ОСОБЕННОСТИ ВРЕМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Согласно И. Ньютону временные процессы являются рефе­рентами времени. В рамках субстанциональной гипотезы о при­роде времени (Козырев, 1985; Левич, 2002, 2003; и др.) можно предположить, что субстанциональный поток времени, обла­дающий энергией (Korotaev, 2000), пронизывает все уровни бытия и запускает на каждом из них временные процессы.

1. Природа биологического времени

Тезис Аристотеля «время является мерой движения (измене­ния)» применительно к живым организмам может быть сформу­лирован как «время есть мера изменения информации». Инфор­мация о воздействиях разной энергетической природы на орга­низм возникает в специфических сенсорных структурах (рецеп­торах). Известно, что ее первичным кодом в нервной системе яв­ляется последовательность нервных импульсов, электрогенез ко­торых обусловлен движением ионов через мембрану нейрона. Их частота и другие темпоральные параметры определяют тип вы­деляемого нейроном вещества и, соответственно, передачу ин­формации другой клетке. Это позволило говорить о временном кодировании информации в нервной системе, точнее - об элек- тро-хемо-временной природе простейшего кода информации.

T= (Einf + Ed)/m,

где Einf - энергия процессинга информации, Ed - энергия, диссипатирующая при этом в тепловую, m - коэффициент, от­ражающий мгновенную интенсивность метаболизма (кал/с или кДж/с) и, согласно принципу Ле Шателье, - уровень энтропии. Таким образом время сопряжено с энергией, информацией и энтропией. Это согласуется с данными по ускорению отсчета эн­догенного времени (индивидуальной минуты) при росте интен­сивности метаболизма и температуры тела человека или объе­ма воспринимаемой информации (Тринчер, 1965; Шиффман, 2003, и др.).

2. Отличия живого организма

Общность базисных законов природы не исключает особен­ностей их проявления в условиях специфики биосистемы или любой неживой системы. Многие исследователи отмечают спе­цифику проявлений второго начала термодинамики для живых организмов (Пригожин, Стенгерс, 2000; Шредингер, 2002, и др.) как невозможность «тепловой смерти» вследствие стремления биосистем к стабилизации уровня энтропии в процессе саморе­гуляции (Вернадский, 1989; Пригожин, 2002, и др.). Последняя возможна лишь благодаря поступлению извне энергии, компен­сирующей потери, и организующей ее информации как негэн- тропии (Брюллиэн, 2006). Современные знания о структуре и функциях живых организмов свидетельствуют о существовании у них ряда конкретных механизмов, направленных на снижение роста энтропии. Это согласуется с небольшой величиной энтро­пии, составляющей для организма человека около 300 условных энтропийных единиц (Опритов, 2000).

Одной из характерных черт живого организма, обеспечи­вающей его относительную независимость от внешних источни­ков энергии, является множество собственных источников энергии и информации. Так, энергия выделяется при изменении простран­ственной структуры белка (Frederick et al., 2007), межмолекуляр- ных взаимодействиях, пищеварении, сокращении мышц и мно­гих других биохимических и физиологических реакций на уровне клеток, тканей, органов и организма в целом.

На уровне организма морфо-функциональная организация дыхательной, пищеварительной и сердечно-сосудистой систем обеспечивает упорядочивание потоков энергии, а также их направлен­ность, чем снижает рост энтропии. Этому способствует и актив­ность хемо-, механо- и терморецепторов этих физиологических систем, которые, следовательно, являются постоянным источни­ком эндогенной информации (негэнтропии). Другим источником является информация, хранимая в памяти. При увеличении скоро­сти роста энтропии организма она может быть использована в виде сновидений или галлюцинаций, извлекаемых как эпизоды памяти, например, при гипоксии или нервном истощении (Чер­нышева, 2005а; Чернышева, Ноздрачев, 2006).

Наличие эндогенных источников энергии и информации обусловливает другую важную особенность живого организма: саморегуляцию «меры открытости» его как термодинамической системы в процессе обмена с окружающей средой энергией и информацией. Например через изменение соотношений термо­изоляции и теплоотдачи или интровертивности и экстравертив- ности при воздействии соответствующих экзо- и/или эндогенных факторов.

