Текст книги "Временнáя структура биосистем и биологическое время"

1.3. Природа и свойства биологического времени

Поскольку генез информации в сенсорных структурах организма, ее время-зависимое кодирование, проведение по нервным путям, фиксация и декодирование (извлечение из памяти) являются временны́ми процессами, энергетически зависящими от метаболизма, эндогенное (биологическое) время можно выразить через равенство:

Т = (Еinf + Еd)/ m, (1)

где Einf – энергия, сопряженная с процессингом информации (в кал или дж), Ed – энергия, диссипатировавшая при этом в тепловую, m – коэффициент, отражающий интенсивность метаболизма в единицу времени (кал/сек или дж/мс и т. д.).

Из выражения (1) следует, что рост интенсивности метаболизма и/или уменьшение объема информации приводит к ускорению биологического времени, тогда как увеличение объема новой информации, напротив, замедляет его.

Другим следствием является то, что время не тождественно информации, но они могут изменяться параллельно, однако не всегда сходно. В случае живых организмов этот тезис иллюстрирует соотношение времени и информации при хранении последней в памяти: время и информация частично диссоциированы друг от друга, время выступает лишь в роли маркера блоков информации на определенном отрезке «стрелы времени» онтогенеза. Это хорошо согласуется с функциями «нейронов времени» («time cells») в гиппо-ампе, структуре головного мозга, связанной с механизмами памяти: среди нейронов поля СА1 у обездвиженных крыс с фиксированной головой такие нейроны отслеживают время появления «выученного» сигнала (запаха), другие – контролируют текущее время фактически диссоциированно от пространства (MacDonald et al., 2013).

Вместе с тем, выражение (1) позволяет связать длительность времени как универсальную константу, отражающую ход времени (Козырев, 1989), и сопряженные переменные параметры: объем информации (Чернышева, Ноздрачев, 2006), обусловливающий длительность ее процессинга, соответствующие затраты энергии и значение Еd, а также интенсивность метаболизма. Для косных тел (например, для монолита гранита) выражение (1) также можно считать справедливым, поскольку воздействие извне как информационно значимый сигнал может отражаться, например, в микроизменениях кристаллической решетки гранита. Обмен веществ и энергии весьма замедлен (коэффициент m мал), тогда как Еd неограниченно растет, чем определяет значительную длительность времени существования монолита (Т), будучи существенно больше Einf, что и отличает подобное косное тело от живых организмов.

Это соответствует представлениям Н. А. Козырева (Козырев, 1989) об активных свойствах субстанционального времени, а также созвучно идеям А.П. Левича (2004, 2008) о том, что субстанциоальное время является причиной изменчивости и обусловливает энтропийную параметризацию «системоспецифичного» времени. Логично предположить, что поток субстанционального времени запускает на уровне организма его референты, временны́е процессы, совокупность которых примем за эндогенное биологическое время. Это определяет наличие у субстанционального и биологического времен сходных свойств направленности и непрерывности. При этом временны́е процессы, генерируемые на разных структурных уровнях организма, и эндогенное время в целом обладают такими специфическими свойствами как последовательность (поскольку временны́е процессы могут запускать или тормозить один другой) и дискретность в силу возможного различия у разных временных процессов таких темпоральных параметров как латентность, длительность, скорость и плотность. Один из параметров, плотность эндогенного времени, требует пояснения.

Термин плотность времени был введен Н. А. Козыревым (1985) как его переменный параметр, характеризующий активные свойства времени. Примечательно указание автора о возможности проявления плотности времени в биологических системах. Действительно, ряд известных в биологии феноменов и экспериментально установленных фактов подтверждают правомочность введения данного переменного параметра времени. (Чернышева, 2008а).

