Адрес этой статьи в интернете: www.biophys.ru/archive/congress2012/proc-p148-d.htm

О РАЗНОНАПРАВЛЕННОМ ВЛИЯНИИ КОСМОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ДИНАМИКУ УНИТИОЛОВОГО ТЕСТА

Э.С.Горшков, В.В.Иванов, Р.Н.Павлова¹, В.В.Соколовский¹, В.С.Сорокина¹

 Санкт-Петербургский Филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, 199034 Санкт-Петербург, ул. Менделеевская, д. 1, E-mail: sl_iva@mail.ru

¹Институт аналитического приборостроения РАН, 198103 Санкт-Петербург, Рижский пр. 26

Многолетние наблюдения, в ходе которых в постоянных условиях средних широт (Санкт-Петербург) определялась скорость реакции окисления унитиола (димеркаптопропансульфонат натрия) нитритным ионом в водном растворе (”унитиоловый тест”), позволили нам обнаружить колебательный характер изменений времени полуокисления унитиола (ВПОУ) и связь этих колебаний с вариациями космофизических факторов (КФФ) электромагнитной – солнечной активностью (СА), и неэлектромагнитной – гравитационной природы.

Данные исследования затрагивают проблему определения механизмов космобиологических связей и привлекают внимание к роли и участию окислительно-восстановительных процессов и систем в этих механизмах. Вместе с тем, некоторые особенности ”поведения” унитиолового теста явно нуждаются в специальном обсуждении. К таковым относятся, например, наличие корреляционной связи между ВПОУ в приземном слое атмосферы и общим содержанием озона (ОСО) в стратосфере, и периодические изменения знака этой корреляции. Другой любопытный феномен подобного рода проявился при переходе научно-исследовательского судна (НИС) Российской Антарктической экспедиции (РАЭ) из южного полушария в северное с пересечением экватора.

Синхронные наблюдения ВПОУ в приземной атмосфере и ОСО в стратосфере проведены в период 41-й (1996-1997 гг., в экстремальных условиях Антарктики в условиях глубокого минимума СА) и 45-й (2000 г.) РАЭ. Определение ВПОУ проводилось по методике, разработанной профессором В.В.Соколовским. Регистрация ОСО осуществлялась в соответствии с “Методическими указаниями по производству и обработке наблюдений за общим содержанием озона”, разработанными головной методической организацией – ГГО (Главная Геофизическая Обсерватория им. А.И.Воейкова).

Показано, что динамика полиномиального тренда ВПОУ (полином 5-й степени, рис. 1-а) на интервале 15.07.1996-28.05.1997 гг. согласуется с изменением 1-й составляющей уравнения времени (УВ) (связь обратная: r = -0.75). Характер изменения полиномиального тренда отклонения ВПОУ и 2-й составляющей УВ (рис. 1-б) один и тот же (r = 0.59).

Ранее при рассмотрении полиномиальных трендов ВПОУ и ОСО, выявлена обратная корреляция между ними (r = -0.67). В то же время анализ динамики коэффициентов корреляции ВПОУ и ОСО для каждого месячного интервала показал, что положительный знак корреляции во время весны и осени меняется на отрицательный в период антарктического лета. Было высказано предположение о связи наблюдаемой смены знака корреляции с происходящим в этот период разрушением устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), располагающегося в стратосфере над Антарктидой, и восстановлением естественного процесса переноса озона от тропических областей. Этому выводу соответствовал и положительный знак корреляции между ВПОУ и ОСО (r = 0.55), наблюдавшийся нами в марте-апреле 2000 г. при обходе на НИС “Академик Федоров” восточного сектора Антарктиды и пересечении экватора (Солнце в зените), которое привело к одновременному скачкообразному росту показателей: для ВПОУ (наиболее выраженному) – в 1.9 раза, для ОСО – на 45%.

Дальнейшие исследования динамики магнитного поля Земли (МПЗ) показали и его причастность к изменению корреляционных связей между ВПОУ и ОСО. Оказалось (по данным регистрации составляющих напряженности МП – северной (X), восточной (Y) и вертикальной (Z) в Антарктике в период 2001-2002 гг.), что в зимний, в меньшей степени – в весенне-осенний, периоды в Антарктике происходит снижение не только уровней северной (X) и, в особенности, вертикальной (Z, по модулю) составляющих МПЗ, но и их вариабельности (рис. 2, кривые 1, 2, 3). В районе экватора уровень вектора Z снижается до нуля, его направление меняется на обратное, а Х возрастает до максимума. Данные особенности ”поведения” МПЗ могут способствовать падению скорости окисления унитиола и повышению уровня ОСО в весенний и осенний периоды. В летний антарктический период повышению скорости окисления унитиола (снижению уровня ВПОУ) способствует рост как ОСО, так и уровней составляющих МПЗ. При этом было выявлено влияние секторной структуры межпланетного МП (СС ММП) на уровни отдельных составляющих МПЗ. Так на интервале положительной СС ММП горизонтальная (Н) составляющия МПЗ снижается до минимума.

Рис. 1. Сопоставление полиномиальных трендов, полученных для среднесуточных флуктуаций ВПОУ (кривая 1-а) и их отклонений (1-б), с 1-й (2-а) и 2-й (2-б) составляющими уравнения времени.

Рис. 2. Вариации составляющих МПЗ: Х (кривая 1), Y (2), Z (3) в Антарктике (пол. ст. Восток) в 2001 г.

На границе смены положительного знака СС на отрицательный происходит рост уровня Н до максимума. Исследованы внутрисуточные распределения уровней составляющих МПЗ. Достоверно (ДИ95%) максимум Х (в скобках – Y) приходится на интервал 11±2 часа (16±2 часа), минимум на вечерний и ночной периоды (то же). Вертикальная составляющая Z в течение суток изменяется в широких пределах, которые не позволяют заметить даже тенденцию в ее динамике.

 Факты значимой корреляции ВПОУ с горизонтальной составляющей МПЗ (особенно высокой во второй половине дня) приведены в работе [1]. А в работе [2] отмечается периодическое изменение с прямой на обратную корреляционной связи между одновременно регистрируемыми в течение нескольких месяцев (ноябрь 1974 г. – декабрь 1975 г.) скорости реакции окисления унитиола нитритом и реакции полимеризации акрилонитрила. По мнению авторов смена знака корреляции может быть связана с пересечением Землей секторных границ ММП.

Многолетние исследования скорости реакции окисления унитиола нитритным ионом, выполненные в период 1975-1984 гг. в лабораторных условиях (Санкт-Петербург) показали наличие еще одного эффективного фактора, имеющего отношение к рассматриваемой проблеме связи ВПОУ и ОСО. Спектральный анализ среднемесячных флуктуаций ВПОУ за указанный период выявил периодический характер изменения показателя с периодом 25.6 мес. Данный цикл хорошо известен в метеорологии уже около столетия. Это так называемый квазидвухлетний цикл, которого, по мнению ряда специалистов, нет в спектре СА. Его присутствие в земных процессах связывают с обстановкой в межпланетном пространстве [3].

Выполненные ранее исследования, касающиеся вклада в наблюдаемые флуктуации ВПОУ циклических возмущений межпланетной среды, вызванных парными соединениями планет Солнечной системы, показали, что данному циклу соответствуют соединения планет Земля – Марс [4]. В спектре интенсивности соединений и противостояний планет выявлены основные гармоники с периодами 25.6 (основной) и 12.8 мес. Применительно к исследуемому периоду соединения данных планет происходили в ноябре 1975, декабре 1977, феврале 1980, марте 1982 и в мае 1984 гг.

Сопоставление усредненного цикла, полученного для пяти интервалов флуктуаций ВПОУ длительностью 25.6 мес (методом наложенных эпох), с временем наступления соединений и противостояний планет Земля – Марс показало следующее (рис. 3).

Рис. 3. Сопоставление усредненного цикла, полученного для 5-ти интервалов флуктуаций ВПОУ длительностью 25.6 мес, с временем наступления соединений и противостояний планет Земля-Марс.

