В работе определена закономерность обеспечения живыми организмами состояния устойчивого неравновесия и на ее основе предложены новые содержания таких понятий, как гомеостаз и  биологические затраты живых организмов, новые решения проблем соизмеримости и объективной количественной оценки воздействия на живые организмы различных по природе источников нагрузок и биологических параметров, дана оценка хронобиологии и хрономедицине, приведены примеры практического использования разработанных методов.

1.    Введение.

      Одним их основных параметров жизнедеятельности живых организмов в современной биологии считается параметр энергетических затрат.

      Энергетические затраты живых организмов осуществляются с помощью метаболизма – циклов обмена веществ, непрерывно происходящих в их клетках, в результате которых выделяется энергия, необходимая для обеспечения существования живых организмов (Северин, 2003).

      Необходимость этих затрат живыми организмами были объяснены Эрвином Бауэром в начале 20-го века, впервые сформулировавшем  «Всеобщий закон биологии» в следующей редакции (Бауэр, 2002):

Э. Бауэром также был сформулирован  «Принцип устойчивого неравновесия живых систем», изложенный  в следующей редакции:

Здесь под ожидаемым равновесием понимается равновесие, которое должно наступить  относительно окружающей среды в соответствии с законами термодинамики, то есть равновесие, к которому стремится неживая природа.     

Однако живые организмы – не механические машины. И степень перестройки систем  живого организма при выполнении им определенной работы при воздействии различных нагрузок отнюдь не эквивалентна физической величине этой работы, так как здесь присутствует множество и других, часто трудно количественно определяемых причин, например выполнение человеком одной и той же работы в удобной и неудобной позах.

Этот известный факт при оценке состояния живых организмов или степени воздействия на них различных нагрузок  в той или иной мере учитывается с помощью различных систем баллов (например, примененных в некоторых гигиенических документах, психологических анкетах и др.), поскольку иные пути для учета тысяч различных физических, химических, психологических  и других показателей считаются невозможными.

Тем не менее такой путь оценки воздействия на живые организмы различных нагрузок нельзя считать исчерпывающим, так как любая система баллов – это субъективное, метрологически не обоснованное решение, в огромной степени зависящее от личности автора.

Целью настоящей работы является определение основных биолого-энергетических принципов и закономерностей функционирования живых организмов, разработка объективных способов количественной оценки их состояния и воздействия на них различных нагрузок.

2. Принципы обеспечения состояния устойчивого неравновесия  живых 

            организмов.

«Принцип устойчивого неравновесия живых систем», изложенный выше,  в качестве главной идеи был положен Эрвином Бауэром в основу разработанной им теории биологии.

Как следует из этой теории,  живыми системами совершается непрерывная работа, направленная  против равновесия, причем они совершают эту работу за счет своей свободной энергии. Именно поэтому для обеспечения жизнеспособности живых систем «…исключается возможность не только устойчивого, но и неустойчивого равновесия. …» (Бауэр, 2002, С.185).         

Однако Э. Бауэр в этой  работе  лишь  теоретически предполагает наличии структур, обеспечивающих указанное неравновесие,  не раскрывая сущности функционирования механизмов, обеcпечивающих в  живых системах  это состояние, а лишь утверждая, что живые системы непрерывно производят работу против ожидаемого равновесия,  то есть  постоянно и в одном направлении.

Проведенный нами анализ процессов, обеспечивающих  живым системам состояние устойчивого неравновесия, показал следующее. 

Как известно, метаболизм клеток представляет собой  комплекс разнообразных  биохимических  циклов расщепления и синтеза различных веществ, например циклы связывания-расщепления  аденозинтрифосфата (АТФ). Эти процессы лежат в основе функционирования отдельных белков, белковых комплексов, клеточных структур, органелл и клеток в целом (Горбачев, 2000; Северин, 2003).

В упрощенном виде пример циклов связывания-расщепления АТФ  может быть представлен в виде графика, изображенного на рис.1.

Рис.1. Типовой график синтеза-расщепления АТФ.

U  - количество АТФ в клетке; I – процесс синтеза; П – процесс расщепления.

Как видно из рис.1., график синтеза-расщепления  АТФ представляет собой непрерывную последовательность этих процессов. 

Верхние и нижние границы концентрации биохимических веществ  определяются соответствующими положительной и отрицательной обратными связями, имеющимися в живых системах, а скорость протекания биохимических реакций регулируется соответствующими биохимическими катализаторами, ускоряющими эти реакции, и ингибиторами, замедляющими их (Северин, 2003).      

