Механическая модель системы с внутренней иерархической структурой.
Система дискретна (отграничена от среды), имеет внутреннюю структуру, иерархически сложна (состоит из элементов и субэлементов) и элементы ее подвержены случайному повреждению.
Общая механическая модель абстрактной механической системы с интересующей нас точки зрения может быть представлена следующим образом.
Во-первых, это некая отграниченная от внешней среды система – дискретная система. Дискретная природа системы дает нам возможность сделать первый общий вывод: о принципиальной смертности системы. Действительно, целостность Мира в целом дает бесконечное разнообразие внешних влияний на систему; сложная внутренняя структура системы дает также значительное число вероятных неблагоприятных влияний на нее в целом. Все это означает, что любая система имеет конечную устойчивость ко всей совокупности внешних и внутренних воздействий и, соответственно, ненулевую уязвимость (смертность). Это означает принципиальную смертность системы: даже не стареющая система имеет конечную вероятность погибнуть, то есть, «вечная юность» – это не бессмертие, а лишь гибель популяции с постоянной вероятностью. Такой процесс, носящий принципиально вероятностный характер, описывается типичным образом простой формулой, хорошо известной на примере радиоактивного распада: dX/dt = k*X, то есть, изменение числа имеющихся единиц системы (Х) пропорционально имеющемуся числу единиц в наличии и вероятности гибели (k). Принципиально важно, что средняя продолжительность жизни для популяции таких единиц (50% гибель начальной популяции) резко сдвинута влево, составляя всего лишь проценты от общего времени полного вымирания всей популяции (см. рисунок выше).
Вторым важным моментом общей механической модели является наличие внутренней структуры системы (см. рисунок выше) и различие таких внутренних структур. При наличии реально существующей иерархии структуры системы количество таких «структур внутри структуры» может быть различно для разных структур (узлы механической системы сами состоят из различных частей), вплоть до первичной структуры субстрата физико-химической природы, из которого состоят все материальные системы.
Применяя те же рассуждения, что и выше, о «нестарении» отдельных элементов структуры, мы придем к выводу, что из нестареющих элементов, тем не менее, состоит стареющая внутри себя система, так как со временем количество ее функциональных элементов, даже не стареющих, снижается по стохастическому закону. В таком случае выше приведенная формула стохастического («радиоактивного») распада применима уже к отдельным элементам системы, а функция системы (и ее жизнеспособность) будут пропорциональны оставшемуся числу элементов. Уязвимость, напротив, будет обратно пропорциональная жизнеспособности (m = 1/X), что дает в итоге при интегрировании знаменитую формулу Гомперца, предложенную им для описания старения живых систем почти 200 лет назад и остающуюся до настоящего времени наиболее точной:
m = exp (a t),
где «a» коэффициент степени экспоненты, а «t» – время.
Учитывая наличие внешней вероятности гибели системы, носящей постоянный характер – константа «A», мы придем к формуле ГомперцаМейкема:
m = exp (a t) + A.
Эта формула вполне адекватно отражает реальные процессы не только для биологической системы, для которой она была предложена, но и для механических систем: чем старше механическая система, тем чаще число отказов в ее работе. Следует отметить также, что это рассуждение касается любого иерархического уровня организации системы и реально существует вплоть до материального субстрата – молекул и атомов, которые также вступают в физико-химические реакции или подвержены внутренним изменениям в молекуле.
Единственное противодействие старению, как легко видеть из механической модели – это замена изношенного на новое. Идеальное решение, однако, пересадка на новую машину (не в машине дело, а в водителе. Соответственно, заметьте, мы говорим о себе: «я» и «мое тело», не отождествляя духовное Я с материальным носителем).
Частота ремонта (замены старых узлов на новые) определяет степень «поддерживаемого уровня старения», который может быть произвольным. Принципиально важными являются другие два момента.
Во-первых, невозможно в полной мере осуществлять ремонт всех структурных уровней сложной системы: имеются не заменяемые узлы (например, кузов машины), а также сам материальный субстрат подвержен необратимым изменениям на физико-химическом уровне (ржавление и механическое истирание).
Во-вторых, новые узлы не могут значительно отличаться от старых, что означает принципиальную ограниченность возможности развития и улучшения механической системы на базе нее самой. В реальности также мы видим конструирование новых лучших систем заново, а не на базе старой машины. Нельзя не видеть прямых аналогий с эволюцией живого: новые виды и индивиды формируются заново, а не путем бесконечного развития уже имеющегося индивида.
