Время в нас и время вне нас

Если подойти с должным уважением к попыткам доисторического человека познать окружающий мир, пружины его развития и изменения, то надо признаться, что время изучали всерьез всегда: в доплсменных пещерах; в первых общинах, где началось разделение труда; в ранних аграрных государственных формациях; в развитых системах торговых городов; в индустриально развитых странах с высоким потенциалом науки; в наш век атомной энергии, ЭВМ и выхода в космос.

В древних Месопотамии, Шумере, Индии, Египте знали о цикличности течения процессов. Грек Платон видел во времени «движущийся образ вечности»; Аристотель— свойство движения; римлянин Лукреций в своей знаменитой поэме «О природе вещей», являющейся энциклопедией знания своего века, писал:

Также и времени нет самого по себе, но предметы

Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось,

Что происходит теперь и что воспоследует позже.

И неизбежно признать, что никем ощущаться не может

Время само по себе, вне движения тел и покоя.

Великий энциклопедист эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, знавший и умевший все, что знали в ту эпоху, и еще многое сверх того, провел анализ представлений свойств времени и нашел, что «хотя время и причисляют к непрерывным величинам, однако оно, будучи невидимым и бестелесным, не целиком подпадает власти геометрии, которая делит видимые и телесные вещи на фигуры и тела бесконечного разнообразия. Время совпадает только с первыми началами геометрии, то есть с точкой и линией: точка во времени должна быть приравнена к мгновению, а линия имеет сходство с длительностью известного количества времени. И подобно тому как точки — начало и конец линии, так мгновения— граница и начало каждого данного промежутка времени. И если линия делима до бесконечности, то и промежуток времени не чужд такого деления. И если части, на которые разделена линия, соизмеримы друг с другом, то и части времени будут друг с другом соизмеримы».

Рассуждая о природе, жизни и смерти, Леонардо да Винчи пишет: «О время, истребитель вещей, и старость завистливая, ты разрушаешь все вещи и все вещи пожираешь твердыми зубами годов мало-помалу, медленной смертью. Елена[33], когда смотрелась в зеркало, видя досадные морщины своего лица, содеянные старостью, жалуется и думает наедине, зачем два раза была похищена».

В этих и других высказываниях делались попытки понять-свойства времени на интуитивном уровне, словесно описать их. Возможностями исследовать свойства самого времени мыслители не располагали. Время, в лучшем случае, оказывалось всего-навсего служанкой, выполняющей работу в уравнениях точных наук.

Только к концу XIX — началу XX века появились наконец технические возможности изучать время, да и человек психологически созрел до того, чтобы приступить к этому изучению.

Начало научному подходу к исследованию времени было положено немецким философом И. Кантом и французским философом А. Бергсоном еще в XIX веке.

Иммануил Кант говорил о времени как о сложном предмете рассмотрения, состоящем из трех «модусов» — последовательности, сосуществования и устойчивости. Таким образом, Кант рассматривает время и как последовательность ряда значений, и как совокупность всего существующего, и как величину. В таком рассмотрении время оказывается уже не одномерным, а как бы двух или трехмерным явлением.

Что касается Анри Бергсона, то он в 1889 году, задолго до того, как Пуанкаре и Эйнштейн выдвинули теорию относительности, выступил против понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Им было предложено представление о времени как о потоке событий. Для Бергсона внешняя реальность подвижна. Никаких «готовых» вещей нет, существует все в процессе развития и неустойчивого, изменяющегося состояния. Имеется реальное пространство без длительности, в котором все явления появляются и исчезают одновременно с изменением состояния сознания человека. Имеется реальная длительность, разнородные моменты которой взаимно проникают друг в друга, но так, что каждый момент ее может быть сопоставлен с одновременным с ним состоянием внешнего мира и тем самым уже отделен от внешнего мира. Из сравнения этих двух реальностей возникает заимствованное у пространства символическое представление длительности, которая принимает таким образом мнимую форму однородной среды. Соединительной чертой между пространством и длительностью служит одновременность, которую Бергсон определяет как пересечение времени с пространством.

Вот это «бергсоновское время» — время процесса, а не покоя — и положено в основу современных физических представлений, а также представлений в биологии. Сегодня в физике и философии рассматриваются две взаимодополняющие концепции времени (в смысле принципа дополнительности Бора). Первая пара является дополняющей для понятия природы времени. Время по одной концепции есть такая же субстанция, как пространство или вещество (субстанциальная концепция). Время по другой концепции есть отношение (система отношений) между физическими событиями (реляционная концепция).

Вторая пара является дополняющей для понятия отношений категории времени и категории бытия. События прошлого, настоящего и будущего, согласно одной концепции, существуют реально и даже в некотором смысле одновременно, важен момент осознания явлений и материальных объектов, появление и исчезновение которых иллюзорно (статическая концепция); по другой концепции, реально существует только настоящий момент, событий прошлого уже нет, события будущего еще не наступили (динамическая концепция).

Далее выделяется несколько классов (типов) времени:

абстрактное (представляемое);

физическое (измеряемое с помощью тех или иных механизмов или за счет наблюдения периодических явлений природы);

метрическое (отвлеченное) математическое время, матрица для пересчетов между физическим и релятивистским временем;

релятивистское время (время теории относительности);

биологическое время (время живых организмов).

Детальное изучение времени началось тогда, когда были сконструированы приборы точного измерения его отрезков. Их создали на основе развития астрономических знаний о Земле как небесном теле, о Солнечной системе, Галактике и на основе успехов физики.

Человечество научилось очень точно мерить время течения процессов как в самом человеке, так и вне его, во всей Вселенной, поскольку часы, употребляемые астрономами, суть не что иное, как совокупность всей Солнечной системы.

