Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 2. ТЕРМОДИНАМІКА БІОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ТА СИСТЕМ

2.6.Елементи синергетики у відкритих медико-біологічних системах

За даними ЮНЕСКО, натепер нараховується понад 1000 наукових дисциплін, багато з яких з’явилися в результаті «наукової гібридизації» [52]. Приблизно половина з цих дисциплін належить до інженерних та прикладних, близько третини - до точних, решта - гуманітарні науки. Проте істинно творче, плідне взаємопроникнення ідей різних наук тільки починається. Один з найпродуктивніших симбіозов слід очікувати від синергетики з медициною, біологією та нейронауками. Багато в чому ідеї синергетики сформувалися ще в межах стародавньої філософії у вигляді холістичних поглядів на природу.

Наприкінці ХХ ст. подальший розвиток медицини вже не можна уявити без інтеграції знань, нагромаджених у молекулярній біології, біохімії, фізіології, нейронауках та психології. Прогресивний розвиток цих наук, медицини зумовив поступову зміну, ускладнення понять норми та патології, здоров’я і хвороби.

Закони біологічної еволюції поставили перед класичною наукою принципово важливе питання про сумісність її термодинамічних уявлень і спонтанного утворення дедалі складніших біологічних структур. Як відомо, згідно з термодинамікою стан замкненої системи прагне до теплової рівноваги, якій відповідає мінімальна впорядкованість (максимум ентропії) [81].

Поява ідей квантової механіки остаточно поклала край переконанням про глобальність принципу детермінізму. Був виявлений подвійний корпускулярно-хвильовий характер поведінки об’єктів атомно-молекулярного рівня. Його сенс можна виразити як неможливість визначення початкових умов і траєкторій руху з будь-якою заздалегідь заданою точністю. Аналогічне твердження справедливе і відносно одночасного визначення частинки в просторі та вимірювання її енергетичних характеристик [89].

Синергія або синергізм (від давньогрец.: συνεργία і новолат. synergos - (syn) разом (ergos) дія) - це взаємодія двох або більшої кількості чинників, яка характеризується тим, що їхня сумісна дія істотно перевищує ефект кожного окремого компонента у вигляді їхньої простої суми. Наприклад:

- кожен з чинників якості життя, як і самого процесу життя, має частку в сумарному процесі, а саме життя не може бути явищем розрізнених процесів і явищ, проявляючи синергізм комбінованих взаємодій- них явищ та процесів, що перебігають на системному рівні - у процесі системогенезу;

- з’єднання двох і більше шматків радіоактивного матеріалу в разі перевищення критичної маси в сумі зумовлюють виділення енергії, яка перевищує випромінювання енергії простого підсумовування окремих шматків;

- знання і зусилля декількох людей можуть організовуватися таким чином, що вони взаємно підсилюються. Приблизно такий зміст і поняття «нададитивнии ефект» - це стан речей, зазвичай передаваний фразою «ціле більше від суми окремих частин» (1 + 1 = 2х, де х > 1);

- прибуток після злиття двох компаній може перевищувати суму прибутків цих компаній до об’єднання;

- під синергізмом в біології розуміють сумісне й однорідне функціонування органів (наприклад, м’язів синергістів) та / або їхніх систем;

- під синергізмом у медицині розуміють комбіновану дію лікарських речовин на організм, за якого сумарний ефект перевищує дію, що надається кожним компонентом окремо.

Три основні процеси синергетичної дії в організації - це адекватне планування, ефективний обмін знаннями та оперативною інформацією між співробітниками організації та поточна координація роботи.

Наведемо приклад застосування синергетичних принципів для трьох можливих випадків сумісної роботи колективу людей в організації.

Перший варіант - випадок класичного варіанта «лебедя, рака, щуки». Фахівці намагаються виконувати роботу разом, взаємодіють, але процес ускладнюється амбіціями, взаємонепорозумінням, відходом від основної теми роботи, конфліктами, повторами. В результаті робота затягується, одні й ті самі справи доводиться переробляти багато разів, наради проходять за типовим сценарієм - у спробах узгодити різні точки зору і закінчуються нічим. Вся робота виявляється виконаною посередньо. В цьому випадку результат менший від суми складових частин (1 + 1 + 1 + 1 = 5, де 5 < 4).

