Кибержизнь. Контуры медицины будущего

Можно привести тысячу примеров. Это все то, чем мы окружаем себя каждый день для поддержания существования. И это пример управления внешними силами и энергиями для того, чтобы сделать их достоянием первых двух сфер.

Следует сказать об одной особенности. Она заключается в том, что существует переход количества энергии из одной сферы в другую, то есть, если, например, в первой сфере заканчивается энергия, то она может забрать недостающее количество энергии из второй, соответственно вторая сфера может получить энергию извне посредством третьей сферы. Это гипотетический фундаментальный постулат. За счет получения энергии извне, третья сфера оптимизирует условия существования второй сферы таким образом, чтобы это существование продолжалось сколь угодно долго. Однако до настоящего момента реализовать некую систему вечного существования на практике не представлялось возможным. Даже наличие развитого интеллекта не гарантирует получение рецепта вечной жизни без понимания принципов иерархического взаимодействия термодинамических сфер между собой и окружающей средой.

Третья сфера устроена таким образом, что постоянно уменьшает энтропию, то есть упорядочивает все процессы, которые происходят внутри нее. Она функционирует согласно диссипативным уравнениям Пригожина. В этом она схожа с механизмом синтеза, о котором мы расскажем в следующей главе, и именно поэтому она имеет возможность дополнить то, что не доделал механизм синтеза. Физический смысл третьей сферы – это продление срока жизни биосистемы путем максимальной стабилизации живого вещества. Требуется смена нескольких поколений, одаренных людей, чтобы разгадать тайну биологического равновесия. Возьмем, к примеру, теорию эволюции Дарвина. До него были труды Ламарка, без которого Дарвин не смог бы создать свою теорию. Сегодня это уже дополненная «синтетическая теория эволюции». Для того, чтобы обеспечивать непрерывный процесс эволюции, природа создала такую способность как размножение.

Эмбрион, который находится в матке, развивается не сам по себе, а под чутким контролем состава окружающей и внутренней среды плода (через гемато-плацентарный селективный барьер), который осуществляет материнский организм. Для плода создается оптимальный баланс температуры, давления и биохимических реакций. Ребенок в утробе матери – это яркий пример реализации третьей сферы в природе. Таким образом, этот маленький организм растет и развивается в идеальных условиях, автоматически поддерживаемых организмом матери. После рождения сфера разума включается далеко не сразу: сначала мы имеем «неразумное дитя», и лишь после психологического созревания можно говорить о возможном включении в процесс третьей сферы. От полутора до трех лет – это вторая сфера в чистом виде. Пока родители решают за ребенка вопросы его комфорта – надеть или снять кофточку, например – они являются его третьей сферой. Поэтому с позиций термодинамических взглядов, момент рождения ребенка не совпадает с моментом возникновения у него третьей сферы. Путь второй сферы у ребенка продолжается вплоть до обретения им самостоятельности, до того момента, когда он, уже будучи сформированной личностью, не будет зависеть от помощи родителей или каких-либо попечителей вплоть до государства.

Управляющая система третьей сферы зиждется на трех понятиях: первое – БИОС – чувство самоидентификации, чувство разума, чувство сознания. Это чувство в принципе одинаково у всех разумных существ и рас. Второе – оперативная система, которая работает в БИОСе – это ЛОГОС – язык, на котором этот разум может вербально и письменно общаться с представителями себе подобных. И третье – это нравственная программа, которая структурирует и направляет поступки – ТЕОС. У кого-то это религия, у кого-то воспитание, у кого-то научный интеллект. Сюда же можно отнести общее развитие, эрудицию и прочее. Существует много так называемых подпрограмм ТЕОСа. Христианство, ислам, буддизм, научный атеизм, коммунизм… У всех они разные. Но ТЕОС создает некий нравственный программный путь. У кого-то «понятия», у кого-то университетское братство. Одним из ярких примеров является ТЕОС, который описан у Бориса Акунина в «Алмазной колеснице»:

« – Путь Алмазной колесницы учит, что Большой Мир, то есть мир Своей Души, неизмеримо больше Малого Мира, то есть мира человеческих отношений. Спроси сторонника любой религии, кто такой праведник, и ты услышишь: праведник тот, кто жертвует собой ради других людей. На самом же деле жертвовать собой ради других – наихудшее преступление в глазах Будды. Человек рождается, живет и умирает один на один с Богом. Все прочее – лишь видения, созданные Высшей силой, дабы подвергнуть человека испытанию».

Дабы не вводить читателя в заблуждение, уточню – данный отрывок приведен лишь в качестве яркой иллюстрации одного из многих ТЕОСов, но он ни в коем случае не является основополагающим тезисом этой книги.

Фактически, теос и логос являются инструментами передачи информации для третьей сферы, а информация как раз и будет самой средой. Скорость передачи информации в третьей сфере еще более высока, нежели в первых двух сферах. Здесь мы имеем дело с передачей информации в чистом виде. И на сегодняшний день скорость передачи информации только нарастает. В качестве примера приведу следующую цепочку: скорость распространения звука между говорящими людьми, далее изобретение телеграфа, затем телефона, передача информации с помощью радиоволн и, наконец, оптическая передача данных, которая может быть ограничена на сегодня лишь скоростью света. Если гипотетически предположить, что рано или поздно наступит момент, когда логос и теос будут идентичны для всех, тогда человечество едиными усилиями сможет преодолеть любые барьеры. Это будет мощный коллективный разум, для которого не будет препятствий. Фактом написания этой книги, я делаю небольшой, но тем не менее, очень важный шаг в этом направлении.

