Комаров О.М., Рапопорт С.И Хронобиология и хрономедицина
Подождите немного. Документ загружается.
Академик РАМН Ф.И. Комаров,
заслуженный деятель науки РФ профессор СИ. Рапопорт,
Хронобиология и хр-ономедицина.-М , "Триада-Х",2000-488 стр.
ISBN 5-8249-0025--6
© ОМ. Комаров, СИ. Рапопорт, 2000 ©Издательство "Триада-Х", 2000 ©Издательский дом
"Успех"-оформление, 2000
ISBN 5-8249-0025-6
9 785824 900255 >
"Триада - X", г. Москва Лицензия ЛР № 066029 от 28.07.98 г.
Подписано в печать 2.11.99. Формат 60 ' 88 7,6- Бумага писчая.
Печаль офсетная. Объем 30,5 п.л. Тираж 2000 экз. Заказ № 866
Содержание
Предисловие...........................................................................................5
Фундаментальные аспекты хронобиологии и хрономедицины
1. Хронотопобиология как одно из важнейших направлений
современной теоретической биологии (Ю.А. Романов)...................9
2. Хроногопобиологический анализ состояния пространственной
организации систем пролиферации и энергетического обмена у мышей до и после
заражения их брюшнотифозной инфекцией (Ю.А. Романов, В.В. Маркина, А.Ю.
Слинякова, А.И. Антохин,
О.А. Ириков, С.С. Филиппович, В.П. Варышева)............................25
3. Супрахиазматические ядра гипоталамуса и организация
суточного периодизма (Э.Б. Арушанян, Э.В. Бейер)......................50
4. Циркадианный осциллятор (A.M.
Алпатов) ....................................65
5. Мелатонин и биоритмы организма
(Ф.И. Комаров, Н.К. Малиновская, СИ. Рапопорт)........................82
6. Околочасовые биологические ритмы (В.Я.
Бродский)...................91
7. Суточные хронограммы нормальных показателей здорового
человека (М.В. Березкин) ............................................................ 102
8. Многолетние и годовые циклы
(В.И. Шапошникова, Р.П. Нарциссов, Н.А. Барбараш)................. 115
9. Хронопатофизиология системы гемостаза
(Л.Г. Хетагурова).......................................................................... 140
10. Опыт и перспективы использования математических методов в
хронобиологических исследованиях
(В.П. Карп, Г.С. Катинас) ............................................................. 168
Прикладные аспекты хронобиологии и хрономедицины
11. Хронофармакология и хронотерапия (P.M. Заславская).............. 197
12. Роль суточного мониторирования артериального давления
в диагностике и при лечении кардиологических заболеваний
(Л.И. Ольбинская, Б.А. Хапаев).................................................... 211
13. К проблеме сезонных обострений заболеваний внутренних органов (СИ.
Рапопорт, Н.К. Малиновская) ................................230
14. Хронофизиология репродуктивной системы обследуемых
и различных регионов (Н.А. Агаджанян)....................................... 240
15. Космическая биоритмология
(СИ. Степанова, В.А. Галичий).................................................... 266
16. Хронобиологические аспекты природы и характера воздействия магни
гных бурь на функциональное состояние организма людей (Ф.И. Комаров, СИ. Рапопорт,
Т.К. Бреус, P.M. Баевский,
Ю.И. Гурфинкель, А.Н. Рогова, В.Н. Ораевский, Т.Д. Большакова, Н.К. Малиновская,
В.М. Петров).................................................. 299
17. Биоритмологическое биоуправление (СЛ. Загускин) ................. 31718.
Хроноонкология (М.А. Бланк, Т.П. Рябых)....................................329
19. Хронобиологические аспекты эндокринологии
(СВ. Шустов, В.Я. Яковлев, Ю.Ш. Халимов)................................ 356
20. Сахарный диабет (хронобиологические аспекты обмена веществ) (А.Н.
