Жизнь как искусство меняться. Серия Живой свет
- -
- 100%
- +
У этой системы есть и более тонкий, молекулярный уровень: почти в каждой клетке работает набор генов, продукты которых по очереди подавляют и снова запускают собственную выработку, создавая цикл длиной примерно в сутки. Открытие этого молекулярного механизма было отмечено Нобелевской премией в 2017 году. Именно эта клеточная «шестерёнка» и синхронизируется центральными часами мозга с внешним временем, а не наоборот.
В результате изменение светового режима способно отражаться далеко за пределами простого ощущения того, что стало светло или темно.
Ярче всего это заметно при перелёте через несколько часовых поясов. Внешнее время меняется быстрее, чем организм успевает перестроить все связанные с ним процессы. Человек уже находится в новом месте и смотрит на часы, которые показывают утро или вечер, а некоторые физиологические процессы ещё некоторое время ориентируются на прежний цикл. Возникает то, что мы называем джетлагом. В данном случае проблема не в том, что организм «не знает» новое время. Ему требуется время, чтобы перестроить внутреннюю временную организацию в соответствии с новым световым режимом.
Перестройка после смены часовых поясов идёт не одинаково в обе стороны: большинству людей легче сдвинуть свой ритм на более позднее время — например, при перелёте на запад, — чем на более раннее. Дело в том, что собственный, ничем не подгоняемый период циркадной системы у большинства людей чуть больше двадцати четырёх часов, и организму физически проще «растянуть» день, чем его укоротить. Этот же факт отчасти объясняет, почему многим людям в принципе легче лечь спать чуть позже обычного, чем заставить себя лечь раньше.
Похожее рассогласование может возникать и без путешествий. Ночной график работы, позднее использование яркого искусственного света, нерегулярный сон и другие изменения режима способны создавать условия, при которых социальное расписание и биологические процессы перестают полностью совпадать. Но степень такого рассогласования у разных людей различается, а сама циркадная система обладает способностью постепенно подстраиваться к изменившимся условиям.
Эта способность имеет большое значение. Если бы внутренние ритмы были абсолютно неподвижными, живому организму было бы трудно существовать в среде, которая сама меняется. В действительности биологические часы обладают определённой пластичностью. Они могут сдвигаться под воздействием светового режима и других внешних сигналов, хотя скорость и пределы такой перестройки зависят от конкретного процесса и условий.
Один из примеров такой подготовки — подъём уровня кортизола перед пробуждением: у большинства людей он начинает расти ещё до того, как человек открывает глаза, обычно за час-полтора до привычного времени подъёма. Организм не дожидается сигнала «пора вставать» — он заранее готовится к переходу в активное состояние, опираясь на устойчивость суточного расписания, а не на сам момент пробуждения.
Живое не просто следует за изменениями среды — оно использует их закономерность для организации собственной работы.
Так было задолго до появления человеческого расписания. Организмы существовали в мире смены света и темноты, сезонов, температуры и доступности ресурсов. Естественный отбор формировал системы, способные учитывать эти повторяющиеся изменения. У разных видов возникли разные способы временной организации, соответствующие их образу жизни и условиям существования.
При этом природные циклы не являются идеально точными. Время восхода и захода солнца меняется в течение года, температура колеблется, пища может становиться доступной раньше или позже, погода нарушает привычную последовательность событий. Поэтому живой организм должен уметь не только следовать ритму, но и корректировать его.
В этом отношении биологическая система отличается от механизма, который просто повторяет одну и ту же программу. Ей приходится соотносить внутренние процессы с реальными условиями среды, а они никогда не повторяются абсолютно одинаково.
Даже суточный цикл, который кажется нам самым очевидным, не является для организма точной копией вчерашнего дня. Человек может лечь спать позже обычного, проснуться раньше, провести ночь без сна, оказаться под ярким светом ночью или несколько дней находиться без естественного освещения. Внутренняя временная организация продолжит работать, но её состояние и взаимодействие с внешними сигналами изменятся.
Биологическое время, иными словами, — не простой счётчик, который каждое утро обнуляется заново.
