Временнáя структура биосистем и биологическое время. Глава II. Временная структура организма. Временные процессы (М. П. Чернышева, 2016)

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.

2.2.1. Асимметричные временные процессы

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.

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.

2.2.2. Симметричные временные процессы

Для симметричных временных процессов характерна повторяемость и в этом смысле тождественность самому себе определенного цикла или ритма. При этом они накладываются на асимметричный временной процесс стрелы времени онтогенеза. Это определяет соответствующую изменчивость их параметров в разные периоды жизни и, тем самым, относительный характер тождественности/симметрии этих временных процессов.

Циклы представляют собой комплексы последовательно генерируемых временных процессов, продукты каждого предыдущего запускают последующий, а продукты и эффекты последнего дают начало первому временному процессу следующего цикла. Циклы имеют фазную фиксированную временную структуру: темпоральные параметры фаз, например, цикла GDP/GTP-связывающих белков или сердечного цикла, имеют определенные длительность, скорость, как и самого цикла в целом.

На клеточном уровне классическим примером является цикл деления клетки, в котором, как известно, стадии интерфазы в связи с интенсивными процессами синтеза белков (G1, G2), редупликации ДНК и формированием нуклеосом (S) отличает бóльшая продолжительность. Они подготавливают клетку к быстрому прохождению фазы М (митоза), заканчивающейся карио- и цитокинезом. Образовавшиеся дочерние клетки вновь начинают прохождение стадий интерфазы. Наибольшей вариабельностью длительности обладает стадия G1, тогда как стадию S и фазу М отличает стабильность темпоральных параметров. Прямое измерение продолжительности клеточного цикла с помощью цейтраферной видеосъемки показало, что у клеток линии L-929 она в целом составляет около 14 часов (Петров и др., 2012). У разных типов клеток длительность цикла может различаться, как и число делений. Считается, что у большинства соматических клеток человека число клеточных циклов в течение онтогенеза примерно равно 52 (лимит Хейфлика), что объясняется геномными (Оловников, 2003, и др.) и эпигенетическими факторами (Галицкий, 2009). Неделящаяся клетка переходит в стадию G0 или подвергается апоптозу, который могут ускорять про-апоптотические факторы (например, белок р75). Следовательно, число клеточных циклов фактически определяет продолжительность «стрелы времени» для исходной клетки.

Число циклов может определять и длительность монофазных процессов. Hапример, число циклов ретроэндоцитоза, которому подвергается инсулиноподобный фактор-1 (IGF-1) после связывания с рецептором, определяет длительность его эффектов в субмембранной зоне цитозоля.

Заметим, что число эстральных циклов у самок млекопитающих, накладывающихся на репродуктивный период «стрелы времени», также определяет его длительность, что имеет видовую специфику (McCraken et al., 1999). Как и клеточный, эстральный цикл отличают полифазность и сложная временная структура, обусловленная регулирующим влиянием многих циклически секретируемых гормонов, нейромедиаторов и цитокинов на периферии и в центральной нервной системе. Вместе с тем, в рамках каждого цикла можно отметить элементы асимметрии, выраженные через параметры временного процесса: разную длительность фаз митоза, или же изменение временных характеристик фаз 1-4-го циклов сна от вечера к утру (Ковальзон, 2012).

Повторяемость и относительная устойчивость временной структуры цикла, а также его суммарной длительности определяют цикл как временной стереотип с меньшими затратами энергии и минимумом роста обобщенной энтропии по сравнению с асимметричными временными процессами.

Начиная с Гераклита и до нашего времени, многие исследователи обращали внимание на ритмы природных явлений и взаимосвязь с ними жизнедеятельности живых организмов. Временна́я организация ритмов более проста по сравнению с циклами: для нее характерно синусоидальное изменение определенного параметра, среднее значение которого называется мезором, наибольшее и наименьшее значения – соответственно акрофазой и батифазой, а за период ритма принимается длительность паузы между возникновением двух сходных значений параметра, которые он принимает на двух соседних акро- или батифазах. Возникновение ритмов с разной длительностью периода обусловлено воздействием на биосистемы разных комплексов факторов (Романов, 2000; Wilcockson et al., 2008, и др.).