В нашу задачу не входит изложение техники этих измерений, достаточно только напомнить, что новым эталоном времени стали атомные часы[34], что созданы различного типа электронные секундомеры, разрешающие измерять малые промежутки времени. Это позволило изучать атомные и ядерные процессы, протекающие за миллионные, миллиардные и биллионные доли секунды. Наконец, люди научились в некоторых случаях как бы изменять временные масштабы. Сверхскоростная киносъемка с последующим медленным воспроизведением всего происшедшего разрешает рассмотреть ход сверхбыстрых процессов (включая взрывы), а съемка замедленная с последующим ускоренным воспроизведением— процессов медленных (включая рост и развитие).

Эти технические возможности обеспечили измерение скорости самых различных процессов и сравнение этих скоростей между собой.

Что касается астрономии, то ее успехи в изучении двойных звезд разрешили многое узнать о природе гравитационных волн, то есть излучений, которые па земном шаре проявляются в виде силы тяжести. Согласно общей теории относительности, гравитационные волны представляют собой поперечные волны кривизны пространства— времени, которые могут существовать вдали от гравитирующих масс и распространяться со скоростью света. Под их воздействием тела испытывают деформации так называемого приливного типа — растяжение и сжатие. Силы гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю вызывают как вынужденные колебания оси вращения Земли, так и приливные деформации земного шара. Луна находится ближе к Земле, чем Солнце, и приливы от нее вдвое больше. Не говоря о морских приливах, которые хорошо известны, Луна вызывает явления приливов и суши. На широте Москвы изменения радиуса Земли в результате этого достигают 40 сантиметров. Сила тяжести изменяется на Земле от экватора к полюсам, с увеличением высоты над поверхностью Земли и со временем. Последнее происходит периодически в связи с изменением положения Земли относительно Луны и Солнца и не периодически — в связи с процессами, происходящими в недрах Земли.

Знания о природе гравитационных волн позволили развить релятивистскую теорию гравитации, и в частности показать зависимость хода собственного времени системы от характера поля гравитации. Наконец, значительные успехи, достигнутые в развитии целого ряда областей науки (биологии, биогеохимии, гистологии, эмбриологии, физиологии и т. п.), когда была использована точная аппаратура, разрешающая измерять время биологических процессов, позволили совершить большой скачок в деле познания особенностей времени живых организмов — биологического времени, выделенного академиком В. И. Вернадским в 30-х годах нашего века.

Время с точки зрения физика

До 1905 года, когда А. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности, общепринятой являлась ньютоновская концепция времени как некая абсолютная длительность, не зависящая от материи. Пространство и время рассматривались как некий ящик, в который вложена материя и свойства которого не зависят от наличия вещества. Кроме того, время считалось однородным, одинаковым во всех точках пространства и от пространства не зависящим.

Специальная теория относительности показала тесную связь пространства и времени, образующих единый четырехмерный мир (мир Эйнштейна — Минковского[35]), а также времени с движением. В частности, оказалось относительным понятие одновременности. Момент времени наступления какого-либо локализованного события не является свойством этого события самого по себе, но характеризует отношение его к некоторой системе отсчета. Поэтому и одновременность двух событий относительна. Она справедлива только для событий в одной и той же точке отсчета. Такой же относительный смысл имеют и промежутки времени: длительность процесса, наблюдаемого в одной системе отсчета, может не совпадать с длительностью того же процесса, наблюдаемого в другой системе. Доказательством относительности временных промежутков в разных системах отсчета может служить распад элементарных частиц. Покоящийся π-мезон живет 10^-8 секунд. При движении даже с максимально возможной в природе скоростью — 300000 километров в секунду — он успел бы до своего распада пройти путь порядка нескольких десятков метров. Тем не менее мезоны, рожденные в верхних слоях атмосферы космическими лучами, проходят путь до поверхности Земли, исчисляемый десятками километров. Этот факт объясняется именно увеличением времени жизни мезона вследствие скорости движения, близкой к скорости света.

Представления о связи времени с пространством и движущейся материей были развиты в общей теории относительности, согласно которой в заполненном материей пространстве-времени невозможно ввести глобальную систему координат, то есть в принципе нельзя синхронизировать часы во всем пространстве. Из этого следует, что одновременность событий зависит не только от системы отсчета, но также, например, и от гравитационного потенциала материи.

Промежуток времени между двумя событиями в точке пространства с одним гравитационным потенциалом не равен промежутку времени между двумя эквивалентными событиями в точке с другим потенциалом. С увеличением гравитационного потенциала течение времени замедляется, что было подтверждено экспериментально.

Положения общей теории относительности сделали более понятной материальную обусловленность пространства-времени. Попытки применить уравнения Эйнштейна для описания всей видимой Вселенной привели к открытию новых неожиданных свойств пространства-времени. В общей теории относительности сформулировано десять уравнений для некоей величины, определяющей свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества. В настоящее время нет математического аппарата, позволяющего получить решение в общем виде для любого распределения материи. Поэтому все существующие решения основаны на некоторых упрощающих соображениях о распределении материи, например: материя предполагается распределенной равномерно и изотропно или же предполагается точечное распределение масс. Первые решения, полученные Эйнштейном и де Ситером исходя из предположения о стационарности Вселенной (т. е. в среднем Вселенная неизменна во времени), приводили к замкнутости пространства.

Эйнштейн получил цилиндрическую Вселенную, то есть мир, в котором пространство обладает положительной кривизной и замкнуто, а время незамкнуто. У де Ситера получился сферический мир, в котором и время замкнуто.

