Формирование нового общенаучного направления

2. Формирование нового общенаучного направления

В последние десятилетия появилась реальная возможность перевода весьма неконкретных рассуждений о клиническом образе на значительно более определенный научный, и даже математический язык. Этому способствовало развитие теоретических положений термодинамики неравновесных процессов и сложных диссипативных систем, формирование нового общенаучного направления – синергетики, а также широкое распространение методов диагностического анализа, основанного на использовании микропроцессорной компьютерной техники.

Ранее были изложены утвердившиеся в ходе исследования (главным образом в результате анализа клинических наблюдений) представления о механизмах интеграции процессов жизнеобеспечения организма и о факторах, ограничивающих степень внутренней свободы этих механизмов. В организме, так же как в любой другой сложной динамической конструкции, существует определенная степень внутренней свободы (своеобразный "люфт") для каждого из внутренних функциональных процессов. В пределах этой внутренней свободы допустимы колебания функциональных параметров в зависимости от режима жизнедеятельности, которые не нарушают внутренней сопряженности работы, а, следовательно – устойчивости и целостности всей динамической конструкции. Взаимная сопряженность функциональных алгоритмов в свою очередь имеет специальные механизмы регуляции. Физиологические и патологические аспекты этих механизмов, как уже упоминалось, рассматривались выше. Теперь же следует охарактеризовать действие механизмов интеграции и изменения их состояния при возникновении в организме экстремальной ситуации вследствие выполнения функциональной сверхзадачи. Иными словами, цель данного раздела состоит в обозначении подходов, а точнее – путей использования теоретических положений термодинамики диссипативных систем для решения клинических задач, связанных с экстремальным состоянием. Обращение к клиническим аспектам проблемы заставляет вновь вернуться к избранной клинической модели. Функциональная перестройка, обусловленная тяжелой сочетанной травмой и идентифицируемая клинически как экстремальное состояние организма, с позиций рассмотренного в предыдущем разделе главы системного термодинамического подхода представляет собой глубокую разбалансировку, неупорядоченность, то есть диссипацию неравновесной системы. Если неизбежность летального исхода не реализуется в течение первых часов после травмы, то создается неповторимая возможность оперативно оценить на этапе начальной, неустойчивой адаптации ущерб, понесенный организмом в результате преодоления экстремального состояния, и на основе этой оценки попытаться разработать принципы прогнозирования дальнейшего развития событий. Но для конструктивных выводов по оценке понесенного ущерба необходимо иметь исходную рабочую концепцию о существе и функциональном смысле общесистемных изменений, наступающих в остром периоде экстремального состояния системы. Клинически – это период травматического шока.

Согласно изложенным ранее положениям, главная битва за жизнь при экстремальном состоянии системы перемещается на уровень глубинных базисных факторов системообразования. Можно полагать, что здесь ценою неизбежного не только функционального, но и ультраструктурного ущерба изыскиваются возможности частичного использования в интересах сиюминутной функциональной доминанты той связанной внутренней энергии, которая при любой другой ситуации никогда не используется для обеспечения адаптивных процессов.

На первый взгляд такое предположение представляется неправомерным, поскольку оно противоречит сложившимся в физиологии представлениям о биоэнергетике. Однако и в физиологи имеются убедительные свидетельства того, что адаптация нередко достигается ценой повреждения. Если же обратиться к эмпирическому обобщению, включающему процессы и явления за пределами медицинских проблем, то просматривается более общая закономерность: сохранение сложной системы в критической ситуации достигается ценой разрушения ее инфраструктурных элементов. В биологии рассматривается даже конструктивная роль подобных жертв. Они неразрывно связаны с эволюцией. Допустимость и целесообразность пожертвования малым ради сохранения (или совершенствования) большего определяются, видимо, тем, что более крупная система, возвратив свой функциональный потенциал, оказывается способной восстановить утраченные элементы инфраструктуры или заменить их новыми, более совершенными. Отсюда вполне очевидно, что разрушение инфраструктуры в критической ситуации имеет не только причину, но и цель. Жертва частичного разрушения инфраструктуры обретает оправдание, если она обеспечивает дополнительный приток энергии. О том, что такое возможно, свидетельствуют эмпирические обобщения в различных областях знаний.

