Юрий Александрович Власов лекция

Вид материала

Лекция

Подобный материал:

• Юрий Александрович Власов Первая лекция, 258.34kb.
• Алексеевич Власов, 5007.67kb.
• Стенографический отчет Заседание секции №6 «Методология мониторинга законодательства, 858.4kb.
• Ю. А. Ленина Список литературы Власов В. И., Крапивин О. М. Комментарий к Закон, 119.64kb.
• Тихомиров Юрий Александрович первый заместитель директора изиСП, доктор юридических, 283.14kb.
• Бортник Юрий Александрович, 38.6kb.
• Юрий Александрович Васильев Александр Семенович Широков рассказ, 1208.95kb.
• Итоги деятельности Отделения химико-технологических наук за 2008 2010 гг. Уфа 2011, 1733.44kb.
• Коррекционно-развивающие функции работы по социальной адаптации воспитанников детских, 837.91kb.
• Перспективы применения низкотемпературных термодиффузионных технологий для решения, 60.11kb.

Тепломассоперенос в организме человека

Программа курса лекций
(2 курс магистратуры, 4 сем., 32 ч., экзамен)

Профессор, д.м.н., Юрий Александрович Власов

Лекция I

1. 
   Историческая справка. Физика и физиология в истории естествознания (от 17-го века до наших дней). История открытия законов сохранения и физиология.
   
2. Основные законы сохранения применимы к живым системам и являются естественным основанием для построения теоретической физиологии.
   
3. 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.
   
4. Константы организма. Качественные константы - белковая (иммунологическая индивидуальность). Проблема свое - чужое. Стерильность внутренней среды - химическая и биологическая (отсутствие бактерий и чужеродных вирусов). Скалярные константы - температура тела у теплокровных животных (37^оС); 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).
   
5. Консерватизм клетки. Дилема - воссоздание клетки де ново или ее модификация, как основной путь эволюции организмов.
   
6. Проблема подобия в физиологии.
   

Лекция II

1. Проблемы подобия и конструкция организма.
   
2. Масштабные эффекты. Конкретизация физиологического подобия. Кривая от мыши до слона. Теория физиологической аллометрии. Дозировка фармакологических препаратов.
   
3. Граничные параметры совместимые с жизнью. Параметры среды, организма. Максимальные и минимальные величины (масса организма, рост, артериальное давление, потребление кислорода, минутный расход крови сердцем, концентрация гемоглобина в крови, температура и др.). Покой - нагрузка. Зона свободного существования организма, ее цена, выраженная в энергетических единицах - количестве потребленного кислорода.
   
4. Свободное существование - необходимое условие для эволюции животных. Эволюция осуществляется через адаптацию на уровне популяции, организма; через адаптацию путем изменения структуры и функции; через адаптацию путем изменения поведенческих реакций.
   
5. Генетика и физиология. Трансляция информации из генома (ген - белок). Кодируется только два типа белка: глобулярный и фибриллярный. Геном одномерен. 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.
   

Лекция III

1. Как организован массоперенос в организме теплокровного животного (таблица функций кровообращения).
   
2. Жизнедеятельность организма подчинена:
   

• известным физическим законам, области, в которых они проявляют свое действие: молекулярные процессы, химические реакции, процессы массопереноса, преобразования форм энергии и т. д.;
  
• физиологическим законам, которые не все известны. Они продиктованы конструкцией организма. Выявление этих законов и построение на их основе математических моделей процессов массопереноса и метаболизма живой системы и есть предмет теоретической физиологии. Известны многочисленные качественные и количественные закономерности пока не сводимые к однозначным математическим функциям;
  
• информационным законам, область их действия - геном (ген - белок, белок - машина); клетка - пространственное распределение белковых структур на внутриклеточных поверхностях и на ее внешней поверхности; организация специализированных траекторий переноса и синтеза молекул и превращения энергии; определение места клетки в пространстве ткани, органа, организма; организм - нервная система, эндокринная система, органы чувств, управление внутренней средой (потоками вещества и энергии в пределах внутренней среды организма); поведение организма во внешней среде.
  

3. Траектории переноса - внутри клетки, внутри органа, организма.
   
4. Метаболическая карта клетки.
   
5. Метаболический цикл.
   

Лекция IV

1. Основные циклы массопереноса.
   
2. Движение, перенос окислителя и субстрата в организме. Окислитель - кислород. Субстраты - углеводы, жиры белки (аминокислоты).
   
3. Вход окислителя - легкие (90 - 95% всего кислорода); кожа - 5 - 10% кислорода.
   
4. Вход субстрата - пищеварительная система; постоянный пул (фонд) субстратов.
   
5. Конечные продукты окисления - СO₂, Н₂О и азотистые основания - мочевина, мочевая кислота, аммиак.
   
6. Выход конечных продуктов окисления - легкие для газообразных СO₂, Н₂О; кожа для СO₂ и пота (вода и азотистые основания); почки - связанная СO₂, вода, мочевина, минеральные соли.
   
7. Переносчик О₂ и СO₂ в организме. Прямое поступление путем диффузии к каждой клетке из внешней среды - не возможно. Схема транспорта от внешней среды до клеток организма.
   
