Раздел научных знаний, называемый «Солнечно-земные связи», посвящён изучению совокупности всех возможных взаимодействий гелио- и геофизических явлений. Эта наука лежит на стыке физики Солнца, солнечной системы и геофизики и занимается исследованием влияния солнечной переменности и солнечной активности через межпланетную среду на Землю, в частности - на магнитосферу, ионосферу, атмосферу и биосферу Земли. Многолетняя динамика биосферы, от ДНК улитки до человеческого социума, воспроизводит периодическую и спорадическую динамику нашего светила. Рассказ о истории изучения солнечно-земных связей следовало бы начать с упоминания четырех имен: Галилея Галилео, изобретшего телескоп и тем самым поставившего изучение Солнца на инструментальную основу; французского монарха Людовика 14, организовавшего первую в новейшей истории службу систематических наблюдений Солнца; П.Н. Лебедева, выдающегося русского физика-экспериментатора, в 1899-1907 годах первым подтвердившего на опыте вывод Максвелла о наличии светового давления и показавшего, что хвосты комет загибаются под воздействием солнечного излучения; и еще одного замечательного русского ученого 20 века – А.Л. Чижевского, основоположника гелиобиологии, который был пионером изучения влияния космических физических факторов на процессы в живой природе, в частности, влияния циклов активности Солнца на явления в биосфере, от клеток и вирусов до социально-исторических процессов.
Основным фактором, влияющим на состояние межпланетной среды в Солнечной системе и динамику оболочек Земли является солнечная активность. Современные полные циклы солнечной активности длятся около 22 лет и представляют собой 11-летние сдвоенные циклы. В настоящий момент идет фаза спада 24 цикла, близкая к минимуму. Упорядоченные циклы активности Солнца возникли не сразу после его образования 4,6 миллиардов лет назад, а уже ближе к половине жизни нашей звезды, около 2-2,5 миллиардов лет назад. Они были более короткими (около 5 лет), и примерно в 5 раз более интенсивными относительно нынешних. Как тогда, так и сейчас каждая фаза солнечной активности сильно отличалась по физическим характеристикам. Так, для современного Солнца интенсивность излучения в ультрафиолетовом диапазоне возрастает в 5-7 раз от минимума к максимуму цикла солнечной активности. Адаптационная реакция организма человека, запускающаяся градиентом внешнего воздействия, в минимуме будет возникать в ответ на магнитную бурю, а в максимуме - на ее неожиданное отсутствие. Существуют также более длительные циклы солнечной активности, равные примерно 90, 270, 400 и 2300 годам. Взаимодействие различных периодов может привести как к резкому возрастанию амплитуды 11-летнего цикла, так и к долговременному исчезновению амплитудной цикличности и практическому отсутствию активных событий на Солнце в течение десятилетий. Реконструкция циклов солнечной активности за последнюю тысячу лет приведена на рисунке 1 (слева)[1].
Рисунок 1. Реконструкция циклов солнечной активности за последнюю тысячу лет (слева). Карта (справа).
Видно, что за последние 1000 лет наблюдались существенные колебания солнечной активности, Периоды повышенного пятнообразования сменялись периодами практически полного их исчезновения. Периоды высокой активности обычно сопровождаются засухами и повышенными температурами [2-3]. Например, на потепление 12-13 веков пришлись формирование расцвет северноого торгового сообщества на Балтике и в Северном море - Ганзейской Лиги, почти 2 века задававшей тон всей политической жизни Европы (карта приведена на рис.1 справа). Периоды низкой активности в средних и северных широтах характеризуются понижением температуры и длительными снежными зимами (замерзание Темзы, и катание на коньках по голландским каналам в период Маундеровского минимума).
Из рисунка 1 видно, что последние 150 лет, выпавшие на период построения современной доказательной медицины, мы живем в период повышенной солнечной активности (относительное число пятен 120-170). Однако, основной прогноз на ближайшие 3-4 цикла предполагает понижение солнечной активности по сравнению с ХХ столетием примерно в 2-3 раза (по уровню чисел Вольфа) [1].
Солнечная активность и ее проявления в космической погоде и динамике биосферы – это целый комплекс сложных и взаимосвязанных многофакторных явлений. В качестве действующих факторов космической погоды рассматриваются импульсные и спорадические изменения волнового и корпускулярного излучения Солнца в различных энергетических и частотных диапазонах, вариации магнитного поля солнца и числа его пятен, изменения параметров межпланетной среды, вариации галактических космических лучей. Земные проявления космической погоды отражаются во всех оболочках нашей планеты, от верхней атмосферы и ионосферы до биосферы и литосферы. На рисунке 2 приведена динамика числа солнечных пятен и вариаций галактических космических лучей различных энергетических диапазонов за 1955 -2015 годы.