Исследование форм существования материи указывает на высвобождение мощного потока энергии при массовом разрушении элементарных структур, стабильность которых зависит от силы сцепления ультраструктурных элементов. Для подтверждения распространенности этого явления совсем не обязательно обращаться к наиболее демонстративным процессам ядерного радиоактивного расщепления. Широко известны примеры промышленного применения связанной энергии кристаллов. Не менее интересны результаты исследований В.В. Болдырева, директора НИИ физики твердого тела Сибирского отделения Российской академии наук. Используя оригинальные методы размельчения твердых тел, автор наблюдал резкое усиление их активности без изменения химической структуры.

Таким образом, основываясь на эмпирическом обобщении, допускающем экстраполяцию универсальных закономерностей в несмежные области знаний, можно с определенной достоверностью предположить, что разрушение четырехмерной молекулярной структуры устойчивых алгоритмов, так же как и других устойчивых элементарных структур, способно освобождать некоторое количество связанной энергии, которое в суммарном выражении обретает значимость для дополнительного обеспечения сложных адаптивных процессов. Вопросы эквивалентов и механизмов транспозиции освобожденной энергии на другие уровни (этажи) жизнеобеспечения остаются пока недостаточно ясными. Понятно лишь, что обретение дополнительной энергии в данном случае связано с нарушением пространственной четырехмерной структуры функциональных алгоритмов базисного метаболизма и что это получает неизбежное выражение в дезинтеграции процессов, ответственных за создание целостности живой системы. Возможность именно такого развития событий подтверждается при изучении патогенеза острой дыхательной недостаточности, которая при тяжелой сочетанной травме становится ключевым моментом полиорганной недостаточности.

Клинический опыт показывает, что различные формы недостаточности внешнего дыхания приобретают наиболее яркую клиническую манифестацию после относительной стабилизации гемодинамики, нарушенной острой реакцией на тяжелую травму. В то же время переключение функциональной доминанты на механизмы долговременной адаптации неизбежно отягощается генерализованными нарушениями, имеющими синдромное выражение и, в частности, синдромом системной несостоятельности биологических мембран. Неконтролируемая интенсификация перекисного окисления липидов, повреждение многомембранных систем организма биологически активными веществами наряду с нарушением микроциркуляции, болевым "тормозом" дыхания обусловливают высокую вероятность развития респираторного дистресс-синдрома взрослых (РДСВ).

Анализ состояния системы газообмена у 16 пострадавших после тяжелой сочетанной травмы с исходом посттравматической острой дыхательной недостаточности (ОДН) в 3–4 стадию РДСВ показал, что ухудшение параметров диффузии кислорода через альвеолярно-капиллярные мембраны (увеличение респираторного индекса – РИ), ухудшение микроциркуляции в легких (рост альвеолярного мертвого пространства – АМП), гиповентиляция (уменьшение минутной альвеолярной вентиляции – МАВ) влекут за собой скачкообразное уменьшение напряжения кислорода в артериальной крови (Ра_O2). При этом рефракторная гипоксемия развивается несколько отсрочено, обычно на третьи сутки посттравматического периода. Наличие определенного "скрытого" периода формирования многофакторных нарушений, вслед за которыми происходит одномоментное изменение функционального состояния всего организма с развитием наиболее тяжелой формы посттравматической ОДН – 3–4-й стадии РДСВ, делает оправданным применение универсального метода изучения всех скачкообразных переходов – теории катастроф.

Теория катастроф получила широкое распространение и активно обсуждается в научной литературе применительно к различным природным явлениям и процессам. В широком смысле катастрофами обозначаются скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Таким образом, теория катастроф конкретизирует общее положение диалектики о переходе количественных изменений в качественные и предлагает методологию исследования универсальных механизмов этого перехода.

Одной из привлекательных сторон этой теории является возможность объяснения возникшей ситуации путем измерений выходных параметров при непрерывном изменении входных управляющих параметров с учетом адаптируемости, то есть меры жизнеспособности, выживаемости системы.

