ВІДКРИТІ МЕДИКО-БЮЛОГІЧНІ СИСТЕМИ, ЩО ЗНАХОДЯТЬСЯ ДАЛЕКО ВІД РІВНОВАГИ (ЕЛЕМЕНТИ СИНЕРГЕТИКИ)

Визначним досягненням у розвитку науки за останні роки стало розуміння фундаментальних основ і принципів самоорганізації у відкритих системах різної природи (фізич­них, хімічних, біологічних та ін.) поодаль від їх положення рівноваги. Зараз вже можна говорити про створення між­дисциплінарної області науки - синергетики, котра вивчає загальні принципи самоорганізації і утворення просторових, часових і просторово-часових структур у відкритих нерівноважних системах. Сам факт утворення нових структур (упорядкування) в процесі еволюції знахо­диться в уявному протиріччі з другим началом термоди­наміки, з суті якого випливає, що з плином часу обов'язково відбувається зникнення структур (розупорядкування) з одночасним підвищенням сумарної ентропії всієї системи. Насправді цього протиріччя, що виникло ще при співставленні другого начала термодинаміки і еволюційного принципу Дарвіна, не існує. Утворення структур відбуваєть­ся у відкритій підсистемі, котра завжди становить частину певної більшої системи. Якщо ця остання є замкненою системою, то дисипативні процеси, що у ній відбуваються, спонукають до зростання ентропії усієї системи, але це не обов'язково викликає зростання ентропії кожної її частини.

Поява наприкінці 80-х років XX століття нового між­дисциплінарного наукового напряму, який отримав назву "синергетика", створила надійні засади для посилення інтеграційних тенденцій в науці та освіті. Як вже зазнача­лося, синергетика вивчає загальні принципи самоорганізації та утворення впорядкованих структур у відкритих нерівно-важних системах різної природи.

Термін "самоорганізація" визначає процеси (явища), які пов'язані із зміною структури і забезпеченням узгод­женої поведінки системи завдяки наявності внутрішніх зв'язків і контактів із зовнішнім середовищем. Здатністю до самоорганізації і утворення впорядкованих структур воло­діють системи живої та неживої природи, а також штучні системи.

Якщо до виникнення синергетики природничі та інші науки могли обходитися під час використання системного підходу до своїх об'єктів дослідження без врахування колективних ефектів, які спонукають до утворення стійких структур в часі та просторі, нині послідовне вивчення цих проблем стало можливим на підставі синергетичних методів. Особливо важливим і гострим постає питання щодо впорядкованості і самоорганізації під час дослідження енергетичних, екологічних, соціальних, політичних, меди-ко-біологічних та інших глобальних проблем.

Існує досить велика кількість прикладів виникнення впорядкованих структур у системах різної природи:

у фізиці - це фазові переходи типу надпровідність і надплинність, конвективна нестійкість, стратти у газовому розряді, пентагональні структури у плазмі токамаків, коге­рентне випромінювання лазерів, солітони;

в астрофізиці - це червона пляма Юпітера, полярні сяйва;

у хімії - періодична окислювально-відновлювальна реакція Бєлоусова-Жаботинського;

у біології - періодичні процеси при гліколізі і фото­синтезі, морфогенетичні процеси у сімействі колективних амеб, коливальна динаміка чисельності популяцій;

у медицині - утворення ревербераторів (спіральних хвиль) у міокарді, спіральні хвилі і гексагональні структури у сітківці ока при депресії Леао;

в обчислювальній техніці - паралельні обчислення і надійність роботи ЕОМ, розпізнання образів;

у соціології і політології - формування суспільної думки, стійкість політичних систем;

в екології - поширення епідемій (пандемій) і забруднення, а також велика кількість інших процесів.

Просте перерахування цих прикладів показує, що си­нергетика тісно пов'язана з різними галузями науки і техніки. Це не означає, що вона використовує цілковито різнорідні поняття. Одним з головних аспектів світогляд­ного значення синергетики, ціннішим досягненням синерге­тичного підходу якраз і є те, що в ній вдається обгрунтувати нові "перші принципи", що лежать в основі процесів само­організації і впорядкування або, більш загально кажучи, функціонування відкритих складних систем.

Одна з основних причин процесів самоорганізації та впорядкування формулюється у вигляді принципу, який можна було б назвати "принципом узагальненого дарвініз­му", а саме: просторові, часові та просторово-часові структури в органічному та неорганічному світі виника­ють як прояв колективних коливань через флуктуації, їх взаємодію і відбір тих з них, які мають найбільший час затухання (релаксації). Такі найтриваліші живучі процеси характеризуються змінними, які у синергетиці називаються параметрами порядку або керуючими модами (коливан­нями). Саме вони визначають еволюцію системи, котра первісно мала дуже багато степенів свободи. В результаті колективної взаємодії різних мод у такій системі може виділитися лише кілька параметрів порядку. У цьому полягає зміст принципу підлеглості, котрий відіграє дуже важливу роль у синергетичних процесах.

Впорядковані структури, які утворюються у відкритих системах, далеких від рівноваги, поділяються на просторові, часові і просторово-часові (табл. 5.1).

До просторових структур відносяться гексагональні комірки Бенара, згадані вище спіральні структури, що в певний момент часу можна спостерігати в реакції Бєлоусова-Жаботинського (БЖ), в колонії соціальних амеб (плаз­модії міксоміцети), в міокарді, на сітківці ока при депресії Лєао тощо.

