Живой организм — диссипативная структура

Бифуркации

Истоки медицинской диагностики имеют длинный исторический путь. Примерно с конца 6 в. до н. э. античная философия задается вопросом: чем знание “по мнению” отличается от знания “по истине”? В представлении образованных людей того времени образцом “истинного” знания была геометрия с ее аксиомами и принципами построения определенных суждений о сути вещей. В этот период развития естественно-научных дисциплин дедуктивный метод рассматривается как главный инструмент нахождения истины. Надо отметить, что, когда разделяющая линия между истиной и не истиной проводится с помощью доказательства, сама логика предстает способом идентификации, опознания объектов и явлений. В этот период логика незаметным образом трансформируется в теорию оценки истинности, в способ конструирования постулатов.

Основным принципом дедуктивной логики является принцип исключенного третьего. Допустимо признавать либо А, либо не А. Третьего не дано, поскольку в этом случае доказательство от противного становится невозможным. Именно логическая конструкция строгой дизъюнкции была заложена в качестве основного элемента познания Природы: А и не-А полностью исключают друг друга, между ними не может быть ничего среднего. Для медицинской практики это означало либо наличие нарушения в живом организме, либо отсутствие и полная определенность, а значит, признание нормы.

Однако реализовать на практике такие представления можно было лишь в идеале, т. е. исключительно логическими средствами.

При изучении окружающего человека мира событий, явлений и различных природных объектов выделялись только два класса объектов, явлений и событий: те, которые существуют, и те, которые не существуют. Процесс жизнедеятельности целого организма не рассматривался в развитии. В соответствии с существующей парадигмой того времени процесс становления, изменения, понимаемый как нечто изменяющееся, не должен быть предметом изучения.

В попытке сведения природы к тождеству введенных философских понятий французский философ Эмиль Мейерсон усматривал основную движущую силу медицинской науки. Согласно такой парадигме, сущность есть то, что можно обнаружить или понять, но ее нельзя изменить или сотворить. Детерминирование сущности выступает как детерминирование изменчивого, устойчивым состоянием организма. Сама сущность постоянна, различие в ее обнаружении зависит от внешних, привходящих обстоятельств.

Позже, с развитием научных представлений об окружающем мире, вводится в рассмотрение понятие времени. Однако и здесь основные представления о развитии живого организма, особенностях функционирования отдельных органов и подсистем рассматриваются не полно, а фактически с позиции механицизма. На рубеже 17 – 20 столетий создаются блестящие работы в области математики и физики, которые станут основой многих научных исследований в будущем.

И все же на протяжении длительного периода фактор времени как основная категория многих научных концепций все больше привлекает внимание ученых. В уравнениях классической физики время не содержит различия между прошлым и будущим. Эволюции (прямая — в будущее и обратная — в прошлое) рассматриваются не просто как математически корректные представления, а как представления эквивалентные. Еще в 1765 г. Лейбниц утверждал, что “настоящее чревато будущим и обременено прошедшим, находясь при этом во взаимном согласии ”, и потому “в ничтожнейшей из субстанций взор, столь же проницательный, как взор Божества, мог бы прочесть всю историю Вселенной”.

Несмотря на то, что понимание значимости фактора времени во всех процессах и явлениях отчетливо проявляется во многих научных работах, переход на новый уровень познания Природы происходит с открытием фундаментальных законов физики.

По представлениям классической физики, Вселенная управляется детерминистическими, симметричными во времени законами. Такие законы получили название динамических. Именно динамические законы отвергают “стрелу времени”; экстраполяция этих законов на физический мир исходит из обратимости времени, а само действие закона предстает как вневременное. В силу сводимости настоящего и будущего к прошлому возникает иллюзия пригодности закона на все времена, иллюзия его неограниченной универсальности, приложимости к любой точке пространства. Из второго начала термодинамики родилось представление о “стреле времени”, указывающей на движение любой замкнутой системы к хаосу.

