Russian
| English
"Куда идет мир? Каково будущее науки? Как "объять необъятное", получая образование - высшее, среднее, начальное? Как преодолеть "пропасть двух культур" - естественнонаучной и гуманитарной? Как создать и вырастить научную школу? Какова структура нашего познания? Как управлять риском? Можно ли с единой точки зрения взглянуть на проблемы математики и экономики, физики и психологии, компьютерных наук и географии, техники и философии?"

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

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.

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.!