СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗВИТОСТИ СВОЙСТВА ЧЕЛОВЕКА ИЛИ ЖИВОТНОГО БЫТЬ ОТКРЫТЫМИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ ПО ВЕЛИЧИНЕ ЭНТРОПИИ В ИХ ОРГАНИЗМАХ Российский патент 2018 года по МПК A61B5/02 

Изобретение относится к биологии, медицине и геронтологии, а именно к способам исследования влияния окружающей и внутренней сред индивидуума на его здоровье и долголетие.

Известно, что организмы (открытые термодинамические системы) в процессе жизнедеятельности непроизвольно стремятся к сохранению гомеостаза для здоровья минимальными энергетическими затратами, что закономерно ведет и к минимизации у них энтропии [3]. Состояние любой системы может быть определено величиной ее энтропии. Причем любое из изменений, обеспечивающее уменьшение энтропии системы, представляет ее омоложение [1, 3].

Согласно второму началу термодинамики энтропия любой изолированной (закрытой) от внешних воздействий термодинамической системы стремится к максимуму и, соответственно, к росту в ней неуправляемых процессов, именуемых хаосом. На практике условие изолированности системы означает, что процессы внутри нее протекают гораздо быстрее, чем процессы обмена ее с внешней средой. Известно, что, если между двумя системами существует связь, возможен переход энтропии из одной системы в другую, вектор которого определяется значениями термодинамических потенциалов. Здесь и проявляется качественное различие между закрытыми и открытыми системами. В закрытой системе процессы идут, пока энтропия не достигнет максимума. В открытых системах отток энтропии во внешнюю среду может уравновесить рост энтропии в самой системе. Такого рода условия способствуют возникновению и поддержанию стационарного состояния (типа динамического равновесия), называемого текущим равновесием. В стационарном состоянии энтропия открытой системы остается постоянной. Постоянство поддерживается за счет того, что система непрерывно извлекает из окружающей среды свободную энергию. На основе указанной закономерности был предложен и запатентован способ определения энтропии в организме человека или животного [4], который и является прототипом к предлагаемому способу.

Прототипом выявляется способность организма усваивать кислород из единицы атмосферного воздуха, полученного при вдохе. Способность, которую в форме свойства открытости живых систем атмосферному кислороду, мы связываем с их фундаментальным свойством быть открытыми термодинамическими системами. И на основании этой вероятной связи выдвигаем гипотезу о том, что по величине энтропии в живых системах можно измерять развитость имеющегося у них фундаментального свойства быть открытыми к среде обитания термодинамическими системами. Согласно этой выдвинутой гипотезе с уменьшением энтропии в организме совершенствуется его свойство быть открытым к среде обитания, а с увеличением энтропии в организме, наоборот - это свойство в нем угнетается, редуцируется, уменьшается. И, соответственно, нарушаются выносливость и упругость гомеостаза, то есть его способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы в течение определенного времени и способность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое могло возникнуть в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему.

Сущность прототипа заключается в том, что определяют относительную по отношению к массе тела массу сердца в % (X), число сердечных сокращений (А) и содержание кислорода в альвеолярном воздухе легких в % (Co₂) и расчет проводят по формуле: α=(0,25/Т)⋅Co₂, где α - энтропия в %, Т - время полного оборота эритроцита с током циркулирующей крови в сек, при этом Т=[(0,44⋅75)/(Х⋅А)]⋅21,5.

Однако по данным литературы [3] энтропия системы, являясь термодинамической функцией ее состояния, есть мера необратимого рассеяния энергии - мера неупорядоченности системы. Чем меньше элементы системы подчинены какому-либо порядку, тем выше в ней энтропия. Если в качестве системы рассматривать какое-либо вещество, то его термодинамическое состояние по величине энтропии зависит от характеристик твердости, температуры этого вещества и давления на него окружающей среды. Согласно третьему началу термодинамики энтропия вещества увеличивается с ростом его температуры. При увеличении твердости системы и давления в ней энтропия системы уменьшается. Для живой системы наиболее значимыми из указанных характеристик являются температура системы, температура и давление на нее окружающих сред.

