Министерство образования Российской Федерации
Пензенский Государственный Университет
Медицинский Институт
Кафедра Хирургии
Реферат
на тему:
"Экстремальные состояния организма и термодинамика диссипативных систем"
Пенза 2008
План
1. Исторические сведения
2. Некоторые сведения о термодинамике и синергетике нелинейных процессов в диссипативных системах
Литература
1. Исторические сведения
Обычно главным источником совершенствования лечебно-диагностических методов служит исследование глубинных механизмов возникновения клинических проявлений различных патологических процессов и ситуаций. Этот путь вполне применим также к экстремальному состоянию, включая его следовое воздействие в ближайшем и отдаленном периодах жизненного цикла. Организм в таком случае рассматривается как единое и неделимое целое, как сложный природный объект, жизнедеятельность которого связана с условиями внешней среды. А само исследование в известном смысле представляет собой своеобразное расчленение, как бы "анатомирование" уже известных клинических фактов и корригирующих мероприятий, адекватных нарушениям, выявленным на различных уровнях структурно-функциональной иерархии организма. При этом лечебное воздействие постоянно отстает от развития патологического процесса, поскольку оно идет вслед за клиническими проявлениями или, если и может носить упреждающий характер, то только в отношении ближайших звеньев патогенеза, имеющих линейную причинно-следственную связь с теми нарушениями, которые уже получили клиническую манифестацию.
Разумеется, перспективы данного направления исследований далеко еще не исчерпаны. Оно продолжает интенсивно развиваться. Однако именно при встрече с экстремальным состоянием организма остро ощущается ограниченность подобного подхода. В то же время результаты интенсивного развития общенаучных направлений естествознания в последние десятилетия показывают, что имеется и иной путь поисков возможностей сохранения жизни и полноценного восстановления физиологического статуса организма у тех, кто перенес экстремальное состояние. Для этого необходимо лишь несколько переступить пределы сложившегося научного мировоззрения, свойственного традиционной медицине, и попытаться "увидеть" организм человека со значительно более абстрактных позиций, допустим, как одну из элементарных структурных единиц биосферы, подчиняющуюся общим законам ее существования. То есть речь идет о стремлении приложить к изучению жизнедеятельности организма человека в экстремальных условиях некоторые фундаментальные законы мира, которые, по цитированному в эпиграфе высказыванию А.Д. Сахарова, гораздо абстрактнее и глубже классических представлений естествознания и вместе с тем доступны для выражения математическим языком. Если принципиально такой подход признать допустимым, то остается лишь избрать область естествознания, из которой следует заимствовать эти общие законы. Изложенные в предыдущих главах клинико-физиологические аспекты проблемы экстремального состояния убеждают, то такой областью должна быть термодинамика.
И. Пригожин определяет термодинамику как "науку о сложностях" и соотносит ее зарождение с 1811 годом, когда барону Жану Батисту Жозефу Фурье была присуждена премия Французской академии наук за математическую теорию распространения тепла. Тогда речь шла лишь об установлении пропорциональности потока тепла градиенту температуры. Становление же термодинамики как науки относится к более позднему периоду XIX столетия, когда в 1847 году Джеймс Прескотт Джоуль установил между теплом, электричеством, магнетизмом, протеканием химических реакций и биологическими процессами некую общность, определяемую тем, что все они носят характер превращений, то есть качественных изменений. Заключив, что качественные превращения должны опираться на сохранение "чего-то" в количественном составе. Джоуль установил для физико-химических трансформаций единый эквивалент, позволяющий определять сохраняющуюся величину посредством измерения механической работы, необходимой для нагревания заданного количества воды на 1°. Вскоре, как известно. Майер, Гельмгольц, затем Клаузиус сформулировали закон сохранения энергии, послуживший основой первого начала термодинамики. А в 1865 году Рудольф Юлиус Клаузиус ввел понятие энтропии, определившей суть второго начала термодинамики.
Первым физиологом, который сопоставил законы термодинамики с биологическими явлениями, был M. Rubner, который использовал язык энергетики для объяснения процесса старения организма.