Пашков, О.С. Саурина)........................................................378
21. Биологические ритмы в период новорожденности
(Е.В. Сюткина, А.Э. Григорьев)....................................................388
22. Хронофизиологические аспекты сменного труда
(А.И. Щукин) ................................................................................402
23. Биоритмы и адаптация человека в Антарктиде
(В.А. Яковлев, Л.Л. Бобров, В.М. Ващенков)................................429
24. Нарушения ритма сердца по данным суточного мониторирования:
теоретические и практические аспекты
(Кицышин В.П., Шустов В.Б., Яковлев В.А.).................................459
Толковый словарь терминов (A.M. Алпатов).......................................482
Предисловие
Со времени первого издания руководства «Хронобиология и хрономеди-цина» прошло 10
лет. За это время многое изменилось как в представлении о проблеме, так и в
практической реализации теоретических разработок. Так, достигнуты серьезные успехи в
понимании ритмической структуры организма, многочисленные исследования во многом
прояснили роль эпифиза и продуцируемого им гормона мелатонина; подробно изучены
различные типы биологических ритмов: околочасовые, циркадианные, сезонные,
многолетние; дальнейшее развитие получили математические методы в хронобиологии и
хрономедицине.
В практическом плане сейчас, например, трудно себе представить клинику без внедрения
достижений хрономедицины - холтеровского мониторирования, суточного
мониторирования АД и РН желудочного сока. Точная диагностика и лечение ряда
заболеваний сердечно-сосудистой системы и желудка невозможны без этих исследований.
Разработано новое направление -биоритмологическое биоуправление, на основе которого
создано принципиально новое поколение приборов, с большим успехом применяемое для
диагностики и лечения различных заболеваний. Разработаны проблемы хро-
нофармакологии и хронотерапии, биологических ритмов у новорожденных, космической
биоритмологии и т.д.
В отличие от предыдущего издания, носившего в основном дидактический характер,
настоящая монография посвящена преимущественно научным и прикладным аспектам
проблемы.
Авторы будут признательны за все замечания и рекомендации.
Академик РАМН Ф.И. Комаров,
заслуженный деятель науки РФ профессор СИ. РапопортХронотопобиология как одно из
важнейших направлений современной теоретической биологии
Ю.А. Романов
Вводные положения
Понятия пространства и времени относятся к основополагающим понятиям науки и
культуры. Материя и ее движение не существуют вне пространства и времени. Уже в
древних мифологических, религиозных и философских системах эти понятия
рассматривались как отражающие генетическое начало мира (М.Д. Ахундов, 1982).
В истории развития науки вплоть до конца 19 в. господствовала ньютоновская концепция
пространства и времени. Ньютон выделял два типа пространства и времени; абсолютный
и относительный. В своем сочинении «Математические начала натуральной философии»
(1687) он написал, что абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по
самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает
равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное пространство по самой своей
сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым
и неподвижным. Под относительным пространством Ньютон понимал протяженность
материальных объектов, которые как в вместилище находятся в абсолютном
пространстве. Он также говорил, что относительное, кажущееся или обыденное время
есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при
посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной
жизни вместо истинного математического времени, как-то час, месяц, год. Следовательно,
по Ньютону, относительные пространства и время — это эмпирические метризованные
аналоги абсолютных пространства и времени.
Следующим крупным этапом в развитии представлений о пространстве и времени стала
специальная (частная) теория относительности А. Эйнштейна (1905), рассматривающая
пространственно-временные свойства физических процессов и постулирующая
существование в мире единого пространственно-временного континуума
(непрерывности). Согласно этой теории, в физическом мире пространство и время едины
и взаимозависимы, а геометрические свойства пространства, его кривизна и скорость
течения времени зависят от распределения и движения материальных тел и от
гравитационного поля.
По мнению канадского ученого М. Бунге (1970), специальная теория относительности А.
Эйнштейна показала: а) пространство и время не являются взаимно независимыми друг от
друга, но представляют собой именно компоненты некоего единства более высокого
порядка, именуемого пространством-временем, которое распадается на пространство и
время относительно определенной системы отсчета; б) протяженности и длительности не
абсолютны, то есть не независимы от системы отсчета, становятся короче или длиннее
именно в зависимости от движения системы отсчета; в) больше не существует чисто
пространственных векторных величин и простых скаляров; трехмерные векторы
становятся пространствен-
9ными компонентами четырехмерных векторов, временные компоненты которых сходны
старым скалярам. В последнем случае речь идет об едином четырехмерном пространстве-
времени. При этом время в специальной теории относительности не эквивалентно
пространству, но связано с ним. Важным является положение этой теории о том, что
системы отсчета времени и пространства в движущихся объектах свойственны именно
этим объектам и не зависят от наблюдателя.
Хотя специальная теория относительности многими рассматривается как наука о
пространстве-времени, М. Бунге (1970) считает, чтоона ничего не говорит о том, что
представляет собой пространство-время, помимо того, что рассказывает об его
метрических свойствах. По его мнению, революция в представлениях о пространстве и
времени произошла с появлением общей теории относительности, или теории гравитации,
А. Эйнштейна в 1918 г. В соответствии с этой теорией, пространство и время являются не
только реляционными, то есть не как абсолютные и существующие сами по себе, а как
формы существования материи, но и релятивистскими, то есть имеющими такие
метрические свойства (пространственные и временные интервалы), которые являются
относительными к системе отсчета (объекту), но не к субъекту.
М. Бунге (1970) полагает, что пространство-время относится к важнейшим основаниям
науки. Оно, по-видимому, представляет собой фундаментальную структуру совокупности
событий. Автор пишет, что понятия пространства и времени играют в научном познании
существенную роль и будут продолжать играть ее до тех пор, пока человек ищет ответы
на вопросы следующего типа: «Где находится х?», «Когда произошло х?». По его мнению,
физика не дает полной картины пространства и времени, и создание соответственно
теории пространства-времени все еще остается открытой проблемой. Сложность
построения такой теории видна хотя бы из того факта, что современная
экспериментальная наука имеет дело с диапазоном пространственно-временных
интервалов в 43-44 порядков величины, а теоретически это выражается в микро- и
макромире диапазоном более, чем в 60 порядков (от 10"33смдо 10 км и от 10"43сдо 10
лет) (B.C. Барашенков,1984).
«Биологическое время»
Как уже говорилось, течение и свойства времени зависит от системы отсчета времени, что
в принципе означает наличие в различных по природе объектах мира своего собственного
времени. В научной литературе все чаще употребляются термины «геологическое время»,
«географическое время», «историческое время», «социальное время», наконец,
«биологическое время».
Считается, что проблема биологического времени была поставлена более 100 лет назад
основоположником эмбриологии К. Бэром. Он время тесно связывал с процессами
индивидуального развития. Однако, как полагают многие, научно обоснованная идея о
биологическом времени принадлежит крупнейшему русскому ученому академику В.И.
Вернадскому (1932). В это понятие он включил время, связанное с жизненными
явлениями, происходящими в пространстве организмов, которая характеризуется
диссимметрией.
Проблема биологического времени стала интердисциплинарной проблемой, которая
решается в исследованиях не только биологов, но и специалистов из других областей
естествознания (философов, математиков и др.).
В подтверждение существования собственного времени у биологических систем
приведем, по крайней мере, два примера, хотя их перечень мог бы быть больше. В 1959 г.
американский хронобиолог F. Halberg ввел понятие циркадного (околосуточного) ритма.
Этот ритм является видоизменением 10
суточного ритма с периодом 24 час, он протекает в постоянных условиях, в частности, в
постоянной темноте и принадлежит к так называемым свобод-нотекущим ритмам,
обладающим ненавязанным им внешними условиями периодом. Такие ритмы считаются
врожденными, эндогенными, обусловленными свойствами самого организма. Немецкий
хронобиолог Е. Bunning (1958) сообщил, что период циркадных ритмов у растений равен
23-28 час, а у животных — 23-25 час. Но в связи с тем, что организмы обычно находятся в
среде с циклическими изменениями ее условий, из которых наиболее важным является
смена освещенности с периодом 24 час (фотопериодичность), то период ритмов организма
затягивается этими внешними изменениями и ритмы становятся суточными.
Второй пример относится к изменениям периода суточного ритма бодрствования и сна у
человека, который в обычных условиях смены освещенности равен 24 час, но при
нахождении людей в помещениях, экранированных от периодически изменяющихся
внешних условий, в том числе от фотопериодичности и электромагнитного поля Земли,
или у спелеологов, находящихся в лишенных естественного освещения пещерах, ритм
бодрствования и сна становится сво-боднотекущим, а его период занимает время больше
24 час (до 56 час). Установлено, что темп и степень увеличения периода ритма
индивидуальны.