В соответствии с выражением (1) очевидно, что в эволюции увеличение объема памяти и, соответственно, Einf и Ed не могло быть линейно бесконечным из-за роста длительности процессинга информации, больших энергетических затрат и опасности перегрева. Это согласуется с теорией лимита диссипации тепла у эндотермов (Speakman, Krol, 2010). Названных опасностей удалось избежать, в частности путем селекции незначимой информации и «свертки» или «уплотнения» информации в памяти в виде сенсорных и эффекторных стереотипов (Чернышева, 2008а). Последние представляют собой совокупность «ключевых» признаков (символов), характеризующих информацию о знакомом (например, зрительном) образе или поведенческой реакции. Согласно представлениям современной нейрофизиологии восприятие мозгом информации об объектах окружающей среды или от рецепторов внутренних органов, мышц и сосудов, а также при извлечении информации из памяти происходит как процесс сканирования соответствующей эндогенной информации. Если информация обладает новизной, особенно значительной, то любой «сюжет», состоящий из ряда эпизодов, будет «прочитываться» полностью, последовательно, от эпизода к эпизоду, что увеличивает длительность процессинга. Если же информация известна, то узнавание ее и прочитывание может осуществляться по «ключевому» слову или эпизоду, т. е. по символам, характеризующим данный информационный стереотип. При этом значительно больший объем информации будет просмотрен за меньшее время, ускоренно, и с меньшими затратами энергии на ее процессинг. Следовательно, параметр плотности характеризует информационно-энергетическое наполнение времени и, в соответствии с выражением (1), увеличение плотности ведет к снижению энергетических затрат на процессинг информации (Einf и Ed) и к ускорению (уменьшению) эндогенного времени при относительно постоянном значении m. В силу сопряженности времени, информации и энергии взаимосвязаны также и стереотипы – информационные и временные. Примером таковых может послужить комплекс (фактически, сенсорно-временной стереотип) временных параметров электро-кардиограммы, по которым младенец узнает мать. Создание таких информационно/временных «стереотипов» разного срока хранения (в кратковременной, долговременной и буферной памяти) ускоряет извлечение информации при воспоминании, снижает энергетические затраты на ее считывание, а также улучшает различение информации, сопряженной с настоящим и прошлым временами. Следовательно, в эволюции рост плотности прошлого времени может быть одним из факторов увеличения объема памяти. Это также важно для ускорения ответных реакций на воздействия окружающей среды и повышения адаптивных способностей живых организмов. Важность информационно/временных стереотипов подтверждает основной принцип обучения – обучение стереотипам – сенсорным (лица, слова, шахматные партии и т. д.) или моторным (навыки ходьбы, письма, вождения и т. п.). Известны и врожденные стереотипы с генетически закрепленными временными параметрами, – например, саккады глаз, ритмы электрической активности головного мозга. Заметим, некоторые авторы рассматривают саккады глаз как «механизм уточнения времени в зрительном анализаторе» (Радченко, 2002), а характерный для гиппокампа тета-ритм – как фильтр полезного сигнала при вводе его в память и механизм отсчета внутренних интервалов времени. В пределах определенной висцеральной системы подобную роль могут играть врожденные информационно/временные стереотипии, такие как перистальтические сокращения пищеварительного тракта, дыхательный и сердечный циклы (Чернышева, Ноздрачев, 2006). В названых особенностях временных процессов и эндогенного времени проявляются характерные для системоспецифичного времени организма новизна и изменчивость (Левич, 2008). Для биосистем изменчивость отражает также свойство реактивности, которое является непременным условием существования живых организмов.

Глава II
Временная структура организма. Временные процессы

2.1. Характеристика временной структуры биосистемы

Как уже говорилось в разделе, посвященному феномену жизни (1.1.), живые организмы как открытые термодинамические системы для самосохранения в процессе гомеостатирования обмениваются с окружающей средой материей, энергией, информацией и, предположительно, временем. Трудно допустить, чтобы пребывающая в потоке субстанционального времени биосистема (от одноклеточных организмов до биоценоза) не могла бы сохранить свою «временнýю» относительную самостоятельность! Очевидно, что это возможно лишь при наличии у организма собственной временнóй структуры.

Логично предположить, что компонентами временнóй структуры организма могут быть:

1. собственно временные процессы разных типов;

2. их эндогенные генераторы разных структурных уровней;

3. механизмы оценки (в том числе, осознанной, субъективной) индивидуального времени и его изменений (рис. 2).

Для создания единой временнóй структуры биосистемы должны быть соблюдены ряд условий:

– наличия сенсоров и усилителей экзогенного времени;

– взаимодействия компонентов временной структуры между собой;

– существование механизмов их временнóй сонастройки и подстройки к экзогенным временным процессам;

– возможность гомеостатической регуляции и коррекции эндогенного времени и временной структуры биосистемы в целом.

Рассмотрим доводы и конкретные экспериментальные данные в пользу, прежде всего, существования каждого из вышеперечисленных компонентов временной структуры.

Рис. 2. Схема временной структуры организма. Пояснения в тексте.

