Научна публикация Биология & Физика Том I

Биологичният часовник е онова, което свещениците наричат „душа“, с тази разлика, че аз написах формулата

Г  Тотолаков

Биологичен часовник

Георги Тотолаков · Велинград · България

В моята книга „Кръвообращението за 0,8`` или 1♥/сц“ описвам процеси и събития в кръвоносната система на здравия човек. Въпросът, разгледан тук е принцип и действие на биологичния часовник и начините на неговото проявление в кръвоносната система.

За да се опишат събитията в кръвоносната система, следва да се изведат физични принципи, закони и техните математически зависимости, които имат еднакво значение за всички физиологични системи в организма. Те се основават на различни симетрии, и благодарение на тях той работи като едно цяло. Такъв е Принципът на биологичния часовник, където:

• циклите на всички процеси в една клетка съвпадат;
• циклите на всички клетки в един организъм съвпадат.

Мерна система на организма

„Диагностика“, или отражение на състоянието е буквата „а“ на лечението. Сърцевината на диагностиката е измерване на физични параметри (температура, налягане, кръвоток, течливост и т.н..). Точността на измерването, както и възможността да се разполага със стойностите на всички важни параметри, определят точните действия на лекаря и щастливия край. Преценката на състоянието се извършва чрез:

• обяснение от болния (анамнеза)
• пряко – чрез измерване на определен параметър с диагностичен уред
• косвено – чрез външни признаци (симптоми).

Добрата квалификация на лекаря и точната преценка на състоянието са гаранция за добро лечение, но анализът на средствата, с които той разполага показва, че възможностите за измерване са скромни – измерваните параметри са недостатъчни, а методите за пряко измерване – съмнителни.

Мерни единици, приложими в диагностичните уреди

Мерните единици, приложими в диагностиката са същите, които се прилагат във винарството или в хидроинженерството.

При обменните процеси в клетката организмът достига точност до молекула! Въпросът е дали мерните единици, приложими в диагностиката са равностойни или просто се опитваме да вкараме цялата жива природа в системата СИ? Мерната система СИ е създадена от хората за собствено удобство и по никой начин този тип мерене не съответства на измерването, приложено от организма. Основния вид мерене в организма не се основава на точни величини, които организмът преследва. В огромната си част измерването се постига чрез пропорции – ДНК дава пропорции, мозъкът определя стойности. Това позволява вярна стойност през целия живот на човека, без да има значение дали е дете, или възрастен, слаб, или пълен...

Измерванията, които организмът извършва позволяват на вегетативната система да извърши два вида регулация – регулация на количество и регулация на скорост. Всяко измерване се основава на две условия – посочване на точката „нула“ и единица мярка. Позицията на нулата е критерий за размера на величината. В медицината е възприето разбирането „нормално“. Това е стойност на параметър в организма на здрав човек, приет за „нула“ на отклонението. По същество, правилото не е лошо, но въпросът е в това, че когато лекар открие отклонение от стойността „нормално“ и чрез лекарства върне тази стойност в търсените рамки дали човекът е здрав? От тази гледна точка, критерият „нормално“ не е надежден, защото чрез него не може да се направи разлика между „регулация“ и „заболяване“.

Принцип за определяне на точни стойности в организма са константите. Те са точката „нула“, спрямо която се определя регулативната стойност на всички променливи:

където:

• t е скоростна константа,
• v е скоростна променлива,
• к е хуморален регулатор на скоростта,
• b е вегетативно зададена регулация на скоростта.

Как работи формулата?

Да разгледаме пет различни физиологични процеса, всеки от които има своя собствена скорост на протичане „v“ и свой собствен хуморален регулатор на скоростта „к“, различен за всеки от тях.

Когато:

„t“ е време на процеса, примерно 0,8“, скоростта на процеса е „v“.

При tb = 0.6” скоростта на процеса ще се промени със стойност „к“ за да се обмени зададеното количество вещество за по-кратко време и тя ще бъде “kv”.

Посоченото действие ще се изпълни за всичките пет физиологични процеса – всеки от тях ще промени своята собствена скорост чрез действието на своя собствен регулатор.

Но:

Лявата част на уравнението е еднаква за всичките пет процеса – „tb“. Това позволява действието на всички процеси заедно да се синхронизира – те ще произведат зададеното количество вещество за еднакво време.

Константи в организма

• Константа на времето – скоростта на времето е абсолютна физична константа
• ДНК (съдържа всички биологични константи; ДНК е константа – може да не се промени в продължение на милиони години)
• Константа на вътрешна температура на здравия човек (37⁰)
• Константа на скоростта при движение на кръвта в капилярите на големия съдов кръг
• Константа на скоростта при движение на кръвта в капилярите на малкия съдов кръг
• Константа на скоростта при движение на гломерулния филтрат в тубулите на бъбречния нефрон
• Напрежението на изхода на артериалните съдове (точката на артериолния сфинктер) е константа:
  R·I = const.