Наличие двух локальных максимумов, предшествующих (за 1.5 – 2 мес) наступлению противостояний (штриховая линия) и соединений (сплошная линия) планет, и заметного ”провала” показателя между ними. На отрезках интервалов длительностью порядка шести месяцев, включающих противостояния и соединения планет (три месяца до события и три – после), происходят относительно резкие подъемы (от 185 до 255 и 235 до 260 мин) и последующие спады уровня ВПОУ до соответствующих минимумов (210 и 160 мин). Оба локальных максимума достоверно отличаются от второго минимума (ДИ-95%). Совместное рассмотрение среднемесячных флуктуаций ВПОУ и вариаций ОСО показало, что каждому последующему интервалу флуктуаций ВПОУ длительностью 25.6 мес соответствует иной участок ОСО, отличающийся по фазе от предыдущего на 1.6 мес. Отрезки интервалов, определяющие самые низкие уровни ВПОУ, и интервалы высоких значений ОСО, как правило, совпадают. Влияние СА на изменение уровня ВПОУ становится заметным, как правило, в случаях однонаправленного воздействия данного фактора и ОСО.

Наличие еще одного КФФ гравитационной природы - 1-й составляющей уравнения времени (УВ), действие которой на ВПОУ имеет тот же характер что и действие ОСО, а уровни корреляции с ОСО (определенные на каждом годовом интервале) составляют 0.82-0.96, не позволяет однозначно интерпретировать изменение хода ВПОУ на интервале 25.6 мес, как следствие воздействия только ОСО. Можно говорить о приоритетном воздействии ОСО на ВПОУ, о чем свидетельствуют результаты корреляционного анализа ВПОУ и данных КФФ.

Проведена проверка возможности соотнесения флуктуаций скорости реакции окисления унитиола нитритным ионом, полученных в экстремальных условиях Антарктики в период июль 1996 – май 1997 гг., с динамикой ВПОУ, определяемой границами соединений планет Земля-Марс (рис. 4). Выполнено сопоставление среднесуточных флуктуаций ВПОУ, регистрируемых в Антарктике и в лабораторных условиях (Санкт-Петербург, в период 15.08.1979 – 27.06.1980 гг.) при совмещении временных отметок соединений планет Земля – Марс (рис.5, кривые 1 и 2, соответственно). Получено хорошее совпадение. Корреляция составила 0.52. Видно, что максимум, предшествующий соединению планет, у кривой 1 более проявлен, чем у кривой 2. На данном отрезке уровень ОСО (и 1-й составляющей УВ) был несколько ниже.

Рис. 4. Сопоставление среднесуточных флуктуаций ВПОУ, регистрируемых в Антарктике (кривая 1) и в лабораторных условиях (2 - Санкт-Петербург в период 15.08.79 – 27.06.80 гг.) при совмещении временных отметок соединений планет Земля-Марс (вертикальная линия).

Анализ уровней корреляции СА с ОСО и 1-й составляющей УВ на каждом годовом интервале исследуемого периода показал, что их изменения носят периодический характер с периодом около двух лет. При этом более высокие (относительно предшествующего и последующего) уровни корреляции (рис. 5 – динамика коэффициентов корреляции полиномиальных трендов СА (полиномы 4-й степени) для каждого годового интервала и 1-й составляющей УВ) приходятся на периоды, в которых имеют место соединения планет Земля – Марс. Подобное поведение кривой корреляции определенно свидетельствует об изменении с периодом порядка двух лет физических процессов, имеющих отношение к СА.

Проведено сопоставление усредненного цикла, полученного для пяти интервалов флуктуаций СА длительностью 25.6 мес (методом наложенных эпох, линейные тренды удалены, выполнено усреднение по 5-ти точкам), с временем наступления соединений и противостояний планет Земля – Марс, которое показало следующее (рис. 6). Наличие двух локальных максимумов, предшествующих (за 1.5 – 2 мес) наступлению противостояний (штриховая линия) и соединений (сплошная линия) планет, и заметного ”провала” показателя между ними до минимума. При этом первый максимум и минимум достоверно различаются (ДИ-95%).

Рис. 5. Динамика коэффициентов корреляции (для каждого годового интервала) полиномиальных трендов вариаций СА и 1-й составляющей уравнения времени за период 1975-1984 гг.

Рис. 6. Сопоставление усредненного цикла, полученного для 5-ти интервалов СА длительностью 25.6 мес, с временем наступления соединений и противостояний планет Земля-Марс.

