Олескин Александр Владимирович
Иерархии и сети: приложимость к взаимоотношениям человеческого организма и симбиотической микрофлоры
Аннотация
Дана характеристика биополитики - нового междисциплинарного научного направления.
Описаны междисциплинарные понятия иерархии и сети, лежащие в сфере внимания биополитики.
Приведены примеры проявления принципов иерархической и сетевой организации в социальных системах, описаны их взаимодействия и взаимопереходы.
Рассмотрены иерархические и сетевые структуры в организме человека.
Проанализированы микробные сообщества в ЖКТ с точки зрения их сетевой организации, с этой же позиции рассмотрены дисбактериозы.
Выделены сетевые и иерархические аспекты в организации взаимодействий пациентов и медицинских работников.
В последние десятилетия набирает силу новое междисциплинарное научное направление – биополитика (см. [1]), исследующая в сравнительном аспекте живые системы и человеческое общество с особым вниманием к политическим системaм и ее аналогам в биосоциальных системах – сообществах различных форм живого. Одной из фокальных точек биополитики является изучение роли и функций централизованных (иерархических) и распределенных (горизонтальных, сетевых) структур. Оба типа структур (и переходные формы между ними) вносят свой вклад в развитие биосистем и человеческого общества, причем горизонтальные структуры «доорганизовывают» (термин С. В. Чебанова) то, что не организовала иерархия. В данной краткой статье мы рассмотрим сочетание иерархических (центральных, вертикальных) и сетевых (децентрализованных, распределенных) сценариев организации в рамках живого организма.
Иерархия и сеть суть междисциплинарные понятия, применимые к разнообразным системам – от звёздных скоплений и кристаллов до человеческого социума и технических устройств. Независимо от конкретного «наполнения», сетевая структура представляет собой сложную многокомпонентную развивающуюся систему, лишённую единого управляющего центра. Она противопоставляется иерархической структуре, имеющей единый центр.
Оба типа систем проиллюстрируем на известных нам из повседневной жизни (и, как утверждают биополитики, запрограммированных в наших генах) сценариях устройства групп людей. Бюрократические организации, а до них социальные системы на принципах личной покорности (система «сеньор-вассалы» в феодальной Европе) являлись иерархиями. Что касается сетевых структур, то они также имеют многообразные воплощения: коммерческие предприятия, благотворительные фонды, художественные артели, «неформальные группы» молодёжи типа «хиппи» и многое другое. Стоит еще раз подчеркнуть их отличие от иерархических структур – отсутствие единого фиксированного центра активности (начальника, босса, монопольного лидера).
Иерархии и сети постоянно взаимодействуют и часто совершают взаимопереходы. Это характерно, например, для революционных, сектантских и прочих нелегально существующих организаций. Первоначально они представляют собой аморфные сетевые структуры без четкой иерархии («братства»), но сама необходимость конспирации обусловливает необходимость обособления руководящей элиты, распоряжающейся секретными сведениями или эзотерическими знаниями, которые не сообщаются менее надежным рядовым членам нелегальной организации. Процесс иерархизации с формированием несменяемых лидерских позиций был прослежен в специальном исследовании на примере «Красных бригад» в Италии 60-70х гг. ХХ века [2]. Иерархизации подвержены и многие сетевые структуры, формируемые в биосистемах. Даже в сетях из клеток, формируемых в их культурах, в процессе роста клеточного пласта выделяются «лидеры», направляющие рост «языка» распространяющегося по среде пласта [3].
В то же время известны и случаи распада иерархий с формированием сетей, что наблюдалось в перестроечном СССР и способствовало его ликвидации. Процесс формирования опухоли и ее малигнизации (превращения из доброкачественной в злокачественную) также описывается в терминах разрушения иерархических связей, регулирующих поведение клеток в тканях организма, и их подмены типично сетевыми взаимодействиями между клетками.
Помимо взаимопревращений между иерархиями и сетями, во многих системах различного типа наблюдается также и синхронное существование иерархий и сетей. Их взаимодействия могут быть как конструктивными, так и деструктивными для иерархии и системы в целом. Политическая система в человеческом социуме, построенная по иерархическим принципам («вертикаль власти»), часто сосуществует с неиерархическими объединениями, ассоциациями граждан того же государства («горизонталь гражданского общества»). Конструктивное взаимодействие иерархии и сети состоит в поддержке сетью иерархии, что в применении к политической системе означает распространение сетевой организацией идеологии «вертикали власти». Именно так поступало слабо иерархическое сетевое движение «Наши» в современной России, вдохновляя людей путинской метаидеологией (термин работы [4]). В эпоху Николая II идеологию самодержавия распространяло в рабочей среде сетевое «зубатовское» движение. Сети также наделены существенным антиконфронтационным потенциалом, они примиряют противников и гасят политические конфликты.
В то же время сети могут и активно противоборствовать иерархиям, вплоть до того, чтобы принять в качестве программной цели их ниспровержение. Более того, даже в общем «благонамеренные» по отношению к иерархиям сетевые структуры, могут вызывать своими действиями серьезные отрицательные последствия для иерархий. Деструктивное взаимодействие иерархий и сетей обусловлено рядом системных характеристик последних, в том числе:
1. Сети не признают границ иерархической структуры и коммуницируют с «чуждыми» элементами; например, внутрироссийские сети по вопросам экологии «по долгу службы» активно общаются с зарубежными экологами и впитывают их не только сугубо экологические (‘environmental”), но и политические идеи
2. Сети имеют тенденцию разрастаться так, что наносят ущерб иерархии; этот пункт проиллюстрируем развитием опухоли, пусть даже доброкачественной, которая «тянет на себя» ресурсы организма и нарушает работу его органов (политический пример могут представить всякого рода проправительственные по замыслу сети, которые по мере роста начинают все больше «работать на себя», проявляя коллективный эгоизм в плане траты денежных средств и т. д.)
3. Сети могут не подчиняться ритмам иерархий, тем самым угрожая вызвать своего рода «аритмию» иерархической структуры. В научном сообществе этот факт, впрочем, имеет известное положительное значение, ибо сети научных энтузиастов включают «безумцев», чей ритм работы опережает ритм иерархических научных институтов и обусловливает генерацию сетью опережающих эпоху идей [5]. Однако в политике рассогласование ритмов сетей и иерархий (в том числе «вертикали власти») инактивирует людей, отвлекая на политически несвоевременные занятия (в наше время – на жизнь в виртуальных сетях типа MySpace или «одноклассники»), вместо того, чтобы мобилизовать их на реализацию принятых политической системой решений, например, борьбы за экономию ресурсов или против коррупции.
Распространение в социуме сетевых структур с подавлением иерархий обрисовано в литературе, например, в книге «Нетократия…» [6, с. 211]. В ней, в частности, утверждается, что «… сеть заменит государство в его роли верховной власти и верховного провидца … Авторитет и влияние государства сойдут на нет в силу сокращения налоговых поступлений (отвлекаемых сетями на себя – А. О.) и национальных границ».
Вся сложная гамма взаимодействий иерархических и сетевых структур кратко обсуждена здесь на политических примерах, в основном, ради иллюстрации сложного характера этих взаимодействий. Это лишь присказка, сказка посвящена медицинской проблематике…
Организм человека функционирует при комбинированном влиянии следующих структур:
иерархических структур, в рамках которых лидирует центральная нервная система (ЦНС) , контролирующая деятельность различных органов, тканей, клеток, генерирующая нервные импульсы-команды и вырабатывающая химические регуляторы – гормоны самостоятельно (нейрогормоны) и с помощью контролируемых ею эндокринных желёз;
сложного комплекса сетевых структур, включающих два компонента: 1) собственные клетки, локальные или делокализованные (распределенные в масштабах организма) сети, которые вырабатывают химические сигналы; 2) клетки симбиотических микроорганизмов, населяющих разные экологические ниши в составе организма, и в особенности желудочно-кишечный тракт (ЖКТ).
Конструктивное взаимодействие сетей с иерархиями, естественно, укрепляет телесное и душевное здоровье человека, а также его способствует его адекватному социальному поведению и политической активности. Здесь мы особо остановимся на функциях микробного сообщества, населяющего ЖКТ. Подчеркнём, что это сообщество, как и большинство известных микробных систем, организовано по сетевому принципу. Несмотря на отсутствие центрального управляющего звена , микробные клетки в просвете кишечника или в пристеночных биоплёнках так эффективно координируют свое поведение, что могли бы вызвать законную зависть у организаторов сетевых структур в человеческом обществе. Такая координация обеспечивается диффузными химическими медиаторами (ауторегуляторами, феромонами). Так, в популяции E. coli вырабатываются как стимуляторы, так и ингибиторы роста собственной популяции [7]. Один из раскрытых в последние десятилетия механизмов децентрализованной регуляции микробных популяций и многовидовых сообществ основан на системах «quorum sensing» («чувства кворума»). По концентрациям выделяемых микробными клетками феромонов популяция (сообщество) оценивает собственную плотность. Если она достигает порогового уровня, все клетки осуществляют определенные коллективные действия, например, испускают свет, координировано двигаются, образуют споры или плодовые тела, вырабатывают ферменты, антибиотики, токсины и др. [8-10]. Одни из феромонов действуют только на клетки того же вида и уподобляются «эксклюзивной» информации, которая будет доступна лишь для элитных сетевых структур грядущего общества (нетократов), другие вызывают специфические ответы и у микробов других видов (аналоги общедоступной информации в сетевых структурах социума). Помимо химических регуляторов, микробные клетки, вероятно, обмениваются и физическими сигналами, проходящими через слой стекла [11].
Микробное сетевое сообщество ЖКТ участвует в переваривании пищи, регулирует моторику кишечника, поддерживает в нормальных пределах его кислотность (рН), температуру и газовый состав, вносит вклад в барьерную роль слизистой кишечника на пути опасных веществ и болезнетворных микроорганизмов и вирусов, стимулирует деятельность иммунной системы, снабжает организм полезными соединениями типа витаминов (например, группы В), короткоцепочечных жирных кислот, а также нейромедиаторов, о чём поговорим ниже. В целом микрофлору полости и пристеночной биоплёнки кишечника рассматривают как особый «микробный орган», напоминающий печень по своей массе (в среднем 1 2 кг) и многообразию функций [12, 13].
Особо остановимся на вырабатываемых симбиотической микрофлорой нейромедиаторах, которые оказывают воздействие на организм, по крайней мере, на трёх уровнях:
локальном, в пределах ЖКТ (вырабатываемый микрофлорой тормозной нейромедиатор ?-аминомасляная кислота ограничивает болевую чувствительность кишечника, и в ее отсутствии вследствие нарушения микрофлоры наступает синдром раздражённой толстой кишки [17]);
генерализованном, на уровне всего организма (пример с ДОФА приводится ниже);
на уровне ЦНС (также пример с ДОФА).
В частности, на поздних стадиях роста культуры важного кишечного симбионта E. coli катехоламины (норадреналин, дофамин) и серотонин выделяются в культуральную жидкость в концентрациях порядка 0.01-0.1 мкМ [18]. Такие концентрации достаточны для воздействия на клетки человеческого организма, несущие соответствующие рецепторы. Это указывает на возможные физиологические эффекты аминов, вырабатываемых кишечным симбионтом E. coli (вероятен и вклад других представителей кишечной микробиоты).
В культуральной жидкости E. coli содержалось также более одного микромоля диоксифенилаланина (ДОФА). ДОФА проходит барьер между кишкой и кровяным руслом, между кровяным руслом и мозгом (гемато-энцефалический барьер). В мозгу ДОФА превращается в дофамин и далее норадреналин, которые регулируют мозговые процессы, связанные с социабельностью (коммуникативностью), лидерскими качествами, степенью агрессивности и др. [19]. Таким образом, выделение E. coli ДОФА в среду -- предпосылка ее существенного влияния на психику и поведение человека, включая и его политическую активность в различных ролях и ситуациях. В то же время ДОФА превращается в катехоламины в кровяном русле, где, как показывает подсчет, образовавшиеся катехоламины достаточны для ряда генерализованных физиологических эффектов, например, воздействия на почки с усилением секреции мочи.
Вместе с тем, нужно признать прозорливость русского микробиолога и иммунолога И.И. Мечникова утверждавшего, что наша кишечная микрофлора не оптимальна. Она подвержена нарушениям (дисбактериозам). В литературе накоплено немало данных о серьезных последствиях дисбактериозов, включая болезнь Крона, язвенный колит, рак кишечника, жировую дистрофию печени, ревматоидный артрит, спондилоз, одновременный отказ нескольких внутренних органов, а также нервно-психические расстройства (аутизм, болезнь Туретта, синдром дефицита внимания с гиперподвижностью – ADHD) [20, 21]. Вероятно, связь между аномальным состоянием микрофлоры и этими недугами также как и положительное влияние микрофлоры, опосредуется химическими агентами, включая нейромедиаторы.
В рамках данной статьи можно констатировать разбалансировку между иерархическими и сетевыми структурами, в частности, выход микробных сетей из-под контроля иерархии, воплощенной во «властной вертикали» ЦНС. Характерно, что в состоянии дисбактериоза опасность исходит не только от посторонней патогенной микрофлоры, которая преодолевает сопротивление полезной симбиотической микрофлоры. Сами симбиотические микроорганизмы нередко начинают приносить не пользу, а вред.
Здесь имеет смысл вернуться к началу статьи, где в виде пунктов 1-3 перечислены некоторые потенциально негативные характеристики сетевых структур. Мы переформулируем их применительно к взаимоотношениям микрофлоры и организма-хозяина и попробуем дать рекомендации по переводу этих взаимоотношений в конструктивное, с точки зрения здоровья и психики людей, русло.
1. Микрофлора ЖКТ обменивается сигналами, в частности, quorum sensing-феромонами с «чуждыми» или по крайней мере нехарактерными для нормальной симбиотической микрофлоры видами микроорганизмов, включая опасные патогенные бактерии. Феромоны симбиотической микрофлоры ротоглотки стимулируют рост и вирулентность, например, синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa. Ограничение такой межвидовой коммуникации путем подавления роста симбиотической микрофлоры антибиотиками (к сожалению, неэффективными по отношению к самой синегнойной палочке) улучшает состояние пациентов. Разумеется, возможны более тонкие методы «обрубания» нежелательной стимулирующей коммуникации с применением лекарств нового поколения, которые прицельно подавляют работу систем quorum sensing [10].
2. Известно, что численность клеток представителей нормальной микрофлоры варьируется от индивида к индивиду. Так, количество клеток E. coli колеблется в широких пределах, наиболее часто – от 1 до 100 млн. клеток на 1 г кишечного содержимого [12, 13]. В то же время, E.coli выделяет, как мы видели, важные химические регуляторы, в том числе ДОФА, которая превращается в катехоламинные нейромедиаторы в кровотоке и мозгу. Изменение численности популяции E. coli означает изменение концентраций этих нейромедиаторов, например, избыточной рост этой популяции, как, вероятно, и других популяций в составе микробного сообщества человека, влечёт за собой гиперфункцию дофамин- и норадреналинергических систем ЦНС. Отметим, что избыточная активность дофаминергической системы мозга, помимо гиперсоциабельности (избыточной общительности) и маниакального состояния, возможно, способствует развитию шизофрении [19]. Итак, немаловажной задачей медицины можно считать удерживание сетевых структур микроорганизмов «в дозволенных рамках»: вред приносит их избыточное развитие, хотя ущерб здоровью наносит, несомненно, и недостаточная численность микрофлоры, создающая «вакансии» для нежелательных «пришельцев».
3. В норме симбиотическая микрофлора участвует в биоритмах хозяина, рассогласование ритмики человеческого организма и его микрофлоры служит предпосылкой расстройств телесного и душевного здоровья. Поскольку речь идет в первую очередь о микрофлоре ЖКТ, то в наших руках имеется достаточно эффективное средства налаживания ритмов функционирования микробных сетей путем простого упорядочивания ритма питания. Поскольку между приёмом пищи и ее попаданием в толстый кишечник, где обитает основная часть микрофлоры, может проходить десять и более часов (в зависимости от характера пищи), то можно рассчитать прием пищи так, чтобы микрофлора находилась в заданный момент времени (например, момент принятия политическим лидером ответственного решения) в оптимальном состоянии. В свете нейрохимической активности микроорганизмов становится понятным, почему ритм питания, равно как и характер принимаемой пищи, оказывают столь серьёзное воздействие на психику и поведение людей. Известное изречение «человек есть то, что он ест» (по-немецки: Der Mensch ist, was er i?t) приобретает особую актуальность.
Поставленные в настоящей статье проблемы, конечно, далеко не исчерпывают всех важных аспектов взаимодействия иерархий и сетей с позиций медицины.
Нельзя не отметить, что оптимальное сочетание и конструктивное взаимодействие иерархических и сетевых структур должно быть обеспечено и в организации самого общения между пациентами и их целителями. В частности, определенная степень иерархических взаимоотношений в диалоге «врач-больной» соответствует патерналисткому подходу в медицине. В последние годы он вновь заявляет о своей эффективности вопреки попыткам избыточной «демократизации» лечебного процесса, особенно характерными для стран Запада. Вместе с тем, эти иерархические взаимоотношения должны быть дополнены существенным вкладом горизонтальных сетевых связей как между самими больными в лечебных заведениях, так и, в целом ряде ситуаций, между больными и медработниками. Сетевые связи способствуют тому, что медработники выступают не только в роли строгих наставников (доля патернализма), но и в роли понимающих товарищей, надежных помощников, а иногда даже организаторов досуга и «массовиков-затейников», помогающим больным отвлечься от своих проблем и настроиться на более оптимистичный лад.
В заключение отметим, что аналогия между человеческим организмом и государством приведена в статье не ради «красного словца». Автор надеется, что эта очень древняя и достаточно глубокая в системном плане аналогия заставит задуматься тех, кто заботясь о здоровье и благополучии собственного организма (включая его микробные сети), равнодушно относится к судьбе государства с его политической иерархией и сетевым гражданским обществом.
Литература
1. Олескин А. В. Биополитика. Политический потенциал современной биологии. М.: Научный мир. 2007.
2. Алексеенкова Е. А. Становление и эволюция иерархизированных террористических сетей. На примере итальянских «Красных бригад» // Политические исследования (Полис). 2005. № 6. С.53—65.
3. Самойлов В. И., Васильев Ю. М. Механизмы социального поведения тканевых клеток позвоночных; культуральные модели // Журн. общей биологии. 2009. (В печати).
4. Путеводитель по выборам. Политическая Россия - 2007 / Под ред. В. В. Федорова. М.: ВЦИОМ. 2007.
5. Олескин А. В., Кировская Т. А. Сетевая структура в микробиологии // Вестник РАН. 2007. № 2. С. 139–148.
6. Бард А., Зодерквист Я. Netoкратия. Новая правящая элита и жизнь после капитализма. СПб.: Стокгольмская школа экономики в Санкт-Петербурге. 2004.
7. Вахитов Т. Я., Протасов Е.А, Виснольд Н. В, Толпаров Ю. Н., Петров Л. Н. Выделение и идентификация аутостимуляторов роста Escherichia coli. // Журн. Микробиологии, эпидемиологии и иммунологии. 2003. №2. С.7–12.
8. Fuqua W. C., Winans S. C., Greenberg E. P., 1994. Quorum sensing in bacteria: the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators // J. Bacteriol. 1994. V.176. №. 2. P.269-275.