• Произведението на силата на удара (F♥) и продължителността на сърцевия цикъл (t♥ )е константа:
  F·t = const

• постоянна дължина на електромагнитна вълна в мозъка, определяща измерването на биологичния часовник.

Второто условие е приложение на единици, които организмът използва.

Основни единици на измерване в организмите, приложими в кръвоносната система

• маса – 1♥ – един ударен обем на сърцето, какъвто и да е той.
• време – сц – един сърцев цикъл, каквато и да е неговата продължителност.

В заключение може да се посочи, че за да има измерване, което да отразява точното състояние на организма са необходими:

• Мерни единици, приложими в живата природа.
• Точка „нула“ на измерването чрез константи, които организмите поддържат.

Предимствата на този тип измерване са големи. На първо място то дава точен образ на състоянието. В организмите всички стойности са симетрични помежду си. Такова мерене позволява получените резултати да се сравняват и да се намират точни математически решения. То, от своя страна, разкрива логиката на регулативните процеси и крайния резултат на такъв процес.

Кратък анализ на мерните единици

Маса – 1♥

Ударният обем е променлива величина. Тя променя своята стойност както при промяна на възрастта, така и при промяна на физическото състояние – зависи от това, дали организмът е в покой, или понася някакво натоварване.

Вегетативната система определя ударния обем като „единица по принцип“. Това е :

• такова количество кръв, което съдържа всички вещества, които предстои да влязат в обмяна през предстоящия сърцев цикъл.
• такова количество енергоносители, които ще се превърнат в топлина през същия сърцев цикъл.

Тези условия са свързани със задаване на масата във физиологичния процес и принципа за еднаквост на кръвните обеми, които системата прехвърля във всички свои части. Т.е. в системите постъпва един ударен обем и напуска същия ударен обем. Обмяната не може да се извърши с различно количество, защото подобно действие ще промени кръвната картина. Единствената възможност за запазване на параметрите на кръвта постоянни е случаят, в който количеството постъпваща кръв, количеството на взаимодействието и количеството на напускаща кръв са равни.

Скорост

Капилярната скорост е задължително еднаква за всички организми от определен вид. Константата на скоростта прави възможно размножаването на вида (константа на живота; свещена константа):

• Скоростта на кръвното движение в тъканите е функция на скоростта на обмяна между кръвоносната система и клетките.
• Два предшестващи организма могат да създадат един следващ само тогава, когато параметрите на физиологичните процеси в тях са еднакви (те са от един и същи животински вид – скоростта на кръвта и скоростта на обмяна са еднакви).

Оплождането е физиологичен процес, при който продуктите, които си взаимодействат са произведени в два организма. Еднаквостта на условията позволява продукт от единия организъм да се прехвърли в другия и пряко да участва в този физиологичен процес.

При бозайниците описаното явление е лесно обяснимо – през бременността скоростта на обмяна в плода е същата, като скоростта в организма на майката. Скоростта се предава пряко от единия организъм в другия, а майката ражда както женски организми, така и мъжки. Във всеки от тях посоченият параметър е еднакъв. Въпросът е как се постига това в яйцето на птицата?...

Време

Прилагането на този физичен параметър в организмите се извършва с биологичен часовник.

В природата съществуват два вида часовници – астрономичен и биологичен. Примерите за връзка между астрономичния и биологичния часовник са много:

• Миграция на птици, риби и бозайници;
• Летаргия на бозайници, влечуги и др.;
• Размножителни цикли
• Ритмични изменения в организма при последователността „бодрост/сън“ и т.н.

На практика във всички организми е заложена връзка между астрономичния и биологичния часовник. Разбира се, и в това правило има изключения. Остава спорен въпросът за такава връзка при дълбочинните риби, до които не достига светлина и параметрите на околната среда са постоянни.

През 2017 г. Джефри Хол, Майкъл Росбаш и Майкъл Йънг получават Нобелова награда за биология и медицина „за техните открития на молекулни механизми, контролиращи циркадния ритъм“.

Каква е връзката между откритията на Хол, Росбаш и Йънг и биологичният часовник, описан тук?

