Раздел I: Великие учителя науки, заложившие фундамент термодинамической биологии
Мощный теоретический прорыв в наше время невозможен на пустом месте. Научный мир, пожалуй, можно напрямую сравнить с миром биологии, поскольку развивается он, несмотря на убеждение многих в обратном, именно путём эволюции, а не революции. Когда я слышу выражение «научная революция», я понимаю насколько это далеко от истины потому, что революция по своей сути, это действие, разрушающее старые устои и парадигмы и замена их новыми. Научный же мир явно развивается эволюционным путём, поскольку наука никогда не забывает своих корней, и самые великие ученые нашего времени часто, обращаясь к истокам, находили там информацию для своих будущих открытий.
Поэтому вместо выражения «научная революция», я предпочитаю использовать термин «научный прорыв». Прорыв в науке возможен только в случае твёрдой опоры под ногами, от которой можно надежно оттолкнуться и совершить прыжок выше головы. Ничего не получится у того, кто вместо того, чтобы отталкиваться от опоры как можно сильнее и покорять новые высоты, начнёт разрушать эти основы, пытаясь подменить старые понятия новыми, но, не двигаясь при этом с места. Поэтому в этой книге, я прежде всего, хочу познакомить Вас с моими «опорами», поверьте, они прекрасны. В моем случае можно сказать, что труды этих великих людей образуют не просто мощный научный фундамент, а самый настоящий «батут для познающего».
Я приглашаю Вас, уважаемый читатель, вместе со мной, воспользоваться громадной силой этого «батута» и, преодолев притяжение, выйти на новую орбиту познания. Вперёд!
Бауэр Эрвин Симонович
19.10.1890 – 11.01.1938
«Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счёт своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях».
Обширная клиническая практика по восстановлению кровотока в позвоночных артериях и венах у пожилых людей постепенно привела меня к пониманию того, что буквально у всех моих пациентов, наблюдаются одни и те же клинические эффекты: нормализация артериального давления, восстановление и оптимизация обмена углеводов, корреляция плазматического уровня и состава липопротеидов различной плотности и другие метаболические эффекты. Понимание этого момента, явилось отправной точкой в развитии гипотезы о наличии единого надмолекулярного интегрального механизма регуляции этих процессов.
Именно мысль о том, что все биохимические каскады организма, реализованные на молекулярном уровне, подчиняются некоему внешнему общему управлению, в итоге и привела меня к созданию стройной теории, которую по анатомическому и биохимическому признакам я назвал теорией централизованной аэробно-анаэробной компенсации энергетического баланса (ЦААКЭБ).
Когда мне удалось сформировать теорию ЦААКЭБ, я понял, что в природе должны существовать какие-либо общие законы биологии для всего живого. По своей природе, теория ЦААКЭБ должна была подчиняться законам физики и иметь аналогии в области физики биологических объектов. Используя поисковый инструмент в интернете, а именно Яндекс, я задал вопрос: «всеобщий закон биологии», и в качестве первой ссылки Яндекс выдал общий закон биологии Эрвина Бауэра. Уже потом, когда я прочитал его труд «Теоретическая биология», у меня сформировалась четкая концепция иерархичных управляемых термодинамических сфер, которая легла в основу этой книги.
Эрвин Бауэр родился в 1890 году в венгерском городе Леч (ныне Левице, в Словакии) в семье Симона Бауэра, преподавателя французского и немецкого языков. Эрвин окончил медицинский факультет в Гёттингене, где занимался гистологией и патологической анатомией. В 1914 г. был мобилизован в австро-венгерскую армию и до 1918 года работал в гарнизонной больнице. В тот же год ученого постигла трагедия: его первая жена, известная венгерская писательница Маргит Каффка и их маленький сын умерли во время эпидемии гриппа.
Впоследствии Эрвин Бауэр увлекся социалистическими идеями, стал коммунистом и принял участие в венгерской революции. После её подавления осенью 1919 года вместе со второй женой, Стефанией Силард, Эрвин эмигрирует в Вену, а затем в Гёттинген. В 1921 году они переезжают в Прагу, где Бауэр становится ассистентом профессора Ружчки в отделе общей биологии и экспериментальной морфологии Карлова университета.
В этот период его особенно интересовали реакции клеток на различные факторы внешней среды в связи с общей теорией жизненных явлений. В 1925 г. по приглашению Института профессиональных заболеваний имени Обуха Бауэры приехали в Москву. В 1930 г. он издал книгу на русском языке «Физические основы в биологии», а уже в 1931 Бауер организовал и возглавил в рамках Биологического института имени Тимирязева лабораторию общей биологии. В процессе создания в Ленинграде Всесоюзного института экспериментальной медицины, в 1934 году, Бауэра пригласили возглавить отдел общей биологии, который включал в себя следующие лаборатории: электробиологическую, обмена веществ, раковую, общей биологии, лабораторию биологической и физической химии и биофизическую лабораторию. В 1935 г. выходит в свет главный труд Бауэра «Теоретическая биология»…
Талант Бауэра проявился в том, что, будучи еще совсем молодым человеком, он создал стройную физическую концепцию функционирования всего живого, которая до сих пор остается гениальной. Весь его посыл был о том, что организм, это – цельная система, а не комплекс разобщенных структур. И он был абсолютно прав. Причем, в те времена у него не было той исчерпывающей информации, того объема знаний, которым мы располагаем сейчас.