Аналогично происходят групповые когерентные биохимические реакции на уровне органов и организмов в целом.

На рис.2. представлен пример типовых колебаний различных функциональных сдвигов организма человека по результатам исследований проф. В.М.Ретнева (Ретнев, 1984).

Рис.2.  Пример типовых колебаний функциональных сдвигов организма человека.

Как видно из рис.2, колебания функциональных сдвигов организма человека представляют собой также непрерывный процесс.

С точки эрения биологии эти процессы представляют собой результат когерентных непрерывных биохимических реакций последовательностей метаболических циклов, содержащих чередующиеся  процессы катаболизма – расщепления веществ, и анаболизма – синтеза веществ (Северин, 2003). В результате этих реакций все параметры внутренней среды живых систем находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно соответствующих средних значений.

С точки зрения физики эти процессы представляют собой когерентные непрерывные  термодинамические колебания, содержащие фазы соответственно выделения и затрат энергии. Пределы этих колебаний ограничиваются существущими в биологических системах обратными связями,   а количество выделяемой энергии всегда больше затрачиваемой. 

По принципу действия эти процессы представляют собой биохимический двухтактный генератор переменной энергии, содержащий непрерывно чередующиеся такты выделения и потребления энергии.

Эти термодинамические колебания, в результате которых выделяется энергия, и являются механизмом обеспечения устойчивого термодинамического неравновесия.  

Таким образом, в дополнение к первому всеобщему закону биологии, можно сформулировать второй всеобщий закон биологии, изложенный в следующей редакции:

Как следует из этого закона, состояние живого организма никогда не бывает   статическим, а его физиологические параметры, например пульс, кровяное давление, температура и др. всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений, больших нуля. 

Этот процесс является принципом существования всех живых организмов, так как именно этим путем обеспечивается их неравновесное термодинамическое состояние.

         3. Гомеостаз и второй всеобщий закон биологии        

         Впервые представление о гомеостазе - постоянстве внутренней среды организма было сформулировано в 1878 г. французским ученым К. Бернаром, а сам термин был введен американским физиологом У. Кенноном в 1929 году.

         В существующей редакции (Большая медицинская энциклопедия, 1977 ) термин гомеостаз определяется следующим образом:

 Как видно из этого определения, сформулированного в достаточно осторожных , но тем не менее противоречивых выражениях, (например, динамическое постояство), оно основано на представлениях о том, что состояние внутренней среды живого организма может иметь «постоянство», а физиологические показатели живых организмов устойчивыми, что полностью  противоречит приведенным выше рассуждениям.

Кроме того,там же дается определение гомеостатического состояния, при котором  регуляторными механизмами поддерживаются физиологическое состояние или свойства клеток, органов и систем  целостного организма на оптимальном уровне.

Это определение также нельзя признать состоятельным, так как регуляторные механизмы всегда поддерживают клетки, органы и системы целостного организма на оптимальном уровне в зависимости от того, в каких условиях этот организм находится. Если человек лежит, то его оптимальный пульс будет 60, а если бежит, то 150, то есть тот, который требуется для его текущего состояния.

Возвращаясь к анализу гомеостаза, можно утверждать, что состояние гомеостаза  как постоянства внутренней среды организма может быть представлено как постоянство параметров  непрерывных  колебаний его внутренней среды относительно соответствующих средних значений,  например постоянную закономерность изменений скорости биохимических реакций, постоянную закономерность изменений кровяного давления, постоянную закономерность изменений содержания сахара в крови и т.д. При этом среднее значение параметров живого организма должно определяться за время, многократно превышающее периоды этих колебаний.

Как следует из работ проф. В.М.Ретнева (Ретнев, 1983), общая закономерность непрерывных колебаний таких функциональных сдвигов организма человека, как  температура тела, артериальное давление, число сердечных сокращений, реакции на свет и на звук при суточных и недельных наблюдениях  имеет схожий  характер.  

На рис.3 представлен график идеализированного состояния гомеостаза.

Как видно из  рис.3, в случае идеализированного состояния гомеостаза организма человека (например при легкой работе или ее отсутствии) закономерность колебаний обобщенного функционального сдвига 1 каждые сутки полностью повторяется, а график действующего значения представляет собой прямую линию 2. Здесь под термином «обобщенный функциональный сдвиг» понимается средняя закономерность суточных изменений основных функциональных сдвигов.           

