Dobre vibracije – od celice do družbenega sistema

Srce utripa, možgani oscilirajo, skupina volkov družno zavija, molekule v celici vibrirajo. Kaj imajo skupnega tako različni kolektivni pojavi? Odgovor se ne skriva v kakem posebnem genu, kot bi morda kdo utegnil pomisliti, ampak v dinamičnem načelu organizacije, ki ima skupni imenovalec – koherenco, pojav, ki ga srečamo v zelo širokem spektru področij znanosti od biologije, fizike, kemije, inženirstva, ekonomije pa do družbenih ved.

Življenje je nujno dinamičen proces, ki ga zaznamuje stalen pretok energije in izmenjave informacij. Genski zapis sicer predstavlja načrt za izdelavo vseh molekul, ki omogočajo življenje, toda noben gen ali pa posamezna molekula ne predpisuje, kaj se zgodi, ko se veliko število elementov – najsi gre za molekule, celice ali pa celotne organizme – povezuje v omrežja med seboj prepletenih interakcij, ki tvorijo kompleksni sistem. Taka omrežja imajo sposobnost samoorganizacije, kar pomeni, da spontano, to je brez centralnega nadzornika, ki bi jih usmerjal, tvorijo značilne vzorce in dinamične strukture, ki se porajajo šele na ravni sistema kot funkcijske celote, zato jih ne moremo razložiti le na podlagi lastnosti posameznih elementov. Preprost primer sistemskega ali emergentnega pojava je na primer vrtinec, katerega sestavni deli (na primer molekule vode, zraka) se stalno izmenjujejo, pri čemer nobena posamezna molekula nima lastnosti vrtinca niti nima vseh informacij za njegov nastanek. Podobno je tudi celični metabolizem sestavljen iz številnih med seboj prepletenih »vrtincev« presnovnih molekul.

Ubranost povečuje učinke

Ena najznačilnejših lastnosti tovrstnih dinamičnih sistemov je koherenca ali slovensko skladnost, ubranost, ki pomeni medsebojno usklajeno in organizirano aktivnost množice elementov. V ožjem pomenu koherenca odraža sinhronizirano ali konsistentno sklopitev ritmičnih značilnosti elementov sistema, ki nastane zaradi njihovih vzajemnih interakcij. Šolski primer sinhronizacije je spontana uskladitev gibanja sprva neusklajenih nihal, povezanih prek skupnega nosilca, kar je prvi opisal nizozemski raziskovalec Christiaan Huygens v 17. stoletju. Koherenca ni le zanimiv pojav, ampak povečuje moč in odzivnost sistema zaradi sočasnosti prispevkov posameznih delov: pešci, ki med seboj uskladijo ritem hoje – kar se lahko zgodi namenoma ali pa povsem spontano (glej povezavo v okvirčku) – lahko zamajejo ali pa celo zrušijo most, kadar se frekvenca korakov resonančno ujame z naravno frekvenco mostu.

V biološkem svetu dobro poznani primeri funkcijsko usklajenih aktivnosti so dnevno-nočni ritmi nekaterih fizioloških procesov, možganski ritmi, določeni ciklični metabolični procesi, koordinirano krčenje mišic pri gibanju ter srčni akciji. Ubrani vedenjski vzorci nastajajo tudi pri dinamiki skupin organizmov: eden najmarkantnejših primerov je svetlobno signaliziranje nekaterih vrst kresničk, kjer na tisoče organizmov skoraj popolnoma sočasno proži kratke svetlobne impulze, kar lahko opazujemo na območju več kilometrov in predstavlja svojevrsten naravni spektakel (glej povezavo v okvirčku). Visoko stopnjo koordinacije najdemo tudi pri številnih paritvenih obredih, skupinskih strategijah plenjenja, družnem opozarjanju na teritorij ali pa na prisotnost plenilca, usklajeni dinamiki večjih skupin živali, kot so ptičje in ribje jate, roji žuželk, družine socialnih živalskih vrst (na primer mravlje, čebele) itd. V vseh primerih usklajenost vedenja povečuje odzivnost skupine na zunanje dejavnike ter učinkovitost komunikacije znotraj skupine, kar vsekakor predstavlja selekcijsko prednost.

Kvantna biologija

Kljub številnim primerom koherentne dinamike na ekološki ravni pa velja še posebej poudariti dvoje znanstvenih področij, ki se razvijata izredno hitro in pri katerih koherenca igra ključno vlogo za razumevanje bioloških procesov.

Prvo področje je tako imenovana kvantna biologija, ki v zadnjih nekaj letih doživlja silovit razvoj in postaja samostojna znanstvena disciplina. Ta prodor se je začel, ko je leta 2007 skupina s kalifornijske univerze Berkeley prvič neposredno izmerila tako imenovano kvantno koherenco biološkega procesa, konkretno na delu bakterijskega fotosintetskega sistema, ki posreduje svetlobno vzbujeno energijo elektronov pigmentnih molekul do mesta, kjer se pretvori v kemično energijo. Kvantna koherenca v tem primeru pomeni, da elektron v vzbujenem stanju (ki ga v naravnih razmerah povzroči absorpcija sončevega sevanja) ne preskakuje iz pigmenta na pigment, pri čemer ob vsakem »preskoku« izgubi del energije, pač pa njegova energija porazdeljeno »valovi« vzdolž celotnega makroskopskega kompleksa pigmentnih molekul. Poenostavljeno to pomeni, da se elektron sočasno nahaja na vseh možnih poteh, po katerih lahko prenese svojo energijo do fotosintetskega reakcijskega centra, pri čemer po načelu interference valov vedno ubere tisto pot, ki je najučinkovitejša. Osrednja uganka za raziskovalce pri tem je, kako lahko kljub »toplemu in vlažnemu« biološkemu okolju nastane tako močan in stabilen kvantni pojav, da lahko usmerja makroskopski biološki proces. Najnovejši teoretični modeli, ki se zelo dobro ujemajo z eksperimenti, predvidevajo, da je odgovor v – koherentnih vibracijah nosilne beljakovine, v katero so vstavljeni pigmenti, ki se ujemajo z valovanjem vzbujenih stanj elektronov in jih na ta način resonančno stabilizirajo.