В биологии понятие соподчиненных термодинамических сфер возникает впервые. Мы с вами убираем дискретность и логически ставим разум в одну биологическую цепочку с управляющими системами первой и второй сферы. Цель создания разума с точки зрения эволюции одна – обеспечение оптимальной жизнедеятельности и через нее достаточной продолжительности жизни, как можно более долгой. То есть, цель разума с точки зрения биологии как науки о живом веществе – это обнаружение и нахождение проблем в передающих средах, мембранах и управляющих центрах первых двух сфер и их своевременное устранение.

Вся наша жизнь – это стремление к ее продлению. Разум, как инструмент эволюции, имеет все возможности это обеспечить. Учение о термодинамических сферах в биологии позволяет определить место разума в природе. Третья сфера объясняет тот факт, что эволюционная причина возникновения разума связана с моментом стабилизации биосистемы человека. Природа добилась практического бессмертия вида за счет использования механизма размножения, но появление и совершенствование человеческого разума со временем позволит повысить устойчивость гармоничного функционирования организма во внешней среде и в конечном итоге обрести бессмертие для обеспечения в будущем выполнения более глобальных задач планетарного масштаба.

Разум – это термодинамическая необходимость живой материи. При длительной фенотипической адаптации рано или поздно многие живые организмы могут стать разумными, потому как в конечном итоге третья сфера необходима для экспансии живой материи во вселенной, а без наличия разума это не представляется возможным. Прогрессивное увеличение объема «разумной материи» – количества высокоразвитых людей с большой продолжительностью жизни сведет к минимуму последствия нарушения передачи информации вследствие каких-либо природных флюктуаций. Ярким примером из техники является компьютерный сервер с RAID-массивом жестких дисков, на каждом из которых полностью дублируется вся информация с целью ее защиты.

В завершение этой главы, я хотел бы привести цитату Ильи Ильича Мечникова, которая кратко отражает всю суть третьей термодинамической сферы:

«Можно совершенно точно утверждать, что не человек намеревается переделать свою физическую природу, а природа сама переделывается, пользуясь силами нервной системы одного из созданных ей высших представителей живой материи».

Принцип самообновления (Синтез и распад)

Мы с вами достаточно подробно разобрали материал о трех термодинамических сферах: гипотетически мы рассматривали их взаимодействие и влияние друг на друга в идеальных условиях. С точки зрения термодинамики биологическая жизнь есть не что иное как открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия. Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне.

Согласно второму закону термодинамики, в системе есть стремление переходить к беспорядку – это универсальный закон. Если представить существование трех сфер в определенной благоприятной среде, то возникает вопрос, что необходимо для того, чтобы эти три сферы существовали сколь угодно длительное время в оптимальном физическом состоянии высокоэнергетичного организма? Ответ напрашивается сам собой: должен постоянно функционировать некий механизм, который будет компенсировать (уравновешивать) действующее на систему второе начало термодинамики, а именно, необходимо наличие постоянного самообновления организма! Ведь без эффекта самообновления составные части термодинамических сфер и процессы, происходящие в них, будут постоянно приходить в негодность согласно второму закону термодинамики, что приведет к нарастанию хаоса и распаду системы. На практике этот процесс называется старением организма с последующей смертью.

С другой стороны, мы наблюдаем постоянный процесс самообновления клеточного материала и регенерации тканей, вследствие чего организм может поддерживаться в неизменном виде достаточно длительное время. В норме в живой ткани происходит замена отработанных элементов на новые. Необходимо внести ясность, как происходит самообновление организма и каким образом оно зависит от потока вещества и информации.

ПРИМЕР. Представим себе автомобиль, который активно эксплуатируется, но никогда не проходит технического обслуживания. Через определенное время этот автомобиль придет в негодность из-за поломки, связанной с износом той или иной детали. Но, предположим, что у нас есть какая-то машина, которая особенно нам дорога. Например, раритетное авто Элвиса Пресли. И мы не просто проводим регулярное ТО, но и в профилактических целях заменяем комплектующие, раньше, чем они придут в негодность. Проводку, свечи, стартер, амортизаторы, фары и прочее. Такая машина будет ездить вечно. Да, внешне эта машина останется ретро-автомобилем Пресли, но на самом деле это будет уже не та машина, которая была изначально. Принципиально это будет новый автомобиль, который постоянно «на ходу». Ничто не может препятствовать тому, чтобы данная машина ездила вечно, поскольку мы постоянно ее обновляем.

Итак, если на практике, мы можем поддерживать сколь угодно долго в рабочем состоянии дорогой нашему сердцу автомобиль, то теоретически мы также можем поддерживать в оптимальном состоянии наш организм, столько времени, сколько захотим. Нужно честно признать, что гипотетически, при наличии бесперебойного антиэнтропийного принципа самообновления, ничто не мешает человеку жить и 100, и 200, и 500, и 1000 лет! Процесс самообновления организма можно и нужно своевременно корректировать, а для этого надо понимать, как устроена иерархия термодинамических систем организма. На сегодняшний день это один из глобальных научных барьеров, не преодолев который, все мы вынуждены будем умирать в возрасте от шестидесяти до ста лет.