Другий варіант - найпростіший, але, як показує практика, досить рідкісний. Внесок кожного фахівця добре вписується в загальну картину, спільні зусилля себе виправдовують, загальний результат дорівнює сумі внесків усіх фахівців. Так, якщо над завданням працюють чотири фахівці, їх результат роботи дорівнює результату, який могли зробити чотири фахівці, якби працювали окремо. Тут сумарний ефект (1 + 1 + 1 + 1 = 5, де 5=4).

Третій варіант - синергетичний (трапляється найрідше). Мистецтво управління інтелектуальним капіталом полягає саме в тому, щоб уміло об’єднувати зусилля декількох людей і досягати нададитивного ефекту (1 + 1 + 1 + 1 =5, де 5 > 4). Отже, виграють усі учасники синергетичного процесу, оскільки в результаті частка кожного учасника більша за одиницю. Очевидно, що для об’єднання зусиль потрібно, щоб вектори цих зусиль були узгоджені.

Донедавна детермінованість законів руху дозволяла передбачати поведінку простих систем, які складаються з одного або декількох елементів, на будь-якому інтервалі спостереження. Тому в поведінці таких систем не очікували прояву випадковості, непередбачуваності. За останні 40 років ситуація принципово змінилася. Планомірні дослідження в галузях фізики та математики, теорії коливань та метеорології, молекулярної біології та біофізики привели до розуміння нових фундаментальних законів поведінки систем живої та неживої природи [108]. Виявилось, що упорядкований рух може спричиняти хаотичне, нерегулярне переміщення. Такий хаос може виникати у простих системах з декількох елементів лише завдяки нелінійності. При цьому динамічна поведінка системи є нерегулярною, хаотичною сама по собі, без упливу будь-яких зовнішніх або внутрішніх флуктуацій. Такий тип нерегулярності отримав назву обмеженого, детерміністського, нелінійного, або динамічного хаосу. Така поведінка системи не є повністю хаотичною, а обмежена випадковістю. Цей тип нерегулярності породжений рухом системи за певними правилами, тобто детермінований.

Фрактальність - це схожість властивостей двох структур [110]. Фрактальні структури немовби симетричні відносно центра розтягування або зміни масштабу. Більш того, вони мають своєрідну структурну надмірність та нерегулярність.

Особливою характеристикою фрактальних структур, що враховує більшість їх специфічних властивостей, є фрактальна розмірність. Цей параметр, зокрема, визначає ступінь заповнення простору фракталами. Чим більша фрактальна розмірність, тим більша ймовірність того, що задана ділянка простору містить фрагмент цього фрактала. Розмірність фрактала є дробовим числом. 1/2, 1/5, 1/7 і т.д., тоді як порядок розмірності ліній - ціле число (1), а порядок поверхні - 2.

Наочна відмінність фрактала від нефрактальної структури виявляється в тому, що зі збільшенням займаної ділянки простору кількість елементів структури збільшується у фракталі істотно повільніше [68].

Фрактали в природі досить поширені. Найвідоміші з них - берегова лінія материків, гірський рельєф, поверхня хмар, турбулентні вихори в рідині. Останнім часом виявляється немало біологічних структур, що мають дробову розмірність, наприклад, альвеолярна мережа легенів, система кровоносних судин, дендритне дерево нейронів мозку.

З погляду синергетики будь-який живий організм, починаючи з клітинного рівня, можна уподібнити ієрархічній системі, що складається з достатньо великої кількості автономних систем, і самостійно організовуються та в яких низхідні сигнали керування не мають характеру жорстких команд, що підпорядковують собі активність усіх індивідуальних елементів нижчих рівнів. Такий тип зв’язків забезпечує лише вплив на умови, в яких перебігають процеси самоорганізації, тим самим зумовлюючи імовірність переходів між станами динамічного хаосу та порядку.