Н.И. Моисеева (1975, 1980) предложила гипотезу трехмерности индивидуального
биологического времени, составляющейся из последовательности течения времени,
сосуществовании времени, означающим набор одновременно происходящих в организме
событий с той или иной временной протяженностью, и его величины, отражающей
продуктивность каждого мгновения в общем балансе времени. По мнению автора, время
живых организмов обладает одновременно векторностью и повторяемостью. Живые
системы существуют одновременно и как индивидуальные особи, и как единицы сложной
системы, что обуславливает возникновение многомасштабнос-ти времени. Биологическое
время неравномерно. Это выражается в переменной скорости течения процессов и в
альтернативном дискретном переходе организма от одного вида деятельности к другому.
Об индивидуальности течения биологического времени у людей свидетельствуют данные,
полученные при определении длительности индивидуальной минуты (ИМ). По
материалам А.В. Киреева (1984), длительность ИМ у людей 19-20 лет неодинакова в
разное время суток. Она наибольшая (69,90 с) в 8 час и наименьшая (52,90 с) в 20 час
(разница в значениях ИМ составляет 17 с, или 24,4%). У лиц 68-92-летнего возраста
суточные колебания величины ИМ исчезают, а среднесуточное ее значение меньше, чем у
молодых на 11,56 с (на 20%). Н.И. Моисеева и др.(1Э85) обнаружили, что, если у хорошо
адаптирующихся лиц суточный ритм длительности ИМ выражен, то у плохо
адаптирующихся его практически нет. Вместе с тем, различия в среднесуточной величине
ИМ у них небольшие (4%). Н.Н. Брагина, Т.А. Доброхотова (1988) полагают, что наряду с
временем внешнего социального и физического мира надо допустить существование
индивидуального времени каждого человека и организацию его психики во времени.
Биологический ритм и временная организация биологических систем
Я.Ф. Аскин (1971) с общефилософских позиций рассмотрел временную структуру
процессов и связанную с ней категорию ритма. Он считает, что понятие структуры
предполагает существование трех обстоятельств: опреде-
1 1ленным образом выделенных частей (элементов), их взаимоотношений и целостности
элементов в рамках системы, частями которой они являются. Структура выражает
инвариантность системы. Элементами структуры времени служат его моменты. Их
взаимоотношения проявляются в последовательности. Целостность элементов времени
определяется единой системой отсчета. В случае временной последовательности — это
единый временной ряд, выражающий единство некоего непрерывного материального
процесса.
По Я.Ф. Аскину, временную структуру процессов отражает категория «ритм». Ритм
представляет собой характеристику периодической временной структуры. Ритмичность
характеризует как определенный порядок во временной последовательности, так и
длительность отрезков времени, поскольку содержит чередование фаз различной
продолжительности. Автор подчеркивает, что ритмичность не означает признания
«цикличного времени», замкнутого времени. Она отражает проекцию относительной
повторяемости на необратимое в целом развитие. На свойство относительной
повторяемости событий во временном ритме обращают внимание и другие авторы, в
частности, A.M. Мостепатенко (1971) при обсуждении вопроса об упорядоченности
времени. Под ней автор понимает расположение моментов времени относительно друг
друга в определенном линейном порядке, подобном порядку точек на прямой линии. В
основе линейного порядка времени лежит свойство временной промежуточности. Оно
выражается положением: из трех любых различных моментов времени А, Б, В, один и
только один расположен между двумя другими. А. М. Мостепатенко пишет, что
временная упорядоченность связана с отсутствием временных циклов и замкнутых
причинных цепей. В противном случае отношение «между» для моментов времени (А, Б,
В) потеряла бы свой однозначный смысл. На невозможность признания «циклического
времени» указывают такие свойства времени, как однонаправленность и необратимость.
Однонаправленность времени означает, что время имеет определенное направление, то
есть направление от прошлого через настоящее к будущему. Направление времени есть
выражение порядка существования событий, и его необратимость — выражение
однозначности этого порядка. (A.M. Мостепатенко, 1971; Я.Ф. Аскин,1971).
Изложенное говорит не просто о времени, но и об определенной организации течения
времени в системах, в том числе биологических. В 1960 г. на Международном симпозиуме
по биологическим часам в Колд- Спиринг- Хар-боре (США) американские ученые Ф.
Халберг (1964) и К. Питтендрай (1964), а позже и Б. Гудвин в книге «Временная
организация клетки» (1964) выдвинули представление о временной организации
биологических систем. С тех пор эта проблема стала одной из центральных в
хронобиологии. Ф. Халберг временную организацию биосистем назвал циркадной
временной структурой и считал, что она выражается синхронизацией (не синхронностью!)
ритмов организма по их частоте. Автор написал, что основной смысл временной
организации состоит в согласованности течения ритмических процессов внутри
организма, а также с ритмами вне его.
По мнению К. Питтендрая, организация живых систем включает в себя организацию во
времени совершенно независимо от периодичности внешних изменений. Он обращал
внимание на временную согласованность подсистем общей ритмической организации, а
главную роль временной организации также видел в обеспечении согласования течения
различных процессов в организме.
12
Б. Гудвин, рассматривая динамические молекулярные процессы в клетке, тоже отметил,
что временная организация образуется спектром ритмических процессов, согласованных
между собой во времени, и она проявляется в упорядоченности поведения организмов.
Идея временной организации биосистем получила развитие во многих областях биологии.
Основываясь на данных, полученных по этой проблеме в литературе и на данных
собственных исследований, мы выдвинули положение о том, что принцип временной
организации живых систем является одним из основных общих принципов биологической
организации (Ю.А. Романов, 1980 а, б).
Наши первые разработки проблемы временной организации биосистем относится к 1972 г.
(Ю.А. Романов, 1972). Тогда и во многих других выполненных нами позже исследованиях
речь шла о временной организации системы репродукции клеток. По мере накопления
материалов по этому вопросу становилось все более очевидным, что хотя
скоординированность и согласованность функций живых систем и является важным
атрибутом их временной организации, последняя состоит не только в этом.
Поскольку в любом организме имеется большое количество биологических ритмов,
составляющих основу временной организации и отличающихся не только
функциональной принадлежностью, но и своими параметрами, значением, определенной
соподчиненностью стало ясным, что временную организацию нельзя рассматривать как
простую сумму составляющих ее ритмов, хотя каждый участвующий в ее образовании
ритм является элементом временной организации. Поэтому нам казалось правильным в
изучении и в представлениях о временной организации использовать системный подход,
позволяющий дать интегрированную оценку ритмической структуры организма и выявить
механизмы ее регуляции (Ю.А. Романов, 1985).
Выяснение структуры системы предполагает определение ее иерархического строения.
Поэтому временная организация биосистемы должна строиться на основе принципа
иерархии составляющих ее частей. Большую известность получили три абстрактные
модели внутренней организации циркадной системы, предложенные американскими
исследователями М.С. Moore-Ede et al. (1976). Однако в их моделях отсутствует
иерархичность строения ритмической системы, и эти модели, следовательно, не могут
быть приняты.
Мы полагали, что построение структуры временной организации должно основываться
на: 1) принципе иерархии; 2) кибернетических представлениях о системе управления с
дифференцировкой на составляющие ее блоки; 3) приемлемости этой структуры для
системного рассмотрения биоритмов с любым периодом.
Итоги проведенных нами вместе с коллегами по работе исследований временной
организации биосистем можно выразить следующими положениями:
1. Процессы в биологических системах непостоянны во времени, их изменения
носят фазовый или ритмический характер. При анализе временной структуры
биологических процессов необходимо учитывать свойства времени, в частности то, что
время отражает последовательность изменений в биосистеме (временную
упорядоченность) и длительность существования объекта или процесса.
2. Ритмические изменения в биологических системах выражаются разнопе-
риодическими биологическими ритмами. Биологический ритм представляет собой
колебательный процесс, воспроизводящий биологическое явление или состояние
биологической системы через приблизительно рав-
13ные промежутки времени. Каждый новый цикл ритмических изменений по своей
картине не подобен предыдущему, но в своем образовании имеет аналогичный с ним
механизм. Отличие и сходство нового цикла ритма от старого означает процесс развития
биологической системы, делит его на отрезки, или кванты, дискретности, и обеспечивает
единство непрерывности и дискретности в развитии (Ю.А. Романов, 1989).
3. Биологические ритмы являются одним из наиболее общих свойств
биологической системы и выражают ее существование вр времени. Они относятся к
важнейшим механизмам ее регуляции и адаптации, а также играют большую роль в
информационных процессах в ней. Биологические ритмы составляют важную
содержательную часть собственного времени биологической системы (биологического
времени) и механизмов его согласования с внешним физическим (астрономическим)
временем.
4. Временная организация биологической системы — это совокупность
упорядоченных изменений во времени, в том числе в виде биологических ритмов, ее
структур и функций, иерархически взаимодействующих и согласованных между собой и с
колебаниями условий внешней среды (Ю.А. Романов, 1989, 1990).
5. Общая иерархическая структура временной организации биологической
системы состоит из следующих частей: а) связывающей временную организацию
биологической системы с другими системами и с внешней средой; б) регулирующей
временную организацию биологической системы; в) воспринимающей сигналы
регуляции; г) рабочей (исполнительной, или эффекторной), которая выражает конечный
результат деятельности или поведения биологической системы (Ю.А. Романов, 1980).
Позже ряд авторов сформулировал очень похожую на предложенную нами структуру
ритмической организации биологических систем. Так, по мнению S. Takahashi, M. Satz
(1982), она должна в себя включать: 1) входной путь в систему; 2) циркадный пейсмекер,
генерирующий колебания; 3) выходной путь, результирующийся в измеряемых
исследователями ритмах. J. Aschoff (1985) представляет ритмическую систему,
состоящую из: 1) центрального пейсмекера, генерирующего ритм; 2) рецептора,
чувствительного к периодическим сигналам из внешней среды; 3) эфферентного пути от
пейсмекера к органам и функциям, ритмы которых изучаются. Каждый вариант структуры
ритмической организации, предложенной этими авторами в отдельности является не
полным, но если их объединить, то будет повторение предложенной нами общей
иерархической структуры временной организации биологической системы.
6. Временная организация биологических систем подразделяется на три типа:
а) организация индивидуального времени; б) организация равнопе-риодических
биологических ритмов разных функций; в) организация раз-нопериодических
биологических ритмов одной и той же функции (Ю.А. Романов, 1990). Условно эти
подразделения временной организации биологических систем можно назвать
соответственно 1-м, 2-м и 3-м типами временной организации.
7. Предложенная общая иерархическая структура временной организации
биологической системы дает возможность наметить определенные подходы в анализе ее
состояния в условиях патологии. В этом направлении представляется важным: 1)
установить локализацию нарушений биологических ритмов в частях структуры
временной организации; 2) определить распространенность изменений биологических
ритмов в ее общей струк-
14
туре, то есть знать, происходят они в одной или нескольких ее частях; 3) представлять, в
какой части структуры временной организации нарушения биологических ритмов
первичны, а в какой части вторичны (Ю.А. Романов, 1980, 1985). Эти же задачи, по-
видимому, надо решать и при анализе различных воздействий на временную организацию
биологической системы, в том числе лекарственных, как при осуществлении обычной
(традиционной) терапии, так и хронотерапии.
Некоторое время тому назад Ф. Халберг с коллегами (F. Halberg et al., 1986; F. Halberg
etal., 1988; Ф. Халберг и др.,1992; G.Cornelissen, F. Halberg, 1996) выдвинули
представление о хрономе. Термин «хроном» происходит от слов chronos — время, nomos
— правило, закон и chromosoma. Хроном представляет собой полный объем
алгоритмически предсказуемой (то есть вычисляемой) временной структуры генетически
закодированной физиологической функции или системы, которая может быть
синхронизирована с окружающей средой и может изменяться в эволюции. Хроном — это
генетически обусловленная и развившаяся в процессе эволюции закодированная
временная структура: 1) многочастотных ритмов, 2) трендов роста, развития и зрелости; 3)
развития как функции возраста с выраженными изменениями в начальном и позднем
периодах жизни человека. Данная концепция Ф. Халберга является попыткой выражения
структуры временной организации биологической системы.
Категория пространства и биологические системы
В философском смысле пространство, как и время, является всеобщей формой
существования материи. При этом пространство отражает сосуществование материальных
объектов и характеризует их протяженность, порядок и размещение. Оно соединяет в себе
свойства прерывности и непрерывности. В математике пространством называется
множество объектов, между которыми установлены отношения типа окрестности,
расстояния и т.д. Хотя в литературе некоторое время преобладал взгляд, согласно
которому пространство изотропно, то есть его свойства независимы от направления, все
же оно считается анизотропным. Равным образом представление об однородности
пространства сменилось на представление об его неоднородности.