Рисунок 2. Динамика числа солнечных пятен и вариаций галактических космических лучей различных энергетических диапазонов за 1955 -2015 годы.
Мощным мутационным фактором, а также фактором, существенно модулирующим динамику биосферы, являются космические лучи. Их два вида: солнечные и галактические, и соответственно два источника: Солнце или галактическая среда. Интенсивность и направление солнечных и галактических космических лучей находятся противоположны друг другу. Первые имеют направление от Солнца в окружающее пространство, и максимум интенсивности, соответствующий максимуму солнечной активности. Вторые направлены из галактического пространства внутрь Солнечной системы, и имеют максимум интенсивности в минимуме солнечной активности. На рисунке 3 приведен совместный энергетический спектр протонов солнечных и галактических космических лучей в околоземном пространстве в логарифмической шкале. Зеленая линия соответствует солнечным протонам (SCRs), красная – галактическим космическим лучам в минимуме солнечной активности (GCrs), синяя - галактические протоны в максимуме солнечной активности [4]. Видно, что галактические космические лучи обладают на много порядков большей интенсивностью, и только магнитное поле Солнца, создающее гелиосферу, позволяет защищать поверхность внутренних планет Солнечной системы от их губительного излучения. Распределение энергетичных частиц в атмосфере Земли приведено на рисунке 4.
Рисунок 3. Совместный энергетический спектр протонов солнечных и галактических космических лучей в околоземном пространстве в логарифмической шкале (из презентации А. Б. Струминского, Дубна, 2015).
Рисунок 4. Распределение энергетичных частиц в атмосфере Земли.
К настоящему моменту изучение биологических аспектов солнечно-земных связей прошло 3 основных этапа своего развития и находится в становлении 4-го. Возникновение и развитие каждого из этапов определялось либо появлением принципиально новой научной парадигмы, либо появлением принципиально новых технологических методов исследования.
Этап 1. Работы А.Л. Чижевского – зарождение и становление гелиобиологии. Изложение базовой парадигмы о всеобщем влиянии внутренних солнечных процессов и ритмики Солнца на амплитудно-временную организацию всех уровней биосферы и общества. Основным объектом исследования на данном этапе являлась человеческая популяция в целом, усредненная за большой период времени, когда изучаемые временные промежутки (века, десятилетия) и базовые временные единицы (годы солнечного цикла) много больше характерных переходных процессов на Солнце и в различных оболочках Земли (длительность таких процессов - от минут до нескольких суток). Методика исследования: математический анализ статистических медицинских, исторических и экономических рядов данных, полученных в различных точках Земли и сопоставление их с единственно объективно доступным на тот момент показателем солнечной активности – числами Вольфа [5].
Этап 2. 1957 год. Начало освоения человечеством космоса и получение объективной информации о строении космического пространства между Солнцем и Землей, обмене энергией и потоками частиц, а также структуре магнитосферы Земли. Только эти экспериментальные данные о существовании и внутренней природе не только волнового излучения Солнца, но и мощного корпускулярного, позволили всерьез говорить о поиске механизмов воздействия солнечной активности и космической погоды на биосферу и общество. Важным для физики солнечно-земных связей следствием космических полетов явилось введение новых геофизических индексов и получение объективной информации о периодике Солнца и оболочек Земли во всем временном диапазоне и частотном спектре. Получила развитие разработка методов прогноза магнитных бурь. Одновременно выяснилось, что при применении методов линейной корреляции или кросс-корреляции к поиску закономерностей солнечно-земных биологических связей на базе медицинской статистики во временной области сутки и часы (т.е. когда характерные времена внешнего воздействия совпадают с характерными временами переходных адаптационных процессов изучаемых биологических объектов), приводит к невоспроизводимости результатов. В этой временной области достоверность корреляционных статистических результатов падает до уровня шумов. В это же время формируется классический биотропного воздействия космо-геофизических факторов.
Предполагается, что после вспышек на Солнце, вызывающих целый комплекс изменений во всех оболочках Земли, какой-то из космогеофизических факторов (скорее всего – вариации, пульсации и тд. и т.п. геомагнитного поля) доходят до биологического объекта. И триггерно переключают режим его функционирования с обычного уровня на стрессовый (на всех уровнях организации, от клеточного до системного и популяционного). Линейный отклик системы хорошо регистрируется на пространственных масштабах популяции и временных масштабах от месяца и более, или на клеточном уровне. При этом область средних размеров (порядка размера организма человека) и средних времен (порядка часов и суток) является существенно нелинейной и требует дополнительных технологий регистрации данных и обработке материала. К тому же «после этого не значит вследствие этого», и кажущаяся логичность линейной причинно-следственной связи ставится физиками под сомнение.