Зміна зовнішніх умов може справляти різний вплив на систему. У тому випадку, коли умови для процесу самоорганізації поліпшуються (підвищується ступінь термодинамічної нерівноважності, нелінійності взаємодії елементів системи), спостерігається подальше інформаційне зростання системи. Якщо зовнішні умови обмежують нелінійність, зменшують ступінь нерівноважності, тоді система гальмує своє зростання. При цьому збільшується відносна частка жорстких інформаційно- структурних зв’язків в її ієрархії, немовби зменшується відносна частка активної «інформаційної» частини, збільшуються чисто енергетичні витрати на її керування. Система демонструє дедалі зростаючу частку стереотипної поведінки.

Дисинергія - зниження ефективності функціонування системи в результаті негативної дії елементів один на одного, які входять в неї. Дисинергія може бути пов’язана з витратами, зумовленими необхідністю адаптації об’єднуваних систем до функціонування у складі інтегрованої структури, а також наслідком зниження керованості складнішою системою.

У медицині: хронічне захворювання, спричинене ураженням мозочка. Виражається в порушенні координації рухів, треморі, нестійкій хиткій ході, мовних розладах, на пізніх стадіях можливі епілептичні припадки.

У цьому можна легко угледіти аналогію з формуванням умовних рефлексів. Більш того, описаний механізм може пояснювати і формування патологічного стану. Виникає як би псевдопатологічна система в межах початкової ієрархії. Це дозволяє впливати на «хворобу» диференційовано. Можливими видаються декілька варіантів. Модифікуючи зовнішні умови, які стимулюють процес розвитку ієрархічної структури, можна зменшити відносну частку «патологічної системи». Альтернатива полягає в примусовому видаленні «патологічної структури».

Експериментальна перевірка синергетичних положень, що розвиваються, становить великий інтерес, оскільки розгляд з єдиних концептуальних позицій проблем норми та патології дозволить наблизитися до створення досконаліших підходів у лікуванні багатьох захворювань. Складність такої перевірки полягає в тому, що будь-який досвід потребує граничного спрощення експериментальної моделі через певну ізоляцію досліджуваного об’єкта від зовнішнього середовища. Для тих ієрархічних систем, які самостійно організовуються, будь-яке обмеження зв’язків із зовнішнім середовищем, особливо інформаційним, може призвести до їх модифікації або навіть руйнування. Таким чином, дійсний об’єкт дослідження може «зникнути» в процесі експерименту. Тому потрібна обережність у постановці дослідів для перевірки синергетичних гіпотез.

Незважаючи на нечітку постановку завдання, можна навести результати деяких досліджень, зокрема, численні повідомлення нейрофізіологів щодо зниження ступеня хаотичності імпульсної активності нейронів різних структур мозку, в мотивованих водною або харчовою депривацією тварин у міру задоволення потреби.

На рубежі століть синергетика дедалі більше стає інтелектуальною основою творчого процесу нового покоління учених. У сучасній біологічній науці застосування ідей синергетики дозволило побачити в діалектичній єдності багато явищ, що раніше видавалися несумісними. Можливо, в недалекому майбутньому, використовуючи синергетичні концепції, медицина зможе наблизитися до вирішення багатьох проблем, особливо пов’язаних з патологією нервової та судинної систем.

Далі наведено приклад із фарматевтики [77], який дозволить зрозуміти важливість вивчення та врахування явища синергетики у відкритих медико-біологічних системах.

У 1989 р. канадські дослідники, які займалися розробленням засобів для зниження рівня кров’яного тиску, із здивуванням виявили, що стакан грейпфрутового соку, випитий разом з тестованими ліками, різко збільшує його ефект. Учені намагалися визначити, як впливає алкоголь на дію препарату Plendil. Учасники експерименту не повинні були знати, що одночасно з ліками п’ють спиртне, тому підбирали напій, який би нівелював його смак.

«Ми з дружиною перепробували усе з нашого холодильника. З’ясувалося, що єдиним напоєм, який нейтралізував смак алкоголю, був грейпфрутовий сік», - розповідає доктор Девід Бейлі з Центру медичних наук в Лондоні (провінція Онтаріо, Канада), керівник дослідження.

Учені навіть не припускали, що сік може чинити якусь дію на результати експерименту. Але рівень ліків у крові випробовуваних істотно збільшився саме в тій групі, яка запивала його тільки грейпфрутовим соком, без алкоголю.

