Использование подходов термодинамики при оценке состояния живой системы

Disparities Study», International journal of molecular epidemiology and genetics. Vol. 5. № 1, pp. 31-46.

47. Weinstein S.J., Stolzenberg-Solomon R.Z., Kopp W. et al. (2012) «Impact of circulating vitamin D binding protein levels on the association between 25-hydroxyvita-min D and pancreatic cancer risk: a nested case-control study», Cancer Research. Vol. 72. № 5, pp. 1190-1198.

48. Xu Y., He B., Pan Y. et al. (2014) «Systematic review and meta-analysis on vitamin D receptor polymorphisms and cancer risk», Tumor Biology. Vol. 35. № 5, pp. 4153-4169.

49. Yao X., Zeng H., Zhang G. et al. (2013) «The associated ion between the VDR gene polymorphisms and susceptibility to hepatocellular carcinoma and the clinicopathological features in subjects infected with HBV», BioMed Research International. Vol. 2013, e 953974, available at: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ articles/PMC3618929/ (accessed 22 July 2016).

50. Zerwekh J.E. (2008) «Blood biomarkers of vitamin D status», The American Journal of Clinical Nutrition. Vol. 87. № 4, pp. 1087-1091.

51. Zhang Z., He J.W., Fu W.Z. et al. (2013) «An analysis of the association between the vitamin D pathway and serum 25-hydroxyvitamin D levels in a healthy Chinese population», Journal of Bone and Mineral Research. Vol. 28. № 8, pp. 1784-1792.

52. Zhao Y.G., Shi B.Y., Xiao L. et al. (2012) «Association of vitamin D receptor Fokl and Apal polymorphisms with human cytomegalovirus disease in the first three months following kidney transplantation», Chinese Medical Journal. № 19, pp. 3500-3504.

53. Zhu Q., Li N., Han Q. et al. (2012) «Single-nucleotide polymorphism at CYP27B1-1260, but not VDR Taq I, is possibly associated with persistent hepatitis B virus infection», Genetic Testing and Molecular Biomarkers. № 9, pp. 1115-1121.

УДК 536:577.35

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДХОДОВ ТЕРМОДИНАМИКИ ПРИ ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ЖИВОЙ СИСТЕМЫ

Саввин В.Н., Короткова О.Л., Шишкин Г.П.

ФГБОУ ВО Кировский государственный медицинский университет Минздрава России, Киров, Россия (610027, г. Киров, ул. К. Маркса, 112), e-mail: Shgp45@mail.ru

THE USE OF THERMODYNAMICS APPROACHES IN THE LIVING SYSTEM STATE ESTIMATION

Savvin V.N., Korotkova O.L., Shishkin G.P.

Kirov State Medical University, Kirov, Russia (610027, Kirov, K. Marx Street, 112), e-mail: Shgp45@mail.ru

В данной статье рассматривается возможность применения законов и методов термодинамики к биохимическим процессам в человеческом организме. Статья носит реферативный характер. С позиций термодинамики открытых систем рассматривается обмен веществом и энергией между организмом и окружающей средой, необходимый для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

Объясняется нормальное функционирование биологического организма на фоне естественного колебания энтропии около стационарного уровня. Развитие патологии в острой фазе характеризуется ростом энтропии. Хроническая стадия может характеризоваться как новое стационарное состояние с более высоким уровнем энтропии. Дальнейшее развитие патологии может привести к гибели органа и определяется как катастрофическое возрастание энтропии системы.

Показывается, что энтропия системы может быть уменьшена только в том случае, если система взаимодействует с другой системой таким образом, что в составной системе происходит компенсирующее увеличение энтропии. Этот принцип компенсации энтропии является существенным в данной статье и может быть положен в основу методики коррекции состояния (лечения) организма как при физиотерапевтическом, так и при медикаментозном лечении, а также при разработке новых типов лекарств.