Этап 3. 70-е годы 20 века и далее… Возникновение доступных технологий исследования клеточного уровня организации биосистем, взрывное развитие биофизики клетки. Появление многочисленных работ о скоррелированном изменении параметров крови и сердечной ритмики, гормональных ритмов человека, жизнедеятельности колоний различных бактерий и т.п. с резкими вариациями магнитного поля Земли и космических лучей. Интересно отметить, что для многих биофизиков существование таких корреляций выявлялось ненамеренно, а в качестве побочного эффекта, мешающего проводить плановые тонкие мониторинговые исследования. Т. о. произошло изменение масштаба объекта исследования от человечества в целом к уровню клетки (от 106 м до 10–6 м), при этом характерные времена переходных процессов объекта исследования стали много меньше характерных времен воздействия и текущих флуктуаций внешней среды, и восстановилась достоверность и воспроизводимость гелиобиологических результатов. Область «средних времен», т.е. область изучения воздействия слабых внешних полей на закономерности функционирования отдельного конкретного человека в целом (линейные размеры порядка100 м и частотная полоса 0,0001-10 Гц), плохо поддающаяся методам гелиобиологии из-за выраженной резонансной динамики переходных процессов и отсутствия воспроизводимых линейных корреляционных связей, фактически отошла к сформировавшимся в это время адаптологии человека и хронобиологии, а также к реанимационной клинической медицине и психологии. В связи с этим к концу 90-х годов 20 века сначала в физической, а потом и в медицинской научной среде возникает понимание, что в биомедицинских экспериментах среднее по времени принципиально не равно среднему по пространству (т.е. результат одномоментного измерения параметров 100 человек априори не будет равным результату измерения параметров 1 человека в течение 100 дней). Резко возрастает роль мониторинговых экспериментов. В качестве еще одного биотропного агента внешней среды плюс к вариациям геомагнитного рассматриваются космические лучи. Наиболее полно итоги этого этапа отражены в книге Б.М. Владимирского «Влияние солнечной активности на биосферц-ноосферу» (2000 г.) [6,7].
Этап 4. С конца 90-х годов 20 века. Возникновение и широкое распространение новых телекоммуникационных компьютерных технологий. Развитие синергетики, как новой методологии универсального научного познания.
Современный этап развития гелиобиологии включает в себя комплексное сочетание как работ, выполненных в традиционной технике и методологии всех предыдущих этапов, так и новаторских работ, закладывающих основы новой парадигмы восприятия биологических систем через применение к их изучению достижений и математического аппарата синергетики. Сложные биологические системы воспринимаются уже не как системы, находящиеся в состоянии сохранения устойчивого равновесия (гомеостаза) с выраженными причинно-следственными связями и преимущественно линейными закономерностями отклика на воздействие внешних факторов, а как нелинейные динамические системы, осуществляющие процессы самоорганизации в неустойчивом динамическом равновесии потоков массы, энергии и информации вблизи состояний фазовых переходов. Понятия поменялись местами в смысле удельного заполнения пространства реализуемых событий. Если во времена А.Л. Чижевского и практически до конца 20 века считалось, что природа полна детерминированности и линейных причинно-следственных связей, и ее основная задача – нахождение и сохранение оптимальных устойчивых состояний, то в настоящее время линейная детерминированность и устойчивость кажутся маленьким островком в море неустойчивости и самоорганизованного хаоса природных явлений. Для жизни устойчивость есть аналог смерти, и только непрерывное падение из одного неустойчивого состояния в другое позволяет живым организмам адекватно приспосабливаться к непрерывно меняющимся внешним условиям. Таким образом, одним из основных направлений развития гелиобиологии на ближайшие десятилетия будет являться построение синергетических моделей сложных биологических систем, переосмысление процессов влияния космофизических факторов на биосферу в рамках концепции динамической теории информации и самоорганизации хаоса. Также становится доминантной роль длительных мониторинговых биомедицинских исследований в экспериментальном изучении биологических аспектов солнечно-земных связей [8 -13].
С 1998 года и по настоящее время в отделе солнечно-земных связей ИЗМИРАН проводится ежедневный мониторинг биомедицинских параметров постоянной группы обследуемых, включающий в себя измерения проводимости биологически активных точек, артериального давления и регистрацию субъективного состояния обследуемых (более 500 000 измерений). С 2005 года для проведения эксперимента создана распределенная телекоммуникационная сеть научных центров длительного мониторинга физиологических параметров организма человека и окружающей среды, работающих на едином оборудовании и по единому протоколу исследований с он-лайн регистрацией текущих данных на едином портальном сервере (Москва, Киев, Симферополь, Якутск, Саратов, Ханты-Мансийск), получившая название проект «Гелиомед». В различные периоды цикла солнечной активности к сети присоединялись научно-исследовательские институты из Санкт–Петербурга, Софии, Баку и Краснодара. Проведенный в 2005-2014 гг. одновременный для различных городов, гелиомедицинский мониторинг позволил собрать единую для всех городов-участников Интернет-базу данных более 200 000 измерений, отражающих временную и пространственную динамику изменений параметров сердечной деятельности организма человека в различных регионах России и Украины [8-10]. Длительный многолетний разноширотный мониторинг функционально здоровых обследуемых позволяет ответить на вопрос, как существующие мифы о страшных и ужасных магнитных бурях могли сформироваться? А также - зачем они поддерживаются?
