Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Активные процессы на Солнце и биосфера

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора физико-математических наук, Владимирский, Борис Михайлович, Симферополь



Крымский астрофизическая Обсерватория Гос. Комитета по науке я технологам Украины

На правах рукописи

ВЛАДИМИРСКИЙ Борис Михайлович

АКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА СОЛНЦЕ И БИОСФЕРА

(03.00.02 Биофизика)

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени деасгора физико-математических наук

' :. р 3 3 ИД

решение от' грцсудил. у^еч.

о-

.............]

N '14

К- -;,>.л г и к '!

■Х±-

■

На правах рукописи

ВЛАДИМИРСКИЙ Борис Михайлович

АКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА СОЛНЦЕ И БИОСФЕРА

(03.00.02 Биофизика)

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Симферополь - 1997

Работа выполнена в Крымской астрофизической Обсерватории Гос. Комитета по науке и технологии Украины

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. А. М. Молчанов

доктор биологических наук, проф. Е. Е. Фесеяко

доктор физико-математических наук, проф. М. И. Пудовкин

Ведущая организация: Объединенный Институт Физики Земли РАН

Защита состоится 24 декабря 1997 г. в 13. 00 часов на заседании Диссертационного Совета Д-200.22.01 Института теоретической ж экспериментальной биофизике РАН (142 292, Московская обл., г. Пущино, ИТЭБ

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ИТЭБ РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана 24 ноября 1997г.

РАН).

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат биологических наук

оЗчч

(I

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность проблемы

Вопросы солнечно-земных связей являются предметом разносторонних и углубленных исследований уже более полутора столетий. Однако, далеко не во всех случаях удалось достигнуть ясного понимания механизмов этих явлений (даже в настоящее время). Особого внимания заслуживает проблема влияния солнечной активности на биологические процессы, У ее истоков стояли крупные ученые (В. Гершель, Св. Аррениус) Уже в первой половине текущего столетия были проведены серьезные систематические статистические исследования (А. М. Чижевский, Т. Дюлль, А. Дюлль, А. Дуглас, Дж. Пиккарди, Н. С. Щербиновский и др.). Однако и по сей день в в этой области нет обобщающих теоретических представлений. Одна из причин сложившегося положения — ярко выраженный междисциплинарный характер проблемы. Не менее важно и то, что только в самое последнее время знания в Некоторых сопредельных дисциплинах, очень важных для развития этой проблемы (биофизика микродоз, биометеорология, биоритмология) достигли надлежащей степени полноты. В наши дни эффекты гелиогеофизических возмущений переоткрыты заново благодаря применению новейших исследовательских технологий для широкого круга биологических процессов. Если привлечь для анализа прежде невостребованные блоки эмпирических данных, то такие эффекты обнаруживаются для всех основных подразделений биологической систематики: на перепады солнечной активности реагируют как отдельные клетки бактерий и культивируемых тканей, так и организмы космонавтов, работающих на орбитальной станции "Мир". Разобраться в механизмах подобных реакций — теперь насущная необходимость. Такая необходимость оказывается тем более острой, что сейчас началась разработка практических мероприятий по защите организма больных людей от упомянутых возмущений. Аналогичная практическая проблема возникает в связи с открытием однотипных эффектов солнечной активности в физико-химических процессах. Не менее важно понимание этих механизмов в связи с открытием космических ритмов в динамике различных биологических показателей.

1.2. Цели и задачи исследований

Основной целью настоящей работы являлась разработка модельных представлений, описывающих влияние солнечной активности на широкий круг биологических явлений.

Важнейшими задачами, решение которых было необходимо для реализации сформулированной выше цели, были следующие:

1. Выявление основных феноменологических закономерностей связей "солнечная активность — биосфера".

2. Выделение параметров среды обитания, которые контролировались бы солнечной активностью и одновременно — хотя бы частично — позволяли бы описать эмпирические закономерности солнечно-биосферных связей.

3. Анализ периодической составляющей динамики биологических систем и ритмической структуры среды обитания.

4. Экспериментальная проверка биологической эффективности важнейшего гипотетического фактора-посредника солнечно-биосферных связей — электромагнитных полей низкой частоты — в условиях лабораторного модельного эксперимента.

5. Анализ экспериментальных данных по действию слабых электромагнитных полей на физико-химические системы.

1.3. Научная новизна работы

В процессе выполнения описываемой исследовательской программы был впервые систематизирован и проанализирован большой эмпирический материал из самых разных областей биологии и медицины. На этой основе были впервые сформулированы общие феноменологические закономерности солнечно-биосферных связей. Обнаружен эффект секторных границ межпланетного поля — как для биологических систем (бактериальные культуры), так и для систем физико-химических — (Р-тест Пиккарди). Впервые выделен класс параметров внешней среды — переносчиков эффектов солнечной активности в биосферу. Большинство этих параметров не учитывается обычно в современной экологии (атмосферное электрическое поле, атмосферный инфразвук, низкочастотные электромагнитные поля). Из сопоставления глобальной ритмики среды обитания и спектров мощности биологических показателей впервые обнаружена глубокая общность временной структуры внешней среды и динамики биологических показателей. Впервые сделан вывод о том, что адекватной характеристикой биологической системы любой степени сложности должен быть

ее спектр ритмов в широком диапазоне периодов — от часов до многих месяцев или даже нескольких лет.