Современные космологические представления основываются на решениях, найденных советским исследователем А. А. Фридманом в 1924 году. Он описывает полностью однородный и изотропный мир. Основным свойством этих решений является их нестационарность Возникающие отсюда представления о расширяющейся Вселенной полностью подтверждаются астрономическими данными. Первым подтверждением этого факта было открытие Хабблом в 1929 году красного смещения в спектрах удаленных галактик. Если считать, что это следствие так называемого эффекта Доплера, то красное смещение доказывает удаление галактик. Таким образом, в настоящее время можно считать, что изотропная модель дает, в общем, правильное описание Вселенной. Другим важным свойством изотропной модели является наличие в ней особой точки пространственно-временной метрики по отношению ко времени. Присутствие такой точки означает, другими словами, конечность времени. Вопрос о конечности времени продолжает дискутироваться и пока остается открытым. Общая теория относительности допускает в принципе не только бесконечные, но и конечные решения. Существуют модели, допускающие замкнутость линий времени, но если замкнутое пространство еще можно трактовать как конечное, то переход от замкнутости времени к заключению о его конечности наталкивается на значительные трудности. Дело в том, что замкнутое время означает повторение циклов событий. При этом для описания последовательности циклов событий возникает необходимость ввести некое промежуточное мета-время. Попытки же его введения наталкиваются на неизбежность пересмотра самого понятия времени, характерного для общей теории относительности. Поэтому представляется наиболее вероятным, что в рамках этой теории логическая конструкция замкнутого времени как раз и есть форма замкнутого времени.

Бесконечность времени имеет два аспекта: количественный и качественный. Количественный аспект бесконечности времени соответствует бесконечности моментов времени. Но момент времени не является некоей самостоятельной субстанцией, а представляет собой форму бытия совокупности событий, состояний движущейся материи, причем специфика каждого из временных моментов есть выражение качественно различного характера этих совокупностей.

Бесконечность времени обусловливается постоянным развитием материи, переходом возможностей в действительность. Время есть форма существования материк, выражающая процесс становления, процесс появления нового.

Таким образом, согласно современным представлениям в физике, бесконечность времени состоит в постоянном движении, изменении, развитии материи. Что касается единственности времени или множественности времен, общая теория относительности позволяет для описания некоторых систем ввести несколько существенно различных, но одинаково объективных времен. Это так называемый гравитационный коллапс. Коллапсирующая система характеризуется обычным мировым временем, определяемым в интервале от минус до плюс бесконечности. Однако полное описание всего процесса коллапса невозможно с использованием только этого времени. Для частиц, падающих в гравитационном поле, существует свое собственное время, причем настолько замедленное, что его конечный отрезок описывает бесконечный, с точки зрения стороннего наблюдателя, процесс падения частицы на звезду. Для описания же всего процесса эволюции вводится третье глобальное время («время Крускала»), где есть возможность для пространства и времени как бы меняться местами.

Было бы, однако, неправильно полагать, что только в теории относительности прослеживается глубокая связь между материей и временем. Один из основных законов движения материи, закон сохранения энергии, можно вывести из свойства однородности времени. В теории взаимодействия элементарных частиц существует так называемая СРТ-теорема, которая гласит, что законы движения частиц, выведенные наукой, не меняются, если воздействовать комбинацией трех операций, называемых также тремя симметриями. Операция «С» — это замена частицы на античастицу. Операция «Р»— когда левое и правое меняются местами, как это происходит при возникновении отражения в зеркале. Операция «Т» — изменение направления движения всех частиц на обратное.

Сначала предполагалось, что все три преобразования оставляют физическую систему неизменной, но затем убедились, что законы, управляющие поведением материи, не меняются после действия только двух операций — С и Р.

Как полагает крупнейший современный математик, внесший большой вклад в разработку проблем гравитации и космологии, автор книги «Краткая история времени» Стивен Хокинг, в случае С-Р-симметрии жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, которые являлись бы нашим зеркальным отражением и состояли бы из антнматерии. Но вот попытка осуществить Т-симметрию наталкивается на непреодолимое различие между движением во времени вперед и назад. Проделать Т-операцию, согласно Хокингу, то же самое, как если бы заснять на кинопленку падение стакана на пол, а затем прокручивать ее задом наперед — тогда зрители увидят, как осколки собираются в виде целого стакана, а стакан запрыгивает обратно на стол. Но такое запрыгивание равносильно созданию порядка (стакана) из беспорядка (осколков), что противоречит второму закону термодинамики, который вытекает из того, что состояний беспорядка всегда гораздо больше, чем состояний порядка. Рост беспорядка (энтропия) прослеживается всюду. Даже чтобы выжить, люди употребляют пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращают ее в тепло, то есть в неупорядоченную форму энергии.

Стивен Хокинг полагает, что именно рост энтропии со временем является иллюстрацией стрелы времени, которая разрешает различать прошлое и будущее, придавая времени направления. Но при этом он считает, что существуют по крайней мере три стрелы времени, совпадающие по направлению:

термодинамическая, указывающая направление времени, в котором растет беспорядок;

психологическая — ощущение направления хода времени, память о прошлом;

космологическая — направление, в котором Вселенная расширяется.

Совпадение направления термодинамической и космологической стрел Хокинг видит в том, что разумные существа, способные спросить, что такое время, могут жить только в фазе расширения Вселенной.

Что же касается совпадения направления психологической и термодинамической стрел времени, Хокинг полагает, что субъективное ощущение времени задается в мозгу человека термодинамической стрелой времени, поскольку мозг фиксирует события в их естественном порядке, то есть в порядке возрастания энтропии. Заканчивая книгу «Краткая история времени», он пишет, что читатель, запомнивший каждое слово из его книги, получит около двух миллионов единиц информации и ровно настолько же возрастет порядок в его голове. Но пока книга читается, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, полученной в виде пищи, превратится в неупорядоченную энергию, переданную во внешнюю среду в виде тепла. Беспорядок во Вселенной при этом должен возрасти примерно на 20 миллионов миллионов миллионов единиц.

Наконец, одним из основных аргументов в защиту необратимости времени является необратимость причинно-следственных отношений. При обратном ходе времени причинно-следственная связь оказывается нарушенной и невозможно никакое взаимодействие. Следовательно, отсутствует движение, а значит, и время.

