CC BY
43
УДК 572.51:001.57
ГОМЕОСТАЗ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА КАК ПРОЯВЛЕНИЕ АБСТРАКТНОЙ СИММЕТРИИ
© 2004 г. К.Д. Чермит
The manifestation of symmetries in homeostasis has been investigated. The unity of their origin
and their definition has been proved.
Всеобщность природной симметрии, которую отмечают многие ученые, заключается не только в ее проявлении в разнообразных объектах и явлениях, но и в том, что принципы симметрии регулируют существование и эффективность деятельности любого природного объекта.
Рассматривая единую теорию природы, Р. Девис [1] отмечает, что математическое исследование, основанное на анализе симметрии, может позволить значительно продвинуться в понимании механизмов взаимодействия сложных проблем.
Проявления абстрактной (негеометрической) симметрии позволяют определять и оценить важнейшие характеристики системы: величину масштаба, степень сохранности и устойчивости.
Известно, что фундаментальные законы природы носят характер запретов, так как определяют что может или не может происходить в природе. Если принципы симметрии, обеспечивающие инвариантность и устойчивость, являются фундаментальными, то следует выяснить, что регулируется и запрещается в биологической системе «человек» принципами симметрии?
«Симметрия - это категория, означающая процесс существования и становления тождественных моментов в определенных условиях и в определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира» [2, с. 7]. Следовательно, симметрия является определителем упорядоченности структур, форм, движений, процессов и т.д. Поэтому поиск проявлений симметрии в соответствии с понятием означает поиск общих законов, потому что всякая научная теория должна быть непротиворечивой и инвариантной относительно группы описываемых объектов и явлений.
Из определения дефиниции «симметрия» вытекает, что она существует лишь во времени и пространстве. Симметрия означает тождественность каких-либо признаков, имеющих теоретическую возможность быть неравными. Следовательно, симметрия может существовать в трех случаях:
1. Если константны и время и пространство.
2. Если константным является время, то допускается билатеральная симметрия, подразделяющаяся на пространственную и динамическую.
3. Если время переменно, а пространство постоянно, допускается проявление абстрактных симметрий: себетождественность и симметрия цикловая.
Остановимся более подробно на третьей форме проявления симметрии. Цикловая симметрия определяется в виде проективного соотношения между тремя упорядоченными признаками деятельности функций человека, связанных с приближением к вурфу и «золотому сечению». Пропорция «золотого» сечения определяется как соотношение частей целого, при которой большая часть соотносится с меньшей, как целое соотносится с большей при числовом значении приближающейся к Ф = 1,618033988 или 1/Ф = 0,618033983.
Работы ученых последних лет доказывают возможности выявления качественно новых свойств организма при использовании симметрийного подхода, связанные не только с зависимостью части от целого в виде пропорций «золотого сечения», но и в виде двойной пропорции, называемой «золотым вурфом». Золотой вурф является инвариантой симметричных преобразований, равным числу 1,309.
Для определения вурфа (W) применена формула, предложенная Петуховым С.В. [3] в 1988 г. для анализа взаимосоответствия размеров трехчленистых блоков человеческого тела:
WJC-A)(D-B)
(C-B)(D-A) '
В результате некоторых преобразований, проведенных нами, формула приняла вид
w _ (а+Ь)(а + с)
b(a + b+c)
где W - вурф; а, Ь, с - соотносимые параметры деятельности (размеры) организма человека.
Симметрия-асимметрия себетождественности определялась в стандартных условиях при измерении одного и того же показателя и путем вычисления процентного отклонения от исходного.
Как известно, одним из принципов поведения системы является относительный консерватизм, под которым понимается способность сохранить привычное, оптимальное состояние, что может быть реализовано индивидуумом самостоятельно или предопределено наследственной информацией. Одним из показательных примеров консерватизма организма является гомеостаз. Симметрия здесь проявляется неизменностью ряда важнейших параметров организма при различных функциональных и экозависимых его состояниях, что способствует полноценной жизнедеятельности и выживанию.
Содержание понятия «симметрия» позволяет утверждать, что при себетождественности формы и функции проявляют устойчивость. Главным условием и производным устойчивости биологической системы является жизнь, т.е. сохранение жизни (устойчивость и себетождественность) является признаком
симметрии. Симметрия целого формируется и проявляется в симметрии его составляющих.