8. Гемоглобин как основной переносчик. Структура, реакция присоединения кислорода и углекислоты. Кривая оксигенации гемоглобина (КОГ). Эффект Вериго-Бора. Влияние различных факторов и лигандов на КОГ. Как работает эффект Вериго-Бора и где. Роль карбангидразы.
   
9. Физиологическая роль гемоглобина как переносчика окислителя. Принцип Фика и минутный расход крови сердцем, роль Нв.
   
10. Гемоглобин как теплоноситель. Восстановление Нв в тканевых капиллярах идет с поглощением тепла из тканей. Окисление Нв в капиллярах легкого идет с выделением тепла, равного тому, которое было поглощено в тканях. Баланс тепла, окислителя и субстрата. Скорость диффузии тепла больше скорости диффузии газов.
    
11. Как организована микроциркуляция. Шунт и деление потока на капиллярный и вне капиллярный. Биологическое и физиологическое значение такого деления потока для возникновения теплокровности и поддержания постоянной температуры тела.
    

Лекция V

1. Источники тепла в организме.
   
2. Понятие основного обмена. Реакции синтеза вещества, реакции редукции вещества, реакции окисления основных субстратов для производства энергии в организме.
   
3. Суточный цикл организма.
   
4. Митохондрии - основной генератор химической энергии в молекулах АТФ. Как работает митоходрия. Креатин - фосфатный челнок - передаточное, транспортное звено от места генерации энергии (митохондрия) до места ее использования в различных эффекторных структурах внутри клетки (мышечные волокна, ионные насосы, ферментные системы и др.). Окислительное фосфорилирование и его разобщение - прямое превращение химической энергии субстрата в тепло.
   
5. Каскад кислорода от атмосферного воздуха до митохондрий.
   
6. Кислород - агрессивный окислитель. Проблема перекисного окисления липидов. Регуляторы окислительной способности кислорода - супероксиддисмутаза и азот атмосферы.
   
7. Роль обмена газообразного азота в организме. Поток газообразного азота через легкие и кожу. Азот резко снижает реакционную способность кислорода, делая ее минимальной. Низкое напряжение кислорода в митохондрии обеспечивает безопасную ее работу с разными метаболическими скоростями (от минимальной до максимальной). Повреждающее действие кислорода в организме.
   

Лекция VI

1. Анатомическое представление о характере источников тепла в организме.
   
2. Макроисточники:
   

• постоянные (сердце, легкие, печень, мозг, кишечник, окисление гемоглобина).
  
• переменные (работа скелетной мускулатуры, работа желудочно - кишечного тракта и т.д.).
  
• Микроисточники:
  
• постоянные - митохондрии клеток.
  
• переменные биохимические реакции не связанные с окислением субстратов, но связанные с обеспечением периодически функционирующих органов.
  

3. Температура и функция. Оптимум химических реакций и влияние на него температуры у холоднокровных и теплокровных животных. Зависимость частоты сердечных сокращений у позвоночных животных от температуры.
   
4. Принцип раздельного управления массопереносом вещества и переносом тепла посредством шунта артериальной крови в венозное сосудистое русло (у холоднокровных артериальная кровь оттекающая от кожи, у теплокровных деление потока артериальной крови на капиллярный и вне капиллярный в микроциркуляторном модуле).
   

Лекция VII

1. Три молекулы образующие живую систему.
   
2. Молекула ДНК - точка приложения информационных законов, источник управления системой.
   
3. Молекула актомиозина, точнее саркомер мышечного волокна, - двигательная система, преобразующая химическую энергию в механическое движение. Точка приложения физических законов.
   
4. Молекула гемоглобина - осуществляет транспорт, перенос энергии из внешней среды организма к его внутренним составным частям. Точка приложения собственно физиологических законов.
   
5. Эволюцию живых систем можно представить как процесс конструирования самых различных способов взаимодействия этих трех молекул между собою в меняющихся условиях внешней среды.
   
6. Все остальные процессы выполняют поддерживающие и обслуживающие функции.
   

Лекция VIII

1. Источники тепла в организме.
   
2. Рассредоточенные (равномерно распределенные) микроисточники тепла - каждая клетка в отдельности. Они действуют непрерывно в течении всего периода существования клетки.
   
3. Сосредоточенные источники тепла - отдельные органы, деятельность которых связана с выделением большого количества тепла. Это макроисточники. К ним относятся - сердце, головной мозг, печень.
   
4. Сердце, как источник тепла. Оценка количества тепла выделяемого сердцем в течении суток и всей жизни.
   
5. 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^оС выше, чем под эпикардом и эндокардом.
   
6. 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).
   
7. Внутренние органы и головной мозг освобождают 70% всего тепла в организме. Это тепло переносится кровью при температурной разности от сотых до десятых долей градуса ^оС, то есть в очень узкой зоне.
   
8. Головной мозг человека составляет 2% от массы тела и потребляет около 20% всего кислорода. Соответственно энергетическая мощность мозга 20 - 25 вт.
   