Ключевые слова: коррекция состояния организма, термодинамика, энтропия, замкнутая и открытая система, биологический объект, стационарное состояние, термодинамический потенциал Гиббса, хаотизация системы, принцип компенсации энтропии.

The article below gives analysis of an opportunity to apply laws and methods of thermodynamics to biochemical processes in the human body.

Based on thermodynamics for open systems the authors consider the substance and energy exchange between the organism and the environment which is necessary to resist the entropy increase caused by irreversible processes in the living system.

Normal functioning of the biological organism against the background of entropy vibration at about a stationary level is explained. The development of pathology in the acute phase is characterized by the entropy increase. Chronic stage can be characterized as a new stationary condition with a higher entropy level. Further

development of the pathology can lead to death of an organ and is determined as a catastrophic increase of the system entropy.

It is shown that the system entropy can be decreased only if a system interacts with another one in such a way that in a compound system a compensatory entropy increase occurs. This principle of entropy compensation is essential in the reviewed article and can be taken as a basis in methods of improving a condition (treatment) of an organism in both physiotherapy and pharmacological therapy and in the development of new types of medicines as well.

Key words: improving the condition of an organism, thermodynamics, entropy, open and isolated system, biological object, stationary condition, Gibbs thermodynamic potential, chaotization of a system, principle of the entropy compensation.

Введение

Коррекция (лечение) организма возможна медикаментозными, физиотерапевтическими или психологическими методами. При этом анализ состояния организма бывает затруднен. Один из возможных подходов к разрешению данной проблемы - это рассматривать биологический объект как открытую термодинамическую систему. При этом требуется установить соответствие между морфофункциональ-ными и биохимическими показателями, характеризующими состояние органа (системы), и параметрами открытой термодинамической системы: энергией и энтропией, отражающей степень изменения порядка и информации в системе. Степенью самоорганизации системы служит энтропия, которая для биологических объектов может как возрастать, так и убывать, так как биосистема для сохранения своих параметров находится в состоянии постоянного обмена (веществом и энергией) с внешней средой. Тогда критерием для определения жизнеспособности системы может служить изменение энтропии, которое можно определить через изменение энергии Гиббса. Далее приводится пример применения данного подхода к анализу и поиску путей коррекции состояния организма.

Все живые существа для поддержания жизни потребляют энергию и обладают способностью превращать и хранить энергию в различных формах, а биологические процессы связаны с передачей и превращением энергии. Растения накапливают в процессе фотосинтеза энергию Солнца в форме энергии химических связей органических веществ. Получая с пищей эту энергию, животные используют ее для обеспечения различных функций организма или запасают для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом. Первоначально эта энергия используется в клетках для синтеза аденозинтри-фосфорной кислоты (АТФ), которая в дальнейшем может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке. Исследования [5] свидетельствуют, что все процессы превращения энергии в биологических объектах (системах) происходят в рамках законов термодинамики, которая рассматривает общие закономерности превращения и передачи энергии.

Материал и методы

Всякая термодинамическая система описывается особой функцией своего состояния, называемой энтропией S. Для замкнутой термодинамической системы увеличение энтропии является количественной мерой потери работоспособности системы, то есть

мерой деградации энергии системы. Следовательно, уменьшается энергия, которая может быть использована системой и, в частности, может быть преобразована в механическую работу. Изменение энтропии системы dS определяется отношением теплоты 5Q, введенной в систему или выведенной из системы, к абсолютной температуре Т системы, при которой этот процесс происходит:

dS> 5Q/ Т.

Равенство верно для равновесных процессов, неравенство - для неравновесных.

Второй закон термодинамики дает критерий направленности самопроизвольных необратимых процессов. В замкнутых (изолированных) системах термодинамические процессы всегда идут с увеличением энтропии до ее максимальных значений при установлении термодинамического равновесия. В открытых системах это нарушается, и энтропия системы может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Биологические системы являются открытыми. В таких системах постоянно происходит процесс обмена энергией с внешней средой. Внутренние метаболические процессы также сопровождаются превращениями одних форм энергии в другие.

