Компас является разделом проекта о ученых, работающих в науках о "живых системах". Их деятельность определяет будущее.
ВАСИЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ НОВОСЕЛЬЦЕВ -
АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ МИХАЛЬСКИЙ -
Осуществлялось моделирование с помощью электронно-вычислительных аналоговых машин (ЭВМ) , которые решали: уравнение полета самолета, уравнение полета ракеты - и организовывали их встречу. Чуть позже моделирование стали использовать и для космических целей.
Василий Новосельцев: Американский биолог Майкл Роуз (Michael Rose) однажды написал: "Математики, физики и специалисты в области математической популяционной генетики могут плести обширные сети математических теорий, которые кажутся полностью лишенными эмпирического значения".
Наиболее известный случай обнаружения качественно нового явления – история открытия восьмой планеты Солнечной системы - Нептун,
Французский астроном Урбен Леверье(Urbain-Jean-Joseph Le Verrier ) в 1845 году предсказал появление новой планеты, проанализировав математическую модель аномального движения Урана и предположив, что оно вызвано гравитацией неизвестного небесного тела.
В 1846 году немецкий астроном Иоганн Галле (Johann Gottfried Galle) проверил его расчеты наблюдательным путем и действительно обнаружил Нептун в заданной Леверье точке координат.
Анатолий Михальский: Тем, что напрямую теоретически их решать нельзя.
В конце 40-х годов наш выдающийся математик, академик Андрей Николаевич Тихонов предложил решать некорректные задачи методом приближения, введя понятие регуляризации.
А в биодемографии похожую задачу сформулировал американский исследователь, энтомолог : Джеймс Кери (James R. Carey)
Василий Новосельцев: Ну, во-первых, не только в геронтологии. А во-вторых, действительно, изучение процессов старения на компьютерных моделях уже дало название новой дисциплине - «геронтология in silico»
Василий Новосельцев: В журнале «Science» в 2002 году была опубликована интересная статья Джима Оппена(Jim Oeppen)и Джеймса Вопеля, (James Vaupel) называвшаяся «Разрушенные пределы продолжительности жизни».
Исследователи взяли в историческом разрезе страны с максимальной продолжительностью жизни и построили линейную математическую модель увеличения максимальной продолжительности жизни в странах-лидерах. Например, в первой половине XIX и в начале XX века максимальная продолжительность жизни была зафиксирована в Новой Зеландии и Норвегии.
Василий Новосельцев: В конце 70-х - начале 80-х годов
Первым на это обратил внимание профессор Виталий Кимович Кольтовер из Института проблем химической физики.
А ученые Леонид и Наталья Гавриловы, работавшие тогда в Институте физико-химической биологии МГУ им. А.Н.Белозерского (сейчас в Центре проблем старения /Чикаго/США), подхватили эту идею, развили ее и изложили в одной из своих работ, как теорию надежности старения и долголетия.
Василий Новосельцев: Одна из наиболее перспективных на сегодняшний день теорий старения – свободно-радикальная теория, выдвинутая в 1955 году Дэнхемом Харманом (Denham Harman).
То есть, скорость старения организма зависит от темпа потребления им кислорода и от эффективности его антиоксидантной защиты.
В 1989 году академик Александ Михайлович Уголев опубликовал работу "Естественные технологии биологических систем", где рассмотрел пищеварительную систему и ее участки, выполняющие разные функции (порядка двадцати), как совокупность естественных технологий. Эта модель понравилась мне своей технологичностью.
Как я уже сказал, 2-5 % кислорода, рутинно потребляемого организмом образуют ядовитые формы. Эти травмирующие вещества портят внутренние структуры клеток. Они возникают не только в процессе дыхания, но из-за болезней, травм, стрессов. Эти добавки называются «аллостатическими нагрузками». И они модулируют процесс старения. То есть индивидуальное старение – это снижение темпов потребления кислорода, снижение устойчивости организма к к внутренним и внешним стрессовым воздействиям. Если посчитать экспоненту (как человек старится и как к 100 годам умирает), то на нее будут накладываться аллостатические нагрузки, которые будут сдвигать ее. И человек вместо 100 проживет 80 или 90 лет.
Если учитывать, что зафиксированная максимальная продолжительность жизни на сегодняшний день равна
Анатолий Михальский: В 1825 году математик Бенджамин Гомпертц (Benjamin Gompertz), служивший актуа́рием в страховой компании, вывел простую формулу (фактически модель данных) для расчета страховых премий.
Исскуственный пример закона Гомпертца-Мейкхама для человека (при игнорировании детской смертности и гетерогенности)
График 2 : Размер популяции
В 1960-м году Бернард Стрелер (Bernard Louis Strehler) и Алберт Милдван (Albert S. Mildvan) опубликовали в "Science" наблюдения о том, что между параметрами закона Гомпертца существует обратная связь. То есть, если в обществе, условно говоря, происходят изменения, то начальная смертность и темп старения изменяются в противоположные стороны.