Возвращаясь к  представленному выше на рис.2 графику типовых колебаний функциональных сдвигов, можно увидеть следующее.

Каждые сутки: понедельник, вторник и т.д. разделены на две части. Первая часть соответствует процессу труда, вторая - процессу отдыха и сну.

Как показывает график, в течение рабочей недели, с понедельника по пятницу, рост величины функционального сдвига 1 за время труда при отдыхе - вечер и ночь -  до исходного значения не восстанавливается, непрерывно повышаясь каждые сутки (исследования проводились на представителях тяжелого труда - водителях общественного транспорта). Полное восстановление суммарного изменения действующего значения функционального сдвига достигается только за дни отдыха – субботу и воскресение.       

При этом график суточного среднедействующего колебания  функционального сдвига  2 представляет собой также периодические колебания, но  с периодом 1 неделя.

Отсюда следует, что у работников этого вида труда при суточном анализе в течение рабочей недели закономерность колебаний функциональных сдвигов  постоянно менялась и состояние среднесуточного гомеостаза не наступало.

С другой стороны, если средненедельная закономерность колебаний функциональных сдвигов  имела постоянные параметры, то можно говорить о средненедельном гомеостазе, при котором график недельного среднедействующего колебания функционального сдвига 3  представляет собой прямую линию.

Таким образом, состояние гомеостаза живого организма может характеризоваться как совокупность действующих значений всех  имеющихся у него функциональных сдвигов, характеризующихся постоянной закономерностью колебаний параметров его внутренней среды за выбранный промежуток времени.

Отсюда можно сформулировать новую редакцию этого термина, более полно отражающей соответствующее ему состояние организма:

Однако, принимая во внимание, что с одной стороны у каждого организма, включая клетки, имеется огромное число функциональных сдвигов, а с другой стороны все функциональные сдвиги в той или иной степени связаны между собой, из всего количества функциональных сдвигов можно выбрать несколько основных, в достаточной степени характеризующих состояние всего организма.

В этом случае определение гомеостаза может быть сформулировано в следующей редакции: 

Таким образом, состояние гомеостаза может наступить при самых различных состояниях организма человека: сна, пассивного отдыха, активного отдыха, например бега или плавания, трудового процесса и т.д. Важно лишь, чтобы при этом колебания основных параметров его внутренней среды были бы постоянными.

В дополнение к понятию гомеостаза в данном случае следует ввести понятие об состоянии оптимального гомеостаза, то есть состоянии, соответствующем наиболее здоровому образу жизни. 

Определение оптимального гомеостаза может быть сформулировано в следующей редакции:

4. Проблема количественной оценки биологических затрат живых организмов и второй  всеобщий закон биологии.

4.1. Понятие биологических затрат живых организмов.

Как известно, ответной реакцией на нагрузки, воздействующие на живые организмы, являются перестройки (функциональные сдвиги) состояния их органов и систем. Причем эти перестройки в свою очередь являются следствием изменений в скорости и характере биохимических реакций метаболизма, в результате которых происходят соответствующие изменения в параметрах выделяемой энергии.   Спектр этих реакций и перестроек всегда является очень широким, поскольку в живом организме абсолютно все органы и системы взаимосвязаны. Однако в зависимости от характера нагрузок распределение степени изменений в состоянии различных органов и систем  различно.

При анализе различных процессов труда человека было установлено, что энергетические параметры не эквивалентны нагрузкам на биологические системы при воздействии на них различных факторов (Гигиенические требования к ручным машинам, 1996). Выше уже приводился пример выполнения человеком одной и той же работы в удобной и неудобной позе. Для убедительности можно также привести пример длительной работы человека за компьютером, при которой энергетические затраты значительно меньше, чем, например, при работе лопатой, а степень усталости может быть значительно выше.

Для общей характеристики величины всего комплекса физиологических перестроек организма человека, вызванных воздействием на него различных нагрузок, предлагается ввести понятие биологических затрат живых организмов в следующей редакции:

Как видно из этого определения, состав и величина  компенсаторных перестроек является функцией состава и величины нагрузок, воздействующих на организм.

Таким образом, в случае количественной оценки физиологического воздействия на организм этих нагрузок можно будет определить состав и величину компенсаторных перестроек.

