3. Синергетика в живой природе

Как мы уже отмечали в начале предыдущей главы, применение синергетики для объяснения биологических феноменов вовсе не означает, что мы льем воду на мельницу физикализма и стремимся все биологические процессы свести к феноменам физическим.

состоит как раз в обратном: выяснить природу эмергенции, ведущей к каче-ственным изменениям сложных систем. Итак, имеются феномены, вполне совместимые с законами физики и химии, но никоим образом не «вытекающие» из этих законов с достаточной определенностью. Таким образом, речь идет, скорее, об открытии неких новых общих закономерностей, не связанных напрямую с физикой. Однако прежде чем применить синергетику к исследованию мозга, мы должны, по крайней мере, продемонстрировать на нескольких простых примерах суть синергетического подхода к биологическим задачам.

Заметим, что некоторые примеры уже были использованы нами в книге «Тайны Природы» . Одним из важнейших в биологии считается следующий вопрос: каким образом происходит рост и развитие растений и животных, и как отдельные клетки узнают, какие именно органы они должны сформировать. Очень удачен в этой связи частный вопрос об образовании двухцветных полос у зебры (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Полосатые зебры — пример действия биологического параметра порядка

Воспользуемся идеей, принадлежащей английскому математику Алану Тьюрингу, который предположил, что отдельные, поначалу не дифференцированные клетки производят определенные химические вещества, которые могут вступать в обмен друг с другом. Там, где концентрация этих веществ

достигает определенной величины, в работу включаются гены, которые и определяют дальнейшую судьбу клетки, т. е. дифференцируют ее как, например, нервную клетку или клетку глаза. На основании выводов, сделанных нами в предыдущих главах, мьг можем считать эти морфогенетические поля не чем иным, как параметрами порядка.

Обсудим еще один пример, обнаруженный нами в ходе последних исследований; пример этот позволяет увидеть фундаментальные проблемы биологии в новом свете. Как известно, человеческое тело состоит из миллиардов отдельных клеток, среди которых есть клетки, образующие костные ткани, мышечные ткани, нервные клетки и т.д. Все эти клетки тесно взаимодействуют друг с другом и обеспечивают протекание процессов, характерньгх для высших организмов: дыхание, движение, кровообращение и т. п. Рассмотрим процесс движения. Конечности (руки и ноги) должны двигаться совершенно особьгм образом, в соответствии с неким «паттерном движения», в равной степени присущим человеку при ходьбе или беге и скачущей любым из аллюров лошади. Каким образом можно обобщить результатьг наблюдений за столь различными, казалось бы, типами поступательного движения? Как раз здесь и вступает в игру синергетика — она поможет нам разобраться с качественными отличиями между всеми упомянутыми (и неупомянутыми) типами движения. Американским физиологом Скоттом Келсо был проведен очень простой и в то же время красивый эксперимент, который мьг сейчас и опишем. Каждый читатель легко может повторить действия, которые выполнялись испытуемыми в ходе этого опыта. Келсо просил испытуемых двигать указательными пальцами, расположенными, как показано на рис. 3.2. Пальцы двигались параллельно до тех пор, пока Келсо не давал указания ускорить движение. К величайшему удивлению участников экспери-мента, изменение ритма движения неожиданно — и при этом совершенно непроизвольно! — изменяло положение пальцев относительно друг друга. Пальцы больше не двигались параллельно; они сходились и расходились с различной степенью симметричности, но никак не параллельно! (См. рис. 3.3.)

Рис. 3.2. Исходное — параллельное — положение пальцев в эксперименте С.

Рис. 3.3. Конечное положение пальцев в эксперименте С. Келсо: пальцы расположены уже не параллельно, а симметрично

Несколько лет назад, услышав о наших работах по синергетике, в ко-торых рассматривались фазовые переходы, Скотт Келсо приехал к нам в Зиндельфинген и предложил объяснить обнаруженный им феномен. Мьг (Г. X.) решили применить к этому случаю синергетический подход. Первый вопрос, на который следовало ответить, касался определения параметра порядка. Это должна быть величина, определяемая на макроскопическом

уровне, и кроме того, очевидно, что искомыи параметр порядка связан с положением пальцев относительно друг друга — сдвигом по фазе, выражаясь на профессиональном жаргоне.

Теперь, после бесед с голландским физиологом Онно Мейером, я пони-маю, что подобное заявление оказалось для физиологов настоящим потрясением, ведь такой «параметр порядка», управляющий мышечной тканью по принципу подчинения себе ее клеток, есть совершенно абстрактная величина, которую, правда, можно измерить с помощью угловой меры, но за которой не стоит ничего материального. С точки зрения синергетики, ничего удивительного в этом нет: ведь цилиндрические ячейки, возникающие в нагреваемой жидкости, тоже, по сути, являются абстракцией — они представляют собой форму для движения материи, не будучи при этом материей сами.