У организма есть способность соотносить внутренние процессы с внешними изменениями, но для этого ему требуется сама возможность воспринимать эти изменения и время на перестройку. Свет, температура, питание, физическая активность и социальный режим могут становиться сигналами, по которым система корректирует своё состояние. В хронобиологии такие внешние факторы называют цайтгеберами (от нем. Zeitgeber) — «датчиками времени», или синхронизирующими сигналами.
Не каждый сигнал действует одинаково и не каждый имеет одинаковое значение. Для человека свет является одним из наиболее сильных факторов циркадной синхронизации, но временная организация организма складывается из взаимодействия множества условий.
Например, время приёма пищи оказывается особенно значимым сигналом для периферических часов печени и пищеварительной системы, а физическая активность и общение с другими людьми способны сдвигать субъективное ощущение времени, даже не затрагивая напрямую центральные часы мозга. У разных органов, иными словами, могут быть свои собственные ориентиры, и в обычной жизни они, как правило, согласованы друг с другом благодаря общему распорядку дня.
И здесь появляется важное отличие между внешним временем и временем живого организма. Мы можем изменить расписание одним решением: поставить будильник на другой час, перенести рабочую встречу, отправиться в другой часовой пояс. Но внутренние процессы не обязаны перестраиваться с той же скоростью. Некоторые изменения происходят быстро, другие требуют нескольких циклов, а для третьих необходимы более длительные изменения условий.
Это не делает организм несовершенным. Такая временная инерция является частью самой организации живого.
Мы привыкли воспринимать время как одинаковую для всех величину. Часы идут с одной скоростью для каждого человека, и поэтому легко решить, что и все внутренние процессы должны успевать за этим временем одинаково. Но биология устроена иначе. В организме одновременно происходят процессы, для которых важны секунды, часы, сутки, месяцы и годы.
Пока нам достаточно увидеть сам факт: жизнь разворачивается во времени, а окружающая среда постоянно подсказывает организму, где он находится в этом времени.
Глава 3. Жизнь далеко от равновесия
Если оставить систему без притока энергии и без обмена с окружающей средой, со временем различия внутри неё начинают сглаживаться. Температура выравнивается, концентрации веществ стремятся стать более однородными, направленные процессы постепенно затухают. Для изолированной системы такое движение к равновесию естественно. Живой организм существует в совершенно другом режиме.
Пример знаком каждому: чашка горячего чая, забытая на столе, постепенно остывает до комнатной температуры и на этом успокаивается — дальше её температура сама по себе уже не меняется, потому что достигнуто равновесие с окружающим воздухом. Направление здесь всегда одно: горячее и холодное стремятся сравняться, а не разойтись ещё дальше, и без нового источника тепла процесс не повернуть вспять.
Он постоянно получает энергию и вещество из внешней среды и отдаёт ей продукты своей деятельности. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ, получаем пищу и воду, выделяем тепло и выводим продукты обмена. Растения используют энергию света, воду и углекислый газ, создавая органическое вещество и возвращая часть продуктов своего обмена в окружающую среду. Через живую систему непрерывно проходит поток, и без него она не смогла бы сохранять свою организацию.
Ещё в 1944 году физик Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» сформулировал этот парадокс особенно точно: организм ухитряется избегать быстрого скатывания к равновесию — то есть к смерти, — питаясь, по его выражению, «отрицательной энтропией». Точная формулировка с тех пор не раз уточнялась, но сама идея сохранилась: живое поддерживает свою упорядоченность не вопреки законам термодинамики, а за счёт непрерывного обмена с окружающей средой. Примечательно, что эту книгу физика, а не биолога, позже называли одним из источников вдохновения для тех, кто занимался расшифровкой молекулярной природы наследственности.
На практике это означает, что организм невозможно рассматривать как изолированный объект. Даже когда человек лежит неподвижно и внешне почти ничего не происходит, внутри продолжается работа: сердце перекачивает кровь, лёгкие обеспечивают газообмен, клетки получают необходимые вещества, поддерживается температура, регулируется состав внутренней среды. Покой снаружи не означает остановки процессов внутри.