Биологические объекты не находятся в состоянии равновесия. Процессы, проходящие в таких системах, являются необратимыми.

Общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой dSe, либо вследствие внутренних необратимых процессов dS. [4]:

dS=dSl+dSe. 1

Во всех реальных случаях dS1 больше 0.

Скорость изменения энтропии в открытых системах:

dS/dt=dSl/dt+dSe/dt,

причем каждый из членов dS1/dt, dSe/dt отличен от нуля. Следовательно, в процессе изменения энтропии в открытой системе играют роль два компонента: скорость производства энтропии в системе и скорость изменения энтропии из-за энергообмена с окружающей средой. Согласно второму закону термодинамики, первый компонент всегда положительный. Второй компонент может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления энергетического обмена через границу системы.

Увеличение энтропии означает снижение степени упорядоченности и организованности в системе, ее хаотизацию.

В стационарном состоянии в открытой биологической системе

dS/dt=dSl/dt+dSe/dt=0,

то есть нахождение системы в рамках физиологического процесса характеризуется (для данной системы) стационарным уровнем энтропии S, равным S0.

Но нормальное функционирование организма (физиологическое состояние) возможно лишь при определенной «норме» хаотичности (разной для разных организмов и их состояний). При этом хаотичность, а значит и энтропия S в биологической системе как в состоянии физиологической нормы, так и в состоянии хронического патологического процесса может изменяться в определенных узких пределах, обеспечивать подвижность системы и скорость ее реакции на изменяющиеся условия, что может быть условием обеспечения ее функциональной активности и в конечном итоге условием существования.

Следовательно, при функционировании биологического организма происходит постоянное колебание энтропии S около стационарного уровня S0. Развитие патологии в острой фазе характеризуется ростом этого показателя ЛS>0. Хроническую стадию можно характеризовать как новое стационарное состояние с уровнем энтропии S, равным S1, причем S1>S0. Дальнейшее развитие патологии может привести к гибели органа и может быть охарактеризовано как катастрофическое возрастание энтропии системы.

Таким образом, в качестве критерия состояния термодинамической системы можно использовать энтропию S, которая позволяет определить не только направленность, но и глубину необратимых процессов в открытых системах. При этом нас интересует не абсолютное значение S, а скорость dS/dt и направление ее изменения.

По теореме Пригожина [4] в стационарном состоянии положительная функция dS1/dt принимает минимальное положительное значение. Следовательно, по мере приближения к стационарному состоянию скорость образования энтропии внутри открытой системы уменьшается, постепенно приближаясь к своему минимальному положительному значению. Это означает, что система рассеивает минимальную энергию в среду и нуждается в минимальном поступлении свободной энергии для поддержания своего состояния.

Стационарное состояние открытой системы имеет сходство с термодинамическим равновесием, поскольку оба состояния характеризуются устойчивостью характеризующих их параметров состояния. Но в стационарном состоянии, в отличие от состояния равновесия, система обменивается энергией с окружающей средой, так как количество свободной энергии в системе необходимо поддерживать. Энтропия системы в стационарном состоянии стабильная, но не максимальная.

Теорема Пригожина объясняет устойчивость стационарных состояний в открытых системах [11]. Если система выходит из этого состояния самопроизвольно, происходит увеличение энтропии. Тогда вследствие стремления системы к производству минимальной энтропии в ней возникают процессы, которые стремятся возвратить ее в стационарное состояние. Многие физиологические параметры являются достаточно стабильными. Их стационарный уровень регулируют специальные физиологические механизмы. В качестве примера поддержания стационарного состояния можно привести терморегуляцию организма. Постоянство температуры обеспечивается поддержанием баланса теплопродукции и теплоотдачи. В результате температура тела поддерживается неизменной, несмотря на колебания внешней температуры.

Результаты и их обсуждение

Состояние каждой термодинамической системы может полностью определяться с помощью термодинамических потенциалов [2]. Каждому из них приписывается определенный набор независимых параметров состояния.

