Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац

* * *

Программа исследований Уинфри, изложенная в этом письме в столь характерном для Уинфри стиле, касалась того, о чем другие исследователи в то время даже не помышляли. Разумеется, он совершенно не вписывался в мейнстрим «нормальной» науки с ее тенденцией к узкой специализации и акцентом на редукционизм, то есть сведение явлений высшего порядка к явлениям низшего порядка; другими словами, Уинфри не думал лишь о генах, или кварках, или нейронных каналах. Более того, он не зацикливался даже на революции, порожденной теорией хаоса, которая, по мнению всех его аспирантов, была на тот момент передовым краем науки, хотя на самом деле эта отрасль науки к тому времени уже достигла своей зрелости и была готова уступить пальму первенства очередной великой тенденции: изучению нелинейных систем, состоящих из огромного множества элементов. Это движение, впоследствии получившее название «теории сложности», следовало представлять себе как естественное ответвление теории хаоса, в каком-то смысле ее оборотную сторону. Вместо того чтобы сосредоточиться на странном и «сумасбродном» поведении малых систем, специалисты по теории сложности были увлечены организованным поведением больших систем. Одна из самых ранних работ Уинфри по самопроизвольной синхронизации биологических осцилляторов уже касалась этой темы. К описываемому мною времени она уже достигла стадии зрелости, причем ее созревание происходило разными путями.

Например, в своем письме он упоминал о том, что собирается работать над «трехмерными скрученными + заузленными волнами». Ключевое слово здесь – трехмерные. Никто прежде не занимался изучением поведения самоподдерживающихся осцилляторов, взаимодействующих в трехмерном пространстве. Как было показано выше, когда теоретики впервые приступили к анализу динамики популяций осцилляторов, они полностью игнорировали пространство, полностью сосредоточившись лишь на времени, на синхронности ритмов, безотносительно взаимного расположения этих осцилляторов. Открытия, которые совершили Винер, Курамото, Пескин и даже сам Уинфри, ограничивались простейшим из возможных случаев, соединением по принципу «каждый с каждым», когда каждый осциллятор оказывает совершенно одинаковое влияние на все остальные осцилляторы. Такая глобальная связь всегда рассматривалась лишь как целесообразный первый шаг – она была кратчайшим путем сквозь джунгли многоосцилляторной динамики. Не было никакой нужды задумываться о пространственной структуре, поскольку каждый осциллятор является соседом всех остальных осцилляторов. После рассмотрения этого простейшего случая можно было ступить на следующую ступеньку теоретической лестницы и рассмотреть осцилляторы, упорядоченные в виде одномерной цепи или кольца. Можно было ожидать, что в этом случае произойдет что-то новое, что-то помимо чистого синхронизма: волны действия могли устойчиво распространяться от одного осциллятора к следующему. Вообще говоря, в осцилляторных моделях с локальными связями более типичным явлением оказывались волны, а не синхронизм. Интуиция, основанная на опыте футбольного болельщика, подсказывает мне следующую аналогию: «запустить волну» и поддерживать ее движение на огромном стадионе бывает гораздо легче, чем заставить всех присутствующих на стадионе одновременно вставать и садиться. Когда кое-кто из математиков попытался подняться по теоретической лестнице еще выше, к двумерным листам осцилляторов, у них попросту закружилась голова: анализ таких систем осложнился до предела. Поэтому когда Уинфри решил продолжить восхождение по этой лестнице и выйти на уровень трехмерных систем, желающих составить ему компанию не нашлось.

Подобные вопросы возникают, конечно же, потому что большинство реальных осцилляторов соединены между собой локально, а не глобально. Кишечник представляет собой длинную трубку осциллирующих нервных и мышечных клеток, разделенную на ритмично сокращающиеся кольца, однако порядок этих сокращений таков, что волны пищеварения движутся в нужном направлении, от желудка к анусу[203]. Каждое кольцо осцилляторной ткани соединено электрически с его ближайшими соседями по обе стороны, превращая кишечник, по сути, в одномерную цепочку осцилляторов. Желудок несколько напоминает двумерную сумку нейро-мышечных осцилляторов в том смысле, что его клетки ритмично перемешивают содержимое желудка и взаимодействуют главным образом со своими соседями на поверхности стенок желудка[204]. А сердце представляет собой толстую, трехмерную совокупность задающих осцилляторных клеток (ритмоводителей в синусно-предсердном узле и их подчиненных) и «возбудимых» клеток, которые подчиняются командам задающих осцилляторных клеток[205]; в случае их запуска с помощью достаточно сильного электрического воздействия они однократно «срабатывают» и возвращаются в состояние покоя, ожидая следующего импульса для запуска. Когда сердце функционирует нормально, такой задатчик ритма генерирует волну электрического возбуждения, которая распространяется вдоль специализированных проводящих волокон к насосным камерам (желудочкам сердца), заставляя их сжиматься и качать кровь к остальным частям тела.

Однако в патологических случаях возбудимые клетки могут взбунтоваться и создать свою собственную волну, вращающийся электрический торнадо, который парирует сигналы, поступающие от задатчика ритма. Кардиологам уже давно известно о том, что такие «вращающиеся потенциалы действия», или «круговые волны возбуждения»[206], могут приводить к тахикардии (повышенная частота сердцебиения), а затем вырождаться в летальную аритмию, называемую вентрикулярной фибрилляцией, когда сердечная мышца беспомощно корчится, дергается и дрожит, отказываясь качать кровь[207]. Ежегодно сотни тысяч здоровых на первый взгляд людей – людей, которые никогда прежде не жаловались на проблемы с сердцем – внезапно умирают[208], когда их сердце переходит в этот разрушительный режим функционирования. Когда Уинфри упомянул в своем письме о «приложениях (по совместительству) к сердечной мышце», он имел в виду именно эти странные электрические торнадо. Он хотел выяснить причины их начала, картину их поведения и возможные способы их предотвращения. Он надеялся, что после того как удастся выяснить причины возникновения этих электрических торнадо и картину их поведения, появится возможность сконструировать дефибрилляторы, действующие на сердце более мягко, чем нынешние грубые устройства, которые сжигают сердце для того, чтобы спасти его.