Исследование действия гелиогеофизических факторов на биосистемы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет Кафедра радиофизики и нанотехнологии

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТАБАКАЛАВРА

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА БИОСИСТЕМЫ

Работу выполнил Ляшенко Алексей Викторович Специальность 210 600 — Нанотехнологии Научный руководитель канд. хим. наук, доцент Текуцкая Е.Е.

Нормоконтролёр канд. хим. наук М. Е. Соколов Краснодар 2014

Реферат космический погода метахромазия гелиофизический ПОЛИФОСФАТЫ КЛЕТКИ, МЕТАХРОМАЗИЯ, ВОДНАЯ КОПОНЕНТА КЛЕТКИ, ПАРАМЕТРЫ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ, КОСМИЧЕСИЕ ЛУЧИ, ГЕОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ, БИОТРОПОНОЕ ДЕЙСТВИЕ, ЧИСЛА ВОЛЬФА Работа посвящена изучению состояния наноструктур (полифосфатов) в живых клетках Saccharomyces cerevisiae в зависимости от гелиофизических факторов.

Целью дипломной работы является изучение отклика биосистемы эукариотических клеток на изменение гелиофизических факторов и выявление основной мишени воздействия ЭМИ НЧ.

В результате выполнения дипломной работы изучена реакция волютиновых гранул на геогелиофизические воздействия. Получены графики, выражающие зависимости типа реакции метахромазии от различных гелиофизических факторов. Наблюдение 3 типа реакции метахромазии зачастую происходит спустя 2−3 суток после максимумов Ар, Кр индексов геомагнитной возмущенности. Получены данные корреляционных зависимостей по Пирсону для различных гелиогеофизических факторов и типа реакции метахромазии. Максимальное значение корреляции получено между данными типа реакции метахромазии и числами Вольфа (0,542).

• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 Понятие «космическая погода»
• 1.2 Параметры космической погоды
• 1.3 Воздействие космических лучей
• 1.4 Геомагнитные эффекты
• 1.5 Солнечные пятна
• 1.6 Солнечные космические лучи
• 1.7 Магнитные бури
• 1.8 Общие сведения об эффекте Чижевского-Вельховера
• 1.9 Биоиндикация факторов космической погоды
• 2 Экспериментальная часть
• 2.1 Методика исследования реакции метахромазии волютиновых зерен
• 2.2 Влияние гелиофизических факторов на культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae
• 2.2.1 Результаты исследования реакции метахромазии клеток Saccharomyces cerevisiae
• 2.2.2 Обработка экспериментальных данных с помощью метода Пирсона
• 2.3 Влияние гелиофизических факторов и электромагнитного излучения низкой частоты на культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae
• Заключение
• Список используемых источников

Все живые организмы находятся под постоянным воздействием природных факторов электромагнитной природы — гелиогеофизических возмущений, влияние которых не ощутимо, пока их сила не превысит определенной пороговой величины. Молекулярные механизмы такого воздействия малоизучены, первичные мишени не определены.

В связи с этим большой интерес представляет выявление молекулярных мишеней действия гелиогеофизических факторов.

В качестве биосистемы клеточного уровня организации возможно использование клеток культуры дрожжей Saccharomyces cerevisiae — удобной модели эукариотической клетки. Известно, что в ответ на изменение уровня магнитной возмущенности внутриклеточные образования дрожжей — полифосфатные (волютиновые) гранулы меняют цвет при окрашивании клеток метиленовым синим от синего до красного (реакция метахромазии — эффект Чижевского — Вельховера). Данный эффект может служить индикатором не только воздействия гелиогеофизических факторов, но и антропогенных электромагнитных излучений.

По мнению многих исследователей, эффект метахромазии связан, прежде всего, с внутримолекулярным изменением волютиновых гранул, происходящем на наноразмерном уровне, связанным как с изменением состояния гидратной оболочки полифосфатов, так и с удлинением самой цепи полифосфатных звеньев.

Актуальность данной дипломной работы связана с тем, что солнечная активность играет важную роль в жизни человека, хотя молекулярные механизмы воздействия гелиофизических факторов на живые системы мало изучены и первичные мишени окончательно не определены.

Целью дипломной работы является изучение биотропного воздействия гелиофизических факторов на эукариотические клетки Saccharomyces cerevisiae и выявление основной мишени влияния ЭМИ НЧ.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи.

1) Изучение реакции метахромазии волютиновых гранул (полифосфатов) Saccharomyces cerevisiae в течение продолжительного периода времени (60 дней — 1 этап эксперимента и 14 дней — 2 этап эксперимента).

2) Визуализация эффектов явления метахромазии с помощью метода оптической микроскопии.

3) Получение корреляционных зависимостей биологического отклика тестовых клеток от изменений различных параметров космической погоды (индексов геомагнитной возмущенности Ар, Кр; вектора межпланетного магнитного поля lВl; значения плотности и скорости частиц солнечного ветра; потоков протонов с энергией свыше 10 МэВ)

4) Изучение состояния полифосфатов Saccharomyces cerevisiae при различных уровнях геомагнитного возмущения и выявление первичной мишени воздействия на клетки.

5) Изучение влияния электромагнитного излучения низкой частоты (8 Гц), превосходящий уровень естественного фона в 10 — 15 раз, на биологический отклик тестовых клеток Saccharomyces cerevisiae.