Однако в прототипе указанные характеристики не учитываются. Существенность давления, оказываемого окружающей средой на состояние живых систем, заключается в том, что оно может изменяться в широких пределах и имеет относительно самостоятельное физиологическое значение для здоровья этих систем. Давление, оказываемое атмосферой Земли на все находящиеся на ней предметы и живые системы, может изменяться от 760 мм Hg на уровне моря до 220-230 мм Hg [2] на вершине Эвереста (8848 м). Атмосферное давление у восходящих на эту высоту людей и спускающихся с нее по отношению, например, к нормальному у них среднему артериальному давлению (93,33 мм Hg) изменяется в 5,8 раза. Еще большее изменение давления окружающей среды испытывают на себе водные организмы и люди с погружением в воду. Давление сверх атмосферного называют избыточным, а сумму избыточного и атмосферного давлений называют абсолютным давлением. У водных организмов изменение абсолютного давления на одну и более атмосферу носит не спорадический, как у людей, а постоянный в жизни характер, то есть наблюдается как всеобщее для них явление. Так, дельфины при нырянии на глубину 200 м испытывают перепад давления в 15200 мм Hg. При этом у них, как и у других водных организмов, при перемещении в различных по вертикали слоях гидросферы имеет место значительное, по сравнению с таковыми перемещениями сухопутных в атмосфере, изменение парциального напряжения метаболических газов (кислорода и углекислого газа) в их биосредах. Изменение напряжения этих газов у организмов в направлении от избыточного в глубоких слоях гидросферы до менее избыточного в верхних ее слоях и обратно представляется такой его циклической флуктуацией, которой соответствует смена актов вдоха и выдоха в атмосфере. При нырянии в глубину гидросферы парциальное напряжение метаболических газов в организме возрастает, они стремятся к большему растворению в биосредах и проникновению в их морфологические структуры. При подъеме к поверхности гидросферы парциальное напряжение метаболических газов в биосредах организма ослабевает и газы выходят из организма в гидросферу. Таким образом, изменение глубины пребывания в гидросфере запускает в работу механизм дыхания, являющийся дополнительным к основному для дышащих легкими и для извлекающих кислород и углекислый газ из гидросферы. И этот дополнительный механизм дыхания, по-видимому, уменьшает энтропию в их биосредах и, тем самым, повышает открытость дышащих легкими атмосфере и рыб гидросфере.

Известно, что, например, у человека величина давления артериальной крови является самостоятельным диагностическим критерием для оценки состояния его здоровья. Таким же самостоятельным критерием состояния здоровья организма является температура его тела. Поэтому отсутствие учета барометрического и гидростатического давлений, а также температуры при изучении энтропии в живых системах снижает точность ее определения, в том числе у человека или животного, имеющих высокие/низкие параметры артериального давления, температуры тела и/или пребывающих в условиях, аномальных по температуре и давлению среды обитания и пребывания. А, следовательно, согласно выдвинутой гипотезе связи энтропии живых систем с их открытостью к среде обитания достижением большей точности в определении энтропии можно достичь и большей точности в измерении физиологической силы (развитости) свойства человека или животного быть открытыми термодинамическими системами.

На основании изложенного задачей изобретения является разработка способа определения развитости свойства человека или животного быть открытыми термодинамическими системами по величине энтропии в их организмах путем дополнительного учета влияния на энтропию параметров температуры тела индивида и окружающих воздушной и водной сред, давления крови и этих окружающих сред.

Указанная задача решается в заявляемом способе определения у человека или животного развитости их свойства быть открытыми термодинамическими системами по величине энтропии в их организмах путем определения относительной по отношению к массе тела массы сердца в % (X), числа сердечных сокращений (А) и содержания кислорода в альвеолярном воздухе легких в % (Co₂) и расчета энтропии по формуле: α=(0,25/Т)⋅Co₂, где α - энтропия в %, Т - время полного оборота эритроцита с током циркулирующей крови в сек, при этом Т=[(0,44⋅75)/(Х⋅А)]⋅21,5, и отличающемся тем, что дополнительно измеряют кровяное давление артериальное систолическое (АД_с) и диастолическое (АД_д), фактическое давление атмосферы (Р_фа) и гидросферы (Р_фг), находят среднее нормируемое кровяное давление артериальное (АД_срн), давление насыщенного пара воды при температуре воздуха в месте нахождения субъекта изучения (Р_пв) и давление насыщенного пара воды в легких при температуре тела субъекта изучения (Р_пт), затем расчет энтропии проводят по формулам:

