Суточный ритм

Суточный ритм обнаружен у разнообразных организмов, от одноклеточных до человека. У человека отмечено свыше 100 физиологических функций, затронутых суточной периодичностью: сон и бодрствование, изменение температуры тела, ритма сердечных сокращений, глубины и частоты дыхания, объема и химического состава мочи, потоотделения, мышечной и умственной работоспособности и т. п. У амеб в течение суток изменяются темпы деления. У некоторых растений к определенному времени приурочены открывание и закрывание цветков, поднятие и опускание листьев, максимальная интенсивность дыхания, скорость роста колеоптиля и т. д.

По смене периодов сна и бодрствования животных делят на дневных и ночных. Ярко выражена дневная активность, например, у домашних кур, большинства воробьиных птиц, сусликов, муравьев, стрекоз. Типично ночные животные — ежи, летучие мыши, совы, кабаны, большинство кошачьих, травяные лягушки, тараканы и многие другие. Животные обычно активны в наиболее благоприятное для них время суток. Конкретные типы активности достаточно разнообразны. Некоторые виды имеют приблизительно одинаковую активность как днем, так и ночью, с чередованием коротких периодов бодрствования и покоя. Такой ритм называют полифазным (многие землеройки, рядхищных и др.).

У ряда животных суточные изменения затрагивают преимущественно двигательную активность и не сопровождаются существенными отклонениями физиологических функций (например, у грызунов). Наиболее яркие примеры физиологических сдвигов в течение суток дают летучие мыши. Летом в период дневного покоя многие из них ведут себя как пойкилотермные животные. Температура их тела в это время почти равна температуре среды; пульс, дыхание, возбудимость органов чувств резко понижены. Чтобы взлететь, потревоженная мышь долго разогревается за счет химической теплопродукции. Вечером и ночью — это типичные гомойотермные млекопитающие с высокой температурой тела, активными и точными движениями, быстрой реакцией на добычу и врагов.

У одних видов периоды активности приурочены к определенному времени суток, у других могут сдвигаться в зависимости от обстановки. Так, открывание цветков шафрана зависит от температуры, соцветий одуванчика — от освещенности: в пасмурный день корзинки не раскрываются. Активность пустынных мокриц или жуков-чернотелок сдвигается на разное время суток в зависимости от температуры и влажности на поверхности почвы. Они выходят из норок либо рано утром и вечером (двухфазный цикл), либо только ночью (однофазный), либо в течение всего дня.

Отличить эндогенные суточные ритмы от экзогенных, т. е. навязываемых внешней средой, можно в эксперименте. У многих видов при полном постоянстве внешних условий (температуры, освещенности, влажности и т. п.) продолжают длительное время сохраняться циклы, близкие по периоду к суточному. У дрозофил, например, такой эндогенный ритм прослеживается в течение десятков поколений. Таким образом, суточная цикличность жизнедеятельности переходит во врожденные, генетические свойства вида. Такие эндогенные ритмы получили название циркадных (от лат. circa — около и dies — день, сутки), так как длительность их неодинакова у разных особей одного вида, слегка отличаясь от среднего, 24-часового периода. При снятии внешней ритмики дня и ночи эндогенный ритм становится свободно текущим и через некоторое время перестает совпадать с суточными изменениями.

Летяги, для которых характерна сумеречная активность, просыпаются вечером синхронно, в строго определенный час. В эксперименте, находясь в полной темноте, они сохраняют околосуточный ритм. Однако одни особи начинают свой «день» на несколько минут раньше; другие — на несколько минут позже обычного суточного цикла. Если, например, циркадный ритм короче суточного на 15 мин, то для такого зверька через три дня расхождение во времени с внешним ритмом составит 45 мин, через 10 дней — уже 2,5 ч и т. д. Поэтому все летяги через несколько суток просыпаются и начинают двигаться в совершенно разное время, хотя каждая сохраняет постоянство своего цикла. При восстановлении смены дня и ночи сон и бодрствование зверьков вновь синхронизируются. Таким образом, внешний суточный цикл регулирует продолжительность врожденных циркадных ритмов, согласуя их с изменением среды.

3.Чижевский обобщил свои результаты и результаты предшественников и высказал мысль о космической природе практически всех биосферных циклов. Он писал: “Основным свойством Космоса являются периодические и непериодические изменения. Всё существующее на Земле также служит объектом этих изменений”. Корреляционные кривые А.Л.Чижевского для уровня солнечной активности и всплесков революций, войн и эпидемий получили широкую известность. Используя данные медицинской статистики различных городов за один и тот же промежуток времени, он обратил внимание ученых на общность поведения кривых и их очевидную связь с числами Вольфа, характеризующими солнечную активность.