Себетождественность абсолютных значений форм и функций представляет собой симметрию абсолютную. Проявление такого уровня симметрии наблюдается при рассмотрении структуры белка, составляющего основу жизни. Как известно из многочисленных исследований, цепочка молекул ДНК состоит из четырех типов мономеров-нуклидов. В свою очередь, в состав нуклидов входят три компонента, связанные прочными химическими связями: 1 - азотное основание, 2 -углевод (дезоксирибоза), 3 - остаток фосфорной кислоты. Азотные основания- это пурины, имеющие двойное углеродноазотное кольцо, и пирамидины, имеющие одно такое кольцо. Пурины представлены аденином (А) и гуанином (Г), пирамидины - тимином (Т) и цитозином (Ц).
Особенностью нуклидового состава ДНК является равенство пуриновых и пирамидиновых оснований: число адениновых нуклидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых равно числу цитидиловых (А = Т, Г = Ц), т.е. налицо симметрия тождества, причем она подтверждается и тем, что в цепи напротив А всегда Т и наоборот. Точно таким же образом взаимосвязаны Г и Ц. Симметрия формы приводит к устойчивости (симметрии) свойств белка, так как постоянство составляющих обусловливает постоянство молекулярного веса.
Проявление симметрии себетождественности требует по принципу взаимосвязей симметрий проявления и симметрий более высокого порядка. Из рассуждений вытекает, что, кроме симметрии себетождественности, существует симметрия, определяемая как тождественность взаимоотношений между формами и функциями. Резонно предположить, что если взаимосвязь между геометрической и динамической симметрией в природе доказывается, то доказуема и наличие симметрии более высокого порядка.
В строении белка, как основы живого организма, эта симметрия проявляется в соответствии соотношения атомных весов цитозина, аденина и гуанина значению «золотого вурфа»:
Ж= (111+135) (135+151) / 135 (111+135+151) = 1,312.
Отклонение от идеального значения вурфа составляет 0,285 %. Подобным образом соотносятся тимин, аденин и гуанин. Здесь вурф равен 1,311; отклонение от идеального значения составляет 0,13 %. По принципу симметрии соотносятся молекулярные веса цитозиновой (306), адениновой (351) и гуа-ниновой (366) кислот, в основании которых лежат соотносимые по правилу вурфа компоненты. И здесь вурф равняется 1,312 и отклонение такое же, как и в азотных основаниях.
Симметрия или устойчивость белка обеспечиваются симметрией, устойчивостью и постоянством внутренней среды. В структурах белковых молекул
выделяют первичную, вторичную и третичную структуры. Первичная определяется порядком чередования аминокислот в цепи; спираль, состоящая из равномерных витков, - вторичная структура; спираль вторичной структуры укладывается в клубок и определяется как третичная структура.
Многими авторами [3, 8 и др.] подчеркивается следующая закономерность: чем выше структурный уровень, тем слабее химические связи, поддерживающие их. Связи вторичной, третичной и более высоких уровней крайне чувствительны к условиям внешней среды. Так, под воздействием температуры молекула белка разрушается до первичной - исходной структуры (денатурация). Именно фактом денатурации объясняется невозможность белковой жизни в условиях, отличных от комфортного состояния в температурных режимах.
Анализ научной литературы показывает, что способность сохранить устойчивость и себетождественность (симметрию) является важнейшим условием жизни белка и равно жизни всего организма в целом. Наиболее важными условиями белковой жизни являются температура и химический состав внешнего для клетки мира. Рассмотрим проявление законов симметрии в температуре тела и показателя pH крови. Устойчивая точка температурного гомеостаза, приобретенная в процессе длительной эволюции живого, представляет комфортную температуру для протекания биохимических ферментативных реакций. Такой температурой является 37 °С.
Замечено, что организм затрачивает усилия для поддержания оптимальной температуры только в определенной части тела. Поэтому в физиологии разделяют две температурные зоны: наружную (оболочка) и внутреннюю (ядро). Используемый термин «гомеостатичность температуры тела», в первую очередь, относится к ядру тела. Здесь существенные колебания должных норм цикловой симметрии не допускаются. Так, в коре головного мозга отклонение от идеального уровня симметрии (37 °С) даже на 0,01 градус приводит к включению всех терморегуляционных механизмов. Терморегуляция ядра тела и уровень комфортной температуры генетически детерминированы. Это подтверждается тем, что, несмотря на множество функций, участвующих в терморегуляции, и гетерохронность их развития, система функционирует без срывов и у новорожденных, и даже у недоношенных младенцев [4, 5]. Реакции предотвращения перегрева носят условно рефлекторный характер. Очень важной характеристикой терморегуляционного процесса является стабильность и точность воспроизведения (симметричность) в течение суток и в течение всей жизни. Поэтому организм не допускает значительных колебаний температуры ядра. Максимальные значения суточных и возрастных колебаний (по анализу литературных данных) не превышают 0,35 градуса [4, 5 и др.], что составляет отклонение от идеального уровня симметрии не более
0,5 %.