«Спочатку нам ніхто не повірив, - говорить Бейлі. - Всі думали, що це жарт. У нас були проблеми з публікацією результатів дослідження в найбільших наукових виданнях» [77].

Метою подальших експериментів було з’ясувати, чому грейпфрутовий сік справляє такий ефект.

Виявилось, що ключ до розгадки криється у групі ензимів, які називаються системою цитохрому Р-450, а точніше в ензимі CYP3A4, що сприяє засвоєнню багатьох ліків і токсинів, перетворюючи їх на речовини, що справляють менш сильну дію на організм або легше виводяться з нього.

Дослідники встановили, що грейпфрутовий сік блокує дію CYP3A4. Саме тому він підсилює дію ліків, що дозволяє великим його дозам потрапляти в кров, що веде до нагромадження надмірної кількості препарату в організмі.

Попри те, що CYP3A4 наявний в багатьох органах людини, грейпфрутовий сік взаємодіє з ним лише в кишечнику. В результаті описаний вище ефект виявляється тільки тоді, якщо пацієнт вживає ліки в пігулках. При ін’єкціях препарату сок можна пити без побоювань.

Подальші дослідження показали, що грейпфрутовий сік підсилює ефект дуже багатьох ліків. Це загалом не становить небезпеки для здоров’я, але бувають і неприємні винятки. Наприклад, вживання одночасно з

грейпфрутовим соком медикаментів, призначених для зниження рівня холестерину, призводить до їх нагромадження в організмі в надмірних кількостях, що може стати причиною фатального порушення м’язової діяльності.

Грейпфрутовий сік може також перешкоджати засвоєнню деяких антидепресантів, таких як Prozac. Доктор Маршалл Форстайн, професор психіатрії Гарвардського університету, зазвичай радить своїм пацієнтам замість грейпфрутового соку вживати будь-який інший, оскільки більшість цитрусових соків не призводять до такого ефекту.

«Якщо вони не згодні, я рекомендую їм вживати ліки в той час, коли грейпфрутовий сік вже повністю засвоєний організмом», - радить Форстайн.

Зі всіх фруктових соків грейпфрутовий має найсильніший ефект, але сік лайма або севільських апельсинів також здатен пригнічувати дію ензиму CYP3A4. З деякими ліками таким самим чином може взаємодіяти і яблучний сік.

Чи означає це, що людина може зменшити дозу ліків, вживаючи їх разом з грейпфрутовим соком? Бейлі стверджує, що це не так.

«Оскільки кількість ензимів у шлунку у всіх людей різна, ефект передбачити неможливо, - говорить він. - Тому експериментувати з грейпфрутовим соком - не краща ідея».

Тоді як Бейлі пропонує повністю уникати грейпфрутового соку під час вживання ліків, деякі експерти вважають, що ефект соку не варто перебільшувати.

«Обставини, за яких відбувається взаємодія соку і ліків, незвичайні, - відзначає Девід Грінблатт, професор фармакології університету Тафті (Бостон, США). - Результати клінічних випробувань показують, що взаємодія відбувається рідко і, як правило, не має істотного значення. Але бувають винятки»[77].

Доктор Річард Кім, професор медицини і фармакології університету Вандербільт, також вважає, що в деяких випадках взаємодія може становити загрозу для здоров’я пацієнтів. За його словами, ліки, з якими взаємодіє грейпфрутовий сік, призначають, переважно, літнім людям.

«Якщо ви вживаєте безліч препаратів або недавно почали приймати новий вид ліків, слід дотримуватися обережності, - застерігає Кім - найпростіше рішення - запивати ліки водою та уникати будь-якого соку» [77].

Таким чином, синергетика має сенс для багатьох галузей наук і техніки, а також освіти сприяє інтеграції знань з різних дисциплін, зміцненню міжп- редметних зв’язків, використанню цього нового міждисциплінарного напряму для глибокого розуміння єдності законів природи та суспільства, а отже, розвитку особистості як кінцевої мети всієї освітянської діяльності.

З погляду синергетики, в основі процесу творчості, ймовірно, прихований механізм динамічного хаосу, здатен підсилювати мікроскопічні флуктуації ідей та перетворювати їх на макроскопічно зв’язані стани наукових теорій.