Временнáя структура биосистем и биологическое время - Марина Чернышева

В целом, возможность одновременного генеза информации и эндогенного времени в сенсорных структурах и метаболических процессах, а также роль эндогенного времени и в генезе информации подчеркивают взаимосвязь времени, информации и метаболизма в биосистемах.

1.3. Природа и свойства биологического времени

Поскольку генез информации в сенсорных структурах организма, ее время-зависимое кодирование, проведение по нервным путям, фиксация и декодирование (извлечение из памяти) являются временны́ми процессами, энергетически зависящими от метаболизма, эндогенное (биологическое) время можно выразить через равенство:

Т = (Еinf + Еd)/ m, (1)

где Einf – энергия, сопряженная с процессингом информации (в кал или дж), Ed – энергия, диссипатировавшая при этом в тепловую, m – коэффициент, отражающий интенсивность метаболизма в единицу времени (кал/сек или дж/мс и т. д.).

Из выражения (1) следует, что рост интенсивности метаболизма и/или уменьшение объема информации приводит к ускорению биологического времени, тогда как увеличение объема новой информации, напротив, замедляет его.

Другим следствием является то, что время не тождественно информации, но они могут изменяться параллельно, однако не всегда сходно. В случае живых организмов этот тезис иллюстрирует соотношение времени и информации при хранении последней в памяти: время и информация частично диссоциированы друг от друга, время выступает лишь в роли маркера блоков информации на определенном отрезке «стрелы времени» онтогенеза. Это хорошо согласуется с функциями «нейронов времени» («time cells») в гиппо-ампе, структуре головного мозга, связанной с механизмами памяти: среди нейронов поля СА1 у обездвиженных крыс с фиксированной головой такие нейроны отслеживают время появления «выученного» сигнала (запаха), другие – контролируют текущее время фактически диссоциированно от пространства (MacDonald et al., 2013).

Вместе с тем, выражение (1) позволяет связать длительность времени как универсальную константу, отражающую ход времени (Козырев, 1989), и сопряженные переменные параметры: объем информации (Чернышева, Ноздрачев, 2006), обусловливающий длительность ее процессинга, соответствующие затраты энергии и значение Еd, а также интенсивность метаболизма. Для косных тел (например, для монолита гранита) выражение (1) также можно считать справедливым, поскольку воздействие извне как информационно значимый сигнал может отражаться, например, в микроизменениях кристаллической решетки гранита. Обмен веществ и энергии весьма замедлен (коэффициент m мал), тогда как Еd неограниченно растет, чем определяет значительную длительность времени существования монолита (Т), будучи существенно больше Einf, что и отличает подобное косное тело от живых организмов.

Это соответствует представлениям Н. А. Козырева (Козырев, 1989) об активных свойствах субстанционального времени, а также созвучно идеям А.П. Левича (2004, 2008) о том, что субстанциоальное время является причиной изменчивости и обусловливает энтропийную параметризацию «системоспецифичного» времени. Логично предположить, что поток субстанционального времени запускает на уровне организма его референты, временны́е процессы, совокупность которых примем за эндогенное биологическое время. Это определяет наличие у субстанционального и биологического времен сходных свойств направленности и непрерывности. При этом временны́е процессы, генерируемые на разных структурных уровнях организма, и эндогенное время в целом обладают такими специфическими свойствами как последовательность (поскольку временны́е процессы могут запускать или тормозить один другой) и дискретность в силу возможного различия у разных временных процессов таких темпоральных параметров как латентность, длительность, скорость и плотность. Один из параметров, плотность эндогенного времени, требует пояснения.

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 переменного параметра времени. (Чернышева, 2008а).

В соответствии с выражением (1) очевидно, что в эволюции увеличение объема памяти и, соответственно, Einf и Ed не могло быть линейно бесконечным из-за роста длительности процессинга информации, больших энергетических затрат и опасности перегрева. Это согласуется с теорией лимита диссипации тепла у эндотермов (Speakman, Krol, 2010). Названных опасностей удалось избежать, в частности путем селекции незначимой информации и «свертки» или «уплотнения» информации в памяти в виде сенсорных и эффекторных стереотипов (Чернышева, 2008а). 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 или от рецепторов внутренних органов, мышц и сосудов, а также при извлечении информации из памяти происходит как процесс сканирования соответствующей эндогенной информации. Если информация обладает новизной, особенно значительной, то любой «сюжет», состоящий из ряда эпизодов, будет «прочитываться» полностью, последовательно, от эпизода к эпизоду, что увеличивает длительность процессинга. Если же информация известна, то узнавание ее и прочитывание может осуществляться по «ключевому» слову или эпизоду, т. е. по символам, характеризующим данный информационный стереотип. При этом значительно больший объем информации будет просмотрен за меньшее время, ускоренно, и с меньшими затратами энергии на ее процессинг. Следовательно, параметр плотности характеризует информационно-энергетическое наполнение времени и, в соответствии с выражением (1), увеличение плотности ведет к снижению энергетических затрат на процессинг информации (Einf и Ed) и к ускорению (уменьшению) эндогенного времени при относительно постоянном значении m. В силу сопряженности времени, информации и энергии взаимосвязаны также и стереотипы – информационные и временные. Примером таковых может послужить комплекс (фактически, сенсорно-временной стереотип) временных параметров электро-кардиограммы, по которым младенец узнает мать. Создание таких информационно/временных «стереотипов» разного срока хранения (в кратковременной, долговременной и буферной памяти) ускоряет извлечение информации при воспоминании, снижает энергетические затраты на ее считывание, а также улучшает различение информации, сопряженной с настоящим и прошлым временами. Следовательно, в эволюции рост плотности прошлого времени может быть одним из факторов увеличения объема памяти. Это также важно для ускорения ответных реакций на воздействия окружающей среды и повышения адаптивных способностей живых организмов. Важность информационно/временных стереотипов подтверждает основной принцип обучения – обучение стереотипам – сенсорным (лица, слова, шахматные партии и т. д.) или моторным (навыки ходьбы, письма, вождения и т. п.). Известны и врожденные стереотипы с генетически закрепленными временными параметрами, – например, саккады глаз, ритмы электрической активности головного мозга. Заметим, некоторые авторы рассматривают саккады глаз как «механизм уточнения времени в зрительном анализаторе» (Радченко, 2002), а характерный для гиппокампа тета-ритм – как фильтр полезного сигнала при вводе его в память и механизм отсчета внутренних интервалов времени. В пределах определенной висцеральной системы подобную роль могут играть врожденные информационно/временные стереотипии, такие как перистальтические сокращения пищеварительного тракта, дыхательный и сердечный циклы (Чернышева, Ноздрачев, 2006). В названых особенностях временных процессов и эндогенного времени проявляются характерные для системоспецифичного времени организма новизна и изменчивость (Левич, 2008). Для биосистем изменчивость отражает также свойство реактивности, которое является непременным условием существования живых организмов.

Глава II

Временная структура организма. Временные процессы

2.1. Характеристика временной структуры биосистемы

Как уже говорилось в разделе, посвященному феномену жизни (1.1.), живые организмы как открытые термодинамические системы для самосохранения в процессе гомеостатирования обмениваются с окружающей средой материей, энергией, информацией и, предположительно, временем. Трудно допустить, чтобы пребывающая в потоке субстанционального времени биосистема (от одноклеточных организмов до биоценоза) не могла бы сохранить свою «временнýю» относительную самостоятельность! Очевидно, что это возможно лишь при наличии у организма собственной временнóй структуры.