Хаос. Создание новой науки

Глейк Джеймс

Уинфри замечал, что «динамические явления, как правило, противоборствуют друг с другом, и сердце не исключение». Кардиологи надеялись, что их поиски увенчаются созданием научно обоснованного метода выделения группы риска — людей, наиболее подверженных фибрилляции, — новых способов конструирования дефибрилляторов и назначения лекарственных препаратов. Уинфри также питал надежду, что глобальное рассмотрение данных проблем в математическом аспекте обогатит теоретическую биологию — дисциплину, которая в Соединенных Штатах была развита довольно слабо.

Сейчас некоторые физиологи отзываются о так называемых динамических заболеваниях как о расстройствах различных систем организма человека, нарушениях координации или управления. «Системы, которые в нормальном состоянии колеблются, внезапно прекращают колебания или начинают осциллировать иным, неожиданным образом, а те системы, которые обычно не подвержены циклическим изменениям, вдруг обнаруживают их», — констатируют они. Подобные синдромы включают в себя расстройства дыхания: одышку,

частое и затрудненное дыхание, дыхание Чейна-Стокса и детское удушье, которое ведет к внезапной смерти ребенка. Существуют динамические расстройства крови. К их числу принадлежит одна из форм лейкемии, при которой меняется соотношение белых и красных кровяных телец, тромбоцитов и лимфоцитов. Некоторые ученые полагают, что и шизофрения, вероятно, принадлежит к тому же разряду недугов, наряду с некоторыми типами депрессии.

Но физиологи разглядели хаос и в здоровом организме. Давно уже стало ясно, что нелинейность в процессах обратной связи служит целям регулирования и управления. Представьте себе линейный процесс, которому придали легкий толчок, как правило, он лишь слегка меняет направление. Нелинейный же процесс, подвергнутый тому же воздействию, обычно возвращается в свою начальную точку. Христиан Гюйгенс, голландский физик XVII века, внесший свой вклад в изобретение часов с маятником и в создание классической динамики, натолкнулся на один из ярчайших примеров данной формы регуляции (так, по крайней мере, гласит известная легенда). Однажды знаменитый ученый увидел, что несколько маятниковых часов, помещенных рядом на стене, колеблются совершенно синхронно, подобно тому как льются голоса в хоре. Он понимал, что часы не могли идти настолько точно, и никакие соображения, связанные с математическим описанием маятника, не позволяли объяснить такое таинственное распространение порядка от одних часов к другим. Гюйгенс справедливо предположил, что часы приводились в согласованное движение вибрацией, передаваемой через деревянную стену. Указанное явление, при котором один регулярный цикл воздействует на другой, ныне хорошо известно. Именно в силу этого явления Луна всегда обращена к Земле одним и тем же полушарием, да и вообще у спутников планет, как правило, отношение периода вращения вокруг своей оси к периоду обращения по орбите составляет 1 к 1, или 2 к 1, или 3 к 2. Этот эффект встречается и в электронике, позволяя радиоприемнику настраиваться на определенные сигналы, даже если в их частоте наблюдаются небольшие колебания. Воздействие регулярных циклов друг на друга объясняет способность групп осцилляторов, в том числе и биологических, таких как клетки сердечной ткани и нервные клетки, функционировать синхронно. Удивительный пример из мира природы дают светлячки, встречающиеся в Юго-Восточной Азии: в брачный период они собираются на деревьях в неисчислимых количествах и мерцают в удивительно гармоничном ритме.

Для всех явлений регуляции важным свойством является устойчивость — способность системы противостоять малым возмущениям. Для биологических объектов не менее важна гибкость, т. е. способность системы нормально функционировать под воздействием целого рядачастот. Преобладание одной-единственной частоты может воспрепятствовать адаптации системы к изменениям, так как живые организмы должны гибко реагировать на быстро меняющиеся и непредсказуемые обстоятельства. Ни один сердечный или дыхательный ритм не может быть сведен к точным периодичностям простейших физических моделей, причем это касается и более трудноуловимых ритмов остальных систем организма. Некоторые исследователи, в их числе Эри Голдбергер из медицинской школы Гарварда, предположили, что здоровая динамика жизненных процессов задается физическими фрактальными структурами, такими как разветвляющиеся сети бронхиальных трубок в легких и проводящие волокна в сердце, которые обеспечивают широкий диапазон ритмов. Размышляя об аргументах Роберта Шоу, Голдбергер заметил: «Фрактальные процессы, ассоциируемые с масштабными спектрами с широкой полосой частот, являются „информационно богатыми“. Напротив, периодичные состояния отражают спектр с узкой полосой частот и определяются монотонными, повторяющимися последовательностями, лишенными всякой информативности». Лечение подобных расстройств, как предположил Голдбергер, а также другие физиологи, может зависеть от расширения спектрального резерва системы, ее способности функционировать при множестве различных частот, не замыкаясь на одной из них.

Арнольд Мэнделл, психиатр из Сан-Диего, вставший на защиту Губермана и его гипотезы о движении зрачков у больных шизофренией, пошел еще дальше по пути изучения роли хаоса в физиологии. «Возможно ли, чтобы математическое отклонение, то есть хаос, было здоровьем? А то, что математика считает нормой, — предсказуемость и различимость структур — являлось болезнью?» Мэнделл занялся изучением хаоса в 1977 г., когда обнаружил «особенное поведение» определенных энзимов в мозгу, которое удавалось объяснить, лишь используя новые методы нелинейной математики. При его поддержке были проведены аналогичные исследования цикличных трехмерных молекул белка. Ученый заявлял, что подобные молекулы следует рассматривать не как статические структуры, а как динамические системы, способные к фазовым переходам. Рьяный приверженец новой дисциплины (по собственному его признанию), Мэнделл интересовался главным

образом самым хаотичным из органов — мозгом. «Достижение равновесия в биологии означает смерть, — повторял он. — Для того чтобы выяснить, является ли мозг равновесной системой, достаточно попросить вас не думать несколько минут о слонах, и вы тут же убедитесь, что мозг отнюдь не равновесная система».

По мнению Мэнделла, открытия в области хаоса сулили переворот в клинических подходах к лечению психических расстройств. Если судить объективно, современная «психофармакология» — врачевание пилюлями всего и вся, от состояния тревоги и бессонницы до шизофрении, — почти не достигла успехов. Если и есть излечившиеся, то их совсем мало. Наиболее острые проявления душевной болезни можно снять, но насколько длительным будет эффект от лечения, никто не знает. Мэнделл указывал коллегам на отрицательное побочное действие целого ряда наиболее часто назначаемых препаратов. Производные фенотиазина, прописываемые больным шизофренией, лишь ухудшают общую клиническую картину; трициклические антидепрессанты увеличивают частоту смены настроения, приводя к долгосрочному росту числа рецидивов психопатологических проявлений, и так далее. Как заявил Мэнделл, только применение лития — и то лишь в определенных случаях — дает определенный эффект.

Ученый считал рассматриваемую проблему концептуальной. Традиционные методы лечения «наиболее нестабильного динамического механизма с бесконечным числом измерений» были линейными и редукционистскими. «Основная парадигма такова: ген —> пептид —> фермент —> нейротрансмиттер —> рецептор —> поведение животного —> клинический синдром —> лекарственный препарат —> клиническая оценка его эффективности. И такой подход определяет почти всю исследовательскую работу и лечение в рамках психофармакологии. Более пятидесяти трансмиттеров, тысячи типов клеток, сложная электромагнитная природа и длительная нестабильность порождают автономную активность на всех уровнях, начиная от протеинов и заканчивая электроэнцефалограммой. И мозг все еще считается простым химическим коммутатором!» Знакомые с нелинейной динамикой не могли воспринимать это иначе как наивность. Мэнделл убеждал коллег вникнуть в геометрию, присущую таким сложнейшим системам, как мозг.

Множество других ученых начали применять методу хаоса к изучению проблемы искусственного интеллекта. В частности, динамика систем, «блуждающих» между «бассейнами притяжения», привлекла тех, кто искал способ моделирования символов и воспоминаний. Физик, представлявший идеикак некие зоны с расплывчатыми границами, обособленные, но отчасти совпадающие, притягивающие, словно магниты, но не препятствующие движению, естественно, обращался к понятию фазового пространства с его кластерами сгруппированных объектов. Подобные модели обладали подходящими элементами: точками стабильности среди зон неустойчивости, а также областями с изменчивыми границами. Фрактальная их структура предполагала как раз ту особенность бесконечного возврата к самому себе, которая лежит в основе способности разума генерировать идеи, решения, эмоции и иные проявления сознательной деятельности.

Что бы ни думали о хаосе специалисты, исследующие процесс познания, они не могли больше моделировать разум как статическую структуру. Двигаясь от нейронов по восходящей, они выявили целую иерархическую сеть, которая обеспечивает взаимодействие микро- и макромасштабов, столь характерное для турбулентности в жидкостях и для других сложных динамических процессов.

Структура, зарождающаяся среди бесформенности, — такова главная прелесть живого и его основная загадка. Жизнь извлекает порядок из моря неустойчивости. Эрвин Шрёдингер, пионер квантовой теории и один из немногих физиков, которые размышляли над вопросами биологии, объяснил это сорок лет назад тем, что живому организму присущ «удивительный дар концентрировать в себе некую „струю порядка“ и таким образом избегать распада на хаос атомов». Будучи физиком, Шрёдингер четко понимал, что структура живого вещества отличается от тех форм материи, которыми занималась его наука. Основным «кирпичиком» в здании живого организма ему представлялся апериодичный кристалл(понятие ДНК тогда еще не было известно). «В физике до сего момента мы имели дело лишь с периодичными кристаллами. Эти весьма интересные и сложные объекты составляют одну из наиболее чарующих и любопытных материальных структур, с помощью которых неживая природа ставит ученого в тупик, и все же по сравнению с апериодичными кристаллами они довольно просты и скучны». Различия, о которых пишет Шрёдингер, можно сравнить с разницей между обоями и гобеленом, между регулярным повторением определенного образца и богатейшими вариациями творений художника. Физиков учили понимать лишь рисунок обоев, поэтому не удивительно, что их вклад в биологию столь невелик.

Точка зрения Шрёдингера казалась необычной. Та мысль, что жизнь одновременно и упорядоченна, и сложна, выглядела трюизмом. Представление об апериодичности как источнике особых свойств живого граничило с мистикой. Во времена Шрёдингера ни математики, ни физики по-настоящему не поддержали его идею. Для анализа иррегулярности как основного компонента жизни еще не существовало инструментов. Но сейчас они есть.

Глава 11

Хаос

Что лежит за ним?