Результаты исследований проблемы количественной оценки воздействия на живые организмы  различных нагрузок представлены ниже.

4.2.Количественная оценка воздействия на живые организмы различных нагрузок и проблема их соизмеримости. 

Проблема количественной оценки воздействия на живые организмы различных нагрузок является одной из наиболее актуальных в современной биологии и медицине.

В первую очередь это связано с необходимостью правильного нормирования различных физико-химических факторов, воздействующих на живые организмы, особенно при их сочетанном действии.

Сложность этой задачи заключается в том, что на живые организмы, включая человека, одновременно воздействует, в том числе и вредно, очень большое количество факторов различной природы и в разных сочетаниях. Причем  в ряде случаев одновременное сочетание некоторых факторов вызывает потенцирующее вредное воздействие, например воздействие вибрации в условиях низких температур (Бутковская и др., 1998).   ].

Поэтому до сих пор в большинстве случаев действующими санитарными нормами и правилами предусматривается нормирование  только одного параметра, например только шума или только вибрации.

Для комплексной же гигиенической оценки разработаны различные системы баллов, не обеспеченные метрологически и несущие в себе субъективные мнения их авторов, например, в документе "Гигиенические тpебования к pучным инстpументам и оpганизации pабот. Санитаpные пpавила и ноpмы СанПиH 2.2.2.540-96", в котором  в пpиложении 2, таблицы 2 и 3, пpедставлены "Кpитеpии для установления бальной оценки пpоизводственных фактоpов пpоизводственной обста­новки.

В процессе проведенных  исследований нам удалось найти новое решение этой проблемы, заключающейся в следующем.

Для количественной оценки воздействия на живые организмы различных нагрузок было предложено использовать величину их биологических затрат. Для этого в качестве основополагающего было использовано свойство живых организмов, заключающееся в том, что время необходимого отдыха находится в прямой зависимости от степени усталости.

В результате был разработан и запатентован способ количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок (Доброборский, Кадыскина, 1997, 1998, 2000) , в соответствии  с которым величина биологических затрат определялась по времени восстановления функциональных сдвигов, вызванных этими нагрузками.

Для количественной оценки биологических затрат были предложены новые показатели – эргоемкость и удельная эргоемкость со следующими определениями (Бутковская и др., 1998):

Удельная эpгоемкость определяется из следующего выpажения:

                                                                                                                                                           (1)

где:  – удельная эргоемкость;

          -  время восстановления функциональных сдвигов;

         -  время возникновения функционального сдвига.

В равной степени показатели эргоемкость и удельная эргоемкость могут быть применены и для любых других живых организмов.

При определении эргоемкости и удельной эргоемкости необходимо учесть следующее:

1. Практически невозможно прямыми измерениями  с достаточной точностью определелить значение T_r, так как процесс восстановления функциональных сдвигов происходит по экспоненте, приближаясь по касательной к оси t, где точность измерений резко падает (рис. 4 )  (Сорокин, 1984). 

Рис. 4.   График восстановления функционального сдвига

Как видно из рис.4,  кривая восстановления функциональных сдвигов приближается к оси t по экспоненте, пересечение с которой возможно лишь теоретически, при   t  , поэтому определить с помощью прямых измерений с высокой точностью значение T_r, соответствующее U_r  практически невозможно.

Для решения этого вопроса была разработана  компьютерная программа «Loqus 2003.1», где были использованы специальные математические методы, учитывающие как характер нагрузок, так  и биологические свойства живых организмов.

2. При кратком воздействии нагрузок на живой организм и при кратком времени восстановления вызванных этими нагрузками функциональных сдвигов, значительно меньших времени естественных колебаний функциональных сдвигов, влиянием этих естественных  колебаний  можно  пренебречь  ( например при 15-и секундных приседаниях и

5-и минутном времени восстановления частоты сердечных сокращений в режиме отдыха). 

При длительном воздействии нагрузки и длительном восстановлении функциональных сдвигов, соизмеримых со временем естественных колебаний функциональных сдвигов, необходимо учитывать эти естественные изменения значений функциональных сдвигов. 

На рис. 5. показан пример закономерности изменений  функционального сдвига при  воздействии нагрузки, при которой суммарное время действия нагрузки и восстановления функционального сдвига менее суток (Сорокин, 1984).