Что касается временных отношений в микромире, в современной физике при исследовании взаимодействия элементарных частиц используется процедура квантования пространства-времени. При этом обычно вводится минимальная длина 10^-13 сантиметров и минимальная длительность 10^-24 секунд. Направление времени не рассматривается.

В заключение этого раздела хотелось бы коснуться вопроса, который фантасты очень часто решают легко и просто. Это вопрос возврата во времени. Поскольку в мире Эйнштейна — Минковского время и пространство равноценные координаты, возвращаемся мы в покинутую нами точку пространства легко и постоянно. Но не даром. За возврат в пространстве (так же, как и за движение вперед) мы заплатим временем. Мы вернулись туда же, но не тогда же, а позже, в другое время. Тем самым вернулись уже в иную мировую точку. Если теоретически мы могли бы двинуться по временной координате назад, в прошлое, то должны были бы за это тоже заплатить. Заплатить пространством, то есть попали бы в другую точку Вселенной, где-то вне земной поверхности, и к тому же, весьма вероятно, кем-то уже занятую, что привело бы к немедленной гибели.

Время с точки зрения биолога

Академик В. И. Вернадский, геохимик, создавший учение о живом веществе и показавший роль живого в формировании поверхностного слоя Земли, уделял большое внимание вопросам структуры времени. Он считал, что времени должно отвечать свое пространство и что одно от другого зависит.

Изучая строение живого и убеждаясь в правоте тех исследователей, которые показали, что живому свойственна структурная асимметрия[36], В. И. Вернадский высказал предположение, что и время в живом должно обладать асимметрией, отличаясь от времени неживой природы. Соответственно им было выделено понятие биологического времени, под которым он понимал «время, связанное с жизненными явлениями, вернее, с отвечающим живым организмам пространством, обладающим диссимметрией». При этом живой организм существует одновременно в двух разных мирах — в мире ньютоновской классической механики и в микромире с законами квантовой механики.

Свойства биологического времени таковы: векторность и явная диссимметрия (направление времени от прошедшего к будущему); скрытая асимметрия, проявляющаяся в явлениях повторяемости (ритме); множественность; неравномерность.

Поскольку первое из этих свойств не требует специальных пояснений, а второе будет рассмотрено подробно далее, остановимся на не явном свойстве биологического времени — его множественности. Живые системы существуют одновременно и как индивидуальные особи, и как единицы, составляющие стаю, улей, муравейник, род, вид и т. п. И если для каждой особи существует физическое время (уравнение движения), каталитическое время (необходимое для описания ферментативных реакций), время клеточного деления, время индивидуального развития, то для объединения индивидов той или иной формы уже существует время генерации и эволюционное время. Организм должен отмерять время согласно достаточно сложной системе отсчетов, поскольку разные процессы в организме текут в разных масштабах времени.

Скорость течения биологических процессов позволила выделить следующие пять классов:

молекулярные, протекающие от миллионных долей секунды до одной секунды;

физиологические, протекающие от сотых долей секунды до часа;

онтогенетические, охватывающие часть жизненного цикла и длящиеся месяцы и годы;

исторические, охватывающие жизнь нескольких поколений, но не влекущие за собой изменение форм жизни;

эволюционные, протекающие миллионы лет, при которых происходит не только смена поколений, но и смена форм жизни.

Биологический объект, рассматриваемый как обособленная система, кроме набора процессов, протекающих с разной скоростью, обладает еще каким-то индивидуальным {собственным, биологическим, физиологическим) временем жизни Т, которое составлено из времени последовательных онтогенетических процессов — фаз развития данного объекта (например, для растения — фаза зерна, прорастания, колошения, цветения и т. д.). Рассматривая каждую такую фазу как элемент времени, исследователи разделяют состав (выделенные элементы) и строение (последовательность выделенных элементов) времени.

В природе наблюдаются явление хронополиморфизма — существование качественно тождественных объектов, обладающих разным по составу и (или) строению временем Т, и явление хроноизоморфизма — существование различных объектов, обладающих одинаковым по составу и строению временем Т.

Что касается свойства неравномерности течения времени, оно течет по-разному в одном и том же организме в зависимости от возраста или условий внешней и внутренней среды. Так, раны заживают быстрее в молодости, скорость рубцевания с возрастом убывает. Соотношение скорости роста с продолжительностью жизни представляет собой логарифмическую функцию. Таким образом, возраст является органическим и функциональным состоянием и должен измеряться ритмом изменений этих состояний. В различном возрасте нужно неодинаковое количество физического времени для того, чтобы была проделана одинаковая физиологическая работа. Секунда жизни старого организма значительно беднее физиологическими процессами, чем секунда времени молодого организма, а значит, физическое время течет быстрее у старого организма, чем у молодого. Соответственно, один год пятилетнего ребенка (равный для него 1/5 его жизни) проживается в десять раз дольше, чем один год пятидесятилетнего человека (равный для него 1/50 его жизни). Точно так же психологическое восприятие времени сводится к тому, что время медленнее всего течет в начале жизни, когда происходит максимальное число событий. Считается далее, что длительность отсчитываемых организмом интервалов времени зависит от интенсивности обмена веществ, которая меняется на различных этапах роста и развития.

Исходя из положения, что содержанием времени существования являются значимые биологические события, подсчитано, сколько сердечных циклов имеет место на протяжении жизни представителя определенного вида животных. Так, свинья, лошадь и лев «переживают» около 800000000 сердечных сокращений; мышь и корова, крыса и собака — около 900000000; кошка — около 1350000000; человек —4350000000, то есть примерно в четыре раза больше, чем остальные животные. Число сердцебиений при этом никак не переводится в годы жизни, так как это биологическое событие у всех видов идет с разной скоростью и у одного и того же вида индивидуальная скорость меняется с возрастом. Особенно четко переменная скорость биологических процессов выявляется при исследовании роста организма, у которого в процессе онтогенеза происходит попеременно то рост (увеличение массы), то развитие, что разрешало сформулировать закон гетерогении, или аллометрического роста. Этот факт хорошо известен в животноводстве. Скот откармливают не все время, а только в те периоды, когда он набирает живой вес.

Кроме того, имеется соотношение между скоростью протекания органического времени и размерами организма, а также между скоростью протекания времени и ступенью филогенетического развития. У животных оно течет быстрее, чем у растений. У млекопитающих быстрее, чем у пресмыкающихся, у теплокровных быстрее, чем у хладнокровных.

Теперь рассмотрим очень важное свойство биологического времени — его ритмичность, связанную с особенностями течения процессов внешней среды.

Невидимые ритмы содержатся в большинстве явлений природы, в том числе в процессах в живых организмах, хотя эти явления и процессы кажутся нам просто текущими в каком-то направлении. Ритмический характер жизни на Земле именно потому не замечается, что является совершенно обыденным.

Каждые сутки Земля поворачивается вокруг своей оси, вызывая ритмическую смену дня и ночи, ритмически меняются времена года, электромагнитные поля, давление воздуха и многое, многое другое. Функции живых организмов, приспосабливаясь к жизни на ритмической планете в процессе эволюции, в свою очередь стали протекать ритмически.

Люди и животные, рыбы и моллюски соблюдают суточный— циркадный (circa — около, dies — день) ритм смены сна и бодрствования, смены активности и отдыха. Все животные, от слона до бабочки, отдыхают раз в двадцать четыре часа. С помощью замедленной съемки можно видеть циркадность в жизни растений: открытие и закрытие цветов, подъем и сворачивание листьев, так сказать, суточный танец в заданном ритме. Заданном настолько точно, что Карл Линней, расположив определенные сорта цветов в секторах круглой клумбы, создал свои знаменитые цветочные часы.

Большое число показателей жизнедеятельности организма человека — температура тела, кровяное давление, частота пульса и дыхания, результаты психологических проб, уровень сахара в крови, различных аминокислот, белков, элементов крови — словом, всего, что исследовано (а исследовано свыше сотни показателей), меняется циркадно. И хотя внешне человек как будто один и тот же на протяжении одного дня, он, как правило, чувствует себя несколько по-разному в разные часы суток, сменяется его настроение, он с разным успехом выполняет физическую и умственную работу. Симптомы различных заболеваний проявляются чаще в определенные часы суток, даже рождение человека происходит, как правило, не днем или вечером, а ночью или под утро.

Циркадные ритмы являются очень важным, но не единственным периодическим явлением. Ритмов с различными периодами (как больше, так и меньше циркадных) очень много. Они существуют параллельно, как бы встроены друг в друга согласно присказке:

Если подумать немножко,

Ритмы — просто матрешка,

И нет матрешке конца

В оба конца.

Ритмическая активность обнаружена уже в единичной клетке, причем оказалось, что предельно трудно нарушить ход клеточных часов, не убив при этом клетку. Деятельность этих часов основана на том, что в клетке происходят постоянные динамические изменения, связанные с процессами обмена и получения энергии. Одни содержащиеся в клетке вещества постоянно распадаются, а другие синтезируются, в результате чего существуют незатухающие колебания их концентраций.

Сложные биохимические процессы, лежащие в основе структуры и функции клетки и организма в целом происходят не одновременно и их скорости не постоянны. Все эти процессы согласованы между собой во времени таким образом, что возникает некий ритм их чередования— повышение и понижение интенсивности каждого из них.

Существует целый спектр ритмических процессов, имеющих различные периоды и образующих в организме сложную и хорошо организованную временную структуру. Эта временная структура касается не только ритмики высокой частоты и суточной ритмики, представления о которых уже довольно хорошо разработаны, но и ритмики многодневной, многомесячной, многолетней, которая в настоящее время все более пристально изучается.

Кроме ритмических явлений в отдельных организмах существуют ритмические явления популяции в целом — сложной мультииндивидуальной системы, само существование которой определяется многоплановой иерархической организацией интерперсональных отнесений, будь то муравейник, пчелиный улей или само человеческое общество. К числу таких циклических явлений относятся эпидемии, а некоторые исследователи причисляют к подобным явлениям также революции и каины.

Классификация ритмической активности организма и основные свойства ритмов даны в таблице 3. Как видно из таблицы, существует широкий спектр ритмов. Их изучением занимается наука, в равной мере очень старая и очень новая, — хронобиология. Цель ее исследований— изучение временной структуры организма. На сегодня установлены длительность циклов различных видов активности, некоторые стационарные соотношения между ритмами. Так, например, у здорового человека отношение ритма работы сердца к ритму дыхания составляет 4:1.

Обнаружено, что временная организация живой системы осуществляется, с одной стороны, путем поддержания соответственных частот колебаний некоторые компонентов, с другой — путем поддержания соотношения фаз колебаний этих компонентов.

В организме, по-видимому, должен существовать определенный временной порядок, который может претерпевать изменения только в некоторых пределах. В противном случае могут возникать последствия, пагубнее для организма.

Наиболее хорошо изучена циркадная временная структура организма, которая рассматривается как аспект функциональной интеграции индивида, его общая характеристика, напоминающая синхронизацию в физическом смысле слова, то есть это частотная синхронизация, а не прямое совпадение во времени подъемов и спадов. Циркадное поведение организма не является строго лимитированным и заключается в повторении сходных событий в определенной последовательности через близкие по длительности интервалы времени, а не в повторении точно тех же событий через точно фиксированные периоды.

Значительные усилия ученых были потрачены на то, чтобы найти способ уничтожить ритмическую последовательность функций, но оказалось, что такая задача нереальна. Напрасно меняли температуру, освещенность, режим питания, разрушали различные участки мозга животных, лишали их зрения, замораживали и т. п. Даже извлеченные из тела органы продолжают функционировать в искусственных условиях с циркадной периодичностью. Единственное, что удается, — это изменить период, передвинуть пик активности для той или иной функции человека или животных путем изменения, например, освещенности или режима сна. Так, например, выделение гормона роста падает у человека на ночное время и соответствует моменту так называемого медленноволнового сна. Если же человек уснет днем, то и тогда происходит выделение гормона роста.

Хотя ритмы являются врожденными и в большой мере генетически обусловленными, в момент рождения циклическая активность, во всяком случае у человека, не является полностью сформированной. Циркадная организация формируется в организме после рождения преимущественно за счет перехода более высоких частот к более низким, то есть за счет превращения ритмов с часовыми периодами в циркадные — околосуточные. Как известно, ребенок имеет цикл сон — бодрствование весьма отличный от взрослого. Требуется длительное время для формирования этого цикла. И не только для него, но и для других циркадных ритмов.

Известную роль в этом процессе, может быть, играет ритмическое воспитание: регулярное кормление и прогулки, ритмические движения качания, ритмическая музыка, которые так нравятся детям. Но, вероятно, воспитание не так уж обязательно. Без всякого воздействия матери из яиц, высиженных в инкубаторе, появляются птицы и ящерицы с обычными ритмами. И даже когда несколько поколений крыс воспитывается в условиях постоянного яркого света, ритм сон — бодрствование и другие циркадные ритмы у них все равно формируются.

Циркадные ритмы описаны для очень большого числа функций, например для вкусовой и обонятельной чувствительности (обостряется в период от 17 до 19 часов, примерно ко времени обеда), для усвоения различных видов пищи (максимум для всех видов в районе утреннего завтрака), для реакции страха. У человека при возникновении этой реакции выделяется большое количество адреналина, а пик выделения адреналина в обычном суточном ритме наблюдается между четырьмя и восьмью часами утра. Поэтому так страшны на войне ночные атаки.

Чрезвычайно важным фактором является циркадность чувствительности к внешним вредоносным воздействиям. Способность противодействовать вредоносному агенту и как следствие этого способность выжить зависят от того, в какую фазу временной организации организма этот агент был предъявлен. Максимум чувствительности по отношению к одному какому-то воздействию может совпадать с высокой сопротивляемостью другому. Так, когда крысам в полночь ввели смертельную дозу токсического препарата, умерло 77 процентов животных, та же доза, но введенная в 6 часов утра, оказалась гибельной только для 6 процентов.

У людей обнаружено колебание чувствительности к введению вакцин и сывороток. Вакцинацию надо проводить утром. Реакций на прививки против энцефалита в 8—10 утра не бывает, а в 19–20 часов регистрируются те или иные неприятные ощущения. Также непостоянна чувствительность человека к кислородному голоданию. Пилоты во время тренажа в 3 ночи легче переносят пониженное содержание кислорода в воздухе, чем в 15 часов.

Соответственным образом варьируется и чувствительность к воздействию лекарственных веществ, что начинает учитываться врачами. Делаются попытки повышения и понижения дозировок лекарств в связи с периодичностью той или иной функции организма, на которую стремятся оказать корригирующее воздействие. На основе исследования циркадных ритмов различных функций подбирают время оказания лечебных воздействий. Такой подход называется хронотерапевтическим.

При хронотерапии не меняются ни применяемые лекарственные средства, ни их дозировка. Но вместо того чтобы принимать лекарства по стандарту три раза в день, больной принимает их только в то время, когда имеются наиболее выраженные отклонения значений функций от нормы.

Для того чтобы выяснить, когда на данного больного следует оказать лечебное воздействие, проводится исследование суточных ритмов основных физиологических параметров (частоты сердечных сокращений и дыхания, артериального давления, температуры тела и т. д.), вычерчиваются соответствующие суточные кривые, рассматривается, в какие часы значение каждой из функций наиболее отклоняется от нормального, подсчитывается, сколько раз наихудшее состояние по тем или иным параметрам приходится на то или иное время, и выбирается тот момент (или те моменты), когда организм наиболее нуждается в поддержке.

Так, например, у больных, страдающих гипертонической болезнью, как правило, цифры кровяного давления при измерении в 8 часов утра соответствуют норме или даже могут быть несколько ниже нормы, в 12 часов дня эти цифры оказываются значительно повышенными, но снижаются к 16 часам, а в 20 часов и особенно в 24 часа достигают максимальных значений. При обычном способе приема лекарств больные получают средства, понижающие давление, в 8, 14 и в 18–20 часов. Таким образом, они принимают препараты в то время, когда в них не нуждаются (8 и 14 часов), и не принимают в моменты максимального повышения давления. Проведение исследования ритмов кровяного давления дает возможность определить для каждого конкретного больного то время, когда он наиболее нуждается в снижении давления (чаще всего это 20 и 24 часа, но бывают случаи, когда больному следует дать препараты 2 или 3 раза).

Если в условиях клиники хронотерапия помогает определить время, когда нужно оказать помощь больному, то на курорте она должна дать ответ на вопрос: когда можно ее оказывать? Сильнодействующие физические методы лечения (ванны, грязи и т. д.), приуроченные к моментам наихудшего состояния, могут вызвать тяжелые осложнения. Так, например, больным, страдающим атеросклерозом, солено-хвойные ванны следует принимать после 15–16 часов, а не в утренние часы, когда они ухудшают состояние.

Необходимо также иметь в виду, что анализы, проведенные не только в разные сезоны и разные дни недели, но и в разное время суток, дают различные (а иногда и прямо противоположные) результаты.

