Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере. Монография.pdf
на низкоинтенсивное УФ-В-излучение (280 – 315 нм) и регулирующего экспрессию. В возбужденном состоянии UVR8 непосредственно
взаимодействует с COP1-убиквитин-лигазой, связанной с ростом, развитием и метаболизмом [Li et al., 2013].
Следует отметить, что имеются взаимосвязи между рецепторами
разных классов [Franklin and Quail, 2010]. Так, в Arabidopsis сигнальные сети фитохромов, криптохромов и UV-B совместно регулируют
генную экспрессию халкон-синтазы – ключевого фермента биосинтеза флавоноидов [Wade et al., 2001]. Экспрессия многих генов, регулируемая криптохромом, регулируется также фитохромами и сигнальными путями фитогормонов [Liu et al., 2011]. Фитохромы вовлечены
и в регуляцию экспрессии генов, осуществляемую в ответ на УФ-Визлучение. Криптохромы же вовлечены в регуляцию экспрессии генов, осуществляемую фитохромами [Yang et al., 2013]. Система фототропинов, в свою очередь, взаимодействуют с системой криптохромов [Kang et al., 2008] и системой фитохромов [Kami et al., 2012]. Так,
фототропины регулируют фотоморфогенезис, давая аддитивный
вклад в удлинение гипокотиля и накопление антоцианов – процессы,
регулируемые криптохромами [Kang et al., 2008]. Поэтому можно
считать, что рассмотренные возможные механизмы влияния приливных вариаций ПРФ на биоритмы осуществляются через сигнальные
системы криптохромов, фитохромов и других рецепторов, интегрированых в единую систему, регулирующую рост растений [Liu et al.,
2011].
Итак, приливные вариации ПРФ могут посредством описанных
выше механизмов модулировать ритмическую экспрессию многих генов и ритмическую экспрессию ряда фитогормонов, ответственных за
рост проростков
Arabidopsis thaliana, в частности их первичных кор-
ней. Также обоснованно предположить, что приливные вариации
природной радиации могут модулировать ритмическую экспрессию
ряда биомолекул, ответственных за осмотические эффекты и мембранный водный транспорт, например, аквапоринов в клетках листвой подушечки (гены, кодирующие аквапорины плазматической мембраны, ритмически экспрессируются в клетках листвой подушечки
[Uehlein and Kaldenhoff, 2008], что, следовательно
, обеспечивается
механизмами биочасов и внешней синхронизации), модулируя водную проницаемость мембран, тургор в клетках листовой подушечки и
автономные никтинастические движения листьев растений семейства
бобовых, наблюдаемые в [Barlow et al., 2008; Barlow and Fisahn, 2012].
Диурнальные изменения в экспрессии генов особенно часто имеют
171
место и особенно велики для генов, связанных с редокс-регуляцией
[Blasing et al., 2005], что делает вероятным предположение о том, что
модуляция биологических часов и экспрессии генов приливными вариациями ПРФ может приводить к модуляции экспрессии генов, ответственных за редокс-регуляцию. Это может объяснять наблюдаемую в [Moraes et al., 2012; Gallep et al., 2013] синхронизацию интенсивности ССИ с приливом. Действительно, основным источником
ССИ является ультраслабая хемилюминесценция с образованием
электронно-возбужденного продукта при взаимодействии реактантов
с дальнейшей релаксацией возбужденного состояния продукта и
эмиссией излучения [Владимиров и Проскурина, 2009; Scholkmann et
al., 2011]. Основным же источником ЭВС являются именно взаимодействия с АФК и АФА в окислительно-восстановительных реакциях
[Там же].
Синхронизация скоростей удлинения первичных корней и роста
побегов A. thaliana (и других биопроцессов) с приливом может быть
обусловлена как биологическими часами и фоторецепторами, так и
сценариями без их участия, рассмотренными в п. 8.3 – 8.5, т.е. комплексными механизмами. Как отмечено в п. 8.3, приливные вариации
ПРФ могут посредством МПП-редокс-механизма (без участия фоторецепторов) модулировать генерацию оксида азота и функционирование некоторых вторичных посредников и сигнальных путей, играющих значительную роль в регуляции клеточного роста, экспрессию
генов, регулирующих рост, генерацию фитогормонов, ответственных
за рост, и др.
8.6.4. Воздействия на другие биопроцессы
По-видимому, приливные вариации ПРФ могут влиять на различные биопроцессы на всех стадиях жизненного цикла организма.