Синусоидальный характер биоритмов указывает на вероятность волновой природы времени как явления, сопряженного с энергией. Распространенность ритмов как временных процессов жизнедеятельности обусловлена тем, что ритмы способствуют структуризации экзо- и эндогенной информации и потоков энергии, уменьшают разброс значений определенных гомеостатических констант (температуры тела, активности ферментов, содержания Са+2 в крови, двигательной активности и т. д.). Тем самым ритмы уменьшают проявления хаоса, увеличивают коэффициент порядка h и, следовательно, максимально противодействуют росту обобщенной энтропии (Чернышева, Ноздрачев, 2006). Это соответствует представлению о циркадианных и сезонных ритмах как о механизме опережающей гомеостатической регуляции, направленном на реализацию адаптивной стратегии обмена веществ и снижения энергетических потерь (Алпатов, 2000, и др.). Следовательно, можно предположить, что необходимость в подстройке к экзогенному ритму (например, к циркадианному ритму освещенности) у организма возникает в случае энергетического дисбаланса и недостаточности эндогенных механизмов, генерирующих энергию (при гиподинамии и гипометаболизме) и/или снижающих уровень обобщенной энтропии. Тогда внешние «задатчики» ритма могут выступить в роли энергетического донора и протектора (через генез/поддержание эндогенных ритмов) роста обобщенной энтропии. В роли таких внешних «задатчиков» ритмов, с которыми могут синхронизироваться эндогенные процессы, выступают ближайшие (но, по-видимому, не единственные) космические тела, Солнце и Луна, усиливающие слабые воздействия потока субстанционального времени и «транслирующие» их на биосистемы Земли на своем энергетическом «языке»: энергии света, электромагнитного и гравитационного полей. Такая синхронизация обусловливает соответствующие временные параметры ритмов, среди которых различают определяемые: около-суточным (циркадианным) ритмом освещенности, 20–28 часа; лунными сутками (циркалунарным ритмом), 24 ч 50 мин, в течение которых 2 прилива и 2 отлива определяют циркатидальный (около-приливный) ритм, длительность периода которого равна 12,4 часа, а фазы смещаются ежедневно примерно на 50 мин. Семилунарный ритм связан с минимальными приливами (neap tides), его период составляет 15 дней. Максимальной величины (так называемые сизигийные приливы) они достигают дважды в течение синодического, или лунного, месяца (29,5 солнечных суток): в новолуние и полнолуние. Фазы Луны обусловливают цирка-септальный (околонедельный) ритм с длительностью периода 7,0 дня. Смена времен года определяет цирканнуальные (окологодовые) ритмы с периодом 365 дней. Цикл активности Солнца определяет 11-ти летние ритмы. Есть и другие многолетние ритмы с бóльшим периодом.

Исследования взаимодействия разных типов ритмов, например, околосуточных ритмов освещенности и приливных ритмов на поведение ракообразных прибрежной зоны, или околосуточных и циркалунарных ритмов показали возможность разных источников их генеза на уровне организма при высокой степени корреляции.

В отсутствие внешних источников энергии, задающих ритм, период эндогенного ритма слегка отличается по параметрам от нормы в естественной среде. Период такого свободно бегущего (free-run) ритма называется tau.

Благодаря своим свойствам ритмы поддерживают (возможно, в большей степени, чем другие временные процессы), значения гомеостатических констант организма (температуру тела, объем памяти и воспринимаемой информации, содержание сахара в крови, и т. п.). в рамках оптимума, задаваемого гено- и фенотипом.

Согласно представлениям В. И. Вернадского, синхронизация ритмов геологического времени, приводит к накоплению энергии. То же, по-видимому, характерно и для биоритмов как симметричных временных процессов. На это указывает синхрония ритмов активности сердца и дыхательной системы, описываемая при мышечных нагрузках в условиях нарастания кислородного долга мышц (Покровский и др., 2002) Она направлена на компенсацию гипоксии через усиление тканевого дыхания, т. е. на рост энергетического потенциала организма. Известно, что в гипоталамусе и неокортексе синхронизация ритмов соответственно импульсной активности нейронов и электроэнцефалограммы используется как механизм усиления и выделения из шума сигнала и/или ответа на воздействие. Синхронизация и увеличение амплитуды висцеральных ритмов при активации симпато-адреналовой системы и процессов гликолиза и липолиза в ходе запуска стресс-ответа также служат увеличению уровня энергетического потенциала организма, что необходимо для выбора или создания адекватной программы поведения и ее реализации. Большинство циклов и ритмов можно рассматривать как временные стереотипы, которые поддерживают и гомеостатируют энергетический потенциал организма в силу наложения на стрелу времени онтогенеза. Поскольку состояние гомеостазиса соответствует «норме хаотичности» открытой неустойчивой термодинамической биосистемы, характеризуемой минимальным ростом уровня энтропии и возможностью обратимых процессов (Климонтович, 1996), то можно допустить относительную обратимость именно симметричных временных процессов при гомеостазисе в рамках оптимума нормы реакции фенотипа организма.