Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Библиотека

Наука и технологии

 

Главная

 

Наука и технологии

Наш сайт доступен на 52 языках

 

 

 

 
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ СИНЕРГЕТИКА КЛЕТКИ:
СМЕНА ПАРАДИГМ СИНЕРГЕТИКИ
А.М.Тараненко

Синергетика появилась на основе физики колебаний (особенно на почве горьковской школы радиофизики и нелинейной динамики), когда было понято, что механические и электромагнитные явления имеют единую колебательную природу (академик Мандельштам, 40-60-е годы), и также понято то, что неголономная механика и техническая электроника парадигматически не так уж далеки от неравновесной химии и биохимии (английский биолог К.С.Уоддингтон, французский математик Р.Том, русский математик В.И.Арнольд, 1970), если изучать нелинейности общей природы в этих разнопредметных областях. Пущинская школа колебаний в химии и биологии (А.М.Молчанов, С.Э.Шноль, Э.Э.Шноль, Е.Е.Сельков, А.Н.Заикин, А.Д.Базыкин, В.И.Крюков, В.И.Кринский, Г.Р.Иваницкий и многие другие) сыграла одну из ключевых ролей в создании синергетики. Ее примеры и модели использовались западными учеными - Пригожиным и Хакеном (середина и конец 70-х годов). Без употребления термина "синергетика клетки" фактически ее основы создал английский биолог и математик Б.Гудвин (1964). Позже пущинский математик и биохимик профессор Е.Е.Сельков довел науку о метаболическом моделировании до ее высокого современного уровня. Сорокалетие ее развития позволяет сделать некоторые выводы и наметить дальние перспективы... В физике на первом месте стоят движущие причины, силы и потенциалы. За явлением они открывают сущность. В ультрановой физике, т. е. в так называемой неголономной механике, технической физике эта картина пополняется "направляющими архитектурами" и "моторчиками" в подвесах, вместо трения в более примитивных моделях. Эти две дополнительные "силы" (организация - управление в форме архитектур и активная энергетика) приближают техническую физику к биологии. Кризис теоретической физики ныне всем очевиден (тупиковая, бесплодная игра с выдумыванием потенциалов, хождение по кругу внутри однофакторного мира типа, вместо вовлечения факторов, построение картины целостного троического мира). Первая величина в математике, А.Н.Колмогоров, говорил, что наиболее талантливые математики питаются в своих абстрактных изобретениях подсказками природы. Будущее теоретической физики - в технической физике; она - наука будущего, царица XXI в. Синергетика клетки Селькова своим рождением прямо обязана технической физике - мультивибратору как прообразу биохимических осцилляторов. Решающую роль для переноса этой ключевой аналогии в кинетику клетки сыграло изучение кинетических свойств клеточных ядов, особенно процессов так называемой ферментативной ингибиции. Кинетика ингибиции может быть описана формулой V([С]) = A/(1 + B[C]n). Здесь [C] - химическая концентрация, А и В определяются свойствами фермента (число оборотов в секунду, и кинетика связывания субстрата в активном центре). На самом деле большинство ферментов биполярны, бифункциональны - они и активаторы (при "малых" концентрациях), и ингибиторы (при больших), обеспечивают в системе и положительную обратную связь (ПОС), и отрицательную обратную связь (ООС). Как в мультивибраторе, лампе, есть посредствующий "третий слой" между катодом и анодом - "сетка" - и она то запирает (ООС), то отпирает (ПОС) поток электронов от катода к аноду, так и биполярный фермент может организовать устойчивые автоколебания в метаболизме клетки. В 1968 г. Е.Е.Сельков опубликовал на Западе работу, о колебаниях в гликолизе сразу сделавшую его имя известным. Фермент, участвующий в их генерации, - это известный в биохимии "ингибиторный" фермент - фосфобисфосфатаза. Отметим, что долгое время (до работ Пригожина и пущинской школы колебаний) считалось, что колебания в химии невозможны; мышление парадигматически замыкалось в концепции равновесных состояний, без каких-либо колебаний.