Рис. 5.  График суточных колебаний функционального  сдвига живого организма 

                                 без нагрузки и  при длительном воздействии нагрузки

                                 1 – график изменений функционального сдвига без нагрузки;

                                 2 – график изменений функционального сдвига при нагрузке.

Как видно из рис. 5,  при отсутствии нагрузки функциональный сдвиг  изменяется в соответствии с графиком 1, возрастая от значения U₀ до значения U₁ за время t₁, а затем уменьшаясь до исходного уровня U₀ за ориентировочное время t = t₃ – t₁: при  нагрузке состояние гомеостаза нарушается, функциональный сдвиг изменяется  по графику 2, возрастая до значения U₂ за время t₂, а затем уменьшается  до исходного уровня U₀ за ориентировочное время t = t₄ - t₂. При этом, как видно из графика, полное восстановление функционального сдвига происходит меньше, чем за сутки.         

При суммарном времени действия нагрузки и времени восстановления функционального сдвига более суток происходит накопление функциональных сдвигов, которые полностью восстанавливаются, например, только в выходные дни.  Пример такого случая представлен на рис.2.

Для определения закономерности изменений функциональных сдвигов при нагрузке и при отдыхе нами были проведены экспериментальные исследования, материалы которых представлены ниже.

Исследования проводились на добровольцах при использовании велоэргометра типа Kettler.

Задача эксперимента заключалась в выявлении закономерностей изменений частоты сердечных сокращений в процессе нагрузок и в процессе отдыха методом стробирования – определением времени изменений фиксированных значений частоты сердечных сокращений при кратковременных нагрузках при отдыхе, не оказывающих существенного влияния на этот процесс.  Из всего перечня функциональных сдвигов организма человека, вызывающихся  физическими нагрузками, контроль изменений пульса был выбран как наименее инерционный показатель.

Использование велоэргометра было вызвано двумя основными причинами:

1. Возможностью точных дозирований  нагрузки и оперативного контроля мгновенного значения пульса с помощью встроенных в велоэргометр датчиков при фиксированной позе добровольцев;

2.    Возможностью   точных  измерений  мгновенного  пульса  при  отдыхе, так как при этом добровольцы  оставались в той-же фиксированной позе

План исследований заключался в следующем: в течение трех экспериментов при фиксированной рабочей нагрузке (мощность 60 Вт) производится разминка (предварительная нагрузка до достижения пульсом соотвествующего рабочего значения: 110, 105 и 98 ),  затем в течение 30 мин. в каждом эксперименте добровольцами удерживается пульс, равный соответственно 110, 105 и 98. После каждой нагрузки при отдыхе контролируется величина пульса, при котором через каждые 5 мин дается нагрузка до достижения  пульсом рабочего значения и фиксируется время его восстановления.

Результаты эксперимента представлены в таблице 1.      

                                                                                                                                          Таблица 1

Результаты исследований закономерности изменений функциональных сдвигов

при нагрузке и при отдыхе

Как видно из таблицы 1,  с повышением рабочей нагрузки процесс восстановления пульса замедляется, причем применение стробированных (кратковременных) нагрузок в процессе отдыха позволяет определить закономерность общего процесса отдыха организма человека. На рис. 6 представлен график общего вида процессов нагрузки и отдыха при экспериментах 1, 2 и 3.

Рис.6.    График изменений пульса в процессе нагрузок и отдыха.

                                      1 – частота рабочего пульса 110;  2 – чатота рабочего пульса 105;

                                      3 – частота рабочего пульса 98.     

 На рис.6 показаны графики нарастания и восстановления  пульса при нагрузках до значений 110 уд/мин (кривые 1), 105 уд/мин (кривые 2) и 98 уд/мин. (кривые 3).  Как видно из графиков, с увеличением рабочей частоты пульса возрастает время его нарастания и время восстановления. Поэтому по отношению  времен восстановления частоты пульса можно определить относительные  значения  времен его нарастания.

4.3. Применение рядов Фурье для математического описания колебаний

                 функциональных сдвигов.

Для точного математического описания процессов колебаний функциональных

сдвигов, учитывая, что они в той или иной степени носят периодический характер, 

наиболее целесообразно использовать ряды Фурье (Корн, Корн, 1974):

                                          (2)

               где:

                       ;

                       T – период основной частоты.      

На рис. 7 представлен пример результатов спектрального анализа периодических колебаний функциональных сдвигов с периодом 1 сутки, приведенных на рис.2., где a_n – величина коэффициентов ряда, n – номера членов ряда.