Danes raziskovalci utemeljeno domnevajo, da tovrstna koherenca na ravni molekul ni omejena le na fotosintezo, kot so prvotno menili, temveč je precej bolj razširjen pojav, ki igra pomembno vlogo na primer pri zaznavanju določenih čutilnih dražljajev in pri energijskih pretvorbah v mitohondrijih, po nekaterih domnevah pa je celo splošno razširjen pojav, ki pomembno vpliva na organizacijo bioloških procesov. Za morebitne neposredne dokaze o tej razširjeni vlogi molekulske koherence bo treba počakati še nekaj časa, saj so tovrstne raziskave tehnološko izredno zahtevne in trenutno še na ravni razvoja ustrezne metodologije. Vsekakor pa je že danes jasno, da bomo morali spremeniti razumevanje mehanizmov vsaj nekaterih biokemijskih procesov, ki se kažejo kot mnogo bolj urejeni in natančno regulirani, kot je bilo predpostavljeno do zdaj.

Sistemska nevroznanost

Drugo področje, kjer koherenca prav tako igra osrednjo vlogo, pa je sistemska nevroznanost. Eno ključnih dognanj na tem področju je, da nevroni ne delujejo ločeno in neodvisno od ostalih, pač pa sodelujejo v različno velikih skupinah natančno medsebojno usklajene aktivnosti. Različne mere nevronske koherence, torej sinhronizacije živčnih električnih impulzov in sinhronih elektromagnetnih oscilacij (možganskih ritmov) znotraj in med različnimi možganskimi področji ter v različnih frekvenčnih pasovih (na primer ritem alfa, beta, gama), so funkcijsko povezane tako rekoč z vsemi kognitivnimi procesi: percepcijo (kjer gre za združitev različnih vidikov čutilnega dražljaja v enoten zaznavni konstrukt), spominom, pozornostjo, čutilno-gibalno integracijo, odločanjem in celo zavestjo.

V oscilirajočih nevronskih omrežjih se informacije lahko kodirajo prek frekvence, faze in amplitude oscilacij ter prek časa proženja signalov glede na fazo oscilacije. Posledično časovno usklajena (koherentna) aktivnost nevronov omogoča učinkovitejši prenos informacij, komunikacijo na dolge razdalje ter selektivne interakcije in povezovanje različnih skupin nevronov, vpletenih v isto kognitivno funkcijo. Dinamika koherentnih oscilacij vpliva tudi na sinaptično plastičnost, to je od nevronske aktivnosti odvisno spreminjanje moči sinaptičnega prenosa, ki služi na primer kot podlaga učenju in spominu, torej spreminja možgane in s tem našo duševnost.

Koherenca omogoča izrazito hitrejše, prožnejše in paralelno procesiranje informacij v primerjavi z mehanizmi, ki temeljijo na hierarhiji nevronov in frekvenci proženja nevronskih signalov. Z nekoliko previdnosti lahko špekuliramo, da so koherentni procesi na molekulski in subnevronski ravni funkcijsko povezani s koherentno dinamiko nevronov in nevronskih mrež in na ta način dopolnjujejo klasično sinaptično procesiranje, na kar posredno že kažejo nekateri teoretični modeli in eksperimenti. To bi pomenilo, da je koherenca eno temeljnih dinamičnih načel delovanja možganov, ki sinergično delujejo na različnih organizacijskih ravneh in končno tvorijo materialni substrat kognicije.

Učinkovitejši prenos energije v sistemu

Iz obeh predstavljenih primerov vidimo, kako koherenca kot posledica samoorganizacije sistemov – ne glede na to, na kateri organizacijski ravni obstaja in kakšna je njena konkretna funkcija – povečuje informacijsko kapaciteto in učinkovitost prenosa energije v sistemu. Novejše raziskave medčloveških odnosov in socialne kognicije kažejo, da se koherenca pojavi celo med možgani posameznikov, kadar le-ti sodelujejo v skupni aktivnosti, kot na primer igranju glasbe, socialnih igrah ali različnih načinih komunikacije.

V širšem smislu lahko koncept koherence razširimo tudi na družbeni sistem, kjer ima dobro organizirano usklajevanje in informirano soodločanje vseh članov skupnosti sinergijski učinek za skupno dobro – v nasprotju s hierarhičnimi in izključevalnimi modeli, ki ne morejo v takšni meri aktivirati potenciala kolektivne inteligence in samorealizacije posameznika – na kar navsezadnje kažejo tudi progresivni modeli razvijajočih se podjetniških in družbenih praks.

Dr. Matej Plankar, univ. dipl. biol. in Simon Brežan, dr. med.