Математики нашли подход к адаптации

Математическая модель адаптации помогает понять, как живые существа приспосабливаются к среде обитания.

Математики из Сибирского федерального университета сделали то, что не удавалось никому на протяжении почти 80 лет, – используя понятие адаптационной энергии, введённое ещё в 1938 году Гансом Селье, они разработали математическую модель адаптации живых организмов к различным факторам. Результаты работы опубликованы в журнале The Journal of Theoretical Biology.

Ганс Селье был выдающимся медиком, заложившим основы современного учения о стрессе. В 1949 году его даже номинировали на Нобелевскую премию. Селье рассматривал физиологический стресс как реакцию организма на любые предъявленные ему требования. Таким образом, процесс адаптации, приспособления организма к любым факторам обязательно связан со стрессами.

Работая в конце 1920-х годов в пражской университетской клинике инфекционных болезней, Селье обратил внимание на то, что первые проявления различных заболеваний совершенно одинаковы. Из этого он сделал вывод, что любая болезнь запускает одни и те же выработанные в процессе эволюции механизмы адаптации.

В 1938 году Селье пришел к мысли, что приспосабливаясь, организм расходует некий ресурс, заданный при рождении – «адаптационную энергию». Если она  полностью исчерпывается, организм погибает. Свои взгляды Селье изложил в работе «Экспериментальные доказательства, подтверждающие концепцию адаптации энергии».

С помощью этой концепции  можно было бы построить научную теорию адаптации в стиле термодинамики в физике. Однако представлять адаптационную энергию в буквальном физическом смысле, как физической величины, вряд ли было возможно. Да и сам Селье не указал, как её можно измерить непосредственно, а без измерения её было бы трудно использовать в науке. Противники идеи утверждали, что измерить адаптационную энергию  вообще нельзя. В результате на протяжении почти 80 лет никто так и не смог предложить, как практически использовать её в точных исследованиях.

Исследователи из Института математики и фундаментальной информатики Сибирского федерального университета (Красноярск) во главе с известным российским ученым А.Н. Горбанем, который также представляет университет Лестера (Великобритания), смогли найти решение этой задачи. Они сумели, сформулировав ряд аксиом, формализовать идеи Селье об энергии и динамике адаптации и построить систему моделей.

Рассматривая адаптационную энергию как некую внутреннюю координату на «доминантном пути» в модели адаптации, авторы работы полагают ее краеугольным камнем в подходах к моделированию процессов адаптации. При этом они опирались на идеи Б. Голдстоуна, который отрицал утверждение Селье, что количество адаптационной энергии ограничено. По мнению Голдстоуна, адаптационная энергия может восстанавливаться и даже накапливаться в результате определенного «тренинга».

Горбань и коллеги исходили из того, что приспосабливаемость к вредным факторам может расти, и подобная оптимизация влияет на распределение ресурсов, которые идут на нейтрализацию вредного воздействия. Анализ различных оптимальных стратегий позволил разработать теорию, с помощью которой можно предсказывать кризисы, случающиеся в процессе адаптации.

Моделирование показало, что при определенных условиях возникают динамические режимы, получившие названия осциллирующей (колеблющейся) смерти и осциллирующего восстановления (ремиссии) – состояние организма колеблется, образуя устойчивый цикл. Так происходит, например, у больных, которые лежат в клинике на протяжении долгого времени.

Однако, как следует из результатов исследования, проблема здесь может быть вовсе не в изменениях окружающих условий – причина возникновения подобных колебаний кроется не в переменчивости внешних факторов, а в самом механизме адаптации.

По материалам университета Лестера