При изменении внешнего температурного режима (не считая экстремальные значения) температура ядра тела остается неизменной. Механизмы терморегуляции позволяют обнаженному человеку нормально функционировать в диапазоне от +18 до +40 °С, более того, кратковременное воздействие сухого воздуха при температуре 120 °С не является критическим [6].
Известно, что в системе терморегуляции участвуют нервная, сердечнососудистая, респираторная, мышечная и другие системы, формирование которых в онтогенезе идет гетерохронно. Хотя составные компоненты терморегуляции являются элементами пониженной надежности, организм функционирует как надежная система. Из этого вытекают два момента, имеющие значение для человека:
а) гетерохронность развития элементов терморегуляции требует в различные периоды онтогенеза применения разнонаправленной методики закаливания и систематичности применения средств;
б) основные показатели систем терморегуляции должны быть стабильными и изменяться в соответствии с закономерностями симметрии. Остановимся на доказательстве второго.
Как известно, кровь имеет слабощелочную реакцию, определяемую соотношениями Н+ и ОН -ионов. Показатель активности реакции в артериальной крови составляет pH 7,4; в венозной- около 7,35 [1, 10, 16 и др.]. От величины pH зависит ряд важнейших функций: расщепление и синтез белка, гликолиз, окисление жиров и углеводов, способность утилизации кислорода, процессы утомления и восстановления в клетках и др. То есть pH крови определяет эффективность работы функций, играющих важнейшую роль в выживании и адаптации организма, поэтому симметрична и себетож-дественна в состоянии покоя. При изменениях внешней среды и состояния организма значительных сдвигов показателя произойти не может, так как это приводит к нарушению многих физиологических процессов. Значительное изменение pH опасно для жизни человека. Константность показателя pH у людей разного возраста и уровня тренированности доказывается результатами исследований многочисленных авторов. Активная реакция плазмы колеблется по шкале pH от 7,36 до 7,44 в состоянии покоя (т.е. норма pH плазмы составляет 7,4 ± 0,04). Отклонение от симметрии в покое составляет у здоровых людей не более 0,5 %. Пределы колебания pH, совместимые с жизнью, составляют 7,4 ± 0,4, что соответствует отклонению от симметрии около 5,5 %.
В процессе выполнения двигательного действия происходит сдвиг кислотно-щелочного равновесия в сторону уменьшения pH. Применение сим-метрийного метода при изучении динамики pH и температурного гомеостаза, по данным исследований различных авторов [7, 8, 9, 10], и калибровочные свойства абстрактной симметрии дают дополнительную информацию о зако-
номерностях проявления изучаемых показателей. Они позволяют утверждать следующее:
1. Отклонение от симметрии константных величин до 0,5 % в состоянии покоя представляет собой физиологическую норму.
2. Отклонение константных величин от 0,5 до 1 % в состоянии покоя определяется как предпатологическое или напряженное состояние.
3. Отклонение константных величин от состояния симметрии более чем на 1 % в условии покоя проявляются только при патологии.
4. Возможность организма достигать отклонения «жестких» констант до 5-8 % в условиях напряженной работы означает его высокую подготовленность, более 8 % - высокую специальную готовность перенесения нарушений констант.
5. Изменения «жестких» констант организма на величину свыше 10 % связаны с опасностью для здоровья и даже с опасностью для жизни.
Проявление симметрии себетождественности требует по принципу взаимосвязей симметрий проявления и симметрий второго порядка, подразумевающего постоянство соотношений различных количественных характеристик деятельности функций. Числовым значением, показывающим инвариантность симметричных преобразований, является значение двойной пропорции. На основании того, что закономерностям золотого вурфа подчиняются и формы [3, 11, 12], и функции [13, 14], было сделано предположение о существовании в организме человека и других себеэквивалентных соотношений.
При поиске закономерно соотносящихся признаков соблюдались следующие условия:
1. Соотносимые показатели должны быть между собой взаимосвязаны.
2. Показатели должны измеряться в одних и тех же единицах.
3. Инвариантность признака должна проявляться на всем протяжении онтогенеза.
4. Данные, получаемые по результатам одних авторов, должны подтверждаться данными других исследователей.
5. Соотносимые значения рассматриваются только в состоянии покоя.
6. Симметрия определяется только в статичных показателях, связанных с внутренней средой.
Из положения об определяющем значении массообмена между клетками (и организмом в целом) и внешней средой в поддержании единства экосистемы вытекает, что законам симметрии, в первую очередь, подчиняются подсистемы транспорта кислорода, обеспечивающего аэробный метаболизм тканей.
