Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

О закономерностях подобия формы спектров амплитуд флуктуаций в процессах разной природы

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "О закономерностях подобия формы спектров амплитуд флуктуаций в процессах разной природы"

Панчелюга Виктор Анатольевич

О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ПОДОБИЯ ФОРМЫ СПЕКТРОВ АМПЛИТУД ФЛУКТУАЦИЙ В ПРОЦЕССАХ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ

Специальность 03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пущино - 2008

003456909

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН.

Научный руководитель: проф., доктор биологических наук

Шноль Симон Эльевич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, с. н. е.,

Намиот Владимир Абрамович доктор физ.-мат. наук, с. н. е., Нечипуренко Юрий Дмитриевич

Ведущая организация:

Институт биохимической физики РАН им. Н.М. Эмануэля

Защита состоится 18 декабря 2008 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 по защите кандидатских и докторских диссертаций на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г.Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, в аудитории

С диссертацией можно ознакомится на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в читальном зале научной библиотеки им. A.M. Горького.

Автореферат разослан « /д> » U-Od' J> 2008

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.002.11 доктор физико-математических наук

^^^^^^^^^омутов Г.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Объект исследования и актуальность темы.

Феномен макроскопических флуктуаций (ФМФ), являющийся объектом исследований настоящей работы, был открыт более 50-ти лет назад (1951-1956 г.г.) в попытках уменьшить «разброс результатов» при производстве возможно более точных измерений скоростей биохимических реакций. Последовавшее за этим, примерно, 30-ти летнее исследование флуктуаций величин результатов однотипных (стандартных) последовательных измерений параметров биохимических реакций привело к формированию метода попарного сравнения гистограмм, который, в настоящее время, является основным инструментом исследования ФМФ. Использование этого метода для исследования временных рядов флуктуаций, позволило выявить следующие основные закономерности присущие феномену макроскопических флуктуаций:

• в каждый данный момент тонкая структура - форма гистограмм, построенных по результатам измерения флуктуаций любых процессов в данном географическом пункте с высокой вероятностью сходна;

• эта форма закономерно изменяется со временем (с периодами, равными солнечным и звездным суткам, рядом периодов в районе 27 суток, периодами, определяемыми движением Земли по околосолнечной орбите);

• эффект местного времени: в разных географических пунктах (опыты проведены при синхронных измерениях в Арктике, Антарктике, разных странах Европы и Америки) сходные по форме гистограммы наблюдаются в одно и то же местное время;

Г

Г~ 1

!

\ г -

*

• зависимость формы гистограмм от направление вылета а-частиц показана при измерениях флуктуации скорости а-распада образцов 239Ри с использованием коллиматоров, вырезающих пучки а-частиц, вылетающих в определенных направлениях.

Основной результат этих исследований состоит в доказательстве обусловленности тонкой структуры спектров амплитуд флуктуаций -формы соответствующих гистограмм - космофизическими факторами.

Как было отмечено, работы по изучению феномена макроскопических флуктуаций начинались с исследования флуктуаций скорости биохимических реакций и около 30-ти лет биохимические системы являлись основным и единственным объектом исследований. Выяснение универсального характера феномена и расширение, в связи с этим, области исследований на физические системы, не отменяет важность получаемых результатов для понимания биофизических процессов. Поэтому, важным представляется увеличение пространственно-временного разрешения метода и на этой основе уточнение и расширение знаний о феноменологии ФМФ. Полученные при этом результаты должны способствовать лучшему пониманию природы дискретных значений параметров, характеризующих биологические объекты. Космофизическая обусловленность феномена макроскопических флуктуаций будет способствовать лучшему пониманию механизмов действия факторов внешней среды на химико-биологические и физические системы.

Цель и задачи исследования.

Основными целями диссертационной работы были следующие:

• разработка методики, позволяющей значительно увеличить пространственно-временное разрешение метода исследований феномена макроскопических флуктуаций;

2

• исследования эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах;

• исследования эффекта местного времени для случая движущихся источников флуктуации;

• исследование факторов, определяющих форму получаемых в эксперименте спектров амплитуд флуктуаций.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в следующих новых результатах:

• разработана методика использования полупроводниковых источников флуктуаций для исследований феномена макроскопических флуктуаций, позволившая значительно увеличить пространственно-временное разрешение метода исследований;

• показано существование эффекта местного времени на расстояниях вплоть до 0.75 м;

• обнаружена фрактальная структура пика местного времени;

• исследована азимутальная выраженность эффекта- местного времени и показано, что эффект наиболее выражен для направлений север-юг и восток-запад;

• показано существование эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций;

• найдено, что выраженность эффекта местного времени зависит от величины угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения;

• показано существование выделенной формы гистограмм, появляющейся в момент максимума солнечного затмения.

Практическая значимость работы.

Результаты диссертации были использованы при планировании и подготовке эксперимента на борту Международной космической станции, осуществляемого в соответствии с Федеральной космической программой «Наука МКС» в сотрудничестве с Федеральным государственным унитарным предприятием Центральный научно-исследовательский институт машиностроения и Научно-исследовательским институтом ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУ им. М.В. Ломоносова. Также, часть приведенных в работе результатов, являлась предметом российско-германского проекта «Разработка и создание автоматизированной системы для синхронного мониторинга шумовых процессов». Результаты исследований феномена макроскопических флуктуации могут быть использованы при планировании и интерпретации биофизических исследований. Экспериментально установленная космофизическая обусловленность феномена, его универсальный характер важны для понимания действия внешних факторов на химико-биологические системы.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены автором диссертации в устных выступлениях на нижеследующих конференциях и семинарах:

1. Анизотропия пространства и формы гистограмм при измерениях процессов различной природы. // Российский междисциплинарный семинар по темпорологии, 5 декабря 2006 г., Москва, МГУ им М.В. Ломоносова.

2. Space-Time Anisotropy revealed during investigation of various processes fluctuations. // ADVANCES IN MODERN NATURAL SCIENCES, 3rd International Conference INTERNAS'2007, Kaluga, Russia, May 22,2007.

3. Space-time structure and macroscopic fluctuations phenomena. 11 XIII International Conference «Physical Interpretations of Relativity Theory», Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia, 2 - 5 July 2007.

4. On the fractal structure of a space discovered with investigation of the local time effect. // International Meeting «Finsler Extension of Relativity Theory» Bauman Moscow State Technical University, Moscow-Fryazino, Russia, 24-30 September 2007.

5. Результаты исследований эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах. // VII Международная крымская конференция «Космос и биосфера», Судак, Крым, Украина, 1 - 6 октября, 2007 года.

6. Феномен макроскопических флуктуаций и проблема автоматизации сравнения формы гистограмм. // Выступление на семинаре кафедры интеллектуальных систем Механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия, 21 ноября 2007 года.

7. Пространственно-временная неоднородность и спектры амплитуд флуктуаций в процессах разной природы. // Шестая научная конференция «Проблемы биологической физики» памяти JI.A. Блюменфельда, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия, 24 ноября 2007 года.

8. Heterogeneity of space revealed during investigations of various processes fluctuations. // VII Международная конференция «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO '08 Москва 28-31 января 2008 г., Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.

9. Экспериментальные исследования и астрофизические наблюдения, свидетельствующие о существенной неоднородности и анизотропии реального пространства-времени. // Школа-семинар

«Финслеровы обобщения теории относительности» «Лесное озеро» 30 апреля - 5 мая 2008 г. 10. Macroscopic fluctuations phenomenon and fractal nature of space-time 11 II. Internationales Genesis-Symposium Hochkarätige Wissenschaftler gewähren Einblick in brisante Forschungen. Holiday Inn Munich City Centre, Hochstrasse 3, München, 21-22 Juni 2008.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах, в том числе в 11 статьях в научных журналах, 5 - в сборниках статей и трудах конференций, 1 - в сборнике тезисов конференции, 2 - в электронном архиве Cornell University.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, выносимых на защиту. Дается краткое описание работы.

Первая глава имеет своей целью рассмотреть историю возникновения метода попарного сравнения тонкой структуры (ТС) гистограмм, построенных по коротким непересекающимся отрезкам временных рядов флуктуаций в процессах различной природы. Данная глава включает в себя два раздела, относящиеся к двум различным периодам исследований. Первый раздел описывает исследования,

проводившиеся в 1951-1980 гг. Второй раздел дает обзор работ, выполненных в течение приблизительно 20 лет, начиная с 80-х годов прошлого века, и преимущественно сконцентрирован на результатах исследований, полученных с использованием метода попарного сравнения тонкой структуры гистограмм, которые хронологически предшествуют исследованиям, составляющим предмет настоящей работы.

Раздел 1.1 первой главы посвящен истории открытия феномена макроскопических флуктуаций и становлению метода попарного сравнения тонкой структуры гистограмм. К данному периоду относятся работы связанные с исследованием флуктуаций в протекании химико-биологических реакций. В этот период формируется понимание универсальной природы феномена макроскопических флуктуаций и совершается постепенный переход к исследованию, помимо химико-биологических систем, флуктуаций в физических системах. Также в этот период формируются представления о неслучайности ТС гистограмм, построенных по коротким (30-60 точек) отрезкам временных рядов и происходит формирование метода попарного сравнения гистограмм, являющегося основным инструментом исследования феномена макроскопических флуктуаций (ФМФ).

Раздел 1.2 первой главы дает обзор работ составляющих основную часть феноменологии ФМФ. Рассматриваются следующие эффекты:

• Эффект ближней зоны, состоящий в достоверно более высокой вероятности появления сходных гистограмм в ближайших (соседних) не перекрывающихся интервалах рядов результатов измерений.

• Универсальность феномена макроскопических флуктуаций, заключающаяся в высокой вероятности сходства формы гистограмм, построенных по результатам одновременных, независимых

измерений флуктуаций в процессах различной качественной природы.

Периодичность проявления феномена макроскопических флуктуаций, проявляющаяся в наличии суточных («звездного» -1436 минут и «солнечного» - 1440 минут) периодов изменения вероятности реализации гистограмм данной формы, а также в наличии около-27-и суточных периодов изменения вероятности реализации гистограмм данной формы и годичных периодов («календарного» (365 солнечных суток) и «звездного» (сидерического: 365 солнечных суток плюс 6 часов и 9 минут). Эффект местного времени - высокая вероятность появлениях пар сходных гистограмм в разных географических пунктах в одно и то же местное (долготное) время.

Зависимость подобия спектров амплитуд флуктуаций от пространственного направления вылета а-частиц. Было обнаружено, что для гистограмм, построенных по результатам подсчета а-частиц, вылетающих при радиоактивном распаде в направлении на полюс мира (с хорошей точностью совпадает с направлением на Полярную звезду), околосуточные периоды не наблюдаются и эффекта ближней зоны нет; гистограммы, регистрируемые при измерениях с «восточным» коллиматором (а-частицы вылетают в направлении на восток), с высокой вероятностью реализуются при измерениях с «западным» коллиматором на 718 минут позже, т.е. через половину «звездных» суток. При измерениях с «восточным» и «западным» коллиматорами одновременно, сходные гистограммы не наблюдаются. В опытах без коллиматоров, при измерениях в одном и том же месте, сходные гистограммы с высокой вероятностью наблюдаются в одно и то же время. Этой синхронности нет при одновременных измерениях числа а-частиц, вылетающих через

коллиматоры в разных направлениях. Было получено, что вероятность появления гистограмм данной формы резко возрастает с периодами, равными 1440 минутам, деленным на число оборотов коллиматора плюс 1. При вращении коллиматора, совершающего 1 оборот в сутки по часовой стрелке, произошла компенсация вращения Земли - а-частицы все время вылетали в направлении к одному и тому же участку небесной сферы - и, соответственно, исчезли суточные периоды. При вращении 1 оборот в сутки по часовой стрелке коллиматора, расположенного в плоскости эклиптики и направленного на Солнце, а-частицы все время вылетают в направлении на Солнце. При этом, как и ожидалось, исчезли околосуточные периоды - и солнечный и звездный.

• Наличие выделенных форм гистограмм, появляющихся в определенные моменты, зависящие от динамики системы Солнце-Луна-Земля.

• Зеркальная симметрия гистограмм: Весьма часто (до 30% случаев) форма последовательных гистограмм зеркально симметрична - есть правые и левые формы.

Глава заканчивается выводом, что самый общий итог многолетних исследований феномена макроскопических флуктуаций доказательство неслучайности тонкой структуры формы гистограмм, построенных по относительно небольшому числу результатов измерений хода во времени флуктуаций в процессах различной природы (от биохимических реакций и шумов в гравитационной антенне до а-распада). Накопленный опыт позволяет сделать утверждение о том, что детальная форма тонкой структуры гистограмм не зависит от природы процесса, флуктуации которого исследуются и в каждый момент в данном географическом пункте подобна для процессов различной природы. Также, суммируя обзор экспериментальных результатов,

можно сделать вывод, что существует изменяющееся во времени, внешнее по отношению к измеряемой системе воздействие, определяющее в каждый данный момент спектр амплитуд флуктуаций (формы соответствующих гистограмм) в ходе процессов различной природы. При этом, найденные периоды этого воздействия, его глобальный, планетарный характер, позволяют говорить о его космофизической природе.

Вторая глава посвящена рассмотрению методики обработки экспериментальных данных, на которой основано обнаружение основных эффектов феномена макроскопических флуктуаций. Эту методику условно можно разделить на два этапа. Первый этап иллюстрирует рис. 1. Здесь, рис. 1А представляет исходный ряд величин флуктуаций некоторого процесса. Этот ряд, разбивается на короткие отрезки, обычно 30-100 точек. На рис. 1В, в качестве примера, приведены четыре таких 100-точечных отрезка. Каждый из этих отрезков является исходным материалом для построения гистограммы. На рис. 1С приведены четыре гистограммы, построенные на основе отрезков, показанных на рис. 1В. После этого, каждая гистограмма сглаживается несколько раз ^-точечным прямоугольным окном. Результаты сглаживания гистограмм, представленных на рис. 1С показаны на рис. Ш. Число сглаживаний и ширина окна зависят от свойств исходного ряда и, в первую очередь, от величины его дисперсии. Чаще всего используется величина к = 4 и число сглаживаний, лежащее в интервале 10-4- 20 раз. В результате применения описанной выше процедуры, исходный ряд флуктуаций, рис. 1А, преобразуется в последовательность гистограмм, рис. Ш, которая является основным объектом дальнейшего анализа. На рис. 2А дан пример последовательности из N=20 гистограмм, являющейся исходным материалом для процесса экспертного сравнения.

Данная последовательность, являясь результатом первого этапа, тождественна последовательности на рис. 1D. Каждая гистограмма в ней сравнивается со всеми другими гистограммами этой или другой подобной последовательности. В случае, если гистограммы сравниваются с гистограммами той же последовательности, необходимо произвести N(N-\)/2 попарных сравнений, для различающихся последовательностей одинаковой длины - N2 сравнений. Так, для исследования последовательности, рис. 2А, необходимо 190 сравнений. Рис. 2В дает 10 пар гистограмм из 190 возможных, которые, в результате экспертной оценки, признаны похожими.

N

б ■

1 2

3 4

7 8

16 17

18 19

2 7 7 12

4 12 7 15

А

1 23466789 10

Рис. 3. Пример построения распределения интервалов для последовательности гистограмм, приведенной на рис. 2.

Заключительной стадией второго этапа является построение распределения интервалов между парами подобных гистограмм, иллюстрируемое рис.3. Под интервалом д, понимается промежуток времени, разделяющий пару гистограмм во временном ряду. Экспертная оценка, являясь двузначной, имеет своим результатом заключение о подобии или непохожести гистограмм. В первом случае, интервал входит в распределение с весом равным единице, во втором - нулю. Так, например, в последовательности из N=20 гистограмм, представленной на рис. 2А, имеются = 15 пар гистограмм

разделенных интервалом равным пяти. Из них только две пары с

номерами №2-№7 и №7-№12 найдены подобными. Следовательно, в результирующем распределении, основанном на последовательности, показанной на рис. 2А, интервал №5 будет иметь значение равное двум.

Построение распределения интервалов, завершая процесс обработки экспериментальных данных, является основой дальнейшего анализа, в процессе которого были получены основные свойства феномена макроскопических флуктуаций, описанные в настоящей работе.

Третья глава содержит рассмотрение разработанных и реализованных в диссертационной работе источников флуктуаций и систем для их мониторинга. Такими источниками являются а-распад, а также различные полупроводниковые структуры. Основное внимание уделено полупроводниковым источникам флуктуаций. Глава содержит краткое рассмотрение типов шумов, которые известны для рассматриваемых полупроводниковых структур, также приводятся принципиальные схемы и конструктивные особенности разработанных источников флуктуаций. Рассматривается набор статистических тестов, позволяющих выделить из разработанных и испытанных источников флуктуаций наиболее удобные для исследования ФМФ. Таким источником оказался источник флуктуаций на специальном шумовом диоде.

Четвертая глава посвящена изложению результатов исследования эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах. Глава начинается рассмотрением эксперимента по синхронной пространственно-разнесенной регистрации флуктуаций в трех географических пунктах: г. Пущино, с. Дюксин и г. Тбилиси. Пункты регистрации находятся на расстояниях для которых существование эффекта местного времени твердо установлено, что позволяет рассматривать данный эксперимент как способ проверить

пригодность использования для практики исследований феномена макроскопических флуктуации разработанных полупроводниковых источников флуктуаций.

После воспроизведения известных эффектов полупроводниковые источники флуктуаций были использованы в эксперименте Пущино-Болыиевик, где показано существование эффекта местного времени для долготной разности расстояний между местами проведения измерений -15 км. В последующих сериях экспериментов расстояние между источниками флуктуаций было доведено от 8 км до 500 метров, потом от 15 м до 1 м. Для всех этих расстояний было продемонстрировано наличие эффекта местного времени.

Увеличение пространственно-временного разрешения метода позволило детальное исследование структуры пика местного времени в ходе которого было обнаружено его расщепление на два субпика, аналогичных расщеплению суточного периода на «звездный» и «солнечный». Детальное экспериментальное исследование этого феномена позволило разработать методику дальнейшего исследования полученных субпиков, на основе расщеплений «солнечного» и «звездного» пиков суточного периода, что позволило получить расщепления следующего, второго порядка, и сформулировать гипотезу о фрактальной структуре пика местного времени. На рис.4 показаны результаты исследований расщепления второго порядка в суточном периоде. Данное исследование использует методику постепенной локализации пика в различных временных рядах, позволяющих построение гистограмм длительностью 10-сек гистограмм, рис. 4 а), 2-сек гистограмм, рис. 4 б), 02-сек гистограмм - рис. 4 в).

Высокое пространственно-временное разрешение метода, достигаемое с использованием полупроводниковых источников

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100

Интервал, сек

-255 -250 -245 -240 -235 -230 -225

Интервал, сек

-25 -20 -15 -10 -5 0

Интервал, сек

-241,5 -241 -24 0 5 -240

Интервал, сек

-1-1 -1.05

Интервал, сек

Рис. 4. Распределение интервалов для 10-сек гистограмм, а), 2-сек гистограмм, б), 02-сек гистограмм, в).

флуктуаций, позволило проведение лабораторных экспериментов по исследованию азимутальной выраженности эффекта местного времени. В ходе этих экспериментов было получено, что данный эффект четко выражен для направлений север-юг и восток-запад. Для «диагональных» направлений такой выраженности не наблюдалось.

Объяснение этому факту было получено в нескольких сериях экспериментов с движущимися источниками флуктуаций. Результаты специально спланированных самолетных экспериментов показали, что выраженность эффекта зависит от угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения. Данный вывод прошел дополнительную проверку в автомобильных экспериментах с движущимися источниками флуктуаций, где было показано отсутствие какой-либо проявленности эффекта местного времени в случае, если ось симметрии измерительной системы ортогональна вектору скорости ее движения.

Рис. 5. 0.5-минутные гистограммы, построенные по результатам измерений ос-активности 239Ри, во время солнечного затмения 4 декабря 2002 г в Афинах (38° с.ш., 23°66' в.д.) Гистограмма в центре 2-ой строки (выделена более темным цветом) - с точностью в 0.5 минуты соответствует моменту максимума затмения.

Пятая глава рассматривает феномен появления некоторой выделенной

формы гистограмм во временных рядах флуктуаций, которые

появляются с точностью 0.5 - 1 минуту в моменты наступления

16

максимума солнечного затмения, в разные годы и месяцы, в разных географических пунктах, при измерениях флуктуаций в процессах различной природы. Пример такой гистограммы выделен темным цветом в центре второй строки на рис. 5. Наличие подобных гистограмм, появляющихся в определенные моменты в динамике системы Солнце-Земля-Луна, дает возможность приблизиться к пониманию механизмов, определяющих форму спектров амплитуд флуктуаций в процессах различной природы. Совокупность известных к настоящему времени данных, позволяет предположить, что моменты появления выделенной формы гистограмм связаны с решениями уравнения ¿¿Х/Л = 0, где Я - площадь треугольника, образованного центрами Солнца, Земли и Луны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1) Временные ряды флуктуаций тока обратно смещенного р-п перехода полупроводниковых структур могут быть использованы в практике исследований феномена макроскопических флуктуаций.

2) Показано существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах. Минимальный исследованный пространственный масштаб составляет 0.75 м, минимальный временной масштаб (длительность используемых гистограмм) составляет 0.2 мс.

3) Существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах позволило использовать данный эффект в лабораторных экспериментах - была разработана соответствующая методика, превращающая эффект местного

времени в удобный инструмент исследования феномена макроскопических флуктуаций.

4) Обнаружена и исследована фрактальная структура пика местного времени и суточного периода.

5) Исследована азимутальная зависимость эффекта местного времени.

6) Показано существование эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций. Исследована азимутальная выраженность эффекта местного времени в случае движущихся источников флуктуаций. Было показано, что выраженность эффекта местного времени зависит от угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения. Данный результат открывает методическую возможность исследования пространственных масштабов неоднородностей ответственных за существование эффекта местного времени и суточного периода.

7) Исследована характерная форма гистограмм, возникающая в момент максимума солнечного затмения и особенности ее проявления.

Работы по изучению феномена макроскопических флуктуаций, начинались с исследования флуктуаций скорости биохимических реакций и долгое время биохимические системы являлись основным и единственным объектом исследований. Выяснение универсального характера феномена, его космофизической обусловленности и расширение области исследований на физические системы, позволившее, в рамках настоящей работы, увеличить пространственно-временное разрешение метода и получить ряд новых результатов, не отменяет важность получаемых результатов для понимания биофизических процессов. Полученные в работе результаты, кроме очевидного физического значения, способствуют лучшему пониманию природы дискретных значений параметров, характеризующих

биологические объекты, например, явления скейлинга, обнаруживаемого при исследовании дискретных множеств параметров, характеризующих биологические системы.

Список публикаций по теме днсертации.

1. В.А. Панчелюга О соотношении между тонкой структурой и статистическими флуктуациями в распределении результатов измерений. //Биофизика, т. 46, №5,2001, с. 803-806.

2. S.E. Shnoll, V.A. Panchelyuga On the characteristic form of histograms appearing at the culmination of solar eclipse // physics/0603029, 2006, lip.

3. S.E. Shnoll, V. A. Panchelyuga Cosmo-physical effects in the time series of the GCP network // physics/0605064, 2006,19 p.

4. Панчелюга B.A., Коломбет B.A., Каминский A.B., Панчелюга М.С., ШнольС.Э. Эффект местного времени в шумовых процессах. // Вестник Калужского университета. 2006, №2, с. 3-8.

5. В.А. Панчелюга, В.А. Коломбет, М.С. Панчелюга, С.Э. Шноль Исследование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах // Гиперкомплексные числа в геометрии и физике, 1 (5), Vol. 3,2006, с. 116-121.

6. V.A. Panchelyuga, V.A. Kolombet, M.S. Panchelyuga, S.E. Shnoll Local-time effect on small space-time scale // Space-Time Structure. Collected papers. Editor-in-chif Pavlov D.G. M.: TETRU, 2006. -pp. 344 - 350; physics/0610137, 2006, 6 p.

7. Victor A. Panchelyuga, Valery A. Kolombet, Maria S. Panchelyuga and Simon E. Shnoll Experimental Investigations of the Existence of Local-Time effect on the Laboratory Scale and the Heterogeneity of SpaceTime. // Progress in Physics, V.l, January, 2007, pp. 64-69; physics/0612055,2006, 8 p.

8. В.А. Панчелюга, С.Э. Шноль О пространственной анизотропии выявляемой при исследовании «эффекта местного времени». // Гиперкомплексные числа в геометрии и физике. 2006, №2 (6), Vol.3 с. 188-193.

9. Victor A. Panchelyuga, Simon Е. Shnoll Space-Time Anisotropy revealed during investigation of various processes fluctuations. // ADVANCES IN MODERN NATURAL SCIENCES. Proceedings of 3rd International Conference INTERNAS'2007, Kaluga, Russia, May 22-25, 2007, pp. 23-27.

10. В.А. Панчелюга, С.Э. Шноль Феноменология эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах и в случае движущихся источников флуктуаций. // Метафизика. Век XXI. Вып. 2, М., БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007, с. 320-326.

11. С.Э. Шноль, В.А. Панчелюга Феномен макроскопических флуктуаций. Методика измерений и обработки экспериментальных данных. // Мир измерений, 2007, №6, с. 49-55.

12. Panchelyuga V.A., Shnol'S.E. Space-time structure and macroscopic fluctuations phenomena. // Physical Interpretation of Relativity Theory: Proceedings of International Meeting. Moscow, 2-5 July 2007 / Edited by M.C. Duffy, V.O. Gladyshev, A.N. Morozov, P. Rowlands. -Moscow: BMSTU, 2007-pp. 231-243.

13. V.A. Panchelyuga, V.A. Kolombet, M.S. Panchelyuga, S.E. Shnoll Local-Time Effect on Small Space-Time Scale // Space-Time Structure. Algebra and Geometry. Moscow: Lilia-Print, 2007-pp. 531 - 537.

14. Victor A. Panchelyuga, Simon E. Shnoll On the Dependence of a Local-Time Effect on Spatial Direction // Progress in Physics, July 2007, V. 3, pp. 51-54.

15. Victor A. Panchelyuga, Simon E. Shnoll A Study of a Local Time Effect 'on Moving Sources of Fluctuations // Progress in Physics, July, 2007 V. 3,pp. 55-56.

16. В.А. Панчелюга, С.Э. Шноль Результаты исследований эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах // VII Международная крымская конференция «Космос и биосфера». Тезисы докладов. Судак, Крым, Украина, 1-6 октября, 2007, с. 55-56.

17. Heterogeneity of space revealed during investigations of various processes fluctuations. // Труды VII Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO '08 Москва 28 - 31 января 2008 г., Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. (CD, ISBN 978-5-91450-002-0)

18. Simon Е. Shnoll, Victor A. Panchelyuga, Alexander E. Shnoll The Palindrome Effect. // Progress in Physics, 2008, v. 2, pp. 151-153.

19. Victor A. Panchelyuga, Simon E. Shnoll On the Second-Order Splitting of the Local-Time Peak. // Progress in Physics, 2008, v. 2, pp. 154-157.

Подписано в печать 12.11.2008 г.

Печать трафаретная

Заказ № 1121 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Панчелюга, Виктор Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 История открытия феномена макроскопических флуктуаций и становление метода попарного сравнения тонкой структуры гистограмм.

1.2. Основные свойства феномена макроскопических флуктуаций.

Эффект ближней зоны.

Универсальность феномена макроскопических флуктуаций.

Периодичность проявления феномена макроскопических флуктуаций.

Эффект местного времени.

О зависимости результатов измерений от направления в пространстве.

Неподвижный коллиматор направленный на Полярную звезду.

Опыты с неподвижными коллиматорами, направленными на восток и на запад.

Опыты с вращаемыми коллиматорами.

Выделенные формы гистограмм.

Зеркальная симметрия гистограмм.

Выводы.

Глава 2. Методика исследований.

2.1 Исходный экспериментальный материал.

2.2 Методика обработки экспериментальных данных.

2.3. Построение распределения интервалов.

Глава 3. Источники флуктуаций, используемые в работе.

3.1. Типы шумов в полупроводниковых приборах.

Тепловой шум.

Дробовой шум.

Фликкер-шум.

Генерационно-рекомбинационный шум.

3.2. Источники шума на биполярных транзисторах.

GT1, GT2. Генераторы шума на кремниевых транзисторах типа

КТЗ15Д. Принцип работы и конструкция.

3.3 GDI И GD2: Источники шума на шумовых диодах 2Г401А.

3.4. GS1 И GS2: Источники шума на стабилитронах КС168А.

3.5. GR1 И GR2: Шумовые генераторы, использующие в качестве источника шума тепловые шумы резисторов.

3.6. Статистические тесты для GT1 И GT2.

3.7. Статистические тесты для GDI И GD2.

3.8. Статистические тесты для GS1 И GS2.

3.9. Статистические тесты для GR1 И GR2.

Выводы.

Глава 4. Исследования эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах с использованием полупроводниковых источников флуктуаций.

4.1. Эффект местного времени.

4.2. Пространственно-разнесенные измерения Пущино-Дюксин

Тбилиси.

Исходные экспериментальные данные.

Результаты исследования эффекта местного времени на основе экспериментальных записей шумов полученных в г. Пущино и с. Дюксин.

Результаты исследования эффекта местного времени на основе экспериментальных записей шумов полученных в г. Пущино и г. Тбилиси.

Результаты исследования эффекта местного времени на основе экспериментальных записей шумов полученных в г. Тбилиси с. Дюксин.

Выводы.

4.3. Исследование эффекта местного времени с использованием пространственно-разнесенных измерений Пущино-Болыыевик.

Результаты экспертной оценки эффектов местного времени.

4.4. Фрактальная структура пика местного времени.

4.5. Азимутальная выраженность эффекта местного времени.

4.6. Эффект местного времени для движущихся источников флуктуаций.

4.7. Исследование азимутальной выраженности эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций.

4.8. Зависимость выраженности эффекта местного времени от угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения.

Введение Диссертация по биологии, на тему "О закономерностях подобия формы спектров амплитуд флуктуаций в процессах разной природы"

Феномен макроскопических флуктуаций, составляющий предмет наших исследований, был открыт более 50-ти лет тому назад (1951-1956 г.г.) в попытках уменьшить «разброс результатов» при производстве возможно более точных измерений скоростей биохимических реакций. После исключения всех возможных погрешностей, была обнаружена неустранимая дискретность величин результатов однотипных (стандартных) последовательных измерений. Эта дискретность проявлялась в форме гистограмм, представлявших собой набор «разрешенных» и «запрещенных» значений измеряемой величины.

Первоначально эта дискретность была воспринята как специфическое проявление сложности биологических объектов — наличие в исследованных препаратах нескольких устойчивых конформаций макромолекул белков. Наблюдаемые флуктуации были объяснены синхронными переходами молекул белков из одной конформации в другую, и само это явление получило название «конформационные колебания». Этот вывод послужил стимулом для развертывания работ по поиску колебательных режимов в биохимических и химических реакциях. Одним из результатов этого поиска стало исследование аспирантом С.Э. Шноля A.M. Жаботинским и сотрудниками колебательной реакции Б.П.Белоусова.

Однако, неустранимая дискретность величин амплитуд «разброса результатов» не объяснялась существованием колебательных переходов из одного состояния в другое - в соответствующих временных рядах пе обнаруживались какие-либо периоды. Характерные дискретные гистограммы наблюдались и во вполне, согласно принятым критериям, случайных процессах. После этого феномен получил название «макроскопические флуктуации».

Для выяснения природы дискретных характеристик изучаемых биохимических процессов, были предприняты многолетние исследования. Было показано, что макроскопические флуктуации в биохимических процессах имеют нетривиальную природу. Аналогичные явления были обнаружены в различных химических, физико-химических и физических процессах. В результате этого, сформировалось представление об универсальном характере феномена макроскопических флуктуаций.

В биологических процессах, в реакциях с участием белков, амплитуда наблюдаемых флуктуаций оказалась особенно большой. Но, выяснение природы этого явления на биологических объектах требует проведения длительных, многократных и трудоемких измерений, что сопряжено, к тому же, с большими экономическими затратами. В связи с этим, объектами для изучения природы макроскопических флуктуаций стали сначала измерения скоростей модельных химических реакций, а затем измерения различных типов радиоактивности. Никакой зависимости наблюдаемых закономерностей от природы изучаемого процесса и применяемых методов обнаружено не было. В ходе этих работ, постепенно выкристаллизовался основной объект исследований — флуктуации скорости а-распада препаратов 239Ри. Данный процесс в наибольшей степени оказался пригодным для целей исследования феномена макроскопических флуктуаций, поскольку он заведомо не подвержен влиянию лабораторных условий и измерения скорости а-распада, при должной культуре проведения эксперимента и совершенстве применяемых приборов, не зависят от внешних условий. Контролем этой независимости, самого процесса и методов его измерения является многократно подтвержденное соответствие статистике Пуассона и отсутствие каких-либо трендов и выделенных частот в соответствующих временных рядах. При этом следует подчеркнуть, что наблюдаемая тонкая структура спектров амплитуд флуктуаций скорости а-распада пе противоречит статистике Пуассона и не означает влияния на сам процесс радиоактивного распада.

Исследования временных рядов флуктуаций, методом попарного сравнения гистограмм, позволили выявить целый ряд закономерностей, присущих феномену макроскопических флуктуаций:

• в каждый данный момент тонкая структура - форма гистограмм, построенных по результатам измерения флуктуаций любых процессов в данном географичесском пункте с высокой вероятностью сходна;

• эта форма закономерно изменяется со временем (с периодами, равными солнечным и звездным суткам, рядом периодов в районе 27 суток, периодами, определяемыми движением Земли по около-солнечной орбите);

• эффект местного времени: в разных географических пунктах (опыты проведены при синхронных измерениях в Арктике, Антарктике, разных странах

Европы и Америки) сходные по форме гистограммы наблюдаются в одно и то же местное время;.

• зависимость формы гистограмм от направление вылета а-частиц показана при измерениях а-рапада образцов 239Ри с использованием коллиматоров, вырезающих пучки а-частиц, вылетающих в определенных направлениях.

Основной результат этих исследований состоит в доказательстве обусловленности тонкой структуры спектров амплитуд флуктуаций - формы соответствующих гистограмм — космофизическими факторами.

При всем удобстве использования а-распада в качестве источника флуктуаций, у него есть существенные ограничения, обуславливающие пространственно-временное разрешение метода исследований - трудно получать необходимые для дальнейшего анализа гистограммы за время меньше одной минуты. Для преодоления этой трудности необходимо было использование других, более высокочастотных источников флуктуаций.

Основной целью диссертационной работы была разработка метода, позволяющего увеличить пространственно-временное разрешение при исследовании феномена макроскопических флуктуаций. В связи с этим была поставлена и решена задача получения основных закономерностей феномена с использованием полупроводниковых источников флуктуаций, свободных от отмеченных выше ограничений. Использование таких источников с частотной полосой 0-200 кГц позволило исследование временных закономерностей с точностью до 10"4 секунды, что, в свою очередь, сделало возможным достичь пространственного разрешения порядка 1 метра. Высокое пространственно-временное разрешение метода позволило выявить и исследовать, в ходе выполнения настоящей работы, следующие особенности феномена макроскопических флуктуаций:

• существование эффекта местного времени на расстояниях до 0.75 м;

• фрактальную структуру пика местного времени;

• азимутальную выраженность эффекта местного времени;

• существование эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций.

Полученная, в результате, феноменология эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах требует для своего понимания дальнейших экспериментальных исследований. Одним из таких исследований, выполненных в рамках настоящей работы, явилось исследование характерной формы гистограмм, возникающей в момент максимума солнечного затмения. Обнаружение характерной формы, соответствующей определенному моменту в динамике системы Солнце-Луна-Земля, согласуется с вышеупомянутыми результатами по исследованию эффекта местного времени и дает дополнительную информацию к пониманию физической природы феномена макроскопических флуктуаций.

Как было отмечено вначале, работы по изучению феномена макроскопических флуктуаций начинались с исследования флуктуаций скорости биохимических реакций и долгое время биохимические системы являлись основным и единственным объектом исследований. Выяснение универсального характера феномена и расширение, в связи с этим, области исследований на физические системы, не отменяет важность получаемых результатов для понимания биофизических процессов. Увеличение пространственно-временного разрешения метода и ряд новых результатов, полученных в рамках настоящей работы, способствуют лучшему пониманию природы дискретных значений параметров, характеризующих биологические объекты.

Результаты диссертации использованы при планировании и подготовке эксперимента на борту Международной космической станции, осуществляемого в настоящее время в соответствии с Федеральной космической программой «Наука МКС» в сотрудничестве с Федеральным государственным унитарным предприятием Центральный научно-исследовательский институт машиностроения и Научно-исследовательским институтом ядерной физики им. Д.В.Скобельцина МГУ им. М.В. Ломоносова.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Панчелюга, Виктор Анатольевич

выводы.

В ходе проведенного в настоящей работе исследования было показано, что:

1) временные ряды флуктуаций тока обратно смещенного р-п - перехода полупроводниковых структур могут быть использованы в практике исследований феномена макроскопических флуктуаций, что повышает пространственно-временное разрешение метода на пять порядков;

2) показано существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах. Минимальный исследованный пространственный масштаб составляет 0.75 м, минимальный временной масштаб (длительность используемых гистограмм) составляет 0.2 мс;

3) существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах позволило использовать данный эффект в лабораторных экспериментах - была разработана соответствующая методика, превращающая эффект местного времени в удобный инструмент исследования феномена макроскопических флуктуаций;

4) была открыта и исследована фрактальная структура пика местного времени и суточного периода.

5) была исследована азимутальная зависимость эффекта местного времени.

6) было показано существование эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций. Исследована азимутальная выраженность эффекта местного времени в случае движущихся источников флуктуаций. Было показано, что выраженность эффекта местного времени зависит от угла между осью симметрии измерительной системы и вектором скорости ее движения. Данный результат открывает методическую возможность исследования пространственных масштабов неоднородностей ответственных за существование эффекта местного времени и суточного периода;

7) была исследована характерная форма гистограмм, возникающая в момент максимума солнечного затмения и особенности ее планетарного проявления.

Автор благодарит коллектив лаборатории физической биохимии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, за внимание к работе и стимулирующие обсуждения в ходе еженедельных семинаров. Отдельную благодарность хочется выразить И.А. Рубинштейну за технические консультации и помощь в изготовлении ряда приборов, использовавшихся для выполнения настоящего исследования. Особая признательность выражается С.Э. Шнолю за предоставление возможности работать по этой теме, за многолетнее сотрудничество, многочисленные плодотворные обсуждения и идеи, ценные советы, за создание атмосферы доброжелательности и человечности, во многом способствовавшей выполнению настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Эта работа началась постановкой опытов по непрерывному измерению флуктуаций скорости а-распада в 1998 г. на кафедре физики высоких энергий и элементарных частиц физического факультета Афинского университета, Греция. Непрерывные измерения в Афинах продолжались вплоть до 2004 г., после чего были продолжены в институте Теоретической и экспериментальной биофизики в г. Пущино, Россия, а также, в ходе многочисленных отечественных и зарубежных экспедиций и совместных синхронных измерений проведенных в г. Пущино и различных географических пунктах (Греция, Германия, Египет, США, Украина, Грузия). Полученный, в результате, экспериментальный материал был использован в ходе выполнения настоящей работы.

Начиная с 2005-го года, были начаты работы по выяснению возможности использования полупроводниковых источников в практике исследований феномена макроскопических флуктуаций, которые составили предмет настоящей диссертации. Разработка методики, основанной на использовании в качестве источника флуктуаций тока обратно смещенного р-п - перехода, специальных шумовых диодов позволила на пять порядков повысить разрешение метода и провести исследования феномена макроскопических на малых пространственно-временных масштабах, при пространственном разрешении порядка метра и временном — порядка 0.2 мс. В результате проведенных исследований были впервые получены следующие результаты: существование эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах, фрактальная структура пика местного времени, наблюдение эффекта местного времени для движущихся источников флуктуаций и на этой основе — цикл исследований по выяснению азимутальной зависимости эффекта местного времени для случая неподвижной и движущейся измерительных систем.

Данные результаты, с одной стороны, значительно расширяют известные свойства феномена макроскопических флуктуаций, а с другой - служат основой для планирования и постановки новых экспериментов. В качестве примера таких экспериментов можно привести цикл измерений скорости а-распада и флуктуаций в полупроводниковых источниках флуктуаций, готовящихся к проведению на борту международной космической станции. В планировании эксперимента на борту МКС были использованы результаты настоящей работы.

Кроме исследований эффекта местного времени на малых пространственно-временных масштабах большое значение для понимания изучаемого феномена имеет обнаружение выделенных форм гистограмм, соответствующих максимуму солнечного затмения. То, что определенные моменты в динамике системы Солнце-Луна-Земля могут «маркировать» форму спектров амплитуд флуктуаций в процессах различной природы, на наш взгляд, имеет большое значение для возможностей будущего теоретического осмысления феномена макроскопических флуктуаций.

Также, важно отметить, что все рассмотренные в работе закономерности справедливы, в силу универсального характера изучаемого феномена, также для химико-биологических систем и могут быть использованы в практике биофизических исследований.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Панчелюга, Виктор Анатольевич, Пущино

1.Э.Шноль О самопроизвольных синхронных переходах молекул актомиозина в растворе из одного состояния в другое. // Вопросы медицинской химии, 1958, т. 4, вып. 6, с. 443-454.

2. С.Э.Шноль, Х.Ф. Шольц, О.А. Руднева Изменение адсорбционной способности белка при самопроизвольных изменениях состояния актомиозина в растворе. // Вопросы медицинской химии, 1959, т. 5, вып. 4, с. 259-264.

3. С.Э.Шноль Синхронные конформационные колебания молекул актина, миозина и актомиозина в растворах. // Сб. Молекулярная биофизика, М., Наука, 1965 с. 56-81.

4. С.Э.Шноль Конформационные колебания макромолекул. // Колебательные процессы в биологических и химических системах. М., Наука, 1967, с. 22-41.

5. С.Э. Шноль Синхронные обратимые изменения («конформационные колебания») препаратов мышечных белков. // Дисс. на соискание уч. степени д.б.н., Пущино, Институт Биофизики АН СССР, 1969 -307 с.

6. S.E. Shnoll Conformational oscillations in protein macromolecules. // Biological and Biochemical Oscillators. Ed. B.Chance, N.Y., Acad. Press, 1973, p. 667-669.

7. С.Э. Шноль, О.А. Руднева, E.JI. Никольская, Т.А. Ревельская Изменение амплитуды самопроизвольных переходов препарата актомиозина из одного состояния в другое при хранении препаратов. // Биофизика, 1961, том 6, вып. 2, с. 165-171.

8. С.Э. Шноль, Н.А. Смирнова Колебания концентрации сульфгидрильных групп в растворах актомиозина, актина, миозина. // Биофизика, 1964, т. 9, вып. 4, с. 532-534.

9. Б.П. Белоусов Периодически действующая реакция и ее механизм. // Сборник рефератов по радиационной медицине за 1958 год. М., Медгиз, 1959, с. 145147.

10. Жаботинский A.M. Периодический ход окисления малоновой кислоты в растворе (исследование кинетики реакции Белоусова). // Биофизика, 1964, т.9, с. 306-311.

11. С.Э.Шноль Герои, злодеи, конформисты российской науки. М., КРОН-ПРЕСС, 2001 875 с.12