9. Waters C. M., Bassler B.L. Quorum sensing: cell-to-cell communication in bacteria // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2005. V.21. P.319—346.
10. Хмель И. А. Quorum sensing регуляция экспрессии генов: фундаментальные и прикладные аспекты, роль в коммуникации бактерий // Микробиология. Т.75. 2006. № 4. С. 457-464.
11. Николаев Ю. А. Дистантные информационные взаимодействия у бактерий // Микробиология. 2000. Т.69. № 5. С. 597—605.
12. Лаздин О. А., Червинец В. М., Табаков Т. Д. Микробиоценоз кишечника и его коррекция. Тверь: Тверская гос. мед. Академия. 1999.
13. Валышев А. В., Гильмутдинова Ф. Г. Микробная экология пищеварительного тракта человека // Экология микроорганизмов человека /Под ред. О. В. Бухарина. Екатеринбург: Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза. 2006. С.169—290.
14. Lyte M., Ernst S. Alpha and beta adrenergetic receptor involvement in catecholamine-induced growth of gram-negative bacteria // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1993. V. 190. № 2. P. 447-452.
15. Олескин А. В., Кировская Т. А., Ботвинко И. В., Лысак Л. В. Действие серотонина (5-окситриптамина) на рост и дифференциацию микроорганизмов // Микробиология. 1998. Т.67. № 3. С. 305-312.
16. Анучин А. М., Чувелев Д. И., Кировская Т. А., Олескин А. В. Действие нейромедиаторных моноаминов на ростовые характеристики Escherichia coli К-12 // Микробиология. 2008. Т.77. № 6. C.1—8.
17. Бабин В. Н., Домарадский И. В., Дубинин А. В., Кондракова О. А. Биохимические и молекулярные аспекты симбиоза человека и его микрофлоры // Российск. хим. журн. 1994. Т.38. С. 66-78.
18. Шишов В. В., Кировская Т. А., Кудрин В. С., Олескин А. В. Нейромедиаторные амины, их предшественники и продукты окисления в биомассе и культуральной жидкости на разных стадиях развития культуры Escherichia coli K-12 // Прикладная биохимия и микробиология. 2009. (В печати).
19. Дубынин В. А., Каменский А. А., Сапин М. Р., Сивоглазов В. Н. Регуляторные системы организма человека. М.: Дрофа. 2003.
20. Hawrelak J. A. The causes of intestinal dysbiosis: a review. Интернет-сайт http://findarticles.com/p/articles/mi m0FDN/is 2 9/ai n6112781/print?tag=artBody;col1.
21. Bai A. P., Ouyang Q. Probiotics and inflammatory bowel diseases // Postgraduate Medical Journal. 2006. V. 82. P. 376-382.
Abstract
The characteristic of a biopolitics – a new interdisciplinary scientific school, is given.
Interdisciplinary concepts of hierarchy and the network laying in sphere of biopolitics attention are described.
Examples of display of principles of the hierarchical and network organisation in social systems are resulted, their interactions and conversions to each other are described.
Hierarchical and network structures in a human organism are considered.
Microbial assemblages in GI tract from the point of view of their network organisation are analysed, from the same position dysbacterioses are considered.
Network and hierarchical aspects in the organisation of interactions of patients and medical workers are allocated.
ОЛЕСКИН Александр Владимирович – д.б.н., зав. сектором биосоциальных проблем, профессор кафедры физиологии микроорганизмов Биологического факультета МГУ.
Область интересов: биополитика, сетевые структуры, эффекты нейромедиаторов в микробных системах, роль симбиотической микробиоты в состоянии телесного и душевного здоровья человека.
Автор 5 монографий, в т.ч. «Биополитика. Политический потенциал современной биологии» и ок. 100 публикаций в отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках.
Один из лидеров Сетевой ассоциации независимых исследователей, педагогов и экспертов по биополитике (САНИПЭБ).
Персональный сайт: http://biopolitika.ru.
