Сущность и развитие гелиобиологии

1

Содержание

Введение

1. Сущность гелиобиологии

1.1 А.Л. Чижевский – основатель гелиобиологии

1.2 Создание высокоточного математического метода для выявления скрытых ритмов из зашумленных массивов биологических и гелиогеофизических данных

1.3 Выявление параметров и уточнение классификации солнечных и биологических ритмов разной размерности

1.4 Создание методологии долгосрочного прогнозирования колебаний показателей жизнедеятельности по сумме текущих фаз резонансных ритмов солнечной активности

1.5 Создание теоретической платформы под гелиобиологические явления, открытые А.Л. Чижевским. Современная гелиобиология – основа единой теории биологии

2. Солнце и ионосфера

3. Структура ионосферных областей

Заключение

Список литературы

Введение

Гелиобиология (от гелио и биология), раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца на земные организмы. Основоположник гелиобиологии - советский физик А. Л. Чижевский (его первая работа в этой области вышла в 1915), однако на связь между колебаниями активности Солнца и многими проявлениями жизнедеятельности у обитателей Земли указывали до него шведский учёный С. Аррениус и др. Колебания солнечной активности, сопровождающиеся периодическим увеличением количества пятен и хромосферными вспышками (цикл в среднем 11 лет), ведут к изменению интенсивности рентгеновского, ультрафиолетового и радиоизлучения Солнца, а также испускаемых им потоков корпускулярных частиц. Циклические колебания солнечного излучения отражаются на жизнедеятельности земных организмов. Так, установлено влияние изменений солнечной активности на рост годичных слоев деревьев и урожайность зерновых, размножение и миграцию насекомых, рыб и др. животных, на возникновение и обострение ряда заболеваний у человека и животных. Крупные исследования по гелиобиологии выполнены советскими учёными. А. Л. Чижевский установил связь возникновения эпидемий и эпизоотий, обострений нервных и психических заболеваний и ряда др. биологических явлений с изменениями солнечной активности¹.

Цель работы – изучить понятие и сущность гелиобиологии.

Задачи работы – рассмотреть деятельность основателя гелиобиологии – А.Л. Чижевского; изучить взаимосвязь солнца и ноосферы; определить структуру ионных областей.

1. Сущность гелиобиологии

1.1 А.Л. Чижевский – основатель гелиобиологии

Основатель гелиобиологии А.Л. Чижевский доказал зависимость всех биологических процессов на Земле от цикла колебаний солнечной активности (СА), составляющего около 11 лет. Начатые им исследования мы продолжили с использованием современных возможностей кибернетики, вычислительной техники, квантовой физики, радиотехники и молекулярной биологии.

Чижевский использовал математический прием – «метод наложения эпох», в то время самый передовой для выделения высокоамплитудных ритмов среди «случайных» колебаний показателей. Уровень развития вычислительной техники 20-40-х гг. прошлого века не позволил ученому произвести достоверное выявление биологических и солнечных ритмов с периодами больше и меньше 11 лет, а также составить их классификацию.

Кроме развития практической гелиобиологии Чижевский, по-видимому, постоянно искал ответы и на жгучие теоретически вопросы этой науки: 1) где находятся биологические часы живого организма и как они работают; 2) с помощью какого механизма солнечные излучения регулируют обмен веществ в сложном организме и в изолированной живой клетке. Доказательством служат эксперименты и глубокие теоретические изыскания по проблеме электрических свойств крови. Обозначив этими исследованиями стратегическое направление поисков в теоретической гелиобиологии, Чижевский конкретно ответить на поставленные вопросы не смог, так как не имел для этого необходимого фундамента: в годы активной работы ученого молекулярная биология еще не сформировалась, не была известна роль нуклеиновых кислот в составе генов и не существовало таких наук, как теория автоматического регулирования самонастраивающихся систем, кибернетика, фитобиология и современная иммунология, которые, в совокупности, позволили бы ученому создать представления теоретической гелиобиологии.

Гелиобиологические исследования с использованием арсенала современного знания велись по четырем направлениям².

1.2 Создание высокоточного математического метода для выявления скрытых ритмов из зашумленных массивов биологических и гелиогеофизических данных

Кризис современной гелиобиологии (как в России, так и за рубежом) может быть преодолен благодаря эффективному математическому методу выявления полного набора ритмов и их параметров (особенно фаз) в практике биоритмологии. Такой метод разрабатывался в СССР, а затем и в России параллельно с развитием вычислительной техники начиная с 1976 года. Совершенствовались алгоритм и программа расчетов, позволяющих в единой процедуре выявлять некратные друг другу ритмы, характеризующиеся такими параметрами, как длина периода, фаза и амплитуда. За 20 лет работы было выявлено множество разночастотных биоритмов крови людей и животных, а также солнечных, лунных, геофизических и метеорологических ритмов. Метод обсуждался на специальных семинарах в Институте прикладной математики им. Келдыша РАН, в Институте кибернетики им. Глушкова УАН, на математическом факультете МГУ им. Ломоносова и был единодушно одобрен и рекомендован к публикации в центральных научных журналах.

Однако проблемные и экспертные советы по хронобиологии игнорировали эти рекомендации, метод до сих пор не изучается. Им эффективно воспользовался лишь Институт химической физики РАН в Черноголовке, где много лет исследуются ритмы ферментов лимфоцитов в норме и при концерогенезе.

1.3 Выявление параметров и уточнение классификации солнечных и биологических ритмов разной размерности

Разработанный нами метод позволил выявить многочисленные ритмы крови людей и животных, показатели солнечной и геомагнитной активности, а также метеофакторы. Например, в исходном массиве чисел Вольфа, состоящей из 244 членов (среднегодовых значений СА с 1749 по 1992 годы), определены 87 составляющих скрытых ритмов, причем установлен весь набор в единой процедуре со всеми параметрами ритмов. Благодаря этому впервые показано, что «околоодиннадцатилетний» цикл солнечной активности складывается из фазово-амплитудного взаимодействия не менее, чем 35 ритмов. Наиболее значимыми в этом «семействе» гелиоритмов являются высокоамплитудные гелиоритмы продолжительностью: 11,00; 10,04; 10,52; 11,95; 8,38; 10,64 и 8,10 лет.

По условиям гелиобиологических экспериментов, постулированных А.Л. Чижевским, необходимо сравнивать параллельные динамики солнечных и биологических данных. Исследования велись со строго соблюдаемым интервалом забора биологических проб: 1) в течение 2,5 лет с интервалом в неделю; 2) 380 суток с интервалом в неделю; 3) 128 суток с интервалом в трое суток; 4) 32 суток ежедневно; 5) 27 часов с интервалом в три часа при повторении исследований в середине каждого сезона года.

В результате составлена единая классификация биологических и солнечных ритмов в интервале от 6 часов до 2,5 лет. Обнаружено, что большинство выявленных солнечных и биологических ритмов по длине периода копируют длину волновых периодов планет солнечной системы, вычисленных астрофизиком из Дубны А.М. Чечельницким.

1.4 Создание методологии долгосрочного прогнозирования колебаний показателей жизнедеятельности по сумме текущих фаз резонансных ритмов солнечной активности

«Околоодиннадцатилетние» ритмы солнечной активности важны для прогнозирования, например, эпидемий и социальных катаклизмов. Такой прогноз (времени и частоты колебаний циклов СА) выполнен на период до 2100 года ХХI век, по нашим данным, будет более «спокойным» (по высоте максимумов СА), чем ХХ век

Анализ индивидуальных и групповых ритмограмм позволил отметить следующие закономерности, помогающие более осмысленно ориентироваться в многообразии биологических и гелиофизических ритмов, а также в значении каждого из них:

1. Длины периодов одночастотных биоритмов крови людей и животных, а также гелиоритмов с учетом их «дрейфа» не отличаются достоверно друг от друга и согласуются с волновыми периодами планет солнечной системы.

Иными словами, длительности периодов биологических и солнечных ритмов совпадают, что позволяет говорить о связанности всех природных ритмов. Ведущими в этом ансамбле являются космические ритмы. От них зависят все остальные природные, в том числе, биологические, ритмы организма. Можно сказать и так: биологические ритмы организма определяются космическими. В строгой научной формулировке этот вывод звучит следующим образом:

2. Идентичность длин периодов биологических ритмов с ритмами изменения солнечной активности и волновыми периодами планет солнечной системы доказывает объективность существования поличастотной резонансной связи между волновыми процессами в Космосе и биологическими процессами на Земле. Вселенная представляет собой систему взаимосвязанных, взаимосогласованных и взаимообусловленных ритмов.

3. К индивидуальным характеристикам биоритмов каждого человека или животного относится набор выявленных частот биоритмов, а также средний уровень и амплитуда колебаний исследуемого показателя. Длина периода и фаза колебаний в классах низкочастотных биоритмов не отличаются с достоверностью у разных индивидов и могут быть отнесены к общевидовым характеристикам биоритмов.

В переводе на более простой язык это означает, что наборы биоритмов индивидуальны: они различаются частотой, средним уровнем и амплитудой. Например, цикл изменения артериального давления может составлять 3 недели, характеризоваться средним показателем 120/80 при максимуме/минимуме 135/65 у одного человека и две недели, 115/70, 125/60, соответственно, у другого. Индивидуальные показатели зависят от индивидуальных особенностей организма. Они изображаются разными кривыми, а в целом индивиду свойственна своя неповторимая результирующая кривая. А вот длительность периода колебаний и их фаза едины для всей популяции. Поэтому, если, скажем, с 5 марта начинается фаза подъема кривой артериального давления, то она наступает во всех индивидуальных биоритмах давления – идет общевидовой процесс.

4. В ансамбле биоритмов, выявленных для каждого индивида, можно найти такие биоритмы, фазовая координация которых с аналогичными по частоте ритмами солнечной активности статистически устойчива и наблюдается у подавляющего числа обследованных людей или животных. Практическое выявление устойчивого фазового соотношения одночастотных биоритмов и гелиоритмов дает возможность составлять долгосрочные прогнозы тенденции изменения биологических показателей по сумме текущих фаз резонансных ритмов солнечной активности.

Так как ритмы солнечной активности и биоритмы человеческого организма согласованы, то по фазе солнечной активности можно прогнозировать изменение показателей жизнедеятельности, допустим, того же артериального давления или гемоглобина крови. Прогноз будет относиться ко всей популяции, поскольку она характеризуется устойчивыми ритмами, которые, подобно ритмам отдельных организмов, соотносятся с ритмами Солнца.

1.5 Создание теоретической платформы под гелиобиологические явления, открытые А.Л. Чижевским. Современная гелиобиология – основа единой теории биологии

Выявление наборов биоритмов и гелиоритмов, характеризующихся не только длиной периодов, но и жестко фиксированными фазами колебаний, позволило к классическим вопросам гелиобиологии (как работают биологические часы и каков механизм влияния солнечной активности на живой организм) добавить не менее существенный вопрос – почему каждый живой организм, самый сложный и самый примитивный, обладает индивидуальным набором многочисленных биоритмов? Ответ на этот, казалось бы чисто биоритмологический, вопрос немедленно переносит задачу в область проблемы «биологической индивидуальности», т.е. в область иммунологической специфичности живого организма.

Известно, что иммунологическая специфичность проявляется в генетически предопределенном аминокислотном составе белков конкретного организма. Может ли это означать, что она «отвечает» и за специфичность наборов биоритмов того же индивида?

В поисках ответа пришлось заниматься и иммунологией, и фотобиологией, и молекулярной биологией, и генетикой, и эмбриологией, и квантовой физикой, и радиотехникой, и еще многими другими науками. Ответ оказался интегральным. Как недостающее звено он связал воедино законы всех этих наук и выстроил известные ортодоксальные и парадоксальные факты биологии и медицины в неразрывную систему.

Таким недостающим звеном оказалось доказательство волновой природы сигналов, регулирующих генную активность. Эти волновые сигналы в оптическом диапазоне электромагнитных волн генерируются высоко дипольными молекулами белковых соединений, находящихся в живых (обладающих электрической активностью) клетках.

В условиях переменного электрического поля, создаваемого потоками электронов в живых клетках, все белки-диполи превращаются в крошечные осцилляторы, генерирующие электромагнитные волны с частотой, соответствующей размеру и форме вибраторов. Таким образом, оказалось, что иммуноспецифические белки–вибраторы в живой клетке генерируют иммуноспецифические по частоте излучения! Самыми информативными излучениями белков в живой клетке являются иммуноспецифические кванты энергии ультрафиолетового (УФ) диапазона волн (что напрямую согласуется с открытиями А.Г., Л.Д. и А.А. Гурвичей и В.П. Казначеева с Л.П. Михайловой).

Вот почему А.Л. Чижевского так интересовали электрические свойства клеток крови! Гениальная интуиция подсказала ему, что ответы на острые вопросы гелиобиологии лежат в области физики живого вещества – области резонансных явлений.

Открытие единства корпускулярных и волновых свойств живой материи, а также электромагнитной природы информации в клетке позволило: 1) выявить механизм действия солнечных излучений на живой организм; 2) объяснить, как работают биологические часы организма любой сложности; 3) показать, как возникает иммуноспецифичность биологического поля клеток, тканей и всего сложного организма; 4) выявить новую роль известных клеточных органелл в приеме, передаче, фильтрации, направленной трансформации и в прерывании потоков солнечной и внутриклеточной иммуноспецифической волновой информации, идущей к генам; 5) показать электромагнитную природу иммунитета; 6) доказать ущербность центральной догмы молекулярной биологии (ДНК-РНК-БЕЛОК), как не соответствующей законам работы самонастраивающихся систем автоматического регулирования; 7) показать основные принципы переключения генов в процессе клеточной дифференцировки.

Понимание, что каждый ген клетки «ждет» для своей активации резонансный сигнал от соответствующего белка, а затем, активировавшись, становится источником появления кодируемого им другого белка, квантовые характеристики которого могут быть резонансными для активации какого-то гена из генома клетки, позволило представить новый вид потока информации в живой клетке: -ДНК1-РНК1-БЕЛОК1-ДНК2-РНК2-БЕЛОК2-…- ДНКn-РНК-n-БEЛОКn- … В этом ряду предусматривается возможность удлинения, вырезания, разветвления и замыкания белково-нуклеиновых звеньев, формирующих общее метаболическое поле живого организма, построенного на положительных обратных связях.

По сути дела, именно составление цепочек из белоксинтезирующих звеньев (-ДНК-РНК-БЕЛОК-), объединяющихся между собой иммуноспецифичной волновой информацией и целесообразностью работы каждого звена для эволюции всей цепи, и явилось тем фундаментом, тем базисным автокаталитическим процессом, на основе которого возникла жизнь на Земле. Практическими подтверждениями правильности взятого направления в развитии единой теории биологии служат работы А.Г., Л.Д. и А.А. Гурвичей о митогенетическом УФ-излучении делящихся клеток; В.П. Казначеева и Л.П. Михайловой о фитопатологическом эффекте при дистантном УФ-взаимодействии клеток; А.А. Шахова, открывшего и доказавшего закон внутриклеточного полифункционального действия света у растений, а также показанная нами возможность объяснять и систематизировать на основе фундаментальных законов физики и радиотехники все известные, но малопонятные факты классической биологии и медицины.

Единая теория биологии, основанная на неразрывности корпускулярных и волновых свойств живой материи, позволит развивать ее прикладные аспекты – проблемы экологии, патогенеза и лечения различных «непобедимых» хронических заболеваний, борьбы с острыми инфекциями и интоксикациями, раком и аллергией.

А все началось с работ А.Л. Чижевского. Правы были составители меморандума конгресса по биофизике 1939 г., записав в него следующее – «…Труды профессора Чижевского чреваты громадными практическими последствиями, значение которых для медицины… трудно даже представить». Надеемся, что в XXI веке гелиобиология А.Л. Чижевского очистится от груды макулатурных работ, помолодеет и озарит своим блеском все праведные дела «века биологии»³.

2. Солнце и ионосфера

Ионосферу невозможно изучать без соответствующего исследования процессов на Солнце и их влияния на процессы в земной атмосфере. Это утверждение, прежде всего, основывается на том, что излучение Солнца - основной источник энергии для атмосферных процессов. Более того, специфическая ионизирующая радиация, которая и является причиной существования ионосферы, или прямо возникает в результате определенных процессов на Солнце, или сильно зависит от солнечных магнитных полей. Излученная Солнцем ионизирующая радиация составляет лишь небольшую часть всей его энергии излучения. Тем не менее, влияние Солнца оказывается весьма значительным, если речь идет о распространении радиоволн. Еще более сильным оказывается влияние избыточной ионизирующей радиации, которая возникает в результате возмущений на Солнце.

Ионосфера образуется при фотоионизации атмосферных компонент рентгеновским излучением Солнца и коротковолновым (короче 1300 А) ультрафиолетовым излучением. Исключением является нижняя область D; она образуется галактическими космическими лучами. Несмотря на обширное количество сведений об ионосфере, относительное влияние этих излучений еще не достаточно ясно. Причина этого заключается в том, что еще мало точных данных о характеристиках ионизирующего излучения Солнца и недостаточно знаний о процессах деионизации и их скоростях. В настоящее время 'самая главная проблема - это, вероятно, недостаток знаний об излучении Солнца.

Солнечные вспышки являются наиболее важной частью солнечной активности, влияющей на ионосферу. Во время этих возмущений, которые будут описаны более подробно далее, происходит интенсивное излучение в рентгеновской области спектра. Рентгеновские лучи с большой энергией проникают глубоко в ионосферу, в результате чего ионизированные области образуются на малых высотах, а это существенным образом изменяет характеристики распространения радиоволн, так что временами происходит полное прекращение радиосвязи на высоких частотах. Поток энергии, вызывающий подобные эффекты, может быть меньше, чем 10-2 эрг/см2·сек.

Иногда во время солнечных вспышек происходит излучение большого количества протонов, которые являются причиной временной повышенной ионизации на малых высотах (область D) в районе полярных шапок. Солнечные вспышки также сопровождаются геомагнитными возмущениями, что влияет на поведение потоков электронов в полярных областях, вызывая уменьшение интенсивности космических лучей.

Солнечная активность связана с числом пятен на диске Солнца. Среднее число пятен изменяется с периодом приблизительно 11 лет. Средняя степень ионизации ионосферы и количество возмущений, следовательно, также изменяется с солнечным циклом.

Ввиду того, что имеющиеся теории процессов на Солнце не в состоянии удовлетворительно объяснить данные наблюдений, ионосферные модели существенным образом зависят от совокупности полных и надежных данных о спектральной интенсивности излучения Солнца. Сейчас, однако, редукция данных солнечных наблюдений в свою очередь ограничивается отсутствием теоретической интерпретации. Очевидно, прогресс в ионосферной теории зависит от прогресса в теории солнечной деятельности. Эти две области знаний неразделимы, и физики, изучающие ионосферу, с нетерпением ожидают новых данных о Солнце⁴.

3. Структура ионосферных областей

Идея о существовании ионосферы в виде некоторого слоя всегда была присуща ионосферным теориям. В количественной форме эта идея была впервые выражена в теории образования ионосферного слоя, созданной Чепменом в 1931 г. Хотя в дальнейшем ряд авторов уточнили условия образования истинного "слоя Чепмена", сама идея все еще остается фундаментальной для ионосферных моделей. Это означает, что для соответствующих атмосферных компонент и длин волн ионизирующей радиации могут быть найдены высота и скорость максимума ионизации. Существующие в настоящее время модели учитывают просто более широкую полосу спектра ионизирующей радиации и охватывают большее количество атмосферных компонент.

Существование ионосферных слоев зависит как от образования электронно-ионных пар и их последующей судьбы, что определяется свойствами ионизируемой компоненты, так и от вида и концентрации окружающей нейтральной среды. Легко можно написать уравнения непрерывности или баланса описывающие эти условия. Трудности появляются при идентификации существенных реакций, определении их скоростей и концентраций соответствующих компонент, а также при решении получающихся дифференциальных уравнений.

В настоящее время вместо наименования "слой" более употребительным стал термин "область". Основой для такого изменения послужили ракетные измерения, в результате которых оказалось, что в ионосфере нет четко ограниченных слоев, представление о которых возникло при интерпретации радиолокационных исследований. И теоретические модели, и эксперименты показывают, что "слои" представляют собой просто большие градиенты электронной концентрации. Градиенты и максимумы концентрации перемещаются (в ограниченной области высот) под влиянием солнечной активности. Область D располагается ниже примерно 90 км. Хотя иногда встречаются упоминания о лежащей еще ниже области С, такое обозначение применяется редко. Промежуток между областью F (около 180 км) и 90 км обычно рассматривается как область Е. Граничные высоты, конечно, не определяются точно. Мы будем рассматривать области ионосферы, расположенные на высотах ниже 160 км, и, следовательно, будем иметь дело в основном с областями D и Е⁵.

Заключение

Исследования по гелиобиологии включают:

1) изучение корреляции изменений определённого биологического показателя (по статистическим данным) с колебаниями активности Солнца;

2) испытания на различных биологических объектах действия условий, моделирующих отдельные факторы солнечной активности. Развитие второго направления только начинается - первая лаборатория по гелиобиологией организована в СССР в 1968 (Иркутск).

Гелиобиология тесно связана с др. отраслями биологии, с медициной, космической биологией, астрономией и физикой.

Основные задачи, стоящие перед гелиобиологией, - выяснить, какие факторы активности Солнца влияют на живые организмы и каковы характер и механизмы этих влияний.

Прогнозы резких колебаний солнечной активности (в частности, хромосферных вспышек) должны будут учитываться не только в космической биологии и медицине, но и в практике здравоохранения, в сельском хозяйстве и др. отраслях науки и народного хозяйства.

Список литературы

Концепции современного естествознания / Под ред. И.М. Морозова. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004.

Пригожин С.Ю. Солнечная активность и жизнь. Рига: Югра, 1967.

Чижевский А.Л., Шишина Ю.Г., В ритме солнца, М.: Наука, 1969.

Чижевский А.Л., Эпидемические катастрофы и периодическая деятельность солнца, М.: Просвещение, 1970.

Щербиновский Н.С., Циклическая активность Солнца и обусловленные ею ритмы массовых размножений организмов, в кн.: Земля во Вселенной, М.: Знание, 1964.

1 Концепции современного естествознания / Под ред. И.М. Морозова. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. С. 433.

2 Пригожин С.Ю. Солнечная активность и жизнь. Рига: Югра, 1967. С. 205.

3 Чижевский А. Л., Шишина Ю. Г., В ритме солнца, М.: Наука, 1969. С. 117.

4 Чижевский А.Л., Эпидемические катастрофы и периодическая деятельность солнца, М.: Просвещение, 1970. С. 152-153.

5 Щербиновский Н.С., Циклическая активность Солнца и обусловленные ею ритмы массовых размножений организмов, в кн.: Земля во Вселенной, М.: Знание, 1964. С. 107.