывающее эти элементы в единое целое. На основе пунктов 1)-3) нами построены системы, представляющие наиболее значительные биофизические параметры деятельности сердца - временная, объемная, механическая и кровотоковая ССЦ [148, 152].

Временная ССЦ состоит из длительностей систолы, диастолы и кардиоцикла. Объемная ССЦ включает в себя объем изгнанной крови, объем оставшейся крови и конечнодиастолический объем левого желудочка. Механическая ССЦ представляет собой отнесенные к длительности сердечного цикла среднее систолическое и среднее диастолическое давления в аорте и среднее за сердечный цикл давление в аорте. Кровотоковая ССЦ включает в себя отнесенные к длительности сердечного цикла средний систолический и средний диастолический коронарные кровотоки и средний за кардиоцикл коронарный кровоток. Пределы предпринятого нами исследования ограничены тем, что будут рассмотрены структуры сердечного цикла здоровых взрослых людей и животных, находящихся в нормальных условиях обитания. Под нормальными условиями подразумеваются нормальные состав, влажность и атмосферное давление вдыхаемого воздуха, естественная температура окружающей среды, нормальное питание, отсутствие эмоциональных перегрузок. В предпринятом нами исследовании в качестве "возмущающего" фактора, влияющего на величину параметров сердца, избрана физическая нагрузка. Известно также, что для каждого животного величины сердечных параметров связаны с его весом. Совокупность всех реально существующих временных, механических, объемных и кровотоковых ССЦ животных различной массы (веса) в условиях вариации физической нагрузки от покоя до максимума представляет некоторое "пространство" ССЦ. Нашей конечной задачей является представление законов композиции этого "пространства" и анализ его особенностей.

2.1.3. Обобщенное представление ССЦ и "особые" числа.

В общем виде систему - любую структуру сердечного цикла (ССЦ) - по отношению к весу животного и физической нагрузке можно представить следующим выражением

C_sj (d,W) + C_dj (d,W) = C_j(d,W), (2.1)

где W - вес животного; d - относительное изменение минутного выброса сердца при заданной физической нагрузке по отношению к минутному выбросу в покое, d - опосредованный показатель изменения кровоснабжения организма при вариации нагрузки; C_sj(d,W), C_dj(d,W), C_j(d,W) - систолическое, диастолическое и суммарное значения j-параметра, соответствующие некоторым величинам W и d. Следует отметить, что значения C_sj(d,W), C_dj(d,W) и C_j(d,W) соответствуют установившимся режимам кровоснабжения организма при кратковременной градуированной нагрузке (5-10 мин).

Систолическим и диастолическим элементам механической и кровотоковой ССЦ в выражении (2.1) соответствуют средние за систолу и диастолу величины рассматриваемого параметра, отнесенные к длительности сердечного цикла. При весе животного W и частоте сердцебиений n, соответствующей некоторой величине d,

= (1/T(n,W)) ,

где t_s(n,W), t_d(n,W), T(n,W) - соответственно длительность систолы, диастолы и кардиоцикла, c_j(n,W,t) - мгновенное значение j-параметра, , - соответственно среднее за сердечный цикл систолическое, среднее за сердечный цикл диастолическое значения j-параметра некоторого животного при сердечном ритме n. Необходимо отметить, что одной и той же величине d в зависимости от вида и веса животных соответствуют различные значения n.

Среднее за кардиоцикл значение параметра для механической и кровотоковой ССЦ

= (1/T(n,W)),

где - среднее за сердечный цикл значение j-параметра, соответствующее частоте n. В дальнейшем для механической и кровотоковой ССЦ суммарное (среднее за кардиоцикл) значение параметра будем для краткости обозначать "средним значением".

Нами было установлено [148, 152], что в некотором режиме кровоснабжения организма соотношения между систолическим, диастолическим и суммарным значениями параметра для временной, механической, объемной и кровотоковой ССЦ основаны на пропорции золотого сечения. Этот режим приблизительно соответствует покою организма для всех животных независимо от их веса. Режим кровоснабжения организма, связанный с золотой пропорцией, обозначен нами "золотым" [152]. Этот режим для всякого животного соответствует частоте сердцебиений n_зс , при которой длительности систолы, диастолы и кардиоцикла соотносятся между собою по золотому сечению [152]. Частота n_зс приблизительно соответствует покою организма (например, для человека n_зс = 63 уд/мин). Будем считать золотой режим кровоснабжения исходным при анализе изменений, соответствующих вариации физической нагрузки от покоя до максимума (d=1-4). Естественно, что в золотом режиме d =d_зс=1. С учетом этого, для механической и кровотоковой ССЦ в золотом режиме