Существует точка зрения, что способность организма отсчитывать время тесно связана с ритмической активностью регулирования обмена энергии, поддерживающего жизнь. Однако для обеспечения любой ритмической активности необходимы либо какие-то датчики времени в самом организме, либо датчики времени во внешней среде, сигналы которых воспринимаются организмом, который «подстраивается» к заданному ритму. Датчики времени организма исследователи ищут в первую очередь в центральной нервной системе. Так, создатель кибернетики Н. Винер в 1958 году высказал гипотезу о том, что биологические часы заключены в узком диапазоне частоты ритма мозга около 10 колебаний в секунду (альфа-ритм). Эта гипотеза не получила поддержки, поскольку существует достаточно большое число людей, у которых этот ритм полностью отсутствует. Кроме того, частота альфа-ритма очень зависит от температуры тела, а значит, наши часы будут врать при ее перемене, что, кстати, действительно имеет место — при повышении температуры меняется скорость процессов и восприятие времени.

Поиски ритмов мозга, могущих играть роль «единиц времени», в которых протекают события в центральной нервной системе, активно продолжаются, пытаются обнаружить корреляцию времени реакции на раздражения с определенным периодом волн. В опытах по произвольному контролю темпа движений показано, что в организме, по-видимому, существует набор интервалов, в соответствии с которыми осуществляется автоматическое управление.

Большую роль в отсчете времени организмом играют ритмические процессы — сердечные сокращения, дыхательные циклы, циклы деятельности желудочно-кишечного тракта, а также циклы обмена веществ.

Что касается возможных датчиков времени из внешней среды, сигналы которых воспринимаются организмом, наибольшее значение, особенно в происхождении циркадных ритмов, придается внешним факторам, связанным с вращением Земли. Смена дня и ночи, температурные изменения, изменения влажности и т. д. определяют способы существования на Земле. Не исключены также возможности прямого воздействия вращения Земли на организм, влияния вариаций постоянно существующего магнитного поля Земли, как бы создающего для живых существ пространственно-временную решетку. Хотя атмосфера и магнитные поля защищают Землю от космической радиации, эта защита не абсолютна. Вариации слабых космических воздействий могут иметь некоторое значение как датчики времени. Наконец, значительную роль для человека играют социальные датчики времени — режим труда и отдыха, а также необходимость действовать, когда надо, и спать, когда придется.

По всей вероятности, биологические ритмы находятся в зависимости от датчиков времени как самого организма, так и внешней среды, и отсчет времени организмом осуществляется с помощью сложной системы, в которой экзогенные и эндогенные влияния переплетены самым тесным образом.

В случае рассогласования сигналов различных датчиков времени происходит изменение временной структуры деятельности организма, постепенно приспосабливающегося к новым условиям. Процессы адаптации могут протекать незаметно, если изменение временной среды не было резким, или сопровождаться неприятными ощущениями, в частности утомлением, нарушением сна, если это изменение было внезапным и значительным.

В современном цивилизованном мире люди больше не живут в нормальном ритме относительно медленного времени природы. Стремление сберечь время влечет за собой передвижения с головокружительной скоростью. Появляются такие виды профессиональной деятельности, которые протекают в условиях изменения воздействий временной среды. Возможны и реально существуют следующие виды изменения временного порядка в организме.

Сдвинутые режимы сна и бодрствования. В случае работы в ночную смену (так же, как и при ночных развлечениях) временной порядок в организме и во внешней среде входит в противоречие с социальными датчиками времени. Наступает нарушение синхронизации между различными ритмами, оно постепенно сглаживается, если человек постоянно переходит на новый режим жизни.

Внезапное изменение временной среды при перелетах с пересечением нескольких часовых поясов ведет к рассогласованию сигналов датчиков времени организма, живущего еще по локальному времени того пункта, из которого начат полет, датчиков времени внешней среды и социальных датчиков времени пункта прибытия. Перестройка на новый режим начинается для различных ритмов в разное время после прилета и длится также различное время. Так, адаптация температурной кривой и сердечного ритма происходит на пятые сутки, потоотделения— на восьмые и т. д.

Опытные пилоты стремятся вообще не перестраиваться на местный режим и соблюдают режим сна того часового пояса, в котором живут постоянно. Одна из английских авиакомпаний на основании специальных исследований работоспособности летного состава после перелетов с пересечением часовых поясов ввела правило, согласно которому за двадцать восемь летных суток пилот может пересечь не более сорока часовых поясов.

Изменение структуры сигналов датчиков времени внешней среды существует в некоторых точках земного шара, где тем не менее живет и работает большое число людей. Это Арктика и Антарктика. Здесь в течение длительных периодов времени сохраняется постоянная освещенность (или неосвещенность), значительно отличаются от более низких широт температурные условия, влажность, давление, магнитные поля Земли и даже скорость вращения точек земной поверхности, как известно, убывающая к полюсам.

У полярников возникают жалобы на недомогание и объективно устанавливаются расстройства различных функций организма, в том числе эндокринных. Трудно сказать, в какой мере в этих расстройствах повинны нарушения временных отношений в организме, но, по всей вероятности, известную роль они играют.

Изоляция от датчиков времени внешней среды постепенно становится уделом лиц редких профессий, например космонавтов, акванавтов, спелеологов.

Пребывание в космосе протекает в форме групповых полетов с сохранением обычного режима дня, то есть с сохранением социальных датчиков времени. Небольшая длительность пребывания вне Земли не позволяет судить о влиянии полного выключения всех земных датчиков времени. Основной циркадный ритм «сон — бодрствование» сохраняется. При групповом погружении акванавтов (обычно вместе с домом, в котором они живут под водой опять-таки по обычному расписанию, то есть с сохранением социальных датчиков времени) особых сдвигов биоритмов не обнаружено, за исключением некоторого увеличения длительности сна.