Признаки форм и функций человека, подчиняющиеся закономерности вурфа
Формы и функции человека Соотносимые показатели \¥
а Ь с х±о % откл.
Молекулярная масса составных частей ДНК ЦИТОЗИН аденин гуанин 1,312 0,28
ТИМИН аденин гуанин 1,311 0,13
цитозиновая кислота адениновая кислота гуаниновая кислота 1,312 0,28
Размер сердца, см продольный поперечный косой 3,316±0,008 0,67±0,48
Диаметр левого желудочка и аорты, см желудочек в диастолу желудочек в систолу устье аорты 1,312±0,012 1,40±0,57
Фаза систолы, с механическая общая электриче- ская 1,313±0,013 0,62±0,50
Емкость легких общая жизненная вдоха 1,302±0,004 0,65±0,02
Емкость и содержание кислорода в крови содержание гемоглобина в крови О2 артериальной крови 02 емкость крови 1,302±0,004 1,06±0,24
Артериальное давление, мм рт. ст. диастоличе- ское среднее боковое 1,308±0,004 0,28±0,20
Размер щитовидной железы длина ширина толщина 1,298±0,016 0,98±0,62
Диаметр сосудов микроциркулярного русла конъюнктивы глазного яблока, мкм артериола посткапил- лярная артериола капилляр 1,318±0,001 0,73±0,06
Обхватный размер, см плеча предплечья запястья 1,286±0,020 1,18±0,09
бедра голени лодыжка 1,299±0,0007 0,61±0,05
Окружность груди, см ВДОХ пауза выдох 1,331±0,918 1,64±0,12
Показатель иммунного статуса, % Т-лимфоциты трансфор- мированные клетки истинные бласты 1,295±0,007 1,13±0,08
Содержание 02 и СО2, мм рт. ст. РО2 артерии РСО2 вены рсо2 артерии 1,308±0,002 0,86±0,28
Компоненты венозной крови, мм рт. ст. о2 О О н2о 1,307±0,002 0,80±0,09
На основании проведенного нами расчета вурфа по исходным данным многих ученых обнаружено, что закономерностям золотого вурфа подчиняются соотношения показателей давления, параметров деятельности сердца, амплитудные и временные параметры реовазограммы и их связь с длительностью кардиоцикла, размеры сердца, диаметры левого желудочка и аорты, фазы систолы, содержание 02 и С02 в крови, 02; С02 и Н20 в венозной крови, диаметр компонентов микроциркуляторного русла в коньюктиве глазного яблока, окружности груди и емкость легких (таблица). [Доказательства опубликованы в ряде работ [15, 16, 17, 18] и изложены в процессе защиты автором
докторской диссертации [19]. Поэтому здесь они приведены лишь в качестве иллюстрации].
Исследуя исходные принципы построения человеческого тела, Е.А. Шапошников [20] обнаружил ряд соотношений, подчиняющихся правилу «золотого сечения». На основании данных разных исследователей нами доказано проявление вурфа в соотношениях трехчленистых блоков человеческого тела, подчиняющихся правилу «золотого сечения», а именно в отношениях:
1) а) длина руки; б) длина руки + ширина плеч; с) двойная длина руки + ширина плеч;
2) а) длина ноги; б) длина ноги + длина корпуса; с) суммарная величина длины ног, корпуса и рук.
В этих признаках вурф равен 1,309, а отклонение от идеального состовляет менее 3 %. Следовательно, проявления золотого вурфа и золотого сечения тесно связаны между собой и адекватно отражают состояние изучаемого объекта. Вместе с тем, детерминированность вурфа обеспечивается на более высоком уровне, чем «золотое сечение», и вурф допускает большие колебания в состоянии покоя, чем температурный и pH гомеостаз.
Из определения понятия «симметрия» ясно, что сохранение и устойчивость являются непременными атрибутами симметрии, что определяет необходимость симметрии при сохранении жизни. Наиболее стабильными и симметричными являются строение и функции белка.
Стабильность жизни обеспечивается гармонией проявлении симметрии в:
1) сохранении устойчивости жестких констант (температура ядра тела и pH крови) в условиях покоя;
2) сохранении соотношений показателей функционирования жизненно важных физиологических систем в условиях покоя.
Именно возможность сохранения в состоянии покоя констант температуры ядра тела и pH артериальной крови, «золотого вурфа» и «золотого сечения» выступает как диагностический признак состояния здоровья и составляет базальный уровень симметрии.