Рассматривая травму как внешнюю возмущающую силу, считали, что она приводит систему дыхания в неупорядоченное состояние, при котором процессы внутри нее приобретают диссипативный характер. В результате нарастают несогласованность, неупорядоченность системных процессов, резко возрастает энтропия. Другими словами, система внешнего дыхания под воздействием сильного повреждающего фактора – травмы – выходит из стационарного режима своей работы. Устанавливающийся в системе новый режим воспроизводит свойства "странного" аттрактора, когда режим осцилляции процессов, составляющих функцию, выходит из равновесия и строгой периодичности. Важнейшим свойством "странных" аттракторов является их высокая чувствительность к малому изменению входных управляющих параметров, нестабильность, слабая устойчивость.

Даже при малом изменении входных управляющих параметров (увеличении РИ, АМП, уменьшение МАВ) более вероятно попадание системы в область дезадаптации, чем в область адекватной ответной реакции на изменившиеся условия существования. Это проявляется в катастрофическом снижении Рао₂ с развитием рефракторной гипоксемии. Данное положение носит название принципа "хрупкости хорошего", согласно которому все хорошее (например, стабильность, устойчивость) более хрупко, чем плохое (нестабильность, неустойчивость).

Другим, не менее важным свойством "странных" аттракторов является их способность "притягивать" соседние режимы движения, хаотизировать и дезаптировать их. Именно этим можно объяснить инициирующую роль нарушений внешнего дыхания при посттравматической ОДН по отношению к изменению параметров транспорта газов кровью, тканевого дыхания.

Вместе с тем системе газообмена в целом неотъемлемо присуща структурная связанность ее подсистем (внешнее дыхание, транспорт газов кровью, тканевое дыхание). В этом необходимое условие существования любой сложной системы. Структурная связанность системы, в частности, характеризуется наличием контуров обратной связи. Анализ материала показал, что контур обратной связи посттравматической ОДН с исходом в 3–4-ю стадию РДСВ носит "положительный" характер, то есть отклонение от состояния равновесия в подсистеме транспорта газов кровью, в тканевом дыхании вызывает усиление этой же тенденции (дезадаптации) и в аппарате внешнего дыхания. Так, по нашим данным, гемодинамическая компенсация посттравматических дыхательных расстройств была явно недостаточной: через 72 часа после травмы среди пациентов с 3–4-й стадией РДСВ признаки гипоциркуляции были отмечены у 12 из 16 (75.0%) против 56 из 185 пострадавших (30.1%) без рефракторной гипоксемии. В результате повышение общего периферического сопротивления, свойственное гипоциркуляции. еще больше расстраивало микроциркуляцию в легких.

Использование частных производных от входных параметров канонического уравнения позволило выявить своеобразие динамики РаО, при изменении РИ, АМП, МАВ и некоторые особенности поведения системы внешнего дыхания в области катастрофы – 3–4-й стадии РДСВ. В частности, было установлено следующее.

1) Приближение к точке катастрофы с развитием 3–4-й стадии РДСВ, крайне трудно купирующейся гипоксемией, можно ожидать при увеличении РИ до 0.40 и больше (у людей в возрасте до 60 лет), АМП – до 15% и более.

2) Рефрактерность гипоксемии по отношению к мероприятиям интенсивной терапии, направленной на улучшение диффузии кислорода и микроциркуляции в легких, объясняется особенностью зависимости Рао₂ от РИ и АМП при развернутой клинической картине РДСВ. Последняя заключается в том, что даже существенному уменьшению РИ и АМП неизбежно сопутствует небольшой рост Рао. Так, уменьшению РИ и АМП на 10% от их фактического значения сопутствует увеличение Рао₂ только на 2–4% при РДСВ 3–4-й стадии. В тоже время уменьшение РИ и АМП на те же 10% в начальных стадиях посттравматической ОДН сопровождается увеличением Рао₂ на 14–15%.

3) Гиповентиляция непосредственно не связана со скачкообразным качественным изменением свойств системы внешнего дыхания. Постоянство линейной зависимости Рао₂ от динамики МАВ обусловливает значимость вентиляционных нарушений в дальнейшем усугублении дыхательных расстройств на фоне уже произошедшей катастрофы – 3–4-й стадии РДСВ.