, = 0,382, (2.2)

= 0,618C , (2.3)

где , - соответственно среднее за кардиоцикл систолическое, среднее за кардиоцикл диастолическое и суммарное значения рассматриваемого j-параметра при d_зс_. Поскольку при физической нагрузке между изменениями минутного выброса сердца и частоты сердцебиений существует прямая линейная зависимость [152], то очевидно, что для каждого животного d=n/n_зс. В золотом режиме кровоснабжения закон композиции для ССЦ рассматриваемых параметров можно представить следующим выражением

0,382 + 0,618 =, .(2.4)

Известно [152], что в покое зависимость рассматриваемых суммарных (средних) сердечных параметров от веса животных можно представить аллометрическими выражениями типа

= a_j W_i. (2.5)

где W_i - вес i-животного; a_j , b_j - величины, соответствующие j-параметру деятельности сердца (эти величины имеют постоянные значения независимо от веса животных). С учетом (2.4) и (2.5) имеем

0,382 a_j W_i+ 0,618 a_j W_i= a_j W_i. (2.6)

Поскольку вес животного в течение непродолжительной физической нагрузки (5-10 мин) практически не меняется, то его можно считать постоянным и в покое и при всякой нагрузке, т.е. a_j W_i=const при любой величине d. Следовательно, в наших дальнейших рассуждениях можно не учитывать зависимость веса от нагрузки. С учетом влияния физической нагрузки на величину параметров все законы композиции рассматриваемых ССЦ можно представить в обобщенной форме [152]

0,382a_jW_i+0,618a_jW_i@a_jW_i ,(2.7)

где k_j - величина, соответствующая j-параметру; эта величина не зависит от уровня физической нагрузки и постоянна для всех животных.

Итак, в выражении (2.7) представлен обобщенный закон композиции временной, механической, объемной и кровотоковой структур сердечного цикла. Следует также сказать, что выражение (2.7) отображает совокупность важнейших параметров, связывающих деятельность сердца с кровоснабжением всего организма. Если рассматривать параметры сердца в порядке некоей иерархии, то можно сказать, что эти параметры "обслуживают" связь сердца с нагрузкой. Рассматриваемые нами в последующих главах "пространства" (3.43) и (4.38) относятся к параметрам крово- и кислородного обеспечения самого сердца. В законе (2.7) отображено влияние веса организма и мышечной нагрузки на композицию ССЦ, а также представлена роль золотого сечения. В результате проведенных нами исследований [148, 152] были установлены следующие значения k_j , a_j и b_j : для временной ССЦ - k_j =-2, a_j=0,249, b_j =0,250, [С_j ]=c; для объемной ССЦ - k_j =-1, a_j =1,76, b_j =1,02, [С_j ]=мл; для механической ССЦ - k_j =1, a_j=1,47*10⁵ , b_j =0,033, [С_j]=дн/см² и для кровотоковой ССЦ - k_j =2, a_j =7,48, b_j =0,81, [С_j]=мл/мин. Во всех расчетах [W_i] принимается в кг.

Обобщенный закон композиции (2.7) представляет собою приблизительное тождество, в основе которого лежит выражение

0,382 + 0,618 @ 1. (2.8)

Относительное расхождение между левой и правой частями этого выражения в заданных пределах =1-2 составляет (-3-+7)%. Отметим, что это расхождение находится в пределах ±(5-6)%-отклонения параметра от его оптимального значения, при котором оптимальность системы еще сохраняется [22]. Заменив =х и умножив правую часть на х⁰ =1, можно (2.8) представить в следующей форме

0,382х + 0,618х^-1 @ 1х⁰ . (2.9)

В выражении (2.9), а следовательно, и в (2.8) можно отметить следующие особенности. В их структуре имеет место "пересечение" двух геометрических прогрессий: Ф^-2 = 0,382, Ф^-1 = 0,618, Ф⁰ = 1 и х^-1 , х⁰ , х; первая из них обладает также свойствами аддитивного ряда. Отметим, что разность показателей крайних членов обеих прогрессий равна 2. Отметим также, что диапазон изменения х=1-2. Отношение х_max /х_min =2 соответствует отношению верхнего и нижнего значений двух соседних октав () [89]. Таким образом, особенности выражения (2.9) связаны с числом 2, которое наряду с числами (p, e и i имеет широкое "представление" в законах физики [4].

