Аутоволновые процессы в сыворотке крови Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

АУТОВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В СЫВОРОТКЕ КРОВИ

С.Д. Шатохина, В.Н. Шабалин

МОНИКИ,

НИИ геронтологии Минздрава Р.Ф

"Изучать структурные основы физиологических процессов - это значит прежде всего видеть эти процессы"

Д.С. Саркисов

Разработанный авторами метод профильной дегидратации капли сыворотки крови позволяет выявлять широкий спектр ауто-волн, который четко визуализируется при переходе капли биожидкости в твердую фазу. Дается предварительная классификация ау-товолн и описание формирующих их механизмов молекулярного и надмолекулярного уровней. Представлена гипотеза аутоволнового взаимодействия биологически активных молекул, которая рассматривает аутоволны как основу организации физиологических и патологических процессов, протекающих в организме. Фактические данные и теоретические положения статьи формируют принципиально новый взгляд на процессы молекулярных коопераций, лежащих в основе функций биологических объектов.

Проблема взаимоотношения структуры и функции - одна из центральных в биологии и медицине. При этом, если представления о структуре живого вещества сформулированы достаточно четко (молекулы, органеллы, клетки, органы, системы), то о "структурных единицах" его функции определенного понимания еще не выработано [4]. В то же время известно, что все биологические системы на всех уровнях организации функционируют в режиме аутоколебаний, которые внешне проявляются как биоритмы [2, 6]. Любая функция материального объекта определяется движением. Реализация функции состоит в переносе энергии, а основное свойство всех волн, независимо от их природы, и состоит именно в переносе энергии без переноса вещества. Следовательно, опираясь на общие положения квантовой механики, можно считать, что структурной единицей функции является волна, образуемая функционирующей молекулой в результате ее аутоколебания [3].

В морфологии биологических систем заложен принцип ступенчатости: из простых структур строятся более сложные, которые, в свою очередь, являются блоками для построения еще более сложных формирований. Структура определяется пространственной ориентацией элементов, и основное значение здесь имеют не сами элементы, а связи, которые существуют между ними. Аутоволны являются производными материальных структур и формируются по такому же принципу: слабые аутоволны подчинены волнам более высокого уровня в плане их координации и кооперации, которые, в свою очередь, подчинены главным ритмам биологического объекта. Главные (ведущие) ритмы определяют основную функцию объекта, в то время как малые аутоволны формируют специфические

(индивидуальные) черты этой функции. Вместе с тем, аутоволны системы формируются аутоволнами ее элементов и являются результатом их координации и синхронизации [5].

Основой современных молекулярных теорий жидкого состояния послужило экспериментальное обнаружение в жидкостях ближнего порядка - согласования во взаимных положениях и ориентации близко расположенных групп, состоящих из двух, трех и большего числа молекул [1]. Вместе с тем, в биожидкостях существует и дальний порядок. Он выражается в кооперативном действии молекул определенного функционального назначения при появлении в биожидкости объекта-мишени. Объект-мишень активизирует этот дальний порядок, заставляя действующие молекулы перемещаться на определенные расстояния и приобретать соответствующую пространственную ориентацию, необходимую для воздействия на объект-мишень.

Все биологические жидкости относятся к ассоциированным, т.е. молекулы растворенных в них веществ находятся в самых различных формах взаимосвязи (липопротеиды, гликолипиды, гликопро-теиды и др.). В биожидкости растворенные молекулы и молекулярные комплексы сравнительно равномерно рассеяны по всей ее массе. При дегидратации биожидкости эти молекулы и их комплексы претерпевают пространственные перемещения и локализуются в строго определенном месте в форме фиксированной волны. При этом каждая волна соответствует определенной группе ассоциированных молекул.

Основная цель исследования состояла в разработке метода фиксации аутоволновых процессов в сыворотке крови, выявлении закономерностей ее структурной самоорганизации, поиске особенностей структурирования биожидкости в норме и при патологических состояниях.

Материалом исследования являлась сыворотка крови здоровых людей и больных с различными видами патологии. Всего было исследовано 320 образцов сыворотки крови.

