Дисипативна регуляція

Нові підходи до розуміння механізмів регуляції в організмі людини

Вступ

Функціонування живого організму та підтримання динамічної стабільності його гомеостазу забезпечується регуляторними системами. Традиційно до таких систем відносять нервову і гуморальну системи регуляції. Ці системи глибоко інтегровані між собою. Тому часто їх навіть об’єднують під загальною назвою нейрогуморальної регуляції. До регуляторних сигналів, що виконують комунікаційну роль безпосередньо в цих системах, відносять: у гуморальній системі — сигнальні молекули (біохімічні речовини), а в нервовій системі — нервові імпульси (електричні сигнали). Нервова система здійснює достатньо швидку регуляцію. Гуморальна система є більш інерційною, ніж нервова.

Механізми регуляції в організмі людини

Огляд існуючих уявлень про регуляцію

Багато наукових досліджень і отримані результати вказують на те, що регуляторні принципи і механізми цих двох систем не в повній мірі описують властивості і процеси, що відбуваються в живих системах.

У історично сформованому контексті опис динамічних властивостей і процесів матерії зводиться до визначення ієрархічних структурних взаємодіючих одиниць і результату їх структурних перетворень за участю енергії. Третій, дуже важливий учасник подібних перетворень і взаємодій — «інформація» — як правило, не враховується. У найкращому випадку роль «інформації» приписується виключно самим структурним компонентам матерії, наприклад, таким як різні гормони, ферменти … Саме на цьому етапі відбувається підміна, а можливо — нерозуміння істинного глибинного змісту і ролі інформації при таких взаємодіях і перетвореннях. У зв’язку з цим роль і значення триєдності «речовинаенергіяінформація», які сукупно визначають закон збереження енергії, у біології залишаються розмитими і обмеженими. Незважаючи на це, закони і постулати синергетики, як науки про самоорганізацію матерії, сприймаються як щось абстрактне, не маючи прямого відношення до реальних процесів, що протікають у матерії «тут і зараз». Тим не менш, структурнофункціональна обумовленість перетворення і, як результат, змінені властивості матерії вважаються очевидними.

Вплив «інформації» як регуляторного принципу

Відсутність у біології і медицині розуміння об’єкта рецепції інформації та матеріального суб’єкта (фактора) інформації не дозволяє визначити саме поняття «Інформація». Ситуація,яка склалася також не дозволяє прийняти факт того, що «інформація» є невід’ємним і, по суті, обов’язковим учасником будьякої взаємодії і перетворення в матерії. Таке становище в природничих науках (біології, медицині…) існує давно і не знаходить не лише відповідного рішення, а навіть необхідності постановки питання для його вирішення. У той же час, в інших галузях науки, на перший погляд далеких від біології і медицини (таких як лазерні технології, гідродинаміка, атмосферні процеси, хімічні перетворення, реакції складних молекул, процеси в космосі і навіть соціальні явища) всі ці процеси самоорганізації і, нерозривно пов’язана з ними «інформація», є одним із ключових факторів, що визначають поведінку і розвиток складних процесів у перерахованих наукових напрямках.

Тут процеси самоорганізації розглядаються як процеси переходу від менш впорядкованого стану до більш впорядкованого на основі «принципу колективності». Де кількість учасників системи (процесу), їх колективна, узгоджена поведінка, взаємодія відображаються у формуванні нових (набутих) зв’язків і властивостей цілісної системи. А самі процеси і поведінка колективних суб’єктів (учасників) процесу підпорядковані математичним закономірностям. Колективні учасники нового динамічного стану, при мінімальних енергетичних витратах, проявляють підвищену узгодженість (синхронність) і чутливість (сенсибілізацію), як реакцію на зовнішні впливи. Синергетика є наукою, що досліджує самоорганізацію складних систем і процесів, об’єднуючи різні міждисциплінарні напрямки. Причому ці складні системи і процеси є дисипативними, тобто обмінюються з зовнішнім середовищем речовиною, енергією, інформацією. Ці системи перебувають у стані динамічного хаосу і здебільшого процеси в них є стохастичними (випадковими), недетермінованими. Однак ці системи у своїй поведінці виявляють кореляційні зв’язки і закономірності, які підпорядковані відомим як фізичним, так і математичним законам. Важливою складовою динамічних станів і процесів у дисипативних системах є середовище, яке не лише об’єднує елементи системи, але й значною мірою визначає властивості і еволюцію цієї дисипативної системи.