При всей важности решения самостоятельной задачи скорейшего устранения критического состояния путем интенсификации процессов срочной компенсации сводить цели оптимизированной интенсивной терапии дыхательной недостаточности после тяжелых травм только к профилактике жизнеугрожающих расстройств неправомерно.

Кибернетическим аналогом второго закона термодинамики, из которого следует, в частности, что термодинамическая оптимизация любой функции организма и любого процесса в нем зависит от соотношения энтропийных и неэнтропийных тенденций, является принцип необходимого многообразия У.Р. Эшби. Согласно этому принципу, для того чтобы система реализовала заданный тип поведения вне зависимости от внешних помех, необходимо подавить нежелательное многообразие в ее поведении, увеличив множество управлений. Таким образом, многообразие может быть разрушено только многообразием.

Исходя из этого, интенсивную терапию посттравматической ОДН следует рассматривать как средство улучшения управляемости системой газообмена. Для достижения этой цели необходимо, во-первых, устранить нарушения регуляторной функции центральной нервной системы (на данном этапе она является важным фактором саморегуляции), во-вторых придать контурам обратной связи между подотделами системы дыхания надлежащие знаки, для того чтобы не происходило усугубления неупорядоченности, дезадаптации по принципу положительной обратной связи. В реализации этого положения особая роль принадлежит устранению потока ноцицептивной патологической импульсации посредством адекватного обезболивания, которое не вызывает излишнюю центральную депрессию, а наоборот предотвращает развитие дезадаптивного патогенного нейронального компонента боли – страдания.

С учетом направления потока энергообеспечения (легкие–кровь–ткани) правомерно считать, что системе дыхания присуще основное свойство любой иерархической системы: несмотря на расстройства в локальных пунктах (неизбежность нарушений наиболее уязвимого атмосферно-легочного газообмена при тяжелой травме), система в целом может функционировать нормально за счет ограничения неблагоприятных воздействий одной части системы на другую. Иначе говоря, углубление "потенциальной ямы" общеорганизменного функционального аттрактора ослабляет проявление неизбежных возмущений, возникающих в отдельных функциональных алгоритмах. Отсюда следует обязательность проведения лечебных мероприятий, направленных на улучшение транспорта газов кровью, тканевого дыхания для обеспечения структурной связанности сложной иерархической управляемой системы газообмена в экстремальных условиях острого энергетического кризиса, присущего травматической болезни.

Таким образом, привлечение теории диссипативных систем и синергетики к решению клинической проблемы экстремального состояния имеет не только общенаучный, но и прямой практический смысл. Оно объясняет участие в реализации экстремального состояния одного из главных системообразующих факторов живого организма – хронобиологической согласованности и сопряженности процессов базисного метаболизма. Понимание данного обстоятельства способствует формированию методологии диагностического и лечебного подходов, ориентированной не на разработку новых частных методов интенсивной терапии, решающих конкретные задачи (это направление совершенствования в лечении критических состояний сохраняется в полной мере, но не оно составляет предмет данного обсуждения), а на раннее включение саморегуляции организма как основополагающего условия устойчивой, долговременной адаптации.

Распознавание и устранение острой недостаточности внешнего дыхания в постшоковом периоде остается ключевой и нерешённой пока еще задачей в лечении последействий экстремального состояния организма. Сопряженность нарушений внешнего дыхания с расстройствами базисного метаболизма, а через них – с главными системообразующими факторами просматривается здесь особенно отчетливо. Внедрение новых управляемых программ и самых современных методов искусственной вентиляции легких не способно самостоятельно решить эту проблему. Решение должно быть связано с восстановлением механизмов сопряженной саморегуляции двух главных системообразующих факторов: согласованности базисного метаболизма с его единой индивидуально детерминированной хронобиологической программой, с одной стороны, и доминирующей роли кислорода в окислительно-восстановительном потенциале организма – с другой. При этом нарушения на любом из этапов кислородного обмена неизбежно приобретают общесистемную значимость и реализуются в функциональных расстройствах на всех уровнях жизнеобеспечения.