Отклонения от симметрии в константных системах до 0,5 %, в системах симметрии вурфа до 3 и «золотого сечения» второго порядка до 7 % в условиях покоя допустимы и не являются признаками патологии.
Экономичность функций организма и максимальная экономия энергии, наблюдаемые при симметрии функций в состоянии покоя у здоровых и тренированных людей, обеспечивают меньшую «цену адаптации» и тем самым позволяют достигнуть более значительных отклонений от симметрии при необходимости адаптации.
Базальный уровень симметрии у здоровых людей сохраняется в течение всей жизни, но изменяется возможность к достижению асимметрии (энтропия) функций. В гомеорезусе асимметрии функций выделяются три периода:
становление возможностей (до 14 лет); поддержание высокого уровня энтропии (15-31 год); снижение возможностей (с 31 года).
Полученные в результате исследования данные позволяют сделать следующие выводы.
1. Методы системно-симметрийного анализа предоставляют возможность количественно оценить состояние гомеостаза и гомеорезуса, определить состояние здоровья и уровень тренированности. Высокой прогностической ценностью обладает симметрия функций в виде симметрии себетождествен-ности (изменения гомеостаза в норме менее 1 %) и проективной симметрии вурфа (изменения в норме менее 3 %).
2. Гомеостаз организма определяется интегральной и содружественной деятельностью функциональных систем, результатом которой являются константы, выражающиеся через:
- симметрию себетождественности;
- симметрию проективного соотношения между тремя упорядоченными признаками деятельности функций человека, связанных с приближением к вурфу и «золотому сечению».
3. Организм человека, сохраняющий устойчивость гармоничных взаимосвязей симметрий и обладающий способностью их максимального изменения для обеспечения высоких адаптивных возможностей, является биологически здоровым. Количество биологической составляющей здоровья можно измерить:
а) минимальным процентным отклонением жестких констант, вурфа и сечения от симметрии в покое и при дозированной нагрузке;
б) максимальным процентным отклонением жестких констант, вурфа и «золотого сечения» при максимальной нагрузке.
4. Тренированный организм отличается более экономным функционированием систем в покое при умеренных нагрузках, выражающимся в сохранении симметрии функций, незначительных отклонениях показателей жизненно важных функций от симметрии и способностью достигать такого уровня нарушения гармонии и асимметрии (энтропии) функций при максимальных нагрузках, который недоступен для нетренированного.
Литература
1. Девис П. Суперсила. М., 1989.
2. Готт B.C. Философские вопросы современной физики. М., 1988.
3. Петухов С.В. Геометрия живой природы и алгоритмы самоорганизации. М., 1988.
4. Колчинская А.З. Кислородные режимы организма ребенка и подростка. Киев, 1973.
5. Суточные ритмы газообмена и кровообращения человека / Под ред. Г.Н. Окуневой. Новосибирск, 1987.
6. Соболевский В.И. и др. // Теория и практика физ. культуры. 1983. № 2. С. 26-27.
7. Алипов Д.А. И Адаптация спортсменов к работе при разном кислородном режиме. М., 1969. С. 44-50.
8. Горохов А.Л. //Теория и практика физ. культуры. 1976. № 1. С. 22-26.
9. Горошков В.П. и др. //Теория и практика физ. культуры. 1975. №4. С. 37-39.
10. Калинин В.М. и др. И Теория и практика физ. культуры. 1980. № 5. С. 16.
11. Суббота А.Г. «Золотое сечение» («Sectrio Aurea») в медицине. СПб., 1996.
12. Цветков В Д. Сердце, золотое сечение и симметрия. М., 1999.
13. ДмитриеваН.В. //Изв. АН СССР. Сер. биол. 1990. № 1. С. 27-29.
14. Фитингоф В.П. и др. Использование системно-структурного анализа ЭКГ в
практике валеологической диагностики: Материалы 3-й конф. по валеологии //
http : valeo/rsu/ru/conference3/thesis7 8. html.
15. Чермит КД. II Теория и практика физ. культуры. 1994. № 8. С. 29-32.
16. Чермит КД. Симметрия - асимметрия в спорте. М., 1992.
17. Чермит КД. и др. Системно-симметрийный метод оценки здоровья человека. Майкоп, 1994.
18. Чермит КД., Мамгетова Л.К II Теория и практика физ. культуры. 1996. № 3. С. 10-16.
19. Чермит КД. Преломление общеприродного принципа «симметрия- асимметрия» в физическом воспитании: Автореф. дис..........д-ра пед. наук. М., 1993.
20. Шапошникова Е.А. Физическое совершенство детей и подростков: биологические, математические и эстетические основы. Рязань, 1993.
Адыгейский государственный университет 21 июня 2004 г.