Суть мировоззрения Бауэра заключалась в том, что он всю жизнь пытался понять и выразить в физических формулах, как и по каким законам функционирует живая материя. Он понимал, что есть физика атомов и молекул и есть физика макротел. А есть отдельный раздел физики – биологический, или как он называл, «теоретическая биология», которая описывает глобальные законы, согласно которым функционирует все живое.
В своей практике он часто пользовался мысленными экспериментами, которые ему прекрасно удавались, за что основоположник учения о доминанте нервной деятельности Алексей Алексеевич Ухтомский, назвал его «Эйнштейном в биологии».
В то время лишь самые выдающиеся умы понимали то, чем занимается и то, о чем пишет Бауэр. Многие не могли понять, что такое теоретическая биология поскольку считали ее эфемерным понятием, которое нельзя потрогать, в отличие от материальной вещи. На основании своих многочисленных мысленных экспериментов он вывел и обобщил главный закон биологии, который гласит: «Все и только живые системы постоянно выполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого внешними условиями». Главный закон биологии не просто, абсолютно созвучен первому началу термодинамики, фактически он им и является в применении к живому веществу. Далее, в главе, посвященной первой термодинамической сфере, этот момент будет рассмотрен более подробно.
Бауэр оказался в Советском Союзе в период удивительного, всестороннего подъема в стране естественных наук. Расцвет науки был ярким, но очень кратким – с 1925 по 1929 годы. В этот период сформировались научные школы физиков А.Ф. Иоффе, Н.Н. Семенова, Л.И. Мандельштамма, Д.С. Рождественского, химиков А.Е. Чичибабина, В.Н. Ипатьева, Н.Д. Зелинского, математика Н.Н. Лузина, биологов Н.К. Кольцова, Ю.А. Филиппченко, Н.И. Вавилова, А.А. Ухтомского, И.П. Павлова, В.И. Вернадского.
После тяжелого исторического периода в стране начался переход к мирной жизни и новой экономике. Носители духа науки и просвещения – прогрессивные интеллигенты дореволюционного времени и их молодые ученики – с огромной энергией и страстью устремились к прерванным занятиям. Можно представить себе, как воспринял этот дух энтузиазма коммунист-эмигрант Э.С. Бауэр. К несчастью, великий гений попал под беспощадную машину репрессий тех лет, как и другие светлые умы той неоднозначной страницы нашей истории. В 1937 году, Эрвин и Стефания Бауэры были арестованы днем, на работе. Они никогда более не видели друг друга и своих детей. Эрвин Бауэр был приговорен и расстрелян в 1938 году. Двое его сыновей, Михаил и Карл, были разлучены и отданы в детские дома. Старший сын, Михаил Эрвинович Бауэр, после ХХ съезда КПСС и реабилитации родителей вернулся в Ленинград и получил образование инженера, а младший сын, Карл Бауэр, после армии окончил вечернее отделение Педагогического института по факультету иностранных языков. Сейчас он живет в Пензе и преподает в школе иностранные языки.
Эрвин Бауэр – это великий гений биологии, человек, значительно опередивший свое время. Изучение его трудов привело меня к мысли о написании этой книги. Он вдохновил меня на этот труд силой своей мысли, настолько мощной, что даже через восемь десятилетий после его противоестественной смерти, она обладает невероятным созидающим духом. Я преклоняюсь перед ним и посвящаю этот труд ему.
Мечников Илья Ильич
03.05.1845 – 02.07.1916
«Человек при помощи науки в состоянии исправить несовершенство своей природы».
В процессе научного поиска того механизма в биологии, который мог бы противостоять разрушению организмов, вследствие непрерывного действия главного разрушителя природы – второго начала термодинамики, ко мне пришло понимание, насколько важна роль стволовых клеток в этом процессе. В ходе изучения литературы, я прочитал труды о стволовой кроветворной клетке выдающегося ученого, гистолога, первооткрывателя стволовых клеток, нашего соотечественника Александра Александровича Максимова, который собственно и ввёл в термин «стволовые клетки» в медицину и биологию, впервые употребив его на съезде гематологов в Берлине в 1908 году. Пойдя дальше в этом направлении мне удалось выйти на работы замечательного последователя А. А. Максимова – Александра Яковлевича Фриденштейна. Именно он в 50-е годы прошлого века, более чем через два десятилетия после смерти Максимова, придал новое дыхание уже серьёзно недооценённому и подзабытому учению о стволовых кроветворных клетках. И именно ему впервые удалось обнаружить в строме костного мозга мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки, а главное, разработать методику их культивирования.
Работая с этими и другими источниками (особенно примечательны и важны последние достижения и открытия в этой области, осуществлённые доктором Синья Яманака – японским ученым, профессором института передовых медицинских наук в Университете Киото, нобелевским лауреатом 2012 года по медицине и физиологии за открытие группы генов, активируя которые можно обычные взрослые клетки переводить в состояние детских мультипотентных и в будущем выращивать из них органы и ткани), я часто встречал ссылки на книги Ильи Ильича Мечникова и начал также более углубленное и кропотливое изучение трудов этого колосса медицины, связанных с фагоцитозом и общими взглядами на работу организма в целом. Можно сказать, что я практически заново открыл для себя этого великого ученого.