Так как биологические системы находятся при постоянном давлении и температуре, то для их описания применяется термодинамический потенциал G - свободная энергия Гиббса [2]:

G=U+P•V-S•T,

где и - внутренняя энергия системы, V, S - объем, энтропия системы и Р, Т - давление и температура окружающей среды.

Следуя [10], допустим, что интересующая нас система (обозначим ее А) не изолирована и может взаимодействовать с другой, которую мы обозначим А'. Пусть составная система А*, состоящая из А и А', является изолированной системой. Условия равновесия системы А могут быть получены из рассмотрения свойств изолированной системы А*.

Пусть система А' (ею может быть окружающая атмосфера) находится при постоянном давлении Р и постоянной температуре Т. Система А может обмениваться теплом с системой А', но размеры последней столь велики, что этот обмен не влияет на ее температуру Т. Система А может менять свой объем за счет системы А' и производить работу над этой системой; но аналогично из-за больших размеров системы А' эти относительно небольшие изменения объема не вызовут изменения давления Р. Тогда из [10] изменение энтропии изолированной системы А* есть

ЛS*=-^G.

В изолированных системах всегда ЛS*>0, поэтому свободная энергия Гиббса системы А, находящейся при постоянных давлении и температуре, убывает (ЛG<0). Следовательно, полезная работа в таких системах выполняется за счет уменьшения потенциала Гиббса.

Развитие патологии в биосистеме приводит к увеличению хаотизации, а следовательно, и энтропии в системе, и выбор методики коррекции состояния (лечения) состоит в снижении хаотизации системы, то есть в снижении энтропии.

Как возможен переход системы А из более «хаотичной» с энтропией S1 в менее «хаотичную» с энтропией S2, если

ЛS=S-S<0?

Пусть система А не изолирована и может взаимодействовать с некоторой другой системой А' . Тогда энтропия S* изолированной составной системы А*, состоящей из систем А и А', будет возрастать и ДS* больше 0. Но

S*=S+S',

где S' обозначает энтропию системы А'. У изолированной системы А* энтропия возрастает, следовательно,

ДS*= ДS+ ДS'>0.

Из этого условия не следует с необходимостью, что ДS>0. Но вполне возможно, что энтропия S системы А будет уменьшаться, тогда как энтропия системы А' возрастет настолько, чтобы скомпенсировать это уменьшение и обеспечить выполнение условия (9) для полной системы А* [10]. При этом степень беспорядка в интересующей нас системе А уменьшится

за счет другой системы А', с которой система А взаимодействует.

Таким образом, энтропия системы может быть уменьшена только в том случае, если система взаимодействует с другой системой таким образом, что в процессе взаимодействия происходит компенсирующее увеличение энтропии. Это есть «принцип компенсации энтропии» [10].

Приведем пример из [10], дающий представление о применении данной методики, используя синтез макромолекул. Молекулы сахара глюкоза и фруктоза могут быть объединены в более сложную молекулу сахара сахарозу. Соответствующая химическая реакция есть:

глюкоза+фруктоза^-сахароза+Н20. (10) Химические реакции в большинстве случаев можно считать происходящими при постоянных температуре и давлении. В этом случае из условия (1) изменение энтропии всей изолированной системы удобнее выразить через свободную энергию G рассматриваемой системы. Измерения [10] показывают, что реакция (10) сопровождается изменением свободной энергии, равным

ЛG=+0,24эВ.

Но в системе, находящейся при постоянных давлении и температуре, свободная энергия из условия (6) должна уменьшаться. Поэтому реакция (10) будет протекать в противоположном направлении, т.е. справа налево с образованием более простых молекул глюкозы и фруктозы за счет разрушения более сложных молекул сахарозы. Таким образом, реакция (10) сама по себе не может быть использована для синтеза сахарозы. Из принципа компенсации энтропии для осуществления желаемого синтеза сахарозы необходимо соединить реакцию (10) с какой-нибудь другой реакцией с компенсирующим увеличением энтропии, сопровождающейся таким отрицательным приращением свободной энергии ДG', чтобы полное изменение свободной энергии в обеих реакциях вместе удовлетворяло условию

ДG+ДG'<0.