Развитие физики и математики способствовало становлению новых научных направлений, в частности биофизики, биохимии и биологической термодинамики. Основателями биологической термодинамики по праву называют И. Пригожина, Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского. Так, И. Пригожин подчеркивает, что радикальное отрицание категории времени, другими словами утверждение универсальности уравнений физики, неявно одобрялось самой парадигмой науки, начиная с 17 в. По мнению И. Пригожина, “законы природы были законами, описывающими замкнутую детерминистическую Вселенную”, прошлое и будущее которой считались эквивалентными. Такое положение рассматривалось как триумф человеческого разума. Развитие основных положений биологической термодинамики позволяют современной науке утверждать, что симметричные детерминистические во времени законы соответствуют только весьма частным случаям. Они верны только для устойчивых классических и квантовых систем, которые представляют весьма ограниченный класс физических образований. Великие теоретические схемы классической физики были экстраполированы далеко за пределы возможной области применимости.

Математик, логик и философ Альфред Норт Уайтхед в поиске путей согласования философии с естественно-научными открытиями еще в 30-е гг. 20 в. пришел к выводу: “...Различие между прошлым и будущим через становление является фундаментальным непреложным фактом”. Все последующее развитие естествознания подтвердило справедливость этого вывода.

С точки зрения современной науки, “становление” представляется как элемент бесконечного процесса развития системы, в том числе и биологической. Это элемент реальности и одновременно условие познаваемости окружающего мира. Мы живем в мире, в котором частицы рождаются и уничтожаются, выражая становление даже на самом микроскопическом уровне. “Становление” и “событие” входят на всех уровнях описания в концепцию природы. Чтобы философские и естественно-научные системы знания не противоречили друг другу, необходимо, прежде всего, обратить внимание на следующее обстоятельство.

Основной проблемой в классической динамике является проблема интегрирования. Для интегрируемых систем мы можем исключить взаимодействия и свести задачу к задаче о свободном движении, где мы получим выражения для координат и скоростей в виде явных функций времени. До работ А. Пуанкаре считалось, что все динамические системы похожи друг на друга. Именно он открыл неинтегрируемость целого класса систем. В этом случае аппарат дифференциальных уравнений становится непригодным, и мы вынуждены перейти к вероятностным методам исследования. Вероятностные и статистические методы исследования — братья близнецы, которые позволяют получить новые данные о процессах и явлениях окружающего мира.

Именно в силу открытия свойства неинтегрируемости суждения, вынесенные физиками от имени классической динамики, оказались несостоятельными. Согласно классической термодинамике, неравновесное состояние замкнутой системы, характеризующееся возрастанием энтропии, — это финал всякой эволюции. На путях создания неклассической термодинамики И. Пригожин доказал, что существуют структуры, в которых возрастание энтропии может быть компенсировано ее оттоком в окружающую среду. Такие структуры получили название “диссипативных”. На этой основе появилось новое научное направление — синергетика.

Возникновение синергетики было связано также и с другим фундаментальным открытием. Было доказано, что на основе так называемых нелинейных эффектов упорядоченность некоторой системы со временем может не уменьшаться, а возрастать. Оказалось, что в явлениях природы (в организме человека) и общества именно нелинейность преобладает над линейностью. Когда ограниченность логического аппарата классической науки, редуцированного к линейности, стала явной, научное сообщество убедилось, что значительная часть конкретного мира вокруг нас до сих пор ускользала из ячеек научной сети. Согласно представлениям нелинейной науки (nonlinear science), в большинстве случаев мы сталкиваемся с такой познавательной ситуацией, при которой изменение внешних или внутренних воздействий в k раз не приводит изучаемую систему к пропорциональному отклику.

В самом общем виде это можно пояснить таким образом. Пусть причина А увеличивает нечто в системе в два раза, а причина В – в три раза, но вместе они увеличивают это нечто не в шесть, а, допустим, в 20 раз. Такой эффект и называется нелинейным.

На основании открытия эффекта диссипации и эффекта нелинейности в первую очередь в биологических системах был сделан вывод о необходимости замены физики бытия физикой становления. С позиции биологической термодинамики это означало конец классического идеала всеведения. Мир процессов, в котором мы живем, и который является частью нас, не может более отвергаться как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения. Следствием этого утверждения является то, что современный мир науки навсегда лишился гарантий стабильных, непреходящих законов.