Поскольку в организме постоянно происходят сложные реакции синтеза и восстановления, будет справедливым применить второй закон термодинамики не в отношении целого организма, а конкретно в отношении его структурных элементов – а именно клеток. Износ и умирание берут на себя элементы системы, а не сама система: умирают клетки, но не организм в целом.

Представьте живой организм как большой город, в котором клетки – это его жители, которые умирают и рождаются. В зависимости от того, как будет изменяться популяция жителей, город будет либо развиваться, либо угасать. Либо такой город будет постоянно жить в оптимальном рабочем состоянии, допуская лишь малейшие колебания численности в строго определенных рамках. Такой город будет волнообразно дышать по теории биоритмов Доброборского. Можно привести аналогию в цепочке: вид – человек – клетка. На сегодняшний день природа обеспечила бессмертие вида. Внутри него действует принцип самообновления посредством рождения и умирания структурных единиц, особей вида. Если наложить принцип фрактальности действия физических законов, можно создать инструмент, который позволит обеспечить бесконечно долгое существование организма непосредственно внутри вида. Посредством мысленного эксперимента мы приходим к выводу, что природа уже доказала возможность такого процесса, наша задача лишь найти ключи к осуществлению этого на уровне человеческого организма.

Давайте подробнее остановимся на механизмах синтеза и распада, которые происходят в организме, на том, как и чем эти механизмы регулируются. Для этого к нашей структуре соподчиненных термодинамических сфер мы добавим принцип самообновления форменных элементов. Его работа обусловлена гармоничным взаимодействием механизмов синтеза и распада.

Механизм синтеза

Механизм синтеза обусловлен функционированием стволовых клеток, которые присутствуют во всех органах и тканях и при делении образуют новые элементы. В связи с этим я остановлюсь чуть подробнее, но не вдаваясь в цитологические тонкости (дабы не упустить общую картину), на том пути, который проходит мультипотентная стромальная стволовая клетка (МССК), поэтапно делясь под воздействием факторов роста, других биорегуляторов и изменяющихся условий внешней среды.

Молекулярные механизмы, управляющие дифференцировкой МССК, до сих пор остаются одной из самых неисследованных тем.

Некоторые коллеги предлагают двухстадийную модель дифференциации МССК: от стволовых клеток до клеток, идущих по пути дифференциации. На стадии стволовых клеток происходит асимметричное деление МССК, в результате которого образуются две клетки, одна из которых сохраняет стволовую функцию, а вторая вступает на путь дифференциации в виде плюрипотентного клеточного предшественника. Деление происходит при наличии какого-либо фактора роста, так как ММСК в подавляющем большинстве пребывают в состоянии генетической блокировки. Клетка-предшественник в свою очередь претерпевает целый ряд симметричных делений, образуя при этом внушительный набор трипотентных и бипотентных предшественников.

Сам процесс деления на этой фазе не сопровождается слишком серьёзными фенотипическими изменениями, и поэтому эти этапы объединяют в стадию стволовых клеток.

Когда же бипотентные клетки начинают делиться дальше, появляются унипотентные предшественники, и начинается этап деления клеток, идущих по пути дифференциации, так как на этом этапе унипотентные предшественники приобретают фенотипические характеристики клеток того типа, в который они должны дифференцироваться. Далее унипотентные клетки становятся источниками полностью дифференцированных клеток.

Один из наиболее изученных примеров представляет собой каскад биопроцессов, представляющих собой остеогенез. Асимметричное деление ММСК дает начало раннему остеопредшественнику, который в свою очередь, двигаясь по пути дифференциации, преобразуется в позднего остеопредшественника, преостеобласт, остеобласт и, в конечном итоге, в остеоцит.

Все эти преобразования сопровождаются активацией и дезактивацией целого ряда клеточных биорегуляторов (Cbfa1/Runx2, Msx2, Dlx5, Osx) и экспрессией маркеров остеосинтеза: остеопонтина, коллагена I типа, щелочной фосфатазы, костного сиалопротеина, остеокальцина и других. Нарушение регуляторного контроля на любой стадии этого процесса приводит к задержкам в дифференциации, что в итоге приводит к формированию функционально неполноценных остеобластов.

Гипотеза существования «мезенхимальных стволовых клеток», сформулированная еще в конце ХХ-го столетия, опирается непосредственно на базис знаний, полученных в работах А. Я. Фриденштейна, о преобразовании клональных стромальных клеток костного мозга в скелетные ткани. Но, накопленная на сегодняшний день информация о постнатальных стволовых клетках соединительных тканей, создала предпосылки для появления новой интересной идеи, согласно которой предполагаемые «мезенхимальные стволовые клетки» являются общими прародителями всех негемопоэтических производных мезодермы, а не только скелетных тканей; и, хотя они были обнаружены в костном мозге, источниками МССК могут являться и другие органы и ткани.