Наконец, важнейшим для рассмотрения судьбы систем в общем виде является известное положение о том, что процессу накопления энтропии можно противостоять лишь путем внешней энергии, которая только одна и может снизить энтропию системы в целом и обеспечивает ремонт, рост и развитие систем.
Важно, однако, понимать, что реально в любой системе в действительности идут все возможные процессы, которые реально и следует учитывать, когда речь идет об очень длительных периодах времени и очень сложных системах. Системный анализ, как современная научная методология, как раз и способен это делать.
В общем виде это звучит следующим образом. Процессы распада любой системы направляются законом повышения энтропии в ходе естественно происходящих процессов, что ведет к увеличению хаоса и снижению порядка в системе.
Единственная возможность противостоять процессам накопления энтропии – внешняя энергия. Для механической системы это означает просто ремонт ее за счет внешних сил и деталей.
Для биологической системы такой ремонт происходит внутри путем самокопирования, что компенсирует распадающиеся подсистемы. Внешняя энергия необходима для получения порядка из хаоса, но она действует в конкретных условиях, по конкретному плану – на основе информации биологических систем (развитие на основе генетики организма), и путем самокопирования имеющихся биомолекул и биоструктур. Энтропия противодействует этому процессу путем ошибок, которые с неизбежностью проявляются на всех и любых уровнях организации системы.
Ошибкам противостоит отбор (естественный отбор для вида и иммунные и другие механизмы внутри организма), однако, отбор также подвержен неизбежным ошибкам и дает лишь материал для эволюции системы (организма).
Практически, внутри организма невозможно достичь бесконечной эволюции и усложнения, как это имеет место для видов. Кроме того, ввиду самого существования организма как отдельной системы, организм принципиально смертен, и отбор и эволюция не имеют достаточно времени и необходимости (как и возможности) для формирования нестареющего организма, в котором внутри него полностью компенсируются все ошибки и происходит полноценная эволюция и дальнейшее бесконечное развитие. На деле неизбежно накопление ошибок, прекращение развития и снижение упорядоченности в целом, что и есть старение живых организмов.
Наиболее важным общим положением является то, что существование системы – это не стационарность и неизменность, а динамический процесс, находящийся в равновесии с внешней средой.
Биологические системы отличаются от механических лишь самовоспроизведением (то есть, «заменой» частей «изнутри»).
Принципиально важно, исходя из рассматриваемого, что не все иерархические уровни организации биосистем могут быть обновлены в полной мере (некоторые гены, субклеточные структуры, клетки и надклеточные структуры: альвеолы, нефроны, а также органы – зубы и пр. принципиально не способны воспроизводиться при повреждении) и становятся основой накапливающихся со временем повреждений структуры системы и причиной снижения ее функции.
Принципиально важно также, что причины повреждений структуры для каждой части системы различны и многообразны и не могут быть ликвидированы полностью путем самовоспроизведения. Так, например, возрастная эмфизема легких (типичный процесс старения) является результатом гибели альвеол, что, в свою очередь, определяется целым рядом случайных событий: молекулярные реакции (свободные радикалы и просто повреждения ввиду связанных с температурой хаотических реакций, самопроизвольные мутации различной природы, неспецифические неконтролируемые химические реакции и другие случайные физико-химические процессы, прямо вызывающие гибель клеток); клеточные процессы (снижение скорости клеточного самообновления); тканевые изменения (снижение скорости клеточного обновления альвеол, сосудов и пр.), атрофия, склероз альвеол различной природы; нарушения сурфактанта – схлопывание альвеол; нарушения вентиляции – застой и атрофия альвеол; воспалительные процессы – дегенерация альвеол; местные инфаркты, ишемия, дисплазии и т.п.; «засорение» альвеол внешними факторами (дым, пыль); нарушения центральной гемодинамики, иннервации и т.п.; аутоиммунные процессы и пр.; гипертрофия оставшихся альвеол и склероз погибших и т. д.
Таким образом, ни один конкретный механизм старения ни на одном уровне структуры организма не способен описать всю картину старения и не является единственной причиной старения. Это иллюстрирует основной гносеологический методологический закон: причина – не механизм, а принцип, сущность, тогда как механизмы – проявления причины. Таким образом, стохастическая гибель элементов системы является первым и основным глобальным механизмом старения для любой системы.