Биофизические основы физиотерапии - часть 5

роятности Р(Е) в выражении [2.6]. Таким образом, энтропия

после взаимодействия, когда Р(Е) достигнет максимума, бу-

дет больше начального значения. Направление процессов

изолированной системы определяет второй закон термодина-

мики: в изолированной системе все процессы идут с возрас-

танием энтропии системы в целом.

Δ

1

S>0.

Понятие энтропии помогает ввести количественную меру в

осмотическое давление — важную составляющую гомеостазиса

организма, поддерживаемую с высокой точностью и регулиру-

емую в том числе и лечебными физическими факторами.

Допустим, что в воду, занимающую объем V, внесли некоторое

количество вещества объемом V. Учитывая, что в физиологических

условиях растворы достаточно разбавленные, примем, что v<V. При

растворении вещества в воде уменьшается свобода перемещения

его молекул в объеме V за счет собственного объема V: вместо ис-

ходного объема V молекулы могут двигаться в объеме (V — v). Оче-

видно, что и число доступных состояний каждой молекулы измени-

лось в (V — v)/V раз, или в 1—v/V раз. Тогда для N молекул число

доступных состояний (термодинамическая вероятность) уменьшит-

ся в (1+v/V)

N

 раз. Энтропия соответственно изменится на величину

ΔS = - k*ln(1+V/V)

N

 = - k* N*ln(1+V/V) = - k*ν*N

A

*ln(1+V/V). В случае

V>v х = v/V и при малых «х» соблюдается равенство ln(1+х) ~ х. Тог-

да изменение энтропии составит ΔS = - R*v*ν/V, где R = k*N

А

 —

универсальная газовая постоянная, а знак «-» свидетельствует о

том. что энтропия уменьшилась. Далее ν/V — молярная концентра-

ция «с». В итоге изменение энтропии составит ΔS = R*c*v. С другой

стороны, изменение энтропии в системе равно ΔQ/Т, где ΔQ — из-

менение теплоты, равное работе обратимого процесса, которую не-

обходимо совершить для уменьшения энтропии; Т — абсолютная

температура. Изменение теплоты за счет изменения вероятности за-

селения микросостояний при неизменной внутренней энергии воз-

можно компенсировать работой «А», сжимая систему под неким

давлением на величину «V» для того, чтобы сохранить неизменным

макросостояние. ΔQ = с*R*T*v = А = р*v. Для значения давления

получаем выражение: р

о с м

 = c*R*T, знакомое из курса физколлоид-

ной химии как уравнение Вант-Гоффа для осмотического давления

разбавленных растворов.

Следует заметить, что хотя осмолярность крови, ткане-

вой жидкости и других сред организма составляет 285—

290 ммоль*л

-1

 и отвечает приближению «сильно разбавлен-

ных растворов», осмотическое давление у них составляет око-

ло 5600 мм рт. ст., или 7.6 атм! С другой стороны, отклоне-

ния этой цифры на 10—15 мм рт. ст. приводят к выраженным

нарушениям водно-электролитного баланса.

Физиотерапия имеет в своем арсенале средства для локаль-

ного воздействия на ткани при нарушении внутри- и межкле-

точных физиологических соотношений осмолярности. Это

36

электрофорез низкомолекулярных веществ — неорганических

ионов и заряженных органических молекул — и электромио-

стимуляция, приводящая к накоплению молочной кислоты в

мышцах. Принципиально важно, что лечебные физические

факторы не нарушают водно-электролитного баланса целого

организма. Постоянный ток в методе гальванизации создает

перепад осмотического давления вследствие явления электро-

осмоса, поскольку молярная концентрация анионов и катио-

нов под электродами не равны друг другу из-за асимметрич-

ного распределения их в организме по зарядам. Одинаковы

только суммарные заряды смешенных ионов под электрода-

ми. К примеру, в цитоплазме молярная концентрация катио-

нов выше, чем анионов, десятая часть которых представлена

поливалентными белками и фосфатом. Таким образом, доля

поливалентных анионов в клетках больше поливалентных ка-

тионов в физиологических условиях рН. В тканевой жидко-

сти, наоборот, анионы преимущественно одновалентные

(кроме фосфата НРО

4-2

, содержание которого менее 20 мг/л),

а часть катионов за счет внеклеточного кальция и магния —

двухвалентны (свыше 150 мг/л).

Вследствие неравного содержания одно- и двухвалентных

ионов в тканевой жидкости под катодом ее осмолярность ниже

и содержание воды выше, а под анодом осмолярность тканевой

жидкости выше интактной, а содержание воды соответственно

меньше. Последний факт можно успешно использовать для

снятия отека посредством регуляции фильтрации жидкости в

капиллярах под анодом. Гиперосмолярность интерстициальной

жидкости под анодом может быть использована подобно при-

мочке с гипертоническим раствором с тем преимуществом, что

гальванизация не вносит избытка электролитов в организм из-

вне и гиперосмолярность в проекции анода сохраняется в тече-

ние всей процедуры. Таким образом, посредством II закона

термодинамики объяснимы явления электроосмоса и на его

основе — противоотечный эффект при наличии экспозиции

постоянного тока на аноде при гальванизации.

2.1.4. Свободная энергия и биологические процессы

Свободной энергией «С» называют долю внутренней энер-

гии, которая может превратиться в работу, и тогда, обозначая

в законе сохранения энергии работу dА как положительное

приращение dG, закон сохранения энергии dЕ = dQ - dА мо-

жет быть записан в виде: dG = dЕ - dQ. Выразим приращение

теплоты через дифференциал энтропии: dQ = Т*dS. Подста-

вив выражение для теплоты в уравнение для свободной энер-

гии, окончательно получим:

dG = dЕ-Т*dS. [2.13]

37

При всяком повышении энтропии свободная энергия

уменьшается, и наоборот, поэтому максимум энтропии соот-

ветствует минимуму свободной энергии. С возрастанием энт-

ропии процессы обмена энергии самопроизвольно идут толь-

ко в изолированной системе. В неизолированной системе,

находящейся в тепловом контакте с окружающей средой,

процессы идут с понижением свободной энергии! В частно-

сти, энтропия понижается при кристаллизации жидкости, а

не наоборот, однако за счет «опережающего» снижения внут-

ренней энергии (например, внутренней энергии льда по срав-

нению с водой) свободная энергия при оттоке тепла все рав-

но уменьшается и идет процесс кристаллизации. Следова-

тельно, в открытой системе, где есть отток тепла, происходит

самопроизвольный процесс кристаллизации, сопровождаю-

щийся уменьшением энтропии системы «вода—лед».

Удивительная особенность биохимических реакций синтеза

(анаболизма) была бы совершенно непонятна с термодинами-

ческой точки зрения, если не учитывать, что они происходят в

ассоциированных жидкостях — воде и фосфолипидах. Рассмот-

рим подробнее термодинамический аспект синтеза белков и

нуклеиновых кислот. Пусть происходит самосборка полипеп-

тидной или полинуклеотидной цепи. Если реакция идет, то:

dG = (dЕ-Т*dS) < 0.

Таким образом, изменение свободной энергии отрицатель-

но, однако очевидно, что энтропия упорядоченной цепи мень-

ше, чем отдельных мономеров и dS<0! На это возражение есть

классический ответ: изменение внутренней энергии для цепи

по сравнению со свободными мономерами отрицательно

(dЕ<0) и полностью компенсирует уменьшение энтропии.

Внутренняя энергия сольватированного полимера тем не ме-

нее практически равна внутренней энергии сольватированных

мономеров и реакция синтеза, казалось бы, идти не должна.

однако уменьшение энтропии цепи в водной среде сопровож-

дается возрастанием энтропии молекул воды за счет того, что

полимер разрушает квазикристаллическую структуру воды.

В итоге общее изменение энтропии системы «полимерная це-

почка — вода» все же возрастает за счет разрушения водных

кластеров (квазикристаллических полиассоциатов) и реакция

протекает успешно.

Представленный пример еще раз подтверждает положение

о том. что вода — основа и колыбель жизни, главное вещест-

во нашего организма. Кроме общетеоретического интереса,

структурная организация воды имеет большое значение и в

клинической практике лечебного применения минеральных

вод. Специфические клинические эффекты при приеме раз-

личных минеральных вод могут быть обусловлены не только

и не столько индивидуальным химическим составом солей и

38

Рис. 2.4. Формирование упорядоченных кластеров.

микроэлементов, сколько отличиями паракристаллической

структурной организации воды из различных скважин и реги-

онов.

В частности, реакции активации и угнетения анаболиче-

ских и катаболических процессов будут иметь разную степень

выраженности при применении различных минеральных вод

с неодинаковым отношением свободной и связанной воды,

различной устойчивостью к нагреванию и степенью упорядо-

ченности кластеров (рис. 2.4).