Особенно бурное развитие получила термодинамика в последние десятилетия XX столетия, что по существу завершило научно-техническую революцию. Если начало этой революции, связанное с открытием расщепления атома, коренным образом изменило представления о материи, то термодинамика столь же радикально изменила представления о свойствах макроскопических структурно-функциональных систем. Она стала развиваться как наука о корреляции изменений этих свойств, которые ранее связывались с самостоятельными физико-химическими параметрами – объемом, давлением, химическим составом, массой и температурой. Целью термодинамики становится не предсказание поведения системы в терминах взаимодействия частиц, а предсказание ответной реакции на изменения, вводимые извне. Именно эта сторона термодинамики привлекает к ней особое внимание при обсуждении проблемы экстремального состояния.
2. Некоторые сведения о термодинамике и синергетике нелинейных процессов в диссипативных системах
В математике понятие нелинейности характеризует определенный вид дифференциальных уравнений. Они содержат искомые величины в степенях, превышающих 1, и коэффициенты, зависящие от условий развития процесса, подлежащего описанию с помощью математического языка. В общем плане научного мировоззрения нелинейность понимается как многовариантность, или точнее, как альтернативность. Этим подчеркивается сопряженность нелинейности с жесткостью решения, с идеей выбора пути, после чего процесс становится необратимым.
Нелинейные, необратимые процессы характерны для естественных, природных явлений вообще и имеют особое распространение в сложных биологических системах, определяя принцип их функционирования. Основу нелинейности, необратимости процессов составляет энтропия, та самая категория, которая не просто относится к сфере термодинамики, но и занимает в ней ключевое положение, определяет сущность современных термодинамических подходов, является базисным понятием второго начала термодинамики.
В упрощенной интерпретации энтропия (dS) выражает различие между "полезным" обменом энергии и диссипированной (рассеянной) энергией, теряемой безвозвратно и непроизводительно по отношению к целевому результату процесса. Она выражается формулой:
dS=deS + diS,
где deS – энергия, теряемая во внешнюю среду за счет трения, вязкости и других форм рассеивания (е – exchange), a diS – энергия, затрачиваемая на полезную работу в пределах (внутри) целенаправленного процесса (i – inside).
Отсюда роль энтропии в определении необратимости нелинейного процесса: он не может быть обратимым, поскольку какая-то часть энергии безвозвратно утрачена. Именно поэтому понятие энтропии сохраняет ключевое значение во всех работах И. Пригожина и других авторов, посвященных разработке теории диссипативных систем.
В широком смысле под диссипативной системой понимается любая (в том числе и механическая) система, полная энергия которой (представленная суммой кинетической и потенциальной энергии) по мере завершения ею работы постепенно убывает, переходя в неупорядоченные формы (например, в теплоту), то есть рассеивается. И. Пригожин и его Брюссельская школа ограничивают понятие о диссипативных системах по области применения и вместе с тем значительно расширяют его, по сути. Под диссипативной системой авторы понимают только сложные, открытые, неравновесные системы. По мнению И. Пригожина, интерес исследователей сегодня направлен не на системы, находящиеся в равновесии, а на те, которые взаимодействуют с окружающим миром через поток энтропии".
Эти системы не только неравновесны, но они и неустойчивы, то есть могут переходить из более сбалансированного состояния к менее сбалансированному и наоборот. Смена состояний происходит не только под влиянием внешних факторов, но (что особенно важно) здесь проявляется и внутрисистемная саморегуляция. Более того, для деятельности этих систем оказывается характерной периодизация, то есть им свойственна определенная периодичность функциональной осцилляции, также соотносящаяся с саморегуляцией.
Вместе с тем поведению рассматриваемого класса систем свойственна стохастичность, непредсказуемость. Она зависит от того, что развитие каждого из внутрисистемных процессов проходит через критические точки, в которых осуществляется выбор дальнейшего пути через так называемые "бифуркации". Одномоментное сочетание множества бифуркаций в развитии внутренних процессов приводит систему в целом к "флуктуациям", от исхода которых зависит направленность дальнейшей ее динамики с нередко приобретающим для системы судьбоносным значением. Она становится особенно уязвимой по отношению к любым, даже минимальным, внешним воздействиям, эффект которых может оказаться непредсказуемым. Отсюда представление о стохастичности поведения диссипативных систем.
