Сутність і розвиток геліобіології

Зміст

Введення

1. Сутність геліобіології

1.1 А.Л. Чижевський - засновник геліобіології

1.2 Створення високоточної математичного методу для виявлення прихованих ритмів з зашумлених масивів біологічних і геліогеофізичних даних

1.3 Виявлення параметрів та уточнення класифікації сонячних і біологічних ритмів різної розмірності

1.4 Створення методології довгострокового прогнозування коливань показників життєдіяльності за сумою поточних фаз резонансних ритмів сонячної активності

1.5 Створення теоретичної платформи під геліобіологіческіе явища, відкриті А.Л. Чижевським. Сучасна геліобіологія - основа єдиної теорії біології

2. Сонце і іоносфера

3. Структура іоносферних областей

Висновок

Список літератури

Введення

Геліобіологія (від геліо і біологія), розділ біофізики, що вивчає вплив змін активності Сонця на земні організми. Основоположник геліобіології - радянський фізик А. Л. Чижевський (його перша робота у цій області вийшла в 1915), однак на зв'язок між коливаннями активності Сонця і багатьма проявами життєдіяльності у мешканців Землі вказували до нього шведський вчений С. Арреніус та ін Коливання сонячної активності , що супроводжуються періодичним збільшенням кількості плям і хромосферними спалахами (цикл у середньому 11 років), ведуть до зміни інтенсивності рентгенівського, ультрафіолетового і радіовипромінювання Сонця, а також що випускаються їм потоків корпускулярних часток. Циклічні коливання сонячного випромінювання відбиваються на життєдіяльності земних організмів. Так, встановлено вплив змін сонячної активності на зростання річних шарів дерев і врожайність зернових, розмноження та міграцію комах, риб та ін тварин, на виникнення і загострення ряду захворювань у людини і тварин. Великі дослідження з геліобіології виконані радянськими вченими. А. Л. Чижевський встановив зв'язок виникнення епідемій та епізоотій, загострень нервових і психічних захворювань і ряду ін біологічних явищ із змінами сонячної активності ^1.

Мета роботи - вивчити поняття та сутність геліобіології.

Завдання роботи - розглянути діяльність засновника геліобіології - А.Л. Чижевського; вивчити взаємозв'язок сонця і ноосфери; визначити структуру іонних областей.

1. Сутність геліобіології

1.1 А.Л. Чижевський - засновник геліобіології

Засновник геліобіології А.Л. Чижевський довів залежність усіх біологічних процесів на Землі від циклу коливань сонячної активності (СА), що становить близько 11 років. Розпочаті ним дослідження ми продовжили з використанням сучасних можливостей кібернетики, обчислювальної техніки, квантової фізики, радіотехніки та молекулярної біології.

Чижевський використовував математичний прийом - «метод накладення епох», у той час найбільший передовий для виділення високоамплітудних ритмів серед «випадкових» коливань показників. Рівень розвитку обчислювальної техніки 20-40-х рр.. минулого століття не дозволив вченому зробити достовірне виявлення біологічних і сонячних ритмів з періодами більше і менше 11 років, а також скласти їх класифікацію.

Крім розвитку практичної геліобіології Чижевський, мабуть, постійно шукав відповіді і на пекучі теоретично питання цієї науки: 1) де знаходяться біологічний годинник живого організму і як вони працюють; 2) за допомогою якого механізму сонячні випромінювання регулюють обмін речовин в складному організмі і в ізольованою живій клітині. Доказом служать експерименти і глибокі теоретичні дослідження з проблеми електричних властивостей крові. Позначивши цими дослідженнями стратегічний напрям пошуків в теоретичній геліобіології, Чижевський конкретно відповісти на поставлені питання не зміг, так як не мав для цього необхідного фундаменту: у роки активної роботи вченого молекулярна біологія ще не сформувалася, не була відома роль нуклеїнових кислот у складі генів і не існувало таких наук, як теорія автоматичного регулювання самоналагоджувальних систем, кібернетика, фітобіологів і сучасна імунологія, які, у сукупності, дозволили б вченому створити уявлення теоретичної геліобіології.

Геліобіологіческіе дослідження з використанням арсеналу сучасного знання велися у чотирьох напрямках ^2.

1.2 Створення високоточної математичного методу для виявлення прихованих ритмів з зашумлених масивів біологічних і геліогеофізичних даних

Криза сучасної геліобіології (як у Росії, так і за кордоном) може бути подолана завдяки ефективному математичним методом виявлення повного набору ритмів і їх параметрів (особливо фаз) у практиці біоритмології. Такий метод розроблявся в СРСР, а потім і в Росії паралельно з розвитком обчислювальної техніки починаючи з 1976 року. Удосконалювалися алгоритм і програма розрахунків, що дозволяють у єдиній процедурі виявляти некратний один одному ритми, які характеризуються такими параметрами, як довжина періоду, фаза і амплітуда. За 20 років роботи було виявлено безліч різночастотних біоритмів крові людей і тварин, а також сонячних, місячних, геофізичних і метеорологічних ритмів. Метод обговорювалося на спеціальних семінарах в Інституті прикладної математики ім. Келдиша РАН, в Інституті кібернетики ім. Глушкова УАН, на математичному факультеті МДУ ім. Ломоносова і був одностайно схвалений і рекомендований до публікації в центральних наукових журналах.

Однак проблемні та експертні поради з хронобіології ігнорували ці рекомендації, метод до цих пір не вивчається. Їм ефективно скористався лише Інститут хімічної фізики РАН в Чорноголовка, де багато років досліджуються ритми ферментів лімфоцитів в нормі і при концерогенезе.

1.3 Виявлення параметрів та уточнення класифікації сонячних і біологічних ритмів різної розмірності

Розроблений нами метод дозволив виявити численні ритми крові людей і тварин, показники сонячної та геомагнітної активності, а також метеофакторів. Наприклад, у вихідному масиві чисел Вольфа, що складається з 244 членів (середньорічних значень СА з 1749 по 1992 роки), визначені 87 складових прихованих ритмів, причому встановлений весь набір в єдиній процедурі з усіма параметрами ритмів. Завдяки цьому вперше показано, що «околоодіннадцатілетній» цикл сонячної активності складається з фазово-амплітудного взаємодії не менш, ніж 35 ритмів. Найбільш значущими в цьому «сімействі» геліорітмов є високоамплітудні геліорітми тривалістю: 11,00; 10,04; 10,52; 11,95; 8,38; 10,64 і 8,10 років.

За умовами геліобіологіческіх експериментів, постульованих А.Л. Чижевським, необхідно порівнювати паралельні динаміки сонячних і біологічних даних. Дослідження велися зі строго дотримуваним інтервалом забору біологічних проб: 1) протягом 2,5 років з інтервалом у тиждень, 2) 380 діб з інтервалом у тиждень, 3) 128 діб з інтервалом у три доби, 4) 32 діб щоденно; 5) 27 годин з інтервалом у три години при повторенні досліджень в середині кожного сезону року.

У результаті складена єдина класифікація біологічних і сонячних ритмів в інтервалі від 6 годин до 2,5 років. Виявлено, що більшість виявлених сонячних і біологічних ритмів по довжині періоду копіюють довжину хвильових періодів планет сонячної системи, обчислених астрофізиком з Дубни А.М. Чечельницький.

1.4 Створення методології довгострокового прогнозування коливань показників життєдіяльності за сумою поточних фаз резонансних ритмів сонячної активності

«Околоодіннадцатілетніе» ритми сонячної активності важливі для прогнозування, наприклад, епідемій і соціальних катаклізмів. Такий прогноз (часу і частоти коливань циклів СА) виконаний на період до 2100 року ХХI століття, за нашими даними, буде більш «спокійним» (по висоті максимумів СА), ніж ХХ століття

Аналіз індивідуальних і групових ритмограм дозволив відзначити наступні закономірності, що допомагають більш осмислено орієнтуватися в різноманітті біологічних і геліофізичних ритмів, а також у значенні кожного з них:

1. Довжини періодів одночастотних біоритмів крові людей і тварин, а також геліорітмов з урахуванням їх «дрейфу» не відрізняються достовірно один від одного і узгоджуються з хвильовими періодами планет сонячної системи.

Іншими словами, тривалості періодів біологічних і сонячних ритмів збігаються, що дозволяє говорити про пов'язаності всіх природних ритмів. Ведучими цього ансамблі є космічні ритми. Від них залежать всі інші природні, у тому числі, біологічні, ритми організму. Можна сказати і так: біологічні ритми організму визначаються космічними. У суворій науковій формулюванні цей висновок звучить наступним чином:

2. Ідентичність довжин періодів біологічних ритмів з ритмами зміни сонячної активності і хвильовими періодами планет сонячної системи доводить об'єктивність існування полічастотной резонансної зв'язку між хвильовими процесами в Космосі і біологічними процесами на Землі. Всесвіт являє собою систему взаємопов'язаних, взаємоузгоджених і взаємообумовлених ритмів.

3. До індивідуальних характеристик біоритмів кожної людини або тварини належить набір виявлених частот біоритмів, а також середній рівень і амплітуда коливань досліджуваного показника. Довжина періоду і фаза коливань в класах низькочастотних біоритмів не відрізняються з вірогідністю у різних індивідів і можуть бути віднесені до загальновидовому характеристикам біоритмів.

У перекладі на більш просту мову це означає, що набори біоритмів індивідуальні: вони розрізняються частотою, середнім рівнем і амплітудою. Наприклад, цикл зміни артеріального тиску може становити 3 тижні, характеризуватися середнім показником 120/80 при максимумі / мінімумі 135/65 в однієї людини і два тижні, 115/70, 125/60, відповідно, в іншого. Індивідуальні показники залежать від індивідуальних особливостей організму. Вони зображуються різними кривими, а в цілому індивіду властива своя неповторна результуюча крива. А ось тривалість періоду коливань і їх фаза єдині для всієї популяції. Тому, якщо, скажімо, з 5 березня починається фаза підйому кривої артеріального тиску, то вона настає у всіх індивідуальних біоритми тиску - йде загальновидовому процес.

4. В ансамблі біоритмів, виявлених для кожного індивіда, можна знайти такі біоритми, фазова координація яких з аналогічними по частоті ритмами сонячної активності статистично стійка і спостерігається у переважної кількості обстежених людей або тварин. Практичне виявлення стійкого фазового співвідношення одночастотних біоритмів і геліорітмов дає можливість складати довгострокові прогнози тенденції зміни біологічних показників за сумою поточних фаз резонансних ритмів сонячної активності.

Так як ритми сонячної активності і біоритми людського організму узгоджені, то по фазі сонячної активності можна прогнозувати зміну показників життєдіяльності, припустимо, того ж артеріального тиску або гемоглобіну крові. Прогноз буде ставитися до всієї популяції, оскільки вона характеризується стійкими ритмами, які, подібно ритмам окремих організмів, співвідносяться з ритмами Сонця.

1.5 Створення теоретичної платформи під геліобіологіческіе явища, відкриті А.Л. Чижевським. Сучасна геліобіологія - основа єдиної теорії біології

Виявлення наборів біоритмів і геліорітмов, що характеризуються не тільки довжиною періодів, але й жорстко фіксованими фазами коливань, дозволило до класичних питань геліобіології (як працюють біологічні годинники і який механізм впливу сонячної активності на живий організм) додати не менш важливе питання - чому кожен живий організм, найскладніший і примітивний, має індивідуальним набором численних біоритмів? Відповідь на це, здавалося б суто биоритмологический, питання негайно переносить завдання в область проблеми «біологічної індивідуальності», тобто в область імунологічної специфічності живого організму.

Відомо, що імунологічна специфічність виявляється в генетично зумовленому амінокислотним складом білків конкретного організму. Чи може це означати, що вона «відповідає» і за специфічність наборів біоритмів того ж індивіда?

У пошуках відповіді довелося займатися і імунологією, і Фотобіологія, і молекулярною біологією, і генетикою, і ембріологією, і квантовою фізикою, і радіотехнікою, і ще багатьма іншими науками. Відповідь виявилася інтегральним. Як відсутню ланку він зв'язав воєдино закони всіх цих наук і збудував відомі ортодоксальні і парадоксальні факти біології і медицини в нерозривний систему.

Таким відсутньою ланкою виявилося доказ хвильової природи сигналів, що регулюють генну активність. Ці хвильові сигнали в оптичному діапазоні електромагнітних хвиль генеруються високо дипольними молекулами білкових сполук, що знаходяться в живих (володіють електричною активністю) клітинах.

В умовах змінного електричного поля, створюваного потоками електронів в живих клітинах, всі білки-диполі перетворюються в крихітні осцилятори, генерують електромагнітні хвилі з частотою, що відповідає розміру і формі вібраторів. Таким чином, виявилося, що іммуноспеціфіческіе білки-вібратори в живій клітині генерують іммуноспеціфіческіе за частотою випромінювання! Найбільш інформативними випромінюваннями білків у живій клітині є іммуноспеціфіческіе кванти енергії ультрафіолетового (УФ) діапазону хвиль (що прямо узгоджується з відкриттями А.Г., Л.Д. та А. А. Гурвич і В. П. Казначеєва з Л. П. Михайлової ).

Ось чому А.Л. Чижевського так цікавили електричні властивості клітин крові! Геніальна інтуїція підказала йому, що відповіді на гострі запитання геліобіології лежать в області фізики живого речовини - області резонансних явищ.

Відкриття єдності корпускулярних і хвильових властивостей живої матерії, а також електромагнітної природи інформації в клітині дозволило: 1) виявити механізм дії сонячних випромінювань на живий організм; 2) пояснити, як працюють біологічний годинник організму будь-якої складності; 3) показати, як виникає іммуноспеціфічность біологічного поля клітин, тканин і всього складного організму; 4) виявити нову роль відомих клітинних органел у прийомі, передачі, фільтрації, спрямованої трансформації і в перериванні потоків сонячної і внутрішньоклітинної іммуноспеціфіческой хвильової інформації, що йде до генів; 5) показати електромагнітну природу імунітету; 6) довести ущербність центральної догми молекулярної біології (ДНК-РНК-БІЛОК), як не відповідає законам роботи самоналагоджувальних систем автоматичного регулювання; 7) показати основні принципи перемикання генів у процесі клітинної диференціювання.

Розуміння, що кожен ген клітини «чекає» для своєї активації резонансний сигнал від відповідного білка, а потім, активувалися, стає джерелом появи кодованого їм іншого білка, квантові характеристики якого можуть бути резонансними для активації якогось гена з генома клітини, дозволило представити новий вид потоку інформації в живій клітині:-ДНК1-РНК1-БЕЛОК1-ДНК2-РНК2-БЕЛОК2-... - ДНКn-РНК-n-БEЛОКn-... У цьому ряду передбачається можливість подовження, вирізування, розгалуження і замикання білково-нуклеїнових ланок, які формують загальне метаболічне поле живого організму, побудованого на позитивних зворотних зв'язках.

По суті справи, саме складання ланцюжків з белоксинтезирующий ланок (-ДНК-РНК-БІЛОК-), які об'єднуються між собою іммуноспеціфічной хвильової інформацією та доцільністю роботи кожної ланки для еволюції всього ланцюга, і стало тим фундаментом, тим базисним автокаталитического процесу, на основі якого виникла життя на Землі. Практичними підтвердженнями правильності взятого напрямку у розбудові єдиної теорії біології служать роботи А.Г., Л.Д. і А.А. Гурвич про митогенетичні УФ-випромінювання клітин, які діляться; В.П. Казначеєва і Л.П. Михайлової про фитопатологический ефект при дистантное УФ-взаємодії клітин; А.А. Шахова, який відкрив і довів закон внутрішньоклітинного поліфункціональної дії світла у рослин, а також показана нами можливість пояснювати і систематизувати на основі фундаментальних законів фізики та радіотехніки всі відомі, але малозрозумілі факти класичної біології та медицини.

Єдина теорія біології, заснована на нерозривності корпускулярних і хвильових властивостей живої матерії, дозволить розвивати її прикладні аспекти - проблеми екології, патогенезу та лікування різних «непереможних» хронічних захворювань, боротьби з гострими інфекціями і інтоксикаціями, рак і алергією.

А все почалося з робіт А.Л. Чижевського. Мали рацію укладачі меморандуму конгресу з біофізики 1939 р., записавши в нього наступне - «... Праці професора Чижевського чреваті величезними практичними наслідками, значення яких для медицини ... важко навіть уявити». Сподіваємося, що в XXI столітті геліобіологія А.Л. Чижевського очиститься від купи макулатурних робіт, помолодшає і осяє своєю блиском всі праведні справи «століття біології» ^3.

2. Сонце і іоносфера

Іоносферу неможливо вивчати без відповідного дослідження процесів на Сонці та їх впливу на процеси в земній атмосфері. Це твердження, перш за все, грунтується на тому, що випромінювання Сонця - основне джерело енергії для атмосферних процесів. Більш того, специфічна іонізуюча радіація, яка і є причиною існування іоносфери, або прямо виникає в результаті певних процесів на Сонці, або сильно залежить від сонячних магнітних полів. Випроменена Сонцем іонізуюча радіація становить лише невелику частину всієї його енергії випромінювання. Тим не менш, вплив Сонця виявляється досить значним, якщо мова йде про поширення радіохвиль. Ще більш сильним виявляється вплив надлишкової іонізуючої радіації, яка виникає в результаті збурень на Сонце.

Іоносфера утворюється при фотоіонізації атмосферних компонент рентгенівським випромінюванням Сонця і короткохвильовим (коротше 1300 А) ультрафіолетовим випромінюванням. Винятком є нижня область D; вона утворюється галактичними космічними променями. Незважаючи на велике кількість відомостей про іоносфері, відносний вплив цих випромінювань ще не досить чітко. Причина цього полягає в тому, що ще мало точних даних про характеристики іонізуючого випромінювання Сонця й недостатньо знань про процеси деионизации та їх швидкостях. В даний час 'найголовніша проблема - це, ймовірно, недолік знань про випромінювання Сонця.

Сонячні спалахи є найбільш важливою частиною сонячної активності, що впливає на іоносферу. Під час цих збурень, які будуть описані більш докладно далі, відбувається інтенсивне випромінювання в рентгенівській області спектру. Рентгенівські промені з великою енергією проникають глибоко в іоносферу, в результаті чого іонізовані області утворюються на малих висотах, а це істотно змінює характеристики поширення радіохвиль, так що часом відбувається повне припинення радіозв'язку на високих частотах. Потік енергії, що викликає подібні ефекти, може бути менше, ніж 10-2 ерг/див2 · сек.

Інколи під час сонячних спалахів відбувається випромінювання великої кількості протонів, які є причиною тимчасової підвищеної іонізації на малих висотах (область D) в районі полярних шапок. Сонячні спалахи також супроводжуються геомагнітними збуреннями, що впливає на поведінку потоків електронів в полярних областях, викликаючи зменшення інтенсивності космічних променів.

Сонячна активність пов'язана з кількістю плям на диску Сонця. Середнє число плям змінюється з періодом приблизно 11 років. Середня ступінь іонізації іоносфери і кількість збурень, отже, також змінюється з сонячним циклом.

З огляду на те, що наявні теорії процесів на Сонці не в змозі задовільно пояснити дані спостережень, іоносферні моделі істотним чином залежать від сукупності повних та надійних даних про спектральної інтенсивності випромінювання Сонця. Зараз, однак, редукція даних сонячних спостережень у свою чергу обмежується відсутністю теоретичної інтерпретації. Очевидно, прогрес в іоносферній теорії залежить від прогресу в теорії сонячної діяльності. Ці дві області знань нероздільні, і фізики, які вивчають іоносферу, з нетерпінням очікують нових даних про Сонце ^4.

3. Структура іоносферних областей

Ідея про існування іоносфери у вигляді деякого шару завжди була притаманна іоносферних теоріям. У кількісної формі ця ідея була вперше висловлена ​​в теорії освіти іоносферного шару, створеної Чепменом в 1931 р. Хоча в подальшому ряд авторів уточнили умови утворення істинного "шару Чепмена", сама ідея все ще залишається фундаментальною для іоносферних моделей. Це означає, що для відповідних атмосферних компонент і довжин хвиль іонізуючої радіації можуть бути знайдені висота і швидкість максимуму іонізації. Існуючі в даний час моделі враховують просто більш широку смугу спектру іонізуючої радіації і охоплюють більшу кількість атмосферних компонент.

Існування іоносферних шарів залежить як від освіти електронно-іонних пар та їх подальшої долі, що визначається властивостями іонізіруемой компоненти, так і від виду та концентрації навколишнього нейтрального середовища. Легко можна написати рівняння безперервності або балансу описують ці умови. Труднощі з'являються при ідентифікації суттєвих реакцій, визначенні їх швидкостей і концентрацій відповідних компонент, а також при вирішенні виходять диференціальних рівнянь.

В даний час замість найменування "шар" більш вживаним став термін "область". Основою для такої зміни послужили ракетні вимірювання, в результаті яких виявилося, що в іоносфері немає чітко обмежених верств, уявлення про які виникло при інтерпретації радіолокаційних досліджень. І теоретичні моделі, і експерименти показують, що "шари" представляють собою просто великі градієнти електронної концентрації. Градієнти і максимуми концентрації переміщуються (в обмеженій області висот) під впливом сонячної активності. Область D розташовується нижче приблизно 90 км. Хоча іноді зустрічаються згадки про покладений ще нижче області С, таке позначення застосовується рідко. Проміжок між областю F (близько 180 км) та 90 км зазвичай розглядається як галузь Є. Граничні висоти, звичайно, не визначаються точно. Ми будемо розглядати області іоносфери, розташовані на висотах нижче 160 км, і, отже, будемо мати справу в основному з областями D і Е ^5.

Висновок

Дослідження з геліобіології включають:

1) вивчення кореляції змін певного біологічного показника (за статистичними даними) з коливаннями активності Сонця;

2) випробування на різних біологічних об'єктах дії умов, що моделюють окремі фактори сонячної активності. Розвиток другого напрямки лише починається - перша лабораторія по геліобіологія організована в СРСР в 1968 (Іркутськ).

Геліобіологія тісно пов'язана з ін галузями біології, з медициною, космічної біологією, астрономією і фізикою.

Основні завдання, що стоять перед геліобіологія, - з'ясувати, які чинники активності Сонця впливають на живі організми і які характері і механізми цих впливів.

Прогнози різких коливань сонячної активності (зокрема, хромосферних спалахів) повинен вестися не тільки в космічній біології та медицині, але й у практиці охорони здоров'я, в сільському господарстві та ін галузях науки та народного господарства.

Список літератури

1. Концепції сучасного природознавства / Под ред. І.М. Морозова. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004.

2. Пригожин С.Ю. Сонячна активність і життя. Рига: Югра, 1967.

3. Чижевський О.Л., Шишина Ю.Г., У ритмі сонця, М.: Наука, 1969.

4. Чижевський О.Л., Епідемічні катастрофи і періодична діяльність сонця, М.: Просвещение, 1970.

5. Щербинівський Н.С., Циклічна активність Сонця і зумовлені нею ритми масових розмножень організмів, в кн.: Земля у Всесвіті, М.: Знание, 1964.