Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Они рассматривали сердце в динамике. Почти всегда за этим стояла далеко не ординарная подготовка. Леон Гласc из Университета Макгилла в Монреале обучался физике и химии, где смог удовлетворить свой интерес к числовым характеристикам и иррегулярностям. Защитив диссертацию, посвященную движению атомов в жидкостях, он обратился к проблеме неправильных сердечных ритмов. Как правило, отмечал Гласc, специалисты диагностируют различные типы аритмий, основываясь на данных короткой распечатки электрокардиограммы. «Врачи сводят проблему к распознаванию определенного типового образца. Вопрос, по их мнению, заключается лишь в идентификации тех моделей, которые они встречали на практике и в учебниках. На самом деле они не подвергают детальному анализу динамику наблюдаемых ритмов, а та гораздо богаче, чем можно представить себе по книгам»[364].

Эри Голдбергер из Гарвардской медицинской школы, возглавлявший также лабораторию исследований аритмии в Госпитале Бет-Израэл в Бостоне, считал исследования сердца подходящей областью для сотрудничества физиологов, математиков и физиков. «Мы подошли к новой черте, к созданию нового типа феноменологии, – утверждал он. – Когда нашему взору предстают бифуркации и внезапные изменения поведения, общепринятые линейные модели не способны объяснить наблюдаемое. Определенно, нам необходим новый тип моделей, и физика, кажется, может в этом помочь»[365]. Голдбергеру, как и другим ученым, пришлось продираться сквозь чащу терминологии и классификации. Ощутимым препятствием, как он чувствовал, являлась та настороженность, с которой многие физиологи относились к математикам. «Вряд ли в 1986 году вы найдете упоминание о фракталах в учебнике по физиологии, – говорил Голдбергер. – Но полагаю, что в 1996 году вы не найдете учебника, где бы о них не упоминалось».

Доктор, прослушивая биение сердца, слышит свист и стук при ударе жидкости о жидкость, жидкости о твердую ткань и твердой ткани о твердую ткань. Кровь, выталкиваемая сокращающимися мышцами, перетекает из одной камеры в другую, а затем растягивает лежащие перед ней стенки сосудов. Волокнистые клапаны захлопываются с вполне различимым звуком, препятствуя обратному току крови. Сами сокращения мышц зависят от сложной трехмерной волны электрической активности. Моделирование хотя бы одного такта сердечной деятельности – нелегкая задача для компьютера. Моделирование всего рабочего цикла и вовсе невозможно. Такая компьютерная имитация, которая кажется вполне естественной специалисту по гидродинамике, проектирующему крыло «Боинга» или двигатели для НАСА, – чуждая медицинским технологам практика.

В частности, методом проб и ошибок руководствовались при создании искусственных сердечных клапанов – устройств из металла и пластика, которые сейчас продлевают жизнь тем людям, чьи собственные сердечные клапаны уже износились. В теории инженерного дела отдельную страницу следует посвятить естественному клапану сердца, созданному самой природой, – тонкому, гибкому, полупрозрачному образованию из двух или трех крошечных, похожих на парашют чашечек. Пропуская кровь в нужную сторону, клапан открывается и освобождает дорогу. Чтобы кровь не потекла вспять, когда сердце направляет ее вперед, клапан, наполнившись, захлопывается под давлением. Эти действия он должен проделать два или три миллиарда раз без утечки или прорыва. Инженерам, конечно, не удалось добиться такого результата. Искусственные клапаны в общем и целом были позаимствованы из практики водопроводчиков. Стандартные конструкции, вроде «шарика в сетке», испытывались на животных, что требовало огромных затрат. Преодолеть очевидные проблемы с просачиванием и недостаточным давлением оказалось нелегко, но лишь немногие догадывались: куда тяжелее будет справиться с другим затруднением, которое заключалось в том, что, меняя движение жидкости в сердце, искусственные клапаны создают зоны турбулентности и зоны застаивания крови. В последнем случае образуются тромбы, и, когда они, оторвавшись, направляются к мозгу, происходит инсульт. Таким образом, опасность образования тромбов стала главным препятствием на пути создания искусственного сердца. Только в середине 1980-х годов, когда математики из Курантовского института математических наук при Нью-Йоркском университете применили в данном вопросе новую технику компьютерного моделирования, в изготовлении искусственных клапанов наметился сдвиг[366]. Ученые построили на компьютере движущиеся изображения работающего сердца, двумерные, но легко узнаваемые. Сотни точек – частиц крови – проходили сквозь клапан, растягивая эластичные стенки сердца и создавая завихрения. Математики обнаружили, что динамика сердца на порядок сложнее стандартной проблемы течения жидкости, поскольку любая близкая к реальности модель должна учитывать степень эластичности самих сердечных стенок. Вместо того чтобы обтекать ткани, как воздух обтекает крыло самолета, поток крови воздействует на них, порождая изменения динамического и нелинейного характера. Еще более коварной и гораздо более смертоносной оказалась проблема аритмии. Фибрилляция желудочков ежегодно уносит сотни тысяч жизней в одних только Соединенных Штатах. Во многих случаях ее вызывает специфичный и хорошо известный механизм – блокада артерий, которая приводит к отмиранию накачивающей кровь мышцы. Употребление наркотиков, нервные стрессы, переохлаждение также способствуют развитию фибрилляции. Зачастую причина приступа остается загадкой. Врачи предпочли бы обнаружить у пациента, который пережил приступ, повреждения, позволяющие доискаться до причины. Если же сердце кажется здоровым, вероятность повторного приступа лишь возрастает[367].

Существует классическая метафора для описания фибриллирующего сердца – мешок с червями. Вместо того чтобы ритмично сокращаться и расслабляться, сокращаться и вновь расслабляться, мышечная ткань сердца работает нескоординированно и не может качать кровь. В нормально работающем сердце электрический сигнал проходит как согласованная волна сквозь трехмерную структуру этого органа. Когда сигнал достигает цели, каждая клеточка сокращается, а затем приходит в состояние расслабления на критический рефрактерный период, во время которого она не может быть пущена в ход. При фибрилляции волна разбивается – и сердце не может ни как следует сократиться, ни полностью расслабиться.

Удивительнее всего, что при фибрилляции отдельные части сердца могут работать в нормальном режиме. Зачастую от узлов, задающих ритм сердечных сокращений, продолжают исходить регулярные электрические импульсы, а отдельные клетки мышечной ткани правильно реагируют на них. Каждая клетка, получив импульс, сокращается и, передав его дальше, переходит в состояние расслабления до следующего импульса. При вскрытии в мышечной ткани порой не обнаруживают никаких повреждений. Именно по этой причине специалисты по хаосу заявляли о необходимости нового, всеобъемлющего подхода: вроде бы все части сердца работают, однако сердечная деятельность нарушена. Фибрилляция представляет собой нарушение порядка в сложной системе, равно как и психические расстройства разной этиологии – независимо от того, имеют ли они химические причины или нет.