Основатели синергетики не просто заявляют, что пришло время физики становления, они создают физическую теорию совершенно нового типа, опирающуюся на нелинейный математический аппарат.

Привычная парадигма становления выглядела следующим образом: становление может осуществляться только между твердо установленными познанием вехами, так как иначе окажется неизвестным, что же именно становится, в каком направлении и к каким результатам приходит становление. В рассуждении подобного рода в скрытом, неявном виде содержится проблема: можно ли иметь “твердо установленное” знание о не себе тождественном объекте, будет ли понятие с крайне зыбким содержанием и объемом “твердо установленным”. На этот вопрос современная наука отвечает положительно, а классическая — отрицательно. Иначе говоря, исходный пункт становления идентифицировался классической наукой лишь с бытием, лишь с себетождественным состоянием объекта мысли.

В противовес классической науке синергетика доказывает, что переход к устойчивому состоянию может происходить лишь через неустойчивое состояние, а переход к упорядоченности — через неупорядоченность. Чтобы в рамках одного и того же вещественного субстрата появились какие-то новые структуры, отвечающие критерию организованности, для них должна быть расчищена почва. Подготовить новообразование можно одним-единственным путем: разрушив прежнюю структуру, нарушив внутрисистемные связи. Лишь освободившись от элементов старой структуры, можно построить новую систему — новую упорядоченность. При этом качественная определенность новой системы складывается случайным и только случайным образом.

Для того чтобы адекватно отразить случайный характер перехода от беспорядка к порядку, физика становления вводит понятие бифуркации (bifurcus, лат. — двузубый). Согласно теории бифуркации, прошлое состояние системы исчезает скачком в силу накопления в системе флуктуаций (fluctus, лат. — бурлящий). В любой системе имеют место флуктуации, связанные со сбоями в функционировании ее элементов, с поломками в структурных образованиях. Флуктуации необходимы и присутствуют в любой системе, но вместе с тем их появления означают нарушения в способе существования системы: отклонения от статистически среднего.

Достигая некоторого критического значения, флуктуации становятся источником бифуркации, коренной ломки предшествующего состояния. В результате бифуркации случайные и несогласованные микроскопические изменения захватывают весь объем ранее существовавшей системы без остатка. Неконтролируемость флуктуаций означает возникновение лишь случайной коррелируемости состояний. Подмечено, что в биологических системах одни флуктуации происходят быстрее, другие — медленнее. Оказывается, что флуктуация, задержавшаяся чуть дольше других, может вступить в согласованное движение с другими такими же флуктуациями, и тогда возникает неслучайная коррелируемости состояний. Последняя порождает устойчивый макроскопический режим. Его появление равносильно “выбору” ветви, которой будет следовать система по ходу дальнейшей эволюции. На макроуровне вступает в действие принцип подчинения (slaving principe). Согласованное движение микроизменений образует крупномасштабное движение, которое захватывает весь объем системы, подчиняет себе все ранее родившиеся флуктуации. Таким образом, медленно эволюционирующий макроскопический режим становится доминирующим в системе. За счет принципа подчинения обеспечивается перерастание несогласованных микроизменений в согласованное, когерентное движение элементов на макроуровне.

Сама возможность выбора свидетельствует о потенциальном разнообразии системы, о богатстве скрытых в ней возможностей, которые могут реализоваться прямо противоположным образом: и в сторону перманентного разрушения упорядоченности, и в сторону ее нарастания. Эта “вилка” между двумя взаимоисключающими друг друга направлениями развития и дает название всему процессу перестройки ранее господствующего предшествующего состояния. Там, где одна из двух взаимоисключающих друг друга противоположностей реализована, для другой не остается места. Вот почему бифуркация — это расщепление исходного состояния, при котором его противоположные определения реализуются неодинаково: одно возникает актуально, а другое погружается в виртуальное бытие.