Проблема пространства в биологии разработана в целом недостаточно, хотя к ней ученые
обращались уже давно. Еще в 1894 г. немецкий биолог Н. Driesch, изучая регенерацию
органов, пришел к выводу, что на регенерацию наряду с другими факторами влияет
положение части в системе целого. Его работы дали толчок к возникновению
представления о так называемых реге-нерационных полях, от которых зависит поведение
клеток в восстанавливающемся органе. Они послужили прообразом различных вариантов
биологических полей, изучение которых проводилось на развивающихся организмах и в
процессе регенерации органов. Одна из концепций биологического поля принадлежит
видному российскому биологу и морфологу А.Г. Гурвичу (1922-1930; 1944), согласно
которому это поле анизотропно и образуется с участием векторов. Американский биолог
СМ. Child (1911, 1929, 1941) выдвинул теорию физиологических градиентов, по которой
интенсивность различных биологических процессов закономерно изменяется по какой-
либо оси тела организма или его органа. СМ. Child, исследовавший градиенты уровня
метаболизма у растений, простейших, кишечнополостных, низших червей и Других
организмов, а также у эмбрионов, рассматривал их в качестве механизма интеграции
организма. К сожалению, в дальнейшем интерес ученых к
15Пространственно-временная организация биологических систем
В 1866 г. в своей книге «Общая морфология организмов» выдающийся немецкий биолог
Е. Haeckel предложил термин хорология (от греч. хора — место, пространство) для
обозначения науки о географических и топографических закономерностях
распространения организмов. В последующее время хорология вошла в
классификационный перечень областей биологии (S. Tschulok, 1910; М. Левин, 1929).
В литературе, особенно по физике, математике, технике, общепринятым является термин
топология (от греч. топос — место), принадлежащий разделу математики, который
изучает топологические свойства фигур, то есть свойства, неизменяющиеся при любых
их.деформациях, производимых без разрывов и склеиваний. Примерами таких свойств
фигур являются размерность, число кривых, ограничивающих данную область, и т.д. Так,
окружность, эллипс, контур квадрата имеют одни и те же топологические свойства,
поскольку эти линии могут быть деформированы одна в другую. В то же время круг и
кольцо характеризуются различными топологическими свойствами, так как круг
ограничен одним контуром, а кольцо-двумя. Термин топологическое пространство в
математике обобщает понятие метрического пространства, являющегося множеством
точек (элементов), на котором введена метрика. Последняя обозначает правило для
определения расстояния между любыми двумя точками (элементами) данного
пространства (множества).
По A.M. Мостепатенко (1971), пространство и время обладают топологическими
свойствами, к которым принадлежат их непрерывность и связность, порядок и
размерность пространства и времени, направление времени.
Надо полагать, что топологические свойства присущи и биологическим пространству и
времени. Учитывая изложенное выше, в случае живых систем область, изучающая
пространственные закономерности и взаимоотношения в структуре их элементов, как,
впрочем и между ними самими, могла бы быть названа топобиологией.
Кроме пространственных отношений в живой природе существуют временные
закономерности. Область биологии, изучающая роль фактора времени в деятельности
биологических систем разных уровней организации была названа F. Halberg в 1969 г.
хронобиологией (от греч. хронос — время). Поскольку пространство и время
представляют собой основные формы существования материи, в том числе
биологической, то априорно надо признать, что организации живых систем свойственны
пространственные и временные закономерности. Но рассмотрение проблемы организации
биологических систем нельзя ограничить анализом отдельно ее пространственного и
временного аспектов, поскольку на самом деле они тесно связаны между собой и создают
в биологических системах наподобие других материальных объектов мира единое
пространство-время, или единую пространственно-временную организацию.
Действительно, то или иное состояние пространственной.организации живых систем,
выражающееся, как иногда говорят, в развертывании их структуры или частей в
трехмерном пространстве, может быть отнесено только к какому-то определенному
моменту времени их существования. В другие моменты времени (до или после) это
состояние иное. Появление пространственных отличий в системе (пространственная
системная динамика) происходит только с течением времени, на протяжении которого она
существу-
18
ет и развивается, прежде чем погибнуть или превратиться в другую систему. Таким
образом, развертывание структуры биологической системы в пространстве неотделимо от
развертывания ее во времени, которое для системы вместе с тремя пространственными
координатами становится четвертым измерением ее существования (четырехмерный мир).
