Биофизические основы энергооптимальной гармонии сердца

Раньше мы уже отмечали распространенность спирали в природе. Принцип спиралевидного движения можно наблюдать на микро- и макроуровнях живой и неживой природы, он является принципом наиболее эффективного и экономичного действия. Сердце образуется одной мышцей, для увеличения силы сокращения закрученной в золотую спираль с углом 22 – 25^оС [83]. Закрученные слои ткани петлями опоясывают отделы сердца. Спираль увеличивает частоту витков в области верхушки сердца, тем самым создавая максимальный градиент силы сокращения сердца. Особенность этой спирали заключается в том, что размер ее витков постепенно увеличивается, но их форма остается неизменной. Максимальная сила сокращения создается в области верхушки сердца, минимальная – в области предсердий и основания сердца. Скручивание сердечной мышцы по спирали обеспечивает большую силу при изгнании крови из желудочков, чем в случае простого линейного сокращения. Таким образом, создание необходимого градиента силы сокращения при спиральной конструкции мышцы обеспечивается при минимальной массе последней. Отметим еще одну особенность строения мышечной массы сердца. Мускулатура левого желудочка состоит из трех слоев - двух косых наружных и одного внутреннего циркуляторного (поперечного). Угол начального наклона «косых» волокон по отношению поперечным составляет 52,4^о [314]. Этот угол близок к углу 51,9^о в «золотом» прямоугольном треугольнике. «Золотой» треугольник с углами при гипотенузе 38,1 и 51,9^о обладает замечательным свойством: его стороны соотносятся между собою по геометрической прогрессии – 1, 1,272, 1,618 (или 1,618⁰, , 1,618). Свойства этого треугольника использовались еще в Древнем Египте при строительстве пирамиды Хеопса [30]. Отметим, что разница отношений катета к гипотенузе для треугольников с углами 52,4 и 51,9^о не превышает 1%. Проекции «косой» силы F по взаимно перпендикулярным осям левого желудочка приблизительно соответствуют «золотому» треугольнику: F_Г=0,611F, F_В=0,792F, где F_Г, F_В - проекции силы F на горизонтальную и вертикальную оси желудочка. Силы F_Г и F_В закручивают струю крови в желудочках, придавая ей вращательно-поступательное движение. Саллин [311], принимая форму левого желудочка близкой к эллипсоиду вращения, показал с учетом угла 52,4°, что ударный выброс крови при этих условиях составляет 36% от конечнодиастолического объема. Величина 36% близка к «золотой» - 38%, которая, как было представлено в 2.1.4, соответствует энергооптимальной величине ударного объема в покое. При конфигурации мышечной массы сердца выброс ударного объема крови происходит при минимальном потреблении кислорода [334].

Отметим, ламинарно- винтовое движение крови в желудочках представляет широко распространенную форму движения воздуха, жидкостей и крови в живых организмах. Кровь при поступательном движении вперед дополнительно вращается. Такой тип движения жидкости происходит с минимальной потерей энергии [43]. Очевидно, что «золотой» угол 52,4° является тем оптимальным углом, при котором имеет место гармония «противоположностей» - горизонтальной и вертикальной сил, обеспечивающая наиболее эффективное закручивание струи крови по спирали. Кроме того, и внутренняя поверхность левого желудочка (сосочковые мышцы и трабекулярный аппарат) образует спиральную структуру [177], по которой происходит движение крови по направлению к аортальному клапану. Вследствие этого, выброс адекватного количества крови происходит с минимальными затратами энергии на трение о стенку желудочков. Добавим к этому, спирализация внутренней поверхности желудочков имеет следствием спирализацию струи крови в течение периода изгнания, что обеспечивает максимальную скорость движения и минимальное время выброса единичного объема крови. Конструкция аорты геометрически подобна каналам, в которых движение жидкости происходит с минимальными потерями энергии [130]. Таким образом, взаимное «золотое» расположение мышечных пучков, золотая спиральность конструкции мышечной массы и в стенке желудочка и оптимальная конструкция аорты обеспечивают, в конечном счете, золотую гармонию «противоположностей» в структуре энергооптимального изгнания крови. Благодаря структурным особенностям сердечного комплекса обеспечивается значительная экономия мышечной массы.