1. Литературный обзор

1.1 Понятие «космическая погода»

Космическая погода — это термин, охватывающий наиболее практически важные аспекты науки о солнечно-земных связях. Раздел научных знаний, называемый «солнечно-земные связи», посвящён изучению совокупности всех возможных взаимодействий геои гелиофизических явлений. В строго научном смысле к космической погоде относится динамическая часть солнечно-земных связей. На практике к тематике космической погоды относятся: прогнозы геомагнитной и солнечной активности, исследования воздействия солнечных факторов на техсистемы, на биосистемы и людей. Одним из первых употребил термин «космическая погода» А. Л. Чижевский в одной из своих публикаций начала XX века.

1.2 Параметры космической погоды

Одним из важных параметров космической погоды является ионизирующее излучение. Ионизирующим излучением или радиацией называют потоки элементарных частиц, электромагнитных квантов и ядер в широком диапазоне энергий, которые взаимодействуют с веществом и вызывают ионизацию его атомов и молекул, а также разрушение атомной и молекулярной структуры вещества. К основным практически важным источникам космической радиации стоит отнести галактические космические лучи (энергетический спектр до 1019 эВ/нуклон), солнечные космические лучи (с энергиями до 1000 МэВ), ионы (до 400 МэВ) и электроны (до 10 МэВ), а также солнечные кванты гамма и рентгеновского излучений. Самыми радиационно-опасными частицами являются частицы с энергиями более 30−50 МэВ. Для большинства типов космической радиации основной механизм передачи энергии веществу — это ионизационные потери, то есть вырывание электрона с внешней оболочки атома за счёт передачи ему части энергии налетающей частицы. Для частиц с энергией свыше нескольких сотен МэВ/нуклон, возможны ядерные реакции, порождающие значительное вторичное излучение (нейтроны, гамма-кванты, мезоны и фрагменты ядер), которое также следует учитывать при анализе радиационной обстановки.

Изменение состояния ионосферы при активных процессах на Солнце происходит за счет возрастания потока ионизирующего излучения от Солнца, как электромагнитного — в основном ультрафиолетового, гамма и рентгеновского излучения, так и корпускулярного — солнечные космические лучи, а также за счет возрастания геомагнитной активности.

1.3 Воздействие космических лучей

Космические лучи — поток частиц высокой энергии, приходящих на Землю из мирового пространства, и вызываемое ими в атмосфере Земли вторичное излучение вследствие взаимодействия с атомными ядрами.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию, превышающую 109 эВ (1 ГэВ). До появления мощных ускорителей заряженных частиц космические лучи являлись единственным источником частиц высоких энергий. Космические лучи явились источником многих неизвестных ранее элементарных частиц, а так же благодаря им были получены первые данные о распадах этих частиц и взаимодействии их с атомными ядрами. Не смотря на то, что современные ускорители позволяют проводить изучение процессов взаимодействия частиц до энергий 1011—1012 эВ, космические лучи до сих пор являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Преимущественно первичные космические лучи приходят к Земле из Галактики, тем не менее, в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных космических лучей в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>1017эВ) имеют, предположительно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики).

Общий поток энергии, приносимой космическими лучами на Землю чрезвычайно мал в сравнении с потоком солнечной энергии, излучаемым на Землю, и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Тем не менее, не исключено, что в далёком прошлом космические лучи сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии космических лучей велика (~ 1 эВ/см3) — порядка плотностей всех других видов энергии: магнитных полей, движения межзвёздного газа, энергии тяготения (гравитации), кинетической энергии, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому космические лучи могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

1.4 Геомагнитные эффекты

С большой степенью точности (~0,1%) поток первичных космических лучей изотропен, то есть не зависит от направления. После попадания в магнитное поле Земли, происходит отклонение заряженных частиц космического излучения от их первоначального направления (вызываемое силой Лоренца). Вследствие этого возникает зависимость энергетического спектра и интенсивность космических лучей в околоземном пространстве, как от геомагнитных координат места наблюдения, так и от направления прихода космических лучей. Отклоняющее действие геомагнитного поля увеличивается с ростом угла J между направлением движения частицы и направлением силовой линии поля. Отклонение частиц обладающих одинаковой энергией является максимальным в экваториальных областях и соответственно вблизи магнитных полюсов оно минимально. Этот «геомагнитный барьер» у экватора не пропускает к Земле летящие перпендикулярно её поверхности протоны с энергией меньше ~15 ГэВ и ядра с энергией ~7,5 ГэВ на нуклон. Наряду с широтной зависимостью на интенсивности космических лучей заметно сказываются аномалии геомагнитного поля. В связи с этим характер распределения интенсивности космических лучей по земному шару имеет довольно сложный вид (рис. 1).

Рисунок 1 — Распределение интенсивности космических лучей по земному шару С ростом энергии космических лучей их интенсивность изначально медленно, а затем всё более резко уменьшается (рис. 2, а). При величине энергии 1010 — 1015 эВ поток частиц обладающей энергией выше некоторого заданного значения E падает по закону ~ E-1,7 (рис. 2, б). В области энергий превышающих 1015 эВ единственным источником сведений об энергетическом спектре космических лучей (рис. 2, в) служат данные по широким атмосферным ливням: данный спектр уже невозможно представить единым степенным законом, что может быть объяснено примесью космических лучей пришедших из Метагалактики.

Свыше 90% частиц первичных космических лучей всего диапозона энергий составляют протоны, порядка 7% представляют б-частицы и только малая доля (~ 1%) приходится на ядра элементов более тяжёлых, чем H и Ge. И хоть элементов с тяжелыми ядрами около 1% они несут порядка 50% всей энергии космических лучей. Содержание ядер лёгких элементов Li, Be, В чья естественная распространённость чрезвычайно мала в космических лучах, напротив, является очень высокой. От сюда можно сделать вывод, что в источниках космических лучей преобладает ускорение тяжёлых ядер, а появление лёгких ядер связано с расщеплением тяжёлых ядер при их взаимодействии с межзвёздным веществом.