Структурированная вода при ее потреблении организмом

способна, разрывая связи, поглощать теплоту при реакциях

биологического синтеза. Потребление образцов воды с пре-

обладанием структурированной фракции, по нашему мне-

нию, целесообразно при угнетении анаболических реакций и

показано при стрессах, дистрофиях, после тяжелых оператив-

ных вмешательств. Связывание воды, наоборот, будет сопро-

вождаться выделением теплоты, так что прием минеральной

воды с преобладанием ее свободной, или неупорядоченной,

фракции показан при необходимости активации катаболиче-

ских реакций (ожирение, акромегалия, гигантизм).

39

Термин «структура воды» распространен в естествознании и

употребляется физиками, химиками, биологами и врачами. В отли-

чие от кристаллической структуры твердого тела под структурой

жидкости следует понимать статистическую закономерность меж-

молекулярных расстояний и пространственной ориентации моле-

кул. Взаимодействие рентгеновского излучения с образцами жид-

кой воды образует дифракционные кольца, свидетельствующие об

упорядоченной пространственной структуре молекул воды, однако

вследствие статистического характера упорядоченности межмолеку-

лярных структур жидкой воды регулярность пространственного рас-

положения молекул нарушается на расстоянии нескольких молеку-

лярных радиусов — для воды характерен ближний порядок. Кроме

того, молекулярные структуры в жидкой воде неустойчивы и суще-

ствуют десятые и сотые доли наносекунды. Разрушение одних над-

молекулярных комплексов сопровождается формированием других,

и в жидкой воде поддерживается динамическое равновесие межмо-

лекулярных ассоциатов и слабо связанных друг с другом молекул.

С известной долей условности надмолекулярные ассоциированные

комплексы образуют фракцию связанной воды, а слабо взаимодей-

ствующие молекулы составляют фракцию свободной воды. Между

обеими фракциями существует динамическое равновесие с посто-

янной времени около 100 пс. Водяной пар в нормальных условиях

представляет собой слабо связанные молекулы, и поэтому практи-

чески вся вода свободная, в то время как лед представляет собой

связанную воду. Степень структурированности воды зависит от

температуры: при температуре 0—4 °С в воде преобладают ассоциа-

ты из четырех молекул, при температуре 4—100 °С — ассоциаты из

двух молекул. Таким образом, прием образцов с преобладанием

фракции свободной воды показан при необходимости активации

катаболических реакций энергетического метаболизма. Природная

минеральная вода, обладающая более устойчивой структурной орга-

низацией и сохраняющая ее более длительное время, предпочти-

тельнее вследствие большей продолжительности эффекта «после-

действия».

Особенности геологического развития крупных террито-

рий земной коры обусловливают формирование и накопле-

ние в их недрах минеральных вод определенных типов. Об-

ширные территории, характеризующиеся однотипностью хи-

мического состава и единством процессов образования рас-

пространенных в их пределах типов вод, называются

провинциями минеральных вод. На поверхность Земли мине-

ральные воды выходят в виде естественных минеральных ис-

точников или выводятся из недр при помощи буровых (кап-

тажных) скважин, глубина которых достигает 2—3 км и бо-

лее.

В состав всех минеральных вод входят четыре взаимосвя-

занных компонента: неорганические минеральные вещества,

газы, органические вещества и микрофлора.

Указанные компоненты растворены и взвешены в воде,

молекулы которой, по современным представлениям, соеди-

нены между собой слабыми водородными связями (с энер-

Рис. 2.5. Структура полиассоциата воды.

гией 15—20 кДж*моль

-1

) и образуют различные полиассоциа-

ты. Такие супермолекулы состоят из 57 молекул воды, имею-

щих тетраэдрическую координацию (рис. 2.5), и составляют

15 % всего объема воды. По 16 таких супермолекул сцеплены,

как показано на рис. 2.5, в особые «структурные элементы»

воды — микрокластеры, состоящие из 912 молекул.

Доля таких пространственно структурированных элемен-

тов в общем объеме воды составляет 80 %, а их линейные

размеры достигают 10

-8

 м. Целостность такой структуры обу-

словлена межкластерными взаимодействиями. Гексагональ-

ные кластеры молекул воды почти не взаимодействуют друг с

другом и, легко скользя гранями друг относительно друга,

обусловливают ее высокую текучесть. Они окончательно не

разрушаются даже при кипении воды. При наличии химиче-

ских веществ (ионов, газов и др.) структурные элементы воды

образуют самоорганизующиеся диссоциативные суперструк-

туры, строение и физико-химические свойства которых обу-

словлены химической природой примесей. Исходя из этого,

говорят об уникальной «информационной» структуре мине-

ральной воды, в которой «записана» информация о раство-

41

ренных в ней веществах. Об этом интуитивно догадывались и

древние мыслители. Две тысячи лет назад Аристотель утверж-

дал, что «воды таковы, как земли, которые они проходят».