Для исследования структур биожидкостей нами был избран принцип их перевода в твердую фазу путем дегидратации. Исследования были проведены с помощью разработанной нами методики. Ее основные технические приемы состояли в следующем. На предметное стекло, покрытое тонким слоем раствора лецитина (0,02%), наносилась капля сыворотки крови в объеме 10 мкп. Капля высушивалась при температуре 20-25°С, относительной влажности 65-70% и при минимальной подвижности окружающего воздуха. В процессе высыхания капля должна быть неподвижной. Продолжительность периода высыхания составляла 18-24 часа. Исследование структурообразующих элементов дегидратированной капли проводилось с помощью стереомикроскопа MZ-12 фирмы "Leica". Исследованию подвергались натурные образцы высушенных капель (фации), их фотографии, полученные при разных увеличениях в интервале от х20 до х400, а также видеозаписи формообра-

зующих процессов при дегидратации капель биожидкостей. Видеозапись проводили при тех же значениях увеличения.

Процесс самоорганизации биожидкостей при переходе в твердую фазу позволяет зафиксировать волновые ритмические колебания, которые имеют место в жидкой фазе среды и которые не могут быть выявлены другими ныне существующими методами исследования.

Капля сыворотки крови в процессе дегидратации выступает как единая система, в которой все процессы самоорганизации проходят в согласованном порядке. Видеозапись показывает следующее:

- По мере испарения воды в капле начинаются активные центробежные и центростремительные перемещения отдельных молекул и молекулярных комплексов. Скорость, расстояние и вектор данных перемещений определяются, главным образом, осмотическими силами, а также размерами, формой, степенью гидратиро-ванности, характером внутримолекулярных и межмолекулярных нековалентных связей и другими параметрами, присущими соответствующим структурам сыворотки крови. В процессе дегидратации капли сыворотки крови создаются концентрационные волны из идентичных молекул и молекулярных комплексов и происходит их определенное пространственное распределение и фиксация. Механизм волнового структурирования биожидкости состоит в следующем. При достаточной гидратации наблюдаемого объекта биожидкости все гидрофильные группировки молекул насыщены и осмотические силы в биожидкости нивелированы. По мере дегидратации возникает первая стадия неравновесного состояния. Эта стадия характеризуется тем, что свободные ионы минеральных веществ (в первую очередь и СГ) забирают на себя свободную воду и отталкивают органические молекулы и их комплексы (бел-ково-липидные, белково-сахаридные, белково-солевые и др.) в более обезвоженные зоны исследуемого объекта, т.е. в периферические отделы капли. При дальнейшем испарении капли биожидкости, что установлено при анализе видеозаписей, свободная вода уходит волнообразными толчками от периферии к центру, формируя при этом четкие аморфные и кристаллические кольца. Образование волновых структур является результатом взаимодействия органических и неорганических составляющих и происходит в результате различия в величине осмотических и онкотических сил. В борьбе за оставшуюся воду соли "выдавливают" органические вещества на периферию. При высыхании капли биологической жидкости количественное содержание солей повышается от периферии к центру, а количественное распределение органических веществ имеет обратный порядок.

Таким образом, создается волновой ряд растворенных в сыворотке крови веществ в направлении от центра к периферии капли в зависимости от их гидрофильности, т.е. идентичные по гидро-фильности молекулы и молекулярные комплексы формируют

кольца, радиус которых обратно пропорционален их гидрофильно-сти. Этим завершается этап испарения свободной воды.

- Следующий этап структурирования определяется стадией испарения из капли рыхлосвязанной воды. По мере удаления рых-лосвязанной воды, в белковой матрице капли сыворотки крови развиваются достаточно мощные процессы растяжения и сжатия в результате свертывания молекул белка, что приводит к образованию трещин. В норме трещины формируются в определенном порядке. Он характеризуется тем, что высыхающая капля начинает растрескиваться по радиусам через относительно равные промежутки. Радиальные трещины формируются по единым для всей капли правилам. Они начинают образовываться из периферической зоны капли и в виде лучей продвигаются к ее центру. Дистальные их концы в большинстве случаев не доходят до наружной границы капли, а закругляются и соединяются с соседней трещиной. Эти трещины представляют собой разрывы белковой матрицы при критической степени ее дегидратации. Радиальные трещины образуют сектора. Формированием секторов завершается общая структуризация капли.