Работа Селькова произвела взрыв в умах. У Б.Гудвина модели биохимии были математической калькой с механики Гамильтона, настоящие биохимические процессы не были охвачены. Но "цепь Гудвина" (1964), перенесшая в биохимию идеи кибернетики Н.Винера (прибавившая к фактору физиков, силе, фактор организации, ОС), была вместе с тем весьма важным шагом в создании синергетики клетки. Но только у Е.Е.Селькова появились все три фактора: (1) сила, дестабилизирующая ООС (а не ее парадигматическая противоположность, стабилизирующая ООС, которая схлопывает колебания в константное поведение; а именно она господствует в умах большинства биологов и медиков поныне; это происходит из-за их опоры на одну логику и интуицию (для которых неверная, "схлопывающая" ООС - характерна!) и незнакомство с математикой, ее парадоксальным мышлением и выводами, отвечающими, однако, более точно, логике природы); ингибиция; активная энергетика. Гликолиз (брожения) - это важнейшая часть энергетики клетки, источника потенций клетки, ее "силы". При моделировании гликолиза выяснилось также, что энергетические и синтетические процессы в клетке синергично сопряжены - они входят в единую колебательную систему, организованную во времени. Логическое развитие этой идеи синергичности привело Селькова к теории "метаболических качелей" между "плечами" метаболизма клетки - углеводным, жировым и белковым. Здесь вместо старой физики, как бы описывающей силу, сталкивающую камень с горки в пропасть, - введены динамичные и синергично раскачивающиеся "качели" - они описывают систему симбиотических процессов, питающих друг друга и поедающих отходы друг друга, - "философию сотрудничества". Это уже близко к идее русского космиста академика В.И.Вернадского о "гармоничных круговоротах"...