Особенное влияние на мое научное мировоззрение оказала работа Ильи Ильича «Этюды оптимизма». После уже повторного осознанного прочтения этой книги многие вещи относительно функционирования стволовых клеток и фагоцитов стали логически объяснимыми с точки зрения нелинейной термодинамики. И когда я нашел в работах Мечникова связь фагоцитов с процессом старения, был сформулирован механизм распада, без которого невозможно существование организма. Уже потом, в виде озарения, передо мной предстала картина удивительно прекрасного принципа самообновления организма, действующего постоянно и неразрывно от момента деления стволовой клетки до поглощения фагоцитами апоптатических телец уже разрушенной дифференцированной соматической клетки. Этот принцип будет подробно описан далее в соответствующем разделе книги. А пока хочу сказать, что без понимания мною принципа «дисгармонии природы человека», введённым и подробно описанным Ильёй Ильичом, невозможно было бы и само написание этой книги. Поэтому остановимся на биографии и трудах этого удивительного человека более подробно!
Илья Ильич Мечников родился в семье гвардейского офицера и помещика Ильи Ивановича Мечникова и Эмилии Львовны Невахович. Детство Мечникова прошло в имении отца Панасовке, где у него пробудились любовь к природе и интерес к естественным наукам, который формировался под влиянием студента-медика, домашнего учителя старшего брата Льва.
В 1856-м Мечников поступил сразу во 2-й класс харьковской гимназии, которую окончил с золотой медалью в 1862 году. Еще гимназистом Мечников посещал лекции по сравнительной анатомии и физиологии в Харьковском университете, занимался микроскопированием и читал естественнонаучную литературу. По окончании гимназии Мечников отправился учиться в Германию, но обескураженный холодным приемом русских студентов, сразу же вернулся в Россию и поступил на естественное отделение физико-математического факультета Харьковского университета, где за два года вместо четырех (1862–1864) он расправился с программой естественного отделения. Сдав экзамены экстерном, Мечников, как подающий большие надежды молодой ученый, был командирован за границу для пополнения знаний.
Несчастье постигло ученого 20 апреля 1873 года, когда от туберкулеза умерла его первая жена – Людмила Федорович. После ее смерти Мечников был сильно подавлен и предпринял попытку самоубийства. Он употребил морфий и только по счастливой случайности выжил – порция морфия была слишком велика – возникшая рвота удалила из желудка не успевший всосаться в него яд.
В 1875 году он женился на Ольге Николаевне Белокопытовой, ставшей его помощницей в научном поиске. В конце концов Мечников сделал свое наиболее важное открытие – Илья Ильич стал основоположником фагоцитарной теории иммунитета. За исследования невосприимчивости в инфекционных болезнях в 1908 году Мечникова удостоили Нобелевской премии. Он доказал существование в организме особых амебоидных клеток, способных поглощать патогенные микроорганизмы. Наблюдая за подвижными клетками морской звезды под микроскопом, Илья Ильич обнаружил, что они не только участвуют в процессе пищеварения, но выполняют защитные функции в организме, обволакивая и поглощая инородные частицы. Мечников дал им название «фагоцитов», а сам процесс получил название «фагоцитоз».
В своей теории ученый описал три основных свойства, которые присущи клеткам – фагоцитам: способность защищать организм от инфекций, а также защищать его от токсинов (включая продукты распада тканей), способность фагоцитов к вырабатыванию ферментов и биологически активных веществ, присутствие антигенов на мембране клеток фагоцитов.
Несмотря на значительный прорыв в исследованиях строения и взаимодействия клеток организма, предложенная Мечниковым фагоцитарная теория остается главной основой современной иммунологии. В 1937 году начались работы по электрофорезу белков крови, положившие начало изучению иммуноглобулинов, а вскоре были открыты основные классы антител (иммуноглобулинов), способных идентифицировать и нейтрализовать чужеродные элементы. Все эти исследования лишь развивают теорию, предложенную Мечниковым, исследуя ее механизмы на более детальном уровне. Основными вызовами, на которые фагоцитарная теория должна найти ответ, являются вопросы иммунодефицита, лечение онкологических заболеваний, разработка новых вакцин и антиаллергенов.
Перспективным направлением является изучение механизмов ответной реакции инфекционных микроорганизмов на средства борьбы с ними. Что запускает их модификации, как происходит этот процесс на биохимическом уровне, каким образом на механизмы иммунитета влияет психическое и эмоциональное состояние и другие дополнительные факторы – эти и другие вопросы остаются пока малоизученными и ждут своих открывателей. В данной книге, прежде всего нас будут интересовать работы Мечникова, связанные с функцией фагоцитов с точки зрения их роли в процессе старения. В трудах Мечникова вопросы старения занимали значительное место. Он считал, что старость и смерть у человека наступают преждевременно в результате самоотравления организма микробными и иными ядами. Наибольшее значение Мечников придавал в этом отношении кишечной флоре. На основе этих представлений Мечников предложил ряд профилактических и гигиенических средств борьбы с самоотравлением организма (стерилизация пищи, ограничение потребления мяса, и др.). Основным средством в борьбе против старения и самоотравления организма человека Мечников считал болгарскую молочнокислую палочку – Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Он первый в мире оценил значение открытия болгарского студента Стамена Григорова. Ещё в 1905 году Мечников, будучи директором Института Пастера в Париже, пригласил этого молодого болгарского ученого, чтобы он прочёл лекцию о своём открытии перед светилами микробиологии того времени.
Конечной целью борьбы с преждевременной старостью Мечников считал ортобиоз – достижение «полного и счастливого цикла жизни, заканчивающегося спокойной естественной смертью». На основании учения Мечникова об ортобиозе в современной науке сложилось междисциплинарное направление «ортобиотика».
В ряде работ Мечниковым затронуты многие общетеоретические и философские проблемы. В ранних трудах, посвящённых вопросам дарвинизма («Очерк о происхождении видов», 1876 и др.), Мечников высказал ряд идей, предвосхитивших современное понимание некоторых вопросов эволюции. Причисляя себя к сторонникам рационализма («Сорок лет искания рационального мировоззрения», 1913), Мечников критиковал религиозные, идеалистические и мистические воззрения. Главную роль в человеческом прогрессе Мечников приписывал науке.
Илья Ильич Мечников обладал необычайно живым умом и остротой мышления. Его научные труды значительно опережали свою эпоху – он понимал и мог объяснить многие процессы, происходящие в живом организме. Мечников – это человек, который благодаря своему широкому кругозору умел ставить правильные вопросы и пытался находить на них правильные ответы. Свои «Этюды оптимизма» он написал еще в 1907 году, когда еще практически не было значимых фундаментальных открытий, позволяющих приоткрыть занавес на природу процессов старения. Мышление большого ученого (биолога, медика, физиолога) отличается от мышления обычного человека глобальностью задач, которые он перед собой ставит. И.И. Мечников поставил перед собой величайшую задачу – найти причину старения организма и понять, как происходят эти процессы. Он был одним из тех светил, которые не побоялись во время общей религиозности общества того времени замахнуться на святая святых – на продолжительность жизни человека и возможность ее продления. Именно труды гениального Мечникова легли в основу создания принципа самообновления, который будет рассмотрен в этой книге.
Отдельно стоит отметить особое понятие, введенное И.И. Мечниковым, которое и по сей день как нельзя лучше подходит для указания причин, приводящих к постепенному разрушению и со временем к смерти организма.
Имеется в виду такое понятие, как «дисгармония человеческой природы», которая, по убеждению Мечникова, заключалась в том, что в течение жизни усиливаются процессы уничтожения фагоцитами «благородных элементов организма». Из этой дисгармонии, которую он увидел на клеточном уровне, он развил философскую концепцию, которая гласит, что чем взрослее человек, тем больше он психологически подготовлен к умиранию. Дожив до 73-х лет, Илья Ильич начал замечать, что тяга к жизни у него становится меньше, и в конце своего философского трактата он пришел к мысли о гармонии с самим собой, признав умирание живого организма естественным процессом.
В главе этой книги, посвященной «теории старения», мы с вами сделаем следующий шаг в этом направлении и войдем в ранее неизведанные земли науки, где найдем знание о том, каким образом можно победить старость.
В своей книге «Этюды о природе человека» великий Мечников произносит поистине пророческую фразу: «Для изменения человеческой природы тоже, прежде всего, надо отдать себе отчёт в идеале, к которому следует стремиться, и затем употребить все средства, представляемые наукой для его существования. Если мыслим идеал, способный соединить людей в некоторого рода религию будущего, то он не может быть обоснован иначе, как на научных данных. И если справедливо, как это часто утверждают, что нельзя жить без веры, то последняя не может быть иной, как верой во всемогущество знания».
Пригожин Илья Романович
25.01.1917 – 28.05.2003
«Да, мир нестабилен. Но это не означает, что он не поддается научному изучению. Признание нестабильности – не капитуляция, напротив – приглашение к новым экспериментальным и теоретическим исследованиям, принимающим в расчет специфический характер этого мира».
На работы Ильи Романовича Пригожина меня так же вывел «научный вебсерфинг». И начал я знакомство с ним, как ни банально, со статьи в Википедии. Далее, в процессе изучения его работ, меня поразил удивительный мир диссипативных структур, первопроходцем в котором был Пригожин. Поразила его «мощь в охвате познаваемого», ее буквально на физическом уровне ощущали люди, которым выпало счастье работать и дружить с этим научным великаном.
Бельгийский химик Илья Пригожин родился в Москве, в канун русской революции, в семье инженера-химика Романа Пригожина и музыканта Юлии Вишман. Благодаря стараниям матери, Илья с детства играл на пианино. Ноты, как она позднее вспоминала, Илья научился читать раньше, чем слова.
В 1921 г. семья Пригожиных эмигрировала из России сначала в Литву, потом в Германию, а с 1929 г. они поселились в Бельгии. Илья Романович всегда живо интересовался историей и философией. Будущее же свое он связывал с профессией концертирующего пианиста. В Свободном университете в Брюсселе его особенно привлекала термодинамика – наука, связанная с тепловой и другими формами энергии. Став здесь в 1943 г. бакалавром естественных наук, Илья Пригожин написал диссертацию о значении времени и превращения в термодинамических системах, за которую два года спустя был удостоен докторской степени. В 1947 г. он был назначен профессором физической химии в Свободном университете, а в 1962-м стал директором Солвеевского международного института физики и химии в Брюсселе.
Пригожина больше всего интересовали в термодинамике неравновесные специфически открытые системы, в которых либо материя, либо энергия, либо то и другое обмениваются с внешней средой в реакциях. При этом количество материи и энергии либо количество материи или количество энергии со временем увеличивается или уменьшается. Чтобы объяснить поведение систем, далеких от равновесия, Илья Пригожин сформулировал теорию диссипативных структур. Им было доказано существование неравновесных термодинамических систем, которые, при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению, причём такой скачок не может быть предсказан, исходя из классических законов статистики. Считая, что неравновесность может служить источником организации и порядка, он представил диссипативные структуры в терминах математической модели с зависимыми от времени нелинейными функциями, которые описывают способность систем обмениваться материей и энергией с внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать.
Ставший теперь классическим пример диссипативной структуры в физической химии известен как нестабильность Бенарда. Такая структура возникает, когда слои легкоподвижной жидкой среды подогреваются снизу. При достаточно высоких температурных градиентах тепло передается через эту среду как обычно, и большое число молекул в жидкости образуют специфические геометрические формы, напоминающие живые клетки.
В 1947 году Пригожин сформулировал и доказал теорему термодинамики неравновесных процессов, которая гласит: «В стационарном состоянии производство энтропии внутри термодинамической системы при неизменных внешних параметрах является минимальным и постоянным. Если система не находится в стационарном состоянии, то оно будет изменяться до тех пор, пока скорость производства энтропии, или, иначе, диссипативная функция системы не примет наименьшего значения». Когда я говорю о Пригожине, то для меня это, прежде всего, человек, который вскрыл физику рождения сложности в поэтапной эволюции живой материи.
В 1977 г. Илье Романовичу была присуждена Нобелевская премия по химии «за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур». «Исследования Пригожина в области термодинамики необратимых процессов коренным образом преобразовали и оживили эту науку», – сказал Стиг Классон в своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук. Эта работа открыла для термодинамики «новые связи и создала теории, устраняющие разрывы между химическим, биологическим и социальным полями научных исследований». Исследования Ильи Романовича Пригожина отличают также элегантность и прозрачность, поэтому ученого заслуженно называют «поэтом термодинамики». Илья Романович был одним из тех редких людей, которые могли увидеть непростые вещи в простых вещах.
Хочу отметить, что это отличительная особенность всех великих ученых – видеть необычное в обычном! Так вот, Илья Романович был наделен такой способностью поистине до невероятной степени. В 1982 году Пригожин становится иностранным членом Академии наук СССР. Его работы многократно переводились на русский язык. К его работам обращаются многие ученые, не только физики и химики, но и биологи, палеонтологи и математики, историки, филологи. В 1989 году король Бельгии пожаловал Пригожину титул виконта.
В данной книге влияние этого гиганта будет прослеживаться красной нитью во многих главах, а принцип самообновления вообще может быть полностью описан инструментами нелинейной термодинамики от бифуркации до теоремы о минимуме производства энтропии, которые сформировал, ввёл в практику и математически доказал И.Р. Пригожин.
Доброборский Борис Самуилович
27.08.1945
«Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ».
Борис Самуилович Доброборский – учёный с очень разносторонней практикой, о которой ещё будет сказано ниже. Когда я впервые прочитал его «Теоретическую биологию», основанную на одноименном труде Бауэра, мир теоретической физики и мир биологии через его «теорию биоритмов» для меня слились воедино. И это был, конечно, ментальный прорыв, позволивший впоследствии найти новые, более всеобъемлющие (конвергентные) подходы к описанию биологических процессов, используя математические инструменты физиков-теоретиков. Он чётко указал на агента, который соединяет неразрывно мир физических теорий с миром биологических процессов. Этот могучий агент всего лишь всем известная молекула АТФ, но гениальное описание Доброборским процесса осуществления биоритмов, полностью завязанном на синтезе и распаде АТФ, позволило мне осознать, что на самом деле не существует в науке никакого барьера между физикой, математикой и биологией! В мире все едино и целостно, а разделение существует лишь в наших умах!
Борис Самуилович Доброборский родился в Санкт-Петербурге. В 1967 году окончил Ленинградский Горный институт по специальности радиоэлектроника, получив квалификацию радиоинженера. Доцент кафедры наземных транспортно-технологических машин автомобильно-дорожного факультета Санкт-Петербургского Государственного архитектурно-строительного университета. Академик Международной академии наук экологии и безопасности человека и природы. Автор нескольких изобретений и полезных моделей (виброгасящее устройство и др).
Борис Самуилович наш современник. Уникум этого ученого состоит в том, что, будучи инженером с техническим образованием, он является большим полиглотом, и проявляет живой интерес к изучению неравновесной термодинамики или термодинамике необратимых процессов. Его книга «Введение в теоретическую биологию», является современным развитием теорий Э.Бауэра и И.Пригожина.
Доброборский описал существование живой материи как периоды синтеза и распада АТФ. Логическим продолжением главного закона биологии, сформулированного Эрвином Бауэром, является закон Доброборского, который гласит: «устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ». Из этого закона Борис Самуилович выделил два основных следствия:
– В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез с расщеплением.
– Состояние живого организма никогда не бывает статическим, а все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений, как по частоте, так и по амплитуде.
Этими колебаниями ученый объяснил природу биоритмов, с помощью которых живые организмы обеспечивают устойчивость своего неравновесного термодинамического состояния, то есть биоритмы являются способом существования всех живых организмов.
