Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глейк

Уинфри принадлежит к редкому типу мыслителей-биологов, которые привносят в свои исследования физиологии четкое ощущение геометрических форм. В начале 70-х годов он начал изучать биодинамику, заинтересовавшись биологическими часами — суточными ритмами. В данной области традиционно преобладал подход ученых-натуралистов, полагавших, что такой ритм согласуется с ритмами животных, природы и т. д. С точки зрения Уинфри, проблему суточных ритмов следовало изучать, придерживаясь математического стиля мышления. «Рассуждая о нелинейной динамике, я понял, что эту проблему можно и нужно рассматривать через посредство качественных характеристик. Никто не имеет представления о том, каков механизм биологических часов. Итак, у нас есть две альтернативы: можно подождать, пока биохимики выяснят его устройство, а затем попытаться вывести определенный тип поведения из уже известного, а можно призвать на помощь теорию комплексных систем, нелинейную и топологическую динамику. Я выбрал последнее».

Однажды ученый поставил в своей лаборатории множество клеток с комарами. Каждый турист знает, что эти насекомые роятся в прохладном воздухе сумерек. В лаборатории, где днем и ночью температура и освещенность оставались неизменными, суточный цикл комаров сократился с 24 до 23 часов. Каждые 23 часа они начинали жужжать особенно интенсивно. В природе ориентироваться во времени насекомым помогает вспышка света, которую они видят ежедневно, она как бы запускает их внутренние часы.

Варьируя уровень освещенности в помещении с комарами, Уинфри добивался сокращения или удлинения суточного цикла. Ученый сопоставлял эффект со временем световой вспышки. Затем вместо выяснения биохимической подоплеки процессов он предпринял топологическое исследование, сконцентрировав внимание на качественной, а не количественной стороне полученных данных. Ученый пришел к неожиданному выводу: в геометрии присутствовала некая особенность, точка, отличная от всех других. Рассматривая эту своеобразную черту, Уинфри предположил, что строго определенная по продолжительности вспышка света сбивает ход биологических часов насекомых или любых других живых существ.

Предположение было смелым, но эксперименты Уинфри подтвердили его. «Придя в лабораторию ровно в полночь, вы воздействуете на комаров определенным количеством фотонов, и такой особенно точный и выверенный по времени толчок „выключает“ внутренние часы насекомых. Комар лишается сна — то притихает, то жужжит, но все невпопад. Так продолжается, пока вы не устанете наблюдать и не устроите насекомым новую встряску. Суточный ритм комаров беспрестанно нарушается». В начале 70-х годов математический подход Уинфри к явлению суточного ритма не вызвал особого интереса, и оказалось непросто опробовать лабораторную методику на биологических видах, которые стали бы возражать против длительного заточения в клетки.

Нарушение суточного ритма человека при стремительной смене часовых поясов, а также бессонница входят в число нерешенных вопросов биологии. Они вынуждают людей глотать бесполезные пилюли. Исследователям удалось собрать немало данных в ходе экспериментов, участниками которых выступали студенты, пенсионеры или драматурги, спешащие поскорей закончить пьесу. За несколько сотен долларов испытуемые соглашались существовать в условиях «временной изоляции»: никакого дневного света, никаких температурных изменений, никаких часов и телефонов. Характерные для людей суточные циклы «сон — бодрствование», а также циклы изменения температуры тела являются своего рода нелинейными осцилляторами, которые сами собой восстанавливаются после небольших пертурбаций. В условиях изоляции, при отсутствии ежедневно возобновляемых стимулов, цикл изменений температуры увеличивается до 25 часов, причем низкие значения приходятся на стадию сна. Эксперименты немецких ученых выявили, что по истечении нескольких недель цикл «сон — бодрствование», обособившись от температурного цикла, становится неупорядоченным. Люди бодрствуют в течение 20 или даже 30 часов, за которыми следуют 10 или 12 часов сна. При этом испытуемые не только не замечают удлинения их «суток», но и отказываются верить, когда им об этом сообщают. В середине 80-х годов систематический подход Уинфри был применен к людям. Первой испытуемой стала пожилая женщина, вязавшая вечерами перед источником яркого света. Ее суточный цикл резко изменился. По словам женщины, она испытывала великолепные ощущения, будто ехала в машине с откидным верхом. Что же касается Уинфри, то он пошел дальше, обратившись к проблеме сердечных ритмов.