Например, вариации активности фитохромов, индуцируемые вариациями ПРФ, могут влиять на прорастание семян, деэтиоляцию, развитие листьев, вегетативное развитие, индукцию цветения и контроль
времени репродуктивного развития, накопление фотосинтетических
пигментов, увядание [Franklin and Quail, 2010; Costigan, 2011; Quail,
2010]. Модуляция активности криптохромов
может отразиться на таких процессах, как деэтиоляция, изменения замыкающих парных клеток устьиц, образующих устьичную щель, и открытие устьиц, накопление антоцианов, цветение, мембранная деполяризация, экспрессия
генов [Ahmad et al., 1998a; Liu et al., 2011], а также на регуляции биологических часов млекопитающих и ряда насекомых. Криптохромы
172
входят в биологические часы млекопитающих как транскрипционные
репрессоры в соответствующей петле обратной связи (протеины Cry и
Per, формируя гетеродимер в цитоплазме, переносятся в ядро и ингибируют активируемую комплексом транскрипционных факторов
Clock-Bmal1 транскрипцию ряда генов, включая свои собственные,
что обеспечивает цикличность [Sancar, 2004]). О роли криптохромов в
биочасах насекомых см. [Goto, 2013]. Также модуляция активности
UVR8 может повлиять на биосинтез антоцианов и флавоноидов, открытие устьиц и др. [Li et al., 2013].
Заметим, что приливные вариации ПРФ дают, очевидно, некоторую модуляцию производства АФК в водной системе, что может каким-то образом быть связано с влиянием фаз Луны на активность растворов бикарбонатов, наблюдаемую в [Воейков и др., 2012].
Следует подчеркнуть, что в рассматриваемых явлениях важна
чувствительность биосистем к вариациям интенсивности облучения
природной радиацией. Для различных средних уровней ПРФ концентрации АФК и АФА в клетке устанавливаются балансом между процессами генерации и нейтрализации, вариации же ионизирующей радиации ПРФ возмущают этот баланс, модулируя редокссигнализацию. Однако пространственные вариации ПРФ также могут
воздействовать на живые организмы посредством описанных механизмов.
Наконец, эти механизмы могут регулировать различные процессы, связанные с электронным возбуждением биомолекул и соответствующими биологическими квантовыми процессами, включая квантово-когерентные процессы. Так, магниторецепцию и гравирецепцию
связывают с модуляцией состояния электронно-возбужденного фоторецептора криптохрома магнитным или гравитационным сигналом
[Wiltschko, 2006] (см. пп. 3.1.2). Поэтому рассматриваемые слабые воздействия на геосреду
риаций генерации ЭВС-рецепторов, обеспечивающихся вариациями
атомной радиации.
могут регулировать эти виды рецепции путем ва-
8.7. Заключение
Согласно исследованиям А.М. Кузина [Кузин, 2002], природная
радиация является необходимым условием для нормальной жизнедеятельности. Логично, что в этом случае значительные временные вариации ПРФ, сравнимые с самим ПРФ, должны отражаться на опре-
173
деленных биопроцессах. Отсюда проистекает необходимость отслеживания организмами приливных ритмов ПРФ, развития циркаприливных часов и сигнализации. Кроме того, приливные вариации ПРФ
могут способствовать выживаемости посредством синхронизации,
координации различных процессов в организмах и экосистемах, например, координируя время репродуктивного развития с оптимальными внешними условиями, синхронизируя другие физиологические
процессы, а также поведение различных организмов. Возможно, в
прошлые эпохи с более высоким уровнем ПРФ эти явления и адаптивное значение приливных вариаций ПРФ были более выражены, но
соответствующие механизмы в ряде случаев могут проявляться и сейчас.
Можно предположить, что синхронизация биопроцессов с приливными вариациями мощности природной радиации может проявляться не только в постоянных лабораторных условиях, но и в естественных, о чем свидетельствует ряд экспериментальных фактов
(см. п. 8.2). Приливные вариации ПРФ могут частично обусловливать
синхронизацию с приливом физиологических процессов и поведения
ряда организмов, обитающих в прибрежной зоне.
