Представляю вашій увазі деякі авторські матеріали по використанню синергетики у біологічних дослідженнях. Це фрагмент мого реферату з філософіїї (у складі канд.мінімуму), зроблений з натхненням та любов'ю, тому при використанні його прошу використовувати посилання на цей допис та авторство (Ольга Маслова). Дякую.
З приводу вказаних посилань при потребі прошу звертатись до мене особисто - дам назви джерел.
Приклади використання синергетичної методології у біологічних дослідженнях
Осмислення закономірностей функціонування клітини (і в умовах культивування, і безпосередньо у складі організму як у нормі так і при патологіях) є ключовим завданням клітинної біології. Цитологи вже не одне століття займаються спостереженням та детальним описом усіх доступних для вивчення структур (велике значення у якості таких описів грають технічні можливості, наприклад роздільна здатність мікроскопа). З розвитком біохімії та молекулярної біології, почали детально вивчатись не лише «візуальні» деталі, а й процеси, що протікають у клітинах. Проте, дані, отримані різними науковцями про один і той самий об’єкт, не дозволяли скласти адекватну цілісну картину функціонування клітини та організму.
Найсучасніші вчені-біологи, що розуміють складність та багаторівневість регуляції та саморегуляції як на рівні молекул так і на рівні організму, звертаються до синергетичних підходів. Клітинна біологія сьогодні вже не розглядається як виключно описова та феноменологічно перенасичена наука, натомість клітина розглядається як складна система, що здатна до самоорганізації та самовідтворення. Для дослідження такої системи все частіше використовують міждисциплінарні підходи, активно впроваджують математичні методи. Такий підхід дозволяє по-новому оцінити накопичені масиви даних. Навіть, здавалося б, детально вивчені процеси, під новим кутом зору, отримують оновлене трактування.
Так, наприклад, в останні роки з’явився ряд публікацій у закордонних наукових журналах, що висвітлюють не відомі раніше аспекти різноманітних регуляторних механізмів клітини. Величезна кількість матеріалів присвячена синергетичним підходам до вивчення апоптозу (запрограмованої загибелі клітин), імунітету, клітинного циклу тощо. Усі ці явища ретельно вивчені на молекулярному рівні, але й до сьогодні існує ряд нерозв’язаних питань, що, вірогідно, будуть вирішені за допомогою саме синергетики.
Проблема регуляції клітинного циклу й особливостей тканинного росту є однією з найкритичніших у сучасній біології. Новітні теорії старіння також відзначають важливість процесів самооновлення клітин для підтримання організму в оптимальному стані. Складні багатоклітинні організми складаються з величезного числа елементів (клітин), що здатні до поділу. Вони складають різні тканини і органи, які ростуть і самооновлюються різними темпами. Таким чином, саме існування багатоклітинних істот залежить від налагодженості роботи надійних систем координації та взаємоузгодження клітинних поділів та процесів тканинного росту, знання механізмів яких досі є недостатнім. Розгляд процесів регуляції складних систем, що здатні до розвитку, в епоху постнекласичної науки проводиться з використанням нового адекватного теоретичного апарату – теорій самоорганізації, що активно розробляються у рамках синергетики і кібернетики.
Одним з найбільш загадкових явищ у житті клітини є сигнальна трансдукція. Саме ця складна взаємопов’язана система елементів є основою життєдіяльності клітини. Дана система є настільки складною, що існують лабораторії у відомих світових наукових установах, що вивчають молекулярні особливості лише одного сигнального шляху з сотень. Проте, заглиблюючись у деталізацію конкретного каскаду, часто втрачається його зв'язок з іншими та вплив на функціонування клітини загалом. Саме для таких досліджень напрочуд актуальним є використання синергетичної методології, що дозволить зробити певні узагальнення та винайти можливі закономірності протікання регуляторних процесів. У клітині поширені каталітичні цикли в яких пpодyкт однієї реакції зaпyскaє нaстyпнy. До таких циклічних перетворень належить aктивaція кaспaз під час aпоптозу, робота каскадів коагуляції крові, системa комплементу та ряд інших.