Позже эту же мысль развил физикохимик Илья Пригожин, предложивший понятие диссипативных структур — устойчивых, упорядоченных состояний, которые возникают именно в открытых системах, далёких от равновесия, и существуют только пока через них проходит поток энергии. За эту работу он получил Нобелевскую премию по химии. Живой организм — самый сложный из известных примеров такой структуры, но далеко не единственный: сама идея показывает, что порядок и устойчивость — вовсе не редкость, которую жизнь единолично привносит в неживую вселенную, а нечто, что физика допускает и вне жизни, при подходящих условиях.
В термодинамике организм относят к открытым системам. Он может поддерживать состояние, далёкое от равновесия, потому что постоянно обменивается с окружающей средой энергией и веществом. Для этого обмена не требуется, чтобы каждое внутреннее изменение было заметным. Многие параметры могут оставаться относительно стабильными именно потому, что их непрерывно поддерживают процессы регуляции.
Регуляция температуры тела — наглядный пример этой особенности. Организм постоянно теряет тепло, но одновременно производит его и регулирует его отдачу. При изменении температуры окружающей среды меняются кровоток, теплоотдача, мышечная активность и обмен веществ. Мы воспринимаем результат как сохранение температуры в определённом диапазоне, хотя внутри системы для этого всё время происходят изменения.
То же относится к концентрации веществ во внутренней среде. Клетки существуют благодаря различиям между внутренним и внешним пространством: отличаются концентрации ионов, электрические потенциалы, содержание различных веществ. Эти различия не возникают один раз и не сохраняются сами собой. Их приходится поддерживать, расходуя энергию.
Если работа, которая поддерживает такие различия, прекращается, они постепенно исчезают.
В этом и заключается важное отличие живого от изолированной системы. Равновесие стремится сгладить различия, тогда как организм постоянно создаёт условия, при которых необходимые различия могут сохраняться.
Здесь возникает связь между жизнью и вторым началом термодинамики. В изолированной системе энтропия в целом не уменьшается, однако открытая система может поддерживать локально упорядоченное состояние за счёт обмена с окружающей средой. Организм получает энергию, использует её для своей работы и выделяет тепло и другие продукты, увеличивая энтропию окружающей среды. Поэтому жизнь не нарушает термодинамические законы. Она существует внутри них.
Более простые примеры можно увидеть и в неживой природе. Если равномерно нагревать слой вязкой жидкости снизу, при определённой разнице температур в ней спонтанно возникают упорядоченные ячейки циркуляции — так называемые ячейки Бенара. Ураган — ещё один пример: устойчивая, узнаваемая структура, которая существует только за счёт постоянного притока тёплого влажного воздуха и разрушается, как только этот приток прекращается. Ни то, ни другое не является живым, но оба явления показывают: способность потока энергии рождать упорядоченность — не привилегия жизни, а общее свойство систем, далёких от равновесия. Разница появляется дальше — в том, что живая система умеет не только поддерживать такую упорядоченность, но и подстраивать её под меняющиеся условия, ремонтировать повреждения и передавать свою организацию дальше.
Иногда эту картину упрощают до противопоставления: энтропия означает хаос, а жизнь будто бы борется с хаосом. Такое объяснение слишком грубое: у энтропии в термодинамике нет ничего общего с бытовым беспорядком, и жизнь никак не нарушает законы природы. Существенно другое: живой организм способен поддерживать определённую организацию благодаря постоянному обмену с внешним миром.
Это можно представить через водоворот в реке. Его форма какое-то время остаётся узнаваемой, хотя вода внутри него постоянно движется и каждое мгновение сменяется новой. Если перекрыть поток, водоворот исчезнет. Он существует не как отдельный предмет, а как устойчивый рисунок движения.
Организм, конечно, несравнимо сложнее водоворота, но сам принцип здесь полезен: устойчивость может быть свойством продолжающегося процесса, а вовсе не неподвижной конструкции. Пока сохраняются условия, поддерживающие движение, может сохраняться и определённая форма.
Именно поэтому стабильность живого не следует понимать как отсутствие изменений. Температура тела остаётся в относительно узком диапазоне не потому, что внутри ничего не меняется, а потому, что организм постоянно компенсирует возникающие отклонения. Артериальное давление, кислотно-щелочное состояние, содержание глюкозы и другие параметры тоже поддерживаются работой множества процессов.