В дальнейшем это наблюдение получило название корреляции Стрелера-Милдвана и статус фундаментальной закономерности. Следуя этой закономерности увеличение продолжительности жизни людей должно приводить к «ректангуляризации» кривой дожития. То есть, в идеале все должны умирать в одинаковом возрасте, соответствующем видовой продолжительности жизни человека.
Однако, новейшие исследования группы профессора Анатолия Яшина показали, что во второй половине ХХ века связь между параметрами α и R изменилась так, что кривая дожития людей в разных странах стала смещаться вправо.
График 3: Зависимость смертности от возраста мужского населения Швеции в XIX—XX веках -
Аналогичные изменения на кривой дожития наблюдаются и при изменении температуры содержания нематод C.elegans -червей дикого типа. А для долгоживущих мутантов это не так. Для них растягивается шкала времени. Почему? Какие аналогии? Демографам, геронтологам, биологам есть над чем подумать. В этом и заключается эффект математического моделирования.
Вот Алексей Матвеевич Оловников выдвинул теломерную теорию старения. Потом отказался от нее в пользу редумерной теории. Но теломерная теория после этого не исчезла. Что с ней теперь делать?
Анатолий Михальский: Я уже упоминал профессора энтомологии Джеймса Кери.
Анатолий Михальский: Кери ставит эксперименты в промышленных масштабах. На севере Мексики есть фабрика, на которой миллионы и миллионы мух выращивают, стерилизуют и выпускают в естественную среду. Эти мухи вытесняют естественных обитателей тех мест. И уже в природе за ними ведется наблюдение.
Василий Новосельцев: Такие исследования – это уже биодемография. Абсолютно новая наука -синтез биологии с демографией и энтомологией.
И вот, в конце 70-х годов демограф Натан Кейфиц (Nathan Keyfitz) высказал интересную мысль, которая до этого, видимо, не приходила в голову исследователям: почему бы не считать, что популяция состоит из различных членов, (а статистика всегда считает, что популяция - это ансамбль, в котором каждый элемент подобен другому). То есть, в популяции присутствуют более слабые и менее слабые особи: более подверженные и менее подверженные. Из этого предположения появилась теория неоднородной популяции и была разработана математическая теория гетерогенности (неоднородности), объясняющая, почему с возрастом замедляется рост смертности. Но важно понимать, что замедляется смертность в популяции. Смертность отдельных индивидуумов при этом вовсе не обязана замедляться и может расти следуя закону Гомпертца.
Анатолий Михальский: Интересно, что эффект неоднородности присущ не только живым популяциям. В Институте Демографических Исследований Общества Макса Планка поставили эксперимент над лампочками. Включили 50 тысяч лампочек и долго вели наблюдение за тем, как они перегорают. Была получена такая же кривая замедления интенсивности выхода из строя лампочек, что и для живых популяций.
Исследования на модельных животных показывают, что на обслуживание репродуктивной функции у дрозофил затрачивается 40% всего энергетического ресурса организма. Остальное расходуется на поддержание биосистемы в рабочем состоянии. И старение - это следствие недостаточности ресурса.
Василий Новосельцев: Американский исследователь Роберт Аркинг (Robert Arking) из Детройта путем селекционного отбора создал популяцию долгоживущих мух. Для этого ему использовал 21 поколение дрозофил.
Василий Новосельцев: Еще в 2001 году мы на компьютере повторили классические эксперименты знаменитого эволюционного биолога Джона Смита (John Maynard Smith) 1960-х гг., в результате чего удалось объединить две теории старения – теорию темпа жизни и пороговую теорию. В 2003 году научились анализировать индивидуальные паттерны репродукции. В прошлом году смогли предсказать продолжительность предстоящей жизни. Все это относится, конечно, к плодовым мушкам.
Кроме того, есть очень опасные эпидемиологические заболевания, развитие которых тоже может предсказать математическое моделирование. Например, малярия.
Василий Новосельцев: На роботах.
И за пожилым человеком у них будут ухаживать роботы.
Анатолий Михальский: Индивидууму, принимающему решения, часто бывает трудно осознать проблемы популяции. Джеймс Вопель, директор Института Демографических Исследований Общества Макса Планка в Германии, сравнил демографа с буревестником, который, видя с высоты приближение бури, пытается криком предупредить политика, отдыхающего на пляже.
Василий Новосельцев: Но в прошлом году, наконец, Академией наук были заявлены три новые приоритетные научные направления.
Василий Новосельцев: Мне кажется, что общее мнение пока такое - зачем жить долго, если жить так сложно.