Фізіологи давно стикались з відсутністю пояснень закономірностей ряду давно описаних явищ. На допомогу їм також приходить синергетика. Ще у 1946 році було вперше опубліковано статтю Гехта «Synergetics – a possible hypothetical approach to better understanding of pathologic processes». Вона спричинила резонанс у наукових колах та дала поштовх до розвитку синергетичного підходу при вивченні проблем норми та патології. [17] Кенон ще у 1929 році висунув концепцію гомеостазу, що довгий час цілком влаштовувала фізіологів та медиків. Передбачалося, що зниження варіабельності фізіологічних параметрів відбувається завдяки спільній направленості усіх реакцій організму на зменшення відхилень будь-яких параметрів від певного значення, підтримання їх сталості у гомеостазі (стані стійкої рівноваги). У зв’язку з цим будь-який фізіологічний параметр після закінчення дії тих чи інших збурень мав би повертатися до свого вихідного рівноважного значення, а його варіабельність можна було б трактувати як наслідок флуктуацій зовнішнього впливу. У рамках гомеостатичної концепції наголошувалось, що послаблення сил організму хворобою або під час старіння повинно неминуче призводити до зростання флуктуацій, бо організму стає дедалі важче самотужки повертати параметри до рівноважних значень. У той же час, абсолютно інша картина проявляється при моніторингу багатьох важливих фізіологічних параметрів, зокрема, частотою дихання і серцевих скорочень, показниками електричної активності різних органів, електричною активністю мозку, артеріальним тиском, числом елементів крові тощо. Чітко виражена нерегулярність цих параметрів корелювала з фізіологічною нормою й відсутністю будь-якої патології. Більш того, зростання інтересу до проблеми варіабельності фізіологічних параметрів і їх можливого зв'язку зі станом здоров'я відбулося після повідомлення Голдбергер і Рігні про спостереження ними кореляції зниження флуктуацій серцевого ритму пацієнтів з ішемічною хворобою серця та ймовірністю "раптової смерті". [13]
Прикладом використання синергетичного підходу у сучасній біохімії можна вважати роботу «Stochastic bifurcation, slow fluctuations, and bistability as an origin of biochemical complexity», що демонструє розробку відносно простої теорії стохастичних біохімічних систем у динаміці. Нелінійні стохастичні біохімічні системи принципово відрізняються від класичних систем у рівновазі або у станах, що характеризуються відносною рівновагою. Відбуваються флуктуації згідно теорії Ейнштейна-Онзагера-Лакса-Кейзер. Показано, що індукована шумом бістабільність у цілому виникає з повільних коливань, і біфуркації відбуваються тоді, коли швидкість коливань зменшується. Так як рівноважний стан, у зв'язку з законами термодинаміки, повинен бути незалежним від змін у масштабі часу, біфуркації обов'язково будуть наслідком такого явища. Як приклад у вищевказаній роботі розглянуто три біохімічні мережі: саморегулюючі гени, стохастичні бінарні рішення і процеси фосфорилювання-дефосфорилювання циклу з кіназами, що здатні до флуктуацій. [19] Найсучаснішим інструментом для регенеративної медицини є стовбурові клітини. Джерелами цих клітин можуть бути як ембріони, так і тканини дорослих організмів. За останню декаду було отримано колосальну кількість даних про молекулярні особливості та шляхи функціонування цих клітин, проте й досі у цій темі залишається більше запитань, аніж відповідей. Але й для вивчення стовбурових клітин уже активно використовуються синергетичні підходи. Яскравим прикладом цього може слугувати одна з найновіших робіт у цій галузі: «More synergetic cooperation of Yamanaka factors in induced pluripotent stem cells than in embryonic stem cells». У ній йдеться про значно більший непередбачуваний вплив факторів при роботі зі стовбуровими клітинами, що були отримані при втручанні у клітину дослідником (з метою надання фібробластам плюрипотентних властивостей), порівняно з нативно стовбуровими ембріональними клітинами. [18]
Однією з найсуттєвіших складностей, що виникають при намаганні використовувати у клінічній практиці різні типи стовбурових клітин (особливо це стосується дорослих, так званих мезенхімальних стовбурових клітин, отримання яких не провокує морально-етичних дискусій, адже відбувається без будь-якої шкоди) є мультиплікація культури клітин in vitro. В організмі усі типи клітин знаходяться під впливом точної ієрархічної взаєморегуляції. У момент виділення з певного органу, клітини підлягають стресу та змінюють ряд своїх морфофункціональних характеристик. Протягом культивування у штучних умовах (культуральний пластиковий посуд, рідкі поживні середовища, відсутність різнорівневої регуляції тощо), клітинний матеріал починає набувати нових, не властивих йому в умовах функціонуючого організму, ознак. Внаслідок цього постає питання – чи можна вводити такий кардинально змінений матеріал до організму (власного при аутологічній та чужого при алогенній трансплантації)? Адже, з новими якостями, такі клітини можуть спричинити певні парадоксальні ефекти. Саме тому біологи та медики активно намагаються зменшити впливи людини (дослідника) на той матеріал, що має зберегти свій нативний мультипотентний стовбуровий стан.
До постановки цієї проблеми причетна і синергетика. Згадуючи факт, що у точці біфуркацій нелінійна система є надзвичайно вразливою до будь-яких, навіть найменших зовнішніх поштовхів, а також про ймовірність накопичення незначних впливів, можна зробити припущення, що культура клітин (як сукупність елементів, що пройшли стресорний етап), навіть при створенні якнайбільш оптимальних умов для життєдіяльності поза організмом, знаходиться у стані, коли сам факт проведення певних маніпуляцій ззовні (людиною) може стати критичним та необоротно змінити ряд внутрішньоклітинних патернів. Це, у свою чергу, може призвести до непередбачуваної поведінки стовбурових клітин при поверненні у мікрооточення в організмі.
Необхідно, також, враховувати схильність людини припускатися помилок [6]. Якщо у певних, абстрактних, дослідженнях, помилка вченого не приносить шкоди нікому окрім самого вченого, то така робота з матеріалом, що несе певне аксіологічне та етичне навантаження, має бути додатково попередньо розпланована з урахуванням багатьох можливих варіантів, з метою уникнення завдання потенційної шкоди пацієнту.
0 коментарі:
Дописати коментар