Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глейк

Почему к сердцу, ткани которого состоят из взаимосвязанных разветвляющихся волокон, ответственных за транспорт ионов кальция, калия и натрия, должны применяться законы хаоса? Этот вопрос ставил в тупик ученых в Университете Макгилл и Массачусетском технологическом институте.

Леон Гласс и его коллеги Майкл Гевара и Альвин Шрайер разрабатывали одно из наиболее спорных направлений во всей недолгой истории нелинейной динамики. В своих опытах они использовали крошечные конгломераты сердечных клеток, взятые у семидневных зародышей цыплят. Эти группы клеток, размером в одну двухсотую часть дюйма каждая, после помещения их на блюдце и встряхивания демонстрировали самопроизвольное биение с частотой примерно раз в секунду при отсутствии стимулов извне. Пульсация была хорошо видна в микроскоп. Следующий этап заключался в наложении внешнего ритма. Для этого ученые Университета Макгилл использовали микроэлектрод, тонкую стеклянную трубку, один конец которой присоединялся к тонкому наконечнику, а другой — к одной из клеток. Через трубку пропускался электрический ток, стимулирующий ритмичные сокращения клеток, частота которых могла варьироваться по желанию экспериментаторов.

Ученые подвели итоги своих исследований в журнале «Сайенс» в 1981 г. следующим образом: «Причудливое динамическое поведение, которое прежде наблюдалось в математических задачах и экспериментах в области физики, может быть присуще и биологическим осцилляторам, подвергаемым периодическим возмущениям». Они наблюдали раздвоения периодов в пульсации клеток, которая разветвлялась снова и снова, с каждым изменением ритма. Исследователи построили сечения Пуанкаре и изучили прерывистость сердечных биений. «При возбуждении частицы сердца цыпленка можно установить ряд различных ритмов, — замечал Гласс. — Прибегнув к нелинейной математике, мы способны вполне отчетливо представить этот эффект и характерные последовательности ритмов. В настоящее время в программу подготовки кардиологов практически не входит математика, но в будущем данную проблему станут рассматривать именно так, как сделано нами».

Тем временем Ричард Дж. Коэн, кардиолог и физик, работая в рамках совместной программы Гарварда и Массачусетского технологического института в области медицинских наук и технологий, обнаружил целый ряд последовательных раздвоений периодов в экспериментах с собаками. Используя компьютерные модели, он изучил один из возможных режимов сердечной деятельности, при котором передняя волна электрической активности разбивается об островки ткани. «Перед нами вполне понятный пример феномена Файгенбаума, — пояснял Коэн, — регулярное явление, которое при определенных обстоятельствах превращается в хаотичное. Выясняется также, что электрическая активность сердца имеет множество параллелей с другими системами, склонными к хаотическому поведению».

Ученые из Университета Макгилл также обратились к накопленным ранее данным о различных типах нарушений сердечной деятельности. Один из таких синдромов состоит в том, что отклоняющиеся ритмы — эктопическая пульсация — перемежаются с нормальным сердцебиением синусного типа. Гласс и его коллеги изучали подобные случаи, подсчитывая число синусных биений среди эктопических. У некоторых пациентов данные расходились, но по какой-то причине они всегда выражались нечетным числом: 3, 5 или 7. У других больных число нормальных биений всегда являлось частью последовательности: 2, 5, 8, 11…

«Численные наблюдения, весьма непонятные, проделаны, но в механизме происходящего не так-то просто разобраться, — признавал Гласс. — В числах всегда присутствует некая регулярность, но им свойственна также и значительная доля неупорядоченности. Один из девизов нашей работы — поиск порядка внутри хаоса».

Традиционно изучение фибрилляции велось в двух направлениях. Один из классических подходов предполагал, что из патологических центров внутри самой мышечной ткани исходят вторичные задающие ритм сигналы, которые вступают в конфликт с главным импульсом. Считалось, что крошечные эктопические центры испускают волны с интервалами, неприемлемыми для нормального функционирования сердца, и взаимодействие их с главным, частично перекрываемым импульсом разрушает согласованную волну сокращений сердечной мышцы. Исследования ученых из Университета Макгилл до некоторой степени подтвердили эту гипотезу, продемонстрировав, что многие виды динамического неправильного поведения могут быть порождены взаимодействием внешней пульсации и присущего сердечной ткани ритма. Но тот факт, что влияние вторичных задающих ритм центров проявляется столь сильно, все еще нуждался в объяснении.

Сторонники другого подхода сосредоточили внимание не на зарождении электрических волн, а на том, как они проходят сквозь сердце. Именно в этом направлении работали ученые из Гарварда и Массачусетского технологического института. Они обнаружили, что определенные отклонения в самой волне, имеющей форму окружностей, способны генерировать так называемый вторичный ввод, при котором некоторые зоны сердца начинают новую пульсацию слишком рано, тем самым препятствуя временному расслаблению мышц, необходимому для поддержания согласованного движения крови.

Будучи знакомыми с методами нелинейной динамики, обе группы исследователей понимали, что небольшие изменения одного из параметров, например синхронности или электрической проводимости, могут приводить здоровую в других отношениях систему через точку ветвления к качественно новому поведению. Ученые приступили к изучению проблем сердца в глобальном масштабе, связав воедино ряд нарушений ритма, которые прежде считались не имеющими отношения друг к другу. Уинфри полагал, что, несмотря на различие подходов, и школа «эктопической пульсации», и школа «вторичного ввода» движутся в верном направлении. Этот вывод вытекал из общего топологического исследования.

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.