В период флуктуации система находится в особо неустойчивом, разбалансированном состоянии. Роль решающего фактора здесь продолжает играть энтропия. При этом для нее самой постоянно преобладающей тенденцией является тенденция к снижению, приближению к нулевому значению. Снижение энтропии может происходить или в результате возрастания упорядоченности диссипативной системы, когда снижается доля энергии, непроизводительно теряемой во внешнюю среду (deS в представленной выше формуле), или же, напротив, в случае снижения упорядоченности системы, вплоть до ее гибели с переходом к абсолютному физическому хаосу. В этом случае постепенно снижается энергия, затрачиваемая на конструктивные внутрисистемные процессы (diS). Условной моделью абсолютного физического хаоса может служить броуновское движение молекул, то есть беспорядочное и бесцельное движение элементарных частиц, не связанное ни с затратой, ни с производством энергии. Это состояние принципиально отличается от "покоя" системы. Сохранение покоя, то есть устойчивое сохранение внутренней динамической конструкции системы без внешних проявлений ее активности, также требует энергозатрат. В связи с энергозатратами система сохраняет непременное условие своего существования – открытость, связь с внешним миром. И лишь распад, гибель системы, переход ее элементарных инфраструктур в хаотическое состояние разрушает эту связь Однако суть одного из главных положений теории диссипативных систем состоит в том, что даже после перехода в хаотическое состояние элементарные структуры уже бывшей, распавшейся системы подчиняются общим естественным закономерностям, действующим в пределах биосферы. Они попадают в среду внутренних процессов другой, более общей, более глобальной системы и здесь проявляют стремление к самоорганизации на основе своего рода "памяти" об утраченном прошлом состоянии. На молекулярном уровне такая память проявляется во взаимной корреляции макромолекул, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, но вовлекаемых в большие флуктации в пределах более общей системы, выполняющей роль, так сказать, надсистемы по отношению к той, что распалась.
Итак, речь идет о саморегуляции, смысл которой заключается в формировании общего целого из разрозненных частей. Саморегуляция проявляется на разных уровнях организации естественного мира и осуществляется в форме динамического взаимодействия двух начал, присутствующих в любой сложной биологической системе – стремления к порядку и стремления к хаосу. Объединяет эти противоположные начала универсальная функция энтропии, которая неуклонно стремиться к снижению своего количественного выражения. В этом отношении теория диссипативных систем в работах И. Пригожина. представителей его школы и многих других исследователей смыкается с теорией синергетики, получившей широкое распространение в последние годы. Синергетика основана на идеях системности, целостности мира, общности закономерностей его развития на всех уровнях организации, на признании нелинейности и необратимости происходящих в нем изменений и взаимосвязи случайности и необходимости, то есть хаоса и порядка. Являясь новым подходом к видению мира, синергетика неожиданно проявляет связь с идеями, имеющими многовековую историю.
От древних учений Индии и Китая синергетика наследует идею всеобъемлющей целостности, общих закономерностей, которым следует мир в целом и человек в нем. Не только философская, но именно научно-мировоззренческая значимость идеи с позиций синергетики воспринимается гораздо полнее и глубже. Показательно в этом отношении недавно опубликованное на русском языке (издательство Санкт-Петербургского государственного университета) исследование Сатпрема, посвященное творчеству Шри Ауробиндо Гхош. основоположника интегральной йоги. Опираясь на многолетнее изучение индуизма. Шри Ауробиндо сформулировал представления, приложение которых к широкоизвестному и утвердившемуся в современной науке принципу единства и борьбы противоположностей придает ему обновленное содержание. Согласно этим представлениям, все объекты Вселенной, от минерала до человека, сохраняются в целостном состоянии, а живые объекты действуют благодаря трем качествам. Одно из них – тамас – привносит инерцию, темноту, торможение, другое – раджас – движение, страсть, а третье – саттва – контролирует противоборст