О ПЛОТНОСТИ ВРЕМЕНИ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

О ПЛОТНОСТИ ВРЕМЕНИ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

М.П. Чернышева

Термин плотность времени был введен Н. А. Козыревым (1985) как его переменный параметр, характеризующий активные свойства времени. Примечательно указание автора о возможности проявления плотности времени в биологических системах. Действительно, ряд известных в биологии феноменов и экспериментально установленных фактов подтверждают правомочность введения данного параметра времени.

Рассмотрим эти примеры с позиций представления об информационно-энергетической природе биологического времени (Чернышева, Ноздрачев, 2006) (Т), согласно которому Т = (E_inf + E_d)/m (1), где E_inf – энергия, сопряженная с кодированием, проведением, фиксацией в памяти информации или же c ее извлечением; E_d – та часть энергии, которая диссипатирует при этом в тепловую; m – значение мгновенной интенсивности обмена веществ и энергии в организме (или метаболизма, кал/с, кДж/с). Поскольку, согласно принципу Ле Шателье, в живом организме увеличение интенсивности метаболизма сопряжено с ростом энтропии, а информация выступает в роли негэнтропии в открытых термодинамически неустойчивых системах [Брюллиэн, 2006], то выражение (1) отражает взаимосвязь времени, информации, энергии и энтропии. Кроме того, оно позволяет связать длительность времени как универсальную константу, сходную с ходом времени (Козырев, 1991), и сопряженные переменные параметры: объем информации[1], обусловливающий затраты энергии на ее процессинг и значение E_d, а также мгновенную интенсивность метаболизма. По-видимому, плотность времени как переменный параметр должна быть с ними взаимосвязана.

Очевидно, что увеличение в эволюции объема памяти и, соответственно, E_inf и E_dне могло быть линейно бесконечным из-за роста длительности процессинга информации, больших энергетических затрат и опасности перегрева. Этих опасностей удалось избежать путем селекции незначимой информации и «свертки» или «уплотнения» информации в памяти в виде сенсорных и эффекторных стереотипов. Последние представляют собой совокупность «ключевых» признаков (символов), характеризующих информацию о знакомом, например, зрительном образе или поведенческой реакции.

Согласно представлениям современной нейрофизиологии восприятие мозгом информации об объектах окружающей среды (экзогенная информация, I_ex) или от рецепторов внутренних органов, мышц и сосудов, а также при извлечении информации из памяти[2] (эндогенная информация, I_end) происходит как процесс ее сканирования.

Если информация обладает новизной, особенно значительной, то любой «сюжет», состоящий из ряда эпизодов, будет «прочитываться» полностью, последовательно, от эпизода к эпизоду, что удлиняет обработку, проведение и кодирование (процессинг) информации. Если же последняя уже известна, то опознание ее и прочитывание может осуществляться по «ключевому» слову или эпизоду, т.е. по символам, характеризующих информационный стереотип. При этом значительно больший объем информации будет просмотрен за меньшее время и с меньшими затратами энергии на ее процессинг. Тогда, параметр плотности (d от англ. density) характеризует информационно-энергетическое наполнение времени. Следовательно, в соответствии с выражением (1) увеличение d ведет к снижению энергетических затрат на процессинг информации (E_inf и E_d) и к ускорению (уменьшению) Т.

В силу сопряженности времени, информации и энергии взаимосвязаны также и стереотипы – информационные и временные. Примером таковых может послужить комплекс (фактически, сенсорный стереотип) временных параметров электрокардиограммы, по которым младенец узнает мать. Создание таких информационно/временных «стереотипов» разного срока хранения (в кратковременной, долговременной и буферной памяти) ускоряет извлечение информации при воспоминании (т.е. при переводе ее в настоящее время), снижает энергетические затраты на ее «обратный» процессинг (считывание), а также улучшает в настоящем различение информации, сопряженной с настоящим и прошлым временами. Следовательно, в эволюции рост плотности прошлого времени может быть одним из факторов увеличения объема памяти. Это снижает энергетические затраты на процессинг информации, что важно для ускорения ответных реакций на воздействия окружающей среды, и повышает адаптивные способности живых организмов. Важность информационно/временных стереотипов подтверждает основной принцип обучения – обучение стереотипам – сенсорным (лица, слова, шахматные партии и т.д.) или моторным (навыки письма, вождения и т.п.). Кроме того, известны врожденные стереотипы с генетически закрепленными временными параметрами, – например, саккады глаз[3], ритмы электрической активности головного мозга. Заметим, некоторые авторы рассматривают саккады глаз как «механизм уточнения времени в зрительном анализаторе» (Радченко, ----2001), а характерный для гиппокампа (структуры мозга, связанной с механизмами памяти) тета-ритм – как фильтр полезного сигнала при вводе его в память и механизм отсчета внутренних интервалов времени, что подтверждено экспериментально (Водолажская, 1998). В пределах таймера определенной висцеральной системы подобную роль могут играть врожденные информационно/временные стереотипы такие как перистальтитические сокращения пищеварительного тракта, дыхательный и сердечный циклы (Чернышева, Ноздрачев, 2000).