Значительные изменения циркадных ритмов выявлены у спелеологов, находившихся глубоко под землей в одиночестве. Аналогичные сдвиги отмечаются у испытуемых, помещенных в изолированные камеры. В обоих случаях имело место выключение социальных датчиков времени и общая сенсорная депривация — выключение внешних раздражителей.

В этих условиях возникает так называемое свободное течение циркадных ритмов с периодом (особенно для цикла сон — бодрствование) не около 24, а около 25 часов. При этом взаимосвязи между ритмами закономерно меняются.

Различные функции организма могут рассматриваться как согласованные циркадные осцилляторы, способные менять свои фазовые отношения в зависимости от условий. Общие закономерности ритмического течения функций едины для всего живого, но не только каждый вид, но и каждый индивидуум имеет собственную временную решетку и собственные адаптационные возможности, которые иногда оказываются недостаточными. Тогда наступает рассогласование деятельности внутренних осцилляторов, что означает болезнь. Это нарушения различных видов обмена, температурной кривой — словом, все то, что носит название эндокринно-вегетативных расстройств.

Достижения медицины последних лет столь фантастичны, что возникают еще более фантастические проблемы. Так, пересадка органов, в частности сердца, заставляет задуматься о временных отношениях между организмом реципиента и сердцем, взятым за какой-то более или менее длительный срок до пересадки от человека неизвестной временной структуры.

Широко распространено деление людей на «сов» и «жаворонков», имеющих свой пик активности и продуктивно работающих ночью или ранним утром. По всей вероятности, у этих двух типов людей большинство ритмов имеет значительный сдвиг по фазе. Они не только психологически несовместимы. Попытка пересадки органов от представителя одного типа представителю другого скорее всего окончится неудачей.

Доказано, что изолированное сердце животного по-разному реагирует на введение препаратов в зависимости от того, в котором часу оно было извлечено, то есть в зависимости от того, на какой фазе обменного или какого-то другого цикла оно было помещено в искусе г-венные условия. Соответственно надо «попасть в фазу» при перенесении сердца из одного организма в другой.

К сожалению, трудности не исчезают даже тогда, когда производится пересадка искусственных органов, не имеющих «собственного времени», но зато не способных подстроиться к индивидуальным особенностям организма.

Искусственные органы рассчитаны на работу в каких-то вероятных условиях, но не в данных конкретных условиях, особенности которых просто невозможно предугадать и рассчитать. Как искусственный орган, так и чужой пересаженный орган могут осуществить и осуществляют поддержание соответственных частот собственных колебаний, что является первым условием существования. Камнем преткновения является второе условие — поддержание соотношений фаз колебаний различных органов и систем организма.

В заключение можно сказать, что циркадная временная структура, по-видимому, является одним из механизмов адаптации организма к постоянным повторяющимся воздействиям внешней среды, на которые организм не реагирует, а скорее «принимает к сведению», выверяя с их помощью начало отсчета различных циклов.

Соотношение физического и биологического времени

В конечном счете, для каждого живого индивида существует как бы три вида движения во времени: последовательное по стадиям жизненного цикла в направлении вектора времени; ритмические изменения биологических функций (относительно круговое движение) и случайные реакции, связанные с воздействиями внешней среды, текущие также в направлении вектора времени.

Рассуждая о биологическом времени, мы каждый раз фактически имеем дело не со временем вообще, а конкретно с настоящим временем, со временем текущим, наличным, а не с тем, которое уже прошло и потеряли свои активные свойства или же еще не наступило, то есть свойств пока не имеет. Что же такое «настоящее»? Это тот отрезок времени, когда возможно активно действовать, влияя на текущие события. Поступки или бездействие (ибо и бездействие есть поступок) уходят в прошлое и ни изменены, ни отменены быть не могут, сохраняя навсегда за собой возможность оказываться причиной каких-либо событий.

Таким образом, прошлое — застывшие моменты настоящего, оно обусловлено протекшим настоящим и, являясь его следствием, в свою очередь становится определяющим фактором событий в актуальном настоящем. Что касается будущего — оно не существует. Это направление движения настоящего, ибо, как только будущее сбылось, оно через настоящее перешло в прошлое. Так, например, в настоящем человек получил тяжелую инфекцию. Момент заражения отошел в прошлое, болезнь течет в настоящем, осложнения грозят в будущем. Длительность настоящего, по-видимому, для каждой особи относительно постоянна, варьируется в определенном диапазоне значений физического времени.

Число событий, наполняющих отрезок настоящего, является переменным, и чем больше это число, тем меньшее время каждое из них занимает, тем выше скорость процессов. На события постоянные и происходящие параллельно (сердцебиение, дыхание, терморегуляция и т. д.) эта закономерность не распространяется.

Все особенности биологического времени развились, без сомнения, на базе общих физических законов, и оно находится в непрерывной связи с тем физическим временем, которое лежало у истоков биологического времени.

Но существуют разные физические законы. В таблице 4 дано сопоставление характеристик биологического времени и времени трех разделов физики. В качестве характеристик использованы: общая структура времени и структура настоящего; направление и характер течения времени; связь времени с другими физическими явлениями; представления о временном миропорядке (т. е. единичности или множественности времени).

Как видно из таблицы, действительно имеются некие общие черты между свойствами биологического времени и времени квантовой механики (п. 6) и классической физики (п. 1 и 3), но наибольшее сходство наблюдается с временем теории относительности (п. 3, 4, 5, 6).

Таким образом, можно сказать, что новые пространственно-временные свойства, развившиеся в природе с появлением живого, базируются на присущих типам материальных взаимодействий и формам движения материи временных свойствах, находящих свое выражение в законах различных разделов физики.

Принципиально новой характеристикой времени биологических систем, сформировавшейся в процессе эволюции пространственно-временных свойств живого, является выделение временной области настоящего — области активного действия, имеющего относительно фиксированную длительность в определенном диапазона физического времени и переменный объем в связи с увеличением и уменьшением числа происходящих событий.