Хронобиологията разглежда циклични процеси с продължителност над 24 часа. Тя не разглежда процеси и събития в рамките на един сърцев цикъл. Не се дава определение на понятията „Астрономичен часовник“ и „Биологичен часовник“; не се описва принцип на работа, механизма, или закона на часовника на равнище „вегетативна система“. Огромната заслуга на тези открития е посочване на генетичната връзка между организмите от една страна и Земята от друга. Това е връзката между астрономичния и биологичния часовник (връзката „организъм ►биологичен вид“). Тези открития и часовника, описан тук позволяват да посоча степените на съответствие:

Принцип на биологичния часовник

Преди да разгледам въпроса по същество, следва да отговорим на друг, предварителен въпрос, а той е:

Отговорът на този въпрос е „не“! Без часовник животът е невъзможен.

Какво е значението на биологичния часовник и как той се прилага?

В биологията физиологичните процеси се разглеждат като биохимични реакции, в които си взаимодействат маси по законите на химията. При лабораторни изследвания не се прилага критерий „време“. Както е известно, за всички физиологични процеси съществува регулация, която позволява промяна на количеството вещества, участващи в процеса и промяна на скоростта на процеса. Това обяснява съществуването на цяла хуморална система, чиято задача е да посочи точната скорост и точното количество вещество, което да влезе в процеса на обмяна за всеки физиологичен процес по отделно и за всички процеси заедно.

Химичният подход не дава отговори на някои въпроси:

• какъв механизъм прилага организмът при определяне на количеството и скоростта във всеки физиологичен процес по отделно?
• как се синхронизират всички физиологични процеси заедно?

Не е възможно да се синхронизират два независими физиологични процеса без часовник. Работата на хуморалната система е невъзможна без часовник. Чрез часовника се определя скоростта на всеки процес при зададено количество вещество. Часовникът е средството, което слага ред вътре в системата и тя става предвидима и управляема, но той също синхронизира действието на всички системи заедно. Чрез часовника се постига:

• цикълът на всички процеси в една клетка е еднакъв
• цикълът на всички клетки в един организъм е еднакъв.

В нашите представи понятието „часовник“ е свързано с някакъв предмет – слънчев, механичен, електронен, атомен… „Часовник“ е симетрия. Предметите могат да бъдат различни, но симетрията, която измерват е винаги една и съща.

Що е „часовник“?

Всички часовници, каквито и да са те, зависят от едно предварително условие, определящо тяхната работа – във всеки часовник е приложен физичен процес с постоянна скорост. Посоченото условие се основава на физичния факт, че скоростта на времето е константа. Часовникът посочва симетрията между скоростта на времето, от една страна, и скоростта на физичния процес, от друга. За да се обясни принципът на биологичния часовник, ще си послужим с аналогия на астрономичния часовник. Законите, по които те работят са различни, но принципът е еднакъв.

Закон на астрономичния часовник

Където:

t е време; 2π е ротация

Закон на денонощния часовник

Където:

360⁰ е ротация (2π)

24ч е период на ротацията (t)

1 дц е един денонощен цикъл

Закон на годишния часовник

Където:

360⁰ е ротация (2π); 365,28 дни е период на ротацията (t); 1гц е един годишен цикъл

Двете посочени зависимости се основават на постоянната скорост, с която Земята се върти около оста си и постоянната скорост при нейното движение около Слънцето. От посочения закон е ясно, че всяко космично тяло, което извършва циклично движение с постоянна скорост е „астрономичен часовник“. Другото важно заключение е, че не съществуват два съвместими часовника, защото циклите на космичните тела не съвпадат (цикълът на единия часовник не се дели на точен брой части от цикъла на другия часовник). Денонощният и годишният часовник на Земята също са несъвместими помежду си. От тази гледна точка, не е възможно един часовник да се прилага за всички космични обекти (те измерват едно и също време, но с различен цикъл). От тук и изводът, че „секунда“ не е общоприложима единица за време. В два часовника, измерващи различни симетрии, секундите са различни. Този факт е видим в биологичния часовник, където единиците не са еднакви.

Принципът на биологичния часовник е „единица маса за единица време“

Симетрията на биологичния часовник, посочена по-горе, се основава на капилярната скорост на кръвта. Тази скорост е константа.

Eдин физиологичен процес е възможен когато събитията, протичащи по веригата „сърце ► крайна точка► сърце“ имат своето съответствие по веригата „мозък► крайна точка► мозък“. Т.е. в мозъка съществува електромагнитна вълна с постоянна дължина, която е еквивалент на капилярната скорост на кръвта, втора електромагнитна вълна с непостоянна дължина (напр. отразяваща електромагнитния импулс на сърцето) се наслагва върху постоянната вълна и в резултат се получава точната продължителност на действието. Всеки цикъл има собствена продължителност. Тя е окончателна, задължителна и еднаква за всички процеси в организма. Подобно твърдение се подкрепя от факта, че сърцето има „плато“ – период, в който то е безчувствено и не може да предприеме ново съкращение. Платото е инструмент на мозъка, с който той пряко определя продължителността на сърцевия цикъл.