- Дальнейший этап структуризации начинается в подсистемах. Каждый сектор начинает работать в своем автономном режиме. Процесс структуризации в данной зоне не зависит от аналогичного процесса в соседней зоне. Он характеризуется пространственным перераспределением молекул и молекулярных комплексов в борьбе за прочносвязанную воду, т.е. за воду, находящуюся в химическом соединении с ионами, молекулами белковых и других веществ, растворенных в сыворотке крови. Испарение прочносвязан-ной воды в секторах происходит по аналогичным закономерностям, однако она испаряется преимущественно через трещины. В результате ее концентрация снижается значительно быстрее в периферических отделах сектора, чем в центральных. Гидрофильные ионы устремляются в направлении большей концентрации воды. Они отбирают воду у органических веществ и концентрируются в центральных отделах сектора. При этом за счет разной гидро-фильности, соли, связанные с белковыми молекулами, отрываются от них и формируют отдельные концентрационные волны. Радиальные секторы построены по единому принципу, они со всех сторон окаймлены трещиной белковой матрицы, имеют в центре солевой круг с ровными четкими границами - так называемые конкреции. Отчетливая граница этого круга является результатом высокой концентрации и волновой активности белка, что позволяет ему выступать достаточно эффективно в борьбе с солями за оставшуюся воду и определять конечную структуру фации. Затем возникают трещины, имеющие перпендикулярную направленность по отношению к радиальным трещинам. Так образуются фракталы (отдельности). Их значение состоит в том, что единые аутоволно-вые процессы в капле биожидкости прекращаются, а дальнейшее удаление рыхлосвязанной воды переводит процесс структурирования фации в локальную фазу. При этом межмолекулярная борь-

ба за рыхлосвязанную воду переходит в завершающую стадию -формируются локальные внутрифрактальные волны, в норме имеющие, в основном, идентичные характеристики: четкий круглый или овальный центр, от которого отходят круговые волны. На периферии фации соли, увлеченные сюда в результате связи с органическими молекулами, на конечном этапе дегидратации отделяются и также могут формировать четкие круги, которые окружены мощными белковыми кольцами. В результате перехода капли биожидкости в твердую фазу формируется фация - сухая пленка с фиксированными волновыми образованиями, отдельностями, конкрециями и другими формообразующими элементами. Иными словами, фация - это структурный портрет молекулярных взаимосвязей в биожидкости, т.е. протекающих в ней функциональных процессов на момент исследования (рис. 1).

Рис. 1. Фация сыворотки крови здорового человека: радиальные сектора разделены на отдельности, в каждой из которых расположена конкреция (круглое образование). Ув. 40.

Все вышеперечисленные структурные образования мы относим к структурной норме фации капли сыворотки крови.

При появлении атипичных структур в биожидкости, например таких, как экзо- и аутотоксины, или чрезмерно большого количества продуктов незавершенного метаболизма, продуктов распада тканей и пр., происходят ритмологические сбои. В структурах фации эти сбои выражаются в образовании дисгармоничных конкреций, фракталов, секторов, а также специфических образований типа языков Арнольда, ковров Серпинского и др. аномалий (рис. 2-5). С другой стороны, при патологических процессах в организме в органических молекулах слабые связи изменяют свою активность, в результате эти молекулы меняют форму, утрачивают физиологический ритм аутоволновых колебаний. "Оркестр" аутоволновых процессов расстраивается. Он превращается в аутовол новой хаос, который виден в структуре фации сыворотки крови больных с различной степенью патологических нарушений.

Появляются особые ритмы - фиксированные волновые структуры, различающиеся по форме, по направлениям, а также по общим

принципам их построения. Отклонение от физиологического ритма, с одной стороны, заставляет органические молекулы терять нормальные (физиологические) межмолекулярные связи, а с другой, -побуждает их приобретать способность вступать в "запрещенные" химические контакты. Например, аномальные связи белковых молекул могут возникать с сахарами (гликозилация), солями (литогенез), липидами (холестериновые отложения) и пр. В структуре фации это также находит свое отражение в виде нарушений форм соответствующих волновых образований, т.е. структура фации несет в себе информацию о функциональных взаимоотношениях на молекулярном уровне.

Рис.2. Фация сыворотки крови (фрагмент) больной хроническим холециститом. Атипичные структуры - языки Арнольда (признак воспалительного процесса. Ув. 60.