Для достижения этого отрицательного значения биологические организмы наиболее интенсивно используют молекулы АТФ, которые легко теряют одну из своих слабо связанных фосфатных групп, превращаясь в молекулы АДФ (аденозиндифосфат). Соответствующая реакция имеет вид

АТФ+Н2О^АДФ+фосфат.

Этого достаточно для компенсации положительного изменения свободной энергии ДG в реакции (4). Действительно,

ДG+ДG'=0,24-0,30=-0,06эВ. (15) Для достижения желаемого синтеза сахарозы осуществим одновременное протекание реакции (10) и (13) с помощью промежуточного состояния, каким является молекула глюкоза 1-фосфат, состоящая из молекул глюкозы с присоединенной фосфатной группой. В присутствии катализаторов (ферментов), обеспечивающих достаточную скорость реакции, механизм синтеза сахарозы в биологических организмах заключается в последовательности следующих двух реакций:

АТФ+Н20+глюкоза^ ^АДФ+

(гглюкоз 1-фосфат)+фрукгоза^

^сахароза+фосфат+Н2О.

Итогом этих двух реакций является следующее превращение:

АТФ+Н2О+глюкоза+фруктоза^-^сахароза+АДФ+фосфат+Н2О.

Эта реакция эквивалентна реакциям (10) и (13), протекающим одновременно, так как начальные и конечные состояния этой реакции совпадают с начальными и конечными состояниями в реакциях (10) и (13). Синтез сложных молекул сахарозы оказывается скомпенсированным превращением молекул АТФ в более простую молекулу АДФ.

Заключение

Этот принцип компенсации энтропии, поясненный на примере, можно положить в основу методики коррекции состояния (лечения) организма как при физиотерапевтическом, так и при медикаментозном лечении, а также при разработке новых типов лекарств.

Список литературы

1. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. Москва: Мир, 1973. 280 с.

2. Жуковский В.С. Термодинамика / Под редакцией А.А. Гухмана. Москва: Энергоатомиздат, 1983. 303 с.

3. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Москва: Мир, 1990. 358 с.

4. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. Москва: Мир, 1979. 512 с.

5. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. Москва: Иностранная литература, 1960. 150 с.

6. Пригожин И., Дефэй Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 510 с.

7. Пригожин И. Неравновесная статистическая механика. Москва: Мир, 1964. 314 с.

8. Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и сложность в физических науках. Москва: Наука, 1985. 328 с.

9. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. Москва: Прогресс, 1986. 432 с.

10. Рейф Ф. Статистическая физика. Москва: Наука, 1986. 336 с.

11. РубинА.Б. Термодинамика биологических процессов. Москва: Московский университет, 1984. 290 с.

References

1. Glensdorf P., Prigozhin I. Termodinamicheskaya teoriya struktury, ustoichivosti i fluktuatsii [Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations]. Moscow: Word, 1973. 280 p.

2. Zhukovskiï V.S. Termodinamika [Thermodynamics]. Ed. A.A. Gukhman. Moscow: Energoatomizdat, 1983. 303 p.

3. Nikolis G., Prigozhin I. Poznanie slozhnogo [Exploring Complexity]. Moscow: Word, 1990. 358 p.

4. Nikolis G., Prigozhin I. Samoorganizatsiya v neravnovesnykh sistemakh. Ot dissipativnykh struktur k uporyadochennosti cherez fluktuatsii [Self-organization in nonequilibrium systems. From dissipative structures

for ordering through fluctuations]. Moscow: Word, 1979. 512 p.

5. Prigozhin I. Vvedenie v termodinamiku neobratimykh protsessov [Introduction to the thermodynamics of irreversible processes]. Moscow: Foreing literature, 1960. 150 p.