2.2. Типы временных процессов

Очевидно, что, будучи компонентами эндогенного времени, разные типы временных процессов на уровне молекул, клетки, ткани, физиологических систем и организма принципиально сходны по свойствам, но могут проявляться различно и выполнять разные функции. Представление о симметрии (подобии) и асимметрии (нарушении подобия) структур живых организмов приложимо и к различным типам временных процессов (Чернышева, 2007). Свойствами симметрии в этом аспекте обладают такие временные процессы как циклы и ритмы. К асимметричным можно отнести направленное время, которое включает прошлое, настоящее и будущее времена, а также монофазные процессы и тенденции.

А. Направленное время

Дискуссии об асимметрии времени среди философов и математиков ведутся давно (Страхов, 1894, 2006; Сallender, 2002, и др.). В рамках геометрической модели времени, т. е. «стрелы времени», высказывались крайние мнения о настоящем: либо оно не существует («точка» на временной оси между прошлым и будущим), либо оно безмерно и включает прошлое и будущее, различие которых лишь постулируется как самоочевидное, но не конкретизируется. Современные представления о временных процессах на уровне клеток, тканей и физиологических систем живых организмов позволяют по-новому взглянуть на эту проблему и конкретизировать различие свойств и функций прошлого, настоящего и будущего (Чернышева, Ноздрачев, 2006).

Прежде всего, отметим их различие по объему информации, уровню энергии и скорости роста энтропии, которые максимальны для настоящего времени в силу реализуемых обмена веществ и энергии в ходе процессинга новой информации и минимальны– для будущего. Наиважнейшим свойством настоящего времени является: наличие новизны (изменения) информации. Новизна выступает в роли «точки отсчета» или начала настоящего времени, что в норме позволяет различать информацию, сопряженную с настоящим, прошлым или будущим. На клеточном уровне такой «точкой отсчета» может быть изменение одного из параметров жизнедеятельности, например, cнижение в матриксе митохондрий соотношения NADH/NAD+ и синтеза АТФ способствует образованию анион-радикала кислорода (Murphy, 2009), что может вызвать запуск в цитоплазме цепных реакций образования свободных радикалов и других активных метаболитов кислорода с усилением процессов перекисного окисления липидов как последовательности временных процессов. Заметим, что «включение» антиоксидантной защиты зависит от двух темпорально обусловленных факторов: скорости каталитических реакций антиоксидантных ферментов и около-суточного ритма их активности. Показано, что митохондриальная супероксиддисмутаза, содержащая в активном центре марганец (Mn-СОД), обладает самой высокой известной каталитической скоростью реакции дисмутации О2– в кислород O2 и пероксид водорода H2O2 (~109 M−1 s−1). При этом скорость спонтанной дисмутации анион радикала гораздо ниже (~105 M−1 s−1 при pH 7), а скорость его воздействия на NO с образованием токсичного пероксинитрита составляет средние значения (Muller, et al., 2006). Следовательно, темпоральные параметры окислительно-восстановительных реакций определяют их защитный или повреждающий эффект.

В нервной системе роль «точки отсчета» настоящего времени может играть, например, изменение мембранного потенциала или частоты/паттерна разряда нейрона. В гормональной системе эту роль может играть смена доминирующего гормонального модуля и/или их концентрационно зависимых эффектов (Чернышева, Ноздрачев, 2006), в иммунной системе – появление антигена или запуск секреции определенных цитокинов макрофагами и т. д. В анализируемом аспекте представляет интерес исследование K. Niitepõld и I. Hanski (2007), в котором было показано, что базальный уровень метаболизма в покое у бабочки Melitaea cinxiа не коррелирует с продолжительностью ее жизни, тогда как коэффициент корреляции для стабильно и стереотипно максимального уровня метаболизма, характерного для полета в условиях лабораторного эксперимента и в природе, составил 0,98-0,99. Можно предположить, что само переключение метаболизма бабочки из режима покоя на режим полета может служить сигналом о новизне информации, служащей точкой отсчета настоящего времени.

Различие длительности и других темпоральных параметров гетерогенных следовых реакций, сопряженных с процессингом информации (в том числе, висцеральных, гормональных, метаболических, иммунных), делает размытой «границу окончания» настоящего времени в отличие от его точки отсчета. При этом длительность настоящего времени в нервной и гормональной системах в значительной степени определяется длительностью постепенно затухающей реверберации информационно значимого сигнала в соответствующих сетях. В гормональной системе она может зависеть также от длительности поддержания оптимальной (для сохранения процессинга) концентрации гормона или комплексов/модулей гормонов.