Идея физика-теоретика члена-корреспондента К.Б.Толпыго (Донецк, 1972), обратившего внимание на "эффект Ферми": иерархически-несимметричное взаимодействие маятников, в дальнейшем позволила мне сформулировать в цикле работ (1978-2002) новую концепцию синергетики - синергичное взаимодействие "тактических" и "стратегических" задач, обычной, быстрой и "медленной" биологии, ввести в синергетику целый новый неоткрытый мир - "медленный мир". Идеи симметрии и равенства лежали в основе эго-потребительского менталитета западной цивилизации, приведшие ее к экологическому кризису (Хесле). Как и они же привели СССР к распаду и краху страны из-за ошибочной парадигмы системы "равенства". "Вертикаль", несимметрия есть ключ к познанию биологических систем, это всегда понимали биологи (К.С.Уоддингтон). Несимметричная модель Ферми позволила нам в дальнейшем углубить клеточную синергетику Селькова. Это потребовало опровержения основной ошибки классической, синергетики Хакена - апелляции к парадигме "быстрых маятников", и ее следствия - парадигмы мелкоамплитудных колебаний, присущих таким маятникам (для жизни же нужны достаточно большие амплитуды, а их "зарабатывание" требует ввести в модель развитие, тренинг, подготовку к адаптивному усилению энергетики при стрессе или болезни). Новая, "медленная" синергетика позволила показать, что основная парадигматическая ловушка современной западной и мировой биомедицины коренится в ошибке "быстрой" синергетики. Она - "схлопывающая" (к движению по кругу без развития, "дурной бесконечности" Гегеля), в ней нет понятия развития и адоптоза, ключево важных для описания сущности живого. Можно даже говорить о "биогеноциде", каким мы расплачиваемся за ошибки старой синергетики. Как ни трудно и больно поднимать эти вопросы, при всем уважении к первопроходцам синергетики, печальные последствия этой ошибки для здоровья человечества остро заставляют этот вопрос ставить. "Вертикаль" впервые появилась в работах Селькова. Для стабилизации быстрого маятника он ввел в модель обмена биохимического маятника тяжелое депо D, [D]>>[X], где [Х] - концентрация активного вещества в биохимическом "маятнике". Б.Г.Режабек (1974) указал мне на работы по диффузии в фазовых пространствах (В.И.Арнольд) и в связи с модной тогда стохастической теорией работы памяти (Институт нейрокибернетики, Ростов-на-Дону) просил меня разработать клеточную теорию памяти на этом принципе. Мне пришло тогда в голову нечто вроде планетной модели атома Н.Бора, но проквантованного взаимодействием частот в несимметричной паре маятников. На полигоне моделей Селькова (1974-1977) эти идеи быстро дали интересные положительные результаты: "квантование" "быстрого мира" "медленным миром", как оказалось, действительно имело место, "медленный мир" оказался "важнее" быстрого, "царствовавшего", так сказать, "ошибочно" в господствующей парадигме. Я применил в новом подходе также идею профессора Л.Овандера (Донецк, 1973) о большом будущем модели самофокусировки луча лазера и искал то, как "медленное" депо углеводов, участвующее в колебаниях гликолиза, "фокусирует" колебания быстрого осциллятора гликолиза, коренным образом меняя их природу (и частотную, и амплитудную, и рождая "пакеты" новых форм). Выводы нашей теории, разрабатываемой более 25 лет, при поддержке известных математиков и биологов, хорошо согласуются с экспериментальными данными (экстремальная биология, раневая хирургия, интегральная медицина адоптозов, хронобиология и хрономедицина). Если и поныне большинство биологов и медиков имеют представление об управлении в клетке на основе парадигмы стабилизирующей, порочной ООС (по аналогии с историей парадигмы Птолемея Коперника, названной нами "земноцентрической"), и формируемого ею "быстрого осциллятора" Хакена, - а на деле клеткой и организмом, как показывает строгое моделирование и эксперимент, заправляет "медленная биология" (мнение крупнейшего в хронобиологии английского ученого Питтендрика ), коренным образом другая ("солнечноцентрическая" как бы, с тяжелой массой депо), чем мы привыкли, то рано или поздно прежнюю и несовершенную фазу синергетики в ее хакеновском варианте придется пересмотреть. И дело не в том, что в западной синергетике нет понятий иерархии, или медленных переменных, или нет понятия о существенно трехмерных динамических явлениях типа хаоса и мультичастотных осцилляциях, - все это там есть. Но несимметрия биологических объектов меняет эти данные изучения симметричных нелинейных систем следующим образом. Во-первых, хотя хаос и есть, но область хаоса в таких более глубоких системах описания и управления природой значительно сужается, клетка умеет избегать "флаттера самолетов" и регулирует свои "бури и ураганы" - это делают нелинейные механизмы депо. Но при этом хаос остается биологически нужным информационно, частотно, для предотвращения опасной для жизни синхронизации частей (она грозит взрывоопасными процессами, теми же "бурями"). Хаос в клетке есть, но он находится под контролем и работает на дело. Во-вторых, влияние скрытых, почти незаметно меняющихся клеточных параметров, депо, на осцилляторы, управляющие равновесием клетки, не только важно для гомеостаза, стабильности, но оно неожиданно оказалось крайне важным для перестроек и развития в клетке, процесса адоптоза и энергоза, выхода клетки из энергетических кризисов (дизэнергозов, дизадоптозов) при перенагрузке и патологиях. Придумав в 1976-1978 гг. авторскую ЭВМ-программу, разрешившую проблему выработки средств качественного анализа многомерных динамических колебаний - эту ключевую задачу современной теории динамических систем, - мы с помощью аппарата карт Пуанкаре на циклах вскоре построили вычислительные методы анализа семейств так называемых многообходных циклов и хаотических аттракторов в модели управления энергетикой клетки. Новые методы позволили парадигматически принципиально по-новому взглянуть на проблемы энергетики клетки, которые биохимия решала веками. Модель самоадаптационного управления энергетики клетки на многообходных циклах и их эволюции представляет значительный интерес в приложениях: многомерные колебания и их усложнения дают возможность перейти от быстрых и низкоамплитудных циклов (в господствующей парадигме, парадигме западной синергетики) к медленным и высокоамплитудным, что физиологически означает рост запасов клетки и новые возможности "бухгалтерских заемов" во времени (позволяющие успешно разрешить все трудности адоптоза, ликвидировать кризисы клетки при патологиях). Это повышает "ступенчато" энергетические возможности клетки и качественно расширяет ее возможности произвести работу "репараций" и адаптивных перестроек при заболеваниях организма и его перегрузках от вызовов среды. Отметим те выводы, которые указывают на новые возможности, представляемые биомедицине новой парадигмой: тренированный организм имеет высоконелинейные системы управления энергетикой; метаболизм и его управление синергически, мультипликативно поддерживают друг друга и развивают вместе высокую эффективность и реактивность на удары среды или патологии. Новая парадигма представляет также примеры сильнонелинейных режимов, многообходных циклов: в наших моделях биохимического осциллятора-волчка он неожиданно "переворачивается" от депо D, и "кувыркается" под его воздействием, как планета Земля время от времени сменяет полюсы. Сложность колебаний обеспечивает их проявление только в длиннопериодическом мире, почему эта область меньше изучена (и раньше ее "не видели", ибо вся экспериментальная область наблюдала процессы недолго, что экономически удобно, но это и привело к ошибочной распространенной парадигме "блицкрига", парадигме "быстрых колебаний по патологически замкнутому кругу"; такие колебания не могут обеспечить адоптоза и развития клетки, что в методиках лечения у биомедицины дает только консервирующие и разрушительные методы, плохо эффективные или вредные, как в медицине мозга, где почти вся "химия" лекарств имеет на длиннопериодических масштабах инверсные эффекты. То есть, например, депрессия сперва эффективно исправляется, а потом сугубо и необратимо углубляется тем же лекарством; такими свойствами обладает большинство лекарств в этой области). Но на самом деле по ней имеются многочисленные надежные экспериментальные данные широчайшего распространения и ключевой важности таких процессов в природе. Такую исключительную важность математики для биологии и парадигмы "вековых движений планет" для естествознания и мировоззрения еще в середине 70-х годов предсказывал ученик академика А.Н.Колмогорова академик В.И.Арнольд. Его работы того времени сильно стимулировали наши продвижения в биологии, в математической теории "причинного уровня" жизни.