Таблиця 5.1. Типи впорядкованих структур та їх параметри

Часові структури спостерігаються в екологічних су­спільствах (типовим прикладом є періодична з часом зміна чисельності популяцій в моделі "хижак-жертва", що буде розглянута пізніше), часові осциляції при гліколізі і фотосинтезі тощо.

Просторово-часові структури мають місце при спосте­реженні реакції Бєлоусова-Жаботинського протягом досить тривалого часу (десятки хвилин), в динамічних процесах розповсюдження ревербераторів в міокарді, при поширенні нервового імпульсу в аксоні тощо.

Розглянемо деякі приклади впорядкування та самоорга­нізації систем різної природи, про які згадувалося вище, докладніше. Особливу увагу при цьому ми будемо звертати на схожість, певну подібність цих явищ. Ця схожість поведінки різноманітних систем (наприклад, дивний перебіг періодичної хімічної реакції Бєлоусова-Жаботинського, утворення спіральних структур в колонії соціальних амеб, поява ревербераторів у міокарді тощо) дає підстави говорити про так званий "ізоморфізм", тобто подібність, явищ утворення впорядкованих структур у зовсім різних за своєю природою відкритих системах.

Рис. 5.1. Спіральні хвилі в ре­акції Бєлоусова-Жаботинського (фотографія А.Т. Вінфрі).

Періодична хімічна реакція Бєлоусова-Жаботинсько­го. У 1951 році радянський хімік Б.П. Бєлоусов відкрив нову реакцію, суть якої зво­дилася до того, що протя­гом кількох годин з пері­одом приблизно 4 хвилини змінювався колір хімічно реагуючих компонентів - від червоного до синього і навпаки, тобто ця реакція бУла періодичною. Лише через вісім років Б.П. Бєлоусову вдалося надрукувати повідомлення про своє відкриття у реферативному журналі "Сборник рефератов по радиационной медицине" за 1958 г. Далі теоретичні аспекти цієї реакції розроблялися А.М. Жаботинським, а потім А.М. Заїкіним. Було з'ясовано, що хімічна реакція Бєлоусова є окисно-відновною, автокаталітичною реакцією, в якій беруть участь іони церія змінної валентності. Саме зміна валентності іонів церія від 3 до 4 (і навпаки) викликає зміну кольору реакції. У 1970 р. А.М. Заїкін і А.М. Жаботинський створили зручні умови для експериментального спостереження періодичної хімічної реакції, відкритої Б.П. Бєлоусовим, коли вилили розчин, в якому відбувалася ця реакція, тонким шаром в чашку Петрі. В такій системі, яка потім отримала назву хімічного реак­тора Заїкина-Жаботинського, ними спостерігалися спіраль­ні автохвилі хімічної активності - дуже ефектні природні структурні утворення (рис. 5.1). Якщо спіральні хвилі в чашці Петрі, що вивчалися А.М. Жаботинським та А.М. Заї­кіним, були двовимірні, то американський біофізик А. Уінфрі зміг спостерігати згодом тривимірні автохвилі хімічної активності. Детальний хімічний механізм періодич­ної реакції Бєлоусова був остаточно описаний (після перших робіт А.М. Жаботинського і А.М. Заїкіна) венгерським вченим Є. Керошем та американцями Р. Філдом і Р. Нойєсом. Останні розробили для цього спеціальну кінетичну модель, яка отримала назву "орегонатор" (за назвою американського штату Орегон, де мешкали автори цієї моделі). Інша кінетична модель "брюсселятор", що мала також за мету пояснення перебігу періодичної авто-каталітичної хімічної реакції Бєлоусова-Жаботинського, була створена І.Р. Пригожиним та Г. Ніколісом (назва моделі пов'язана, очевидно, зі столицею Бельгії, де у Вільному Університеті Брюсселя працює лауреат Нобе­лівської премії І.Р. Пригожий).

Спіральні структури в колонії соціальних амеб. Ще один дивний приклад самоорганізації можна спостерігати у біологічному суспільстві, а саме - в колонії соціальних амеб (грибів-слизовиків). Соціальними ці амеби називаються тому, що їм притаманна властивість до об'єднання (агрегації) у відповідні просторові структури, які мають спіральну форму. Виявляється, що коли амеби мають вдосталь їжі, вони існують як окремі і розвиваються індивідуально. Зовсім інша ситуація відбувається, коли їжа закінчується. Тоді голодні амеби починають спонтанно та в імпульсному режимі виділяти спеціальну хімічну речови­ну - цАМФ (циклічний аденозинмонофосфат), який відіграє роль морфогена, тобто сприяє формоутворенню. Просторо­вий розподіл цього морфогена, точніше кажучи, - градієнт концентрації цАМФ, є просторовою міткою, яка дає можли­вість всім іншим амебам збиратися (агрегувати) у спіральні або концентричні структури. Таким чином, механізм хіміч­ної сигналізації виявився надзвичайно важливим у процесі формоутворення - морфогенезу. Принциповим є той факт, що структури в колонії соціальних амеб (рис. 5.2) виявля­ються подібними до автохвиль хімічної активності в реакції Бєлоусова-Жаботинського не лише за зовнішніми ознака­ми, а й тому що ці спіральні утворення виникають у відкри­тих системах, які є активними за своєю природою, (іншими словами, збудливими через існуючий в них запас енергії).

Рис. 5.2. Спіральні структури в колонії соціальних амеб (фотографія Г. Гереша і Б. Хесса).