ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА (профессор

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Программа курса лекций
(2 курс магистратуры, 4 сем., 38 ч., экзамен)
Профессор, д.м.н., Юрий Александрович Власов
Первая лекция. Основные законы сохранения применимы к живым системам и являются естественным основанием для построения теоретической физиологии.
Живой организм - открытая система. Масштабы процессов переноса в организме человека. Планетарная роль живого вещества (по В. И. Вернадскому). Дискретный характер поступления вещества и непрерывный характер движения энергии через живой организм. Колебательные процессы в живой системе. Иерархия протекающих в организме
процессов.
Константы организма. Качественные константы - белковая (иммуноло-гическая индивидуальность). Проблема свое - чужое. Стерильность внутренней среды - химическая
и биологическая (отсутствие бактерий и чужеродных вирусов). Скалярные константы температура тела у теплокровных животных (37°С); осмотическое давление крови и
клеточной протоплазмы; насыщение артериальной крови кислородом в капиллярах легкого на уровне моря - около 100%; концентрация протонов (рН) артериальной крови
(условно); артериальное давление крови по средним данным (условно).
Консерватизм клетки. Дилема - воссоздание клетки де ново или ее модификация, как
основной путь эволюции организмов.
Проблемы биологического подобия. Законы аллометрии и связь размеров животных с масштабами массопереноса в их организмах. Эволюция энергетического обмена организма животных, переход от холоднокровных к теплокровным организмам.
Вторая лекция. Структура и конструкция живой системы. Генетика и физиология. Трансляция информации из генома (ген - белок). Кодируется только два
типа белка: глобулярный и фибриллярный. Геном является одномерным. Переход от
одномерного генома к трехмерному организму. Геном и его дополнение - клеточные
поверхности - мембраны (принцип дополнительности). Мембрана - основной структурный элемент живой системы, регулирующий процессы переноса вещества и
энергии Размерность основных структурных элементов, из которых сложены
живые системы: белки, нуклеиновые кислоты, фосфолипидные мембраны, полисахариды, брадитрофная ткань. Из чего сложена биологическая система –
количество клеток, количество жидкости, количество брадитрофной ткани,
фосфолипидные мембраны. Поверхность есть важнейший компонент системы,
через которую происходит массоперенос. Три важнейшие молекулы образующие
живую систему.
Молекула ДНК - точка приложения информационных законов, источник управления
системой.
Молекула актомиозина, точнее саркомер мышечного волокна, - двигательная система,
преобразующая химическую энергию в механическое движение. Точка приложения физических законов.
Молекула гемоглобина - осуществляет транспорт, перенос энергии из внешней среды
организма к его внутренним составным частям. Точка приложения собственно физиологических законов.
Эволюцию живых систем можно представить как процесс конструирования самых различных способов взаимодействия этих трех молекул между собою в меняющихся условиях внешней среды.
Все остальные процессы выполняют поддерживающие и обслуживающие функции.
Третья лекция. Дыхание на уровне организма и клетки. Происхождение современной атмосферы и биогенное происхождение кислорода в атмосфере.
Современное, аэробное дыхание как результат приспособления эукариотических клеток с помощью симбиоза эукариотов с предками современных митохондрий (древних паразитических бактерий) к окислительной атмосфере созданной синезелеными водорослями. Клеточное дыхание, цикл Кребса. Основные характеристики работы митохондрий. Тканевое дыхание. Внешнее дыхание – организация конвективного и диффузионного переноса атмосферных
газов из внешней среды во внутреннюю среду организма (ткани и органы) и
обратно. Роль дыхания в теплообмене организма.
Источники тепла в организме.
Равномерно распределенные микроисточники тепла - каждая клетка в отдельности. Они
действуют непрерывно в течении всего периода существования клетки.
Сосредоточенные источники тепла - отдельные органы, деятельность которых связанасвыделением большого количества тепла. Это макроисточники. К ним относятся сердце, головной мозг, печень.
Сердце, как источник тепла. Оценка количества тепла выделяемого сердцем в течении
суток и всей жизни.
Температура притекающей к сердцу крови и оттекающей от него. Температурный градиент в стенке сердечной мышцы. В центре сердечной стенки ее температура выше на 0,8 1,0°С выше, чем под эпикардом и эндокардом.
Бюджет энергии, освобожденной сердцем при его сокращении. Механическая работа,
тепло, которое уносит венозная кровь;' тепло, которое кондукцией передается окружающим тканям; тепло, которое поглощается эндотермическими биохимическими реакциями
в кардиомиоцитах (внутри клеток).