Рисунок. Связь уровня заболеваемости с фазой 11-ти летнего цикла солнечной активности. Верхняя кривая - усредненные за 100 лет данные по заболеваемости холерой в России, приведенные к соответствующему циклу солнечной активности по методу наложенных эпох. Нижняя кривая - солнцедеятельность за тот же период ([5], стр. 201). Нулевое значение на оси абсцисс соответствует максимуму 11-ти летнего цикла солнечной активности.

Чижевский впервые указал на электромагнитную природу этого явления и предположил, что человек может реагировать на подобные электромагнитные возмущения на уровне клетки. Далее он не углублялся, в то время его больше интересовал вопрос: "Что с чем коррелирует?". Это была совершенно новая область, он чувствовал себя в ней первопроходцем, ему надо было доказать, что такие зависимости существуют. Высказав массу гипотез о природе явлений, подробно разбираться в них он предоставил последующим поколениям ученых. По истечении 80-ти лет с момента опубликования его первых статей, некоторые объяснения в них кажутся слишком упрощенными, поскольку с тех пор физика солнечно-земных связей продвинулась далеко вперед. Ведь в 20-х годах XX-го века даже не было известно понятие магнитосферы, и только-только было высказано О.К.Биркеландом предположение о существовании солнечного ветра. А может быть и хорошо, что Чижевский не усложнял проблему, поскольку в дальнейшем выяснилось, что возмущения солнечного ветра, вызываемые вспышками на Солнце, не могут достигать непосредственно поверхности Земли. Доходят лишь отголоски - слабые и потому, казалось бы, совершенно неспособные влиять на процессы в живых организмов.

Далеко не каждый год бывают крупные геофизические и метеорологические явления, как, например, полярные сияния, видимые в средней Европе, или стихийные катастрофы вроде разрушительных землетрясений или опустошительных наводнений. Если бы эти явления существовали каждый год, их не ставили бы в связь с теми или иными эпидемиями или другими массовыми событиями, как не ставятся в связь с эпидемиями другие периодические явления в природе.

Есть еще одно замечательное подтверждение справедливости того мнения, что подмеченная древними связь между знамениями и массовыми общественными событиями вроде эпидемических болезней не есть игра фантазий, а итог многовековых наблюдений над упорно повторяющейся закономерностью соотношения. Подтверждение мы находим в том замечательном факте, что система предзнаменований у всех народов и во все времена была тождественна в смысле объектов, знаменующих события. Несмотря на то, что система эта покоилась на религиозной почве, она всегда имела объектом общественную сторону жизни древних.

Однако, несмотря на то, что уже с XVII в. благодаря изобретению Галилеем и Торричелли первых измерительных метеорологических инструментов ведутся наблюдения над выяснением данного влияния. Но есть одна область медицины, которая с большим вниманием следила и следит за влиянием внешних физических среды на наш организм. Это психиатрия. Тот факт, что физико – химические явления внешнего мира влияют на душевные отправления и зачастую обуславливают наше поведение, был известен еще в древности. К настоящему времени в психиатрии накопился большой материал наблюдений, который ждет своего Коперника.

Итак, было бы крайне не справедливо полагать, что исследование соотношений между различными эпидемиями и одновременно происходящими крупными потрясениями во внешней природе не дают ничего поучительного и являются лишь плодом донаучного мышления. Наоборот, мы находим в мемуарах врачей – современников тех или иных эпидемий – богатый материал для интереснейших выводов. Эти соотношения не простая случайность, а та тонкая не уловимая связь, около вскрытия, которой бродит современная наука. «Ужаснейшие конвульсии природы, - писал историк П.Нибур – часто сопровождались и совпадали во времени с различными эпидемиями и другими катастрофами».

Закономерности в появлении и развитии эпидемий чаще всего не попадают в поле зрения специалистов – эпидемиологов, так как они скорее должны быть отнесены к порядку физических, а не биологических явлений. Именно в ходе эпидемий мы очень часто сталкиваемся с явлениями, неподдающимися объяснению с биологической точки зрения, как, например, внезапными и резкими взрывами, вспышками и обострениями заболеваний, или, наоборот, внезапными ослаблениями и прекращениями при полной сохранности всех прочих биологических и социальных условий. Попытки объяснить эти существенные явления самостоятельными изменениями в жизненных процессах болезнетворного начала успехом не увенчалось. В тоже время из глубины веков росло убеждение в могучих влияниях физико-химической среды на всю эту причудливую и капризную игру вируса.

В самом деле, целый ряд геофизических явлений был принят во внимание при изучении связи между внешними факторами и эпидемическими заболеваниями. Тщательно изучался вопрос о влиянии на них давления атмосферы, степени ее влажности, термических колебаний, удалось, однако, лишь в редких случаях отыскать такого рода закономерности, которые постоянно и повсеместно сохраняли бы свою силу. В большинстве же случаев имело место следующее: в то время как в одном месте было замечено, что вслед за падением барометрического давления число заболеваний то той или иной эпидемии увеличивалось, в другом месте такого же рода эффект получился за увеличением давления. Болезнь часто распространяется и прогрессирует как при низкой, так и при высокой температуре. Следовательно, должны действовать более глобальные силы. Несомненно, что резкие изменения любого из метеорологических элементов могут оказать губительное действие на живой организм.

В то время как метеорологические факторы: температура, давление, влажность – претерпевают постепенные колебания и дают даже в двух близко лежащих пунктах различные показания вследствие сложности общей системы движения воздушных масс, но есть небольшая группа явления, которые одновременно охватывают огромные пространства или в течение продолжительного времени сохраняют свое постоянство на больших территориях. Примером первых могут служит пертурбации земного магнитного поля, которые одновременно могут наблюдаться во многих участках Земли. Примером вторых служит состояние поля атмосферного электричества. Г. Бонгардс произвел одновременные наблюдения над количеством радиоактивных эманаций в Линденберге и в Маниле, причем получил для этих весьма удаленных одно от другого мест совершенно одинаковую периодичность, равную 27 – 28 дням. Сравнивая данные, полученные в указанных двух пунктах, со спектрогелиограммами кальциевых облаков Солнца, Бонгардс вывел заключение, что источником эманации, обнаруженных в атмосфере Земли, является солнцедеятельность.

Современный биолог имеет веский мотивы утверждать, что жизнедеятельность растительных и животных организмов стоит в известной зависимости от разных метеорологических явлений, одно из первых мест среди которых современная наука отводит электрическим феноменам, поскольку же электрические, магнитные и электромагнитные явления в земной коре и ее атмосфере стоят в теснейшей зависимости от явлений космических, и главным образом от влияния солнца, то, прежде всего надлежит следовать вопрос о том, в каком соотношении с солнцедеятельностью стоят те или иные эпидемические заболевания.

Основоположником физики Солнца считается Галилей, который, исходя из данных о движении пятен, открыл скорость обращения солнечного тела вокруг своей оси, определив полное время обращения в 26 – 27 дней.

Пятна представляют собой грандиозные образования, которые в известные периоды становятся видными невооруженным глазом. Сроки существования и размеры пятен различны. Более точный период солнцедеятельности был установлен Р.Вольфом. этот период оказался равным в среднем арифметическом одиннадцати годам. Что же представляют собой солнечные пятна? В 1903 г. Хейл доказал, что солнечные пятна обладают огромным магнетизмом. В 1909 г. Хейл получил возможность на основании множественных исследований прийти к выводу, что солнечные пятна «по – видимому, электрические вихри».

Но до поверхности Земли доходят только отголоски солнечных бурь: коротковолновое излучение не проникает внутрь атмосферы, зато влияет на ее внешнюю часть, а поскольку всё взаимосвязано, - изменения в верхней части могут вызывать изменения и в нижней. Космические лучи тоже сильно поглощаются в атмосфере, но меняют её физические характеристики. Все изменения в солнечном ветре остаются за барьером магнитосферы. Она - наш щит, который не подпускает к Земле возмущенные потоки плазмы. Однако этот щит из линий магнитного поля Земли дрожит, принимая на себя удар. И при некоторых условиях поджатие поверхности магнитосферы может привести к развитию магнитной бури - резким изменениям в собственном магнитном поле Земли. То есть сам солнечный ветер до Земли не доходит, но изменения в нём заставляют меняться земное магнитное поле.

Магнитная буря может начаться после того, как Земля встретится с высокоскоростным потоком от Солнца. Такие потоки или выбрасываются Солнцем после вспышек, или “выдуваются”, как мыльные пузыри из особых областей на Солнце - корональных дыр (рекуррентные потоки). Последние могут жить несколько оборотов Солнца вокруг его оси, а значит один и тот же поток способен вызвать несколько магнитных бурь. Чаще всего бури начинаются, если Земля находится в секторе с полем, направленным от Солнца. Высокоскоростные потоки бегут в плазме солнечного ветра быстрее, чем распространяется звук в этой среде. Поэтому впереди любого такого потока бежит ударная волна, подобно ударной волне впереди самолёта, летящего со сверхзвуковой скоростью. Когда ударная волна набегает на магнитосферу, та поджимается. Поджатие магнитосферы регистрируется наземными приборами, измеряющими магнитное поле - магнитометрами, как резкий скачок поля. Этот скачок называют внезапным началом магнитной бури. Затем следует начальная фаза магнитной бури, когда поле остаётся увеличенным от 10 минут до нескольких часов из-за усиления токов, текущих по поверхности магнитосферы. Наконец, само тело высокоскоростного потока достигает Земли и начинается главная фаза магнитной бури. Во время этой фазы магнитосфера то сжимается, то расширяется (магнитное поле Земли то увеличивается, то уменьшается на фоне общего понижения магнитного поля). Кольцевой ток, текущий внутри магнитосферы, создаёт собственное магнитное поле, которое стремится “отжать” границу магнитосферы на прежние позиции. Через несколько часов кольцевой ток всё же уменьшается и начинаетсяфаза восстановления -магнитное поле Земли возвращается к нормальным значениям. Земля миновала ещё один высокоскоростной поток, битва разыграна и магнитосфера успокаивается до следующей встречи с проявлениями бурной деятельности Солнца.

Лучистая энергия Солнца является основным источником большинства физико-химических явлений, имеющих место в атмо -, гидро -, и в поверхностном слое литосферы. Изменение в количестве лучистой энергии Солнца, попадающей на тот или иной участок Земли, вследствие шарообразной формы Земли и наклона ее оси обуславливают собой динамику воздушных и водных масс, различие почв, огромную разницу в явлениях органического мира. Резкие колебания в количестве излучаемой солнцем энергией, связанные с пятнообразовательным процессом, не могут не отразиться на всех указанных явлениях. По – видимому, под влиянием резких колебаний в количестве получаемой Землею лучистой энергии Солнца возникают нарушения в механике атмосферных явлений, сопровождающиеся целым рядом грозных метеорологических пертурбаций.

Но это только одна сторона явления. Периодический пятнооьоразовательный процесс вызывает появление на Солнце других источников энергии, действие которых сказывается в одновременных появлениях различных электрических и магнитных феноменов в земной коре и атмосфере.

Солнце и явления на нем (пятна, протуберанцы) оказывают электромагнитное влияние на целую систему явлений: магнитное поле Земли, ионизация земной атмосферы, полярное сияние и изменение электрического потенциала. Солнечная энергия может передаваться земле или радиацией Солнца, или излучаемыми им корпускулами.

Магнитные бури не начинаются одновременно по всей Земле. Время распространения бури говорит в пользу корпускулярного характера того солнечного агента, который ее вызывает.

Повторяемость магнитных бурь в течение 27-дневного периода, т.е. периода обращения солнца вокруг оси, говорит о том, что солнечный агент, их вызывающий, распространяется в виде ограниченного пучка, следующего за солнечным вращением.

Между солнечными извержениями и вызванными ими магнитными бурями проходило более 24 часов.

В 1931 г. теорию магнитных бурь выдвинули С.Чемпен и Ферраро. Эта теория предполагает, что поток солнечных корпускул в целом нейтрален, хотя и ионизирован. Поток корпускул, вырвавшихся из центра солнечного пятна, образует вокруг Земли своеобразную дугу, в которой распределение положительных и отрицательных корпускул изменяется сообразно с магнитным полем Земли. Эта дуга (или кольцо) существует несколько дней, в течение которой развивается главная фаза магнитной бури. Ионизация нижних слоев атмосферы производится корпускулярной радиацией Солнца, а верхние слои ионизируются ультрафиолетовой радиацией.

Солнечные частицы, достигнув атмосферы, разряжаются в полярных сияниях и бомбардируют земную атмосферу. Последствием этих разрядов является увеличение отрицательного заряда земного тела, который идет в прямом соответствии с количеством отрицательного электричества, излученного центрами возмущения на Солнце.

В зависимости от количества притекающей лучистой энергии стоит ряд важных физиологических явлений – скорость химических и физиологических реакций. С уменьшением количества лучистой энергии наблюдается сокращение всех этих явлений. Деятельность растительного и животного мира понижается, увеличивается общее количество патологических процессов, и общая актуальность психических процессов падает.

Итак, принимая во внимание вместе с биологическими науками тот факт, что земная жизнь и ее продукция есть превращенная энергия солнечного излучения. Из беглого перечня метеорологических и геофизических явлений, стоящих в той или иной зависимости то степени активности периодического процесса на Солнце, видно, что под влиянием этого процесса претерпевает изменения целый ряд физических и химических факторов, имеющих глубочайшее влияние на биосферу Земли целиком, на весь органический мир, начиная то простейших растительных организмов и кончая человеком. По этому нет ничего удивительного в том, что органический мир с присущей ему чрезвычайной чуткостью отзывается на все эти колебания количественными и качественными изменениями своих компонентов. Поэтому нет ничего удивительного в том, что одновременно с установлением связи между периодической деятельностью Солнца и физическими явлениями на Земле было обнаружено, что и органический мир не свободен в некоторых своих проявлениях от влияния колебаний в солнцедеятельности.

Анализируя вышесказанное, можно предположить, что воздействие Солнца на биосферу хоть и опосредовано, но имеет электромагнитную природу, поскольку электромагнитное поле способно проникать в ткани и влиять на течение физико-химических процессов в живом организме. Действительно, все процессы, поддерживающие жизнедеятельность организмов, базируются на электричестве. Например, окислительно-восстановительные процессы на мембранах - ни что иное, как процесс перезарядки; нервный импульс - электрический сигнал и т.д.

Мысль, что биообъекты чувствуют изменения магнитного поля, высказывалась давно в связи с удивительной способностью птиц ориентироваться в пространстве. Оказалось, что действительно есть необычайно чувствительные к магнитному полю живые существа - бактерии, пчелы, голуби, дельфины, саламандры и др. Они обладают такой способностью благодаря тому, что природа наградила их “встроенными” в нервные окончания магнитиками (зёрнами магнетита Fe₃O₄). Это помогает им отлично ориентироваться в пространстве в условиях невозмущенного магнитного поля (магнетит служит им компасом), но сильно сбивает с толку во время магнитных бурь. А птицы, вдобавок, при пролете над магнитными аномалиями явно испытывают затруднения в выборе курса. Известно также, что некоторые виды китообразных выбрасываются на берег преимущественно в местах локальных минимумов магнитного поля.

Есть данные, что биогенный магнетит присутствует и в организме человека. Располагается он в наиболее древних участках мозга (граница спинного и головного мозга) и в надпочечниках. Существует мнение, что в процессе эволюции человек почти полностью потерял способность “прислушиваться” к своему магнетиту, но способность эта не пропала окончательно, и ее можно развивать.

Даже в том случае, если у биообъекта нет собственного магнетита, реакция на изменения внешнего магнитного поля все же должна иметь место. Дело в том, что очень многие физико-химические процессы изменяют свой ход не только под действием света и тепла, но и под действием электромагнитного излучения. Есть основания полагать, что магнитная буря является катализатором - ускоряет ход химических реакций. Но любой организм существует за счет протекания физико-химических реакций и если в них что-то сбивается, он начинает активно реагировать, включая защитные силы, чтобы восстановить утраченное равновесие.

Кроме того, являясь проводящим контуром, человек, безусловно, должен ощущать изменения во внешнем магнитном поле, но вопрос о механизме передачи подобной информации к мозгу и об отклике регуляторных систем организма остается открытым.

В настоящее время, подавляющее большинство исследователей, занимающихся изучением солнечно-биосферных связей, склоняется к мысли об электромагнитной природе воздействия Солнца на биосферу, при котором геомагнитное поле - посредник. Правда, есть еще один вопрос, в котором консенсус пока не найден: почему биоэффективными оказываются именно слабые поля, когда кругом столько искусственно созданных сильных? Даже сильный скачок поля при магнитной буре (~10^-8 Тл) - величина крайне малая по сравнению с постоянным магнитным полем Земли (~5·10^-5 Тл). (Такая же проблема, кстати, возникает и при исследовании влияния Солнца на климат - как могут очень малые воздействия приводить к глобальным изменениям погоды?). Наиболее резонным кажется такой ответ:во-первых, биообъекты - система нелинейная и изменения поля при магнитной буре могут играть роль триггера, спускового механизма, переводящего систему в другой режим функционирования; во-вторых, возможен резонансный механизм, когда наиболее существенна информативная частота воздействия, а его интенсивность не играет принципиальной роли. Эти вопросы будут обсуждаться подробнее ниже.