Искусственные минеральные воды не являются достаточ-

но полноценным аналогом природных минеральных вод,

особенно по газовому составу, содержанию микроэлементов

и свойствам коллоидов. В связи с этим их целесообразно ис-

пользовать только для наружного применения, а для внутрен-

него (питьевого лечения) они не рекомендуются.

В представленном примере рассмотрена роль воды как

средства уменьшения энтропии в ходе биохимических реак-

ций синтеза. Действительно, любой живой организм нерав-

новесен по отношению к окружающей среде и должен затра-

чивать свободную энергию для поддержания своего упорядо-

ченного, низкоэнтропийного, состояния. Таким образом,

производство в ходе метаболических реакций свободной

энергии и отток теплоты (теплопотери) в окружающую сре-

ду — связанные процессы. Благодаря многочисленным обрат-

ным связям увеличение теплопродукции в тканях стимулиру-

ет в них процессы выработки свободной энергии.

Тепловые лечебные факторы известны с глубокой древно-

сти, но в арсенале современной физиотерапии появились

также методы, используюшие не поток тепла извне, а инду-

цирующие теплопродукцию в единице объема тканей —

УВЧ- и СВЧ-терапия, ВЧ-магнитотерапия. «Объемный» на-

грев способствует активации физиологических реакций тер-

молизиса, расширяет возможности компенсаторных реакций

и поэтому оптимален с точки зрения активации обменных

процессов по отношению к нагреву «извне». Так, расширение

сосудов при нагреве «извне» не только увеличивает термоли-

зис, но порой и усугубляет нагрев!

Физиотерапия часто в глазах людей, далеких от медицины,

ассоциируется с банальным «прогреванием». Действительно,

тепловое воздействие присутствует при термотерапии, гидро-

бальнеотерапии, фототерапии, высокочастотной магнитоте-

рапии, УВЧ- и СВЧ-терапии, ультразвуковой терапии, кли-

матотерапии, лечебном массаже и других физических методах

лечения. Если для врачей других специальностей лечебное

воздействие, связанное с гипертермией больного, ограничи-

вается назначением антипиретиков или. наоборот, пирогена-

ла и продигиозана, то для физиотерапевта теплота — тонкий

и филигранный инструмент общего и локального воздействия

на организм. В настоящее время, к сожалению, у физиотера-

певтов имеется огромный разрыв между знаниями основ тер-

модинамики — науки о теплоте и ее превращениях — и сте-

пенью практического использования теплового фактора при

лечении больных. Искренним желанием авторов было вос-

полнить этот пробел.

42

Т Е С Т Ы

1. Первое начало термодинамики состоит в том, что:

А. Изменение внутренней энергии системы возможно толь-

ко вследствие теплообмена и совершения работы.

Б. Теплота и работа в любых процессах могут превращаться

друг в друга.

В. Внутренняя энергия тел постоянна, а теплообмен возмо-

жет только за счет совершения работы.

2. Различие между теплотой и работой состоит в том, что:

А. Теплоту измеряют в калориях, а работу — в джоулях.

Б. Теплота связана с неупорядоченным движением моле-

кул, а работа — с упорядоченным.

В. Работа может полностью превратиться в теплоту, тепло-

та всегда только частично превращается в работу, а час-

тично — во внутреннюю энергию.

3. Универсальным непосредственным источником свободной

энергии в организме являются:

А. Химические связи между атомами питательных веществ.

Б. Физико-химические градиенты на наружной мембране

клеток.

В. Химические связи между остатками ортофосфорной

кислоты.

4. Сопряжение окисления и фосфорилирования состоит в

том, что:
А. Энергия химических связей пищевых субстратов преоб-

разуется в градиент протонов на внутренней мембране

митохондрий, а энергия протонного градиента — в

энергию фосфатных связей макроэргов.

Б. Трансмембранный поток пищевых субстратов создает

Na - К-градиент на плазматической мембране клеток,

который далее преобразуется в энергию фосфатных свя-

зей макроэргов.

В. Окисление пищевых субстратов создает Na - К-градиент

на наружной мембране митохондрий, который

АТФ-синтетазой преобразуется в энергию фосфатных

связей макроэргов.

5. Основными видами работ в организме являются:

А. Синтез химических веществ, мышечное сокращение и

работа по поддержанию физико-химических трансмемб-

ранных градиентов.

Б. Работа по расщеплению пищевых субстратов, транспор-

ту Сахаров и аминокислот через мембраны, мышечное

сокращение.

В. Проведение электрических импульсов по нервным и

мышечным волокнам.

43