Для настоящего времени характерны следующие свойства:

– направленная развертка во времени информации по мере ее процессинга;

– рост Еd по мере последовательного процессинга новой информации;

– зависимость длительности настоящего времени от объема новой информации, периода и способа ее обработки, а также от темпоральных параметров следовых процессов;

– высокий уровень термодинамической неустойчивости, сопряженный с наибольшим (по сравнению с прошлым и будущим временем) объемом информации и, следовательно, Еinf и Ed, а также ростом обобщенной энтропии организма.

Заметим, что идея Л. Больцмана об эволюции времени в направлении роста энтропии справедлива именно для длящегося настоящего времени. В филогенезе рост интенсивности метаболизма согласно принципу Ле Шателье сопряжен с ростом обобщенной энтропии биосистемы. В роли компенсаторного механизма можно рассматривать увеличение объема информации (как негэнтропии), воспринимаемой живыми организмами и хранимой в памяти. Возможным конкретным механизмом «отслеживания» текущего настоящего времени и формирования следов памяти является электрическая активность так называемых «клеток времени» (time-cells) в поле СА1 гиппокампа, образующих темпорально организованные ансамбли нейронов, связанных с отслеживанием текущего (настоящего) времени и с фиксацией информации определенной или разных сенсорных модальностей, что было показано на обездвиженных крысах (MacDonald et al., 2013). Однако у свободно перемещающихся животных часть нейронов времени интегрирует информацию об ориентирах пространства, а также, по-видимому, сигналы от проприорецепторов (Kraus et al., 2013). Предполагается, что нейроны времени гиппокампа (структуры мозга, связанной с эпизодической памятью) при воспоминании могут обеспечивать связь между разрозненными эпизодами, хранящимися в памяти и относящимися к одному временному периоду (MacDonald et al., 2011).

Перечисленные свойства позволяют отметить следующие основные функции настоящего времени:

1. выявление и оценка степени новизны информации путем ее сравнения с информацией, хранящейся в памяти (т. е. прошлого времени);

2. характеристика динамики потока информации;

3. структурирование информации в процессе ее обработки и ввода в память: рост плотности настоящего времени при увеличении доли информационно-временных стереотипий ускоряет прохождение настоящего времени;

4. энергетическое обеспечение формирования следов памяти (прошлого времени) и программ будущего времени;

5. гомеостатирование объема информации, энергетического потенциала организма и set point эндогенного времени (точки отсчета его изменений – см. главу IV).

Указанные свойства и функции настоящего времени не позволяют сводить его к «мгновению между прошлым и будущим» или же приравнять биологическое время живого организма только к настоящему.

К свойствам прошлого времени, взаимосвязанного с механизмами памяти, можно отнести отсутствие (относительное) новизны информации, а также отсутствие временной развертки для информации о прошедших событиях (до запуска механизма воспоминания, что происходит в настоящем времени).

Селекция части информации в ходе процессинга ведет к ее «уплотнению» и «свертке», отражением которых являются эпизодическая и сюжетная память, а также отмечаемое многими исследователями несходство информации при ее вводе в память и на «выходе», при считывании энграмм. Очевидно, что хранение информации в памяти представляет собой менее энергоемкий процесс, чем ее кодирование, проведение, фиксация или декодирование, происходящих в настоящем времени. Это позволяет говорить о низком уровне Еd и обобщенной энтропии как свойствах, присущих прошлому времени.

Для будущего времени характерны: проективность и схематичность; при этом мотивация и цель играют роль факторов темпорального структурирования информации о будущем; дискретность субъективного конкретного представления о будущем: относительно конкретной может быть информация лишь о цели и начальных этапах программы ее достижения; информация о будущем включает оценку времени достижения цели (но не самой реально достигнутой цели) как отдельный «блок информации»; программа будущего времени формируется в настоящем с участием информации, хранимой в памяти, т. е. информации прошлого времени. При этом память как референт прошлого времени может хранить ряд нереализованных программ будущего, сформированных прежде. Примерами программ будущего времени являются мечты о приключениях у детей и планы построения лучшего общества у взрослых, а также гормональные перестройки препубертатного периода.

Различия свойств прошлого и будущего времен не позволяют говорить об их зеркальной симметрии относительно настоящего. Вместе с тем, нельзя не отметить противоречивость асимметрии «стрелы времени», идущей от прошлого через настоящее в будущее. Так, хотя прошлое не тождественно (асимметрично) будущему и оба не тождественны настоящему времени, прошлое время хранит нереализованные варианты программ будущего. Далее, в настоящем объединяется информация настоящего (новая) и прошлого (в том числе сохраненные варианты программ будущего) для формирования новой программы будущего, т. е. прошлое и настоящее включены в будущее, а будущее – в настоящее и прошлое. Вместе с тем, бóльшая лабильность темпоральных параметров временных процессов, связанных с обработкой новой информации, высокие уровни метаболизма и роста обобщенной энтропии настоящего времени, делают его энергетическим донором для поддержания информационной наполненности прошлого и для «информационного структурирования» будущего времени – в этом функциональный смысл объединения в настоящем прошлого и будущего времени (Чернышева, Ноздрачев, 2006).