Гипоксия, неизбежно проявляющаяся при интенсивном продолжительном функциональном напряжении, обусловливает постепенное включение анаэробного гликолиза в качестве временного альтернативного источника энергообеспечения. До тех пор пока анаэробный гликолиз выполняет вспомогательную роль и способен легко уступить место окислительному фосфорилированию, если восстанавливается снабжение кислородом, он решает полезную задачу. Но как только энергообеспечение радикально перестраивается на анаэробный путь, это влечет за собой бесконтрольное возрастание свободно-радикального окисления липидов. и дальнейшее развитие событий приобретает фатальную динамику. Своеобразный переходный период, когда в организме сосуществуют и аэробный, и анаэробный пути энергопродукции и значимость обоих путей относительно уравнивается, иногда характеризуется как "промежуточный метаболизм". В отличие от используемого нами понятия "базисный метаболизм" в данном случае обозначение "промежуточный метаболизм" соотносится со значительно более ограниченной сферой представлений из области обмена веществ организма. Оно отражает неустойчивое равновесие аэробного и анаэробного путей энергетического обмена в критической ситуации перед полной необратимой и фатальной переориентацией на анаэробный путь. Такая ситуация в энергетическом метаболизме соответствует экстремальному (крайнему, пограничному) состоянию организма, клинически проявляющемуся в так называемой полиорганной недостаточности (ПОН). Вместе с тем полиорганная недостаточность (а точнее – полиорганная несостоятельность) рассматривается нами как клиническая манифестация неупорядоченности диссипативных процессов на уровне базисного метаболизма, являющаяся ближайшим последствием запредельного функционального напряжения. И хотя несостоятельность функциональной системы внешнего дыхания проявляется на данном этапе наиболее часто, в целом клиническая картина ПОН характеризуется выраженной пестротой, что обусловлено индивидуальными различиями, зависящими от изначальной, так сказать, фоновой функциональной ущербности организма, его locus minoris resistentio. Это и создает значительное разнообразие вариантов сочетания ранних постэкстремальных осложнений и последовательности их развития.

В более поздние сроки, к концу первой недели после тяжелой сочетанной травмы, преобладающими становятся универсальные последствия неупорядоченности базисного метаболизма, реализующиеся в рефракторной иммунодепрессии и приводящие к развитию тяжелых, в том числе и генерализованных, форм раневой инфекции. В развивающейся ситуации главная, определяющая роль принадлежит глубинным нарушениям жизнедеятельности организма. Эти нарушения полностью соответствуют тяжелому инфекционно-воспалительному процессу, хотя констатировать последний правомерно лишь при условии подключения другого необходимого фактора инфекции – микробиологического. Особая теоретическая и практическая важность данного этапа обусловили выделение его обсуждения в отдельную главу, где будут рассмотрены теоретические и практические аспекты системной воспалительной реакции организма на тяжелую сочетанную травму и посттравматического сепсиса.

Наконец, в случае благоприятного непосредственного исхода наступает этап позднего последействия экстремального состояния, когда стойкие неустраненные нарушения базисного метаболизма могут сказаться на развитии или особо тяжелом, генерализованном течении тех или иных системных эндогенных заболеваний. Есть основания полагать, что и на данном этапе различие нозологических форм развивающихся заболеваний во многом зависит от изначальной функциональной ущербности конкретного организма, на которую как бы "наслаиваются" нарушения алгоритмов базисного метаболизма, обусловленные перенесенным экстремальным состоянием. Правда, как уже неоднократно отмечалось ранее, все. что касается отдаленного последействия перенесенного экстремального состояния, пока еще с трудом поддается верификации, поскольку основывается на отдельных наблюдениях, а не на достаточно репрезентативных обобщающих материалах.

Наиболее важное заключение, вытекающее из применения положений синергетики к решению клинической проблемы экстремального состояния, связано с перспективой математического описания клинического "образа" пациента в постшоковом периоде с помощью компьютерной техники. Это означает, что обретается возможность достоверного раннего прогнозирования возможной динамики травматической болезни и упреждающего ее лечение у конкретных пациентов.