В лабораторных экспериментах впервые показано, что электромагнитные поля диапазона низких и сверхнизких частот биологически эффективны при надряженностях, приближающихся к естественным. Сформулированы некоторые закономерности биологического действия слабых электромагнитных полей. Впервые дана непротиворечивая само согласованная интерпретация результатов экспериментов по электромагнитному экранированию.

Впервые построена общая качественная модель солнечно-биосферных связей, позволяющая истолковать практически все эмпирические данные, накопленные за десятилетия развития исследований по рассматриваемой проблеме. В предложенной схеме впервые удалось построить непрерывную причинно-следственную цепочку взаимосвязей — от события на Солнце до фиксируемого биологического эффекта в конкретной биосистеме (без привлечения каких-либо экзотических неортодоксальных предположений).

1.4. Научно-практическая ценность работы

В своей основной части работа относится к фундаментальным исследованиям междисциплинарного характера, интегрирующим данные гелиофизики, космической физики и ряда разделов биофизики, экологии и биоритмологии. Некоторые из результатов работы могут найти применение в других разделах науки. В частности,

в ЭКОЛОГИЮ вводятся новые показатели, которые до сих пор либо не учитывались вовсе (вариации интенсивности инфразвука, электрическое поле атмосферы, изменения электромагнитных полей низких — сверхнизких частот), либо учитывались недостаточно (вариации приземного ультрафиолетового излучения в полосе В); в БИОФИЗИКЕ НЕИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ должны учитываться данные о спектре действия электромагнитных полей сверхнизких частот; в БИОРИТМОЛОГИИ должны учитываться некоторые космические ритмы, в частности, с периодами короче суток— около двух часов, 6 часов, 8 часов — они прежде не принимались во внимание. Впервые показано, что в экспериментальной практике, в метрологии электромагнитные поля низких — сверхнизких частот могут выступать как неконтролируемый внешний агент, который может быть источником дополнительных вариаций или даже приводить к экспериментальным артефактам (срабатывание гравитационных антенн Вебера, квазипериоди-

ческие вариации космологического красного смещения в линии 21 см, дополнительные аномальные вариации в некоторых внеатмосферных астрофизических измерениях). Отмечается, что понимание механизмов солнечно-биосферных связей важно для разработки некоторых практических приемов медицины — например, учета биологической ритмики при применении фармакологических препаратов, превентивном применении лечебных процедур при наступлении крупномасштабных гелио-геофизи-ческих возмущений.

1.5. Апробация работы

Результаты работ, выполненных при реализации данной исследовательской программы, систематически докладывались на семинарах в различных научных институтах — ИЗМИР АН, Институт физики Земли, Институт медико-биологических проблем, а также на заседаниях специализированных Советов: Совет Солнце — Земля, Совет по геомагнетизму РАН, Совет по биологическому действию неионизирующих излучений. Работы представлялись в качестве докладов на Международные кон грессы по Биометеорюлогии (8-й, 10-й и 14-й) и Международный Симпозиум по Гео-космическим связям (Амстердам, 1989). Отдельные результаты докладывались также на Симпозиумах по магнитобиологии (1971 1984 гг.) и Международных Симпозиумах "Космофизические флуктуации в биологических и физико-химических процессах" (1983, 1990, 1993 и 1996 гг.). Обзорный доклад по проблеме был представлен на 20-й Ассамблее Международного Союза геодезии и геофизики (Вена, 1991)

1.6. Публикации

По материалам работы имеется 44 публикации, в том числе четыре монографии (в соавторстве). Список опубликованных работ представлен в разделе 7.

1.7. Положения, выносимые на защиту

1. Феноменологические закономерности солнечно-биосферных корреля ционных связей, являющиеся результатом анализа эмпирических данных различных данных биологии; перечень экологических фа кто ров, опосредующих воздействие гелио-геофизиэических возмущений на биологические системы; конкретные варианты качественных моделей, описывающих воздействие различных проявлений солнечной активности на организмы.

2. Экспериментальное обоснование важной экологической роли естественных электромагнитных полей среды обитания, особенно диапазона низких и сверхнизких частот.

3. Экспериментальное обоснование эффектов влияния солнечной активности на поведение некоторых физико-химических систем, а также интерпретация данных, касающихся влияния границ секторов межпланетного магнитного поля на параметры таких систем.

1.8. Благодарности

Работа не была бы выполнена, если бы не многолетнее сотрудничество с биологами разных специальностей и медиками, прежде всего — сотрудниками симферопольского Гос. Университета и Крымского Медицинского Института профессорами Ю. Н. Ачкасовой, А. М. Волынским и Н. А. Темурьянц. Автор выражает им глубокое уважение и сердечную признательность.

2. Построение "феноменологического портрета" физического фактора, реализующего солнечно-биосферные связи. Экологические параметры, удовлетворяющие выведенным общим закономерностям.

Накопленные эмпирические данные, (в том числе — собственные) включают в себя статистические данные наблюдений над бактериями и водорослями, высшими растениями, насекомыми, птицами, обитателями водной среды. Это — работы, выполненные различными исследователями при решении своих специальных задач, содержат необходимую информацию в качестве побочного результата и составляют несколько сотен публикаций см. библиографию [3, 9].

Особняком стоят наблюдения над организмом человека, здорового и больного. Весь этот корпус данных позволил получить довольно подробную информацию о свойствах действующего агента. При этом анализировались отдельные проявления солнечной активности для всего набора гелио-геофизических индексов: числа Вольфа, радиоизлучение на различных частотах, ионосферные данные, индексы магнитной активности Ар, АЕ, данные о секторной структуре межпланетного магнитного поля, данные о параметрах солнечного ветра.

Соответствующие данные брались из международных сводок или получались из МЦДБ2. Некоторой трудностью для анализа является то, что при крупных гелиофизических возмущениях почти все геофизические поля среды обитания изменяются почти одновременно и синхронно.

Нижеприведенный пример иллюстрирует ход рассуждений. Магнитная буря с внезапным началом — это не столько изменения к ваяй статического магнитного ноля на средних и низких широтах (<0,5%), сколько возрастание (в десятки раз) электромагнитного поля на звуковых частотах, усиление электромагнитного и акустического полей (в сотни раз) в диапазоне сверхнизких частот, усиление радиоактивности атмосферы в обширных регионах суши, сопровождаемое существенными вариациями атмосферного электрического поля. Такая магнитная буря является эффектом точечного взрыва в солнечной хромосфере. Сам такой "взрыв" (хромосфер ная вспышка) проявляет себя в среде обитания как низкочастотное электромагнитное возмущение довольно специального типа. Два эти события разнесены по времени (благодаря разному запаздыванию относительно явления на Солнце) приблизительно на 1,5 суток. Рассмотрение эффектов этих событий раздельно в различных биологических показателях для биообъектов, находящихся в разных ситуациях и в географически разных регионах, позволяет понять, сигнал какой физической природы мог бы быть получен (или не получен) в данном рассматриваемом случае. Для подобного анализа, конечно, очень важно имеет ли место корреляция некоторого биологического показателя с параметрами, скажем, ионосферы и в каких именно условиях находится наблюдаемый объект (для физиологических показателей растений — в фитотроне или в открытом грунте). В проводимом таким образом анализе широко используется также информация о зависимости каких-либо переменных среды обитания от тех или иных гелио-геофизических индексов. Так, классические индексы магнитной активности (С1, Ар и т. п.) отражают изменения в спектре электромагнитного поля в диапазоне крайне низких частот: более - менее устойчивое возбуждение геомагнитных микропульсаций определенного типа (радиоволн магнитосфернош происхождения) связано с определенным диапазоном их значений и конкретной гелиогеофизической ситуацией. Геомагнитные микропульсации с частотой порядка герца и характерной амплитудной модуляцией возбуждаются обычно в геомагнитно спокойные интервалы, пульсации типа Рс4 — на заключительной фазе развития геомагнитных бурь и т. д.

Итог проведенного анализа может быть кратко суммирован в виде двух основных блоков обобщенной информации. Первый из них касается важнейших феноменологических свойств фактора, через который реализуются солнечно-биосферные связи (понятно, что таких факторов может быть несколько). Эти свойства таковы (номера ссылок соответствуют списку публикаций раздела 7):

1. Влияющий агент действует в довольно больших пространственных масштабах — одновременно на территории в тысячи километров (именно таковы характерные расстояния, на которых обнаруживаются синхронные "всплески" в частоте следования случаев в статистике сердечно-сосудистых катастроф или аварийности на автомобильном транспорте) [3, 9, 14].

2. Действие агента модифицируется (или акцентируется) при изменении географической широты. Как правило, эффект воздействия делается более ясно выраженным при переходе от умеренных широт 45° к более высоким, вплоть до зоны максимальной повторяемости полярных сияний (67°) [9, 14].

3. Влияющий агент причинно связан как с волновым излучением Солнца (например, с хромосферной вспышкой, сопровождающейся всплеском коротковолнового ионизующего излучения), так и с вариациями солнечного ветра ("корпускулярного" солнечного излучения). Типичные случаи такого рода — упомянутая магнитная буря или смена знака радиального компонента межпланетного магнитного поля [14, 33].

4. Рассматриваемый агент действует на биообъект с постоянной времени, не превышающим в некоторых случаях половины суток (эффект хромосферной вспышки наблюдается в те же сутки, когда она обнаруживается в телескопических оптических или радио наблюдениях) [9].

5. В динамике биологических показателей наблюдается набор квазиустойчивых периодов, которые хорошо известны в космофизике. Это — гармоники инерционных собственных колебаний Солнца (около недели, двух недель, кэрринггоновский период около 27 суток и т. п.) а также периоды менее суток, приписываемые обычно собственным гравитационным колебаниям Солнца (240, 180, 120 минут и др.) Некоторые из этих периодов (например, околонедельный цикл, изучаемый в последние годы Ф. Халбергом и сотр.) имею