9. Если исключить отвод тепла от мозга, то при данной мощности мозг человека массой 1,4 кг будет нагреваться со скоростью 0,26 - 0,31^оС/мин и через 15 минут температура мозга превысит критическую величину.
   
10. Проблема размеров животных, их теплосодержания и скорости спонтанного охлаждения и согревания. Были ли динозавры теплокровными из-за очень большой тепловой инерции.
    

Лекция IX

1. Управление источниками выделения тепла в организме. Точка приложения информационных законов.
   
2. Управление рассредоточенными микроисточниками тепла в клетках.
   

• Геномное управление - поддержание полного метаболического цикла в клетке (синтез белковых структур, синтез и редукция метаболитов, производство субстрата для окисления).
  
• Воспроизведение митохондрий в клетке делением.
  
• Гормональное управление - для переключения мощности метаболизма, направления метаболизма по новым направлениям, выработка требуемых компонентов.
  
• Физиологически активные соединения.
  

3. Управление сосредоточенными макроисточниками тепла. Головной мозг - его теплопродукция практически постоянна, имеет место небольшое увеличение при активной мыслительной работе. Сердце. Принцип его работы и управления его деятельностью. Сердце клеточный автомат. Конструкция механизм изменения его работы. Роль температурного фактора - кривая частота серд. сокр. как функция температуры у позвоночных. Скелетная мускулатура. Мышцы как источник тепла переменной мощности - от минимальной (0,25 л/мин) до максимальной (4 л/мин) потребления кислорода. Бурая жировая ткань. Естественная химическая грелка млекопитающих животных (для мелких животных и новорожденных). Клетки бурого жира (жир и митохондрии). Симпатическая иннервация этих клеток, влияние адреналина и норадреналина на эти клетки. Локализация бурой жировой ткани и ее роль в первые дни и месяцы жизни млекопитающих.
   

Лекция X

1. Потоки тепла в организме человека. Место генерации тепла - клетки и макроисточники (сердце, головной мозг, печень и др.) Здесь берет начало тепловой поток, его исток.
   
2. 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.
  

3. Противоточные теплообменники сосудистой системы: одна артерия - несколько сопровождающих ее вен (прилегающих к артерии). Вены собирают кровь от органов, составляющих тепловое ядро тела, и от оболочки тела, его кожных покровов, при смешении этих потоков венозная кровь оказывается холоднее артериальной. Кожа, как охлаждающий радиатор.
   
4. 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.
   
5. Восстановление гемоглобина в капилляре сопряжена с изменением магнитных свойств этой молекулы - из димагнитной она становится магнитной.
   
6. Кондиционирование внутренней среды (термостатирование). Принципиальная организация основного теплового узла организма - сомита. Организм разбит на сегменты управляемые автономно вегетативной нервной системой и сегментами спинного мозга.
   
7. 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 - 37-38^оС.
   

Лекция XI

1. Эволюция теплокровности животных. Зимнеспящие животные - гибернаторы. Состояние зимней спячки и тепловой обмен этих животных. Гипотермия в состоянии зимней спячки.
   
2. Искусственная гипотермия. Историческая справка.
   
3. Клинические манипуляции потоками тепла в организме человека в лечебных целях.
   
4. Современное состояние гипотермии. Ее успехи и нерешенные проблемы.
   

Лекция XII

1. Нерешенные проблемы тепло и массопереноса организма человека.
   
2. Современное состояние медицинского приборостроения. Сложившаяся тенденция и возникшие противоречия в создании приборов биологического и медицинского назначения.
   
3. Доказательная медицина - основной потребитель теоретических разработок в области тепло и массопереноса и теории метаболизма человека.
   

Литература

1. Хаскин В. В. Энергетика теплообразования и адаптация к холоду. Новосибирск:Наука, 1975. - 199с.
   
2. Иванов К. П., Минут-Сорохтина О. П., Майстрах Е. В. и др.Физиология терморегуляции. (Руковод. по физиологии). Л.:Наука, 1984. - 470с.
   
3. Иванов К. П. Основы энергетики организма. Т.1. Общая энергетика, Теплообмен и терморегуляция. Л.:Наука, 1990. - 307с.
   
4. Иванов К. П. Основы энергетики организма. Т.2. Биологическое окисление и его обеспечение кислородом. Л.:Наука, 1993. - 272с.
   
5. Власов Ю. А., Смирнов С. М. От молекулы гемоглобина - к системе микроциркуляции. Новосибирск:ВО Наука, 1993. - 245с.
   
6. Власов Ю. А., Смирнов С. М. Математические модели теплопереноса в организме человека / Клиническая физиология искусственной гипотермии. Новосибирск:Наука, 1997. - С. 517 - 541.
   
7. Шмидт-Ниельсен К. Как работает организм животного. М.:Мир, 1976. - 140с.
   
8. Лайтфут Э. Явления переноса в живых системах. М.:Мир, 1977. - 520с.
   
9. Биохимическая термодинамика. М.:Мир, 1982. - 140с.
   
10. Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. Т.1. М.:Мир, 1982. - 414с.
    
11. Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? М.:Мир, 1987. - 259с.