Известно, что у человека парные полушария головного мозга принимают разное участие в формировании чувства настоящего, прошлого и будущего времени. В частности, клинические исследования показали, что правое полушарие связано с настоящим и прошлым временами, а левое – с настоящим и будущим (Брагина, Доброхотова, 1988; 1994, и др.). Это обусловлено спецификой взаимосвязанных функций полушарий. Правое полушарие характеризуется более высоким уровнем метаболизма, более конкретным и подробным восприятием информации (что важно для памяти, т.е. прошлого времени), склонностью к ее обобщению, – основы для образного типа мышления, а также способностью к выявлению новизны. Для левого полушария характерна склонность к счету, абстрактному мышлению, оперированию символами (математическими, лингвистическими и т.п.), бóльшая роль в восприятии и реализации речи, логически-последовательный типа мышления. Очевидно, что выявление новой информации, возможное при сравнении ее с хранящейся в памяти (о прошлом), обусловливает роль правого полушария в определении точки отсчета настоящего времени как времени обработки новой информации. Логически-последовательный тип мышления левого определяет его значение для определения длительности настоящего и построения абстрактных схем будущего времени в соответствии с их свойствами (Чернышева, 2005; Чернышева, Ноздрачев, 2006). Вместе с тем, функции левого полушария обеспечивают его роль в выделении и восприятии ключевых слов, эпизодов и других символов, а также их считывании из памяти. Способность к обобщению правого полушария должна обусловливать его ведущую роль в «уплотнении» информации в процессе ее кодирования и фиксации в памяти, т.е. в прошлом времени, однако не исключает, как это показывают многие исследования, его участия в считывании информационно/временных стереотипов. Известно, что информация, извлеченная из памяти (воспоминания), может быть схематична (в виде набора ключевых символов, эпизодов, т.е. «стереотипа») или развернута, со многими подробностями. Можно предположить, что в правом полушарии существует механизм различения этих двух видов считывания информации. На это указывают данные клиники о возможности одновременного «переживания» текущего настоящего и событий прошлого времени у людей с поражениями правого полушария (Симонов, 1994). По-видимому, это может быть связано с нарушениями механизма «уплотнения» информации/времени в памяти, что затрудняет процесс различения в настоящем новой информации (особенно, если ее d , т.е. стереотипность, велика) и извлеченной из прошлого времени с малыми значениями плотности. Конкретно это может быть связано с поражением тормозных систем мозга, селектирующих незначимую информацию и, таким образом, способствующих ее «уплотнению».

В норме неравномерность субъективного (точнее, индивидуального) времени (Тs) также может быть обусловлена дискретностью значений его плотности. Так, примем

Тs = Т_ex – Т_end, (2),

где Т_ex– время, сопряженное с экзогенной информацией, а Т_end – с эндогенной. При этом Т_end равно сумме времени, сопряженного со считыванием информации из памяти, и времени процессинга текущей информации от рецепторов внутренних органов, сосудов и мышц (Чернышева, Ноздрачев, 2006). Значения d для Т_end и для Т_ex не равны, особенно в условиях значительной новизны внешней информации, когда последняя «прочитывается» полностью и d_ex уменьшается, а Т_exувеличивается. При этом Т_end, в силу большего числа стереотипов для информации, хранящейся в памяти и поступающей от рецепторов внутренней среды организма, уменьшается при росте его d_end. Соответственно Тs возрастает (замедляется), что имеет место на стадии ориентировочной реакции при стрессе новизны. В привычной, стереотипной обстановке d_ex может быть достаточно высока, что может так же, как и в предыдущем случае, приводить к отрицательным значениям Тs, т.е. к его ускорению. Следует заметить, что величина Т_end, определяемая временной структурой организма[4], имеет не только индивидуальные, но и видовые составляющие.

Так, по мнению Б.С. Кулаева (2006) основным эндогенным таймером является сердце, а интервал между зубцами Р–Р электрокардиограммы составляет условную «секунду», имеющую для разных видов позвоночных разную длительность, число же сердечных циклов определяет длительность онтогенеза[5]. Действительно, согласно закону Рубнера, уменьшение массы тела сопряжено с увеличением интенсивности метаболизма, которая в значительной степени обусловлена высокой частотой сердечных сокращений и дыхательных циклов, что ведет к уменьшению продолжительности жизни (онтогенеза). Классический пример – сравнение названных параметров у мыши и слона. Добавим, что это свидетельствует об уменьшении Т_end не только субъективно, но и объективно.