Развитие скелетных и мышечных тканей в эмбриогенезе не предполагает наличия общего предшественника и существование постнатальных клеток с одновременно мышечным и скелетным потенциалом и не может быть объяснено с точки зрения биологии развития. К тому же существование различных предшественников мышечных и скелетных тканей подтверждается многими попытками индукции миогенной дифференцировки МССК, большая часть из которых оказались либо неудачными, либо недостаточно эффективными.

Анализ литературы по данной тематике не позволяет понять теоретических основ такой дифференцировки для культур любых МССК. С другой стороны, есть достаточное количество публикаций, в которых показана миогенная дифференцировка МССК. Существенная часть этих работ посвящена формированию из МССК кардиомиоцитов. В частности, для МССК показана направленная дифференцировка в кардиомиобласты ДНК-деметилирующими агентами (5-азацитидин), совместным культивированием и добавлением кардиомиогенных дифференцирующих сред. При культивировании МССК с кардиомиоцитами и добавлением среды, которую продуцируют кардиомиоциты, было показано, что для запуска процесса миогенной дифференцировки необходим прямой контакт клетка-клетка, а вот присутствие цитоиндукторов является недостаточным условием.

Эта идея получила развитие в работах, выполненных на ММСК из жировой ткани. Данные работы убедительно показали, что при обработке культур клеток МССК из костного мозга 5-азацитидином изменяется структура межклеточных взаимодействий. Клетки начинают объединяться, образуя миотубоподобные структуры. Через неделю возникают процессы спонтанного сокращения, а уже через три недели процессы сокращения удивительным образом синхронизируются. Образовавшиеся структуры положительно метятся антителами против миозина, десмина и актина. Спонтанная дифференцировка МССК из немышечных тканей в клетки скелетных мышц в литературе не описана. Это наводит на мысль, что к миодифференцировке способны не все, а лишь определенная часть популяций МССК, для которых миогенный путь развития является наиболее преимущественным.

Тесты in vitro, проводимые при воздействии на культивируемые клетки искусственных гуморальных сигналов, а затем выявление специфических маркеров, не представляют четкой аналогии с гистологической картиной, наблюдаемой в ткани при дифференциации клеток в естественных условиях. С другой стороны, используются способы, цель которых показать спонтанное перепрограммирование судьбы клетки под действием случайного набора факторов, присутствующих в среде. Оба способа изменения программы преобразования клетки являются в равной степени важными биологическими феноменами. Однако они радикально отличаются как теоретически, так и экспериментально.

В каждом случае принципиально важно, является ли вводимый индуктор специфическим химическим сигналом, запускающим перепрограммирование судьбы клетки или эффект от его воздействия связан со спонтанной дифференцировкой из-за далеких от оптимальных ростовых условий опытной среды. Возможность спонтанной дифференцировки является характеристикой данной культуры и представляет собой преобразование клетки в пределах дифферона, а не перепрограммирование ее судьбы.

Принятый ранее взгляд на дифференциацию как на ряд последовательных клеточных изменений на пути к окончательно дифференцированной клетке был подвергнут пересмотру, поскольку стволовые клетки взрослого организма оказались способны в определенных условиях дифференцироваться в клеточные типы, отличные от тех, что встречались в тканях, из которых эти клетки были выделены.

К примеру, было показано, что терминально дифференцированные хондроциты, остеобласты и адипоциты под воздействием внеклеточных стимулов могут превращаться в другие типы мезенхимальных клеток in vitro. В процессе такого видоизменения, дифференцированные клетки теряют фенотипические свойства, характерные для их клеточного типа, и активно пролиферируют, становясь похожими морфологически и функционально на примитивные стволовые клетки. Создавая определенные изменения внешней среды, можно добиться того, что эти дедифференцированные клетки развиваются в другой тип клеток, то есть проходят повторную дифференциацию. Из этого следует, что и предшественники, и дифференцированные клетки сохраняют полипотентность, и в соответствующих условиях (например, в процессе регенерации тканей) могут избирать разные пути дифференциации.

МССК в соответствующих индуцирующих условиях, способны дифференцироваться не только в мезодермальные типы клеток. Они также дают начало производным других зародышевых листков – эктодермы и эндодермы. В последние годы опубликовано несколько работ, демонстрирующих возможность использования МССК из костного мозга в качестве источника получения клеток, вырабатывающих инсулин. Для переключения МССК в предшественники эндодермы с целью последующей их дифференцировки, используются методы культивирования в специальных средах, содержащих индукторы и методы трансфекции генами самых основных факторов транскрипции (Foxa2, Hb9, Pdx1). Полученные таким образом инсулин-продуцирующие клетки полноценно активны и демонстрируют глюкозо-зависимую секрецию инсулина как in vitro так и in vivо.

Опираясь на представленную выше информацию, можно понять, насколько процесс запуска дифференцировки ММСК зависит от внешнего управления разноплановыми биорегуляторами. Открывая на этом пути новые факторы роста и другие регуляторы, мы в будущем надеемся получить ключ к пониманию причин сбоя в стволе дифференцирующих делений МССК, а значит, и к пониманию того, дисбаланс каких факторов (нехватка, переизбыток) приводит, например, к разным типам рака (от низкодифференцированного до высокодифференцированного), а также к возникновению доброкачественных опухолей.