Одной из важнейших вех научной деятельности Доброборского явилась его работа над теорией фенотипической адаптации, согласно которой все процессы адаптации условно могут быть разделены на два вида:
1. Оперативную фенотипическую адаптацию, в результате которой организм путем соответствующих оперативных физиологических реакций непрерывно реагирует на все кратковременные факторы, влияющие на его жизнедеятельность, не меняя при этом значения показателей его функциональных систем.
2. Устойчивую фенотипическую адаптацию, в результате которой при длительных воздействиях на организм факторов окружающей среды произошли такие изменения значений его функциональных систем, что организм стал более приспособлен к этим факторам.
Моя теория централизованной аэробно-анаэробной компенсации энергетического баланса (ЦААКЭБ), которая является фундаментом учения о термодинамических сферах и теориях регенерации, старения и критической адаптации изложенных в этой книге, фактически является усовершенствованной теорией фенотипической адаптации.
Подход Доброборского к решению ряда проблем теоретической биологии с позиций неравновесной термодинамики позволил в определенной степени объяснить сущность целого ряда закономерностей и явлений, ранее не имевших удовлетворительных объяснений.
А именно – установить механизм и закономерность обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния биологических систем; установить закон периодичности функционирования биологических систем; установить природу биоритмов и их роль в жизнедеятельности биологических систем; определить природу и основные законы фенотипической адаптации.
Бауэр, Пригожин, Доброборский называют жизнь термодинамически-неравновесным состоянием. Предлагаемая в этой книге концепция подразумевает, что жизнь – это не термодинамически-неравновесное состояние, а это именно равновесное состояние, но энергетически превышающее равновесное состояние окружающей среды. То есть это равновесие более высокого порядка. Для характеристики данного состояния более всего подходит даосский термин «деятельное недеяние», то есть непосредственного действия нет, но энергия в процесс заложена. Пригожин же, например, для наглядного объяснения этого состояния применял аналогию с маятником. Представьте: есть часы и есть маятник. Если маятник не раскачивать, он в итоге остановится и повиснет под действием силы тяжести. Представим теперь, что маятник повернут вертикально вверх и путем каких-то незначительных усилий, например, небольшого магнитного поля, удерживается в этом равновесии, то есть там тоже существует равновесие, но в нем заложена большая энергия. Если один из магнитов отключить, маятник упадет и создаст очень большой энергетический всплеск. По факту это и есть «неравновесное равновесие».
Далее вы проследите логический синергизм научного подхода Доброборского с представленным в этой книге термодинамическим взглядом на природу всего живого.
Павлов Иван Петрович
14.09.1849 – 27.02.1936
«Рефлекс целей есть основная форма жизненной энергии каждого из нас. Жизнь только того прекрасна и сильна, кто всю жизнь стремится к постоянно достигаемой и никогда не достижимой цели. Вся жизнь, все ее улучшения, вся ее культура делается людьми, стремящимися к поставленной ими в жизни цели».
К трудам Ивана Петровича Павлова я обратился в надежде найти практическое подтверждение моих мысленных экспериментов непосредственно в природе живого. И я нашел это подтверждение в описании условных и безусловных рефлексов. Я открыл для себя Павлова совершенно с другой стороны, нежели как его достижения преподносят студентам в медицинском ВУЗе. Павлов за много лет до открытия кибернетики на практике подтвердил математические эксперименты Зубова и Ляпунова относительно законов и формул, по которым функционирует живая материя. Таким образом, И.П. Павлов провел «эксперимент наоборот», его научные подходы во многом перекликаются с методами научного поиска, применяемыми в данной книге.
Иван Петрович Павлов – самый известный российский физиолог, основоположник учения о высшей нервной деятельности, академик Академии Наук СССР, лауреат Нобелевской премии по медицине и физиологии.
Ни один из русских ученых того времени, даже Менделеев, не получил такой известности за рубежом.
«Это звезда, которая освещает мир, проливая свет на еще не изведанные пути» – говорил о нем Герберт Уэллс. Его называли «романтической, почти легендарной личностью», «гражданином мира».
Иван Петрович Павлов родился 26 сентября 1849 года в Рязани. Его мать Варвара Ивановна происходила из семьи священника; отец Петр Дмитриевич был священником, служившим сначала на бедном приходе, но благодаря своему пастырскому рвению со временем стал настоятелем одного из лучших храмов Рязани.
В 1864 году Павлов успешно окончил Рязанское духовное училище и был сразу же принят в духовную семинарию. Здесь он показал себя очень работоспособным учеником, одним из лучших в своем классе. Он даже давал частные уроки, получив репутацию хорошего репетитора. Во время своего обучения Павлов впервые познакомился с научным трудом М. Сеченова «Рефлексы головного мозга». Во многом именно эта новая заинтересованность в бурно развивающейся в то время науке заставила его отказаться от продолжения духовной карьеры.
После получения в 1875 году звания кандидата естественных наук Павлов поступил на третий курс Медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге. Летом 1877 года он работал в городе Бреслау в Германии с Рудольфом Гейденгайном, специалистом в области пищеварения. В следующем году, по приглашению С. Боткина, он начал работать в физиологической лаборатории при его клинике в Бреслау, еще не имея медицинской степени, которую Павлов получил в 1879 году. В лаборатории Боткина Павлов фактически руководил всеми фармакологическими и физиологическими исследованиями. В том же 1879 году Иван Петрович начал исследования по физиологии пищеварения, которые продолжались более двадцати лет. Многие исследования Павлова в восьмидесятых годах касались системы кровообращения, в частности регуляции функций сердца и кровяного давления.
К 1890 году труды Павлова получили признание ученых всего мира. С 1891 году он заведовал физиологическим отделом Института экспериментальной медицины, организованного при его деятельном участии; одновременно он оставался руководителем физиологических исследований в Военно-медицинской академии, в которой проработал с 1895 по 1925 год.
Будучи от рождения левшой, как и его отец, Павлов постоянно тренировал правую руку, и в результате настолько хорошо владел обеими руками, что, по воспоминаниям коллег, «ассистировать ему во время операций было очень трудной задачей: никогда не было известно, какой рукой он будет действовать в следующий момент. Он накладывал швы правой и левой рукой с такой скоростью, что два человека с трудом успевали подавать ему иглы с шовным материалом».
Считая, что умирающее на операционном столе и испытывающее боль животное не может реагировать адекватно здоровому, Павлов воздействовал на него хирургическим путем таким образом, чтобы наблюдать за деятельностью внутренних органов, не нарушая их функций и состояния животного. Мастерство Павлова в этой трудной хирургии было непревзойденным. Более того, он настойчиво требовал соблюдения того же уровня ухода, анестезии и чистоты, что и при операциях на людях.
Используя данные методы, Павлов и его коллеги показали, что каждый отдел пищеварительной системы – слюнные и дуоденальные железы, желудок, поджелудочная железа и печень – добавляет к пище определенные вещества в их различной комбинации, расщепляющие ее на всасываемые единицы белков, жиров и углеводов. После выделения нескольких пищеварительных ферментов Павлов начал изучение их регуляции и взаимодействия.
В 1904 году Павлов был награжден Нобелевской премией по физиологии и медицине «за работу по физиологии пищеварения, благодаря которой было сформировано более ясное понимание жизненно важных аспектов этого вопроса».
Пораженный силой условных рефлексов, проливающих свет на психологию и физиологию, Павлов после 1902 года сконцентрировал свои научные интересы на изучении высшей нервной деятельности. В институте, который располагался неподалеку от Петербурга, в местечке Колтуши, Павлов создал единственную в мире лабораторию по изучению высшей нервной деятельности. Ее центром была знаменитая «Башня молчания» – особое помещение, которое позволяло поместить подопытное животное в полную изоляцию от внешнего мира.
Исследуя реакции собак на внешние раздражители, Павлов установил, что рефлексы бывают условными и безусловными, то есть присущими животному от рождения. Это было его второе крупнейшее открытие в области физиологии.
Говоря о своем научном творчестве, Павлов писал: «Что ни делаю, постоянно думаю, что служу этим, сколько позволяют мои силы, прежде всего моему отечеству, нашей русской науке».
Академией наук учреждены золотая медаль и премия имени И. Павлова за лучшую работу в области физиологии.
Квинтэссенция мировоззрения Павлова выражена в его словах: «Человек – высший продукт земной природы. Человек – сложнейшая тончайшая система. Но для того чтобы наслаждаться сокровищами природы, человек должен быть здоровым, сильным и умным».
Говоря о Павлове, я не могу здесь обойти вниманием еще одного великого ученого, его ученика – Петра Кузьмича Анохина. Убежден в том, что то, чем занимался Анохин до сего момента, оставалось глобально недооцененным. Теория функциональных систем, которую создал и всю жизнь развивал Петр Кузьмич, зиждется на двух китах: первый – это учение о системах, которые в автоматическом режиме поддерживают постоянство внутренней среды, расходуя при этом внутренние резервы организма, и второй – учение о системах, которые также, в автоматическом режиме, поддерживают постоянство внутренней среды, но уже с использованием ресурсов внешнего мира. Фактически эти два типа систем можно назвать прообразами первой и второй термодинамических сфер, со строением и функциями которых Вы сможете познакомиться далее в книге.
Анохин ввел в обиход специфический принцип функционирования таких систем, дословно «принцип санкционирующей афферентации». Этот принцип на сегодняшний день является краеугольным камнем биокибернетики. Именно этот принцип, трансформировавшийся в понятие устойчивых петель обратной связи линейного и нелинейного иерархического характера, формирует основу современной математической биологии, фундамент которой был разработан А. А. Ляпуновым (с его подходами я познакомлю Вас чуть ниже). Анохин впервые попытался донести до научного мира мысль о том, что разум человека, как биологический объект, может и должен функционировать по тем же принципам устойчивой циркуляции информации, на которых зиждется функционирование биосистем. Однако невероятно идеологически ориентированная пропаганда того времени в принципе отвергала в науке нематериальные подходы. Анохин уже тогда вплотную подошел к чисто информационным подходам в области изучения работы интеллекта человека, но вместо поддержки и продвижения был подвергнут за это увольнению, ругани и другим козням социалистических материалистов.
Он, развивая подходы Павлова, еще в те годы осознал, что главный феномен жизни скрывается не столько в структуре биологического объекта, сколько в устойчивой циркуляции информационных потоков, осуществляемых таким объектом. Но, несмотря на это, только сегодня мы подошли к полноценному пониманию работ этого гиганта физиологии.