Наиболее близко к новой, незападной, русской синергетике, в которой паллиативные быстрые процессы колебаний подчинены более глубоким, сущностным и более неравновесным, медленным процессам, синергетике не покоя "по кругу", а острого, но управляемого развития, подошел лидер московской школы синергетиков член-корреспондент РАН С.П.Курдюмов. На нелинейном уравнении межнаучного характера он построил некую обобщенную "философию горения". Она близка в основе к идее жизни, как огня, энергетики, дыхания (горения), способного к развивающейся логике, а не к круговороту на месте. Тепловое пятно, "огонек" Курдюмова на быстрых временах как бы сдается ветрам, сопротивлению среды, падает по амплитуде и ареалу распространения, но потом, как бы укрепляясь "спором с ветрами", неожиданно, "при самом издыхании", укрепляется и "стает вровень" с хорошим уровнем, а потом и показывает нечаянное высокое развитие, расцвет. Будем думать, что по сценарию новой, "русской синергетики" пойдет и нечаянное всем врагам бурное и устойчивое развитие России, а за ней и всего мира, в меру усвоения им "русской синергетики". Депо в уравнении Курдюмова нет. Но сильная нелинейность источника тепла, означающая цепные процессы химического размножения при горении, открытые российским ученым Н.Семеновым в 30-40-е годы, приводит к накопительным процессам в системе, а стало быть, и к наличию скрытого депо. Отсюда и неожиданное значение медленных времен, развитие, и асимметрические резкие, замечательные перестройки. Обычные цепные процессы Семенова - это раковый опухолевый рост, неуправляемая вещь. Но Курдюмов показал, что при более сильной нелинейности источника тепла фактически цепные процессы идут с ограничением, управляемо. Это не раковый, а полезный рост, развитие. Есть ограничивающая рост ООС связь, разум. В явном виде нет у Курдюмова и пары химических процессов, как в метаболизме, круговороте жизни. Но пара "кинетика-диффузия" у него фактически играет роль катаболически-анаболической системы. Это математически и физически происходит потому, что диффузия есть "фактор задержки", а на факторе задержки "работает" цепь Гудвина, которая, как мы показали, математически эквивалентна нашей катаболически-анаболической системе с депо. При сильно нелинейной диффузии у Курдюмова усиливаются управляемые процессы - формообразование, развитие и превращения форм. В нашей модели происходят точно такие же процессы, но только в форме не неравновесного процесса горения, а усложнения процессов более сложной природы - колебательных, но тоже в развивающемся сценарии, в адоптозе. Это происходит у нас через наращивание нелинейности в цепи Гудвина и числа звеньев в ней (эквивалент нелинейности в диффузионном члене у Курдюмова). Отметим, что заслугой Селькова является открытие того, что именно сильная нелинейность (n >1), которой он "поправил" билинейный член в известном уравнении колебаний в биологии Лотка (начало ХХ в.), XY заменив на ХYn, переводит биологический осциллятор в устойчивые самоподдерживающиеся колебания (вместо хрупких, "гамильтоновых", при недостаточной нелинейности). Все выше нами описанные "фокусы" в новой парадигме также на самом деле устроены на сильных нелинейностях некоторых членов уравнений (в осцилляторе это Y5, в нелинейной связи депо с осциллятором это Х4). На самом деле в биологии слишком уж больших нелинейностей (как в уравнении тепла Курдюмова) не требуется, ибо работает не один фактор, а сочетание факторов (и особенно их разница, тонкое, дифференциальное, "информационное" сравнение); малые факторы накапливаются в большие, как в своей "биологической хинчинологии" учил известный биоматематик А.М.Молчанов. Члены с переменной X в четвертой степени в наших уравнениях стоят в разности...

Общий вывод заключается в том, что различные исследователи постепенно приходят к новой синергетике, в которой медленные и глубинные процессы сильно взаимодействуют с быстрыми, те и другие активно влияют друг на друга, что приводит к процессам развития. В новой медицине XXI в., опирающейся на адоптоз, тренинг, эндогенное самолечение клетки - эта нелинейная идеология будет иметь экстраординарное и путеводное значение. Она вскроет неожиданные, непривычные сценарии взаимодействия, далеко выходящие за рамки устаревшей господствующей ныне идеи, идеи отрицательной обратной связи, загоняющей биологическую систему в равновесие. Парадигма чего ныне, к сожалению, господствует в биологии и медицине через старое мышление врачей и их учителей, что на практике, как мы указали выше, приводит к самым плачевным последствиям. Надеемся, что эти важные выводы новой синергетики будут динамично и вовремя осознаны широким сообществом и существующий на старой парадигме биогеноцид (депопуляция из-за непонимания природы болезней в их источнике в дизадоптозе и непонимания главного пути лечения дизадолтозов - через нелинейную теорию медленных многообходных циклов) сменится на колоссальные успехи новой медицины. Будет эпоха "цветущей сложности", удивительно предсказанная русским философом Константином Леонтьевым еще в 60-80-е годы XIX в.!

Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений