litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3
Войтенко В.П.


Время и часы как проблема теоретической биологии

(Источник: Вопросы философии. 1985. № 1. С. 73−82.)


Концепция биологического времени была и остается предметом дискуссий, перерастающих рамки теоретической биологии и тесно соприкасающихся с проблемой общефилософского осмысления временных закономерностей материального мира. В рамках одних дисциплин (например, биологии развития и геронтологии) время выступает как фактор, всегда стоящий за процессами жизнедеятельности, но во многих случаях недоступный для экспериментального изучения. В рамках других дисциплин преобладают экспериментальные подходы к проблеме временной организации биосистем. Таковы хронобиология (наука о биологических ритмах) и хроногенетика (наука о временных соотношениях между гено- и фенотипом, или, по более образному, но менее четкому определению, наука о наследовании биологического времени)1.

(1 L.Gedda, G.Вrenci. Chronogenetics. Springfield, 1978.)

В философской литературе достаточно давно осознана необходимость преодоления чисто физической интерпретации времени. Снятие «физических шор» имело неоднозначные следствия. С одной стороны, проблема времени укрупнилась, приобрела глобальный мировоззренческий статус. С другой стороны, на волне «раскрепощения» выплыли представления о биологическом, психологическом, геологическом, историческом, социальном и художественном временах. Этот поток еще не удалось организовать в единую систему философского знания, и возможные пути такой организации далеко не очевидны. В статье М.С.Кагана1 делается «попытка установить основания полимодальной трактовки времени, которая и определяет отличие его философского понимания от всех одноплановых истолкований времени при конкретно-научном к нему подходе... Только охватив все главные его модальности – природную и социальную, осознаваемую культурой и переживаемую личностью... философия способна выработать свое... понимание времени и раскрыть диалектику всех его модальностей». Для того, чтобы представление о полимодальности времени сохранило ранг научной концепции и не превратилось в простую фиксацию сложившейся практики, когда проблема времени так или иначе изучается в рамках многих научных дисциплин, первостепенной является задача идентификации отдельных модальностей. Здесь возможны два подхода. При одном считают, что разным формам движения материи соответствуют качественно различные временные модальности. Задача заключается в установлении этого качества, раскрытии диалектики всех модальностей времени, их роли в построении гносеологической и онтологической картины мира. Другой подход основан на концепции, что единое время, будучи связанным с наиболее фундаментальными свойствами материи, качественно не различается в различных мировых процессах. Отдельные его модальности отражают особенности устройства тех или иных систем, движущихся в едином потоке времени. Задача заключается в установлении механизма, от которого зависит переход от внешнего времени к внутреннему (собственному) времени системы, но сан этот переход рассматривается как количественная (счетная) процедура, за которой не стоит качественный сдвиг.


(1 М.С.Каган. Время как философская проблема // Вопросы философии, 1982. № 10. С. 117, 124.)

В чем заключается своеобразие временной организации биосистем? По современным представлениям, последовательность и протяженность отдельных этапов развития организма регламентируют темпоральные (временные) гены. Если у дикого штамма парамеций половая зрелость наступает спустя 50 делений после конъюгации, то мутанты по темпоральным генам созревают на 15–20 делений раньше. Если у дикого штамма амебы биохимическая программа развития реализуется за 24 ч., то у мутантов по темпоральным генам она может сокращаться до 16 или растягиваться до 60 ч. При относительной ясности того, какова молекулярно-генетическая технология действия темпоральных генов, мало изучен механизм их сопряжения с астрономическим временем. В этой связи возникает проблема биологических часов. Успехи хроногенетики и хронобиологии привели к тому, что проблема времени для биолога – это прежде всего проблема биологических часов. Такой подход не устраивает философа: «часы и ритмы – это еще не время. Время будет «течь» независимо от того, есть у вас часы или нет, ритмично происходит тот или иной процесс или аритмично»1. Философ прав, но прав и биолог: понятие биологических часов – основа, на которой строится поиск фактов, без которых концепция биологического времени вырождается в натурфилософскую забаву.

(1 Ю.Б.Молчанов. Выступление на совещании по диалектическому материализму // Вопросы философии, 1982. № 6. С. 22.)