По-видимому, первая попытка распространения представления о четырехмерном
физическом мире на органическую природу принадлежит выдающемуся русскому
физиологу А.А. Ухтомскому. Свои соображения о значении теории относительности для
развития концепции о рефлекторных актах поведения организма он изложил в тетради
«Рефлекторная природа познания» (1921) и позже обобщил в виде 18 тезисов
неопубликованного доклада о хронотопе (1924). Под хронотопом А.А. Ухтомский
понимал объективно существующий пространственно-временной комплекс, выражающий
единство пространства и времени. Он отражается органами чувств и мозгом животного на
основе принципа доминанты. А.А. Ухтомский считал, что для того, чтобы имело место
адекватное отражение изменчивых временно-пространственных отношений предметов и
явлений в среде воспринимающими аппаратами высших животных и человека,
необходимо, чтобы сами эти аппараты были построены и действовали на основе единства
их пространственно-временных отношений. А.А. Ухтомский писал: «Мы живем в
хронотопе. Камень преткновения-«время физики» и «время психологии». Именно
физиологии предстоит связать их во единство». По его мнению, физиологическое время
отличается отфизического времени своим неравномерным течением и некоторой
степенью обратимости. Концепция А.А. Ухтомского о хронотопе была оценена как
важный вклад в учение о пространстве-времени (В.Л. Меркулов, 1959).
В последние годы проблема пространственно-временной организации в биологии
получила определенное развитие. Однако, имея в виду ее фундаментальное значение, это
развитие происходит недостаточными темпами, и, к сожалению, проблема не находится
на необходимом уровне ее познания. Достаточно сказать, что у исследователей пока нет
общего понимания сущности пространственно-временной организации биологических
систем. Это в особенности относится к моменту, который является главным в
представлении об их пространственно-временной организации, а именно, к положению об
единстве их пространственной и временной организации. Поэтому одной из центральных
задач исследований пространственно-временной организации является установление
взаимозависимости и единства пространственной и временной организации
биологической системы.
Впервые представление об единой пространственно-временной организации
биологических систем, каковыми были некоторые морфофункциональ-ные системы
организма, было выдвинуто нами в 1985 году (Ю.А. Романов и др., 1985) на конференции
«Хронобиология и хрономедицина» в г. Уфе, проводившейся Проблемной комиссией
АМН СССР по хронобиологии и хроно-медицине (председатель — академик РАМН Ф.И.
Комаров). Это представление основывалось на экспериментально установленных тесных
связях между пространственными и временными изменениями биологических процессов
(пролиферация клеток, энергетический обмен) в ряде изученных мор-Фофункциональных
систем организма (долька печени, крипта тонкой кишки, система фолликулов и
интерфолликулярных островков щитовидной железы).
Проведенные нами с коллегами исследования пространственно-временной организации
биологических систем (Ю.А. Романов и др.,1985; В.В. Маркина, 1987; Ю.А.
Романов,1989; Ю.А. Романов, В.В. Маркина, 1987, 1989;
19В.В. Маркина, Ю.А. Романов, 1987; Ю.А. Романов и др., 1994, А.И. Антохин и др.,
1996, Ю.А. Романов и др., 1996; Ю.А. Романов и др., 1998; Ю.А. Романов, В.В. Маркина,
1998; А.Ю. Слинякова, 1998 а, б) позволяют сформулировать следующие положения о
ней:
1. Временные и пространственные изменения в биологической системе
связаны между собой. Пространственно-временная организация выражает собой единство
и непрерывность (континуум) ее пространственной и временной организаций,
обеспечивающееся связями и взаимодействием между ними;
2. Пространственно-временная организация биологических систем выполняет
в интегрированном и наиболее полном виде функции, присущие ее пространственной и
временной организациям. Вместе с тем, ее реакция и поведение в условиях действия
каких-либо факторов необязательно повторяет реакции на них пространственной и
временной организаций системы и может характеризоваться своими особенностями.
3. Наиболее полная и оптимальная регуляция деятельности биологической
системы, основанная в том числе на информационных взаимодействиях, возможна только
через ее единую пространственно-временную организацию;
4. Временная организация, характеризующаяся лабильностью, в составе
единой пространственно-временной организации биологической системы обеспечивает
изменчивость и приспособление системы к изменяющимся условиям внутренней и
внешней среды, тогда как пространственная организация обладает относительной
стабильностью и несет функцию сохранения иерархической структуры системы;