для человека и животных, находящихся на поверхности земли и воды, α=[(0,25/Т)⋅Со₂]-[((АД_с-АД_д)/3+АД_д))/АД_срн]⋅[760/((Р_фа-(Р_пв+Р_пт))], где число 760 соответствует барометрическому давлению нормируемому, мм Hg;

для человека и животных, находящихся под водой, α=[(0,25/Т)⋅Со₂]⋅[((АД_c-АД_д)/3+АД_д))/АД_срн]⋅[760/((Р_фа+Р_фг)-Р_пт))].

Среднее нормируемое кровяное давление артериальное, выраженное в мм Hg, например, для взрослого человека находится по данным нормируемых параметров АД (120/80 мм Hg) по известной формуле [АД_срн=(АД_с-АД_д)/3+АД_д], согласно которой АД_срн равно 93,33 мм Hg.

В представленном техническом решении заявляемого способа механизм вредного влияния на индивид повышенного артериального давления (см. среднюю часть формул) в атмосферных условиях сохраняет такое же свое количественное значение и при пребывании в гидросфере независимо от величины ее гидравлического давления. Поскольку организм человека и животных состоит преимущественно из жидких сред и твердых клеточных элементов, которые практически несжимаемы, внешняя гидрокомпрессия равномерно распределяет напряжения во всем объеме организма, вследствие чего в тканях создается внутреннее противодавление, равное или близкое величине внешнего давления. В результате противодавления, адекватного внешнему, артериальное давление не изменяет своего исходного (до погружения в гидросферу) физиологического действия на организм. Вместе с тем влияние давления атмосферы и гидросферы на энтропию в организме учтено в третьей (последней) части представленных формул.

Указанное техническое решение в заявляемом способе имеет приведенное в примерах следующее обоснование.

Пример №1

У мужчины при выполнении работы средней тяжести ЧСС равна 100 уд./мин, концентрация O₂ в альвеолярном воздухе поддерживается на уровне 14,4%; АД_с и АД_д равны 145 и 94 мм Hg; атмосферное давление и температура окружающего воздуха равны 740 мм Hg и 25°C; температура тела 37°C. Энтропия = 0,3104%.

При выполнении той же работы, но в условиях температуры окружающего воздуха 16°C энтропия = 0,3057%.

При выполнении той же работы в условиях температуры окружающего воздуха 25°С, но температуры тела 38°C энтропия = 0,3115%.

Пример №2

У мужчины, находящегося на поверхности воды, ЧСС равна 80 уд./мин, концентрация 0₂ в альвеолярном воздухе поддерживается на уровне 14,4%; АД_c и АД_д равны 125 и 83 мм Hg; атмосферное давление и температура окружающего воздуха равны 740 мм Hg и 25°C; температура тела 37°C. Энтропия = 0,2240%.

При погружении в воду на глубину 10 м в условиях температуры воды 25°C энтропия = 0,0183%.

Пример №3

У дельфина, находящегося на поверхности воды, ЧСС равна 100 уд./мин, концентрация O₂ в альвеолярном воздухе поддерживается на уровне 14,4%; АД_с и АД_д равны 130 и 90 мм Hg; атмосферное давление и температура окружающего воздуха равны 755 мм Hg и 25°C; температура тела 37°C. Энтропия = 0,2826%.

При погружении дельфина в воду на глубину 200 м в условиях температуры воды 25°C энтропия = 0,0122%.

В приведенных примерах присутствует некоторая условность, состоящая в том, что погружение в воду обычно вызывает и уменьшение частоты сердечных сокращений (ЧСС), которое ведет к дополнительному (по отношению к увеличению давления гидросферы на индивид) уменьшению энтропии. Кроме того, АД_срн у дельфина условно принято равным таковому у человека.