Еще одним механизмом снижения энтропии в живых орга­низмах является феномен асимметрии (Чернышева, 2003;

^ernisheva, 2006; Чернышева, Ноздрачев, 2006). Хотя структурно­функциональная асимметрия является одним из характерных свойств многоклеточных, но ее энергетическая «выгодность» по сравнению с симметрией была показана и на атомарном уровне ^oller et.al., 2002): при асимметричном делении ядер гелия и фермия лучом лазера энергетический порог ниже, а суммарная кинетическая энергия осколков ядер выше, чем при симметрич­ном. В живых организмах асимметрия как феномен обладает уникальными свойствами. С одной стороны, она повышает неус­тойчивость организма и, следовательно, его энергетический по­тенциал сопряжено с ростом скорости обмена веществ и уровня энтропии. С другой, асимметрия способствует росту возбудимо­сти и взаимосвязано с ним - сенсорной чувствительности и объе­ма воспринимаемой информации как негэнтропии. Это, в свою очередь, определяет вклад асимметрии в сдерживание роста эн­тропии. Важность феномена для жизнедеятельности подчерки­вают усиление морфо-функциональной асимметрии при стрессе, а также увеличение ее проявлений на всех уровнях организации живого в эволюции.

Одним из следствий развиваемых автором представлений о природе биологического времени (1) является наличие у живых организмов генераторов временных процессов, которые наряду с со­вокупностью последних и механизмами субъективного времени формируют динамичную временную структуру (Чернышева, 2005б; Чернышева, Ноздрачев, 2006).

Логично предположить, что описанные черты специфики живого присущи и временным процессам организма.

3. Временные процессы организма

Во временной структуре организма эндогенные генераторы временных процессов иерархически взаимосвязаны и включают молекулярные и клеточные осцилляторы, тканевые пейсмекеры (водители ритма), таймеры физиологических систем, а также хронотоп организма, объединяющий генераторы всех уровней (Чернышева, Ноздрачев, 2006). Для каждого из них характерны временные процессы определенной длительности, от пикосекунд до нескольких десятилетий (Гладышев, 1996). Совокупность вре­менных процессов организма соответствует его биологическому времени.

В живых организмах описаны такие типы временных процес­сов как «стрела времени» онтогенеза (направленное время) и накла­дывающиеся на нее монофазные процессы, тенденции, циклы и ритмы, которые обладают разными функциями и свойствами. Монофазные процессы маркируют начало и/или конец опреде­ленного периода онтогенеза (например, рождение; половое со­зревание, климакс, и т.д.). Тенденции поддерживают градации монотонно изменяющихся параметров жизнедеятельности (средний уровень артериального давления, концентрация поло­вых стероидных гормонов и т.п.) в пределах, свойственных данно­му периоду. Число циклов может определять длительность пе­риода. Ритмы упорядочивают потоки энергии, экзо- и эндоген­ной информации, а также уменьшают разброс значений опреде­ленных параметров (температуры тела, активности ферментов, содержания Са+2 в крови и т.д.). Тем самым ритмы уменьшают проявления хаоса, увеличивают коэффициент порядка h и, следо­вательно, максимально протектирует рост обобщенной энтропии (Чернышева, Ноздрачев, 2006).

Очевидно, что описанные типы временных процессов, запус­каемые на уровне молекул, клетки, ткани, физиологических сис­тем и организма, обладают разными темпоральными парамет­рами, но принципиально сходны по свойствам и, прежде всего, по тем из них, которые характеризуют специфику живого. Так, в соответствии с выражением (1) эндогенные генераторы времен­ных процессов всех уровней организма должны быть взаимосвя­заны с энергией и информацией.

Известное представление о симметрии (подобии) и асим­метрии (нарушении подобия) структур живых организмов спра­ведливо и для различных типов временных процессов. Свойства­ми симметрии в этом аспекте обладают такие временные процес­сы как циклы и ритмы, поскольку каждый последующий цикл или ритм относительно тождественен предыдущему (например, митоз, сердечный цикл или околосуточный ритм сна- бодрствования), т.е. они обладают свойством относительной обра­тимости. Симметричные временные процессы ритмы и циклы через синхронизацию направлены на сохранение и оптимизацию энергетического потенциала организма, поэтому их нарушение (например, сердечного ритма, цикла «сон-бодрствование» и т.п.) приводит к увеличению риска патологий и росту скорости старе­ния. На это указывает и сердечно-дыхательная синхрония, описы­ваемая как защитная адаптивная реакция в условиях нарастания кислородного долга при мышечных нагрузках (Покровский и др., 2003). Она направлена на усиление процессов окисления в тканях, т.е. поддержание энергетического потенциала организма. Син­хронизация и увеличение амплитуды ритмов дыхательной, сер­дечно-сосудистой и пищеварительной систем, усиление метабо­лизма при запуске ответа на стрессорные воздействия также слу­жат росту уровня энергетического потенциала организма и уско­рению эндогенного времени (Чернышева, 2007). Далее, в структу­рах головного мозга синхронизация ритмов импульсной активно­сти нейронов и электроэнцефалограммы используется как меха­низм усиления и выделения из шума сигнала и/или ответа на воз­действие (Иваницкий и др., 2002; Benda et al. 2006, и др.).

К асимметричным можно отнести направленное время онто­генеза, которое включает обладающие разными свойствами про­шлое, настоящее и будущее времена, а также монофазные про­цессы и тенденции (Чернышева, Ноздрачев, 2006). Очевидно, что направленность асимметричных временных процессов обуслов­ливает их необратимость. При этом наложение циклов и ритмов на асимметричные временные процессы и, прежде всего, на «стрелу» онтогенеза иллюстрирует характерное для живых орга­низмов сопряжение относительно обратимых и необратимых (в термодинамическом смысле) процессов.

Поскольку способность живых организмов к саморегуляции выражается в поддержании гомеостазиса, то очевидно, что в ряду параметров (температура тела, рН жидкостных сред, содержание глюкозы и кальция в плазме крови, уровень тревожности и т.д.), подлежащих гомеостатической регуляции, находится и эндоген­ное время ^end). Можно предположить, что гомеостатирование Tend направлено на соответствие реальных темпоральных пара­метров «стрелы» онтогенеза программе генома и на адаптацию ко времени окружающей среды. Вместе с тем, поскольку Tend как биологическое время формируют все временные процессы орга­низма разных уровней, типов и параметров, то в целом гомеоста­тическая регуляция через элементы временной структуры долж­на, по-видимому, обеспечивать относительное постоянство set point Tend.

4. Механизмы гомеостатической регуляции set point эн­догенного времени живого организма

В соответствии с выражением (1), гомеостатическая регуля­ция Тend направлена на достижение его set point в состоянии, близком к стационарному, для организма как открытой термо­динамической неустойчивой системы с «нормой хаоса» и мини­мальным ростом энтропии. При этом set point Тend сопряжена с оптимальными значениями (set point) объема информации, энер­гетического потенциала и интенсивности метаболизма организма в данный момент и определяется успешностью их гомеостатиче­ской регуляции. В целом гомеостатирование set point Тend на­правлено на поддержание соответствия реальных темпоральных параметров онтогенеза таковым его генетической программы.

По аналогии с set point температуры тела set point Тend может играть роль точки отсчета для определения ускорения или за­медления субъективного времени, соответствующих временных процессов, их последовательного запуска или переключения. Кроме того, относительно set point Тend может осуществляться синхронизация ряда эндогенных временных процессов, что важно для подстройки временной структуры организма к внешним ис­точникам энергии и времени.

К механизмам гомеостатической регуляции set point Тend можно отнести ряд изменений во временной структуре организма.

Одним из наиболее важных, по-видимому, является измене­ние соотношения асимметричных и симметричных временных процессов в онтогенезе. через увеличение асимметрии асиммет­ричных, - в первую очередь, направленного времени онтогенеза. Его асимметрия обусловлена тем, что составляющие стрелу време­ни прошлое, настоящее и будущее времена организма различают­ся по свойствам, объему сопряженной с ними информации, уров­ням энергии и энтропии, максимальных для настоящего и мини­мальных для будущего времени (Чернышева, Ноздрачев, 2006).

Усиление асимметрии асимметричных временных процессов в детстве отражено в доминировании программ будущего време­ни (Сурнина, 1998), а в старости - в преобладании воспоминаний прошлого времени. Эту возрастную специфику диктуют большие энергетические затраты соответственно на ростовые процессы и обработку больших объемов новой экзогенной информации в детстве или же, в старческом возрасте, - на процессинг возрас­тающих объемов эндогенной информации от подверженных воз­растным патологиям внутренних органов на фоне снижения сен­сорного восприятия экзогенной информации (Чернышева, 2007). Приведенные особенности отражают специфику гомеостатиро- вания объема информации, энергетического потенциала и Тend в разные периоды онтогенеза.

При процессинге информации в настоящем времени имеет значение соотношение экзо- и эндогенной информации, фор­мирующее субъективное время (Тэ):

Тэ = (Тех - Тend) (2),

где Тex сопряжено с процессингом экзогенной информации, а Тend эндогенной. Следовательно, при доминировании инфор­мации окружающей среды, обладающей большой новизной и вариабельностью, Тэ замедляется, тогда как преобладание эндо­генной информации, более стереотипной, известной, приводит к его ускорению (Чернышева, Ноздрачев, 2006).

При этом формирование воспринимаемых по «ключевым» признакам информационно/временных стереотипов может из­менять плотность не только Теч, но и Теч, что также может быть фактором гомеостатирования set point Тend. Например, сканиро­вание памяти по ключевым эпизодам сюжетов ускоряет «про- смотр»/декодирование большого объема информации, а также субъективного времени при стрессе или на фазе быстрого сна (Чернышева, 2005б, 2007).

Далее, относительная обратимость циклов и ритмов может быть использована для «сверки» с set point Тend текущих (направ­ленных) временных процессов и коррекции Тend и субъективного настоящего времени (2): при этом конкретный цикл или ритм может восприниматься как информационно/временной стерео­тип. Примером могут послужить последовательные стереотипы сигналов от рецепторов артикуляционных и дыхательных мышц, поступающих в головной мозг и корректирующих ошибку отсче­та индивидуальной минуты при ее вербальном отсчете по срав­нению с невербальным (Чернышева, Ноздрачев, 2006). Подобную же функцию могут выполнять такие врожденные двигательные стереотипы как саккады глазных яблок (Радченко, 2002), дыха­тельные движения и сокращения сердца (Кулаев, 2006), моторика пищеварительного тракта.

Изменение режима взаимодействия эндогенных генераторов временных процессов разных уровней временной структуры ор­ганизма может быть одним из факторов изменения интенсивно­сти процессов метаболизма в разные периоды онтогенеза и, соот­ветственно, set-point Tend

Таким образом, временные процессы живого организма обла­дают рядом характеризующих биосистемы свойств, в том числе способностью к гомеостатической регуляции эндогенного времени.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Брюллиен Л. Научная неопределенность и информация.- М.: КомКнига, 2006.-272 с.

2. Вернадский В.И. Начало и вечность жизни.- М.: Сов. Россия, 1989.-190 С.

3. Гладышев Г. П. Жизнь - неотъемлемая составляющая эволюции материи // Успехи геронтологии. -2005.- Вып. 16.- С. 21 - 29.

4. Иваницкий Г.М., Николаев А.Р., Иваницкий А.М. Взаимодейст­вие лобной и левой теменно-височной коры при вербальном мышлении// Физиология человека. - 2002. -Т. 28.- N° 1.- С. 5-11.

5. Климонтович Ю.Л.. Об информации и энтропии в неравновесных системах// Успехи физических наук.- 1996.- Т.166, № 11.- С. 1231-1237.

6. Козырев Н. А. О воздействии времени на вещество// Физические аспекты современной астрономии. Проблемы исследования Все­ленной.- Л.: Наука, 1985.- Вып. 11.- С. 82-91.

7. Кулаев Б.С. Эволюция гомеостазиса в биологическом простран­стве-времени.- М.: Научный мир, 2006.- 229с.

8. Левич А.П. Время и энтропия//Вестник Российского

гуманитарного научного фонда.- 2002.- № 1.- С. 110-115.

9. Левич А. П. Метаболический и энтропийный подходы в моделировании времени// Гордон. А. Научный альманах.- 2003.- № 1. - С.117-128.

10. Опритов В. А. Энтропия биосистем//Соросовский

образовательный журнал - 2000.- № 3.- С. 123-134.

11. Покровский В. М., Абушкевич В.Г., Потягайло Е.Г. и др. Сердечно-дыхательный синхронизм: выявление у человека. 1.

Зависимость от свойств нервной системы и функциональных состояний человека// Успехи физиол. наук.- 2003.- Т. 34.- № 3.-

С. 68-77.

12. Радченко А. Н. Межуровневые отношения в нейронной памяти: внесинаптическая рецепция медиаторов, потенциация, спонтанная активность// Успехи физиологических наук. -2002. - Т. 33.- № 1.- С. 58-76.

13. Сурнина О. Е. Возрастная динамика субъективного отражения времени: Автореф. дис. докт. биол. наук.- СПб.: СПбГУ, 1999.

14. Тринчер К.С. Биология и информация. Элементы биологической термодинамики.- М.: Наука, 1965.-119с.

15. Пригожин,И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. - М.: Эдиториал УРСС, 2002.­287 с.

16. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. - М.: Эдиториал УРСС, 2000.- 310 с.

17. Чернышева М. П. Межполушарная асимметрия головного мозга и энтропия//Функциональная межполушарная асимметрия

головного мозга/Ред. В.Ф. Фокин.- М.: ИМ РАН, 2003.- С. 156­164.

18. Чернышева М. П. Нейроэндокринная система и цикл бодрствование-сон//Тез. докл. VII Всеросс. конф.

«Нейроэндокринология-2005».- С.- Петербург: ИЭФБ им. И. М. Сеченова РАН, 2005а.- С. 180-181.

19. Чернышева М.П. Пространственно- временная структура гормо­нальной системы организма//Основы нейроэндокринологии./ Ред.

В. Г. Шаляпина, П. Д. Шабанов.- СПб: Элсби-СПб., 2005б.- с. 366-407.

20.Чернышева М.П. О плотности времени в живых организ- мах/М.П.Чернышева//http://www.chronos.msu.ru/PREPORTS/chem isheva o plotnosti.htm. Раздел “Библиотека электронных публика­ций” Института исследования природы времени. 2007.

21.Чернышева М.П. Гомеостазис и стресс. К методике преподава­ния// Альманах современной науки и образования. Серия «Меди­цина, химия etc.». -Тамбов: Грамота, 2008.- Вып. №5.- (в печа­ти).

22.Чернышева М.П., Ноздрачев А.Д. Гормональный фактор про­странства и времени внутренней среды организма.- СПб.: Наука, 2006.- 296 С.

23. Шиффман Х. К Ощущение и восприятие.- СПб: Книга, 2003.­926С.

24. Шредингер Э. Что такое жизнь? Физический аспект живой клет­ки. - М.; Ижевск: R&D Dynamics, 2002.- 92 C.

25. Benda J., Longtin A., Maler L. A synchronization-desynchronization code for natural communication signals// Neuron. 2006, -V.52.- №.2.- P. 347-358.

26. Cherhisheva M. P. Asymmetry functions and Brain Energetic Ho- meostasis//Behavioral and Morphological Asymmetries in Verte­brates. Eds.: E. Malashichev, A.W. Deckel. :Eurokah/Landes Biosci­ence, 2006.-P. 265 - 276.

27. Frederick K.K., Marlow M.S., Valentine K.J., Wand A.J. Conforma­tional entropy in molecular recognition by protein// Nature. 2007.- V. 448.-N.7151.-P. 325-329.

28. ^rotaev C.V. Forse of time//Galilean Electrodynamycs.2000,-11S.- N.1-2.-P. 29 -33.

29. Moller P., Madland D., Sierk A., et al. // Nature. 2001.-V. 409, N. 6822.-P.785-790.

30. Ward S.M. Interstial cells of Cajal in enteric neurotransmissions// Gut. 2000, - V. 47.- (Suppl.4).- P. 40-43