Дисипативні системи в регуляторних процесах організму

Ключовою властивістю середовища в дисипативних системах є постійна флуктуація (коливання, вібрація). Процеси та елементи системи, в яких присутня вібрація, флуктуація (варіабельність) — самосинхронізуються й самоорганізовуються. Без об’єднуючої основи (середовища) синхронізація була б неможливою.

Водночас ці перелічені фактори: зміна властивостей середовища, енергія та інформація, внесені до дисипативної системи, здатні порушити існуючу в ній синхронізацію і самоорганізацію. Відповідно, дисипативна система може втратити властивості, що були їй притаманні як єдиному узгодженому динамічному об’єкту. Сучасне завдання синергетики — з’ясування законів поведінки дисипативних систем у масштабах мікросвіту. Важливою віхою в цьому напрямі стало вивчення і відкриття властивостей супрамолекулярних систем, які є частиною складних дисипативних систем живого світу. До таких систем належать молекули геному, органели, клітини тканин, де невід’ємним учасником кожної з цих систем є об’єднуюче їх середовище. Встановлено, що ці супрамолекулярні системи мають високоспецифічні властивості і, зокрема, здатні розпізнавати одна одну, переміщуватися, здійснювати різні перетворення у взаємодії з іншими молекулами. При цьому вже можуть утворюватися різні молекулярні ансамблі, що мають нові функціональні властивості, характерні для біологічних систем. Вважається, що супрамолекулярні системи — це місток між живою і неживою матерією. Вважається, що супрамолекулярні системи є мостом між живою та неживою матерією. Групі вчених — Дональду Джеймсу Краму, Жану-Марі Лену та Чарльзу Педерсену — у 1987 році було присуджено Нобелівську премію «За розробку та застосування молекул зі структурно-специфічними взаємодіями високої вибірковості». Природа використала супрамолекулярні системи для створення біологічних систем. Постає питання: що в цих складних молекулярних системах із специфічним властимостями, є точкою прикладання, тим самим «рецептором», здатним реагувати на флуктуючі умови середовища і взаємодії подібних молекул (елементів системи)? Коли молекулу розглядати як динамічну, просторово організовану хімічну структуру, слід звернути увагу на її внутрішні конформаційні молекулярні складові, такі як іонні зв’язки між атомами та кути, під якими ці атоми розташовані один до одного. Відомо, що при однаковому хімічному складі молекули за різних властивостей середовища і зовнішніх впливів, ці іонні зв’язки та кути здатні змінюватись. При цьому, із зміною конформації молекули, змінюються властивості самої молекули. Невід’ємним учасником таких змін у живих середовищах є різні похідні молекули води, що беруть участь у гідратації багатьох молекул, зокрема білків. Але не менш важливо, що іонні зв’язки й кути в молекулі можуть не лише змінювати свої розміри, але й, через середовище свого знаходження, дистанційно (нелокально) синхронізуватися з подібними іонними зв’язками та кутами в інших подібних молекулах. При такій синхронізації виникає новий стан дисипативної системи, як новий «колективний — єдиний», із новими придбаними властивостями, притаманними тільки цій самоорганізованій системі. До таких нових придбаних властивостей слід віднести мінімальні енергетичні витрати системи на її внутрішні взаємодії і реакції та стабілізацію, що проявляється у підвищеній узгодженості (синхронності) та чутливості (сенсибілізації) до зовнішніх впливів. Сформований новий стан системи виникає одночасно з участю всіх її компонентів. Такий новий стан системи несе в собі новий регуляторний (інформаційний) сигнал, комплементарно значущий для інших рівнів каскадної взаємодії та регуляції. Причому дисипативний характер регуляторного сигналу формується уніфіковано для всієї дисипативної системи при мінімальних зовнішніх впливах. А сама дисипативна система виконує функцію «приймача», перетворювача (здійсюючого зміну інформаційної щільності регуляторного сигналу) і «ретранслятора». Розглянемо приклад внутрішньоклітинної регуляції. На цьому рівні регуляція відбувається не лише за принципом взаємодії «рецепторліганд», але й за принципом одночасної ретрансляції сигналу ліганда (наприклад, гормона) на всі однотипні клітинні рецептори. І цим ретранслятором є дисипативне середовище «рецепторліганд» і позаклітинний матрикс (ПКМ). Причому в цьому процесі гуморальна і дисипативна регуляція діють разом. Порушення дисипативної регуляції неминуче веде до зміни гуморальної регуляції за принципом позитивного чи негативного зворотнього зв’язку. Причому в одному і тому ж середовищі (ПКМ) одночасно може функціонувати багато дисипативних систем, не заважаючи одна одній. Принцип «невтручання» заснований на відмінностях поляризаційних властивостей дисипативних систем.