Еще немного гистологии: места в ткани, где постоянно залегают стволовые клетки, делящиеся по мере надобности для дальнейшей дифференциации, называются нишами стволовых клеток. Это микроокружение стволовой клетки, необходимое для её жизнедеятельности и координации её поведения с нуждами организма. По современным представлениям, ниша – это связующее звено контроля и регуляции между клеткой и целостным организмом. Ниша стволовой клетки обеспечивает её факторами, необходимыми для её жизнедеятельности. Благодаря своим анатомическим особенностям, ниша способствует взаимному контролю и обмену информацией между клетками, координирует их действия. Так же, ниша обеспечивает координацию между различными популяциями клеток, регулируя их ориентацию и местоположение в тканевом компартменте, а, следовательно, регулирует морфогенез и функции тканей.

В организме присутствуют как полипотентные стволовые клетки, так и тканеспецифические. Источником полипотентных стволовых клеток является костный мозг. Он состоит из фиброзной стромы и собственно кроветворной ткани. В кроветворной ткани костного мозга выделяют несколько ростков гемопоэза, количество которых увеличивается по мере созревания. Зрелых ростков в красном костном мозге пять: эритроцитарный, гранулоцитарный, лимфоцитарный, моноцитарный и макрофагальный. Тканеспецифичные прогениторные клетки (клетки-предшественницы) – малодифференцированные клетки, которые повсеместно располагаются в различных тканях и органах и отвечают за обновление их клеточной популяции, то есть замещают погибшие клетки. Их главное отличие от других стволовых клеток в том, что клетки-предшественницы могут делиться лишь определённое количество раз, в то время как другие стволовые клетки способны к неограниченному самообновлению. Поэтому периодически клетки-предшественницы тоже погибают, но на их место приходят с кровотоком новые клетки-предшественницы, выработанные при делении и дифференцировке полипотентных стволовых клеток костного мозга. Они попадают в тканевую нишу, закрепляются там и становятся клетками предшественницами.

Все стволовые клетки через определенные биохимические медиаторы (соматотропный гормон, соматомедин и многие др.) воспринимают сигнал автоматической управляющей системы головного мозга о том, насколько организму нужна или не нужна продукция новых элементов в данный момент. И в случае необходимости начинают продуцировать новые элементы путем собственного деления. С возрастом количество стволовых клеток и количество соматомедина в тканях прогрессивно снижается – это доказанный факт, который косвенно подтверждает данную теорию.

Одно из самых значимых исследований современности по изучению продолжительности жизни было проведено японскими учеными из Keio University School of Medicine. Они провели исследование с целью определить гормональные пути, потенциально вовлеченные в энергетический гомеостаз, необходимый для того, чтобы прожить больше ста лет. Было обследовано 252 долгожителя (возрастом 100–108 лет) на протяжении шести лет. Были получены следующие результаты: длительность жизни долгожителей была напрямую связана с количеством предшественника соматостатина – инсулиноподобного фактора роста-1 (соматомедина). Подробнее о роли этих и других биохимических медиаторов мы расскажем в теоретическом разделе (глава о старении организма) и прикладном разделе (глава о роли биорегуляторов).

Основной физической задачей процесса синтеза клеточных элементов является увеличение порядка в организме, то есть синтез обеспечивает осуществление диссипативной функции. Для того, чтобы реализовать математическую модель процесса синтеза, необходимо воспользоваться диссипативной теорией Пригожина: в тех открытых системах, что находятся в сильно неравновесных условиях, могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, то есть к переходу от беспорядка, «теплового хаоса», к упорядоченным состояниям. Создатель новой неравновесной термодинамики Илья Романович Пригожин, о котором ранее говорилось в историческом разделе, назвал эти структуры диссипативными, стремясь подчеркнуть парадокс: процесс диссипации (то есть безвозвратных потерь энергии) играет в их возникновении конструктивную роль. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации – случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения.

Одним из простейших случаев такой спонтанной самоорганизации является так называемая неустойчивость Бенара. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя к верхнему, обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников. Это означает, что большинство молекул начинают двигаться с почти одинаковыми скоростями, что противоречит и положениям молекулярно-кинетической теории, и принципу порядка Больцмана из классической термодинамики. Если в классической термодинамике тепловой поток считается источником потерь (диссипации), то в ячейках Бенара он становится источником порядка. Пригожин характеризует возникшую ситуацию как гигантскую флуктуацию, стабилизируемую путем обмена энергией с внешним миром.

Отметим некоторую особенность: организм не просто поглощает негэнтропию (порядок) из внешней среды, он его намеренно создает, то есть структурирует входящую внешнюю энергию, строго следуя диссипативной теории Пригожина.

Физически основным и самым интересным моментом нелинейной термодинамики является ни что иное как точка бифуркации, то есть момент решения нелинейного уравнения, где диссипативная система может выбрать разные варианты этого решения. Варианты эти будут зависеть от предыдущей истории системы и от состояния (физического и информационного) внешней среды, окружающей систему.

Механизм синтеза как раз и представляет собой такую точку, то есть физически бифуркация выглядит как каскад непрерывных и постоянных делений стволовых клеток (от мультипотентных до дифференцированных клеток ткани).

Только в организме, кроме всего прочего, присутствует строгий автоматический контроль информационного и физического состояния среды, окружающей эти клетки. Это уже называется внешним управлением системой через состояние среды, поэтому сюда, кроме нелинейной термодинамики Пригожина, необходимо применить кибернетические подходы Ляпунова в теории оптимального управления. Только тогда мы увидим, что неопределенность, возникающая в точке бифуркации у Пригожина, в живом организме на самом деле таковой не является, поскольку подчиняется не только внутренней истории самой системы, но и подлежит невероятно четкому и эффективному внешнему управлению через изменение свойств, окружающей данную систему (стволовую клетку) среды.

Механизм распада

Обратимся еще раз к приведенному выше примеру с автомобилем Элвиса, который мы хотим сохранить как можно дольше. Для того, чтобы установить новый агрегат, сначала необходимо удалить изношенный. Так и в живом организме, в соответствии с биофизическим равновесием, наряду с механизмом синтеза, присутствует альтернативный механизм распада, который отвечает за утилизацию отработанного «уставшего» клеточного материала. Механизм распада реализован процессом апоптоза и функционированием фагоцитов – тканеспецифичных макрофагов, которые наряду со стволовыми клетками присутствуют во всех органах и тканях.

Среди фагоцитов отдельно можно выделить две самые многочисленные группы клеток крови. Первая группа – это нейтрофилы. Их задача убирать всяческий «мусор», который образуется в организме или попадает в него извне, то есть они выполняют неспецифическую функцию мусорщиков организма. Вторая группа – это моноциты, назовем их «интеллигентными макрофагами», их основная функция состоит в активном фагоцитозе труднодоступных объектов, поэтому они обладают свойством проникать в ткани через сосудистую стенку, и устранять из них нежелательные клеточные и молекулярные элементы. При невозможности удалить крупные инородные объекты, моноциты окружают такие объекты и изолируют их от тканей организма. Моноциты обладают способностью, проникая в ткани, дифференцироваться в тканеспецифические макрофаги – гистиоциты. Моноцит также интересен тем, что являясь фактически дифференцированной клеткой крови, он тем не менее сохраняет уникальные возможности дополнительной дифференцировки в гистиоциты разных тканей. Именно поэтому механизм распада и обладает свойством дифференциального выбора того, что должно быть подвергнуто разрушению. Основным органом, контролирующим работу фагоцитов, является селезенка. Согласно изречению Галена, селезёнка – орган «полный таинственности». В первую очередь, селезенка интересна тем, что количество стволовых клеток в ней составляет 3–4 клетки на 100 от общего клеточного объема, а это огромное количество! Внутреннее содержимое селезёнки получило название пульпы. В пульпе селезёнки различают две основные зоны: красную и белую.

Белая пульпа селезёнки составляет до 20% объёма органа. Включает в себя лимфатические узелки и периартериальные лимфатические влагалища (муфты). Строму белой пульпы также образует ретикулярная соединительная ткань. Кроме ретикулярных клеток к стромальным элементам относят также некоторые разновидности макрофагов, дендритные и интердигитирующие клетки, которые выполняют функции антигенной презентации. Эта функция позволяет обучать макрофаги, распознавать клетки, и принимать решение о необходимости утилизации той или иной клетки. При признаках старения клетки, ее мутации или онкологического преобразования возникает один и тот же эффект, который отражается на мембране – это эффект снижения метаболизма, то есть эффект снижения энергетической силы самой клетки. Макрофаги определяют этот момент и принимают четкое решение, достойна ли клетка продолжить свое существование или пришла пора ее утилизировать.

Красная пульпа селезёнки составляет 80% объёма органа и выполняет следующие функции:

– Депонирование зрелых форменных элементов крови.

– Контроль состояния и разрушение старых и поврежденных эритроцитов и тромбоцитов.

– Фагоцитоз инородных частиц.

– Обеспечение дозревания лимфоидных клеток и превращение моноцитов в макрофаги.

Красная пульпа селезёнки включает венозные синусы и селезёночные тяжи Бильроте (часть красной пульпы, расположенной между синусами). В тяжах Бильроте находятся форменные элементы крови, макрофаги, плазматические клетки, лежащие в петлях ретикулярной соединительной ткани. Здесь, по аналогии с мозговыми тяжами лимфатических узлов, заканчивают свою дифференцировку и секретируют антитела плазмоциты, предшественники которых перемещаются сюда из белой пульпы. В пульпарных тяжах встречаются скопления В– и Т-лимфоцитов, которые могут формировать новые узелки белой пульпы. В красной пульпе задерживаются моноциты, которые дифференцируются в макрофаги. Синусы красной пульпы, расположенные между селезёночными тяжами, представляют собой часть сложной сосудистой системы селезёнки. Эти широкие тонкостенные сосуды неправильной формы выстланы эндотелиальными клетками необычной веретеновидной формы с узкими щелями между ними, через которые в просвет синусов из окружающих тяжей мигрируют форменные элементы.

В физическом смысле механизм распада осуществляет непрерывное производство энтропии в организме и подчиняется теореме Пригожина, 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.

Австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер объясняет, как живая система экспортирует энтропию, чтобы поддержать свою собственную энтропию на низком уровне:

«Живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия – это то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив».

Отличительной особенностью механизма распада является то, что он состоит из двух частей. Первая – это апоптоз, действующая ныне теория запрограммированной смерти клетки, и вторая часть – фагоцитоз, который был открыт и подробно описан Мечниковым, то есть утилизация продуктов апоптоза. Апоптоз и фагоцитоз являются частями единого механизма распада.

Таким образом, в этой главе мы описали два инструмента системы самообновления организма – механизм синтеза, который отвечает за репликацию клеточного материала и механизм распада, отвечающий за удаление отработанных элементов в организме со свойством дифференциального выбора для оценки элементов. Только совокупное гармоничное взаимодействие этих двух сопряженных механизмов может компенсировать прирост энтропии внутри самой системы. То есть нивелировать отрицательный эффект второго начала термодинамики на живой организм, учитывая, что следствия второго закона термодинамики берут на себя непосредственно форменные элементы, а не организм в целом.

Итак:

– Принцип самообновления, выраженный в природе гармоничной и слаженной работой механизмов синтеза и распада, позволяет перевести действие второго закона термодинамики со всей системы на ее составные части – клетки;

– При появлении дисбаланса между работой механизмов синтеза и распада возникает неизбежный частичный переход влияния второго закона термодинамики с элементов системы непосредственно на организм в целом. Физически этот процесс проявляется старением организма;

– Механизмы синтеза и распада действуют согласно определенным теориям и теоремам, что необходимо учитывать в построении компьютерных моделей принципов функционирования живого организма;

– Оптимальное функционирование механизмов синтеза и распада зависит от состояния среды и количества биорегуляторов в ней, которое определяет управляющая система, находящаяся в стволе головного мозга;

– Механизм распада обладает свойством дифференциального выбора того, что подлежит утилизации, реализованного наличием в организме процесса апоптоза клеток до апоптатических телец, которые впоследствии поглощаются макрофагами;

– В природе принцип самообновления успешно реализован и применен на уровне фактически вечного существования биологических видов, где роль подвергающихся умиранию составных частиц отводится непосредственно телам организмов представителей вида.

2. Специальные теории термодинамической биологии

«Любая физическая теория, какой бы сложной математикой она не выражалась, должна быть доступна в объяснении даже ребенку».

Альберт Эйнштейн

Специальные теории термодинамической биологии преследуют цель решения комплекса специальных проблем. Эти теории отвечают на вопрос о существовании неких алгоритмов функционирования живого вещества и помогают найти правильное решение в той или иной ситуации. К примеру, теория критической адаптации позволяет приблизиться к решению вопросов профилактики и лечения онкологических заболеваний. Теория старения объясняет ряд ключевых моментов, понимая которые можно прямым образом воздействовать на продолжительность жизни. Общность этих теорий заключается в единстве понимания работы организма на разных его уровнях.

Все эти теории представляют собой специализированные пояснения устройства термодинамических сфер и принципа самообновления применительно к конкретным клиническим ситуациям. Они позволяют нам проводить мысленные эксперименты, согласно принципу термодинамической допустимости Путилова, тем самым обеспечивая оптимизацию научной деятельности путем целенаправленного выявления предсказанных заранее объектов этого поиска.

Теория Централизованной Аэробно-Анаэробной Компенсации Энергетического Баланса организма человека (ЦААКЭБ)

«Научная гипотеза всегда выходит за пределы фактов, послуживших основой для ее построения».

В. И. Вернадский

Теория ЦААКЭБ – первая теория, с которой я начал осознание термодинамических принципов работы живого вещества. Она родилась, как и большинство медицинских теорий, из моей обширной практики в связи с лечением шейного отдела позвоночника. Свою практику я начинал с лечения осложнений остеохондроза – грыж и протрузий межпозвонковых дисков, снимал компрессию путем мануального воздействия на проблемные зоны. Поток пациентов был большим, особенно людей пожилого возраста. Как правило, у данной категории больных присутствовал целый букет сопутствующих заболеваний, таких как гипертоническая болезнь, сахарный диабет, состояния после перенесенного инфаркта миокарда и инсульта. Чаще всего, пациенты жаловались на повышенное артериальное давление. В какой-то момент, я обратил внимание на то, что у подавляющего большинства моих пациентов после сеансов лечения, помимо основного эффекта, стала появляться тенденция к снижению цифр артериального давления до нормальных. То есть артериальная гипертензия, которая у них присутствовала до начала лечения грыжи межпозвонкового диска, отступала вместе с грыжей. В связи с этим эффектом впоследствии мне пришлось практически всем пациентам корректировать дозировки назначенных им ранее гипотензивных фармпрепаратов, вплоть до их полной отмены. Чем далее я практиковал, тем более убеждался, что это глобальная закономерность. Вскоре я стал применять свою авторскую методику лечения грыж шейного отдела позвоночника для того, чтобы лечить артериальную гипертензию. Здесь следует отметить вмешательство «счастливой случайности», ведь если бы я не начал лечить грыжи межпозвонковых дисков, то никогда бы не дошел до того, что таким образом можно лечить гипертонию.

В медицине и фармакологии такая закономерность уже не редкость. Возьмем, к примеру, всем известную «голубую таблетку» для лечения эректильной дисфункции. Изначально препарат силденафил был синтезирован с целью улучшения кровотока в миокарде и лечения стенокардии и ИБС, однако в 1992 году, в ходе клинических испытаний, было выявлено, что влияние его на сердечный кровоток минимально, но он обладает выраженным влиянием на кровоток в области органов малого таза.