Особые фазовые соотношения в системе Солнце — Земля —
Луна, например новая и полная Луна, солнечные и лунные затмения,
соответствующие особенностям в распределении приливных напряжений в геосреде, должны давать особенности и в активности определенных биомолекул, сигнальных путей, генов и соответствующих
биопроцессов. На фазах новой и полной Луны имеют место максимальные приливные напряжения и деформации в геосреде, максимальная активность радона, что может обусловливать экстремальные
значения биологической активности и роста (в каких-то случаях могут активизироваться и ингибирующие системы). Это позволяет объяснить, в частности, причины обнаруженного в [Vorobeitchikov et al.,
2004] ускорения размножения кишечной палочки E. Coli в периоды
новолуния и полнолуния.
Миграцию газов к земной поверхности определяет, наряду с
другими факторами, атмосферное давление. Вариации атмосферного
давления могут быть вызваны такими факторами, как циклоны и антициклоны, перемещения атмосферных фронтов. В области влияния
разломных зон в геосреде установлена высокая отрицательная корреляция (коэффициент корреляции 0,82 для измерений в зоне влияния
Ногинской тектонической структуры) между объемной активностью
подпочвенного радона и атмосферным давлением [Спивак, 2009]. На-
174
блюдается, дополнительная к приливной, периодичность вариации
активности радона, вызванная барическими вариациями циклонического происхождения [Спивак, 2009]. Так, при циклонических явлениях в зоне Ногинского разлома при вариациях давления в пределах 900
– 1100 гПа активность подпочвенного радона варьирует в диапазоне
приблизительно 1000 – 2000 Бк/м3, так что вариации ПРФ сравнимы
со средним уровнем ПРФ. Поэтому определенные биопроцессы могут
в рамках рассмотренных механизмов модулироваться и атмосферным
давлением.
Обнаружено, что вариации геомагнитного поля также модулируют скорость роста корней [Barlow et al., 2013]. Поскольку « концентрация такого основного источника атомной радиации природного радиоактивного фона, как радона, в приземной атмосфере подвержена
значительным колебаниям, зависимым от … геомагнитной обстановки
окружающей среды» [Кузин, 2002. С. 71], то рассмотренные механизмы могут быть предложены и для объяснения этого явления. Установлено, что достаточно сильные вариации естественного геомагнитного
поля (магнитные бури), а также искусственные электромагнитные
воздействия (мощные электромагнитные импульсы МГД-генератора)
могут влиять на сейсмичность [Закржевская и Соболев, 2002; Тарасов
и Тарасова, 2011] и сейсмический шум в диапазоне по крайней мере
10 — 20 Гц [Сычева и др., 2011]. Солнечные вспышки и вызванные
ими магнитосферные и ионосферные возмущения индуцируют в земной коре импульсные токи, которые, как и электромагнитные импульсы, возбуждают в ней колебания. Полагают, что эти даже очень
слабые по амплитуде вибрации в
широком диапазоне частот активируют рост трещин и подвижки структурных блоков разного размера,
что приводит к повышению сейсмоакустической эмиссии и сейсмической активности [Сычева и др., 2011]. Резкое возрастание амплитуды
микросейсмических колебаний (частоты 0,5 — 7 Гц) наблюдается во
время полного солнечного затмения и, с небольшим запаздыванием, после магнитных бурь, причем спектр колебаний
расширяется [Попова и
др., 2011]. Кроме того, геоакустическая эмиссия горных пород (частоты
по меньшей мере 30 — 160 Гц) может модулироваться сверхнизкочастотным полем атмосферного происхождения [Гаврилов и др., 2011].
Полагают, что все эти явления носят триггерный характер, инициируя
высвобождение накопленной в геосреде энергии. Интенсификация
микросейсмических колебаний сама по себе должна была бы увеличить радоновые эманации. Вместе с тем, данные наблюдений свидетельствуют о влиянии микросейсмических колебаний различного час-
175
тотного и амплитудного состава на вариации характеристик промежутков между структурными блоками геосреды, на уменьшение сцепления между смежными блоками, на увеличение их подвижек
[Адушкин и Спивак, 2012]. Амплитуды фоновых микросейсмических
колебаний в диапазоне частот по крайней мере 0,01 — 10 Гц определяют с высокой вероятностью вариации интенсивности релаксационных процессов, сопровождающихся поворотами и сдвигами структурных блоков разного размера [Там же]. Данный диапазон частот соответствует всем вышеприведенным, поэтому имеется основание
предположить, что указанные выше факторы модулируют блоковые
подвижки и, следовательно, эманацию радона. Можно предположить
поэтому, что указанные воздействия модулируют и биопроцессы.
