2.3. Биологическое время

В биологии, науке о жизни и о живых существах, мы снова, но еще более явно сталкиваемся с ограниченностью жизни ее объектов. И здесь, также как и в атомной физике, мы видим, с одной стороны, долгоживущие объекты, которые уже лучше называть существами – десятки лет и даже (но редко) более сотни лет, и, с другой стороны, существа – однодневки, типа мотыльков и иных насекомых. В этом случае понятие времени жизни – как периода между рождением и смертью – является также важной характеристикой живых существ, но уже не исчерпывает собой понятия «биологического времени», как это было в случае времени геологического, или иных времен, описывающих неживые объекты. Жизнь каждого существа – это путь, наполненный событиями, каждое из которых, с одной стороны, является уникально-неповторимым, а с другой – стадией пути от рождения к смерти.

Этот жизненный цикл – мы вводим термин «цикл», так как налицо повторение основных этапов развития в жизни каждого индивида – в свою очередь является элементом развития цикла жизни колонии одноклеточных или популяции, если речь идет о животных. В свою очередь организм животных (и человека) состоится из клеток, каждая из которых также проходит свой жизненный цикл. Таким образом, мы может говорить о двух или трех (для животных, например) уровнях, пластах биологического времени – порядка суток (ритм делящихся клеток), порядка десятков лет – для самих животных, и порядка сотен или скорее тысяч лет – для популяций.

К биологическим циклам или ритмам, как важнейшим свойствам биологического времени мы вскоре вернемся, сейчас же остановимся на определении самого биологического времени, при формулировке которого многие авторы подразумевают его сущностное отличие от времени физического или астрономического. Как отмечал в своей работе психолог и философ З.Г. Ровенский, «это отличие определяется тем, что биологическое время, в противоположность солнечному, измеряется «событиями», происходящими в биологических системах, – интенсивностью обменных процессов, частотой биологических ритмов, скоростью переработки информации. И поскольку в пределах одного интервала физического времени может произойти не одно число «событий» в биологической системе, то биологическое время, измеряемое количеством таких событий, не будет совпадать с солнечным временем»[69].

Именно начиная с биологического уровня можно говорить уже о времени как о скорости событий в жизни организма. Так, в одном из сборников по теории систем, собственное (биологическое) время системы определялось как отношение единицы физического времени к числу однообразных событий, происшедших за единицу времени в пределах данной системы[70].

В семидесятых-восьмидесятых прошлого века российским палеоботаником, эволюционистом и теоретиком биологии С.В. Мейеном была разработана оригинальная типологическая концепция времени, в рамках которой время рассматривалось в зависимости от разнообразия объектов, их типологии. Он считал, что понятие времени фундаментально, и его суть можно лишь выразить путем его соотнесения с небольшим числом интуитивно ясных, неопределяемых понятий, которые не содержат в неявной форме представлений о времени. Этим условиям не отвечает, в частности, понятие процесса, которое, по мнению Мейена, является времясодержащим, поэтому определять время как процесс означает, по Мейену, допускать тавтологию[71].

После поисков С.В. Мейен остановился на понятиях индивид, изменчивость и упорядоченность (ряд, множество, порядок и т. п.). Обычно, – рассуждал он, – мы относим понятие изменчивости к множеству объектов, которые упорядочиваем по сходству и различию. Интуитивно ясно и понятие индивида. Но представим себе отнесение понятия изменчивости к индивиду. Это и будет его индивидуальное время.

В своей концепции Мейен подчеркивал три обстоятельства. Прежде всего, время ставится в однозначное соответствие с таксономической или, на философском языке, качественной определенностью объектов. Во-вторых, содержание времени ставится в прямую зависимость от наблюдателя, от выбора им параметров изменчивости соответствующих индивидов и таксонов, от особенностей его личного, психологического времени. В-третьих, такое представление о времени не обязательно связано с часами. Это особенно важно для биологии и геологии, где временные свойства нередко изучаются в отсутствие метрики, заданной стандартными единицами. В то же время, метрика легко вводится в развиваемое представление о времени с помощью часов, как индивидов, изменчивость которых циклична, а циклы регистрируются счетчиками[72]. Интерпретируя концепцию С.В.Мейена, другой российский специалист по теоретической биологии, С.В.Чебанов, определяет кратко время (биологическое) как аспект изменчивости, отнесенный к одному индивиду[73].

Известна также попытка связать понятие биологического времени с конкретным биологическим (физиологическим) процессом в организме. Так, французский биолог и медик И. Л. де Нуйи связывал биологическое (или, точнее, физиологическое) время с процессом залечивания ран. Измеряя скорость залечивания раны величиной 20 квадратных сантиметров, он установил, что с увеличением возраста животного скорость затягивания такой раны уменьшается. Следовательно, при измерении биологического времени скоростью физиологических процессов, с увеличением возраста происходит замедление биологического времени[74]. Предполагается также, что в случае измерения времени степенью накопленной упорядоченности, убыванием или ростом энтропии, ростом информации (негативной энтропии), время эволюционного процесса, как и время индивидуального развития, течет неравномерно – чем выше ступень эволюции, тем быстрее течет время, поскольку происходит рост уплотнения событий, повышается организация[75].

Как отмечает по этому поводу в своей книге «Понятие времени в структуре научного знания» В.П. Казарян, для биосистемы моменты физического времени не равноценны: одни из них ближе к смерти системы, другие – к моменту рождения и расцвета[76]. Практически об этом же писал столетие назад и В. И. Вернадский: «бренность жизни нами переживается как время, отличное от обычного времени физика. Эта длительность – дление»[77].

Занимаясь исследованиями роста растений и живых организмов различного уровня и работая в начале 20-х годов в Латвии, Гастон Бэкман сформулировал концепцию «органического времени» растений и животных. Итоги своих многолетних наблюдений он подвел позже, уже работая в Швейцарии. В своей книге «Рост и органическое время» он писал: «Рост лежит в корне жизни и является надежным выражением самой сущности жизни… Возможность предсказания событий течения жизни из роста заключается в знании того, что организмы обладают своим собственным временем, которое я обозначаю как “органическое время”»[78]. Исходя из таких представлений, Гастон Бэкман на основании измерения скорости роста конкретного организма или особи на ранних стадиях роста мог достаточно точно спрогнозировать время жизни и определенных характеристики развития этого организма или особи. Эти исследования продолжил позже советский латвийский биолог А.М. Мауринь, который выявил корреляцию скорости роста проростков абрикоса в ботаническом саду Латвийского университета и их скороплодностью[79].

Значение длительности фаз развития на ранних стадиях жизни была показано также на других живых объектах – различных животных в исследованиях коллектива под руководством Т.А. Детлаф в институте биологии развития им. Н.А.Кольцова в Москве. Эти исследования позволили выбрать в качестве меры времени, сопоставимой у большинства из них, продолжительность одного митотического цикла в период синхронных делений дробления, обозначенную символом То. Продолжительность То равна интервалу между появлением одноименных фаз митоза двух последовательных делений дробления. Это собственное время было близким у родственных организмов и также позволяло делать определенные прогнозы как в развитии популяции организмов, так и при изучении влияния на них различных воздействий[80]. Известный советский биолог А.А.Нейфах высказал также предложение называть эту величину детлафом[81].

Наряду с неравномерностью «векторного» биологического времени, связанного с бренностью жизни живых существ, особенностью этого вида времени является наличие разнообразных биологических ритмов, которые являются формой темпоральной организации большинства биологических процессов[82]. Для животных и других многоклеточных организмов основным таким ритмом является около суточный ритм, ритм сна и бодрствования, который коррелирует и с ритмом деления большинства растущих клеток организма[83]. Важно отметить, что околосуточные (циркадианные) ритмы характерны и для многих, если не большинства физиологических функций организма, включая и выработку различных гормонов и иных внутренних продуктов. С другой стороны, суточный ритм характерен и для уровня устойчивости организма к разнообразным внешним воздействиям, включая чувствительность к ядам или действию ионизирующей радиации[84].

Вместе с околосуточными в организме выделяют также ультра-дианные ритмы – ритмы длительностью меньше суток, например – концентрация внимания, уменьшение болевой чувствительности вечером, процессы секреции, цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6-8-часового нормального сна у человека. Двигаясь еще дальше, к меньшим периодам, мы увидим околочасовые ритмы, в частности, ритмы синтеза белка, приводящие и к околочасовым ритмам изменения клеточных размеров в одноклеточных культурах[85]. Еще более кратким является ритм дыхания человека и животных – несколько минут, и, наконец, околосекундный ритм сокращений сердечной мышцы. В близких интервалах частот лежат и ритмы активности коры головного мозга.

Разнообразны и так называемые инфрадианные ритмы, к которым относят все биоритмы длительностью более суток. Среди наиболее известных из них является менструальный цикл у женщин, а также окологодовые циклы активности (крайним случаем которых является цикл «спячка-бодрствование» у некоторых животных). В некоторых исследованиях – уже исключительно на примере человека – показывается наличие циклов творческой активности с периодом около семи лет[86].

Если же обратиться к популяциям организмов, то мы выходим на разнообразные ритмы возникновения эпидемий, заболеваемости различными болезнями, а также урожайности сельскохозяйственных растений, которые хорошо коррелируют с 11-летним циклом солнечной активности[87].

Вопрос о происхождении, природе этих разнообразных ритмов является предметом горячих дискуссий ученых. В дискуссиях обсуждаются две основные гипотезы – об эндогенном (внутреннем) и экзогенном (внешнем) источнике биоритмов. Господствующей в настоящее время является точка зрения о том, что чем короче период биоритма, тем большую роль играют собственные биологические процессы и химические реакции организма. Как известно, циклические реакции были обнаружены в начале пятидесятых годов даже для случая химические реакций (реакция Белоусова-Жаботинского)[88]. С другой стороны, экзогенные факторы – например, чередование дня и ночи для околосуточных ритмов, цикл зима-лето для окологодовых, солнечная активность для многолетних – могут играть важную роль синхронизаторов собственных ритмов биологических систем.

Отметим, что тезис о влиянии солнечной активности на биологические процессы кажется сегодня чрезмерным для многих биологов, хотя такое научное направление как гелиобиология, трактуемое как раздел биофизики, нашло отражение ещё в Большой советской энциклопедии. Как известно, основоположником гелиобиологии является российский и советский ученый и мыслитель А.Л.Чижевский, еще в первой трети прошлого века на большом статистическом материале показавший наличие достоверных корреляций ритмических изменений многих биологических процессов на популяционном уровне с 11-летним циклом солнечной активности[89]. В качестве механизма влияния изменений солнечной активности на биологические процессы сегодня рассматриваются колебания электромагнитного поля Земли, выведенного из равновесия потоками заряженных частиц, выбрасываемых «неспокойным» Солнцем, и достигающих земной орбиты, которые, в свою очередь, взаимодействуют с электромагнитными характеристиками живых объектов, выводя их из равновесия. Эти представления получили подтверждение и в работе современных исследователей[90].

Отметим здесь, что некоторые из этих циклов настолько стабильны (при условии стабильности окружающей среды), что используется даже выражение «биологические часы» – как способ оценивать периоды времени по изменению конкретных функций организма[91]. Примером является способность некоторых людей просыпаться в точно заданное ими самими время. Другим хорошо нам всем знакомым примером биологических часов (для горожан – по крайней мере, из детских сказок), является утреннее пение петуха.

Для наглядности представим здесь таблицу корреляции био- и гидросферных процессов и состояния земного электромагнитного поля.

Таблица 2.

Био- и гидросферные процессы и электромагнитное поле

(Таблица основана на таблице из статьи А.Д.Арманда с нашим добавлением (помечено *)

Мы видим, таким образом, что повседневная жизнь живых существ, живых организмов происходит в виде разнообразных ритмических процессов. Очень важно отметить при этом, что эти процессы синхронизированы между собой, их временные (темпоральные) характеристики согласованы, и только в этом случае возможно их нормальное развитие и жизнедеятельность. В случае же рассогласования временной среды, например, при работе в ночную смену, или при трансмеридиональных перелетах, в организме наступает явление десинхроноза, как предпатологического состояния, за которым могут последовать и серьезные функциональные расстройства и сбои[92]. Подобные сбои могут вызывать и внешние факторы, в частности, магнитные бури, вызванные солнечными вспышками[93].

Важно также подчеркнуть, что наличие в сложных эволюционирующих системах колебательных, т. е. описываемых в рамках циклически-волновой парадигмы[94], процессы – это скорее закономерность нежели исключение. Как сказал в своем учебнике выдающийся советский биофизик, член-корреспондент АН СССР М.В. Волькенштейн: «На всех уровнях организации – от макромолекулярного до популяционного – в биологических системах происходят незатухающие колебания характеристических параметров – ферментативной активности, концентрации метаболитов, численности популяции»[95].

Подчеркнем также, что в большинстве ритмических процессов биологическая система не возвращается полностью в исходное состояние, а переходит в некое новое качество в результате процесса развития, продвигаясь вперед вдоль векторной компоненты биологического времени – от рождения к зрелости, к старость и к умиранию. Мы можем говорить об образе спирали, точнее, множества спиралей, витки которых составляют разнообразные циклы, а ее концы обозначают рождение и смерть биологического существа.

И этот раздел мы завершим характеристиками биологического времени из книги Н.И.Моисеевой с соавторами[96]:

1. Структура времени. Время состоит из двух реальных частей – настоящего (в котором можно активно действовать – время на текущее событие) и прошлого (в котором зарегистрированы следы действий), а также из нереальной части – постоянно наступающего, но не наступившего будущего.

2. Структура настоящего времени. Настоящее имеет относительно фиксированную протяженность в физическом времени и переменный объем в связи с увеличением и уменьшением числа происходящих событий (что сопровождается увеличением или снижением скорости этих событий соответственно).

3. Направление хода времени. Ход времени и векторный (направление от рождения к созреванию, старению и смерти) и ритмичный (повторение примерно одних и тех же событий через приблизительно одинаковые промежутки времени).

4. Характер течения времени. При изменении условий одни и те же процессы протекают по разным масштабам (смена скоростей). Разные процессы идут в различных масштабах времени.

5. Связь времени с другими физическими явлениями. Время связано с пространством и движением. Кроме того, его связывают с обменом веществ и энергией, характером деятельности и степенью эмоционального напряжения.

6. Временной миропорядок. Существует множество времен, отличных масштабами. Биологические системы существуют и как индивидуальные особи (располагающие «набором часов», отмеряющих время различных процессов и общее время жизни) и как единицы общей системы живого, развивающегося в соответствующем времени.

И, в самое завершение – снова строчки Федора Тютчева:

Итак, опять увиделся я с вами,

Места немилые, хоть и родные,

Где мыслил я и чувствовал впервые

И где теперь туманными очами,

При свете вечереющего дня.

Мой детский возраст смотрит на меня.