(Необходимо указать на особую роль спирали в конструкции многих других биологических объектов. Спиралеобразность наблюдается во многих явлениях живой природы: паук плетет свою паутину спиралеобразно, испуганное стадо оленей разбегается по спирали, двойной спиралью закручена молекула ДНК, спирален рост корней и побегов, движение протоплазмы в клетках происходит по спирали и т. д. Цветки и семена подсолнуха, ромашки, чешуйки в плодах ананаса, хвойных шишек и рыб расположены по логарифмическим спиралям, закрученных навстречу друг другу. Добавим к этому, великий Гёте считал спиральность одним из характерных признаков всех живых организмов, самой сокровенной сущностью жизни, называя спираль «кривой жизни».)

Рассмотрим другие биофизические аспекты экономии. Майром с соавт. [293] было установлено, что в нормальных, естественных условиях правый и левый желудочки работают в оптимальном режиме, т.е. при максимальном выделении мощности на нагрузке (артериальная система). Показано [278], что максимальная энергия выделяется на нагрузке в том случае, когда внутреннее сопротивление насоса (сердца) и сопротивление нагрузки (артериальная система) равны; это соотношение реализовано в сердечно-сосудистой системе. Максимальному выделению мощности на нагрузке способствует и то обстоятельство, что коэффициенты растяжимости стенок левого желудочка и аорты одинаковы [287, 335]. За счет представленных аспектов экономии имеет место энергооптимальная гармония между «противоположностями» - производством механической энергии сердцем и ее потреблением на нагрузке (сосудистой системе). Таким образом, оптимальное сопряжение конструкции сердца с нагрузкой за счет перечисленных факторов позволяет сэкономить дополнительное количество потребляемой энергии и мышечного материала.

Дополнительно следует обратить внимание на некоторые другие конструктивные особенности сердца млекопитающих. Сердце включает в себя кроме мышечных волокон элементы, непосредственно не производящие механической работы (сосуды с кровью, проводящая и нервная системы, клапаны и т.д.). Объем миокарда по отношению к общему объему сердечных элементов составляет 37% (ЗС!) [200]. Таким образом, имеет место золотая гармония «противоположностей»: соотношение объемов мышечной и «вспомогательных» тканей. Поскольку установлено практически линейное сотношение между весом сердца и количеством мышечных волокон у различных животных независимо от их размеров [307], то золотой феномен имеет место у различных видов млекопитающих. Отметим, аналогичное соотношение имеет место и в кардиомиоцитах, где отношение объема энергопроизводящей части (митохондрии) к общему объему клетки составляет 34% [304]; При таком соотношении вхождение энергопроизводящих и энергопотребляющих субклеточных структур в систему «Кардиомиоцит» позволяет последнему исполнять свою функцию с минимальными затратами энергии и живого вещества. Показано [26], что на реализацию энергетических потребностей организма животных также используется «золотая доля» его массы (38%). Этот показатель сохраняется для различных представителей животного мира, включая и человека. Таким образом, золотое соотношение энергопроизводящей части к остальным является характерным признаком живых систем на уровне клетки, органа и организма в целом.

Интересно отметить также следующее обстоятельство. Установлено [78], что у различных видов млекопитающих вес стенки левого желудочка и вес межжелудочковой перегородки соотносятся между собою как числа Фибоначчи (3:2). Аналогичное соотношение существует также между межжелудочковой перегородкой и стенкой правого желудочка. Можно утверждать с большой степенью вероятности, что и для «верхней» части сердца (предсердий) существует аналогичное, «фибоначчиево» соотношение между весами стенок левого и правого предсердий и их перегородок. По-видимому, соотношение весов по числам Фибоначчи обеспечивает оптимальное сопряжение мышечной массы левого и правого сердец. В целом такое сопряжение является, по-видимому, еще одним аспектом экономии энергии и мышечного вещества.

Итак, налицо совокупность оптимальных «противоположностей» в мышечных слоях, в сердечных тканях, камерах сердца, системе «желудочек-нагрузка». Эта цепочка «противоположностей» является своего рода иллюстрацией к представленному нами принципу оптимального вхождения. Мы могли убедиться, что природа экономит энергию и живое вещество на всех уровнях систем сердца. Нельзя не вспомнить при этом, что еще Аристотель говорил: «Природа не делает при помощи большего, если это же можно сделать при помощи меньшего»!