Наличие совпадающих максимумов и провалов между ними в кривых ВПОУ и СА (рис. 3 и 6) означает не что иное как проявление более эффективного (по сравнению с СА) КФФ, согласованного с временем наступления соединений и противостояний двух планет Земля - Марс, и действующего на данные показатели однонаправлено. Положительный тренд кривой корреляции полиномиальных трендов СА и 1-й составляющей УВ (рис. 5) также служит подтверждением наличия вблизи соединений планет выраженных максимумов СА.

Полученные факты ни в коей мере не отрицают наличия ”нормального” (обратного) воздействия СА на ВПОУ. Причина в том, что на фоне действия более мощного фактора проявление СА нивелируется. В этой связи уместно вспомнить мнение Б.М.Владимирского и Н.А.Темурьянц о независимом влиянии нескольких источников на земные процессы, при котором каждый проявляет себя наиболее эффективно в своей ”оптимальной” шкале времени [5].

Таким образом, полученные факты позволяют говорить не только о присутствии в вариациях СА (чисел Вольфа) ритма с периодом 25.6 мес, но и о схожести (на определенных участках интервала) конфигураций данного ритма с аналогичным ритмом биохимического показателя – ВПОУ, что заметно снижает эффективность воздействия на него СА (пятнообразовательной деятельности Солнца).

Об этом свидетельствуют выполненные ранее исследования реакции окисления унитиола адренохромом, которые показали отсутствие обратной корреляции с числами Вольфа в периоды резкого снижения уровней ВПОУ в отдельные дни декабря 1970, января-февраля 1971, апреля 1972 гг. В то же время спад ВПОУ сопровождался таким же резким возрастанием в десятки (а в ряде случаев в сотни) раз интенсивности потока радиоизлучения Солнца с частотой 100, 204 и 234 МГц. Данные факты позволяют предположить наличие относительно высокой инерционности пятнообразовательной деятельности Солнца на интервале минимума СА, к которому относится данный период – декабрь 1970 – апрель 1972 гг.

Начатые с 1974 г. исследования реакции окисления унитиола нитритным ионом выявили обратную по своему характеру связь ВПОУ с числами Вольфа, которая оказалась в 1974–1975 гг. весьма значительной. В 1976–1977 гг. проявилась тенденция к ослаблению этой связи, что могло явиться признаком изменений в этот период характера физических процессов, имеющих отношение к проявлению СА. Проводившиеся в течение этих лет измерения ВПОУ позволили прийти к заключению о существовании зависимости скорости окислительной реакции от уровня СА [6].

Рассмотрение короткопериодических флуктуаций ВПОУ (dВПОУ) (регистрируемых в Антарктике), полученных после исключения полиномиального тренда (полинома 6-й степени), и целого ряда КФФ (секторная структура межпланетного МП, фазы Луны и др.) также показало наличие неоднозначных связей между ними. Исследование трехмерных изображений области значений dВПОУ, каждая точка которой соответствует определенным уровням КФФ показало следующее. Максимумам dВПОУ соответствуют интервалы, включающие новолуние (НЛ) и отрицательный знак СС ММП или полнолуние (ПЛ) и положительный знак. Минимальные значения dВПОУ приходятся на интервалы, в которых знак СС ММП – положительный, а фаза Луны – НЛ, или знак отрицательный, фаза – ПЛ. Процесс сближения Луны и Земли приводит к заметному росту скорости реакции окисления унитиола (падению dВПОУ) с ростом уровня СА. При этом максимум dВПОУ соответствует среднему уровню СА. Положительная корреляция dВПОУ и dОСО (короткопериодическая вариация, полученная после исключения из исходной кривой полиномиального тренда) на этапе снижения уровней данных показателей проявляется в СС ММП положительного знака. Рост уровня СА приводит к увеличению генерации озона и повышению ОСО. Наилучшим образом эффект проявляется в интервале СС ММП отрицательного знака.