Сприйняття і передача регуляторної інформації

Важливо відповісти на питання: що лежить в основі сприйняття, зчитування, розповсюдження й знищення регуляторної інформації, що постійно надходить зовні?

Позаклітинний матрикс, як і протоплазматичний (внутрішньоклітинний), є складно організованою анізотропною молекулярною структурою. Матрикс може перебувати в двох основних станах — золь або гель. Золь — це мінімально впорядкована фаза матриксу, яка характеризується максимальною ентропією (максимальним хаосом, розрізненістю зв’язків). У фазі золю відбуваються механізми дифузійного переносу та взаємодій. Швидкість дифузії речовин у золі у 10 мільйонів разів (на 7 порядків) вища, ніж у гелі. Гель утворюється завдяки зв’язуванню молекулами білка або інших колоїдних структур великою кількістю іонних похідних молекул води. Фаза гелю — це високо структурована фаза. Саме в ній ПКМ має мінімальну ентропію (низький хаос) та високу узгодженість (синхронізацію зв’язків). Система реагує на мінімальні енергетичні флуктуації саме в цій фазі. Саме тут реалізується механізм дисипативної регуляції і взаємодії. Це означає, що в фазі гелю дисипативна система перетворює та передає інформаційний регуляторний сигнал всім комплементарним рецепторам. Таким чином, сприйняття, зчитування, розповсюдження і, загалом, ретрансляція регуляторного сигналу відбуваються в фазі гелю. А у фазі золю відбувається скидання інформаційного стану дисипативної системи. Автоколивальний характер ритму «зольгель переходів» забезпечує каскадний характер інформаційної регуляторної взаємодії. Співвідношення ритмів «золь-гель переходів» змінюється під впливом різних факторів, у тому числі патологічних процесів, що зачіпають ПКМ (позаклітинний матрикс) конкретної тканини. Ця обставина вносить суттєвий вклад у динаміку і характер розвитку захворювань. Важливо зазначити, що передача регуляторної інформації за каскадним принципом також здійснюється між комплементарними дисипативними системами. Дисипативна інформація ПКМ транслюється на дисипативну систему рецепторів. Якщо ПКМ, як «передавач» і «транслятор», працює максимально ефективно, то «ефективна площа антени приймача» потрібна менша. Цю роль «антени» на мембрані клітини колективно (дисипативно) виконують однотипні рецептори. Причому, їхня синхронізація забезпечує максимальну ефективність «приймальної антени». Якщо рецептори, з якихось причин, не синхронізовані, то для забезпечення достатності прийнятого сигналу необхідна більша кількість подібних рецепторів і сильніший (за інформаційною щільністю) зовнішній сигнал із ПКМ. Подібні регуляторні взаємозв’язки, аналогічні принципам прийому-передачі, можуть спостерігатися в реальних фізичних процесах живої матерії.

Завершальні зауваження

Міжорганна та функціональна синхронізація і дисипативна регуляція здійснюються через гуморальні структури (кров, лімфу). Нейрональні структури також функціонують за участі дисипативної регуляції. Так, нейрональний електричний імпульс долає синаптичну щілину у фазі «золя», а фаза «геля» для нього є «ізолятором». Стан «золь-гель переходів» у нейрональних процесах суттєвим чином відображається на найрізноманітніших станах і процесах живого організму. Таким чином, система дисипативної регуляції є суттєвою нарівні з нейрональною та гуморальною системами регуляції. Більше того, порушення фізіологічних механізмів дисипативної регуляції обов’язково відображається і на двох інших. Виникає цілком резонне питання: про необхідність розгляду підходів і принципів створення та реалізації тих чи інших засобів для фізіологічної нормалізації й відновлення дисипативної регуляції — нарівні з гуморальною і нейрональними системами. Розгляд цього питання ми продовжимо в наступних публікаціях.

Відомості про авторів

Dr. Igor Orzhelskyi, науковий директор CME Swiss AG, Швейцарія, e-mail: orzhelskyi@cmeswiss.com