Рисунок 2 — Энергетический спектр первичных космических лучей (в логарифмическом масштабе): а — дифференциальный спектр (зависимость интенсивности I от энергии E) в области умеренной энергии для протонов (р) и б-частиц; б — интегральный спектр в области высоких энергий; в — в области сверхвысоких энергий В составе первичных космических лучей наблюдаются также позитроны и электроны (~1%) и g-кванты — фотоны высоких энергий (~0,01% при энергиях превышающих 100 МэВ). И хоть доля g-квантов в космических лучах очень незначительна, они представляют особый интерес, в связи с тем, что они позволяют обнаруживать отдельные квазиточечные источники космических лучей, не отклоняясь магнитными полями межзвёздного пространства. Во внутренней магнитосфере Земли, на высотах свыше 1000 км от земной поверхности, кроме потока космических лучей, имеются значительно более интенсивные потоки протонов и электронов, образующие радиационный пояс Земли, являясь захваченными геомагнитным полем. Возникновение внутренней области радиационного пояса можно объяснить главным образом обратным потоком нейтронов, которые выбиваются космическими лучами из ядер атомов, из которых состоит атмосфера Земли: нейтроны распадаются на электроны и протоны, которые удерживаются в естественной магнитной ловушке магнитосферы Земли [1, 11].

1.5 Солнечные пятна

Не менее значимым гелиофизическим фактором являются солнечные пятна и связанные с ними числа Вольфа.

Солнечные пятна — тёмные области на Солнце, имеющие температуру примерно на 1500 К меньшую по сравнению с окружающими участками фотосферы (рис. 3). Наблюдение за ними в основном производится с помощью оптических приборов. Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных магнитных полей. Потемнение фотосферы в пятнах связано с подавлением магнитным полем конвективных движений вещества и, в соответствии с этим, происходит снижение потока переноса тепловой энергии в областях солнечных пятен.

Возникновение пятен связано с возмущением отдельных участков магнитного поля Солнца. В начальной стадии образования солнечных пятен трубки магнитного поля «прорываются» сквозь фотосферу в область короны (рис. 4.), и сильное поле подавляет конвективное движение плазмы в гранулах, препятствуя переносу энергии из внутренних областей наружу.

Рисунок 3 — Группа пятен на Солнце, сфотографированная в видимом свете Первоначально в этом месте образуется факел, затем — маленькая точка (пора), размером несколько тысяч километров. В течение нескольких часов происходит увеличение магнитной индукции (первоначальное значение около 0,1 тесла), происходит увеличение размера и количества пор. Затем происходит слияние пор, с последующим образованием одного или нескольких пятен. Во время максимальной активности пятен магнитная индукция может достигать 0,4 тесла.

Образование пятен обычно происходит, но редко случается возникновение одиночных пятен, живущих всего несколько дней, или биполярной группы: пара пятен обладающих разной магнитной полярностью, соединённые линиями магнитного поля. Жизнь лишь половины пятен превышает двое суток, и лишь десятая часть живет более 11 дней.

Рисунок 4 — Возникновение солнечного пятна Средняя температура поверхности Солнца составляет около 6000 К (эффективная температура — 5770 К, температура излучения — 6050 К). Самая темная область пятен, являющаяся центральной, имеет температуру лишь 4000 К, температура наружных областей пятен, граничащих с нормальной поверхностью составляет от 5000 до 5500 К. Несмотря на более низкую температуру пятен, их вещество все равно излучает свет, пускай и в меньшей степени, чем остальная солнечная поверхность. В связи с этой разницей температур и возникает ощущение, что пятна темные, но на самом деле они тоже светятся, однако на фоне более яркого солнечного диска их свечение теряется.

Тенью называется центр солнечного пятна. Зачастую её диаметр равен около 0,4 диаметра пятна. Напряжённость магнитного поля и температура внутри тени довольно однородны. Тень окружена полутенью, состоящей из светлых и тёмных радиальных волокон.

Пятна являются областями максимальной активности на Солнце. В том случае, когда количество пятен велико существует большая вероятность пересоединения магнитных линий, линий проходящих внутри одной группы пятен, происходит их рекомбинация с линиями из другой группы пятен, обладающими противоположной полярностью. В результате этого происходит солнечная вспышка. Пятна классифицируются по следующим параметрам: срок жизни, размер и расположение.

В результате локального усиления магнитного поля происходит торможение движение плазмы в конвекционных ячейках, и соответственно происходит замедление выноса тепла на поверхность Солнца. Последующее охлаждение затронутых данным процессом гранул (составляющее около 1000 °C) ведет к их потемнению и образованию единичного пятна. Часть таких пятен может развиться в биполярные группы из пары пятен, имеющих магнитные линии с противоположной полярностью. Из этих групп затем может произойти формирование группы из множества пятен, которые при условии продолжения увеличения области полутени могут объединять до сотен пятен и достигать размеров в несколько сотен тысяч километров. Затем можно наблюдать постепенное (длящееся несколько недель или месяцев) понижение активности пятен, согласующееся также и с уменьшением их размера.

1.6 Солнечные космические лучи

Максимальные возрастания интенсивности космических лучей проявляемых в виде нерегулярных кратковременных всплесков связываются с хромосферными вспышками на Солнце. В результате таких вспышек заряженные частицы солнечной плазмы ускоряются электромагнитными полями, то есть происходит генерация солнечных космических лучей.

Во время больших хромосферных вспышек потоки солнечных космических лучей в сотни раз превосходят потоки галактических космических лучей.

Средний вклад в общую интенсивность космического излучения для солнечных космических лучей составляет около нескольких процентов.

Химический состав солнечных космических лучей практически совпадает с составом солнечной атмосферы. Также в солнечных космических лучах отсутствуют ядра Li, Be, В, присутствующие у галактических космических лучей.

По характеру увеличения потока солнечных космических лучей на Землю можно понять, что поток существенно анизотропен в начальный период после вспышки, и к тому же его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Эти дынные являются прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного поля в виде спиралей Архимеда (рис. 5).

Рисунок 5 — Схема, демонстрирующая характер солнечного ветра и структуру регулярного межпланетного магнитного поля (спираль) в области модуляции галактических космических лучей; штриховая окружность — орбита Земли В сравнении с галактическими лучами частицы солнечных космических лучей обладают меньшими энергиями (их энергетический спектр является более мягким). Энергии протонов зачастую ограничиваются долями ГэВ, и только при очень редких мощных хромосферных вспышках происходит генерация протонов с энергиями до 100 ГэВ; нижней границей энергии регистрируемых электронов солнечных космических лучей является величина в десятки кэВ (схожа с энергией частиц солнечного ветра). Солнечные космические лучи малых энергий, вызывая дополнительную ионизацию ионосферы нижних слоев, оказывают большое воздействие на состояние ионосферы Земли в высоких широтах. Совокупность данных об энергетическом спектре, угловой анизотропии солнечных космических лучей и их распространении дают возможность получить информацию о структуре магнитного поля межпланетного пространства. Изучение временных и пространственных изменений потоков солнечных космических лучей дает возможность лучше понимать различные геофизические явления такие, как полярные сияния, геомагнитные бури и т. д.

1.7 Магнитные бури

К геомагнитным эффектам космической погоды относят магнитные бури и суббури.

Магнитными бурями являются сильные возмущения магнитного поля Земли, вызывающие резкое нарушение плавного суточного хода элементов земного магнетизма. Продолжительность магнитных бурь может быть от нескольких часов до нескольких суток, при этом наблюдаясь на всей Земле одновременно. Максимальной интенсивностью (до 5*10−2 эВ) они обладают в высоких широтах. Как правило, магнитные бури состоят из нескольких фаз: предварительной, начальной и главной, а также фазы восстановления. В предварительной фазе наблюдается незначительное изменение геомагнитного поля, а также возникает возбуждение характерных короткопериодических колебаний поля. В начальной фазе происходит внезапное изменение отдельных составляющих поля, а главная фаза характеризуется — большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей. В фазе восстановления происходит возвращение магнитного поля к своему обычному состоянию. В возмущённом геомагнитном поле обычно следует выделять различные виды вариаций: апериодическую, полярные магнитные суббури, специфические короткопериодические колебания и другие.

Появление магнитных бурь связано с потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца, которые накладываются на спокойный солнечный ветер. Магнитные бури чаще всего можно наблюдать вблизи максимумов 11-летнего цикла солнечной активности. Потоки солнечной плазмы по достижению Земли, увеличивают сжатие магнитосферы, вызывая начальную фазу магнитной бури, и также частично проникают во внутреннюю часть магнитосферы Земли. Генерация и усиление электрических токов в верхней атмосфере Земли, наибольшая интенсивность которых наблюдается в полярных областях ионосферы, что связанно с наличием высокоширотной зоны, происходит вследствие попадания частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу Земли и их воздействия на магнитосферу. Изменения магнитосферно-ионосферных токовых систем проявляются на поверхности Земли в виде иррегулярных магнитных возмущений.

Протоны, обладающие энергиями от 1,6*10−16 до 1,6*10−14 Дж, попадая во время магнитной бури в радиационный пояс Земли, создают экваториальное токовое кольцо на расстоянии 3 — 6 радиусов Земли от её центра, магнитное поле которого вызывает ослабление геомагнитного поля в главной фазе магнитной бури.

Магнитные бури — одно из основных проявлений более общего геофизического процесса — магнитосферной бури, которая сопровождается полярными сияниями, возникающими в верхней атмосфере Земли, возмущений ионосферы, рентгеновского и низкочастотного излучений. Во время магнитной бури происходит существенное изменение параметров слоев ионосферы, отражающих и поглощающих радиоволны (их высота расположения, концентрация электронов и другие). Также во время магнитных бурь происходит разогрев верхней атмосферы и передача теплоты вниз, в тропосферу, что приводит к развитию в ней циркуляционных движений и возникновению циклонов.

Геомагнитные бури оказывают влияние на многие области деятельности человека, связанные как с воздействием на технические устройства и появление радиопомех, так и с самочувствием и поведением людей.

Они опасны в первую очередь для тех, кто страдает артериальной гипертонией и гипотонией, болезнями сердца. Примерно 70% инфарктов, гипертонических кризов и инсультов происходит именно во время солнечных бурь.

Магнитные бури нередко сопровождаются головными болями, мигренями, учащенным сердцебиением, бессонницей, плохим самочувствием, пониженным жизненным тонусом, перепадами давления. Ученые связывают это с тем, что при колебаниях магнитного поля замедляется капиллярный кровоток и наступает кислородное голодание тканей [23 — 24].

В результате крупномасштабного биофизического проекта «Гелиомед» методами статистического, корреляционного и спектрального анализа были получены следующие результаты влияния геофизических факторов на человека и в целом на популяцию:

1) Анализ числа вызовов скорой помощи по поводы сердечнососудистых заболеваний показал, что вблизи 11-летнего максимума солнечной активности (1992 год) число вызовов скорой помощи к больным с сердечнососудистыми заболеваниями в 1.5 и 1,8 раза превышает число вызовов в год вблизи минимума солнечной активности (1998 год). При этом наибольшее число вызовов наблюдается в осенний и весенний периоды, то есть в те периоды, когда наблюдается наибольшая геофизическая возмущённости и смена метеосезонов. Несмотря на то, что свой вклад в приведенную статистику вносят как социальные, так и метеорологические параметры, эти факты косвенно свидетельствуют о связи космической погоды с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

2) Риск развития ИМ у женщин в несколько раз превышает таковой у мужчин в возрасте 50 и выше лет. Мужчины же более лабильны и подвержены риску развития ИБС и осложнений в возрасте до 50 лет. После 50 лет у мужчин происходит снижение чувствительности к геофизическим возмущениям, скорее всего обусловленной стабилизацией адаптивных процессов организма за счет формирования устойчивости к внешним факторам. В тоже время, женщины более чувствительны к геофизическим возмущениям после 50 и старше лет, в период менопаузы, который сопровождается дефицитом эстрогенов за счет естественного угасания функции яичников.

3) Результаты статистического анализа динамики обращений пациентов за медицинской помощью по поводу ГБ, ГК и Д-Учета в год вблизи 11 — летнего максимума солнечной возмущенности показывает отчетливую реакцию больных на геомагнитное возмущение. Обнаружено, что в распределении обращений пациентов по поводу сердечно-сосудистых заболеваний присутствуют 2 максимума, один из которых опережает геомагнитное возмущение на 2−4 суток, а 2-ой отстает на 2−4 суток. В год вблизи минимума солнечной возмущенности реакция больных на магнитные возмущения выражена подобным образом, но менее отчетливо. Анализ данных электромагнитного излучения Солнца позволил понять, что первый максимум связан с электромагнитным излучением Солнца. Наличие двойного отклика в обострении сердечно сосудистых заболеваний человека в ответ на единичное возмущение на солнце позволяет объяснить низкие значения коэффициента корреляции, получаемые при проведении корреляции между одним из показателей космической погоды и обострениями сердечно сосудистых заболеваний.

4) Обнаружено совпадение фазовых и спектральных характеристик параметров космической погоды и метеопараметров с фазовыми спектральными характеристиками в медицинских параметрах, синхронизированных параметром космической погоды (индекс геомагнитной возмущенности), что привело к необходимости определения фактора, оказывающего основное влияние на сердечно-сосудистые заболевания. Сравнение прямых измерений состояния сердечно-сосудистой системы добровольцев на широко разнесенных пунктах наблюдения в России и на Украине осуществлялось в рамках программы «Гелиомед», и показало их совпадение. Это позволило показать, что основным фактором, влияющим на состояние сердечно-сосудистой системы, синхронизированной параметром космической погоды (индекс геомагнитной возмущенности) являются параметры космической погоды.

5) Таким образом, в результате длительных мониторинговых гелиомедицинских экспериментов выявлено, что именно космофизические факторы являются синхронизатором общих ритмов популяции.

Также проводились исследования изучающие влияние космической погоды на психику людей, их поведение. Авторы Григорьев П. Е., Владимирский Б. М. изучили влияние космических факторов на всплески террористической активности.

Исходя из изученных психологических портретов террористов, был сделан вывод, о том, что среди исполнителей террористических актов значительную долю составляют психопатологические личности. В связи с этим уместно вспомнить о существовании природных факторов, влияющих на динамику психических заболеваний (включая суицидальное поведение), уголовную преступность и общую социальную стабильность.

Впервые исследования этого вопроса были предприняты А. Л. Чижевским в его знаменитой брошюре «Физические факторы исторического процесса». Было показано, что так называемые революции приходятся на эпохи максимумов солнечной активности, следующих циклически, с периодом около 11 лет. Статистические результаты этой работы во второй половине ХХ века неоднократно проверялись независимыми авторами. Однако, по сей день сама идея о влиянии экологических факторов, связанных с космической погодой, на социальные процессы представляется странной или вовсе неприемлемой. Между тем, эта идея в настоящее время серьезно эмпирически обоснована: глобальные экологические факторы, несомненно, влияют на творческую продуктивность, степень социальной конфликтности, динамику психиатрической заболеваемости и некоторые другие показатели. Впервые террористическую активность непосредственно сопоставил с космофизическими индексами А. Л. Чижевский. Он обнаружил, что частота следования «актов» эсеровских боевиков в 1902;1911 гг. линейно коррелирует с числами Вольфа (+0,74±0,15). Аналогичные результаты получились у него для частоты следования преступлений против личности и крестьянских бунтов. В последующие годы к этому вопросу никто из отечественных исследователей, конечно, не обращался. Лишь совсем недавно была предпринята попытка определить типичную гелиогеофизическую ситуацию перед изолированным террористическим актом, использовав перечень наиболее нашумевших покушений на политических деятелей ХХ века.

Для изучения воздействия космической погоды авторами были использованы следующие показатели космической погоды: Ар-индекс геомагнитной активности, полярность (знак) радиальной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП); числа Вольфа W — индекс солнечной активности. Все данные брались с сайтов NOAA и ИЗМИРАН.

Из результатов полученных данными авторами видно, что максимальный вклад при изучении динамики за длительный срок (от 1,5 до 10 лет) имеют числа Вольфа и Ар индекс, влияние ММП на террористическую активность не однозначно. Установлено, что количество терактов значимо возрастает на 2−3 сутки после геомагнитного «штиля», а также в день геомагнитного возмущения. Типичной гелиогеофизической ситуацией накануне совершения теракта является наличие градиента (возможно разного знака) в изменении индексов; наиболее вероятно совершение теракта при минимуме солнечной активности на максимуме геомагнитной активности.

В дни, предшествующие «операции» (либо в сам день ее проведения), как правило, имеет место возрастание геомагнитной возмущенности. В диапазоне лет террористическая активность возрастает в годы минимума солнечной активности и максимума геомагнитной активности.

В монографии собраны аргументы в пользу гипотезы о том, что на биологические и социальные процессы в среде обитания действуют электромагнитные поля (радиоволны), генерируемые, в основном, в магнитосфере и контролируемые ионосферой, преимущественно в диапазоне очень низких частот, а также акустические колебания в том же диапазоне (инфразвук). Для настоящего исследования показательно, что интенсивность атмосферного инфразвука возрастает при повышенной геомагнитной активности и пониженной солнечной активности в диапазонах как нескольких суток, так и лет. Есть основания полагать, что повышение интенсивности атмосферного инфразвука наряду со специфическими изменениями спектра электромагнитного фона, могут являться факторами, воздействующими на психику.

1.8 Общие сведения об эффекте Чижевского-Вельховера

На сегодняшний день собран большой фактический материал о влиянии космофизических факторов космической погоды, на биологические процессы. Статистическая обработка огромного массива информации подчеркивает высокую степень достоверности этих явлений, однако вопросы природы и механизма действия этих факторов остаются малоизученными. Микроорганизмы являются прекрасным объектом исследования этих влияний, поскольку обладают высокой чувствительностью к изменениям окружающей среды, участвуют практически во всех процессах, проходящих в биосфере, и могут рассматриваться как относительно простая модель выяснения механизмов космофизических факторов на биологические системы.

Одним из процессов, демонстрирующим связь между биологическими и космофизическими ритмами является реакция метахромазии (МТХ) волютиновых гранул микроорганизмов. Метахромазия обозначает свойство клеток и тканей окрашиваться в тон, отличающийся от цвета красителя. Волютиновые гранулы или зерна известные в микробиологии так же под названием тельца Эрнеста-Бобеша, являются внутриклеточными включениями полифосфатов (фосфорное депо), которые присутствуют в клетках бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов, водорослей и простейших. В бионанотехнологических процессах полифосфаты занимают особое место.

Впервые волютиновые гранулы (полифосфаты) были описаны у бактерий Spirillum volutants, что и определило введение термина «волютин». Особенностью волютиновых гранул является их полифосфатный состав (линейный полимер остатков фосфорной кислоты, соединенных между собой высокоэнергичными фосфоангидридными связями) и способность к реакции метахромазии при окраске основными красителями. Именно поэтому их иногда называют метахроматическими тельцами или зернами.

В бактериальных клетках волютиновые гранулы расположены в цитоплазме, около ДНК, у цианобактерий — как в цитоплазме, так и в вакуолях. Наиболее известное расположение волютиновых гранул на полюсах клеток коринебактерий семейства Corynebacterium. Coryne — в переводе с греч. «булава», представителями которой являются возбудители дифтерии. Исследуя рост и окрашивание клеток коринебактерий в 30-ых годах 20 — го столетия, доктор Казанской инфекционной больницы С. Т. Вельховер установил связь между поведением микроорганизмов и космофизическими факторами, сравнив результаты многолетних наблюдений за возбудителями дифтерии с известными работами А. Л. Чижевского. В истории науки этот феномен известен как био-астрономический эффект Чижевского-Вельховера.

Эффект Чижевского-Вельховера значится как «наблюдаемая зависимость изменения цвета включений коринебактерий (например, палочки дифтерии) от циклической активности Солнца. Клеточные включения коринебактерий — волютиновые зерна — в период „спокойного“ Солнца окрашиваются в синий цвет, а за несколько дней до появления солнечных вспышек и пятен становятся ярко-красными. Этот феномен, нуждающийся в подтверждении и дальнейшем изучении, может сигнализировать о наступлении мощных ядерных процессов, происходящих внутри солнца и невидимых порой в астрофизические приборы. Эффект Чижевского-Вельховера может стать средством предвидения солнечных эмиссий, опасных для человека в космическом полете».

В Меморандуме «о научных работах профессора А. Л. Чижевского», принятом на Первом Межднародном Конгрессе по биологической физике и биологической космологии в сентябре 1939 года в Нью-Йорке, сказано: «Работы А. Л. Чижевского показали, что бактерии являются чувствительными приемниками корпускулярных и электромагнитных излучении космотеллурического пространства. Наконец, проф. Чижевским совместно с доктором Вельховером в 1937 году было открыто, что реакция метахромазии коринебактерий согласована с появлением солярных электрических процессов. Это, так называемый, „био-астрономический феномен Чижевского-Вельховера“. Можно себе представить какое значение может иметь открытие этих связей для микробиологий эпидемиологии, давая им в руки новое оружие тактики и стратегии по борьбе с болезнями, равно и для астрофизики, где с помощью изучения тонкой изменчивости бактерии можно предвидеть заранее астрономические явления».

О важности проведения исследований, связанных с реакцией метахромазии волютиновых гранул, можно судить из упомянутой в письмах Дж. Пиккарди программы года спокойного Солнца, предложенной А. Л. Чижевским. «Одним из наиболее блестящих дел профессора А. Л. Чижевского был проект исследования в мировом масштабе для Международного года спокойного Солнца: … Считаю его документом величайшего значения. Он ясен, серезен и прост для выполнения при ограниченных средствах». Первым пунктом этого документа значится исследование реакции метахромазии: «Во всех университетских городах мира следует установить наблюдения за эффектом Чижевского-Вельховера (1926 — 1938 г.) А. Л. Чижевский считал что явление влияния космофизических факторов на реакцию метахромазии микроорганизмов имеет планетарный характер.

1.9 Биоиндикация факторов космической погоды

Метахромазия давно используется в биологических и медицинских исследованиях для изучения структуры и функциональной активности клеток и тканей, а также для выявления патологических процессов. Загадочными являются периодические и квазипериодические вариации метахромазии во времени. Причиной подобных вариаций разные авторы называли природные факторы, которые контролируются космической погодой. В последние десятилетия такая точка зрения находит экспериментальное подтверждение, в частности обнаружена корреляция индексов метахромазии с потоком космических лучей. Обсуждается чувствительность этой системы к электромагнитным воздействиям. Однако указанный феномен все еще далек от понимания его природы.

В настоящее время накоплен огромный массив экспериментальных данных, статистический анализ которых позволяет утверждать о значительном влиянии факторов космофизической природы на все звенья биологической цепи: от бактерий до человека. В связи с этим остро встаёт вопрос о механизмах рецепции этих сигналов клеткой и разработки систем их быстрой и объективной биоиндикации. Изменение окраски волютиновых гранул (внутриклеточных включений), при взаимодействии с метиленовым синим, предшествующая, по мнению А. Л. Чижевского, солнечным эмиссиям может быть перспективным биоиндикатором действия факторов космической погоды. Среди многочисленных проявлений биологического действия космических излучений именно эта реакция была положена в основу био-астрономического феномена Чижевского-Вельховера.

C 2001 г. научным центром ИЗМИРАН проводятся исследования реакции метахромазии волютиновых гранул дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae УКМ-517, результаты которых подтверждают связь между поведением микроорганизмов и космической погодой. Обработка временного ряда реакции метахромазии (в течение 10 лет ежедневных наблюдений) методами спектрального Фурье-анализа и косинор-анализа позволила выявить выраженные периоды в ритмике реакции метахромазии, которые практически полностью совпадают с известными космофизическими периодами. Этот факт хотя и не может свидетельствовать о причинно-следственной связи между этими событиями, однако чётко демонстрирует особый тип солнечно-биосферных взаимодействий: синхронизацию биологических ритмов с космофизическими вариациями. Еще одним доказательством связи метахромазии с космической погодой, помимо подобия их ритмической структуры, может являться статистическая связь метахромазии с уровнем космофизических показателей за тот же отрезок времени. Проведенный однофакторный дисперсионный анализ показал практически прямую связь показателя метахромазии с космическими лучами. Связь показателя метахромазии обнаруживается и с космофизическими параметрами гелиогеофизической природы: обратная связь с солнечной активность, близкая к обратной связь с геомагнитной активностью, а также нелинейная связь со скоростью солнечного.

Близкие к обратным связи показателя метахромазии с плотностью солнечного ветра и с полярностью межпланетного магнитного поля выражены значительно слабее. Следует отметить, что степень статистической зависимости метахромазии от вышеперечисленных космофизических показателей существенно ниже, чем от космических лучей, что позволяет предположить, что основной агент, влияющий на метахромазию, связан непосредственно с космическими лучами (возможно, это частицы высокой энергии).

При этом менее тесная связь метахромазии с прочими (гелиогеофизическими) параметрами может быть обусловлена тем, что они, как известно, в определенной степени модулируют интенсивность космических лучей в межпланетном пространстве. Тогда логичным выглядит следующая трактовка результатов: связь с каждым из гелиогеофизических параметров существует, но эта связь существенно слабее, чем с интенсивностью космических лучей (в основном, галактического происхождения). Тот факт, что галактические космические лучи являются важным космофизическим агентом по отношению к метахромазии, подтверждается более длительными периодами метахромазии в годы минимальной солнечной активности. Также отмечена обратная корреляция между показателями реакции метахромазии и показателями солнечного ветра. Поскольку волютиновые гранулы представлены неорганическими полифосфатами, которые называют «ископаемыми молекулами», присутствующими как в неживой природе, так и в клетках всех живых организмов, вполне вероятно рассматривать эти структуры, как чувствительные биофизические приборы, реагирующие на изменения космической погоды.

2 Экспериментальная часть

2.1 Методика исследования реакции метахромазии волютиновых зерен

Объектом исследования были микроорганизмы из Украинской коллекции микроорганизмов — дрожжи Saccharomyces cerevisiae УКМ Y-517.

Для культивирования дрожжей использовались следующие материалы: сусло-агар, стерильные стеклянные пробирки с ватно марлевыми пробками, бактериологическая петля, обезжиренные покровные и предметные стекла.

Для окраски мазков:

1) Метиленовый синий (по Лёффлеру) — насыщенный спиртовый раствор метиленового синего — 30 мл, вода дистиллированная 100мл, 1% - ный водный раствор KOH — 1мл.

2) H2SO4 — 0.1% раствор.

3) Вода дистиллированная.

4) Предметные и покровные стекла.

Оборудование:

Термостат 280С, сушильный шкаф с температурой для стерилизации посуды сухим жаром (30 мин при 1800С); спиртовка или газовая горелка, микроскоп БИОМЕД с разрешением 1:1000, низкочастотный генератор сигналов Г3−118, цифровая камера TOUPCAM UCMOS051100KPA подключенная к системному блоку.

Для осуществления культивирования дрожжей провели растопку сусло-агара на водяной бане, затем остудили его до 370С и провели разлив в стерильные пробирки с ватно-марлевыми пробками до 1/5 пробирки (т.е. 3−5 мл). Уложили пробирки под углом 20−300 для скашивания в них сусло-агара. Бактериальную петлю прожгли под пламенем и, остудив, нанесли дрожжи на поверхность агара. Пробирку поместили для хранения в термостат при температуре 25−280С на сутки. Через 24 часа пересеивали дрожжи на свежую среду, и делали мазок клеток для окраски на метахромазию и визуализации эффекта с помощью микроскопа.

Изучение реакции метахромазии:

1) Нанесли дрожжи на предметное стекло в каплю дистиллированной воды, высушили мазок на воздухе и зафиксировали его жаром, проведя 3 раза над огнем.

2) Нанесли на мазок каплю метиленового синего и окрашивали его 3 минуты.

3) Отмыли мазок дистиллированной водой.

4) Нанесли каплю 0.1% серной кислоты, покрыли мазок покрывным стеклом и микроскопировали с водной иммерсией.

В июньской части эксперимента методология осталась такой же, но часть образцов однократно облучалась после пересева электромагнитным полем низкой частоты (8 Гц) и интенсивностью 1,8 млТл. Некоторые образцы облучались многократно.

Для облучения клеток Saccharomyces cerevisiae была использована следующая установка, блок-схема которой представлена на рис. 6.

Она состоит из генератора ГЗ-118, катушки индуктивности, имеющей 1200 витков и экранированной камеры. Вектор магнитной индукции ЭМП, создаваемого катушкой, составляет 1,8 млТл, удельное сопротивление катушки 320 Ом, и напряжение на катушке равно 14 В. Катушка индуктивности находится в экранированной камере, и была подключена к генератору ГЗ-118, на котором и выставлялась необходимая частота подачи сигнала, которая в результате и вызывала ЭМП.

Рисунок 6 — Блок-схема установки для воздействия ЭМП НЧ на клетки Saccharomyces cerevisiae. 1-генератор ГЗ-118, 2-экранированная камера, 3-катушка индуктивности, 4-исследуемый образец находящийся в пробирке, 5 подставка для образца Нужная частота выставлялась на панели генератора низкочастотных сигналов ГЗ-118, который передавал сигнал, с необходимыми характеристиками, на катушку.

Экранированная камера была необходима для локализации магнитного поля, создаваемого катушкой внутри камеры, и ослабления его характеристик за пределами камеры.

Пробирка с клетками Saccharomyces cerevisiae помещалась в экранированную камеру, в которой располагалась катушка индуктивности, и подвергались воздействию ЭМП НЧ с частотой в 8 Гц в течение 10 минут. Температура, при которой производили облучение, составляла 25 — 26 0С. После чего образец помещался в термостат.

Типы реакции имеют три основных варианта, показанные на рис. 7 — 9:

1) 1 тип реакции метахромазии — волютиновые гранулы окрашены в синий цвет, реакция метахромазии отсутствует (рис. 7)

Рисунок 7 — 1 тип реакции метахромазии — синее окрашивание

2) 2 тип реакции — волютиновые гранулы принимают фиолетовый окрас, что свойственно слабому типу возмущённости (рис. 8)

Рисунок 8 — 2 тип реакции метахромазии — фиолетовое окрашивание

3 тип реакции метахромазии характеризуется фиолетово — красной окраской волютиновых гранул, и соответствует магнитной возмущенности (рис. 9)

Рисунок 9 — 3 тип реакции метахромазии — красное окрашивание

2.2 Влияние гелиофизических факторов на культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae

2.2.1 Результаты исследования реакции метахромазии клеток Saccharomyces cerevisiae

Эксперимент по изучению влияния гелиофизических факторов на полифосфаты (волютиновые гранулы) Saccharomyces cerevisiae проводился в 2 этапа. 1 этап длился с 6 ноября по 24 декабря 2013 года и заключался в наблюдении за типом реакции метахромазии и выявлением зависимостей от космофизических факторов. В таблице 1. представлены данные, полученные за данное время проведения эксперимента.

Таблица 1 — Результаты наблюдений за реакцией метахромазии клеток Saccharomyces cerevisiae с 06.11.2013 по 24.12.2013 года

Как видно из таблицы 1 тип 3, соответствующий красному окрашиванию клеток, наблюдался 5 раз за время проведения эксперимента.

2.2.2 Обработка экспериментальных данных с помощью метода Пирсона

Проводился корреляционный анализ полученных типов реакции метахромазии с различными гелиофизическими параметрами космической погоды. Полученные данные сведены в таблицы 2 — 3.

На графиках, изображенных на рис. 10. совмещены данные типа реакции метахромазии с Ар, Кр индексами. Как видно из рисунка 10 явной зависимости типа реакции от данных индексов не наблюдается, однако можно заметить, что 3 тип реакции наблюдается через сутки после появления максимумов Ар индекса. Также из рисунка 10 видно и таблицы 2 видно, что индексы Ар и Кр имеют сильную взаимную корреляцию. Тип реакции метахромазии коррелирует с обоими индексами довольно слабо.

Таблица 2 — Значение коэф фициентов корреляции Пирсона для массивов данных Ар, Кр-индексов и типов реакции метахромазии

Рисунок 10 — Данные типа реакции метахромазии и индексов геомагнитной возмущенности Ар и Кр за период наблюдений с 06.11.2013 по 24.12.2013 года

На рис. 11 представлены результаты определения типа реакции метахромазии и скорости и плотности солнечных лучей. Насколько можно заметить из приведенного графика связь между этими показателями практически отсутствует. Коэффициент корреляции Пирсона (таблица 3.) показывает на присутствие лишь небольшой корреляционной зависимости между типом реакции метахромазии и скоростью космических лучей.