Внутренние органы и головной мозг освобождают 70% всего тепла в организме. Это тепло переносится кровью при температурной разности от сотых до десятых долей градуса
°С, то есть в очень узкой зоне.
Головной мозг человека составляет 2% от массы тела и потребляет около 20% всего кислорода. Соответственно энергетическая мощность мозга 20 - 25 вт.
Если исключить отвод тепла от мозга, то при данной мощности мозг человека массой 1,4
кг будет нагреваться со скоростью 0,26 - 0,31°С/мин и через 15 минут температура мозга
превысит критическую величину.
. . Проблема размеров животных, их теплосодержания и скорости спонтанного охлаждения и согревания. Были ли динозавры теплокровными из-за очень большой тепловой инерции.
Четвертая лекция. Формирование кровообращения в эмбриогенезе. Массоперенос из внешней среды в организм матери, из организма матери в организм
эмбриона и плода. Характеристики этого переноса. Перенос атмосферных газов, субстратов окисления, аминокислот, жиров и углеводов. Рост организма,
периоды жизненного цикла и изменение параметров кровообращения и дыхания в этих периодах. Представление об адаптации (к внешней среде и изменениям внутри организма).
. Потоки тепла в организме человека. Место генерации тепла - клетки и макроисточники
(сердце, головной мозг, печень и др.) Здесь берет начало тепловой поток, его исток.
Ткань - тепло. Оно поглощается:
•
Гемоглобином (перенос тепла в скрытом виде без изменения температуры крови
за счет ее охлаждения при восстановлении Нв).
• Оставшаяся часть тепла нагревает кровь происходит конвективный перенос тепла.
На этом уровне передача тепла происходит посредством диффузии через разветвленную сосудистую поверхность.
Противоточные теплообменники сосудистой системы: одна артерия -несколько сопровождающих ее вен (прилегающих к артерии). Вены собирают кровь от органов,
составляющих тепловое ядро тела, и от обо,-лочки тела, его кожных покровов, при
смешении этих потоков венозная кровь оказывается холоднее артериальной. Кожа,
как охлаждающий радиатор.
Тепло переносится - гемоглобином, диффузией, конвективный перенос потоком
крови, в том числе и гемоглобином, посредством кондуктивной отдачи на границах:
ткань - сосуд, артериальный сосуд - венозный сосуд, поверхность кожи - окружающая среда, радиация.
Восстановление гемоглобина в капилляре сопряжена с изменением магнитных
свойств этой молекулы - из димагнитной она становится магнитной.
Кондиционирование внутренней среды (термостатирование). Принципиальная организация основного теплового узла организма - сомита. Организм разбит на
сегменты управляемые автономно вегетативной нервной системой и сегментами
спинного мозга.
Кондиционирование альвеолярного пространства в легких. Через легкие выделяется тепло генерируемое сердцем и выделяемое гемоглобином при его окислении
кислородом. Испарение воды в бронхиальном дереве, верхних дыхательных путях
происходит в газовом потоке переменного состава и переменной температуры.
Контроль этого процесса со стороны организма обеспечивает постоянную температуру тела у теплокровных - 37-3 8°С.
Пятая лекция. Механика кровообращения. Движение рабочего тела (крови) в
замкнутом кровеносном русле. Функции кровообращения. Типы массопереноса, траектории массопереноса, приоритеты массопереноса. Устойчивое расписание массопереноса в течение суток, как основа суточного физиологического
стереотипа. Суточные ритмы физиологических функций связаны с массопереносом в течение суток.
Шестая лекция. Работа сердца. Механика и энергетика сердечного сокращения. Сердце как гидравлический движитель. Макроскопическое строение сердца. Строение кардиомиоцитов. Молекулярное строение саркомера, элементарной сократительной единицы. молекулярный механизм мышечного сокращения. Источник энергии сокращения кардиомиоцитов. Поток субстратов окисления (жирные кислоты) и окислителя (кислород) в миокард. Метаболическая
работа сердца, механическая работа сердца, мощность сердечной мышцы,
КПД сердца и зависимость КПД от величины нагрузки на миокард. Метаболический автомат сердца.
Седьмая лекция. Движение вещества и энергии в живой системе. Внутренняя среда – кровеносное русло, межклеточная жидкость, внутриклеточная среда (среда, окружающая ядро, среда эндоплазматического ретикулума гладкого
и шероховатого, среда в аппарате и цистернах Гольджи, среда различных
транспортных везикул и собственно сама клеточная эндоплазма, в которую погружены все перечисленные клеточные компартменты). Преход вещества из
капилляров в межклеточную среду и обратное перемещение из межклеточной
среды в капилляр кровеносный и лимфатический. Роль лимфатической дренажной системы.