6. Prigozhin I., Defei R. Khimicheskaya termodinamika [Defey Chemical thermodynamics]. Novosibirsk: Science, 1966. 510 p.

7. Prigozhin I. Neravnovesnaya statisticheskaya mekhanika [The nonequilibrium statistical mechanics]. Moscow: Word, 1964. 314 p.

8. Prigozhin I. Ot sushchestvuyushchego k

voznikayushchemu: Vremya i slozhnost' v fizicheskikh naukakh [From Being to Becoming: Time and Complexity in the Physical Sciences]. Moscow: Science, 1985. 328 p.

9. Prigozhin I., Stengers I. Poryadok iz khaosa. Novyi dialog cheloveka s prirodoi [Order out of chaos. The new dialogue of man with nature]. Moscow: Progress, 1986. 432 p.

10. Reif F. Statisticheskaya fizika [Statistical Physics]. Moscow: Science, 1986. 336 p.

11. Rubin A.B. Termodinamika biologicheskikh protsessov [Thermodynamics of biological processes]. Moscow: Moscow University, 1984. 290 p.

УДК 612.89+612.45+612.63+612.17

ЭНДОГЕННЫЕ МОДУЛЯТОРЫ БЕТА- И АЛЬФА-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВ И Н.-ГИСТАМИНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ КАК КОМПОНЕНТЫ ГУММ ОРАЛЬНОГО ЗВЕНА АВТОНОМНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ. ЧАСТЬ 2

'Циркин В.И., 2Хлыбова C.B., 3Сизова E.H.

1ФГБОУ ВО Казанский государственный медицинский университет Минздрава России, Казань, Россия (420012, г. Казань, ул. Бутлерова, 49), е-mail: tsirkin@list.ru

2ФГБОУ ВО Кировская государственная медицинская академия Минздрава России, Киров, Россия (610027, г. Киров, ул. К. Маркса, 112), e-mail: svekhlybova@yandex.ru

3Вятский социально-экономический институт, Киров, Россия (610002, г. Киров, ул. Казанская, 91), e-mail: cizovahelena@mail.ru

ENDOGENOUS MODULATORS OF BETA- AND ALPHA-ADRENERGIC RECEPTORS AND H-HISTAMINE RECEPTORS AS COMPONENTS OF THE HUMORAL ARM OF THE AUTONOMIC NERVOUS SYSTEM

'Tsirkin V.I., 2Khlybova S.V., 3Sizova E.N.

'Kazan State Medical University, Kazan, Russia (420012, Kazan, Butlerov Street, 49), е-mail: tsirkin@list.ru 2Kirov State Medical University, Kirov, Russia (610027, Kirov, K. Marx Street, 112), e-mail: svekhlybova@yandex.ru 3Vyatsky Social and Economic Institute, Kirov, Russia (610002, Kirov, Kazanskaya Street, 91), e-mail: cizovahelena@mail.ru

Сокращения: АНС - автономная нервная система; АР - адренорецепторы, бета-АРИМ - бета-адренорецептор-ный ингибирующий механизм; БА - бронхиальная астма; ГБ - гипертоническая болезнь; ИБС - ишемическая болезнь сердца; М-ХР - М-холинорецепторы; ОРК - озонированный раствор Кребса; ПП РМНК - продольные полоски рога матки небеременных крыс; СА - сократительная активность; СДМ - сократительная деятельность матки; СРД - слабость родовой деятельности; УПР - угроза преждевременных родов; ЭББАР - эндогенный блокатор бета-АР; ЭБААР - эндогенный блокатор альфа-АР; ЭСААР - эндогенный сенсибилизатор альфа АР; ЭСБАР - эндогенный сенсибилизатор бета-АР; ЭСН1ГР - эндогенный сенсибилизатор Н1-гистаминовых рецепторов; ЭСМХР - эндогенный сенсибилизатор М-ХР; ЭБМХР - эндогенный блокатор М-ХР.

Сообщается об аналогах эндогенного блокатора бета-адренорецепторов