История развития идеи морфологического анализа биологических жидкостей

Прежде всего, следует отметить, что биологическая химия достигла больших успехов в познании хи­мических процессов, происходящих в живом организме. Созданы современные представления о структурной организации белковой молекулы, ферментов, гормонов, липидов и т.д. Развиты основные направления статической биохимии, занимающейся преимущественно анализом химического состава биожидкостей; динамической и функциональной биохимии, изучающих всю совокупность превраще­ний её составляющих веществ при различных физиологических и патологических состояниях организма (26, 30, 64, 87).

Однако методы биохимии могут быть охарактеризованы как аналитические. Разлагая систему на части, исследователи пыта­ются понять свойства системы как целого. Такой подход к иссле­дованию сложных систем не может раскрыть координационные прин­ципы её построения. Кроме того, уровень развития науки на сов­ременном этапе позволяет собрать такое количество данных о сложной системе, которое в настоящее время не в состоянии об­работать ни человек, ни общество в целом.

Г.Хакен один из основателей теории самоорганизации - синергетики в книге "Ин­формация и самоорганизация" (1991) изложил понятия и ме­тоды, которые позволяют подходить к рассмотрению сложных сис­тем с единой точки зрения (98). Автор предложил унифицирующий принцип: перейти от мик­роскопического уровня описания сложной системы на макроскопи­ческий. Во всех случаях макроскопическое описание позволяет достигать колоссального сжатия информации, однако при этом удаётся проанализировать глобальные свойства. Важный шаг в исследовании сложных систем заключается в установлении соотно­шений между различными макроскопическими величинами. Эти соот­ношения являются следствием микроскопических событий, которые, однако, неизвестны или известны лишь частично.

Итак, совершенно очевидно, что существует иерархия инфор­мационных уровней. На низшем уровне отдельные части системы могут быть источниками информации, которая передаётся другим частям системы. Хотя во всех таких случаях обмен информацией первоначально может происходить случайно, со временем между различного рода сигналами возникает конкуренция или коопера­ция, и в конце концов устанавливается новое коллективное сос­тояние, которое качественно отличается от существовавшего прежде - неупорядоченного. Это новое состояние описывается од­ним параметром порядка или набором параметров порядка, т.е. одним или несколькими информаторами. Состояния отдельных час­тей системы определяются с помощью принципа подчинения. Этот же процесс можно описать по-иному - как некоторое специфичес­кое согласование активности отдельных частей системы или как самоорганизацию. Одновременно с переходом в новое состояние происходит сжатие информации. Информация проявляется на мак­роскопическом уровне и становится наблюдаемой (14, 86, 98).

Одна из наиболее поразительных особенностей любой биологи­ческой системы - необычайно высокая степень координации между её отдельными частями. В клетке одновременно и согласованно могут происходить тысячи локальных метаболических процессов. Совершенно очевидно, что все эти высоко координированные, ко­герентные процессы становятся возможными только путём обмена информацией, которая должна быть сформирована и адресно пере­дана. Таким образом, информация является решающим элементом существования самой жизни (58, 98).

Установлено, что основные макромолекулы, формирующие клетку, - белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды отвечают за сборку клеточ­ных компонентов, за катализ химических превращений, за осу­ществление движений клетки и за её наследственность. Выполне­ние всех этих жизненно важных функций обеспечивается информа­ционным содержанием биологических макромолекул. В последова­тельности субъединиц макромолекул и сопутствующим им элементам и заключается информация, определяющая пространственную конфи­гурацию их поверхности. Эта конфигурация в свою очередь с по­мощью слабых нековалентных взаимодействий управляет процессами взаимного узнавания разных молекул или разных участков одной и той же молекулы (14, 58).

Бесклеточная система (биологическая жидкость), содержащая существенные компоненты - белки и нуклеиновые кислоты - и снабжённая необходимым высоко­энергетическим строительным материалом также может репродуци­ровать свои составные части. Она проявляет все существенные функции живой клетки, но не является индивидуализированным жи­вым существом и не развивается как таковое (145).

Таким образом, информация не только связана с пропускной способностью канала связи или с командами, отдаваемыми цент­ральным регулятором отдельным частям системы. Она может также обретать диффузный характер и её существование поддерживается отдельными частями системы - среды, из которой эти части полу­чают конкретную информацию относительно того, как им функцио­нировать когерентно, кооперативно (98).

Следовательно, биологическая жидкость, в составе которой всегда содержатся важные для жизнедеятельности организма ком­поненты, может рассматриваться как сложная система и служит источником информации о целостном состоянии организма при пе­реходе её на более высокий уровень организации.

Фазовый переход биологической жидкости из неупорядоченного жидкого состояния в твёрдое организует определённый статичес­кий порядок, который становится наблюдаемым. Это проявляется в однотипных структурах, характерных для каждого вида биожидкос­ти (сыворотка крови, спинномозговая жидкость, моча и др.). Создаётся впечатление, что в процессе фазового перехода жид­кость "сама" организует свой статический порядок, т.е. структуру. Основоположник теории самоорганизации Г.Хакен (1991) отмечает: "Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру" (98).