Отметим, что в каждом члене тождества (2.7) имеет место перемножение двух аллометрических выражений: a_jW_i, a_jW_i, a_jW_i; первый из этих сомножителей безразмерен, а другой имеет размерность параметра. Как нам представляется, здесь имеет место важный феномен. И размерный и безразмерный сомножители имеют аллометрическую форму, что указывает на универсальность этой формы для представления изменений параметра как по отношению к нагрузке, так и весу животных. Следует вспомнить при этом, что аллометрическая форма относительного изменения имеет место и при росте растений [218], что указывает на особое "благоволение" живой природы к подобной форме преобразований.

В законе (2.7) как бы присутствует "иерархия" постоянных безразмерных величин. Прежде всего, это золотые числа, обусловливающие универсальность организации всего "пространства" ССЦ. Числа 0,382 и 0,618 характеризуют гармонию противоположных "состояний" параметра в золотом режиме кровоснабжения, практически совпадающего с режимом покоя; эти числа являются общими для всех животных и всех рассматриваемых параметров. Отметим, что диапазон d=1-4 характеризует относительные изменения минутного выброса сердца от покоя до максимальной нагрузки; этот диапазон сохраняется независимо от веса животных [152]. Величины k_j , a_j и b_j аналогичны для всех животных по отношению к некоторому j-параметру сердечной деятельности. И только величина W_i "индивидуализирована", т.е. имеет размерность и относится к отдельному i-животному. Таким образом, в законе (2.7) имеем следующий ряд универсальных величин: 1) числа 0,382 и 0,618; 2) диапазон чисел d =1-4 и 3) значения k_j, a_j и b_j . Эти величины представляют числовой "каркас" - основу "качественной" организации "пространства" ССЦ. Ниже нами будет показано оптимальное содержание этого "каркаса".

Прежде всего следует отметить оптимальность веса (массы) тела млекопитающих. И.Ф.Образцов и М.А.Ханин [97] показали, что наблюдаемые в природе веса тел млекопитающих весьма близки к оптимальным величинам, допустимым с точки зрения энергетики. Теперь остается показать, что сердце и его параметры оптимальным образом соотносятся с весом организма.

Масса сердца определяется влиянием двух факторов: 1) артериальное давление и 2) воспроизводство эритроцитов. При увеличении артериального давления уменьшается объем циркулирующей крови и, следовательно, энергетические затраты, связанные с эритропоэзом. С другой стороны, при этом возрастает механическая работа сердца и увеличивается масса сердца. Природа нашла такое соотношение между затратами мощности на воспроизводство эритроцитов и мощности, потребляемой сердцем [97], при котором их сумма равна минимальной величине. Вес сердца в этом случае оптимален, т.е. имеет минимально возможную величину. Очевидно, что веса сердца и организма соотносятся между собою оптимальным образом; это отношение является инвариантным и составляет приблизительно 0,06( [247, 267].

Нами было показано [149], что в покое суммарные (или средние) значения рассматриваемых параметров (длительность кардиоцикла, среднее артериальное давление, средний коронарный кровоток и конечнодиастолический объем левого желудочка) оптимальны по отношению к весу млекопитающих с точки зрения затрат энергии. Связь суммарных (или средних) значений с весом представлена выражением (2.5). Поскольку и вес и суммарные (средние) значения параметров оптимальны, то очевидно, что именно "подбор" чисел a_j и b_j обеспечивает оптимальное соотношение между весом организма и величиной того или иного сердечного параметра.

Показано, что при нормальных условиях сердце млекопитающих в покое [185, 241] и при любой физической нагрузке [211] исполняет свою функцию с минимально возможными затратами энергии. Нами показано [152], что расход механической энергии на изгнание единичного объема крови из желудочков оптимален при любом уровне нагрузки. За физиологическими пределами d=1-4 эффективность работы сердца значительно снижается. Очевидно, что лишь в этом диапазоне обеспечивается оптимальная деятельность сердца. Диапазон d=1-4 предстает как показатель, представляющий оптимальную связь между возможностями сердечно-сосудистой системы организма и допустимыми пределами нагрузки.

И наконец, в покое "противоположности" в рассматриваемых ССЦ разделяются в соотношении 0,382:0,618 [152]. Золотое сечение представляет оптимальное с точки зрения энергетики сопряжение "противоположностей" в сердечном цикле. В дальнейшем мы покажем, что в золотом режиме кровоснабжения организма сердце функционирует с большей эффективностью, чем в любом другом режиме.

Таким образом, мы могли убедиться, что все "голые" числа в законе (2.7) имеют оптимальное "обоснование", что указывает на их особую роль в организации сердечной деятельности млекопитающих. Следует в связи с этим указать на весьма важные, по нашему мнению, теоретические соображения о "качестве" чисел, их роли в организации окружающего нас мира, представленные в работах Г.Б.Аракеляна [4] и М.А.Марутаева [89].