Как видно из рис.7,  спектр содержит члены ряда, кратные одним суткам и одной неделе. 

Из определения рядов Фурье следует, что каждому случаю  периодических колебаний функциональных сдвигов соответствует присущий только ему набор коэффициентов ряда Фурье, поэтому периодические колебания функциональных сдвигов могут быть описаны математически с  точностью, зависящей от точности измерений значений функциональных сдвигов и выбора количества членов ряда.

Рис.7. Спектр периодических колебаний функциональных сдвигов.

4.4. Методика определения  показателей эргоемкость и удельная эргоемкость

Как было указано выше, показатель эргоемкость предназначен для  объективной количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок.

Для определения значения показателя эргоемкость используется следующая методика     (Бутковская и др., 1998).

В зависимости от характера нагрузок предварительно определяют функциональные  сдвиги    организма     человека,    вызываемые   этими    нагрузками,   и    из   них   выбирают                

наиболее существенные.

Затем, в процессе эксперимента, измеряют исходные (до воздействия нагрузок) значения физиологических и психологических показателей.

          После выполнения определенного объема работ в условиях отдыха вновь измеряют значения физиологических и психологических показателей, изменившихся в результате испытанных организмом человека нагрузок, и затем с заданным периодом в течение

некоторого времени контролируют процесс восстановления функциональных сдвигов.

По полученным результатам скорости восстановления функциональных сдвигов вычисляют время их  восстановления и определяют значения эргоемкости и удельной эргоемкости.

4.5. Вычисление эргоемкости и удельной эргоемкости с помощью компьютерной программы «Loqus 2003.1».

Компьютерная программа «Loqus 2003.1» была разработана специально для   математического анализа закономерности изменений функциональных сдвигов, вызванных различными нагрузками, как физическими, так и психологическими, в процессе работы человека, по введенным в нее данным.

В программе предусмотрен анализ шести выбираемых произвольно наиболее выраженных физиологических функциональных сдвигов, связанных со спецификой нагрузки, определяемыми исследователем, и двух психологических тестов по показателям «Внимание»  и «Устойчивость».

Компьютерная программа выполняет следующие расчеты:

1. Определение эргоемкости каждого из восьми функциональных сдвигов;

2. Определение процентного распределения эргоемкостей функциональных сдвигов;

3. Определение общей эргоемкости;

4. Определение удельной эргоемкости

Кроме определения общей и удельной эргоемкости, количественно характеризующих величину нагрузок, воздействующих на организм человека, благодаря решению проблемы соизмеримости различных нагрузок и различных функциональных сдвигов, определение процентного распределения эргоемкостей функциональных сдвигов  позволяет выявить наиболее нагруженные органы и системы человека, а отсюда и  источники этих нагрузок.

Это, в свою очередь, позволяет найти наиболее эффективные пути улучшения условий труда и экологической обстановки.

  4.6. Практическое использование показателей эргоемкость и удельная эргоемкость   при исследованиях  различных технических изделий и разработке путей их улучшения.

Разработанный способ количественной оценки биологических затрат человека  с помощью показателей эргоемкость и удельная эргоемкость были использованы практически при разработке и исследованиях различных технических изделий: автомобильного транспорта,  пневматических горных машин,  рабочих мест для регулировки изделий радиоэлектронной техники, компьютерных рабочих  мест, рабочих мест авиадиспетчеров     и др.

Проводимые исследования и получаемые данные о характере воздействия параметров исследуемых технических изделий на организм человека в ряде случаев позволяют по-новому сформулировать задачу перед разработчиками, в результате чего  удается  найти принципиально новые технические решения, полностью решающие проблемы, до этого казавшиеся нерешаемыми.

Ниже приведены некоторые примеры.

1.       Предложена конструкция пневматических перфораторов со значительным уменьшением вибрации рукояток, где вместо виброгасящих рукояток было применено устройство механизации подачи, на 80%  устраняющее контакт рабочих  с вибрацией,   

2.       Разработана новая концепция конструирования компьютерных рабочих мест, где  

       вместо рабочих мест общего применения были предложены специализированные  

       рабочие места, учитывающие специфику выполняемых на них работ:

-     рабочие места для бухгалтеров,

-       учебные места для школьников,

-       рабочие места для проектировщиков,

-       специальные столы  для инвалидов с повреждениями нижних конечностей,

-       разработаны и испытаны опытные образцы рабочих мест авиадиспетчеров и др.