Рис.3. Фация сыворотки крови больного атеросклерозом, постинфарктное состояние. Секторальные образования отсутствуют, отдельности расположены беспорядочно, конкреции неправильной формы и различной величины. Ув.40.

Рис.4. Фация сыворотки крови (фрагмент) больного с хронической почечной недостаточностью. Специфические круглые образования с отходящими складками (участки концентрации продуктов распада). Ув.60.

Рис.5. Фация сыворотки крови больного с тяжелой формой дисцирку-ляторной энцефалопатии. В центре видны патологические кольцевые и дугообразные структуры с фибриллярными ответвлениями. Ув 50.

Таким образом, волновая кристаллизация является механизмом фиксации ритмических колебаний активности различных биохимических процессов, протекающих в сыворотке крови или иной биологической жидкости. Фазовый переход биологической жидкости из неупорядоченного жидкого состояния в твердое организует определенный статический порядок, который становится наблюдаемым. В процессе самоорганизации биожидкости и при переходе ее в твёрдотельное состояние происходит передача информации о ее молекулярной организации на макроскопический уровень. Однако эта информация закодирована в структуре фации и в настоящее время еще не может быть полностью прочитана.

Результаты многочисленных современных исследований показали, что первичный эффект патогенного фактора выражается в молекулярных (биохимических) изменениях [4]. Далее эти изменения начикают проявляться на суборганоидном, органоидном уров-

нях и только тогда становятся доступными для морфологических исследований.

Биологические жидкости являются наиболее удобным объектом для исследования динамики молекулярных процессов живой материи. В физиологических, экстремальных и патологических состояниях происходят постоянные изменения молекулярного состава биотканей и видов химического взаимодействия различных ее компонентов. В непрерывном изменении находится и форма самих молекул. Все это создает сложную специфическую картину колебательного поведения системы. В общем, координированном виде динамика ритмических колебательных процессов биосистем определяется активацией и торможением химических реакций по принципу обратной связи. Эти изменения могут быть зафиксированы в виде структурно-волновой организации биожидкости при ее дегидратации. Структурно-волновые параметры фации биожидкости отражают функциональное поведение отдельных элементов и систем в целом. Эти изменения являются маркерами гомеостаза молекулярного уровня и могут служить основой для диагностики ранних стадий различных заболеваний [7].

Исходным побудительным моментом межатомных и межмолекулярных связей являются их специфические ритмические колебания. Именно комплементарность ритмических колебательных волн не только позволяет, но и побуждает идентичные или различные молекулы и атомы вступать в химические соединения.

Переход биологической жидкости из гидратированного в дегидратированное состояние приводит в интегрированный вид разрозненную информацию, которую она содержит в нативном состоянии. В дегидратированной биожидкости информация собирается в определенный структурный ансамбль. Этот ансамбль в закодированном виде несет комплекс сведений о состоянии организма, будь то физиологическая норма, возрастные особенности, различные патологические состояния, результаты терапевтического воздействия на организм и пр.

Представленные фактические данные и проведенный анализ позволили нам высказать гипотезу о том, что в основе любой функции материального носителя лежат ритмические колебательные процессы. То есть функция материи в фундаментальном понимании - это ритмическое колебание ее элементов, комплексов и систем.

Изучение самоорганизации биожидкостей раскрывает возможность исследования аутоволновых процессов в организме. Это пограничная проблема между биофизикой и физиологией, которая находится лишь в самой начальной стадии изучения и может дать принципиально иные представления о развитии патофизиологических процессов в организме.

Волновые ритмы различного характера и качества являются одной из форм самоорганизации живой материи и ее взаимосвязи как с внутренней, так и с внешней средой. В организме человека постоянно или временно действуют тысячи ауторитмов, различных

по своему характеру, интенсивности, длине волны и векторной направленности.

Ритмологическое состояние организма - это особая физиологическая сфера, в которой проходят все метаболические процессы. Метаболические и волновые процессы в организме тесно связаны между собой, взаимозависимы и взаимоопределяют характер друг друга. Любая функция любого элемента организма проявляется в формировании определенного волнового ритма, или целой гаммы различных ритмов. Динамика метаболических процессов находит свое отражение в особенностях молекулярных биоритмов. Поэтому можно утверждать, что большие молекулы - это струны, на которых исполняется основная мелодия жизни.