Биотропное воздействие солнечной активности: мифы и реальность.
Как ни странно, проще всего ответить на вопрос «Зачем?». Причин тут несколько.
1. Причина 1 – идеалистическая. Как и любой миф, если он возникает и приживается в социуме, - значит, на то есть общественная потребность.
Советское и постсоветское общество отвергло привычную дуалистическую религиозную картину мира. Рай и ад в качестве моральных регуляторов потеряли свое значение, а место религии заняла наука. Но человек не может существовать в мире без ограничений. Для психической устойчивости ему обязательно надо знать, до какой степени можно «наглеть» в общении с природой и своим телом, чтобы не получить от судьбы по всему, что излишне высовывается за границы приемлемого. Одобренный наукой, миф о негативном влиянии магнитных бурь на «сирых и убогих кардиологических больных» как нельзя более кстати расставил границы допустимого экспериментирования над собственным организмом. Кроме того, все по тому же выраженному общественному мнению, нормальному человеку проблемы с сердечно-сосудистой деятельностью достаются исключительно после длительного неправильного образа жизни. Т. е. выражаясь старой религиозной терминологией, – за те же грехи. Кара небесная заменилась карой научной (но тоже - не менее небесной), что общественное сознание всегда принимало очень охотно.
2. Причина 2 – практическая. За все, что пугает, платят больше. А поскольку наука содержится обществом, при прочих равных условиях общество всегда будет выделять финансирование на тот проект, в котором изучается явление, вызывающие опасение (но при условии исследования возможности контроля над таким явлением или обеспечении минимизирования неприятных последствий). Так, по признанию одного их авторов адронного коллайдера, деньги на проект LHC удалось получить, когда широкой публике пообещали сделать в лабораторных условиях «маленькую управляемую черную дыру».
3. Причина 3 – объективная. Как уже говорилось выше, изучение биотропного воздействия космической погоды – задача нетривиальная. Сложность экспериментальных исследований биологических систем заключается в существенно нелинейном, а временами и стохастичном поведении исследуемых объектов, значительной роли фоновых шумов и провоцируемых внешними воздействиями процессов самоорганизации внутри системы. Ограниченные по времени эксперименты и локальные базы данных предоставляют большую свободу интерпретации даже для самых объективных ученых.
Рассмотрим основные мифы и сопоставим их с реальным положением вещей, которое выявляется при длительных мониторингах в различных географических точках, проводимых по единому протоколу и на едином оборудовании, т.е. ответим на вопрос, как они формируются даже при объективном анализе локальных биологических данных недостаточной длины.
Миф № 1: к магнитным бурям чувствительны только больные люди.
Реальность: к вариациям космофизических факторов и магнитного поля Земли чувствительны ВСЕ здоровые люди, причем амплитуда и длительность их реакции превышает аналогичные параметры у больных (рис.5).
Рисунок 5. Вариация проводимости биологически активных точек кожи человека под воздействием внешних факторов (усреднение за 1998-2001 год наблюдений, 80 000 измерений).
Каким образом возможно возникновение мифа № 1? Дело в том, что реакция здорового организма на космогеофизические вариации состоит из трех фаз: фазы активации и синхронизации, фазы переструктурирования и фазы релаксации. На рисунке 5 приведена характерная вариация проводимости биологически активных точек кожи человека под воздействием внешних факторов (усреднение за 1998-2001 год наблюдений, 80 000 измерений).
Первая фаза (1 сутки) обычно сопровождается легкой эйфорией и творческим подъемом, а потому субъективно не ощущается. Вторая фаза у здоровых людей с удовлетворительными адаптивными возможностями также протекает бессимптомно (2-3 сутки), а у больных людей с нарушенной адаптацией проявляется десинхронизация в работе и времени восстановления здоровых и больных органов. Состояние десинхронизации фиксируется как субъективно, так и объективными измерениями психофизиологических характеристик и медицинских показателей. Именно во второй фазе регистрируется максимальное число вызовов скорой помощи и смертельных случаев. Фаза релаксации (4-6 сутки) у больных людей также протекает более длительно и симптоматично. Поэтому, при полной аналогичности, реакция на геокосмофизические факторы долгие годы статистически регистрировалась только среди больных людей. И только длительные мониторинговые эксперименты по ежедневной регистрации физиологических показателей постоянной группы здоровых людей позволили выявить реальную картину.
Проведенный одновременно в разных городах эксперимент показал всеобщий и одновременный в пределах суток характер наблюдаемой приспособительной реакции на вспышечные процессы на Солнце и сопровождающие их изменения сверхнизкочастотной составляющей магнитного поля Земли, а также увеличение амплитуды реакции обследуемых и относительного количества реагирующих при увеличении географической широты проведения биофизического мониторинга. При этом амплитуда адаптационных возможностей обследуемых также увеличивается по мере возрастания географической широты проживания и при увеличении степени некомфортности внешних условий (до 40%). Например, жители Москвы, привыкшие к плохому климату нашей столицы, лучше переносят перепады атмосферного давления и температуры, чем избалованные хорошей погодой жители Софии. Данный фактор оказывается значимым при анализе степени влияния погодных и космогеофизических факторов, поскольку их соотношение существенно зависит от географической широты проведения мониторинга. В северных районах более существенным оказывается вклад космогеофизических факторов, в южных районах основным биотропным фактором для большинства населения являются резкие изменения погодных условий.
Миф № 2: реакция на магнитные бури начинается на 2-3 сутки после начала бури.
Реальность: данные длительных мониторингов свидетельствуют, что массовая популяционная реакция здоровых людей начинается за 1 сутки ДО начала магнитной бури, в течение 1-2 суток от начала геоэффективной солнечной вспышки. Сдвиг полученных многолетних статистических массивов даже на 1 сутки вперед–назад разрушает корреляционные связи между медицинскими и геофизическими показателями.
Причина возникновения мифа № 2 тесно связана с особенностями описанной в мифе № 1 адаптивной реакции. Дело в том, что реальное начало реакции у основной массы населения протекает бессимптомно и регистрируется только специальными мониторингами. А вторые сутки после начала магнитной бури – это те самые 2-3 сутки начала второй фазы адаптивной реакции с проявлениями десинхронизации и субъективного ухудшения самочувствия больных людей. Именно на это время приходится статистически регистрируемый максимум вызовов скорой помощи, что в литературе не совсем верно интерпретируется в качестве начала адаптивной реакции. Поскольку не все магнитные бури одинаково биоэффективны, благодаря «эффекту запаздывания» возможно использование здоровых людей как детекторов биоэффективного космогеофизического воздействия. А на разнице в 2-3 суток между действительным началом реакции и массовыми обращениями населения за медицинской помощью возможно построение системы превентивного оповещения медицинских учреждений о днях повышенной нагрузки (аналогично службе метеопрогноза).
Миф № 3: основной мишенью является сердечно-сосудистая система.
Реальность: мишенью десинхронизации во второй фазе становится любой больной орган, чье время релаксации не соответствует общему времени релаксации организма. А реакция сердца является запаздывающей на сутки по сравнению с симпато-адреналовой системой.
Причина возникновения мифа: в отличие от нестрашного текущего обострения астмы или язвы, больное сердце – наиболее частая причина смерти.
Миф № 4: Есть магниточувствительные и магнито нечувствительные люди, магниточувствительны в основном люди старшего возраста.
Реальность – поскольку геокосмофизические факторы являются факторами естественной синхронизации внутренних ритмов, магниточувствительными являются все, причем наиболее ярко все 3 фазы адаптивной реакции выражены именно у здоровых людей 25-45 лет. При этом 10-20% процентов населения в периоды минимума солнечной активности отслеживает даже невозмущенное магнитное поле Земли с коэффициентом корреляции до 0,9, и этот процент сохраняется постоянным от Якутска до Симферополя.
Миф № 5, основной: магнитная буря – зло для человечества.
Реальность: магнитная буря – не зло и не добро, а объективный синхронизатор внутренних ритмов отдельного человека и социума в целом. Длительные мониторинги, проведенные в 1998-2010 гг., показали, что при отсутствии магнитных бурь более 1 месяца субъективное и объективное состояние здоровых обследуемых ухудшается.
Таким образом, если градиент наблюдаемых адаптационных изменений ниже 25%, пики адаптационной кривой могут быть неправильно идентифицированы. В первую очередь это касается первого пика, соответствующего процессам первичной подстройки и синхронизации, наиболее полно проявляющегося у здоровых людей. У хронических больных, особенно с нарушениями функционирования сердечно - сосудистой системы, он выражен слабее и может быть утерян при анализе. Функциональная реакция организма на геомагнитные и погодные вариации окружающей среды является неспецифической и протекает по единому сценарию для всех космогеофизических факторов, т.е., согласно законам физики и физиологии, в ней всегда присутствуют все 3 характерные фазы адаптационной стресс-реакции. Это стандартная генетическая программа последовательности действий: за п.1 следует п.2., за п.2–п.3, и организм не может по своему желанию (или желанию исследователя) переставить блоки местами или пропустить какой-то из них. Но может варьироваться амплитуда и длительность каждой из фаз. При недостаточности адаптационных резервов или болезни обычно резко уменьшается амплитуда и длительность именно первой фазы синхронизации (с последующим увеличением амплитуды и длительности второй фазы, вплоть до системной десинхронизации и летальных исходов).
Таким образом, как показали многолетние мониторинговые исследования, многие представления о воздействии космической погоды на биосферу, активно обсуждаемые журналистами и обществом, являются мифами. Живые организмы на разных уровнях организации, от клеток до социума, демонстрируют подстройку под динамику солнечной активности. И это ни добро, и не зло, это – нормальный процесс саморегуляции биосферы. По-видимому, истоки такой подстройки лежат в начале формирования биосферы 4 млд лет назад, когда Земля подвергалась агрессивному воздействию активного молодого Солнца, особенно в области рентгеновского и УФ-излучения. Подробнее вопросы зарождения жизни в ранней Солнечной системе и формирования первых экологических сообществ земной биосферы рассмотрены в [14-32]. Вполне вероятно, что возникновение и устойчивое развитие сложной современной биосферы является следствием не только появления магнитосферы и атмосферы современного типа, но и переходом Солнца к более упорядоченному и регулярному типу активности. Даже при относительно спокойном и упорядоченном современном Солнце вклад солнечной активности в климат и развитие биосферы очень велик. Как было показано Ю.А. Наговицыным [33], который использовал несколько математических реконструкций, вклад составляет в среднем 17 + 5%, Причем этот процент дифференциально зависит от временных шкал: 0–25 лет – вклад солнечной активности 3–10%; 25–100 лет – вклад солнечной активности менее 17 + 5%; 100–200 лет – вклад солнечной активности 30–40%; 350–450 лет – вклад солнечной активности 50–70%; 1000–1500 лет – снижение до 5–10%; 2500 лет и больше – около 50% (рисунок 6).
Рисунок 6. Относительный вклад солнечной активности в климат и биосферные процессы.
Динамика молодого Солнца и физические условия на ранней Земле определяли формирование первых экологических систем земной биосферы. Молодое Солнце не имело упорядоченной динамики активности и привычного для нас цикла солнечной активности, его период обращения был примерно в 3 раза меньше нынешнего, а интенсивность спорадического излучения в рентгеновском и УФ–диапазоне на порядки превышало нынешнее. Поэтому формирующиеся биологические структуры должны были одновременно уметь использовать УФ-излучение в качестве источника энергии, эффективно от него защищаться и проходить отбор на устойчивость к разрушительному воздействию излучения молодого Солнца [34-35]. Благодаря мощному УФ-излучению раннего Солнца в формирующейся земной биосфере одновременно происходили разные типы отбора:
- отбор стойких к УФ-излучению азотистых оснований;
- отбор нуклеотидов в комплиментарные пары;
- отбор более длинных и устойчивых молекул РНК;
- отбор гомохиральных нуклеотидов (смесь изомеров менее устойчива к УФ-излучению, чем изомеры с одинаковой хиральностью).
В результате существующие молекулы ДНК являются максимально устойчивыми структурами к УФ-излучению, хотя не являются единственно возможными. Движение от физики к биологии, т.е. рассмотрение эволюционных процессов с учетом новых данных об активности древнего Солнца, увеличивает на несколько порядков интервал интенсивности внешнего излучения, необходимого для возникновения воспроизводимого эволюционного переструктурирования древних пробиотиков на клеточном уровне.
Сохранность древних адаптивных функций биосистем до наших дней можно объяснить необходимостью самозащиты биосферы во время быстрых резких (или наоборот, длительных затянувшихся) вариаций солнечной активности; в моменты экскурсов и инверсий магнитного поля Земли; а также во время прохождения Солнечной системой плотных рукавов Галактики [14-15].
В настоящий момент роль космогеофизических факторов в эволюционной адаптации живых систем крайне разнообразна.
Космогеофизические факторы:
- Выступают в качестве слабого тренирующего фактора для адаптационно-устойчивых членов популяции;
- Служат каналом отбраковки нежизнеспособных членов популяции;
- Обеспечивают синхронизацию индивидуальных времен биообъектов при взаимодействии между собой;
- Являются синхронизатором общих ритмов популяции;
- Создают условия для генерации новой информации в процессе эволюционной адаптации биосистем в целом.
В индивидуальной периодике живых организмов часто присутствуют периоды более древней ритмики Солнца, закрепившиеся даже не в момент формирования биологического вида, а в момент формирования того или иного типа клеточных структур миллиарды лет назад (например, 7-8 суточные периоды вращения древнего Солнца или 8-часовой период вращения древней Земли).
Регуляторные механизмы современной биосферы откликаются как на высокие, так и на низкие периоды солнечной активности (СА), меняется только удельный вклад основных действующих факторов космической погоды [8,9,10,14]. Во время кратковременных вариаций СА (период – несколько дней) основными биотропными факторами являются скорость изменения параметров и частотный состав возмущений, в более долговременной перспективе (до 10 лет) – длительность максимума или минимума. В максимуме СА существенным оказывается вклад вариаций геомагнитного поля, а в минимуме на роль основного регуляторного биотропного фактора претендуют галактические космические лучи. Благодаря защитным оболочкам Земли и более спокойному, чем в начале существования Солнечной системы, Солнцу космогеофизические факторы перестали быть опасными, но не перестали быть удобными. Из экономии энергии и ресурсов биосистемам удобнее иметь единый внешний синхронизатор, а не создавать внутри себя дополнительную систему с регулирующим функциями.
Кратковременные технологии адаптации важны для выживания отдельных организмов. Для выживания биосферы в целом важно сохранение программ защиты и подстройки более длительных временных масштабов:
1. К сильному УФ-излучению, рентгену и солнечным космическим лучам во время периодов повышения или понижения солнечной активности (характерное время - несколько раз за тысячелетие);
2. К инверсиям магнитного поля Земли (характерное время – несколько раз за миллион лет);
3. Сохранение программ адаптации к повышению уровня галактических космических лучей при прохождении Солнечной системой плотных рукавов Галактики (несколько раз за миллиард лет).
Вся современная медицина функционирует на методиках и технологиях последних 150, эпохи повышенной солнечной активности. В новых условиях многолетней низкоамплитудной динамики Солнца привычные медицинские технологии и лекарства могут оказаться неэффективными как на индивидуальном, так и на популяционном уровне. При этом существенно повысится роль интенсивных галактических космических лучей в биосферных процессах.
Работа поддержана программой Президиума РАН «Эволюция органического мира и планетарных процессов».
1. Рагульская М.В., Руденчик Е.А., Чибисов С.М. Медицинские аспекты длительного понижения солнечной активности в в 24-27 циклах. Здоровье и образование, 2015,т.4, №17, стр. 32-36
2. Дергачев В.А. и др. Проявление циклической активности в палеоклиматических параметрах 100-15- млн лет назад. ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 5, с. 579-586
3. Распопов О.М. и др.Солнечная активность и климатическая вариабельность во временном интервале от 10 лдо 250 миллионов лет назад.. ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2010, том 50, № 2, с. 147-158
4. Белов А.В., Струминский А.Б. Предельные наземные возрастания интенсивности солнечных космических лучей. 34-я Всероссийская конференция по космическим лучам, Дубна, 2016, http://rcrc-2016.msu.ru/node/44
5. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь, Москва, 1976.
6. Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А. Влияние солнечной активности на биосферу –ноосферу. – Москва, МНЭПУ, 2000, 374 стр.
7. Владимирский Б.М. Солнечная активность и общественная жизнь. - Москва,URSS, 2013
8. «Биотропное воздействие космической погоды» (под редакцией М. В. Рагульской), Санкт- Петербург,Из-во ВВМ, 2010 г, 330 стр.
9. Чибисов С.М., Катинас Г.С., Рагульская М.В. Биоритмы и космос: мониторинг космобиосферных связей. М., 2013.
10. Кодочигова А.И., Паршина С.С., Самсонов С.Н., Афанасьева Т.Н., Оленко Е.С. Обоснование методологических подходов к оценке влияния космической погоды на психоэмоциональное состояние добровольцев. Психосоматические и интегративные исследования 2016; 2: 0105.
11. N.K. Belisheva at al. The effect of cosmic rays on biological systems – an investigation during GLE events. Astrophys. Space Sci. Trans., 8, 7–17, 2012 www.astrophys-space-sci-trans.net/8/7/2012/
12. Белишева Н.К., Талыкова Л.В. Эффекты солнечных протонных событий в распространении врожденных пороков развития у детей. – Экология и здоровье матери и ребенка, 2012, том 14, №5(2), с 323- 325
13. Ожередов В.А., Бреус Т.К. Релаксационный спектральный анализ и его применение к обнаружению синхронности процессов в гелиобиологии и хрономедицине. – Москва, 2017, Препринт 2183 ИКИ РАН
14. “Life and the Universe” (ed. Obridko V., Ragulskaya M.) http://www.izmiran.ru/pub/izmiran/Life-n-Universe.pdf - Spb, BBM, 2017, 335 p.
15. Рагульская М.В., Обридко В.Н. The sun and the biosphere: the paradoxes of 4 billion years of coexistence. Радиофизика и радиоастрономия. 2017, Т. 22, № 4, c. 276–283 ( http://rpra-journal.org.ua)
16. Павлов А.К., Воробьева Е.А., Чепцов В.С, Цурков Д.А. Берденникова А.В. Возможная «обитаемость» марсианского реголита и обнаружения «биомаркеров» древней жизни. «Жизнь и Вселенная» -2017, Сп-б, Из-во ВВМ.
17. Павлов А.К., Остряков, В.М., Васильев Г.И. (2011). Плотные межзвездные облака и ионизация атмосферы и грунта Марса. Астрономический вестник, т. 45, вып. 1, стр. 1-4.
18. K.Batygin and G.Laughlin, Jupiter’s Decisive Role in the Inner Solar System’s Early Evolution, 2015, ArXiv:1503.06945v2 [astro-ph.EP, pp.1-5
19. Бочкарев Н.Г. (1991) Основы физики межзвездной среды. Москва, Издательство МГУ, 352 сс.
20. Витязев А.В., Печерникова Г.В. (2009). Ранняя Земля в тесном окружении молодых звезд. В: Проблемы происхождения жизни. Москва, ПИН РАН, сс. 131-157.
21. Сильченко О.К. Происхождение и эволюция галактик. Фрязино, Век 2, 2017, 224 сс.
22. Atri D., Melot A. (2014) Cosmic rays and Terrestrial Life: a Brief Review. Astroparticle Physics, V. 53, pp. 186-190.
23. Fukue T., Tamura M., Kandori R., Kusakabe N., Hough J.H., Bailey J., Whittet D.C.B., Lucas P.W., Nakajima Ya., Hashimoto J. (2010) Extended High Circular Polarization in the Orion Massive Star Forming Region: Implications for the Origin of Homochirality in the Solar System. Orig. Life Evol. Biosph., V. 40, pp. 335-346.
24. Melott A. L. ; Lieberman, B. S.; Laird, C. M.; Martin, L. D.; Medvedev, M. V.; Thomas, B. C.; Cannizzo, J. K.; Gehrels, N.; Jackman, C. H. (2004) Did a gamma-ray burst initiate the late Ordovician mass extinction?, Int. J. Astrobiol., V. 3, pp. 55–61.
25. Pavlov A.A., Toon O.B., Pavlov A.K., Bally J., and Pollard D. (2005b). Passing through a Giant Molecular Cloud – "Snowball" Glaciations produced by interstellar dust. Geophysical Research Letters, V. 32, ID L03705.
26. Prinn R. Fegley B. (1987) Bolide impacts, acid rain, and biospheric traumas at the Cretaceous/Tertiary boundary, Earth Planet. Sci. Lett., V. 83, pp. 1-15.
27. Shaviv N.J. (2003) Spiral Structure of the Milky Way, Cosmic Rays, and Ice Age Epochs on Earth. New Astronomy, V. 8, pp. 39-77.
28. Snytnikov V.N. Astrocatalysis - Abiogenic Synthesis and Chemical Evolution at Pregeological Stages of the Earth’s Formation. Paleontological Journal, 2010, Vol. 44, p. 761.
29. Space Microbiology // MICROBIOLOGY AND MOLECULAR BIOLOGY REVIEWS, 2010, p. 121–156.
30. Talbot R. J., Newman M. J. (1977) Encounters between stars and dense interstellar clouds, Astrophys. J. Suppl., V. 34, pp. 295-308.
31. J. A. Tarduno, R. D. Cottrell, W. J. Davis et al, Science, 349:521-524, 2015
32. Wyman, K., Redfield, S. (2013) Probing Our Heliospheric History. I. High-resolution Observations of Na I and Ca II along the Solar Historical Trajectory. Astrophys. J., V. 773, A96 (27 pp.).
33. Nagovitsyn Yu.A. A nonlinear mathematical model for the Solar cyclicity and prospects for recon-structing the Solar activity in the Past.// Astronomy Letters. Vol.23. No.6. PP.742-748. 1997.
34. Mulkidjan A. Y.. Galperin M. Y. Biology direct, 2009, v.4, p.27
35. Modica P., Meinert C., de Marcellus P., Nahon L., Meierhenrich U. J., Le Sergeant d'Hendecourt L. (2014) Enantiomeric Excesses Induced in Amino Acids by Ultraviolet Circularly Polarized Light Irradiation of Extraterrestrial Ice Analogs: A Possible Source of Asymmetry for Prebiotic Chemistry. The Astrophys. J., V. 788, article id. 79, 11 pp.
Поступила в редакцию 10 июня 2017 г., Принята в печать 16 июля 2017 г.