Впрочем, сам Уинфри не сказал бы, что «пошел дальше». Для него объект изучения не изменился — другой химизм, но та же динамика. Так или иначе, после того как он стал невольным и беспомощным свидетелем внезапных смертей, вызванных сердечной недостаточностью, сердце сделалось для него предметом особого интереса. Однажды на его глазах во время летнего отпуска умер его родственник. Во второй раз в пруду, где купался Уинфри, утонул мужчина. Почему же неизменный ритм, заставляющий сердце то расслабляться, то напрягаться два миллиарда (или более) раз на протяжении жизни, вдруг становится таким неуправляемым и фатально неистовым?

Уинфри поведал историю о своем предшественнике, Джордже Майнсе, которому в 1914 г. было 28 лет. В лаборатории монреальского Университета Макгилл Майнс соорудил небольшое устройство, способное передавать сердцу малые, четко регулируемые электрические импульсы.

«Когда Майнс решил, что настала пора приступить к экспериментам на людях, он выбрал в подопытные себя самого, — пишет Уинфри. — В тот вечер, около шести часов, привратник заметил, что в лаборатории стоит непривычная тишина, и, встревожившись, направился туда. Майнс лежал под одной из скамей. Рядом с ним стоял аппарат, довольно сложное по тем временам электрическое устройство. К груди, прямо над сердцем, был прикреплен разбитый механизм. Счетчик, находившийся рядом, все еще фиксировал прерывистое биение сердца. Майнс умер, не приходя в сознание».

Не трудно сообразить, что небольшой, но точно рассчитанный по времени шок может повергнуть сердце в состояние фибрилляции. Даже Майнс догадался об этом незадолго до смерти. Другие виды шокового воздействия способны ускорить или задержать следующий удар, как это происходит с суточными ритмами. Но есть одно различие между человеческим сердцем и биологическими часами, которое нельзя не учитывать даже в упрощенной модели: сердце имеет пространственную конфигурацию. Вы можете взять его в руки и проследить электрическую волну в трех измерениях.

Впрочем, для постановки подобного опыта требуется немалое искусство. Рэймонд Е. Айдекер из медицинского центра Университета Дьюка, прочитав статью Уинфри в журнале «Сайентифик Америкен» за 1983 г., отметил четыре конкретных прогноза относительно стимуляции и остановки мерцания сердца, основанных на нелинейной динамике и топологии. Айдекер с настороженностью отнесся к прочитанному. Прогнозы казались чересчур умозрительными и, с точки зрения кардиолога, слишком абстрактными. В течение трех ближайших лет все они подтверждались, и Айдекер занялся претворением в жизнь ускоренной программы по сбору более разноплановых данных в целях совершенствования динамического подхода к сердечной деятельности. Как выразился Уинфри, это был своего рода «кардиологический эквивалент циклотрона».

Электрокардиограмма, которую снимают врачи, представляет лишь объемную одномерную запись. Во время операции на сердце хирург может, взяв электрод, передвигать его от одной зоны в сердце к другой, получая данные с 50 или 60 точек в течение 10 минут и таким образом воспроизводя комбинированное изображение. Но при фибрилляции эта техника бесполезна, поскольку изменения и мерцание сердца очень быстры. Методика Айдекера, которая в значительной степени зависела от обработки данных компьютером в реальном времени, предусматривала создание «паутины» из 128 электродов, заключающей в себе сердце, словно носок ступню. По мере того как сквозь мышечную ткань проходил импульс, электроды фиксировали поле напряжения, а компьютер строил карту сердечной деятельности.

В намерения Айдекера, кроме проверки теоретических идей Уинфри, входила также доработка конструкции электрических устройств, используемых для остановки фибрилляции. Бригады скорой помощи используют стандартные дефибрилляторы, чтобы сквозь грудную клетку воздействовать на сердце пострадавшего мощным импульсом электрического тока. Опытным путем кардиологи разработали небольшой имплантант, вживляемый внутрь грудной клетки пациентов, которые входят в группы риска. Такой кардиостимулятор, который чуть больше синусного узла сердца, «прислушивается» к сердцебиению, ожидая, когда возникнет потребность в электрическом воздействии. Айдекер начал выстраивать физическую базу, необходимую для того, чтобы разработка новых типов дефибрилляторов основывалась не только на опыте, но и на соображениях теоретического характера.