Если человек теряет воду, меняется объём жидкости в организме, концентрация растворённых веществ, работа почек и гормональная регуляция. Возникает жажда, изменяется распределение жидкости, организм старается сохранить наиболее важные для него параметры. Пока возможностей для такой регуляции хватает, внутреннее состояние остаётся в допустимых пределах.
При недостатке кислорода, пищи или энергии происходит то же самое в другом масштабе. Организм не может просто продолжать работать совершенно одинаково, если изменились условия, от которых зависит его существование. Меняется активность отдельных процессов, перераспределяются доступные ресурсы, возникают новые ограничения.
Важен здесь не абстрактный запас энергии сам по себе, а постоянный доступ к источникам, которые организм способен использовать. Полученная энергия преобразуется и направляется на поддержание работы системы. Когда приток становится недостаточным, постепенно сокращаются возможности сохранять прежнюю организацию.
На примере клеточной мембраны видно, насколько непрерывным является этот процесс. Она разделяет внутреннюю и внешнюю среду клетки, но сама эта граница поддерживается благодаря работе клеточных механизмов. Различия в концентрации ионов по обе стороны мембраны требуют постоянных затрат. Пока энергия доступна, система поддерживает их; когда её становится недостаточно, градиенты начинают разрушаться.
Масштаб этого потока может быть удивительным: по некоторым оценкам, взрослый человек в состоянии покоя за сутки синтезирует и расходует количество АТФ — универсального переносчика энергии в клетке — сопоставимое с собственным весом тела, хотя в каждый конкретный момент в организме присутствует лишь малая часть этого количества. Энергия не запасается впрок в готовом виде — она непрерывно производится и тут же используется, и при физической нагрузке этот оборот становится ещё больше.
То, что выглядит как устойчивое состояние, оказывается результатом продолжающейся работы.
При тяжёлом нарушении энергетического обеспечения этот принцип становится особенно очевидным. Когда клетки перестают получать достаточно энергии, постепенно нарушается поддержание электрохимических градиентов, меняется состав внутренней среды, прекращается нормальная работа многих зависимых от энергии процессов. Система теряет способность поддерживать прежнюю организацию.
В этом смысле прекращение жизни связано не только с остановкой отдельных функций. Постепенно исчезает сама способность поддерживать согласованное состояние.
Но одного потока энергии для жизни недостаточно. Внутри организма одновременно происходят тысячи процессов, и они должны быть связаны определённым образом. Продукты одних реакций становятся исходными веществами для других, изменение концентрации одного вещества влияет на следующие процессы, работа одной системы меняет условия для другой. Поток поддерживает жизнь только потому, что внутри организма он включён в определённую организацию.
Организм одновременно отделён от внешней среды и связан с ней обменом. Клеточная мембрана создаёт границу, через которую проходят вещества и сигналы. Дыхательная система связывает внутреннюю среду с атмосферой, пищеварительная получает вещества извне и преобразует их, кровообращение переносит кислород, питательные вещества и сигналы между тканями. Граница здесь не означает изоляцию. Она создаёт условия для обмена, сохраняя при этом различие между внутренним и внешним.
Жизнь существует далеко от равновесия не вопреки постоянному движению, а благодаря ему. Организм сохраняет определённую организацию, пока через него проходят энергия и вещество, пока поддерживаются необходимые различия и пока процессы внутри системы остаются согласованными.
Эта устойчивость имеет особое свойство: она никогда не бывает окончательно достигнутой. Организм не получает состояние, которое затем можно просто сохранять. Условия меняются, расходуются ресурсы, возникают новые требования, и система снова должна поддерживать себя.
Жизнь сохраняет форму благодаря потоку, а не благодаря неподвижности.
Но если поток постоянно проходит через организм, возникает следующий вопрос: что происходит с самим телом? Ведь вещества, из которых мы состоим, тоже не могут оставаться неизменными. Если организация сохраняется, а поток продолжается, то материал организма должен каким-то образом постоянно меняться.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.