Одним из конкретных примеров такого взаимодействия на клеточном уровне является феномен прекондиционирования умеренной гипоксией, повышающий выживаемость крыс, позже подвергаемых тяжелой гипобарической гипоксии. Описанные в исследованиях (Самойлов, и др., 2012; Rybnikova et al., 2006; 2012) быстро запускаемые (на уровне клеточной мембраны и цитозоля) молекулярные механизмы ранней фазы ответа на умеренную гипоксию подготавливают запуск защитных процессов следующей (на уровне генома) фазы. Если на фоне последней животное подвергнуть тяжелой гипоксии, то ослабляются ее повреждающие воздействия. Защитный эффект усиливается после трехкратного прекондиционирования, сеансы которого следуют с определенным временным интервалом, способствуя, возможно, большей синхронизации взаимодействий внутриклеточных систем сигналинга, что отражает значительное увеличение содержания в клетках транскрипционного фактора CREВ.

Если рассматривать последовательно генерируемые комплексы реакций ранней и поздней фаз ответа на прекондиционирование как вехи направленного времени на уровне клетки, то ранняя, отражающая настоящее время, связанное с новизной, готовит программу защитных реакций для будущей, поздней фазы. Очевидно, что по мере прохождения последней, информация о молекулярных процессах ранней фазы «переходит» в прошлое время с сохранением взаимодействий за счет обратных связей. С точки же зрения теории стресса, результаты работ этой группы авторов можно также трактовать как регулируемое исследователем переключение от острого стресса к привычному, при котором используются выученные (в прошлом) программы ответных реакций.

Б. Монофазные процессы и тенденции

Основная функция монофазных временных процессов – маркирование стрелы времени на периоды. Для них характерен однократный генез в точках бифуркации направленного времени, где под действием «фактора неравновесности» могут скачкообразно изменяться временные параметры «стрелы времени» и временная структура организма. В направленном времени филогенеза примерами монофазных временных процессов можно считать появление ароморфозов. На уровне отдельной соматической клетки монофазные временные процессы, накладывающиеся на стрелу времени ее жизнедеятельности, могут быть выражены митозом, дифференцировкой и апоптозом. Примерами монофазных процессов на тканевом уровне может служить комплекс реакций воспаления, запускаемых травмой, на полисистемном – комплексы реакций нервной, гормональной, иммунной и кардиореспираторной систем, а также метаболизма, реализуемых при родах. На уровне временной структуры организма к монофазным временным процессам можно отнести такие события онтогенеза как рождение, половое созревание, климакс, смерть и т. п… Очевидно, что монофазные временные процессы являются одним из факторов, определяющих дискретность эндогенного времени и перестройки временной структуры организма.

Как и монофазные временные процессы, тенденции накладываются на стрелу времени (онтогенеза), обусловливая монотонное изменение тех или иных параметров (например, мышечной массы, концентраций половых гормонов и т. п.) в рамках их диапазонов в течение периода, начало и/или окончание которого отмечено монофазным процессом. Это указывает на несомненную роль тенденций в стабилизации временной структуры организма посредством «сглаживания» резких изменений, обусловленных моно-фазными временными процессами. Принятые в геронтологии возрастные периоды онтогенеза человека характеризуются прежде всего комплексом определенных изменений тимуса и эпифиза (Квитной и др., 2011; Полякова и др., 2011; Хавинсон и др., 2012). При этом ускорение процессов старения во многом взаимосвязано с интенсивностью метаболизма. Например, показано, что у мышей-мутантов снижение уровня инсулина, свободно-радикального окисления и интенсивности метаболизма, вызванное отсутствием генов инсулиноподобного фактора роста I (IGF-I), или гормона роста, приводит к росту чувствительности рецепторов инсулина, стресс-резистентности и – увеличению продолжительности жизни как стрелы времени (Bartke, 2005; Westbrook et al., 2013). Как показывают многочисленные исследования, аналогично действуют и низкока-лорийные диеты. В целом функции асимметричных временных процессов направлены на обеспечение таких свойств эндогенного времени как направленность, необратимость и дискретность.