Проводя мысленные эксперименты, я все больше убеждался в том, что все явления, происходящие в живой материи, должны иметь биофизическое обоснование. Согласно первому закону биологии, который сформулировал Эрвин Бауэр, организм внутри себя должен иметь некий энергетический потенциал, чтобы совершать работу против равновесия, требуемого внешней средой. Интерпретация этого закона в физике есть не что иное, как первое начало термодинамики, а оно, в свою очередь, является основой функционирования первой термодинамической сферы. Оба этих закона – и физический и биологический – можно отразить с помощью следующих формул:

Q = U + A

(физическая формула),

где Q – теплота, U – внутренняя энергия системы, A – работа, совершаемая системой.

Поскольку в живом организме должна иметь место Е_КОНСТ, приведем вариант формулы, применимый для живых систем:

Е = Е_КОНСТ + А

(биологическая формула),

где Е – сумма всех энергий, проникающих в биосистему, Е_КОНСТ – постоянная общая внутренняя энергия биосистемы, А – сумма всех работ, совершаемых биосистемой во внешней среде.

Исходя из принципов функционирования первой термодинамической сферы, появилась научная гипотеза централизованной аэробно-анаэробной компенсации энергетического баланса организма человека: для поддержания постоянного уровня (Е_КОНСТ) энергетики метаболизма в стволе мозга производится постоянный мониторинг микроциркуляторного и клеточного уровня аэробной (кислород – Е_АЭР) и анаэробной (глюкоза, липопротеиды и т. д. – Е_АНАЭР) молекулярных компонент обмена веществ.

Е_КОНСТ = Е_АЭР + Е_АНАЭР.

При уменьшении по каким-либо причинам Е_АЭР (снижение содержания кислорода в микроциркуляторном русле и клетках ствола мозга), происходят два типа централизованных реакций адаптации организма с целью поддержания общего неизменного значения Е_КОНСТ. Это централизованные реакции аэробной и анаэробной компенсации с целью поддержания неизменного уровня Е_КОНСТ. Причем реакции анаэробной компенсации, как менее энергоэффективные, запускаются только при полном истощении резервов реакций аэробной компенсации.

Реакции аэробной компенсации – это нейрогенные кардио-сосудистые реакции, которые выражаются в стойком подъеме АД (увеличение силы сердечного выброса), сужении периферических капилляров в покое, увеличение ЧСС (рост минутного объема). Смысл этой реакции в увеличении перфузии ствола мозга и, соответственно, в восстановлении уровня Е_АЭР.

Реакции анаэробной компенсации – это нейрогуморальные метаболические реакции, которые приводят к повышению анаэробного метаболизма сахаров, фосфолипидов и других энергоемких биохимических соединений. Смысл этой реакции в увеличении Е_АНАЭР, для сохранения баланса Е_КОНСТ, при сниженном Е_АЭР.

Борис Самуилович Доброборский в своей работе «Термодинамика биологических систем» рассматривает подобные реакции организма как проявления фенотипической адаптации. Доброборский отметил тот факт, что фенотипическая адаптация живого организма к любым изменениям окружающей среды сначала происходит малыми силами по более простому пути. В первую очередь, происходит насыщение кислородом головного мозга до определенного уровня, после чего отключается рефлекторный механизм, вызывающий компенсаторную артериальную гипертензию. Если же мозг сталкивается с кислородным голоданием на протяжении длительного времени, то согласно теории фенотипической адаптации Доброборского, происходят изменения на биохимическом уровне, а именно происходит смещение баланса биохимических процессов, то есть увеличивается вклад в энергетический баланс анаэробных процессов и уменьшается вклад аэробных.

Мозг, недополучая кислород, определяет его снижение, как снижение уровня кислорода в атмосфере и тем самым, пытается адаптировать работу организма в анаэробных условиях. Иными словами, мозг пытается адаптироваться под изменившуюся внешнюю среду, которая на самом деле осталась прежней. Поскольку мозг в такой ситуации начинает получать сигналы о преждевременном износе сердца, то он, как управляющий центр, в целях сбережения сердечного ресурса перестраивает биохимические процессы под условия сниженного парциального давления кислорода. Происходит смещение аэробно-анаэробного равновесия в сторону анаэробного, сохранив, таким образом, общий баланс энергии, который необходим, чтобы исполнять всеобщий закон биологии Бауэра и уравновешивать действие на организм второго закона термодинамики.

Рассматривая работу этих компенсаторных механизмов – «быстрого» и «медленного», приведем клинический пример:

Если путем сдавливания сосудов шеи вызвать у человека кратковременную гипоксию – у него моментально рефлекторно повысится АД и ЧСС; перестали сдавливать – все показатели быстро восстановятся до нормы. Это пример «быстрой» адаптации.

Если же у человека имеется уже длительно существующая окклюзия сосудов из-за шейного остеохондроза или есть сужение просвета сосудов вследствие атеросклеротического процесса, мы увидим проявления действия «медленной» адаптации со смещением аэробно-анаэробного баланса, а именно, развитие метаболического синдрома в общем, и сахарного диабета 2-го типа, в частности.