Как мы уже видели, рассматривая пример с жидкостью, поведение параметра порядка — по крайней мере, в несложных случаях — можно смоделировать движением мяча по холмистой местности. Но что же выступит в данном случае в роли «холмистой местности»? Здесь нам придется вос-пользоваться законом симметрии. Как и «холмистый ландшафт» на рис. 2.7, наш новый ландшафт должен быть симметричен относительно вертикальной оси; т. е. его правая и левая части должны быть зеркальным отражением друг друга, так как пальцы правой и левой рук оказываются в данном случае совершенно равноправны. Кроме того, колебания фазы должны быть пери- одичными. Этих несложных условий вполне достаточно для достижения нашей цели.

На рис.

Продемонстрировав Келсо эту нехитрую последовательность, мы еще и сделали несколько прогнозов, верность и точность которых он вскоре смог проверить с помощью новых экспериментов. Мы утверждали, например, что если процесс запустить в обратном направлении, то мяч так и не сможет покинуть глубокую долину. Для испытуемых это выглядело так: они начинали быстрое движение пальцами из положения, показанного на рис. 3.3, и постепенно снижали скорость, однако — как бы медленно ни двигались пальцы — возвращение в положение, показанное на рис. 3.2, не происходило; раз за разом в ходе эксперимента Келсо наблюдал эффект гистерезиса. Кроме того, следует обратить внимание на так называемые критические флуктуации, столь часто встречающиеся в синергетике при исследовании параметров порядка переходных процессов. Возникновение флуктуаций связано с изменением верхних долин; мы предложили Келсо измерить колебания фаз, при которых у испытуемых совершался переход от одного положения пальцев к другому — хоть и непроизвольный, но всегда зависящий от скорости движения. Келсо удалось экспериментально подтвердить существование неких критических колебаний.

Однако мы можем сделать и куда более значительный вывод. Исходя из представлений о том, как именно происходит управление движением пальцев и переход от одних движений к другим, можно утверждать, что популярная сегодня модель функционирования мозга неверна. Предполагая,

Рис. 3.4. Поведение параметра порядка «сдвиг по фазе» проиллюстрировано серией рисунков, на которых изображен катящийся по холмистому ландшафту мяч. Ландшафт на каждом рисунке определяется значением фазы<р. По мере того, как скорость движения пальцев возрастает, ландшафт начинает деформироваться, что отражено в последовательности рисунков, которые следует рассматривать, начиная с верхней строки и слева направо. На верхнем левом рисунке мяч находится в абсолютно устойчивом положении в одной из долин; этот рисунок соответствует медленному «параллельному» движению пальцев. На нижнем правом рисунке эта долина исчезает совсем, и мяч находится в единственной точке минимума; этот рисунок отражает ситуацию, в которой пальцы уже совершили переход к «симметричному» движению

что мозг работает подобно электронному компьютеру, приходится согласиться с тем, что существуют некие «моторные программы», управляющие движениями отдельных конечностей, и при переходе от одного вида движения к другому мозгом осуществляется некое «переключение» с одной программы на другую. Такого рода переключения, действительно производимые компьютером при переходе от программы к программе, ни в коей мере не связаны с какими бы то ни было колебаниями (машины колебаниям не подвержены). Появление критических колебаний в данном случае является признаком того, что речь идет не о механической смене заложенных в машину программ, а о протекающих в нервной системе процессах само-

организации. Иными словами, эксперимент и его теоретическое обобщение указывают на то, что мозг является самоорганизующейся системой.

Эффект самоорганизации, описанный на примере движения пальцев — лишь первый пример интерпретации координации движений с помощью синергетики.

Рис. 3.5. Два различных типа движения руки: плеча, предплечья и кисти (линиями показаны положения руки через равные промежутки времени)

• » иі'Л

Ч . \ \ ¦ \ • I М»1

' \ • ' > > \ >> \А

•ч \ .. \

Чч \ 4 4 * Л Ч

^ ^ і лт

ч V > IV

. \ ' >\Л

V V Ч .

-. Ч ч \\

в * V • 4 .V

^ ¦-. ч>.

' Г г + ¦

? - /

' / / ' -V „

..* / /,} (і

''/////// ' //

Естественно, имея перед глазами ту картину мира, что была порождена механистическим мировоззрением и все еще не сдает позиций, невольно задаешься вопросом: каким же образом параметр порядка — столь нематериальное нечто — способен управлять вполне материальными клеточными

тканями? Однако и при синергетическом взгляде на мир этот вопрос остается ключевым. Такой параметр порядка, как «сдвиг по фазе», представляет собой, в сущности, показатель кооперации всех отдельных клеток, которые, с одной стороны, сами создают этот параметр, а с другой — подчиняются его воздействию. Это воздействие распространяется на отдельные клетки, но не как на материальные сущности (как в примере с лазером), а, скорее, на некие нематериальные состояния, как в случае нагреваемой жидкости. Для нашего мышления это весьма серьезное препятствие, само существование которого показывает, насколько радикального переворота в мировоззрении требует путь, которым синергетика ведет нас к созданию новых понятий и концепций.