В соответствии с представлениями Н.А. Козырева[6] (1985) у отдельного индивида переменный характер параметра плотности времени и взаимосвязь его роста с увеличением обобщенной энтропии организма иллюстрируют сходные физиологические процессы, запускаемые на быстроволновой фазе сна и на первой стадии ответа организма на стресс, тогда как на предыдущих стадиях плотность времени и уровень энтропии снижены. В обоих случаях при увеличении плотности времени ускоряется и Тs. Один из конкретных механизмов влияния активности физиологических систем и увеличения уровня метаболизма на Тs был выявлен экспериментально при изучении роли адренергической[7] иннервации основного органа метаболизма – печени – в ускорении активации в ее клетках так называемого «механизма часовых генов» (clock-генов) (Terazono e.a., 2003). Последний обеспечивает околосуточные ритмы активности как внутренних органов (т.е. Т_end), так и связанных с сетчаткой глаз структур мозга (Арушанян, Бейер, 2000) (т.е. воспринимающих Т_ex,).

Предложенная интерпретация переменного параметра плотности времени для случая живых организмов, т.е. открытых неравновесных термодинамических систем, позволяет, на наш взгляд, подтвердить правомочность его введения Н.А. Козыревым в науку о времени. Кроме того, параметр плотности времени в данном толковании позволяет трактовать взаимосвязь времени и энтропии при стрессе, а также в механизмах сна и памяти в соответствии с представлениями Н.А. Козырева.

Литература

1.Арушанян Э. Б., Бейер. Э. В. Супрахиазматические ядра гипоталамуса и организация суточного периодизма. // Хронобиология и хрономедицина. – М.: Триада-Х, 2000.– С. 64–79.

2. Брагина Н.Н.Функциональные асимметрии человека/ Н.Н. Брагина, Т.А Доброхотова.– М.: Медицина,1988.– 211c.

3. Брагина Н.Н Проблема «Мозг-сознание» в свете современных представлений о функциональной асимметрии мозга/ Н.Н. Брагина, Т.А Доброхотова// Мозг и разум. М.: Наука.–1994. –C. 45–55.

4. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация.-М.:КомКнига, 2006.–272 с.

5. Водолажская М.Г. Участие СХЯ, эпифиза и ГПК в механизмах внутреннего отсчета интервалов времени у крыс// Тез. .XVII-го съезда физиологов России. Ростов-на-Дону. – 1998.– с.342.

6. Козырев Н. А. О воздействии времени на вещество // Физические аспекты современной астрономии. Проблемы исследования Вселенной. Вып. 11. Л.: Наука, 1985. С. 82–91.

7. Козырев Н. А. Причинная механика или несимметричная механика в линейном приближении. Избранные труды. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. С. 232–287.

8. Кулаев Б.С. Эволюция гомеостазиса в биологическом пространстве–времени. М.: Научный мир.–2006.–229с.

9. Мостопатенко К.В. Избранные труды/ К.В. Мостопатенко.– М.: Наука, 2004.–544c.

10. Радченко А. Н. Межуровневые отношения в нейронной памяти: внесинаптическая рецепция медиаторов, потенциация, спонтанная активность // Успехи физиол. наук. 2002. – Т. 33.– № 1.– С. 58–76.

11. Симонов П.В. Мозг и творчество/ П.В. Симонов// Мозг и разум. М.: Наука.–1994.–С.75–90.

12..Чернышева М.П. О специфике свойств биологического времени //http://www.chronos.msu.ru Труды Семинара Института исследования проблем времени при МГУ. 2005.

13.Чернышева М.П. Висцеральный таймер и чувство времени /М.П Чернышева, А Д. Ноздрачев // Тез. ХХХ-го совещания по проблемам высшей нервной деятельности, посвященного юбилею И. П. Павлова. СПб.–2000.–SO1–S03.

14. Чернышева М.П., Ноздрачев А.Д. Гормональный фактор пространства и времени внутренней среды организма.– СПб.:Наука, 2006.– 296 с.

15. Шихобалов Л.С. Причинная механика Н.А. Козырева: анализ основ// Н.А. Козырев. Избранные труды. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991.– С. 410– 431.

16.Terazono J.K. Adrenergic regulation of clock gene expression in mouse liver//PNAS, 2003.–V. 100.–p.6795–6800.