В табл. 2 показаны результаты сравнительных испытаний типового и нового рабочих мест авиадиспетчеров.

При исследованиях измерялись следующие показатели:

1.      Время выполнения психологического теста «Внимание»;

2.      Систолическое и диастолическое артериальные давления;

3.      Тремор;

4.      Температура поверхностей кистей рук;

5.      Частота сердечных сокращений;

6.      Размах кардиоинтервала (сек) (РКИ)

7.      Фаза интенсивного сокращения (сек) (ФИС)

8.      Фаза экстремальной нагрузки (сек) (ФЭН)

9.      Фаза снижения нагрузки (сек) (ФСН)

10.  Фаза завершения систолы (сек) (ФЗС)

                                                                                                                                       Таблица 2.

Результаты сравнительных испытаний действующего макета эргономичного диспетчерского тренажера и диспетчерского тренажера «Навигатор»

Как видно из таблицы 2,  максимальную эргоемкость рабочего места «Навигатор» имеет показатель «Фаза экстремальной нагрузки», в то время как действующий макет по этому показателю имеет значение ниже чувствительности.

По показателю «Удельная эргоемкость» макет нового рабочего места примерно в три раза лучше типового рабочего места «Навигатор».      

5. Хронобиология и второй всеобщий закон биологии.

О существовании  биологических ритмов людям известно с древних времен. Уже в «Ветхом Завете» даны точные указания о правильном образе жизни, питании,  чередовании фаз активности и отдыха. Об этом неоднократно писали выдающиеся ученые древности: Гиппократ, Авиценна и другие.

Первые серьезные научные исследования в этой области начали проводиться   в начале ХХ века, в том числе И.П. Павловым, В.В. Вернадским, А.Л. Чижевским и др.      

К концу 20-го века факт ритмичности биологических процессов  живых организмов стал считаться одним из фундаментальных свойств живой материи и составляющим сущность организации жизни (Комаров, Рапопорт, 2000).

В настоящее время исследования ритмичности биологических процессов проводятся в различных  научных направлениях, охватывающим многие разделы биологии и медицины в рамках хронобиологии и хрономедицины. 

Как правило, эти  работы посвящены исследованиям основных параметров биологических ритмов – амплитуде и периоду колебаний функциональных сдвигов, их изменениям при воздействиях на организм человека различных внешних и внутренних факторов,  а также учету биологических ритмов при разработке различных методик лечения и др.

Несмотря на большое количество научных работ, посвященных  хронобиологии и хрономедицине, все они носят описательный и выборочный характер. Это свидетельствует о том, что исследователями до настоящего времени не раскрыты источники биоритмов и их основные законы

Как обычно бывает в таких случаях, для практического применения этого явления различными авторами предпринимаются попытки каким-то образом их классифицировать.

Например, Хальберг (Комаров, Рапопорт, 2000) предложил классифицировать биологические ритмы следующим образом: ультрадианные ритмы с периодом меньше 20 часов, циркадианные - с периодом 24±4 часов и инфрадианные - с периодом больше 28 часов. Среди последних следует выделять: циркасемисептанные ритмы с периодом примерно 3±0,5 сут; циркасептанные ритмы с периодом 7±3 сут., циркадисептанные - с периодом 14±3 сут., циркавигинтанные - с периодом 21±3 сут., циркатригинтанные - с периодом 30±5 сут., цирканнуальные - с периодом 1 год ± 2 месяца.

Проведенные исследования различных научных материалов, посвященных вопросам общей биологии, хронобиологии и хрономедицины, цитологии, генетики  и молекулярной биологии показали, что  в живых организмах, их органах и клетках до сих пор не обнаружены какие-либо источники точного времени, которые управляли бы биохимическими реакциями. Наблюдаемые же биологические ритмы являются лишь внешним проявлением      физиологических процессов колебаний функциональных сдвигов организма, вызванных соответствующими непрерывными когерентными и некогерентными процессами циклов обмена веществ в клетках, обеспечивающих его жизнедеятельность путем поддержания в состоянии  устойчивого динамического неравновесия, что подтверждается приведенным выше вторым всеобщим законом биологии.

Принимая во внимание, что каждый организм строго индивидуален и имеет персональную, только ему присущую совокупность физиологических параметров, собственная закономерность  циклов обмена веществ,  реакции изменений закономерности обмена веществ на воздействие многочисленных внутренних  и внешних факторов также индивидуальны.