На временах, близких к фазовому переходу, устойчивые моды “подстраиваются” под неустойчивые и могут быть исключены. Остающиеся неустойчивые моды служат в качестве параметров порядка, определяющих макроскопическое поведение системы. Коллективное движение диссоциированных ранее элементов складывается в определенную упорядоченность в результате подчинения большого числа параметров состояния малому количеству параметров порядка.

Неравновесные фазовые переходы отличаются тем, что новое состояние достижимо и устойчиво только благодаря постоянному подводу энергии, так как происходит постоянная диссипация энергии (ее рассеяние). Эта ситуация очень далека от равновесия. Неравновесная термодинамика является обобщением классической. В свете открытий неравновесной термодинамики стало ясно, что локальное уменьшение энтропии при образовании диссипативных структур компенсируется ее повышением в окружающей среде за счет передачи ей энтропии, произведенной в системе. С ростом потока энергии, компенсирующего диссипацию, вновь возникающие структуры становятся все более сложными. Кроме того, при изменении внешних параметров (температуры, размеров системы, веса, возраста) те же элементы складываются в непредсказуемые конфигурации.

Энтропия есть мера недостатка информации в системе. Идея информации — это идея перераспределения чего-то уже имеющегося в наличии, уже произведенного. Любой параметр, содействующий перераспределению вещества и/или энергии, выступает в информационном качестве. Информационный параметр (параметр порядка) призван реализовать один из маршрутов распределения энергии и/или вещества из числа всех возможных путей такого распределения (очевидно, маршруты распределения энергии в тепловых структурах качественно отличаются от таковых при распределении энергии в живом организме).

С вероятностной точки зрения информация есть устраняемая неопределенность. Высокой энтропии соответствует практически исчезающая информация. Напротив, отвод энтропии равносилен поступлению в систему не энтропии, пропорциональной определенному количеству информации. При переходе к изучению все более сложных систем именно структурные, информационные аспекты их поведения и развития выступают на первый план, а динамика создает лишь основу для информационного развития.

Нелинейная термодинамика хорошо сочетается с химической кинетикой. На основе классических работ Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского в свое время были поставлены уникальные эксперименты. На уровне химической организации материи вновь обнаруживает себя принцип когерентности флуктуаций при становлении нового целого. Этот феномен поведения химической реакции был установлен Б.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским и зафиксирован в форме тезиса: “Пространственные, временные и пространственно-временные структуры в органическом и неорганическом мире возникают как проявление коллективных колебаний через флуктуации, их взаимодействие и отбор тех из них, которые обладают наибольшим временем релаксации”.

До пятидесятых годов 20 в. считалось, что в реакциях неорганических компонентов периодические явления наблюдаться не могут, хотя первые сведения о наблюдении таких реакций датируются концом 19 в. Современный этап в исследовании колебательных химических реакций начался со случайного открытия, сделанного в 1958 г. Б. П. Белоусовым, который заметил, что если растворить лимонную и серную кислоты в воде вместе с броматом и солью церия, то окраска смеси изменяется периодически от бесцветной до бледно-желтой. Систематическое исследование этой реакции провел через несколько лет А.М. Жаботинский. Он же отметил возникновение в ходе этой реакции различных упорядоченных структур. Сразу после этого было создано множество вариантов реакции с более быстрыми и более медленными осцилляциями. Однако детальное изучение глубинных механизмов реакции было проведено только в 70-х гг.

Применительно к химии эти процессы были специально изучены и, как отмечено во многих научных работах: “...Вблизи критической точки корреляции становятся крупномасштабными. Хаос химического взаимодействия нескольких веществ порождает порядок”. Крупномасштабная флуктуация ведет себя как единое макроскопическое целое, несмотря на то, что взаимодействия между диссоциированными элементами носят короткодействующий характер, несоизмеримый по своим масштабам с глобальными масштабами корреляции в пределах развивающейся флуктуации. Возникшие на этой основе устойчивые состояния диссипативных структур, раз возникнув, удерживаются, невзирая на большие внешние воздействия.