Таким образом, в заявляемом способе определения развитости свойства человека или животного быть открытыми термодинамическими системами по величине энтропии в их организмах решена задача изобретения: развитость свойства человека или животного быть открытыми термодинамическими системами по величине энтропии в их организмах определена путем дополнительного учета влияния на энтропию параметров температуры тела индивида и окружающих воздушной и водной сред, давления крови и этих окружающих сред.

ЛИТЕРАТУРА

1. Герасимов И.Г. Использование энтропийных характеристик для оценки биологического возраста и функционального состояния организма / И.Г. Герасимов // Пробл. старения и долголетия. - 1996. - Т. 6, №1-2. - С. 32-35.

2. Миррахимов М.М., Гольдберг П.Н. Горная медицина. - Фрунзе: Кыргызстан, 1978. - 184 с.

3. Пригожий И. От существующего к возникающему. - М., 1985. - 326 с.

4. Устьянцев С.Л. Способ определения энтропии в организме человека или животного // Патент РФ на изобретение №2533846, - 2014. - Бюл. №32.

Группа изобретений относится к области медицины и биологии, а именно к геронтологии. Для определения энтропии в организме человека или животного в условиях различных сред их обитания и пребывания определяют относительную по отношению к массе тела массу сердца в % (X), число сердечных сокращений в мин (А), содержание кислорода в альвеолярном воздухе легких в % (Co₂). Дополнительно измеряют систолическое (АД_с) и диастолическое (АД_д) артериальные давления, учитывают среднее артериальное давление (АД_срн), фактическое давление атмосферы (Р_фа) и гидросферы (Р_фг), измеряют температуру тела человека или животного в месте их нахождения и по ней находят у них давление насыщенного пара воды в легких (Р_пт), измеряют давление насыщенного пара воды в воздушной среде нахождения человека или животного (Р_пв). Группа изобретений позволяет оценить состояние организма в условиях атмосферы и гидросферы на основании величины энтропии. 2 н.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ определения энтропии в организме человека или животного в условиях различных сред их обитания и пребывания, заключающийся в определении относительной по отношению к массе тела массы сердца в % (X), числа сердечных сокращений в мин (А), содержания кислорода в альвеолярном воздухе легких в % (Co₂) и расчете энтропии (α, в %), отличающийся тем, что дополнительно измеряют систолическое (АД_с) и диастолическое (АД_д) артериальные давления, учитывают среднее артериальное давление (АД_срн), фактическое давление атмосферы (Р_фа), измеряют температуру тела человека или животного в месте их нахождения и по ней находят у них давление насыщенного пара воды в легких (Р_пт), измеряют давление насыщенного пара воды в воздушной среде нахождения человека или животного (Р_пв), затем расчет проводят по формуле: α=[(0,25/Т)⋅Со₂]⋅[((АД_с-АД_д)/3+АД_д))/АД_срн]⋅[760/((Р_фа-(Р_пв+Р_пт))], где Т - время полного оборота эритроцита с током циркулирующей крови в сек, при этом Т=[(0,44⋅75)/(Х⋅А)]⋅21,5.

2. Способ определения энтропии в организме человека или животного в условиях различных сред их обитания и пребывания, заключающийся в определении относительной по отношению к массе тела массы сердца в % (X), числа сердечных сокращений в мин (А), содержания кислорода в альвеолярном воздухе легких в % (Co₂) и расчете энтропии (α, в %), отличающийся тем, что дополнительно измеряют систолическое (АД_с) и диастолическое (АД_д) артериальные давления, учитывают среднее артериальное давление (АД_срн), фактическое давление атмосферы (Р_фа) и гидросферы (Р_фг), измеряют температуру тела человека или животного в месте их нахождения и по ней находят у них давление насыщенного пара воды в легких (Р_пт), затем расчет проводят по формуле: α=[(0,25/Т)⋅Со₂]⋅[((АД_с-АД_д/3+АД_д))/АД_срн]⋅[760/((Р_фа+Р_фг)-Р_пт))], где Т - время полного оборота эритроцита с током циркулирующей крови в сек, при этом Т=[(0,44⋅75)/(Х⋅А)]⋅21,5.