Восьмая лекция. Работа почек. Центральная роль почки в массопереносе
воды и солей в организме человека и животного. Функции почки – основные,
связанные с контролем обмена воды, электролитов и стабилизации осмотического давления в крови, внутри клеток и межклеточной жидкости, а также продуктов азотистого обмена, и сопряженные с этими функциями (стабилизация
артериального давления, участие в регулировании кислотно-основного состоя-
ния, участие в регулировании эритропоэза и другие дополнительные функции). Механизм переноса электролитов и образования мочи. Принципы работы
почек. Активный транспорт в почках. Кровоток в почках. Энергозатраты почек
на массоперенос. Проблема искусственной почки.
Девятая лекция. Работа пищеварения. Циклы массопереноса в желудочнокишечном тракте и их управление. Строение пищеварительного тракта и его
основные функции. Функция желудка, двенадцатиперстной кишки, тонкого и
толстого кишечника. Секреторная и механическая активность этих отделов.
Функция энтероцитов и секреторных желез желудочно-кишечного тракта. Гормоны желудочно-кишечного тракта, участвующие в регулировании функции
различных отделов пищеварительного тракта по мере движения пищевых
масс. Механизм переваривания пищевых продуктов (белков, жиров, углеводов). Всасывание воды. Механизм транспорта продуктов пищеварения через
кишечную стенку. Переход этих продуктов в кровеносные и лимфатические капилляры.
Десятая лекция. Работа печени. Основные функции печени и ее участие в
белковом, углеводном обмене, утилизации продуктов распада эритроцитов.
Детоксиционная функция печени. Секреция печенью желчных кислот (окисленного холестерина), желчных пигментов, их роль в переваривании жиров. Гепато-энтеральный цикл желчных кислот. Взаимодействие алиментарного холестерина с желчными кислотами. Роль алиментарного холестерина и желчных
кислот а транспорте не насыщенных жирных кислот через кишечную стенку.
Одиннадцатая лекция. Работа эндокринной системы. Гормоны как носители
информации. Классификация гормонов. Механизм передачи информации от
гормона внутрь клетки. Синтез и распад гормонов. Действие гомонов на различные виды обмена в организме животного и человека.
Двенадцатая лекция. Локомоторная система, биомеханика и вызываемые
ею изменения массопереноса. Общие представления о локомоторной системе.
Построение движений и управление движением различных частей тела человека. Взаимоотношение центра и периферии. Представление о функциональной системе (по Анохину), и её участие в метаболическом обеспечении локомоторной системы при достижении полезного результата. Энергетика мышечной системы и проблема утомления.
Тринадцатая лекция. Нервная система (соматическая и вегетативная).
Общее представление о строении нервной системы. Нейрон, как центральное
понятие физиологии нервной системы. Основные физиологические свойства
нейрона. Потенциал действия нейрона. Работа калий-натриевого насоса. Распространение потенциала действия, движение субстратов и метаболитов по
аксону от центрального тела нейрона на периферию к синапсам. Медиаторы и
межклеточная передача сигналов.
Четырнадцатая лекция. Центральная нервная система. Головной мозг. Кора
головного мозга и ее морфофункциональная организация. Карта головного
мозга. Нейроны коры головного мозга. Спинной мозг и его морфофункциональная организация. Стволовая часть мозга и черепномозговые нервы. Средний мозг. Ретикулярная формация ствола мозга и ее функции. Промежуточный
мозг. Таламус. Мозжечек. Мозжечковый контроль двигательной активности.
Лимбическая система иее функции. Базальные ядра.
Пятнадцатая лекция. Зрение. Строение и функции оптического аппарата глаза. Строение и функции сетчатки глаза. Фотохимические процессы в палочковом аппарате сетчатки. Нервные пути и связи в зрительной системе. Зрительные функции. Цветовое зрение. Слух. Структура и функции наружного и среднего уха. Структура и функции внутреннего уха. Слуховые функции и слуховые
ощущения. Вестибулярная система. Речь. Взаимоотношения речи и дыхания
человека. Формирование речи у человека, связь с памятью и сознанием. Эволюционный смысл появления речевого общения. Функциональная асимметрия
мозга и речь. Два вида отражения и анализа пространственно-временного
континуума в ЦНС человека. Слово как дискретная единица логического отображения пространственно-временного континуума.
Шестнадцатая лекция. Мышление, сознание. Мышление и его классификация. Факторы, определяющие развитие интеллекта. Способность к творчеству.
Структура сознания. Роль понятия «Я» в сознании и мышлении.