Существует два типа основных алгоритмов, каждый из которых имеет огромное многообразие комбинаций: линейные и нелинейные. Линейный алгоритм можно представить в виде копировальной машины, способной сжимать, т. е. уменьшать изображение, или увеличивать его. Таким образом, благодаря повторяющимся операциям, формируется образ объекта. Примером работы подобных алгоритмов служит изображение листа папоротника, треугольник Вацлава Серпинского, впервые описавшего этот объект ещё в 1916 году. Треугольник Серпинского обладает самоподобием, выражающемся в том, что каждая его часть, сколь малой она не была бы, воспроизводит структуру всего большого треугольника [17].

Другой тип фрактальных алгоритмов является нелинейным. Для этого используются итерационные циклы, имеющие степенные функции, иногда реализуемые в комплексных числах. Собственно такое изображение было получено Мандельбротом и получило название в его честь.

Несмотря на то, что эти функции достаточно просты, при проведении компьютером огромного количества операций с их помощью удаётся строить модели, в принципе, любых природных и биологических объектов. Поэтому фрактальная геометрия является языком объектов, и сомнения в её применимости к многообразию природы отпадают. Причём это не только просто воспроизведение природных структур, фрактальная геометрия даёт количественные характеристики тех или иных сложных конструктов, выраженные в понятиях фрактальной размерности, например, Хаусдорфа – Безиковича, Минковского и других [18].

Оказалось, что и динамические системы, демонстрирующие сложное хаотическое поведение при их моделировании, воспроизводят фрактальную структуру. К таковым можно отнести аттрактор Лоренца, возникающий в погодных явлениях, универсальность Фейгенбаума в турбулентности и даже в броуновском движении. Если при визуализации тех или иных процессов (для этого используется аппарат построения фазового пространства состояний) возникает фрактал, то, как правило, это след хаоса.

В человеческом организме много фракталоподобных структур, но чистые фракталы и в природе, и в биологических системах практически не встречаются. Как уже отмечалось, фракталы обладают самоподобием, или как говорят математики, они инвариантны относительно масштабирования, демонстрируя одинаковую структуру на разных уровнях рассмотрения. Фрактальные структуры, как правило, являются следом хаотических процессов. Поэтому динамический детерминированный хаос имеет тесную связь с этими объектами и проявляет себя в фазовом пространстве состояний в виде фрактальных или фракталоподобных структур.

Биологические системы имеют множество фракталоподобных образований [19]. К ним относятся структура кровеносных сосудов, нейронные сети, в том числе коры головного мозга. Фрактальное строение тонкого кишечника заметно увеличивает поверхность всасывания. Наиболее явно демонстрирует фрактальную природу структура дыхательных путей, которая обеспечивает более высокий уровень газообмена. Фракталоподобной структурой обладают сердечные артерии, что повышает устойчивость к повреждающим факторам, которые могут вызвать инфаркт миокарда. Несмотря на то, что анатомические и гистологические фрактальные структуры выполняют разные функции в организме, имеется нечто общее, что их объединяет. А именно, они обеспечивают запас прочности и устойчивости к различным действующим факторам, которые могут иметь и повреждающее воздействие.

Особый интерес представляет физиология и клиническая практика динамической работы сердца. Традиционно в физиологии и медицине сложилось представление о том, что ритм сокращений здорового сердца носит устойчивый регулярный характер, т. е. интервалы между сокращениями (ударами) сердца являются постоянными. Данные записи стандартного ЭКГ подтверждали эту точку зрения. Тем не менее тщательный анализ показал, что даже у здоровых людей ритм подвержен значительным колебаниям. На протяжении почти полувека господствовала концепция гомеостаза, согласно которой физиологические системы стремятся поддерживать постоянство своей среды и функций, возвращаясь, несмотря на флюктуации, к состоянию устойчивого равновесия.

Согласно этой концепции, вариабельность ритма сердца (ВРС) – это просто временные ответные реакции на воздействия внешних факторов. Многообразные влияния на ВРС, включая нейрогуморальные механизмы высших нервных центров, обуславливают нелинейный характер изменений ритма сердца, т. е. в основе феномена ВРС лежат случайные и случайно-подобные процессы, следовательно, наиболее точно и полно отображающими ВРС методами должны служить методы нелинейной динамики. Используя подход к вариабельности ритма сердца как к стохастическому феномену, следует пересмотреть методологию её изучения. В этом случае стандартные математические методы анализа оказываются ограниченными, так как являются неспособными оценивать явления, принципиально отличающиеся от традиционных линейных процессов. Поэтому становится понятным несостоятельность широко применяемых в клинике линейных математических методов и возникает необходимость в разработке новых способов оценки ВРС, которые бы позволили наиболее точно характеризовать это явление [20].

Совсем другая картина обнаруживается, если временная дискретизация ЭКГ в его стандартной форме 0,5–0,25 с заменяется на 1–4 мс. В результате ритм сердца приближается к хаотическому, а его визуализация в фазовом пространстве демонстрирует фрактальную природу. Применение методов оценки фрактальной размерности подобных образов устанавливает прямо противоположную парадигму. Именно здоровое сердце при такой дискретизации сигнала обнаруживает хаотичность своей работы. И наоборот «скатывание» в периодику и регулярность, проявляющееся в виде изменения фрактальных показателей, свидетельствует о надвигающейся катастрофе, что подтверждается в современных клинических исследованиях.

Новая парадигма утверждает, что нерегулярность, непредсказуемость, хаотичность являются характеристиками здоровья, а снижение изменчивости, потеря хаотичности, возникновение выраженной периодичности служат признаками надвигающейся или уже существующей патологии.

Рождение НЕ́ЧТО из НИЧТО́. Как из хаоса возникает порядок

Возможно ли, что дверь в закрытой комнате без внешних воздействий загорится сама собой, или в пирамиде самозаточится лезвие бритвы? Современная наука может утвердительно ответить на эти вопросы.

При комнатной температуре молекулы воздуха (являющиеся метафорически твёрдыми и жёсткими шариками) находятся в беспорядочном движении, и именно поэтому они не оказывают существенного воздействия на объекты, находящиеся в помещении. Их траектории, как утверждает кинетическая теория, носят вероятностный характер, но всё же существует хоть и чудовищно малая возможность, что, когда движение станет упорядоченным и направленным, большая часть молекул (или они все) ринется потоком на дверь, что приведёт к её возгоранию вследствие кинетического удара.

Но как может самозаточиться лезвие в пирамиде, причём известно, что даже колонии микроорганизмов, находящиеся в её центре, практически не размножаются? А если предположить, что именно форма пирамиды при взаимодействии с движущимися частицами индуцирует расслоение хаотического движения и направляет часть этого потока на лезвие, которое затачивается вследствие механического воздействия?

Возникает резонный вопрос, существуют ли способы, позволяющие нарастить минимальные вероятности подобных реализаций, обойдя второй закон термодинамики и открыть условия перехода хаоса в порядок? Ещё в XIX веке были известны явления подобного рода – ячейки Бенара, когда вязкая жидкость под действием небольшого, но строго определённого количества тепла вместо того, чтобы случайным образом распределяться по поверхности, формировала сотовую структуру, обусловленную конвекционными потоками.

Для того чтобы понять всю сложность подобного рода переходов, необходимо напомнить смысл основных понятий, где под хаосом понимается высокая степень энтропии, беспорядочность, неопределённость, случайность и непредсказуемость. Напротив, под порядком понимается малая степень энтропии, определённость, периодичность, предсказуемость, наличие закономерностей.

Каким же образом первое способно перейти во второе? Системный подход, исследующий эту проблему, сформировался в науке в конце XX века, что привело к возникновению новой области междисциплинарных исследований, получившей название синергетики. Творцами этой науки являются И.Р. Пригожин и Г. Хакен, установившие некоторые условия таких переходов: наличие открытых систем, осуществляющих обмен информацией, веществом, энергией с внешней средой и имеющих избыток энергии в самой системе. Следует отметить приоритет отечественных учёных Б.П. Белоусова и А.М. Жаботинского, открывших периодические реакции в химических процессах, считавшиеся невозможными с точки зрения официальной науки 50-х годов XX века, поскольку постулировалось, что химические взаимодействия между молекулами носят беспорядочный характер [21]. И только когда Жаботинский построил математическую модель брюсселятора, соответствующую этой химической реакции, пришло признание существования не только периодических автоколебательных процессов, но и возникновения упорядоченных структур и спиральных волн в химии.

Возникшие теория динамических систем и её часть – нелинейная динамика (физика хаоса), установили наличие частичной расчётности в хаотических явлениях. Прежде всего, речь идёт о детерминированном хаосе, особых явлениях, вызываемых жёсткими определёнными факторами, самими по себе не несущими никакой случайности, тем не менее под воздействием которых, системы демонстрировали хаотическое поведение. Используя математический аппарат фазового пространства, удалось визуализировать поведение динамической системы, что привело к открытию странных аттракторов – зон, в которых осуществляется реализация хаотических процессов.

Аттракторы – это участки фазового пространства, куда стремятся траектории процессов. Странные аттракторы отвечают за поведение хаотических систем и имеют необычную геометрию. Они относятся к фракталам, демонстрирующим одинаковое строение на разных уровнях масштаба, и в перспективе способным послужить основой для исследования управления перехода от хаоса к порядку.

3D визуализация множества Мандельброта, одного из самых сложных объектов фрактальной геометрии. Построено в программе WinSet 3.0 [22]

Особо следует отметить работу английского математика Рамсея, доказавшего теорему, согласно которой даже в хаосе есть порядок, и хотя он очень «хрупок», но он существует и чем больше мощность хаоса, тем больше в нём элементов порядка [23]. Наши древние предки распознали в созвездиях образы животных и людей, так появились знаки Зодиака. Современный человек видит в созвездиях правильные геометрические фигуры, которые в принципе не могли бы возникнуть, так как распределение звёзд в Галактике имеет случайный характер. Данные формы и представляют собой следствие теоремы Рамсея, поскольку количество звёзд, находящихся в случайном движении составляет огромное множество (по некоторым оценкам 200 млрд). Этого вполне достаточно для возникновения элементов порядка, чем и являются на самом деле данные структуры. Следствие теоремы Рамсея может послужить основой для наращивания порядка не только в детерминированном хаосе, но и в стохастических системах, где действует огромное количество факторов.

А что же происходит в космосе? Почему-то никто не обращает внимание на то, что термоядерные процессы, протекающие в звёздах, приводят к усложнениям. Ведь в звёздах из простейшего атома водорода синтезируются все сложные элементы периодической системы. Жизнь и человечество являются продуктами жизнедеятельности этих объектов, если бы их не было, то не было бы атомов, сложных соединений, в том числе органических, из которых состоит белковая жизнь. До сих пор современной науке не понятен феномен возникновения живой системы, являющейся сверхупорядоченной, устойчивой, самоорганизующейся и самовоспроизводящейся. Остаётся только надеяться, что наука ближайшего будущего будет способна ответить на эти вопросы.