Значение термодинамики в медицине

Таким образом, биомедицинская термодинамика прошла солидный путь и обогатила практическое здравоохранение ценными методами исследования больного и важными теоретическими концепциями. Как получается, что «черный ящик» с неизвестным устройством (см. «Предисловие» выше), потребляя пищу, воду и воздух, производит тепло, выполняет работу, поддерживает и восстанавливает упорядоченность своей индивидуальной структуры?

Уже в первой половине XVI столетия Рене Декарт (1596-1650) сформулировал идею о том, что в организме нет процессов вне рамок физических и химических взаимодействий, но всего 200 с небольшим лет назад даже ведущие авторитеты медико-биологических наук еще полагали, что воздух нужен, исключительно, для охлаждения органов, которые разогреваются виталистической внутренней жизненной силой, а процессы, происходящие в живом теле, принципиально невоспроизводимы вне его (М.Ф.К. Биша, 1802). Однако, А. Лавуазье и П.С. Лаплас сравнили теплопродукцию при горении свечи и пребывании морской свинки в ледяном калориметре и пришли к выводу об аналогии между процессами метаболизма и медленным горением (1780). Затем А. Лавуазье и А. Сеген (1789) обнаружили в опытах на себе, что чем выше физическая активность, тем больше организм выделяет СО₂, постулировав окислительную природу животной теплоты. Но что горит и служит ли энергетическим сырьем главный компонент организма — белок? Спор об этом не утихал более века, с тех пор как К. Бертолле (1785) удалось установить, что при гниении животных тканей выделяется аммиак, а А.Ф. де Фуркруа (1799) — выделить из мочи ее «эссенциальную соль» — мочевину. Голландец Г. Мюлдер (1839) на основе идей Ф. Вёлера и Ю. Либиха об органических радикалах (см. выше «Предисловие») пришел к выводу о существовании азотсодержащих радикалов, из комбинации которых состоят животные белки и предложил сам термин «протеин». Но основатели концепции азотистого баланса Ж.-Б. Буссиньоль и Ж.-Б. Дюма (1839,1841), открыв усвоение атмосферного азота у бобовых растений и азотистое равновесие у животных (см. ниже гл. 5), полагали, что животные и человек лишь окисляют сложные вещества, синтезированные растениями, добывая для себя энергию.

Им, однако, возразил Ю. Либих (1841), который привлек прозаические данные из сельскохозяйственной практики: свиньи, вскармливаемые растительными углеводами, жиреют, хотя для этого углеводы надо не окислять, а восстанавливать. Значит, метаболизм животных включает и процессы редукции субстратов. В первом руководстве по биохимии и патохимии, справедливо подчеркивая роль белкового метаболизма в норме и при патологии, барон фон Либих вновь возвращается к старой идее, что дыхание лишь охлаждает органы, которые черпают энергию благодаря распаду белка до мочевины, поскольку белки в его понимании — и инструмент, и топливо организма, а нехватка белка в питании и изнашивание протеиновых машин — причина многих болезней.

Замечательно, что не отрицая данных А. Лавуазье о потреблении кислорода и выделении углекислого газа при работе тела, немецкий ученый объясняет их тем, что при воздушном охлаждении белковой машины в нее попадает опасный кислород, способный вызвать «коррозию» белков, поэтому жиры и углеводы требуются, чтобы нейтрализовать этот эффект и сохранить белки! Эта парадоксальная мысль через 100 с лишним лет возродится при рассмотрении свободно-радикального повреждения тканей и примет форму теории «окислительного стресса».

Однако, шотландский врач Э. Смит (1862) исследовал выделение мочевины в покое и после тяжелого физического труда и не нашел разницы, чем поколебал белковую теорию энергетического обмена. На базе этих данных немецкий глазной врач и создатель закона сохранения энергии Г. Гельмгольц (1861) рассчитал коэффициент полезного действия организма человека как тепловой машины и оценил эту величину в 25 %. Это побудило искать аналогии между организмом и паровой машиной, вследствие чего швейцарцы А. Фик, С. Вислиценус и Э.Франкланд (1866) опровергли теорию Ю. Либиха с позиций биотермодинамики, в опытах на себе показав, что энергия, которую тратит человек с определённой массой тела при подъеме на альпийскую вершину известной высоты намного больше, чем могут дать реально превращенные при этом в мочевину белки, даже если бы кпд этого процесса был бы равен 100 %. Вывод тривиален для современного читателя, но революционен для медицины той эпохи: «Машина топится углем, а не сама собою» — то есть, организм, хотя и изнашивается при работе, но функционирует не за счет самосожжения структурных компонентов, а потребляя топливо, отличное от его белков, именно: углеводы и липиды.

Огромную роль сыграло создание У.О: Этуотером и Ф.Дж. Бенедиктом в США непрямого дыхательного калориметра, а В.В. Пашутиным в России — прямого калориметра для человека. Наконец, в 1894 г. М.Рубнер доказал что выделяемая организмом собаки теплота эквивалентна теплоте сжигания всех потребленных ею продуктов по данным газообмена и выделения мочевины. В 1902 г. в созданном ими комбинированном калориметре У.О. Этуотер и Ф.Дж. Бенедикт показали с высокой точностью равенство теплоты, образуемой в организме человека и при сжигании потребленной им пищи.

Кстати, попутно ими была установлена калорическая значимость алкоголя, а затем — и эквивалентность липидов и углеводов в качестве топлива. А. Магнус-Леви (1895), введя понятие основного обмена, дал врачам мощный критерий для интегральной оценки скорости метаболизма в целом и, одновременно, начал объективно оценивать функции щитовидной железы еще до открытия ее гормонов. Во второй половине XX века большим прорывом было создание прямой микрокалориметрии. Врач XXI столетия знает о методологических ограничениях калориметрии, тем не менее, она остается в арсенале клинической патофизиологии.

Термодинамические категории используются общей нозологией в учении о здоровье и болезни (см. т. I). Понятие кпд является центральным для понимания патогенеза таких синдромов, как сердечная и дыхательная недостаточность. Знакомство с патофизиологией энергетического обмена, помимо теоретической и практической ценности, важно для формирования профессиональной психологии врача. Оно дает медику иммунитет по отношению к псевдонаучным спекуляциям на темы биоэнергетики, которые имеют широкое хождение в современной информационной среде, особенно в текстах рекламно-коммерческого содержания, и основываются на некорректном использовании понятий биотермодинамики.