Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Впрочем, сам Уинфри не сказал бы, что «пошел дальше». Для него объект изучения не изменился – другая химия, но та же динамика. Так или иначе, после того как он стал невольным и беспомощным свидетелем двух внезапных смертей, вызванных сердечной недостаточностью, сердце сделалось для него предметом особого интереса[373]. В первый раз на его глазах во время летнего отпуска умер родственник. Во второй раз это случилось с незнакомым мужчиной на пруду, где купался Уинфри. Почему же неизменный ритм, заставляющий сердце то расслабляться, то напрягаться, то ускоряться, то замедляться два миллиарда (и более) раз на протяжении жизни, вдруг становится таким неуправляемым и фатально неистовым?

Уинфри поведал историю о своем предшественнике, Джордже Майнсе, которому в 1914 году исполнилось 28 лет. В лаборатории монреальского Университета Макгилла Майнc создал небольшое устройство, способное передавать сердцу малые, четко регулируемые электрические импульсы.

Химический хаос. И волны, расходящиеся концентрическими окружностями, и даже спиральные волны, наблюдающиеся в широко изученной химической реакции Белоусова – Жаботинского, были признаками хаоса. Схожее поведение наблюдалось в емкостях, куда были помещены миллионы амеб. Артур Уинфри высказал предположение, что подобные волны аналогичны волнам электрической активности, прходящим сквозь сердечные мышцы, регулярным или хаотичным.

«Когда Майнc решил, что настала пора экспериментов на людях, он выбрал в подопытные самого себя, – писал Уинфри. – В тот вечер, около шести часов, уборщик заметил, что в лаборатории непривычно тихо, и, встревожившись, направился туда. Майне лежал под одной из скамей, вокруг которой разместилось затейливое электрическое оборудование. К груди, прямо над сердцем, был прикреплен разбитый механизм. Устройство, находившееся рядом, все еще фиксировало прерывистое биение сердца. Майне умер, не приходя в сознание»[374].

Нетрудно сообразить, что небольшой, но точно рассчитанный по времени разряд может повергнуть сердце в состояние фибрилляции. Даже Майне догадался об этом незадолго до смерти. Другие виды шокового воздействия способны ускорить или задержать следующее сердечное сокращение, как это происходит с суточными ритмами. Но есть одно различие между человеческим сердцем и биологическими часами, которое нельзя не учитывать даже в упрощенной модели: сердце имеет пространственную конфигурацию. Вы можете взять его в руки и проследить электрическую волну в трех измерениях.

Впрочем, для постановки подобного опыта требуется немалое искусство[375]. Рэймонд Айдекер из медицинского центра Университета Дьюка, прочитав статью Уинфри в журнале Scientific American за 1983 год, отметил четыре конкретных прогноза относительно стимуляции и остановки мерцания сердца, основанных на нелинейной динамике и топологии. Но отнесся к прочитанному с настороженностью. Прогнозы казались чересчур умозрительными и, с точки зрения кардиолога, слишком абстрактными. Тем не менее в течение последующих трех лет все они подтвердились, и Айдекер занялся претворением в жизнь расширенной программы по сбору более подробных данных для совершенствования динамического подхода к сердечной деятельности. Как выразился Уинфри, это был своего рода «кардиологический эквивалент циклотрона»[376].

Традиционная электрокардиограмма, которую снимают врачи, представляет собой лишь одномерную запись, усредненную по всему объему сердца. Во время операции на сердце хирург может, взяв электрод, передвигать его от одной зоны сердца к другой, снимая в течение ю минут данные с 50 или 60 точек и таким образом получая комбинированное изображение. Но при фибрилляции эта техника бесполезна, поскольку изменения и мерцание сердца очень быстры. Методика Айдекера, которая в значительной степени зависела от обработки данных компьютером в реальном времени, предусматривала создание «паутины» из 128 электродов, заключающей в себе сердце, словно носок – ступню. По мере того как сквозь мышечную ткань проходил импульс, электроды фиксировали электрическое напряжение, а компьютер строил карту сердечной деятельности.

В намерения Айдекера, помимо проверки теоретических идей Уинфри, входило также усовершенствование конструкции электрических устройств, применяемых для остановки фибрилляции[377]. Бригады скорой помощи используют стандартные дефибрилляторы, чтобы сквозь грудную клетку воздействовать на сердце пострадавшего мощным разрядом электрического тока. Опытным путем кардиологи разработали небольшой имплантат, вживляемый внутрь грудной клетки пациентов, которые входят в группы риска, хотя идентифицировать таких пациентов по-прежнему сложно. Этот имплантируемый дефибриллятор, чуть больше кардиостимулятора, «прислушивается» к сердцебиению, ожидая, когда возникнет потребность в электрическом воздействии. Айдекер начал выстраивать научную базу, необходимую для того, чтобы разработка новых типов дефибрилляторов основывалась не только на опыте, но и на физических представлениях.

Почему к сердцу, ткани которого формируют взаимосвязанные разветвляющиеся волокна, ответственные за транспорт ионов кальция, калия и натрия, должны применяться законы хаоса? Этот вопрос ставил в тупик ученых в Университете Макгилла и Массачусетском технологическом институте.

Леон Гласc и его коллеги Майкл Гевара и Элвин Шрайер провели одно из наиболее обсуждаемых исследований во всей недолгой истории нелинейной динамики. В своих опытах они использовали крошечные конгломераты сердечных клеток, взятые у семидневных зародышей цыплят[378]. Эти скопления клеток, размером в одну двухсотую часть дюйма, после помещения их в чашку Петри и встряхивания демонстрировали самопроизвольное биение с частотой примерно раз в секунду при отсутствии каких-либо стимулов извне. Пульсация была хорошо видна в микроскоп. Следующий этап заключался в наложении внешнего ритма. Для этого ученые из Университета Макгилла использовали микроэлектрод – узкую стеклянную трубку с тонким наконечником, вставляемым в одну из клеток. Через трубку пропускался электрический ток, стимулирующий ритмичные сокращения клеток с силой и частотой, которые могли варьироваться по желанию экспериментаторов.

Ученые подвели итоги своим исследованиям в 1981 году в журнале Science следующим образом: «Причудливое динамическое поведение, которое прежде наблюдалось в математических задачах и экспериментах в области физики, может быть присуще и биологическим осцилляторам, подвергаемым периодическим возмущениям»[379]. Они наблюдали удвоения периода в пульсации клеток, происходившие снова и снова при изменении ритма внешнего стимула. Исследователи построили отображения Пуанкаре и отображения окружности, изучили перемежаемость и захват фазы в биениях сердца. «При возбуждении кусочка сердца цыпленка можно установить ряд различных ритмов, – замечал Гласc. – Прибегнув к нелинейной математике, мы способны вполне отчетливо представить этот эффект и характерные последовательности ритмов. В настоящее время в программу подготовки кардиологов практически не входит математика, но в будущем проблемы подобного рода станут рассматривать именно так, как сделали мы»[380].