Отсюда следует, что у каждого организма имеется свое, персональное время колебаний различных функциональных сдвигов.

Однако на все живые организмы на Земле в значительной степени воздействуют строго периодические параметры внешней среды, связанные с ее вращением вокруг собственной оси и вокруг Солнца, недельной периодичностью работы промышленных предприятий и др.

В связи с этим целый ряд закономерностей колебаний функциональных сдвигов живых организмов оказывается принудительно синхронизированым  с этими периодами, как это можно увидеть из приведенного выше примера на рис.1.

Для обеспечения своей жизнеспособности в этих условиях живыми организмами корректируются другие физиологические показатели для компенсации этих условий.

Например, для некоторых людей характерна необходимость долгого сна, для других – короткого, для третьих – раннего, для четвертых – позднего, в значительной степени различается трудоспособность в разное время суток и многое другое.

Для других видов живых организмов существуют другие формы выживания.

Таким образом можно утверждать, что биологические ритмы, как некие отдельные физиологические параметры живых организмов, не существуют.

6. Выводы

1. В развитие всеобщего закона биологии Э.Бауэра установлено, что физическая сущность процессов жизнедеятельности живых организмов, обеспечивающая их устойчивое термодинамическое неравновесие, сформулированная в виде второго всеобщего закона биологии, заключается в непрерывных колебательных процессах, происходящих на всех уровнях: клетки, органов, систем, организма в целом, в основе которых лежат биохимические циклы метаболизма и в результате которых выделяется энергия. 

2. В результате установленной закономерности  процессов  жизнедеятельности предложены новые содержания понятий «гомеостаз» и «биологические затраты».

3.  Предложенный способ  количественной оценки воздействия на живые организмы различных нагрузок решает проблему их соизмеримости,  обеспечивает получение объективной количественной оценки этого воздействия и определение наиболее эффективных путей его уменьшения.

4.  Предложенный способ  количественной оценки воздействия на живые организмы различных нагрузок использован практически при разработках различных технических изделий, в результате чего достигнуто значительное уменьшение их вредного воздействия на организм человека.

5.  Дана оценка хронобиологии и хрономедицины с позиций второго всеобщего закона биологии.   

7.    Заключение.

Определение новых закономерностей функционирования живых организмов и разработка способа объективной количественной оценки происходящих  в них процессов  дает основания для пересмотра  целого ряда фундаментальных положений современной биологии и медицины с учетом изложенных  в работе материалов.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

Бауэр Э. Теоретическая биология. Росток. 2002.

Северин Е.С. Биохимия. «ГЭОТАР-МЕД», М. 2003    

Большая медицинская энциклопедия. «Советская энциклопедия», том.6, М. 1977.

Бутковская З.М., Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. К вопросу применения нового  эргономического показателя «Эргоемкость» при гигиенической оценке и  сертификации ручного инструмента.  Гигиена труда и промышленная экология. №  11. 1998. С. 11-13.

Ретнев В.М. Гигиена труда  водителей городского общественного транспорта. «Наука», Л. 1984.

Гигиенические тpебования к pучным инстpументам и оpганизации pабот. Санитаpные пpавила и ноpмы СанПиH 2.2.2.540-96.

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. МГУП, М., 2000.  

Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. К вопросу измерения биологических затрат человека  при эргономической  оценке промышленного оборудования и промышленных товаров народного потребления. Тезисы докладов научной конференции «Проблемы санитарно-эпидемиологического благополучия населения Северо-Западного и других регионов  Российской федерации». С-Пб.,  1997. Стр. 53-54.

Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. Эргономическая оценка транспортных средств по показателю эргоемкость. Материалы третьей  международной конференции «Организация и безопасность движения в крупных городах». С-Пб, 1998. Стр. 61-63.

Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. Способ количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок. Патент Ru № 2159576. Бюллетень Открытия, изобретения, промышленные образцы, торговые марки. 27.11.2000. №33, С. 127.

Комаров Ф.И., Рапопорт С.И. Хронобиология и хрономедицина. «Триада-Х». М. 2000.

Корн Г.К., Корн Т.К. Справочник по математике. «Наука». М. 1974.

Сорокин Г.А. Оценка функциональных состояний человека при определении оптимального темпа двигательной деятельности. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Л. 1984.