Энергооптимальность «противоположностей» ССЦ в условиях нагрузки

Следует отметить важное обстоятельство: в каждой сердечной системе присутствуют «противоположности» («больше» - «меньше»). Это обусловлено тем, что любой параметр имеет определенный физиологический диапазон поиска, в пределах которого деятельность сердца сохраняется. «Рабочая» величина каждого параметра разделяет диапазон на два «противоположных» участка: участок «положительных» и участок «отрицательных» приращений параметра. «Положительный» и «отрицательный» участки диапазона согласно ОТС Урманцева можно представить как неделимые элементы системы. С другой стороны, в соответствии с принципом оптимального вхождения «положительный» и «отрицательный» участки являются «простыми системами», образующими «сложную» систему (диапазон значений параметра). Таким образом, принцип оптимального вхождения представляет одновременно сопряженный поиск оптимальной гармонии «противоположностей» во всех простых системах и оптимальную сборку «сложного» из «простого».

Показано [194-197], что в покое реально всегда «работает» энергооптимальное значение параметра. При переходе от покоя к внешнему «возмущающему» фактору происходит поиск новых «рабочих» значений каждого параметра внутри диапазона допустимых величин за счет смещения либо в сторону увеличения (положительное приращение), либо в сторону уменьшения (отрицательное приращение). В результате «внутри» диапазона возможных значений параметра должно устанавливается новое соотношение «положительной» и «отрицательной» «противоположностей». «Внутри» каждой ССЦ при изменении «возмущения» изменяется соотношение между «противоположностями» за счет смещения момента перехода из систолы в диастолу. Эффективность работы сердца принято определять как отношение производимой сердцем механической работы к потребляемой химической энергии. Оптимальной композицией ССЦ при физической нагрузке должна быть такая композиция, при которой исполнение функции сердца сопряжено с минимально возможным для заданного уровня нагрузки расходом энергии.

Покажем, что энергооптимальность суммарных (средних) значений рассматриваемых параметров всегда имеет место при сердечном ритме, естественном для данного режима нагрузки. Показано, что при нагрузке и минутный выброс [113], и ударный объем [296] энергооптимальны. Естественно, что для любого уровня нагрузки оптимальна и длительность естественного сердечного цикла и соотношение «противоположностей» во временной ССЦ.

Рассмотрим оптимальность «вхождения» систолической и диастолической «противоположностей» в структуры сердечных циклов. Предварительно отметим, что между утилизацией кислорода и потреблением энергии в сердечной мыщце существует линейная зависимость [245]. Измерение объема потребленного кислорода и механической работы сердца позволяет определить эффективность работы последнего. Установлено [283, 349], что при искусственном увеличении сердечного ритма при электрической стимуляции потребление кислорода возрастает (минимальное значение при естественной частоте сердцебиений). Следует при этом отметить, что в пределах электрической стимуляции механическая работа интактного сердца остается неизменной и равной естественной величине до начала стимуляции [228, 239]. При электрической стимуляции временная структура сердечных циклов соответствует их естественным аналогам [8]. Таким образом, эффективность работы сердца максимальна при естественном, найденном природой ритме; каждый естественный ритм оптимален к «своему» уровню нагрузки. Таким образом, естественное изменение сердечного ритма при нагрузке во всех временных ССЦ соответствует энергооптимальному соотношению «противоположностей».

Давление в аорте можно менять за счет вариации периферического давления (эффект Анрепа), сохраняя при этом естественный уровень кровоснабжения организма и частоту сердцебиений. При этом установлено [315], что минимальное потребление кислорода сердечной мышцей имеет место при естественном среднем давлении в аорте и, следовательно, при естественном соотношении его систолической и диастолической составляющих. Следовательно, в условиях каждого уровня нагрузки минимальный расход химической энергии имеет место при соотношении «противоположностей» в механической ССЦ, естественном для этого уровня нагрузки.

Сравним изменения работы сердца по изгнанию крови и работы на перфузию сердечной мышцы за минуту при возрастании частоты электрической стимуляции. Первая работа остается неизменной, в то время как вторая возрастает за счет увеличения среднего коронарного кровотока [112, 283, 349]. Очевидно, что минимальная работа по перфузии коронарных сосудов имеет место тогда, когда электроритм совпадает с естественным ритмом. Следовательно, минимальные затраты энергии на перфузию сердца для всякого уровня физической нагрузки соответствует естественной гармонии «противоположностей» кровотоковой ССЦ.

Показано [334], что искусственно регулируемая работа по заполнению левого желудочка с последующим изгнанием постоянного объема крови при постоянном сердечном ритме и среднем давлении в аорте сопровождается минимальным потреблением «сердечного» кислорода в том случае, когда соотношение «противоположностей» (объем изгнанной и оставшейся крови в желудочке) равно естественному. Следовательно, при всякой нагрузке минимальные затраты энергии на изгнание ударного объема крови из желудочков имеют место при естественной гармонии «противоположностей» объемной ССЦ.

Таким образом, в итоге можно сказать, что всякая j-ССЦ «пространства» (2.28) имеет своего рода иерархию оптимальностей: 1) за счет оптимальности ее суммарной величины по отношению к нагрузке и 2) за счет оптимального соотношения между ее систолической и диастолической «противоположностями». Несомненно, что обе «оптимальности» состоят в непрерывном сопряжении между собой. За счет этих факторов обеспечивается наиболее экономная работа сердца млекопитающих. Минимальные затраты энергии на обеспечение адекватного кровоснабжения организма млекопитающих имеют место в том случае, когда композиции временной, механической, объемной и кровотоковой ССЦ (и, по-видимому, других!) в покое и нагрузке соответствуют их естественным аналогам. Очевидно, что гармония «противоположностей» во всех ССЦ «подобрана» Природой таким образом, что именно при таком «раскладе» (и никаком другом!) общий расход энергии, расходуемой на функционирование сердца, достигает минимума. Показано теоретически и экспериментально [239], что при нормальных физиологических условиях КПД сердца максимален и составляет 18-20%.

Энергоптимальное сопряжение «противоположностей» в ССЦ в покое и при нагрузке обусловлено золотым сечением и его замечательными свойствами. Очевидно, что принцип оптимального вхождения является критерием гармонии всех ССЦ, составляющих «пространство» (2.28).Неизменная экономия энергии, сопутствующая оптимальному «вхождению» каждой ССЦ в «пространство» (2.28) является условием энергооптимальной гармонии всего «пространства».

Необходимо отметить еще одну особенность «пространства» (2.28). Принцип наименьшего действия имеет в своей основе «решение», наиболее экономное из всех возможных. Этот феномен представлен во всех разделах физики (см. раздел 1.4). Принцип наименьшего действия в каждом конкретном случае дает столько уравнений, сколько имеется независимых координат. В выражении (2.28) мы имеем «пространство» четырех параметров; структура каждого из них может быть представлена множеством соотношений «противоположностей». Однако организм неизменно «предпочитает» самые экономичные из них. Таким образом, «присутствие» принципа наименьшего действия имеет место и в биологическом объекте – сердце млекопитающих.