К аналогичной модуляции биопроцессов должно приводить и
космическое излучение с образующимися вследствие него радионуклидами, а также нейтронами, если индуцируемые им вариации радиоактивности сравнимы с ПРФ. Также динамика геосреды может значительно модулировать поле эманаций радона [Там же] и, значит, согласно изложенному выше определенные биопроцессы. Эта модуляция
может, в принципе, служить индикатором соответствующих процессов
в геосреде, атмосфере и магнитосфере, в частности предвестников
землетрясений (перед землетрясениями активность радона может резко возрастать).
Изменения активности радона при приливах и барических вариациях атмосферы в большей степени проявляются в областях с контрастными по сравнению с окружением свойствами, с повышенной деформируемостью вещества, в зонах, где аккумулируется энергия деформационного воздействия или движения флюидов, в частности в
разломных зонах [Спивак, 2009]. Именно в таких областях будет наиболее выражен эффект синхронизации биопроцессов и триггерных
воздействий на геосреду.
В таких областях синхронизация физиологических циклов, в частности созревания и размножения, и поведения ряда организмов с
лунно-солнечным приливом должна быть особенно выражена. Учет
этого обстоятельства может иметь экологическое и экономическое
значение.
Исследования в этом направлении могут найти применение в
здравоохранении, сельском хозяйстве, лесной отрасли.
Рассматриваемый механизм может вносить вклад в формирование корреляций в распределениях амплитуд флуктуаций определенных
биопроцессов с повышенной вероятностью обнаружения подобных
176
форм распределений с периодами около 24 часов и 27 дней, а также
при измерениях, проведенных в разных местах в одно и то же местное
время, в соответствии с [Шноль, 2001], причем с ростом географической широты эффект будет ослабляться с уменьшением приливной силы.
Таким образом, гравитационный прилив и некоторые другие
триггерные слабые воздействия на геосреду, включая барические вариации в атмосфере, а также динамика самой геосреды, будучи способными значительно модулировать эманации радона-222, радона-220
и других радиоактивных элементов, могут посредством описанных
выше механизмов являться регулятором различных биологических
процессов и ритмов.
177
ГЛАВА 9. О триггерных воздействиях
на геосреду как возможном регуляторе
нелинейных геофизических процессов
и состояний живых организмов и экосистем
Механизм, предложенный в предыдущей главе, может получить
существенное усиление за счет нелинейных эффектов в геосреде. На
самом деле, проблема воздействия геосфер на биосферу заключается
в сложных, подчас совсем не очевидных взаимодействиях между геосферами. Мы покажем, что определенные слабые возмущения в различных геосферах могут привести к нелинейному отклику в геосреде
Данная глава основана на работе [Захватаев, 2014].
Полагают, что литосфера является активной средой, способной
порождать нелинейные волны различных геофизических полей [Павлович и др., 2009; Спивак, 2009]. Эти нелинейные волны служат источниками различных геофизических сигналов повышенной интенсивности [Спивак, 2009], играющих важную роль во взаимодействии
геосфер и биосферы. Особый интерес представляют поля электромагнитных и микросейсмических импульсов.
Предложены различные нелинейные механизмы процессов в
геосреде [Павлович и др., 2009; Спивак, 2009; Опарин и Симонов,
2010; Gufeld, 2011], один из которых механизм нелинейного геомеханического квазирезонанса и связанных с ним медленных деформационных волн в массивах горных пород [Опарин и Симонов, 2010].
Эти нелинейные механизмы предполагают наличие некоторого
порогового воздействия и
венных постоянно действующих на геосреду факторов является лун-
условий для их запуска. Одним из естест-
.
но-солнечный гравитационный прилив в земной коре. Прилив рассматривается как возможный триггерный механизм для запуска ряда
нелинейных процессов в геосреде [Адушкин и др., 2012; Адушкин и
Спивак, 2012].
В настоящей главе предложено, что лунно-солнечный прилив
может
нанса, сопряженный с медленными деформационными волнами, и,
соответственно, нелинейно усиливать интенсивности микросейсмических и электромагнитных сигналов, вариаций других геофизических
полей в окрестности структурных особенностей геосреды. Также
предлагается, что другие триггерные слабые воздействия на геосреду
178
модулировать также и механизм геомеханического квазирезо-
такие, как солнечная активность, геомагнитные возмущения, искусственные мощные электромагнитные импульсы, сверхнизкочастотное
поле атмосферного происхождения, барические вариации в атмосфере,
могут при определенных условиях запускать механизмы нелинейных
процессов в геосреде. Попутно мы проводим сопоставление данных
наблюдений, которое аргументирует, что солнечная активность и
геомагнитные вариации могут, как предсказывается теоретически рядом авторов (см., например, [Тарасов и Тарасова, 2011; Сычева и др.,
2011]), действительно индуцировать сейсмическую активность посредством механизма блоковых подвижек.
9.1. Возможные механизмы нелинейных процессов в геосреде
Полагают, что в геосреде при наличии подкачки энергии от
внешнего распределенного источника возможно формирование нелинейных автоволн — распространяющихся (или статических) неравновесных областей, импульсов, амплитуда и скорость которых определяется параметрами среды [Павлович и др., 2009].
Если начальное возмущение достаточно велико, то может сформироваться автоволна, в то время как малые возмущения не приводят
к ее образованию. Поэтому сравнительно сильные геофизические
сигналы, в частности электромагнитные, могут быть связаны с автоволнами источников генерации релаксационных процессов, формирующимися лишь при достаточно больших, сверхпороговых воздействиях: в естественном фоне эта связь будет отсутствовать [Там же].
В частности, возможны перемещающиеся вверх уединенные автоволны флюидов —
трации флюида, из которых эмитируются электромагнитные импульсы, фиксируемые измерениями на поверхности [Там же]. В окрестности фронта автоволны концентрации флюида может формироваться
волна комплексной диэлектрической проницаемости, последняя падает на заряды, электрические диполи и другие рассеиватели в геосреде,
области отличающейся от окружения концен-
появляющиеся при деформировании, в результате чего возможна
нерация переходного излучения (рассеивания) в радиоволновом диапазоне [Там же].
Тот же механизм может иметь место и в окрестности фронта
обобщенной волны Релея, распространяющейся вдоль зон контакта
структурных блоков [Там же].
ге-
179
Распространение сейсмических волн через разломные зоны может сопровождаться нелинейными эффектами [Спивак, 2009]. При
этом происходит преобразование сейсмической энергии в энергию
электромагнитных волн. В разломных зонах, в областях концентрации напряжений уровень порогового воздействия должен быть, очевидно, ниже, чем вне таких областей.
При диффузии подземных газов через горные породы происходят структурные переходы, переводящие кристаллические структуры
в неустойчивое состояние, при этом горные породы разрушаются
[Gufeld, 2011]. Предполагается, что при этом имеет место эстафетный
механизм передачи энергии [Там же] и, следовательно, формируется
деформационная автоволна в направлении потока газов. Такое влияние газов на поле напряжений может быть одним из факторов, формирующих вариации различных параметров среды. Скорость восходящего потока газов различна в разных областях в зависимости от
геологических особенностей среды и повышена в области структурных неоднородностей геосреды.
Сейсмоакустическая эмиссия может быть обусловлена процессами дегазации и динамикой газовых пузырьков во флюиде. Подземные воды насыщены различными газами. Декомпрессия приводит к
интенсивному образованию пузырьков во флюиде на глубине 200 —
400 м. При образовании газовых пузырьков, их всплытии и схлопывании происходит излучение упругих волн в широком диапазоне частот
вплоть до звуковых [Там же]. В этом механизме накачка энергии приповерхностного слоя осуществляется дегазацией.
Предложен [Павлович и др., 2009] нелинейный механизм усиления электромагнитных волн при их взаимодействии с дефектами кристаллической решетки вещества горных пород, находящегося в термодинамически неравновесном состоянии, согласно которому наличие излучения способствует рождению дефектов, что по положительной обратной связи усиливает излучение (поляритонное излучение).
Этот механизм основан на следующих фактах. Геологическая среда
представляет собой поликристаллическую среду со сложными кристаллическими решетками, в элементарной ячейке которой содержится более одного атома. В оптических колебаниях осцилляции смежных атомов происходят в противофазе, поэтому дипольный момент
варьируется и излучаются электромагнитные волны. Возникновение
импульсного литосферного электромагнитного излучения может быть
связано с возбуждением оптических колебаний сложных кристаллических решеток, а значит, и связанных с ними электромагнитных ко-
180