В этой книге есть раздел, посвящённый прикладным моментам термодинамической биологии, именно там вы найдёте описание (практически по Павлову), работы условных рефлексов внутри организма, описанных с точки зрения биокибернетических подходов и процессов автоматического управления в биологических системах. По своей сути гигантский кропотливый труд Ивана Петровича Павлова убедительно доказывает на практике правоту кибернетических подходов к описанию и моделированию биопроцессов и позволяет нам с вами, опираясь на теоретические подходы математиков, полностью когерентные с теорией условных и безусловных рефлексов Павлова, а также теорией функциональных систем Анохина, рассматривать почти любое заболевание или патологическое состояние организма как сбой в работе автоматически управляемых систем с центром управления, располагающемся в стволе головного мозга и подкорковых ядрах.
Отто Генрих Варбург
08.10.1883 – 01.08.1970
«Рак, в отличие от других заболеваний, имеет бесчисленное множество вторичных причин возникновения. Но даже для рака есть всего одна основная причина. Грубо говоря, основная причина рака – это замена дыхания с использованием кислорода в теле нормальной клетки на другой тип энергетики – ферментацию глюкозы».
К изучению трудов Отто Варбурга меня привела в некотором роде случайность. На просторах интернета я пытался найти подтверждения работы теории ЦААКЭБ относительно онкологических процессов. Однажды на стене Facebook я отметил для себя интересную статью об ученом из Италии – Тулио Симончини, который успешно вылечил нескольких онкологических пациентов в запущенной стадии, путем введения в организм больных пищевой соды, как с пищей, так и внутримышечно с целью общего защелачивания организма. В качестве ссылки приводилась статья об опытах Отто Варбурга и развитии им «биохимической теории рака». Учение Варбурга позволило мне развить в разделе специальных теорий – теорию критической адаптации.
Отто Варбург родился 8 октября 1883 года в немецком городе Фрайбурге у Эмиля и Элизабет Варбургов. Отец Отто был профессором физики и талантливым музыкантом, его предками были учителя, ученые, бизнесмены, артисты, банкиры и филантропы. В доме Варбургов часто бывали музыканты, артисты и коллеги отца, в том числе физики Макс Планк и Альберт Эйнштейн.
Отто Варбург был учеником выдающегося учёного Эрнста Фишера. Уже в возрасте 23 лет Отто защитил докторскую диссертацию по химии, после чего продолжил обучение у Людольфа фон Крэля в Гейдельберге и в 1911 году заслужил степень доктора медицины.
Когда началась первая мировая война, Варбург записался добровольцем в армию и непродолжительное время прослужил в чине офицера кавалерии вплоть до своего ранения. За заслуги во время Первой мировой войны Варбург награжден Железным крестом. Ближе к концу войны, когда её исход был очевиден, Альберт Эйнштейн, друг отца Отто, написал по просьбе друзей письмо Отто, в котором просил его вернуться в академию, так как потерять такой талант в науке было бы трагедией. Варбург прислушался к его увещеваниям и вернулся в Берлинскую лабораторию на должность профессора. На протяжении 50 лет своей научной деятельности Отто Варбург проводил комплексные исследования по фотосинтезу, изучению рака и ферментов клеточных окислительных реакций. Им разработаны аналитические методы, которые включают манометрию, используемую для измерения давления газов, спектрофотометрию, методику выполнения тканевых срезов для определения потребления кислорода без механического разрушения клеток. Исследования Варбурга были посвящены процессам клеточного дыхания, ферментам, окислительно-восстановительным реакциям в активной клетке.
Одним из самых весомых вкладов в науку, за который Отто Варбург был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1931 году с формулировкой «за открытие природы и функций «дыхательных ферментов», стало открытие фермента с-цитохромоксидазы. В своей работе он ингибировал дыхание в суспензии дрожжей при помощи CO, а затем получал спектры поглощения, снимая ингибирование путём облучения когерентным пучком света с разной длиной волны. Из полученных данных следовало, что ингибируемый фермент – гемопротеин, в котором гем находится в комплексе с CO. Варбург связал новый, неизвестный белок с функцией клеточного дыхания и назвал его Atmungsferment или «дыхательный фермент».
В 1932 году Варбург в первый раз получил новый дыхательный фермент желтого цвета, названный флавином. Оказалось, что это агент большой группы флавопротеинов – окислительных ферментов, образующих совместно с цитохрохромами дыхательную цепочку. Через три года было выделено ещё одно важное соединение – никотинамид, входящий в состав ферментов, которые участвуют в переносе водорода. Ученый сконструировал аппарат для изучения процессов тканевого дыхания, брожения, ферментативных реакций (аппарат Варбурга).
В продолжение своих исследований относительно клеточного дыхания, Отто Варбург сформировал теорию возникновения онкологических заболеваний у человека. Выдающийся ученый выдвинул невероятную по своей простоте и оригинальности версию о прямой связи между нехваткой кислорода и аномальным поведением здоровых клеток нашего организма.
В научных трудах Отто Варбурга говорится, что клетки злокачественных новообразований черпают жизненную энергию, проводя в своих митохондриях неокислительную, то есть бескислородную реакцию распада глюкозы, в то время как митохондрии здоровых клеток человеческого организма проводят окислительную реакцию распада. Таким образом, в условиях значительного уменьшения парциального давления кислорода у клетки есть два выхода: либо погибнуть, либо трансформироваться в злокачественную анаэробную клетку и начать бесконтрольно размножаться, подобно самостоятельному организму.
Конец ознакомительного фрагмента.