Зависимост между силата на сърдечния удар и продължителността на сърцевия цикъл:

Където:

F сила на удара; t e продължителност на сърцевия цикъл (плато)

Поради ограничените възможности на статията тази зависимост не може да се разгледа в дълбочина, но тя е подробно описана в глава Втора „Кръвоток“ на книгата „Кръвообращението за 0,8`` или 1♥/сц“ (https://bodyphysics.eu/).

Макар принципът на часовника да е един и същ в неговия астрономичен и биологичен вид, съществува разлика в начина, по който се прилага – в астрономичния часовник зависимостта е „обиколка за време“, докато в биологичния същата зависимост е „маса за време“. От тази гледна точка, всяко движение на маса с постоянна скорост е часовник. По-съществената разлика е, че при астрономичните часовници циклите са с еднаква продължителност – еднакви обиколки за еднакво време. При биологичния часовник могат да се променят както масата на ударния обем, така и продължителността на цикъла, без това да нарушава принципа. Т.е. зависимостта между масата и времето е постоянна, но всеки цикъл е самостоятелен и независим. Огромната роля на хуморалната система е да направи циклите на всички процеси еднакви.

В организма на животинските видове цикълът е собствен, вътрешен. Посочвам три скоростни константи, чрез които се достига до зависимостта „биологичен часовник“ – произведението между постоянна скорост на движение и единица маса, участваща в него:

• кръг А – скоростта, с която кръвта се движи през капилярите на големия съдов кръг и масата на навлезлия ударен обем (1♥·ск_т).
• кръг Б – скоростта, с която кръвта се движи през капилярите на малкия съдов кръг (пулмонални капиляри) и масата на същия ударен обем (1♥·ск_пул).
• кръг Г – скоростта, с която гломерулният филтрат се движи в бъбречния нефрон и масата на веществата, реабсорбирани обратно в 1♥ (абсолютна маса с абсолютна скорост, т·ск_б = const).

Бъбречният нефрон е абсолютния биологичен часовник. Масата на гломерулния филтрат, преминаваща през всеки нефрон поотделно е винаги една и съща. Тя се регулира чрез кръвотока от входящата артериола, стояща преди гломерулите, защото артериалната скорост е променлива. Целта на тази регулация е масата, преминаваща през бъбречния нефрон да остане постоянна. Пример:

В действителност, всяка физиологична система, която съдържа константа на скоростта, може да се разглежда като часовник. Задачата на вегетативната система е да синхронизира часовниците така, че да работят с еднакъв цикъл – „една система“ – един часовник; организъм - „сбор от системи“ – сбор от часовници, работещи в един такт.

Класификация на часовниците в природата

• Растение – външен астрономичен часовник (астрономичният часовник на Земята определя жизнения цикъл).
• Животно – вътрешен биологичен часовник (синхронизира всички физиологични процеси за всеки организъм поотделно).
• Вирус – външен биологичен часовник (няма биологичен часовник, но не може да живее без него. Жизненият цикъл на вируса започва тогава, когато попадне в друг организъм и неговият часовник определя синхрона на физиологичните процеси).
• Смесена система – животни със собствен биологичен часовник се размножават на основата на астрономичния часовник:
  организъм ► биологичен вид

синхронизира се целият жизнен цикъл на Земята – безброй биологични часовници (всеки за себе си), но само един астрономичен (всички заедно).

Синхрон на основните процеси в кръвоносната система

Сърцев цикъл е:

• времето от началото на сърцевия удар до началото на следващия, което е равно на сбора от времето на сърцевия удар плюс времето, за което пулсовата вълна преминава от входа до изхода в артериите.
• времето, за което кръвен обем, равен на последния навлязъл ударен обем преминава от артериите в капилярите.
• времето, необходимо на всички клетки взети заедно да обменят всички нужни вещества със същия ударен обем – нито повече, нито по-малко.
• времето, за което цялото количество произведена топлина напуска организма.

Времето на сърцевия цикъл в артериалните съдове се определя от силата и продължителността на вегетативния мозъчен импулс към тях.

Времето за преминаване на един ударен обем от артериите в капилярите се определя от константата на скоростта и общия изходен артериален съдов просвет.

Времето на обмяна в посока „кръвоносна система → клетки“ (входящи клетъчни процеси) се определя от константата на скоростта и обменния механизъм на всеки процес (всеки по отделно и всички заедно за еднакво време).

Времето на обмяна в посока „всички клетки заедно → кръвоносна система“ (изходящи клетъчни процеси) се определя от термодинамиката вътре в клетката.

Преносът на топлина от кръвоносната система към околната среда определя времето на кръвотока във венозните съдове.

Всички действия, изброени по-горе се извършват за еднакво време: