|
|
Мир, в котором мы живем,
удивительно склонен к колебаниям.
Р. Бишоп
До сих пор мы рассматривали в основном эффекты солнечной
активности, схемы передачи которых в биосферу через тот или иной
экологический фактор были типа «внеземное изменение во внешней среде -*
реакция организма». Эти схемы, несомненно, позволяют объяснить многое, однако
имеются надежно установленные факты, трудно понимаемые с точки зрения такого
простейшего подхода. Непонятно, например, почему при анализе многих биолош-
ческих показателей (таких, как мировая статистика инфекционных заболеваний)
четко выявляются высокие гармоники циклических вариаций солнечной активности,
обнаруживаемые только путем применения особо чувствительных методов анализа в
рядах самих ie- лиофизических индексов.
Эти и некоторые другие данные наводят на мысль, что в
нашем обсуждении осталась незатронутой одна в высшей степени важная сторона
механизма связи биологических явлений с солнечной активностью. К рассмотрению
ее мы теперь и переходим. Речь пойдет о принудительной синхронизации
биологических ритмов организмов и их сообществ циклическими изменениями
факторов внешней среды. Мы уже обращали внимание читателя на то, что
контролируемые солнечной активностью параметры нашей среды обитания (см. 3)
меняются циклически в очень широком диапазоне периодов. Явление синхронизации
по сути дела позволяет многократно усилить первичное слабое воздействие любою
экологического фактора, если его циклические изменения происходят в такт с
собственным ритмом, характерным для организма (или экосистемы).
Общепризнанно, что все биологические системы на всех
уровнях организации функционируют в режиме самоподдерживающихся колебаний
(автоколебаний) Биологический смысл такого явления ясен. Это один из способов
приспособления организмов к внешней среде, чьи параметры подвержены
постоянным изменениям.
Автоколебания внешне проявляются как биологические ритмы—
циклические изменения показателей жизнедеятельности организма (таких, как
биохимические, физиологические, психические и т. д). В обширной
биоритмологической литературе накоплено множество наблюдений над
периодическими изменениями разного рода показателей у отдельных органов,
организмов и их сообществ.
Колебания существуют в очень широком диапазоне периодов—
от тысячных долей секунды до многих лет. Так, колебания биопотенциалов в
нервной системе позвоночных происходят с периодами от Ю-2 до 104 с (у
человека — а-ритм, 6-ритм и т. д. до «сверхмедленных» колебаний с периодами
80 и около 160 мин). Для колебаний концентраций при биохимических реакциях
характерны периоды порядка нескольких минут. Синхронные колебания клеточных
органелл имеют периоды в десятки минут.
Если перейти от этих так называемых микроритмов к
изменениям с большими периодами, то мы встретимся с наиболее подробно
изученными для многих организмов полусуточными и околосуточными (ииркадными)
ритмами. Для физиологических показателей человека давно известен
околомесячный период (26—29 сут). Упомянутая ранее цикличность в протекании
эпилептических припадков — единичный пример из огромного материала
клинических наблюдений над циклическим протеканием заболеваний, что также относится
к биоритмологии
Имеются также данные о наличии у человека ритмических
изменений физиологических и психологических показателей и с относительно
длительными периодами — макроритмы (0,5, 1, около 3, около 7 лет). Наконец,
на уровне систем организмов давно известны колебания численности популяций
(«волны жизни»). Наиболее часто встречающиеся значения периодов этих
колебаний — около 3—5 и около 10 лет.
При исследовании циркадных ритмов установлено, что они
синхронизуются суточными изменениями факторов внешней среды, прежде всего
режимом освещенности. Под синхронизацией в данном случае подразумевают такое
изменение периода ритма (обычно небольшое), что- он делается в точности
равным периоду изменений фактора внешней среды. Такого типа явления, называемые
«захватыванием частоты», давно известны для механических и электрических
систем при воздействии на них внешним периодическим сигналом.
Можно предположить, что общие закономерности, найденные
при изучении «захватывания частоты» на электрических и механических системах,
приложимы и к биологическим автоколебательным системам Из таких
закономерностей уместно отметить следующие (Н. И Блехман, 1981 г.): 1) при заданной амплитуде внешнего сигнала («вынуждающей силы») захват частот
автоколебательной системы возможен в некоторой относительно узкой полосе
частот (полоса синхронизации); захватывание возможно также на частотах, *в
целое число раз больших (или меньших) частоты внешнего сигналя; 2)
синхронизация возможна при чрезвычайно малой амплитуде вынуждающей силы, если
величина «расстройки» (т. е. разность частот автоколебаний и внешнего
возмущающего сигнала) достаточно мала; 3) близ полосы синхронизации возможно
появление биений — возникновение так называемых почти периодических
колебаний.
Вынуждающей силой для биологических автоколебательных
систем могут быть любые периодически меняющиеся факторы внешней среды.
К числу важных факторов внешней среды, выполняющих роль
синхронизаторов («временных ключей», датчиков времени), несомненно, должны
быть отнесены периодические и циклические изменения уровня ЭМП. На это уже
давно, на самом первом этапе обсуждения проблемы «биологических часов»,
указывал американский биолог Ф. Браун. Эксперименты Р. Вевера, о которых мы
рассказывали при рассмотрении эффектов электромагнитного экранирования,
являются прямым подтверждением синхронизирующей роли ЭМП. Но поскольку
амплитуда датчиков времени биоритмов может быть очень малой, известное
значение могут иметь (в диапазоне макроритмов) и погодно-климэтические
изменения (осадки, средние температуры определенных месяцев и т. д). Важно
только, чтобы эти изменения (в данном географическом регионе) содержали
периодический компонент
Если синхронизация биоритмов параметрами внешней среды и в
самом деле широко распространенное .явление, должно наблюдаться совпадение
периодов биологических ритмов с периодами изменений факторов внешней среды В
6 для диапазона макро- ритмов приведены выявленные к настоящему времени
гармоники солнечной и геомагнитной активности и периоды, найденные в
физиологических показателях человека (включая ритмику протекания ряда
заболеваний) и в развитии эпидемий. Сопоставление этих двух наборов периодов,
как видно, обнаруживает впечатляющее сходство. Определенное, но менее полно
изученное сходство наблюдается и в диапазоне микроритмов. Удивительная
близость периодов (частот) микроритмов и некоторых хорошо известных
геофизических периодических явлений (электрокардиограмма человека —
геомагнитные микропульсации Рс 1; а-ритм электроэнцефалограммы человека —
фундаментальная частота ионосферного волновода и т. д.) побудила некоторых
исследователей воздействовать на организм слабым магнитным или электрическим
полем именно на частоте, близкой какому-нибудь микроритму. Отдельные авторы
сообщали о признаках «усвоения» подаваемой частоты на энцефалограмме (Р.
Гавалас и др, 1970 г.; А. М. Волынский, 1973 г., 1 . Я. Войтинский и др., 1974 г.).
Такое «усвоение» частоты и есть признак синхронизации
(«затягивания»}. Не исключено поэтому, что высокая чувствительность
организмов к периодическим воздействиям различной физической природы
(электромагнитным, акустическим) в полосе частот микроритмов обусловлена
явлением «затягивания частоты».
Но посмотрим теперь, как выглядела бы связь некоторых
периодически протекающих биологических явлений с солнечной активностью в
случае, когда механизм принудительной синхронизации реально действует. Пусть
это будут данные об изменении численности какой-нибудь популяции. Период
автоколебаний в подобных системах (около 10 лет) зависит существенным образом
от темпов размножения. Это означает, что для разных видов и разных ареалов он
должен быть различным. «Вынуждающей силой» могут быть, например, циклические
изменения климата (влияющие на откорм), уже знакомые нам вариации в потоке
ультрафиолетового излучения (влияние через концентрацию витаминов) или того
же ЭМП (влияние на плодовитость, соотношение полов).
В простейшем случае (а только такой мы и рассматриваем)
могут реализоваться две возможные ситуаций. В случае полной синхронизации,
когда имеют место колебания с дискретным набором периодов (периоды могут быть
различны в разных ареалах), возникает четкая корреляция с индексами солнечной
активности: минимумы (либо максимумы) располагаются в определенных фазах,
скажем, 11-летнего цикла. В отсутствие полной синхронизации (более типичный
случаи) могут наблюдаться биения на границе полосы синхронизации близ
какой-либо гармоники солнечной цикличности. В этом случае на кривых изменения
численности популяции должны быть заметны следующие характерные детали:
одновременно присутствуют колебания двух периодов; соотношение между их
амплитудами постепенно меняется со временем; одновременно изменяется и
фазовое соотношение между величинами численности популяции и «вынуждающей
силы» (так что, например; минимум численности приходится сначала на фазу
подъема солнечной активности, затем на фазу максимума) и т. п.
В некоторый момент времени может произойти полная сшгхро-
низация, и тогда кривая вариации численности резко изменится (но потом биения
могут вновь возобновиться!). Во многих случаях кривые колебаний численности
популяций в естественных условиях (например, у грызунов) обнаруживают
разительное сходство с описанной картиной. Хотелось бы обратить еще раз
внимание на постоянное изменение фазы кривой численности относительно кривой «вынуждающей
силы» (индекса солнечной активности) при биениях. С точки зрения механизма
«возмущение — реакция организма», обсуждавшегося в предыдущих разделах, такая
ситуация исключает наличие связи с солнечной активностью вообще.
Соображения о биениях, очевидно, применимы и в случае
циклически протекающих стихийных эпидемий (у людей, животных и растений).
Можно предположить, что, как и в случае «волн жизни», эпидемический процесс
носит автоколебательный характер (такое предположение неоднократно обсуждалось
в специальной литературе). Здесь возможны колебания (ритмы) в уровне
иммунитета подверженных данному заболеванию индивидуумов, циклические
изменения в выживаемости и болезнетворной способности возбудителя болезни,
колебания в числе и подвижности переносчиков возбудителя (это те же «волны
жизни»). В такой сложной системе воздействие внешнего периодического фактора
может сказаться на любом из упомянутых колебаний. Очевидно, и связь с
солнечной активностью в данном случае может оказаться очень сложной, а выяснение
путей, по которым осуществляется влияние, — задачей ныне трудноразрешимой.
С точки зрения представлений о синхронизации легко понять
географическую изменчивость эпидемической цикличности. Ведь собственные
периоды колебании в системе определяются совокупностью условий в некоторой
географической области. «Захватывание частоты» может произойти на любой
гармонике солнечной цикличности — даже очень слабо выраженной (величина
амплитуды ведь не существенна, важно только чтобы оказались достаточно близки
периоды) Между прочим, для разных географических регионов, разных заболеваний
физическая природа вынуждающего фактора может оказаться различной.
Итак, эпидемические катастрофы — скорее всего результат
синхронизации (или биений) в природных экологических системах, обусловленной
воздействием на эти экосистемы циклических вариаций солнечной активности
(посредством некоторых физических факторов). Подчеркнем еще раз, что
изложенные представления — это, конечно, гипотеза, но, по мнению авторов, она
содержит важный элемент истины. Вооружившись ею, можно понять природу
некоторых явлений, казавшихся прежде совершенно загадочными.
Интересный пример синхронизации — околонедельная ритмика.
В последние годы выяснено, что 7-суточная цикличность (иногда более четко
представлен удвоенный период 12—15 сут) является важной особенностью
временной организации биосферы Приблизительно недельный ритм в
физиологических показателях организма человека был открыт сравнительно давно
(Н Я. Пэрна, 20-е годы нашего столетия). С использованием большого массива
наблюдений и современных методов анализа он был изучен, однако, только в наше
время Обстоятельные исследования были предприняты, в частности, А. В.
Ковальчуком (Ужгородский университет, 1974 п).
Использовались простые и хорошо изученные физиологические
параметры, такие, как кровяное давление, концентрация лейкоцитоз и
эритроцитов, содержание гемоглобина, мышечная сила, частота сордечных
сокращений. Оказалось, что во всех этих показателях за все время наблюдений
(1961—1971 гг.) неизменно обнаруживается околонедельная (двухнедельная)
ритмика. Важным результатом описываемой работы является и то, что динамика
перечисленных выше физиологических показателей оказалась сопряженной с
магнитной активностью, причем для разных показателей с разным запаздыванием.
Более того, из анализа данных по содержанию гемоглобина, относящихся к разным
городам (Львов, Кировск, Москва, Петрозаводск и т. д.), А. В. Ковальчук
заключает, что околонедельная цикличность синхронна на большой территории и,
вероятно, носит глобальный характер.
Советский геофизик А. И. Оль первым обратил внимание на
секторные границы межпланетного магнитного поля как возможный «временной
ключ», синхронизирующий такую ритмику. Теперь хорошо известно, что при
переходе Земли из сектора одной полярности межпланетного поля в сектор
противоположной полярности магнитосфера испытывает некоторую перестройку,
которая ощущается даже в нижней атмосфере (в изменении ее циркуляции). Все
геофизические параметры (см. 3) претерпевают при этом изменения.
Удивительно, что эффекты прохождения секторных границ были
обнаружены и при наблюдениях над поведением физико-химических систем. Один из
тестов Пиккарди, много раз здесь уже упоминавшихся, «различает» знак
полярности межпланетного магнитного поля. Это, несомненно, объясняется
некоторым различием в. спектральном составе фона ЭМП в секторах разного знака
отдельные типы микропульсаций несколько по-разному возбуждаются в пределах
секторов разной полярности.
Было выяснено также, что на прохождение секторных границ
реагируют бактерии. При исследовании флуктуаций в скорости размножения
эталонного штамма кишечной палочки Е Coli СА-23 в ежедневных измерениях
1971—1975 гг. найдено, что на другой день после прохождения секторной границы
их жизнедеятельность подавлялась. Бактерии в среднем хуже росли в дни
отрицательной полярности (Ю Н Ачкасова и др, 1978 г).
«Чувствуют» прохождение секторной границы и клетки
некоторых культур тканей вне организма Это было обнаружено при изучении
причин частичной невоспроизводимости в длительной серии, экспериментов по
цитопатическохму «зеркальному» эффекту (В. П. Казначеев, Л. Г1. Михайлова и
др., 1965—1975 гг.) Опыты были, как правило, успешными (эффект наблюдался),
если подопытная ткань (фиброблагт эмбриона человека) начинала расти на вторые
сутки после смены полярности от положительного направления мсжпланетиою поля
к отрицательному. Результат можно понять, если допустить, что клетки этой
культуры ткани реагируют на возмущающий фактор (ЭМП) однотипно с кишечной
палочкой. Тогда в пределах сектора отрицательной полярности жизнедеятельность
клеток должна быть угнетена. На таком фоне слабое воздействие на здоровую
ткань со стороны поврежденной через оптическое излучение имеет, видимо,
больше шансов на успех, и опыт воспроизводится.
На уровне организма в целом мы вступаем вновь в область биоритмологии.
Околонедельная (либо кратная этому периоду) цикличность давно известна из
клинических наблюдений над протеканием ряда- заболеваний. Получены указания
на сопряженность этой ритмики с секторными границами. Состояние.
нервно-психичс- ских больных (в одной из Клиник Москвы) заметно ухудшилось в
дни, соответствующие началу положительного сектора (Ю. С Николаев, С. М.
Мансуров и др., 1976 г). На отрицательный сектор, особенно его начало,
приходится значительно больше случаев обострений шизофрении, чем на
какие-либо другие сутки (А. Н. Корнетов и др., Крымский медицинский институт,
1980 г.).
Итак, организмы и их сообщества являются
автоколебательными системами. Одно из свойств таких систем—«подстраиваться» к
частоте внешнего периодического сигнала. Если различие частот
автоколебательной системы и внешнего сигнала мало, то такая «подстройка»
(«затягивание частоты», синхронизация) обязательно произойдет, даже если этот
внешний синхронизующий сигнал имеет ничтожно малую амплитуду. Кажется очень
вероятным, что эпидемические катастрофы, изучавшиеся А. Л. Чижевским, или
массовые размножения саранчи, исследованные в свое время Н. С. Щербиновским,
представляют собой синхронизацию солнечной активностью автоколебания в природных
экосистемах.
|