На эту статью можно ссылаться, ее адрес в интернете:          www.biophys.ru/archive/congress2006/pro-p10.htm

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И МАГНИТНЫХ БУРЬ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ И СОЦИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Аксенов С.И.

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

aksyonov@biophys.msu.ru

 

Проблема связи между вариациями солнечной активности, магнитными бурями и биологическими процессами обсуждается уже в течение многих десятилетий, начиная с работ Чижевского А.Л. /1/. Согласно Чижевскому, такие вариации влияют не только на биологические, но и на социальные процессы, что подтверждается данными по анализу исторических событий в десятках стран, начиная с V века до нашей эры. При этом анализ данных за 500 лет (c ХV по ХIХ век) показал, что на 3 года активного Солнца в 11-летних циклах приходится 60% исторически значимых событий (войны, революции, различные массовые движения, эпидемии и т.д.). В то же время на 3 года спокойного Солнца приходится лишь 5% подобных событий. /1-3/.

В последующем различными авторами получен большой фактический материал, подтвердивший наличие подобной связи, в том числе, в ходе событий ХХ века /4-7 и др./. Вместе с тем было показано, что такая связь имеет во многом неоднозначный характер. Прежде всего, оставался нерешенным вопрос о механизмах, способных объяснить саму чувствительность биологических процессов к столь слабым внешним полям, напряженность которых в миллионы раз слабее ее значения на мембранах. Отсутствовала также корреляция между энергией поля и наблюдаемыми биологическими эффектами, включая их убывание при росте амплитуды ЭМП, в различных работах отмечены эффекты ЭМП разного знака /3-7/ и т.д. Поэтому само по себе наличие корреляции между солнечной активностью и, например, проявлениями различных болезней не исключает, что такая связь имеет не прямой, а опосредованный характер, через влияние на погоду, а через нее также на урожай, как в случае связи солнечной активности с социальными явлениями. И как результат,  до недавнего времени многие физики подвергали сомнению саму возможность влияния таких слабых полей на биологические процессы, вплоть до заключения, что «любые биологические эффекты ЭМП сверхнизких частот на клеточном уровне должны рассматриваться вне рамок традиционной физики» /5/..

Ранее нами был предложен физико-химический механизм воздействия на клеточные процессы слабых ЭМП сверхнизких частот, в том числе, магнитных бурь, связанных с солнечной активностью /8-12/...Высокая эффективность слабых ЭМП низких частот связывается с нелинейными процессами в неоднородной среде клетки, когда ионы под действием электрического поля, наводимого внешним ЭМП, проходят за его период сопоставимое с размером клетки расстояние. Подобные процессы в результате приводят к изменению ионной силы вблизи мембран, что влияет на высвобождение связанных там белков с последующей активацией метаболических процессов. /8-12/. Такие переходы белков, в связи с увеличением числа степеней свободы для движения белковых групп в воде и, соответственно, энтропии системы, связаны с малым изменением свободной энергии. Вместе с тем, следует учитывать, что для высвобождения белков необходимо преодолеть активационный барьер для перехода. Для этого явно недостаточно лишь энергии слабого внешнего ЭМП. Скорее все зависит от появления за его период достаточно большой тепловой флуктуации. И здесь сверхнизкие частоты ЭМП имеют определенные преимущества перед высокими частотами. В этом смысле эффективность сверхнизких частот следует сопоставить с эффективностью влияния ионов Са++ на активацию клеточных процессов /12/, где продолжительность их воздействия на электростатическое взаимодействие белков с мембраной определяется высокой константой связывания ионов Са++ с мембраной (в 3000 раз выше чем  для ионов Mg++ )

Эксперименты по действию лабораторных источников ЭМП низких частот на семена пшеницы в ходе их прорастания подтвердили основные положения механизма /8-12/. Наблюдали эффекты активации ферментов эстераз и изменения рН после 10-15 мин обработки ЭМП на ранних стадиях прорастания семян. Отмечена стимуляция образования корней в случае обработки семян на соответствующей этому стадии, тогда как такая же обработка на более поздней стадии стимулировала лишь образование проростков. Все это, в конечном счете,  приводило к заметному приросту всхожести семян. Полученные результаты были объяснены за счет эффектов высвобождения белков, влияющих на соответствующие стадии реализации генетической программы прорастания семян. Показано также, что эффекты стимуляции ЭМП процессов прорастания семян пшеницы зависят от степени растяжения мембран (при набухании семян в растворах сахарозы) /12/, что согласуется с механизмом влияния ЭМП на переходы белков из связанного состояния на мембранах в воду. ЭМП обработка и здесь приводила к повышению всхожести семян. В то же время продолжительное воздействие ЭМП низких частот в течение ряда дней на более поздних стадиях прорастания приводило к противоположному эффекту – торможению развития проростков и даже к общему падению всхожести семян, вплоть до 2-х раз у семян с низкой всхожестью  /10-12/. .

Исследования, проведенные с модельными источниками ЭМП низких частот, позволили подойти к рассмотрению непосредственных эффектов магнитных бурь и к их интерпретации. Эксперименты по проращиванию семян пшеницы в условиях различной геомагнитной обстановки выполняли в течение ряда месяцев, начиная с середины октября 2004 г. и до начала июня 2005 г. Еще одна серия измерений была выполнена с начала сентября до середины октября 2005 г. Всего в опытах было использовано более 50 000 семян пшеницы сортов Московская 39 и Мироновская 808 с близкими значениями всхожести (около 62%). В каждой серии использовали по 6 образцов из 100 семян, набухавших в чашках Петри в течение 7 суток. Из них по 2 образца каждого сорта служили индикатором геомагнитной обстановки, а еще по одному образцу этих сортов на 15 ч набухания подвергали 15 мин ЭМП обработке (50 Гц, Н=30 мТл) на установке для магнитотерапии МАГ-30-3 (инструментальный завод, Елатома, Россия). Регистрировали изменение всхожести для каждого из образцов семян пшеницы после такой обработки

Полученные нами результаты показывают, что в дни спокойного солнца всхожесть семян пшеницы (около 62%) сохраняется практически на постоянном уровне в течение примерно одного года  Но при этом наблюдается заметный разброс результатов в разные дни наблюдений.. Однако после проведения процедуры скользящего сглаживания по 5 соседним точкам и, дополнительно, еще раз по трем соседям, суммарная кривая распределения всхожести семян пшеницы в дни спокойного солнца становится более однородной и весьма близкой по форме к гауссовой кривой А = Ао. ехр (-(х-62)2 /38)  (Рис. 1)_.

Рис 1. Суммарная кривая распределения всхожести семян пшеницы Московская 39  и Мироновская 808 в дни спокойного солнца (светлые значки) с октября 2004 по октябрь 2005 гг.и расчетная гауссова кривая (значки зачернены).

 

Это позволило рассматривать данные для семян в дни спокойного солнца и при одинаковых значениях температуры и влажности как достаточно устойчивую величину. Отсюда следует, что на всхожесть семян в условиях спокойного солнца, в отличие от изучаемых эффектов ЭМП и непосредственного воздействия магнитных бурь, сравнительно слабо влияют какие-либо другие посторонние факторы. В то же время слабое воздействие ЭМП обработки и магнитных бурь оказывает существенно большее влияние, явно выходящие за рамки чисто случайных факторов.

Так кратковременная 15 мин ЭМП обработка (50 Гц, 30 мТ) на 15 часу набухания семян пшеницы приводит к отчетливо выраженному повышению их всхожести достигающему 70-80% и более по сравнению с 62% для необработанных ЭМП семян. (см. ниже на рис. 3) Вместе с тем здесь отмечен более широкий разброс данных по сравнению с данными для необработанных семян в дни спокойного солнца

Значительное и, во многом похожее повышение всхожести семян пшеницы отмечается также в дни магнитных бурь, хотя возникающие при этом переменные магнитные поля с частотой в десятые-сотые доли герца имеют значительно более низкие значения (от примерно 100 нТ до менее чем 1000 нТ)  Такие поля на 4-5 порядков слабее поля, создаваемого аппаратом для магнитотерапии, причем их частоты на 3-4 порядка ниже частот аппарата. Это находится в соответствии с предполагаемым механизмом воздействия ЭМП, где, согласно зависимости от времени движения ионов внутри клетки, должна проявляться зависимость биологических эффектов не от амплитуды, а скорее от отношения амплитуды к частоте ЭМП. Более же высокая эффективность сверхнизких частот магнитных бурь, в свою очередь, определяется большей вероятностью появления в течение их периода тепловой флуктуации, необходимой для преодоления барьера для переходов. Вместе с тем, при наличии широкой вариабельности по интенсивности магнитных бурь и, по-видимому, по их частотным характеристикам, повышение всхожести происходит примерно в том же диапазоне, хотя оно имеет более случайный характер по сравнению с воздействием лабораторного источника ЭМП.

Мощная магнитная буря в интервале от 7 до 10 ноября и менее интенсивная буря 12 ноября 2004 г. привели к резкому повышению всхожести до примерно 80% и более, и даже вплоть до 96% в одном из опытов. Вместе с тем, почти такое же повышение всхожести семян, в интервале между 80 и 90%, наблюдали после относительно небольшой бури 5 декабря 2004 г., совпавшей по времени с начальным участком кривой набухания семян. Но здесь возможно, что такая активная реакция семян может быть связана с частотными характеристиками данной бури. Значительное повышение всхожести семян было отмечено также после воздействия заметно более интенсивной бури, наблюдавшейся в интервале между 17 и 21 января 2005 г.. .Вместе с тем в феврале, марте и апреле 2005 г. реакция семян на магнитные бури оказалась более слабой. Тем не менее, тенденция к приросту всхожести в дни бурь сохранялась, причем в течение ряда дней отмечалась отчетливая связь между появлением магнитных бурь, в частности, между 7 и 10 марта, и повышением всхожести для большинства образцов набухавших в это время семян. Еще несколько случаев с заметно выраженной реакцией семян на солнечную активность было отмечено в течение мая - начала июня 2005 г. Здесь совершенно отчетливо выявляется связь между магнитными бурями 8, 15 и 30 мая и заметным повышением всхожести семян пшеницы после бурь, пришедшихся в этих случаях на первые дни набухания.

 

Рис. 2. Всхожесть семян пшеницы (из 100 семян) сортов Московская 39 (х) и Мироновская 808 (D) в зависимости от геомагнитной обстановки (индекс К по данным ИЗМИРАН). в течение сентября. (вверху) и октября 2005 г (внизу) Сквозная прямая соответствует среднему значению всхожести в дни спокойного солнца. (62%). Более короткие прямые включают интервал от начала до конца времени прорастания семян.

 

Наконец, эксперименты, выполненные в сентябре-октябре 2005 г. снова отчетливо продемонстрировали наличие прямой связи между воздействием серии магнитных бурь и заметным повышением всхожести семян пшеницы, отмечавшимся в течение нескольких дней сентября Ослабление магнитных бурь в последующие дни привело к возвращению всхожести практически к исходному значению, характерному для дней спокойного солнца.  Примеры такой связи показаны ни рисунке. 2.

Следовательно, примерно для десятка магнитных бурь выявлена отчетливо выраженная связь между воздействием бурь в первые дни прорастания семян пшеницы и заметным повышением их всхожести. Важно отметить, что такой эффект относится к связи конкретных реакций семян с конкретными магнитными бурями.

Рис. 3. Итоговое распределение всхожести семян пшеницы (из 100 семян) Московская 39 и Мироновская 808 в зависимости от геомагнитной обстановки с октября 2004 по июнь 2005 г (внизу) и после 15 мин обработки ЭМП (50 Гц, 30 мТл) на 15 ч набухания. Светлые столбцы соответствуют дням спокойного солнца, а черные - дням магнитных бурь.

 

Подобная связь еще более заметно выражена на итоговой картине распределения всхожести семян пшеницы в дни активного и спокойного солнца (Рис. 3) При этом интервал повышения всхожести в дни активного солнца оказывается весьма близким к интервалу распределения всхожести семян после их 15 мин ЭМП обработки на 15 часу набухания, хотя сами картины распределений не так уж близки друг к другу. Но здесь следует учитывать случайный характер времени появления магнитных бурь и их числа за изучаемый интервал времени. Заметно отличаются друг от друга и интенсивности магнитных бурь, а также частотные характеристики, не говоря уже об их отличии на несколько порядков, как по частоте, так и по интенсивности, от полей, создаваемых лабораторным источником ЭМП. низких частот.

Таким образом, данные изучения эффектов конкретных магнитных бурь и сводная картина наблюдений в течение года с октября 2004 г по октябрь 2005 г. отчетливо свидетельствуют о непосредственном воздействии солнечной активности на прохождение биологических процессов, такие как прорастание семян пшеницы. Эффекты магнитных бурь заметно превышают эффекты от других случайных внешних факторов и они оказываются во многом похожими на эффекты от лабораторных источников ЭМП, в случае их воздействия на начальных этапах прорастания семян. А это позволяет привлечь для обсуждения эффектов магнитных бурь и другие, отмеченные для лабораторных источников эффекты..

. Данные по приросту всхожести семян, набухавших в растворах сахарозы /12/ показывают, что ЭМП обработка может инициировать реакции с более высоким порогом активации, что не исключает возможность суперпозиции эффектов следующих одна за другой стадий прорастания. Это может нарушить процесс реализации генетической программы прорастания, что отмечалось в ходе эмбрионального развития организмов в периоды активного солнца.

Непрерывная ЭМП обработка семян в течение нескольких суток набухания приводила к иным эффектам - не к стимуляции, а к замедлению роста проростков и к падению всхожести семян, что связывается с десинхронизацией периодических процессов сборки-разборки сложных структур, проходящих во время прорастания семян. .При этом активация высвобождения белков и торможение их связывания под действием ЭМП должно вызывать состояние повышенной активности в клетках. Последнее способно объяснить возможные эффекты воздействия магнитных бурь и высокой солнечной активности на физиологическое состояние организмов. Важно отметить, что такое воздействие имеет массовый характер. и, как результат, оно способно повлиять на поведение больших масс людей, а также вызвать обострение различных заболеваний....

Таким образом, биологические эффекты магнитных бурь и ЭМП сверхнизких частот могут быть связаны как со стимуляцией, так и с нарушением нормального хода процессов в организме. Они зависят от состояния организмов и от продолжительности ЭМП воздействия и могут вызвать выраженные функциональные нарушения, особенно в случае каких-либо отклонений. Предлагаемый физико-химический механизм позволяет объяснить основные биологические и социальные эффекты высокой солнечной активности и магнитных бурь не прибегая к привлечению каких=либо иных представлений. Стимуляция высвобождения белков и торможение их связывания должно создавать состояние повышенной возбудимости в организме. Подобные эффекты в случае длительных магнитных бурь с одновременным влиянием на многие организмы, может быть дополнительно усилено за счет их взаимного воздействия, что создает основу для массового проявления эффектов ЭМП низких частот, имеющих социальное значение. Именно с этим может быть связана отмеченная Чижевским А.Л. связь между высокой солнечной активностью и проявлениями различных массовых движений (войны, революции и т.д.)./1-3/. Подобная связь проявилась и в годы после второй мировой войны /12/. Повышенная возбудимость наблюдателей при высокой солнечной активности может объяснить и более частую регистрацию НЛО в эти периоды и т.д.

Имеется и еще одна сторона воздействия ЭМП низких частот. Повышенная возбудимость в периоды магнитных бурь на Солнце создает, наряду с активацией метаболизма, также повышенную нагрузку на организм. .С этим фактором, по-видимому, связано обострение различных заболеваний в такие периоды. Здесь необходимо учитывать и возможность проявления повышенной активности самих носителей заболеваний под действием ЭМП, что может дополнительно усилить их .воздействие.

 

Литература

1.       Чижевский А.Л. Физические факторы исторического процесса. Калуга, 1924

2.       Чижевский А.Л Земное эхо солнечных бурь. М., 1973

  1. Чижевский А.Л  Земля в объятиях Солнца. М., ЭКСМО, 2004
  2. Бинги В.Н. Магнитобиология. Эксперименты и модели. М., ИОФАН, 2002
  3. Adair K. Phys. Rev. A. 43, 1039-1048, 1991
  4. Berg H. Bioelectrochem. Bioenerg. 38,153-159,1995
  5. Bersani T. (ed.) Electricity and Magnetism in Biology and Medicine.. Kluwer/Plenum, London, 1999
  6. Аксенов С.И., Булычев А.А. и др. Биофизика 41,931-937,1996
  7. Аксенов С.И., Булычев А.А. и др. Биофизика 45,737-745,2000
  8. Aksyonov S.I., Bulychev A.A. et al. Electro- and Magnetobiology, 20,231-253,2001.
  9. Аксенов С.И., Грунина Т.Ю., Горячев С.Н., Биофизика 46, 1117-1123,2001
  10. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов, изд, РХД, 2004