В природе встречаются два типа упорядоченности - статичес­кая и динамическая. В живом организме динамический порядок ре­ализуется в результате постоянного оттока энтропии из открытой системы в окружающую среду. Возникает вопрос: может ли счи­таться синергетической система, в которой возникает лишь ста­тическая упорядоченность? По Г.Хакену "синергетическая система необязательно должна быть динамической системой, (об­ладающей, например, предельным циклом или хаотическим поведе­нием), но может быть системой, в которой происходят необрати­мые процессы, приводящие к переходу, например, от неупорядо­ченного жидкого состояния к структурированному твёрдотельному состоянию".

Итак, в процессе фазового перехода биологической жидкости образуется кристаллическая структура со статической упорядо­ченностью. Кристаллы образуются при таком взаимодействии структурных частиц, которое приводит к устойчивому состоянию, характеризующемуся минимумом потенциальной энергии. Такими структурными частицами могут быть атомы, ионы или молекулы. Для возникновения устойчивой кристаллической структуры необхо­димо, чтобы между частицами действовали двоякого рода силы: силы притяжения и силы отталкивания (10, 14).

При переходе биологической жидкости в структурированное твёрдотельное состояние значительную роль приобретают слабые нековалентные связи, имеющие место в водных растворах органи­ческих соединений. Поскольку эти связи обеспечивали информаци­онное содержание макромолекулы в водных растворах, при удале­нии воды их роль в возникновении упорядоченного состояния и установлении связей в образовавшейся кристаллической структуре значительно возрастает (14, 58).

В органических молекулах нековалентные связи подразделяют на три типа: ионные взаимо­действия, водородные связи и вандерваальсовы взаимодействия. Четвёртым типом слабой нековалентной связи иногда называют гидрофобное взаимодействие, которое создаётся пространственной структурой воды (14, 58).

В водном растворе нековалентные связи примерно в 100 раз слабее ковалентных, однако в отсутствии воды силы нековалент­ных связей значительно возрастают. К примеру: ионные взаимо­действия в водном растворе сравнительно малы, их энергия равна примерно энергии водородной связи. В отсутствие воды ионные силы очень велики. Они обуславливают прочность ряда минералов, например, мрамора и агата.

Таким образом, в процессе самоорганизации биожидкости и при переходе её в твёрдотельное состояние происходит передача информации о её молекулярной организации на макроскопический уровень.

Результаты многочисленных современных исследований показа­ли, что действие патогенного фактора выражается прежде всего в молекулярных (биохимических) изменениях, невидимых пока морфо­логом. Далее эти изменения начинают проявляться на внутриорга­ноидном, органоидном уровнях, которые становятся доступными при морфологическом исследовании. Следовательно, функциональ­ные изменения идут не впереди морфологических, а являются следствием последних. Если уловить изменения структуры при мо­лекулярных нарушениях, то осуществится возможность ранней, доклинической диагностики, т.е. диагностики на пока ещё бес­симптомном этапе развития процесса.

Следовательно, биологические жидкости являются базисной матрицей живой материи. В физиологических, экстремальных и па­тологических состояниях происходят постоянные изменения моле­кулярного состава биожидкости и характера взаимодействия раз­личных её компонентов. Эти изменения являются маркерами гоме­остаза молекулярного уровня и могут служить основой для диаг­ностики ранних стадий различных заболеваний (136).

Общепризнано, что все биологические системы на всех уров­нях организации функционируют в режиме автоколебаний, которые внешне проявляются как биоритмы (19). Наличие автоколебатель­ных режимов в устойчиво-неравновесных системах тесно связано с проблемой синхронизации внешней среды.

Биологическая жидкость - это система универсальной связи организма с окружающим миром, в которой вероятны различные ти­пы устойчивых колебаний физико-химических, биохимических и морфологических параметров. При этом, как справедливо заметил Х.Бернал (1969) "биологические системы обладают универсальной способностью сохранять и передавать информацию в виде структур и функций" (6).

Таким образом, исследование биологической жидкости как сложной биологической системы с позиций теории самоорганизации позволяет раскрыть координационные принципы её построения и изучить свойства системы как единого целого.

Побудительным мотивом к изучению структурной организации биологической жидкости человека для нас явилось:

- предположение о возможности получения исключительно важ­ной по объёму и содержанию информации при оценке структур твердой фазы биожидкостей;

- отсутствие чётких методологических основ изучения крис­таллических структур биожидкостей;

- наличие достаточно изученных закономерностей кристалли­зации различных веществ в природе, и в связи с этим, возмож­ность разработки конкретных методик исследования структур твердой фазы биожидкостей человека;

- возможность выявления нарушений закономерностей образо­вания кристаллических структур биожидкостей и установление коррелятивных связей между такими нарушениями и ранними докли­ническими стадиями развития патологического процесса.