Биологические часы как физиологический регулятор

Экспериментальные наблюдения свидетельствуют о том, что биологические часы могут иметь различную конструкцию, адаптированную к тем или иным структурам или процессам в живом организме. Одно из наиболее простых временных устройств – биомеханический временной датчик (таймер), с которым связана регуляция роста клетки и репликация ДНК бактерий, имеющих цилиндрическую форму и растущих за счет увеличения длины цилиндра без изменения его диаметра1. В клеточной мембране расположены белковые молекулы, по спирали опоясывающие поверхность клетки. По мере увеличения длины клетки эти молекулы из первоначального положения, при котором они располагаются почти перпендикулярно длиннику клетки, переходят в конечное состояние, при котором они опоясывают клетку почти параллельно ее длинной оси. Достижение этого состояния – сигнал для остановки роста.


(1 N.Н.Mendelson. The Helix Clock; a Potential Biomechanical Cell Cycle Timer // Journal of Theoretical Biology. L., 1982. V. 94. № 1. P. 209–222.)

Сравнительно простые устройства такого типа контролируют последовательность событий (рост клетки, репликацию ДНК, деление клетки), но не определяют их абсолютную продолжительность. Более точны и независимы от возмущающих внешних влияний биологические часы, опирающиеся на принцип метаболического осциллятора. Существование отрицательных обратных связей в цепях биохимических превращений приводит к возникновению незатухающих колебаний концентраций клеточных метаболитов. Возникновение метаболических осцилляции, с одной стороны, следствие сложности и неустойчивости биосистемы, с другой – предпосылка ее стабильности, основанной не на статичности, а на динамике, ритме, цикле. Такая стабильность имеет более высокий организационный ранг и обеспечивает клетке (организму) возможность широкого выбора динамических режимов и адаптивных стратегий1. Тем не менее биологическая организация включает организацию во времени совершенно независимо от абсолютной длительности отдельных ритмов. Суточный или годовой ритмы биологических часов отражают лишь одно из качеств метаболического осциллятора, а не его главную суть.

(1 Б.Гудвин. Временная организация клетки. М., 1966; его же. Аналитическая физиология клеток и развивающихся организмов. М., 1979.)

Наряду с часовым устройством описанного выше типа можно представить биологические часы с менее жесткой конструкцией. По мнению Нэнни1, клетка может приступить к делению после того, как произойдет ряд случайных событий, каждое из которых является функцией времени. Некоторые простейшие располагают биологическими часами такого типа. Как считает Нэнни, случайные спонтанные мутации определенных генов приводят к синтезу белков, регламентирующих созревание клона. В этом случае накопленная в филогенезе в виде определенных оснований ДНК информация выступает в качестве «ловушки», извлекающей временной порядок из мутационного хаоса в некотором – чисто внешнем – сходстве со знаменитым демоном Максвелла. С помощью имитационной математической модели Нэнни показал, что при достаточно большом числе таких генов, несмотря на стохастический механизм работы временного устройства, время достижения клоном половой зрелости имеет высокую «детерминистскую» точность. Фулдер2, изучая соотношения между возрастом и соматическими мутациями в клетках человека, также пришел к выводу о возможности точного контроля видовой продолжительности жизни посредством стохастических процессов.


(1 D.L.Nannеу. Ageing and Long-Term Regulation in Ciliated Protozoa // Mechanisms of Ageing and Development, 1974. № 3. P. 81–105.

2 S.I.Fu1der. Spontaneous. Mutations During the Ageing // V-th European Symposium on Basic Research in Gerontology. Erlangen, 1977. P. 543–555.)

Сопряженность «технологии» измерения времени с такими фундаментальными процессами, как рост и деление клетки или обмен веществ, указывает на то, что биологические часы не пристройка к зданию биосистемы, а само здание. Если Декарт, уподобляя живой организм часам, подчеркивал только то, что организм есть машина, то мы с достаточным основанием можем считать, что организм есть «машина», конструкция которой в действительности подразумевает измерение времени.

Биологические часы как модельная логическая конструкция

При очевидном сходстве взглядов Нэнни и Фулдера есть существенное различие между часовыми устройствами, работу которых они обсуждают. Процессы роста, развития, обмена веществ и т.д., составляющие сущность процессов жизнедеятельности, регулируются временным устройством типа часов Нэнни, а процессы старения, инволюции, деградации, отражающие генетически не запрограммированные (не адаптивные) жизненные явления, фиксируются на циферблате часов того типа, о котором говорит Фулдер. Если Нэнни обсуждает часы, стоящие на входе биосистемы, регламентирующие ее временное поведение, то Фулдер рассматривает часы, стоящие на выходе, не регулирующие течение жизненных процессов, а только фиксирующие их. Часы Нэнни как бы «впускают» время в биосистему через парадный ход, а часы Фулдера «наблюдают», как оно проникает в нее через потайные лазейки. Термин «часы», применяемый по отношению к тому механизму, который обсуждает Фулдер, является метафорой, однако это не умаляет эвристической ценности такого подхода в биосистемных исследованиях. По мнению Розена1, вместо того чтобы описывать независимо друг от друга изменения переменных X и У, происходящие в реальном физическом времени, мы можем следить за изменениями одной из них (скажем, переменной У) в зависимости от другой (переменной X), рассматривая последнюю как величину, играющую роль времени. В таком контексте с каждой системой можно связать ее собственное время, найдя удобный показатель, играющий роль биологических часов. Рассмотрим один пример. Еще в 1917 г. А.Н.Северцов2 писал о том, что между доживанием молодых особей до взрослого состояния (а), выживанием взрослых в борьбе за существование (б) и максимальной видовой продолжительностью жизни (в) существует несомненная взаимосвязь. Выживание молодых и взрослых особей зависит от множества особенностей вида, к которым относятся размеры и строение тела, способ передвижения и питания, развитие мозга и т.д. Вместе с тем есть показатель, интегралы» характеризующий надежность многообразных приспособлений к борьбе за выживание. Это вероятность смерти, вызванной внешними причинами (голодом, холодом, жаждой, нападением хищников и проч.). На основе модельной логики, обсуждавшейся выше, гибель особи можно рассматривать в качестве единичного события, определяющего ход экосистемных (популяционных) часов. Физиологические (организменные) и экосистемные (популяционные) часы имеют сбалансированную скорость хода; именно это и отражено в тезисе А.Н.Северцова. Балансировка хода тех и других часов достигается в процессе эволюционной «подгонки деталей». Отловим сотню мышей-полевок и создадим им идеальные условия, исключающие гибель от внешних причин. Приведет ли это к увеличению их максимальной продолжительности жизни? Нет. В отсутствие процессов отбора резкое замедление экосистемных часов не балансируется замедлением организменных часов, и животные погибнут от старости в эволюционно установленные сроки. Эта закономерность распространяется и на человека. Устранение большинства внешних причин смерти, связанное с успехами цивилизации, резко увеличило среднюю продолжительность жизни, но не сказалось на максимальном долголетии. Организменные (физиологические) часы человека идут в прежнем, доисторическом темпе.


(1 В.Розен. Принцип оптимальности в биологии. М., 1969.

2 А.Н.Северцов. О факторах, определяющих продолжительность жизни многоклеточных животных. Собр. соч. Т. 3. М.-Л., 1945. С. 283–288.)

Модельный подход к анализу временных отношений не является прерогативой прикладных наук, но используется также и в философии. В этой связи уместно привести тезис из лекции Н.И.Лобачевского: «Движение одного тела, принимаемое за известное для сравнения с другим, называется временем»1.

(1 В.И.Вернадский. Размышления натуралиста. Кн. I. Пространство и время в неживой и живой природе. М., 1975. С. 36.)

Разумеется, моделирование временной организации биосистем на такой основе не отрицает реальных биологических часов, имеющих собственную материальную структуру, специфический механизм действия и не зависящее от модельной логики исследователя положение в биосистеме.

Время и пространство в биосистемах

«Связь между картами и часами – наиболее фундаментальная зависимость в биологии»1. Рассматривая проблему в историческом аспекте, можно отметить, что само понятие биологических часов В.И.Вернадский вводил через понятие «биологического пространства»2. Исходя из того, что материальный субстрат жизни – белки характеризуются выраженной пространственной асимметрией (нетождественностью правого и левого векторов), В.И.Вернадский считал, что время в процессах жизни не может иметь «строение», противоречащее пространству, е которым оно неразрывно связано, и поэтому является качественно своеобразным, биологическим по существу. Эта концепция, высказанная на Общем собрании АН СССР в декабре 1931 г., в последующем претерпела определенные изменения; акцент был перенесен е особых качеств биологического пространства и времени на своеобразие взаимосвязей между ними в биосистемах, но разработать эту идею В.И.Вернадскому не удалось.

(1 Б.Гудвин. Аналитическая физиология клеток и развивающихся организмов. С. 135.

2 В.И.Вернадский. Размышления натуралиста. Кн. I. С 26.)

В некоторых случаях пространственно-временные связи в биосистемах имеют очевидный и тривиальный смысл. Так, в биомеханическом таймере, речь о котором шла выше, изменения архитектоники клеточной мембраны, достигнув за определенное время критической величины, включают сигнал на остановку роста клетки.

Временные параметры жизнедеятельности могут сопрягаться с пространственной организацией биоструктур и более сложным образом. Как показали исследования последних лет, в живом организме некоторые белки (например, кристаллин и цитохром с) подвергаются неферментативному дезамидированию остатков глютаминовой и аспарагиновой аминокислот. Эта реакция, идущая как бы в обход «законных», ферментативных процессов, происходит тем не менее под надежным временным контролем: ближайшее окружение остатков глютаминовой и аспарагиновой аминокислот сильно влияет на их стабильность. Пространственная структура белковой молекулы в большей или меньшей степени укрывает уязвимые аминокислотные остатки от неферментативных модификаций и тем самым определяет временную развертку последних. Подобно трехмерной пространственной структуре белка, четвертая – временная – координата его метаболического бытия определяется в этом случае линейной последовательностью аминокислот. Робинсон, обсуждая связь между структурой и неферментативными модификациями белков, пришел к выводу, что последние играют роль регуляторного механизма, который он назвал молекулярными часами1.

(1 А.В.Robinson. Molecular Clocks // Mechanisms of Ageing and Development, 1979. V. 9. P. 225−236.)

Их роль, по-видимому, особенно велика в многостадийных процессах, связанных с реализацией программ клеточного деления и самосборки биологических структур. В «технологическом» плане часы Робинсона имеют много общего с обсуждавшимися выше часами Нэнни.


«Реальное пространство натуралиста» отличается от «идеального пространства геометра» (терминология В.И.Вернадского) большой наполненностью элементарными структурами и событиями. В этой связи пространственно-временные отношения в биосистемах далеко не всегда имеют простой и наглядный смысл: «...фазовый переход к возбудимому состоянию мембраны (пространство) генерирует ритмически распространяющиеся волны активности (время и пространство), образующие градиент (пространство), который определяет скорость клеточной дифференцировки (время), что приводит к возникновению упорядоченных пространственных разрывов... Нужны модели, которые охватывают эту четырехмерность». Гудвин1 которому принадлежат эти слова, ставит два важных вопроса – о необходимости моделирования пространственно-временных отношений в биосистемах и об использовании в этих моделях четырехмерной хроногеометрии Эйнштейна–Минковского. Как свидетельствует опыт, в некоторых случаях четырехмерные модели органичны и гносеологически достаточны. В других случаях полезны n-мерные модели, в которых n>4. Большое значение таким моделям придавал В.И.Вернадский, который обсуждал пространства, имеющие столько измерений, сколько независимых переменных характеризуют систему. Многие переменные, не будучи взаимосвязанными причинно, обнаруживают несомненную сопряженность и согласованность.

(1 Б.Гудвин. Аналитическая физиология клеток и развивающихся организмов. С. 255.)

Анализ факторных моделей позволяет прийти к трем основным выводам. Во-первых, вместо геометрического пространства в факторных моделях выступают его функциональные аналоги, а время преобразуется в условные векторы процессов, единицы которых не имеют привычной размерности (часы, минуты), да и вообще не имеют какой-либо физической размерности. Во-вторых, время в факторных моделях может ветвиться, так что онтогенетические процессы характеризуются не одной, а несколькими временными координатами. Старению хрусталика быка соответствует временная ось, лимфоцитов человека – оси, целостного организма человека и лабораторной крысы – 5–6 осей. В-третьих, переменные, отражающие пространственные и временные параметры организации биосистем, могут совместно формировать координаты факторного пространства. В отличие от топологии классической механики и теории относительности, для которых характерно наличие «чистых» пространственных и временной координат, в факторных моделях мы имеем дело со смешанными осями модельной структуры. Таким образом, своеобразие пространственно-временных отношений в биосистемах заключается в том, что биологическое время выражает временные отношения событий, имеющих место в пространстве биологических часов. В такой постановке общефилософская проблема соотношения пространства и времени трансформируется в несравненно более узкую, но исключительно важную для теоретической биологии проблему соотношения структуры и функции. Факторный анализ является методом выбора при построении пространственно-временных биосистемных моделей.



следующая страница >>