Вернемся к изначальной, упрощенной, схеме аттрактора. Представив, что она отображает пространственную модель аттрактора эффективной или, иначе говоря, условно нормальной стресс-реакции организма на чрезвычайное воздействие, целенаправленно выберем несколько (не более 6–8) функциональных алгоритмов, которые оцениваются как наиболее репрезентативные для образного восприятия функционального состояния исследуемого организма, переживающего чрезвычайную ситуацию. Затем осуществим плоскостной поперечный срез аттрактора, своеобразную "интегральную томографию", позволяющую репродуцировать представление о пространственном образе аттрактора. Получается плоскостное изображение ("профиль"). Его допустимо соотнести с условно нормальной стрессорной реакцией. Если теперь осуществить аналогичный плоскостной срез пространственной схемы у другого пациента, у которого насупил срыв функциональной интеграции, обусловивший формирование "странного" аттрактора вследствие отклонения траекторий отдельных функциональных алгоритмов в точках бифуркаций, то полученный "профиль" может быть сопоставлен с первым. На основании установленных различий открывается возможность кластерного анализа уже не физиологических, а патологических профилей с выделением их типовых вариантов, которые при использовании специально разработанного математического аппарата могут быть достоверно соотнесены с особенностями клинического течения в целях определения прогноза. При этом создаются условия для упреждающего лечения тяжелых осложнений на основе коррекции функционального состояния пациента путем "диалога" с его организмом, за которым признается способность к саморегуляции. Разработке системы функционального мониторинга, основанного на изложенных принципах, посвящена следующая глава.

Заключение

Теория термодинамики диссипативных систем и фундаментальные принципы синергетики могут быть использованы в целях углубленного и более полного представления о сущности механизмов энергообеспечения при экстремальном состоянии организма. Для этого необходимо рассматривать организм как сложную открытую неравновесную систему, адаптация которой к изменениям условий существования достигается путем саморегуляции. Организующим фактором саморегуляции при внезапном и резком изменении условий существования становится функциональная доминанта. Она императивно способствует продвижению множества сопряженных внутренних процессов (изначально складывающихся на уровне межмолекулярного взаимодействия) с единой целью – устранить жизненную угрозу. Именно функциональная доминанта обеспечивает приоритетное избирательное энергообеспечение этих процессов. Таким образом, формируется функциональный аттрактор.

В случае крайнего, экстремального состояния переориентация энергетического потенциала осуществляется с неизбежным "обкрадыванием" ряда важных процессов жизнеобеспечения, имеющих отношение к системообразующим факторам, то есть к существованию организма в качестве сложной, глубокоинтегрированной, компактной биосистемы. Имеются в виду те глубинные процессы, которые, не будучи непосредственно причастными к реакциям срочной адаптации, совершенно необходимы для устойчивой стабилизации жизнедеятельности после устранения экстремальной ситуации. Следствием энергетического "обкрадывания" этих процессов становится их дезинтеграция с последующим нарушением детерминированных алгоритмов. В основе дезинтеграции лежит отклонение пространственных траекторий отдельных процессов в точках их бифуркации. Создаются условия для формирования "странного" аттрактора. Он отражает уже не эффективную стресс-реакцию, а патологическую ситуацию. Характер и перспективы развития этой ситуации неоднозначны и зависят от индивидуальных различий цитокиновой сети базисного метаболизма.

Изложенная интерпретация развития событий позволяет подойти к пониманию термодинамической основы экстремального состояния и его последействия. Но главное – она открывает принципиальную возможность создания системы функционального компьютерного мониторинга, учитывающей индивидуальные и типовые факторы, влияющие на динамический прогноз травматической болезни.

Литература

1.   "Неотложная медицинская помощь", под ред. Дж.Э. Тинтиналли, Р. Кроума, Э. Руиза, Перевод с английского д-ра мед. наук В.И. Кандрора, М.В. Неверовой, А.В. Сучкова, А.В. Низового, Ю.Л. Амченкова; под ред. В.Т. Ивашкина, П.Г. Брюсова; Москва "Медицина" 2001

2.   Елисеев О.М. Справочник по оказанию скорой и неотложной помощи, "Лейла", СПБ, 1996 год

3.   Ерюхин И.А., Шляпников С.А. Экстремальное состояние организма. Элементы теории и практические проблемы на клинической модели тяжелой сочетанной травмы. – СПб.: Эскулап, 1997.