Активные процессы на Солнце и биосфера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Владимирский, Борис Михайлович

• Владимирский, Борис Михайлович
• доктор физико-математических наук в форме науч. докл.
• 1997

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Владимирский, Борис Михайлович

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, квазипериодические 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.) имеют амплитуды, превышающие амплитуду суточной вариации. В связи со сказанным, действующий агент должен содержать по крайней мере некоторые из указанных периодов. При этом, характерное время его действия на биосистему должно быть не более длительности самого короткого периода — нескольких часов [3, 22, 6].

6. Действующий агент должен быть проникающим, ибо солнечно : биосферные эффекты обнаруживаются в лабораторном помещении и пределах фитотрона. Некоторые из подобных эффектов, видимо, обнаруживаются под толщей морской воды (если принять во внимание данные по динамике прироста раковин некоторых моллюсков, то эта толща морской воды может достигать сотен метров) [14, 9].

Далее, в соответствии с принятой "технологией" разработки модельных представлений, необходимо шаг за шагом рассмотреть различные параметры среды обитания, которые хотя бы отчасти удовлетворяли бы изложенным выше феноменологическим закономерностям. При этом необходимо, конечно, учитывать, что такие параметры могут и не фигурировать в современной экологии. Всего были проанализированы данные для 10 видов геофизических полей. Следующие четыре вида геофизических полей эффективно контролируются солнечной активностью и в определенной степени согласуются по основным своим свойствам с проведенными выше феноменологическим портретом действующего солнечно-биосферного агента.

1. Вариации приземного ультрафиолетового излучения в полосе В [23]. Изменения этого фактора в последние годы привлекли внимание многих исследователей в связи с динамикой озоносферы. В центре полосы поглощения озона Хартли (длина волны 260 нм) ослабление внеатмосферного потока солнечного излучения столь велико, что изменение толщи озоносферы в широких пределах никак не сказывается на интенсивности приземного излучения. Однако, на краю полосы — длины волн 290 - 300 нм -- изменение толщи озона на 1% приводит к изменению интенсивности на (1,2 ± 0,1)%. Амплитуда 11-летнего цикла солнечной активности в вариациях толщи озона в определенных регионах может достигать 8%, так что значение этого фактора, скажем, для растительных сообществ в передаче индуцируемых солнечной активностью изменений не подлежит сомнению. Ясно, однако, что воздействие солнечной активности через этот канал не носит универсального характера и ограничено, видимо, определенными сообществами.

2.Акустические колебания очень низкой частоты — инфразвук [16] (сюда же следует отнести вариации давления, обусловленные еще более низкочастотными поперечными колебаниями) — как экологический фактор почти не изучены. Космические источники инфразвука — полярные сияния. Благодаря волноводному распространению инфразвуки полярных сияний регистрируются и на средних широтах. Каждая большая магнитная буря (Кр>8) сопровождается "гудением" в полосе частот 0,05 - 0,01 Гц, с продолжительностью во многие часы. К сожалению, биологическое действие слабого (не более 10 дн/кв. см) инфразвука при больших экспозициях не исследовалось. По этой причине вклад акустического канала в реализацию солнечно-биосферных связей в настоящее время не может быть надежно оценен.

3. Электрическое поле атмосферы [14] в ясную погоду тесно связано с вариациями солнечной активности. Оно заметно (30%) возрастает в эпоху максимума И-летнего цикла, модулируется кэррингтоновским периодом в нем заметен эффект достаточно мощных хромосферных вспышек и границ секторов межпланетного магнитного поля. В геоэлектрических измерениях в дневное время обнаруживаются коротконериодные вариации, параметры которых, вероятно, также зависят от солнечной активности. Очевидно, что передача эффектов солнечной активности в биологические процессы через геоэлектрические явления ограничены растительными сообществами. Электрические поля не проникают в помещение (фитотрон) и уже по этой причине не могут выполнять роль универсального посредника в солнечно-биосферных связях.

4. Электромагнитный фон среды обитания [5, 14, 9] до сих пор не рассматривался как единый комплекс явлений. В различных частотных диапазонах он подробно изучался физиками и геофизиками для своих узкоспециальных целей и его вариации до сих пор не считаются экологически значимыми. Спектр этого фона формируется несколькими источниками, и для детального сравнения его вариаций с феноменологическими свойствами солнечно-биосферного агента необходимо, как показывает анализ, учитывать каждый из них. В диапазоне сверхнизких частот, где наблюдается серия дискретных эмиссионных полос, напряженность поля определяется магнито-сферными процессами. На более высоких частотах (вплоть до границы ионосферного окна прозрачности) радиоволны заперты в сферической полости, образуемой проводящей поверхностью Земли и ионосферой. Здесь напряженность поля определяется излучением молниевых разрядов мировых очагов грозовой активности и мировым радиовещанием. Основная резонансная частота этой полости составляет 8 Гц. Напряженность поля очень сильно меняется в зависимости от состояния ионосферы. Было проведено детальное сравнение вариаций электромагнитного поля и свойств действующего солнечно-биосферного агента [5, 14]. При этом широко использовались литературные данные, накопленные в последние десятилетия при изучении связи вариаций естественного электромагнитного поля на поверхности Земли и солнечной активности.

Выяснилось, что между общими свойствами вариаций рассмотренного электромагнитного фона и "феноменологическим портретом" действу ющего солнечно-биосферного фактора имеет место далеко идущее сходство, включая мелкие детали:

1. Подобно влияющему агенту электромагнитные поля в области сверхнизких частот когерентны на расстояниях порядка тысяч километров На более высоких частотах для столь же больших расстояний синхронно происходят вариации интенсивности - что связано с изменениями параметров ионосферы [9].

2. Параметры электромагнитного фона существенно зависят от широты — некоторые из магнитосферных эмиссий вообще наблюдаются только на высоких широтах.

3. Электромагнитные вариации (т. е. изменения интенсивности, поляризации и т. п. в данной частотной полосе) зависят как от волнового излучения Солнца, так и корпускулярного — точно как для действующего агента. Во многих случаях эта связь является не статистической, а функциональной, что используется для целей диагностики процессов в ближнем космосе путем наземных измерений. Самый распространенный тип дневных микропульсаций РсЗ (0.2 - 0,02 Гц) своей частотой "отслеживает" напряженность межпланетного магнитного поля, а амплитудой — направление [9].

4. Из экспериментов, описанных в следующем разделе, следует, что изменение напряженности поля на данной частоте биосистема может воспринимать сравнительно быстро — с постоянной времени порядка часов или даже меньше — т. е. того же порядка, как рассматриваемый агент-посредник.

5. Электромагнитные поля на сверх низких частотах обладают высокой проникающей способностью — полкилометра морской морской воды уменьшает амплитуду геомагнитных микронульсаций на частотах порядка частот РсЗ только на одну треть. Зато на высоких частотах фоновые поля существенно ослабляются любым проводящим экраном, что тотчас же позволяет подойти к объяснению экспериментов по электромагнитному экранированию (см. следующий раздел).

6. В электромагнитных полях среды обитания представлены все периоды солнечной активности. Механизмы, благодаря которым периодические вариации тех или иных солнечных параметров передаются в электромагнитный фон, регистрируемый на поверхности Земли в общих чертах понятны (они были специально изучены автором). Короткие периоды менее суток (такие как собственные гравитационные солнечные колебания — 180 минут и др.) модулируют коротковолновое ионизующее солнечное излучение; периодические вариации этого излучения (с запаздыванием относительно явления на Солнце в 8 мин) вызывают соответствующие изменения ионосферной проводимости; по этой причине такие же периодические изменения имеют место в ионосферных токовых системах и, следовательно, фиксируются во всех геомагнитных индексах, которые строятся достаточно часто — высокоширотный АЕ-индекс в период полярного дня фиксирует практически все осцилляции центральной части солнечного диска; периодические вариации ионосферной проводимости отражаются, конечно, на интенсивности поля радиоволн, запертых в ионосферном волноводе. Более длительные периоды — такие как собственные солнечные инерционные колебания — передаются на Землю одновременно и через солнечный ветер с запаздыванием около 5 суток. Первичным явлением в данном случае оказываются циклические возмущения токовых систем магнитосферы. Периоды в электромагнитном поле могут выполнять роль синхронизаторов биологических автколебаний, т. е. датчиков времени биологических ритмов [5].

Основной вывод проведенного сравнения состоит в том, что амплитудно-спектральные вариации электромагнитного фона могут выполнять роль универсального переносчика эффектов солнечной активности в биологические явления. При этом делается только одно единственное допущение: организмы чувствительны к вариациям слабых электромагнитных полей при тех напряженностях, которые встречаются в естественных условиях (соответствующие экспериментальные данные анализируются в следующем разделе).

Помимо электромагнитных возмущений, индуцированных динамическими процессами на Солнце, в природе известны очень похожие возмущения, обусловленные чисто земными процессами. Поэтому, если вариации электромагнитного фона играют важную роль в реализации солнечно-биосферных связей, они вообще должны быть существенным экологическим фактором. Этот вопрос во всех деталях рассматривается в монографии [5], где представлены аргументы, показывающие, что такие явления как «предчувствия»- изменений погоды или биологические предвестник землетрясений также допускают электромагнитное истолкование. Согласно многолетним наблюдениям в Крыму (Никитский ботанический сад) ящерицы А8ут!ерЬаги5 акте — хорошие прогнозисты сейсмических событий иногда путают обычные магнитные бури с предвестниками землетрясений. Существуют данные о влиянии электро магнитных возмущений литосферного происхождения на здоровье населения региона близ эпицентра готовящегося землетрясения.

3. Экспериментальное обоснование экологической роли естественных электромагнитных нолей

Всесторонний анализ различных статистических данных, накопленных при наблюдениях эффектов гелиогеофизических возмущений, не может, понятно, рассматриваться как исчерпывающее доказательство экологической роли амлитудно-спектральных вариаций электромагнитного фона. Следующим этапом работы были лабораторные модельные эксперименты. Естественные электромагнитные поля имеют очень малые напряженности: амплитуды сверхнизко-частотных колебаний диапазона геомагнитных микропульсаций обычно составляют величины порядка 1 нТл (магнитный вектор), десятых долей вольта на метр (электрический вектор). Ориентировочная величина для интенсивности магнитосферных эмиссий — порядка 10 ** Вт/м2Гц. Долгое время считалось, что поля с такими напряженностями не могут влиять на процессы жизнедеятельности. Модельные эксперименты начали проводится в различных вариантах начиная с конца 60 х гг. совместно с микробиологами и физиологами Крымского Мединститута и Симферопольского Гос. Университета Ю. Н. Ачкасовой, А. М. Волынским и Н. А. Темурьянц. Методика этих первых опытов была предельно простой. Биообъект помещался в конденсатор или кольца Гельмгольца, куда подавался сигнал с определенными параметрами. Во многих случаях это была монохроматическая частота — имитация геомагнитных регулярных пульсаций какого либо типа. В некоторых случаях применялись импульсы с определенной частотой следования, что можно было рассматривать как грубую имитацию иррегулярных геомагнитных микропульсаций Р12,3, В отдельных опытах использовались звуковые частоты 1 - 10 кГц. В качестве источников тока (напряжения) применялись обычно серийные генераторы низких частот. Экспозиции были сопоставимы с продолжительностью естественных возмущений, составляя многие часы (чаще всего 5 часов), в некоторых вариантах опытов они неоднократно повторялись, в отдельных сериях опытов проводилось хроническое воздействие, для чего были изготовлены специальные клетки для вивария. В контрольных опытах биообъекты помещались в те же конденсаторы (кольца), но с выключенными генераторами. Все опыты с микроорганизмами проводились в стандартных термостатах. На самых первых этапах описываемых исследований использовались простейшие показатели, для чего у животных снимались - до и после экспозиции - электрокардиограмма, электро-кортикограмма и проводился стандартный анализ периферической крови. В последующем применялись различные другие — более чувствительные и совершенные методики — такие как цитохимические, ставились острые опыты, эксперименты проводились в условиях электромагнитного экранирования. Контрольные серии измерений использовались для сопоставления с различными гелиогеофизическими индексами. В общей сложности было поставлено несколько сотен опытов. Общая сводка результатов представлена в Табл. 1:

Табл. 1. Влияние слабых переменных электрических и магнитных полей на биосистемы

Биообъекты Параметры поля Типичные Соавторы, эффекты ссылки f, Гц в/м f, Гц нТл

Бактерии 0,1-1,0 0,4 0,1-0,6 1-90 Подавление или Ю.Н. Ачкасова

10* 4-Ю"3 стимуляция [10, 12, 15, 18, роста, изменение устойчивости к антибиотикам 19]

Лягушки, кролики, собаки 0,1-8,0 0,1-1,0 0,1-8,0 15 Изменение со стороны еерд.-сосуд. системы, системы крови, нервной системы А.М. Волынский H.A. Темурьянц [И, 13, 15, 20, 21, 32]

Полученный в описанных экспериментах массив данных обнаруживает признаки самосогласованности и убедительно свидетельствует о чувствительности организмов, использованных в этих опытах, к электромагнитным полям с напряженностью приближающихся к естественной [5, 9, 17]. В последующие годы основные результаты описанных опытов были воспроизведены независимыми исследовательскими группами, отечествен ными и зарубежными (США, Индия — соответствующая библиография приведена в монографиях, перечисленных в разделе 6).

Конечно, имитация естественных электромагнитных возмущений в лабораторных экспериментах (включая и их новейшие варианты) является весьма несовершенной.

Во всех опытах с искусственными воздействиями биообъект оказывался в ситуации, когда к спектру естественных полей, в которых он обычно на ходится, добавляется только одна спектральная линия (действие монохроматическим сигналом), либо пульсирующие шумы специального типа действие импульсом). Обычно в природе, при развитии естественных возмущений, имеет место воздействие спектром в широком диапазоне частот, причем, в одной частотной полосе изменение напряженности, поляризации имеет один знак, в другой — противоположный и т. п. (такая или еще более сложная картина изменений в электромагнитном окружении объекта в естественных условиях возникает, если учесть обнаруженную в последние годы связь биологических показателей организма с критическими частотами ионосферы).

В процессе выполнения описанной программы экспериментов были обнаружены некоторые закономерности, существенные для рассматриваемой проблемы в целом. Наиболее интересные из них сводятся к следующему:

1. Эффективность воздействия монохроматическими частотами для магнитного (электрического) полей сильно зависит от частоты [20]. Был проведен специальный цикл измерений с целью получить спектр действия. В каждом опыте, относящемся к одной частоте, измерялось одновременно несколько показателей (таких как активность различных ферментов в нейтрофилах периферической крови, время свертывания крови и т. п.). Эксперименты для некоторых частот неоднократно повторялись для проверки воспроизводимости (в общей сложности было использовано свыше 5000 белых крыс). Были перебраны с некоторым шагом частоты от 0,01 Гц до 100 Гц, уровень напряженности поля составлял 5; 50 и 5000 нТл. Было найдено несколько полос с повышенной биологической эффективностью действия. В последующие годы некоторые из этих полос были обнаружены на других биообъектах и в других условиях эксперимента независимыми авторами. Вполне вероятно, что такие полосы могут оказаться в какой-то степени универсальными. Существенно, что некоторые из этих полос оказались близки к определенным частотам, выделенным в геофизике. Так, полоса 0,02 ± 0,01 Гц практически совпадает с частотой наиболее широко распространенных пульсаций РсЗ, а полоса 9,5 ± 1,5 Гц очень близка к фундаментальной частоте ионосферного волновода (8 Гц). Важно, далее, что разные биологически эффективные частоты могут приводить при данных условиях опыта и для данного биообъекта к разнонаправленным изменениям: для частоты 0,02 Гц наблюдаются сдвиги показателей, эквивалентные повышению неспецифической резистентности организма, для 8 Гц они имеют противоположный знак [5]. Наконец, оказалось, что для разных- уровней напряженности поля спектр действия, вообще говоря, отличается. Это означает, что для различных полос зависимость биологического эффекта от напряженности поля может оказаться разной. Этот нелинейный характер зависимости биологического эффекта от напряженности поля ныне больше известен как "амплитудные окна".

2.При данных параметрах поля, видовой принадлежности биообъекта и условий опыта биологическое действие поля существенно зависит от исходного состояния организма и фазы биологического макроритма. Например, оказалось что опыты хорошо воспроизводятся в марте, в то время как в сентябре статистическая значимость результатов систематически ниже [3].

3.При прочих равных условиях биологический эффект действия поля нелинейным образом зависит от величины экспозиции. В частности, при экспозициях свыше нескольких суток (или при многократно повторяемых 5-часовых экспозициях) могут наблюдаться как накопление эффекта (кумуляция), так появление признаков адаптации [5, 15, 17].

Перечисленные закономерности могут служить объяснением причин, по которым в литературе с описанием результатов однотипных опытов встречаются некоторые расхождения.

Хотя, как уже отмечалось, лабораторные имитации естественных электромагнитных возмущений являются весьма грубым приближением к реальности, тем не менее имеет смысл сравнить результаты лабораторных наблюдений с данными статистического анализа эффектов природных гелиогеофизических возмущений [9].

Сопоставление проведено в Табл. 2. Из рассмотрения этой таблицы следует, что в лабораторных исследованиях удается, на самом деле, воспроизвести при помощи сверхслабых полей многие существенные стороны биологических эффектов непериодических солнечно-геофизических возмущений.

Табл. 2. Сравнение биологических эффектов естественных электромагнитных возмущений и их имитации в лаборатории.

Данные статистики при спорадических гелиогеофизических возмущениях

Изменение показателей системы крови: свертываемости, концентрации форменных элементов (лейкопения)

Увеличение числа случаев заболеваний инфарктом миокарда; изменение частоты сердечных сокращений

Изменение суточной и многодневной ритмики, десинхроноз Возрастание риска катастроф на различных видах транспорта, увеличение риска травматизма на производстве

Увеличение риска психических заболеваний, обострение заболеваний психики

Модификация восприимчивости к действию ионизирующей радиации

Эффекты воздействия сверхслабыми нолями при частотах <100 Гц (с учетом данных по э/м экранированию)

Изменение показателей системы крови: изменение функциональной активности лимфоцитов, изменение активности ферментов, свидетельствующее об изменениях неспецифической резистентности. Ухудшение состояния сердечной мышцы при экспериментальном инфаркте миокарда; изменение частоты сердечных сокращений Изменение многодневной ритмики

Изменение времени реакции на сигнал, модификация условно-рефлекторной деятельности

Влияние на функциональное состояние нервной системы и поведение

Радиопротекторное" действие для сверхнизкочастотного магнитного поля

Наконец, еще одно важное следствие рассмотренных выше результатов состоит в том, что они оказываются основой, позволяющей без каких-либо дополнительных предположений истолковать многочисленные данные по электромагнитному экранированию. Новейшая литература по этому вопросу (свыше сотни сообщений) восходит к Д. Пиккарди, обнаружившего влияние экранирования тонкой медной фольгой на поведение коллоидных систем. Результаты Пиккарди неоднократно воспроизводились независимыми исследователями. Однако не. все авторы были согласны с интерпретацией наблюдаемого эффекта как свидетельством воздействия на систему электромагнитных полей (в данном случае — относительно высоких частот). В самом деле, чрезвычайно трудно поставить опыт таким образом, чтобы наблюдаемый биообъект находился в условиях, когда из всего многообразия действующих на него физических факторов один был бы исключен, а все остальные остались бы без существенных изменений (в контрольных опытах это условие важно выполнять особенно точно). Эти чрезвычайные методические трудности имели своим следствием и не вполне однозначную интерпретацию результатов рассматриваемых опытов. Наиболее просто реализовать эксперименты с экранированием на одноклеточных. В описываемых исследованиях в специальной серии наблюдений (совместно с Ю. Н. Ачкасовой) [18] над бактериальными культурами были проверены результаты Пиккарди. Применялись латунный бокс, обеспечивающий ослабление внешнего поля с частотой >2 кГц на 30 дб, аналогичные боксы из стекла и картона и - в отдельных опьпах — пермаллоевый экран с остаточным расчетным значением статического поля порядка 500 н'Гл. У культур S. typhimurium, Staph, aureus 209 и ряда других видов измерялись интенсивность размножения, чувствительность к антибиотикам, ферментативная активность. Всего было поставлено несколько сотен опытов. Оказалась, что 16-часовая экспозиция приводила к однотипным изменениям — угнетению жизнедеятельности. Было выяснено, что те опыты, где отмечались случаи невоспроизводимости результатов (около 20%) приходились на дни, когда были зафиксированы гелио геофизические возмущения и жизнедеятельность в контрольных боксах подавлялась более существенно. В общем, эти результаты хорошо согласуются с более поздними и методически более совершенными измерениями. Картина при этом получается более сложной, чем в свое время у Пиккарди: Организмы реагируют на электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот, зафиксированы эффекты окружения биообъектов тонкой фольгой и проводящей сеткой. Однако не обнаруживается линейной зависимости между величиной затухания поля и биологическим эффектом для экрана из данного материала. Не имеется также ясной зависимости между зафиксированным биологическим эффектом и материалом экрана. Тем не менее, эти закономерности не противоречат представлениям о реальном существовании электромагнитного экранирования. В ситуации, когда спектр действия внешнего электромагнитного поля представляет собой систему полос, для которых биологический эффект может иметь РАЗНЫЙ ЗНАК, когда имеет место эффект АМПЛИТУДНЫХ ОКОН, а само действие поля нелинейным образом зависит от значения СТАТИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ (возможно, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО поля), биологический эффект экранирования должен крайне сложно зависеть от электромагнитных параметров экрана. Картина, понятно, еще более усложняется и запутывается, когда в реальных наблюдениях принимают участие упомянутые методические вопросы, затрудняющие сравнение опытных и контрольных данных.

4. Экспериментальное обоснование эффектов солнечной активности в некоторых физико-химических системах.

После открытия космофизических корреляций для макроскопических флуктуаций явление гелиогеофизических воздействий на физико-химические системы стало надежно установленным фактом. При этом, сразу же возникают два важных вопроса: насколько феноменологические закономерности гелиогеофизических воздействий, установленные для биологических систем, остаются справедливыми для систем физико-химических? Можно ли считать, что гелиогеофизические воздействия на физико-химические системы реализуется по тем же каналам что и на организмы? В попытках приблизиться к получению ответа на этот вопрос весьма полезно детальное изучение некоторых конкретных гелио-геофи-зических явлений, эффекты которых уже известны для организмов, применительно к кругу физико-химических процессов. Очень удобны для для этого данные по секторной структуре межпланетного магнитного поля

- явления физически понятного и достаточно хорошо изученного. Вязиазанным, били подробно рассмотрены эффектыкторных границ в двух массивах наблюдений. Первый из них относится к хорошо известным физико-химическим тестам Пиккради, отражающим круг явлений в водных растворах [33]. Для анализа были использованы данные оригинальных наблюдениймого Дж. Пиккарди, проводившихся трижды втки во Флоренции (44° ш). В обработку был включен весь массив измерений 1952-1967 гг. Датыены знака радиального компонента межпланетного магнитного поля были взяты изответствующих геофизических каталогов. Выбирались теучаи, когда знак поля оставался неизменным по крайней мере в течение 4-хток по каждуюорону границыктора (этоответствует исключению крупныхорадических возмущений). В качестве контрольногоиска границкторов был использован известный космофизикамисок "хорошо определенных границ" найденных в прямых измерениях (52 измерения). По разным причинам он почти не перекрываетсягеофизическими каталогами, так что его можноитать независимым. Применялся методнхронного детектирования (наложения эпох). В качестве реперного дня был принят последний день последовательности данного знака (в контрольном массиве сутки прохождения границы). Секторные границы были открыты после того, как были закончены измерения по всему анализируемому массиву данных, так что процедура обработки соответствует слепому методу. Результаты сводятся к следующему. Эффекты смены знака поля были обнаружены только для теста Б. Во всех шести вариантах обработки (3 раза в сутки, переходы (+,-) и (-,+)) показатель теста выше для дней отрицательной полярности. Суммарный результат, где данные для разных типов границ (+,-) и (-,+) объединены зеркальным отражениям относительно реперного дня, показан отдельно для основного и контрольного массивов данных на рис. 1 (по вертикальной оси — индекс теста Т (ЮлО. Известно, что показатель Т (¥)% подчиняется нормальному распределению, так что возможно применение обычного критерия Стьюдента. Согласно этому критерию уровень значимости различий средних для суммарного результата рис. 1 составляет для основного массива данных 3-10 4, для контрольного - 2-10" 3. Описанная асимметрия лучше выражена для утренних и околополуденных опытов, эффект несколько более проявляется для летнего сезона и почти не зависит от фазы 11-летнего цикла солнечной активности. Все эти закономерности хорошо соответствуют тому, что было найдено А. М. Опалинской (Томск, 1984) для небольшого независимого массива измерений модифицированного Р-теста Пиккарди. В этих опытах, проводившихся в 1968-71 гт., измерялось непосредственно время осаждения осадка оксихлорида висмута — оно оказалось выше (10%) в дни положительной полярности. Проведенный в этой работе анализ данных Пиккарди полностью согласуется также с другими типами наблюдений в водных растворах: та же самая асимметрия относительно межпланетного магнитного поля существует в дисперсии скорости тестовой химической реакции (т. е. в амплитуде макрофлук туаций, наблюдения 1978-84 гг., С. Э. Шноль и сотр., 1987) и вязкости воды при ее прохождении через пористую перегородку (В. Е. Жвирблис, 1995). Такого рода данные и послужили основой известной идеи о том, что "рецептором" космофизических воздействий во всех случаях является вода. Однако, уже сам Д. Пиккарди предложил реакцию, которая как будто бы и не имела к воде никакого отношения, — тест с затвердеванием расплавленного нафталина. В настоящее время имеются убедительные данные, показывающие что воздействия гелио-геофизических возмущений отнюдь не ограничиваются водными растворами. Аргументом в пользу такого утверждения являются результаты обработки и анализа еще одного массива измерений — по определению гравитационной постоянной с помощью крутильного маятника. Известно, что измерить эту константу с помощью упомянутого классического метода с точностью выше, чем 10"4, длительное время не удается. Существует большая литература о ее воз можных "вариациях". Одно из объяснений сложившегося положения состоит в том, что на результаты измерений влияет неконтролируемый внешний гелио-геофизический агент. Аргументом в пользу такого предположения могут служить мировые данные но уточняющим измерениям константы классифицированные в зависимости от ситуации в год измерений (для данного интервала измерений из ¡-го значения константы вычитается наиболее точное, разности усредняются отдельно для высоких (низких) уровней солнечной активности по числам Вольфа и геомагнитного индекса аа (последний известен с 1872 г. [35, 37]).

Рис. 1. Изменение показателя теста Пиккарди И в дни смены знака радиального комнонента межпланетного магнитного поля. Обработка по методу наложения эпох оригинальных наблю-дешга самого Пиккарди, 1958-1967 гг. Переходы "-"-*"+" и "+"-»" — " суммированы с зеркальным отражением относительно реперного дня. На верхнем графике секторы межпланетного поля определены геофизическими методами, на нижнем — секторы взяты из прямых наблюдений [33].

Из нижеприведенной таблицы 3 видно, что имеет место тенденция к уменьшению измеренного значения с увеличением уровня возмущенности (согласно не параметрическому аналогу критерия Стьюдента значимость этого различия 0.16).

Таблица 3. Сравнение измеренных значений гравитационной постоянной для возмущенных (шах) и спокойных (min) гелиофизических условий

Годы Число измерений шах min

R>40 R<

1798-1981 23 - 0,043 - 0,

АА>20 АА<

1872-1981 21 - 0,039 - 0,

Такая тенденция может быть отмечена и для результатов, полученных на одной и той же установке. В связи со сказанным, большой интерес представляют данные измерений на установке О. В. Карагиоза - В. П. Измайлова (1991). Было найдено [38], что экстремально высокие значения результатов на ней приходятся, действительно, на минимумы магнитной активности (когда наблюдается одновременно и наибольший разброс измерений). На дисперсию результатов влияет также и уровень возмущенности ионосферы. Вполне оправдан по этому поиск в этих же данных эффекта секторных границ межпланетного магнитного поля [43] Методика обработки была той же самой, что и в случае тестов Пиккарди. Использовались данные о межпланетном поле полученные геофизическим методом. Два независимых субмассива измерений, отличавшихся методическими деталями, анализировались отдельно. Суммарные графики наложения эпох, где различные типы границ (+,-) и (-,+) объединены как и прежде, зеркальным отражением, показаны на рис. 2. Статистическая значимость различий средних согласно критерию Манна-Уитни, составляет 3-10~4 (совместно для обоих массивов). Как видно, имеет место та же самая закономерность, что и для Р тестов Пиккарди: результаты оказываются чувствительными к знаку радиального компонента поля. Уместно напомнить, что такого же типа асимметрия обнаружена ныне для десятка различных биологических показателей. Вполне вероятно, что во всех случаях действует одна и та же причина.

Для выяснения физической природы действующего агента необходимо учитывать, конечно, различные эмпирические данные, накопленные при изучении тестов Пиккарди и наблюдения о корреляции с различными геофизическими индексами поведения крутильного маятника. В частности, что касается тестов Пиккарди, то их показатели существенно меняются при электромагнитном экранировании. Скорость реакции осаждения б .6800 8о ко го «73-! + 19 .-6734 ± 13 ---:+ + + + ре^Цн

6639 ±102 .6500 ±3? !+ + +

МЕ •1 = -! 7

Рис. 2. Изменение значений гравитационной постоянной, измеряемой на установке с крутильным маятником, при смены знака радиального компонента межпланетного магнитного поля. Обработка по методу • наложения эпох, где переходы " -"-»"+" и — " суммированы с зеркальным отражением относительно реперного дня. Верхний и нижний графики построены для двух независимых массивов измерений М1 и. МП [43]. меняется также в зависимости от уровня грозовой активности при воздействии искусственными магнитными (электрическими) полями низких частот с амплитудами в десятки НТЛ (десятые доли в/м) (А. М. Опалинская, Л. П. Агулова, 1984). Для крутильного маятника, где чувствительным элементом является нить подвеса, известны наблюдения, указывающие на связь его поведения с возмущениями теллурических токов (Е. М. Колесникова и др., 1975). Именно эти и аналогичные им другие данные заставляют искать действующий фактор среди явлений электромагнитного комплекса. Но если принять гипотезу об электромагнитной природе действующей "причины", то оказывается, что при этом "автоматически" получает объяснение различие данных в дни разной полярности межпланетного магнитного поля: накоплено множество данных, указывающих на существенное изменение параметров электромагнитного фона при смене знака поля. Эти изменения охватывают широкий диапазон частот от геомагнитных микропульсаций (включая неоднократно уже упоминавшиеся РсЗ и иррегулярных пульсаций РИ,2) до изменений интенсивности эмиссий магнитосферы на звуковых частотах и уровня напряженности поля атмосфериков. Наконец, можно заметить, что изменения параметров водных растворов под действием очень слабых (десятки нТл) переменных магнитных полей на определенных частотах подтверждается лабораторными экспериментами (например, Л. П. Семихина, В. Ф. Киселев, 1988). Что касается изменений под влиянием электромагнитных воздействий упругих свойств нити подвеса крутильного маятника, то соответствующих модельных экспериментов пока не проводилось: при изучении воздействия нетепловых электромагнитных полей на параметры кристаллических веществ обычно используют напряженности много больше природного фона. Выяснено, однако, что эти так называемые эффекты "магнитопластичности" зависят от частоты действующего поля (в разделе физики твердого тела, где изучаются такие явления, обращаются к представлениям о влиянии полей на динамику дислокаций; эти поля не вносят заметной энергии в систему, но влияют на выделение метастабильной энергии самой системы в процессах релаксации) В рассматриваемых здесь явлениях остается, конечно, много неизученного и неясного. Пройдет еще какое-то время, пока в этой области удастся построить самосогласованные работающие модели, описывающие действие сверхслабых полей на конденсированные среды и кристаллические тела. На данном этапе важно продолжить сбор надежной экспериментальной информации. Именно такую цель преследует эксперимент, ведущийся в настоящее время в Крымской астрофизической обсерватории: преци зионный мониторинг вариаций тока в серийных фотоумножителях и микросхемах. В вариациях этого тока уже удалось обнаружить известные космофизические периоды, например, около 180 минут.