Молекулы "разговаривают" между собой посредством волновых процессов. С помощью этих процессов они узнают друг друга, обмениваются информацией, определяют необходимость вступать в более тесный контакт и объединяться в функциональные блоки, строить сложные биологические структуры, осуществлять разрушение химических соединений, не имеющих значения для нормальной жизнедеятельности организма. Так например, эффектор-ной молекуле не нужно "осматривать" и "ощупывать" всю структуру объекта мишени, она узнает ее по издаваемым аутоволнам. Процесс узнавания осуществляется мгновенно и может происходить на значительном расстоянии в результате аутоволновой биолокации молекул и молекулярных комплексов. Активная молекула связывается с молекулой-мишенью определенными участками. При этом имеет место и аутоволновая специфичность этих участков, которая также позволяет осуществлять их более тонкое распознавание и обеспечивает оптимальную для контакта пространственную ориентацию молекул, вступающих во взаимодействие.

Таким образом, фация капли сыворотки крови представляет собой комплекс стабилизированной и структурированной информации о функциональных процессах, протекающих в организме. Разработанный нами метод аутоволнового кристаллографического анализа биологических жидкостей позволяет визуализировать молекулярный (биохимический) уровень организации биологических систем, переводить его в макрообласть и, таким образом, делать пригодным для морфологических исследований. Конкретная расшифровка состава аутоволн фации капли биожидкости раскрывает широчайшие возможности мониторинга всей гаммы метаболических процессов, протекающих в организме, с учетом их чрезвычайно высокой динамичности.

Проведенные нами исследования позволяют сделать следующие выводы:

- одним из важнейших свойств сыворотки крови являются ауто-волновые процессы, которые формируются в результате координированных кооперативных ритмических колебательных движений идентичных молекул и молекулярных комплексов, присутствующих в биожидкости;

- для сыворотки крови свойственны множественные аутоволны с различными характеристиками, которые, в свою очередь, определяются аутоволновыми параметрами отдельных молекул, присутствующих в исследуемой биожидкости, и их кооперативными действиями;

- аутоволновые ритмические колебания молекул являются физи-ко-химическим механизмом межмолекулярных взаимодействий, и по своей сущности - это структурные элементы сложных функциональных процессов, происходящих в биосистемах;

- молекулы сыворотки крови при патологии меняют свои аутоволновые характеристики, что заставляет их терять физиологические формы взаимодействия с другими молекулами и вступать в аномальные связи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вегман Е.Ф., Руфанов Ю.Г., Федорченко И.Н. Кристаллография, минералогия, петрография и рентгенография. - М., 1990. - 263 с.

2. Гласе Л., Маки М. От часов к хаосу. Ритмы жизни. - М., 1991. - 240 с.

3. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. - М., 1973.

4. Гомеостаз / Под ред. П.Д. Горизонтова. - М., 1981. - 575 с.

5. Жаботинский А.М. Концентрационные автоколебания. - М.,1974.

6. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. // Бюл. эксп. биол. мед. - 1996. - №10. - С.364-371.

7. Shabalin V.N., Shatokhina S.N., Yakovlev S.A. // Phys. Chem. Biol. Med. - 1995. - V.2 . - №1. - P.6-9.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ

В. И. Шумский, В.П. Булыгин, U.M. Портной, Л.Я. Абакумова, Т.А. Рогачикова, С.И. Федорова, Г.Л. Прокофьева, Г.Ю. Цыплакова, Т.Е. Васанова

МОНИКИ

Повышение эффективности диагностики и лечения является одной из важных и непреходящих задач как клиницистов, так и организаторов здравоохранения. Одним из направлений решения этой проблемы была й остается комплексная автоматизация процессов сбора, хранения, обработки медицинской информации, а также консультативная помощь врачу в процессе принятия решений при диагностике заболеваний, прогнозировании течения болезни и оценке эффективности лечения. В последнее десятилетие широкое практическое распространение в разных отраслях, в том числе в медицине, получили экспертные системы (ЭС) - разновидность систем искусственного интеллекта. Именно эти системы, благодаря ряду достоинств, создают реальные предпосылки для эффективной поддержки принятия решений врачами.