Признание того факта, что воздействие таких КФФ, как СА и СС ММП, имеющих одну – ”солнечную” природу, на динамику dВПОУ в ряде случаев является неоднозначным, приводит к необходимости рассмотрения хода данных процессов в цикле СА. C этой целью (применительно к 21-му циклу СА: для 1975, 1976 – минимума СА, 1979, 1981 – максимума СА и 1983 гг.) исследованы средние в цикле ММП уровни dВПОУ, СА и знака СС ММП, полученные методом наложенных эпох. Прежде всего, следует отметить наличие, в основном, двухсекторной структуры ММП и непостоянство скорости его вращения. Анализ регистрируемых данных показал, что средний период вращения ММП (в скобках синодический) в 1975 г. составило 27.36 (~ 25.4), в 1976 – 29.9 (~ 27.9), в 1979 – 27.75 (~ 25.75), в 1981 – 27.25 (~ 25.25) и в 1983 – 26.7 (~ 24.7 сут) сут. Если учесть, что синодический период вращения Солнца ~ 27 сут – на экваторе и ~ 32 сут у полюсов, то можно придти к заключению об отсутствии жесткой связи между периодами вращения Солнца и ММП: на минимуме СА имеет место отставание (почти на сутки), на максимуме и на спаде СА - опережение ММП по фазе до двух суток.

 Рассмотрение динамики СА и знака СС ММП в цикле ММП для исследуемых периодов в 21 цикле СА привело к неожиданному заключению о возможном закономерном (от цикла к циклу ММП) ее изменении. В частности, крутой фронт перехода от плюс-СС к минус–СС становится более пологим на интервале минимум – максимум СА (минимум знака СС сдвигается вправо почти на 10 сут). А пологий фронт перехода от минус-СС к плюс-СС становится более крутым (максимум знака СС также сдвигается вправо на 4-5 сут). При этом кривая СА в цикле ММП сдвигается влево примерно на 10 сут. На спаде цикла СА динамики СА и знака СС ММП восстанавливается. Подобные изменения показателей привели к изменению корреляционных связей между ними: от -0.65 (1975 г.) к 0.13 (1976 г.), 0.49 (1979 г.), 0.27 (1981 г.) и -0.72 (1983 г.). Рис. 7 (а, б, в) иллюстрирует динамику знака СС ММП (кривая 1) и СА (2) в цикле ММП на минимуме (1976 г.), максимуме (1981 г.) и спаде СА (1983 г.). Возможность закономерного изменения СА и знака СС ММП в рассматриваемой последовательности циклов ММП следует также из того факта, что сопоставление динамик данных показателей в периоды минимума (1976 и 1996-1997 гг.) и максимума (1981 и 2001-2002 гг.) СА на этапах 21-го и 23-го ее циклов показало их полное соответствие.

Нарушение связей между СА и знака СС ММП в последовательности циклов ММП привело к изменению связей с данными показателями и dВПОУ. В первом случае (dВПОУ-СА) уровни корреляции составляют: -0.66; 0.8; 0.62; -0.1 и 0.76. Во втором (dВПОУ-знак СС ММП): 0.36; 0.43; 0.68; -0.82 и -0.55.

Рис. 7. Динамика знака секторной структуры ММП (кривая 1) и СА (2) в цикле ММП на минимуме (а), максимуме (б) и нисходящей ветви СА (в) 21 цикла СА.

Можно полагать, что такого рода динамика связей КФФ с биохимическим показателем также является не случайной, а закономерной причиной отсутствия на определенных интервалах анализа информации корреляций, подтверждающих адекватные “отношения” между ними (например, обратную корреляцию ВПОУ с СА).

Таким образом, наблюдаемые случаи совпадения максимумов ВПОУ и ОСО, ВПОУ и СА и изменения связи между ними, изменения знака корреляции ВПОУ и СС ММП, вызванные действием КФФ (СА, МПЗ, ММП и др.) и (или) обусловленные спецификой метеорологических условий в месте проведения исследований, позволяют думать о том, что эта связь объективна и определяется двумя механизмами, один из которых способствует развитию или торможению окислительной реакции в приземном слое атмосферы, другой – повышению или снижению интенсивности разрушения озона.

Выполненные исследования влияния КФФ, прежде всего ММП и МПЗ, на динамику унитиолового теста позволяют рассматривать вариации МП (сезонные, суточные и т.д.) и их составляющие, как физический агент способный оказывать влияние на скорость окислительно-восстановительных реакций в модельных условиях унитиолового теста. Вполне вероятным представляется участие этого агента в механизме реализации действия космофизических факторов на окислительно-восстановительные процессы, происходящие в атмосфере и биосфере Земли.

ON SELECTIVE INFLUENCE OF COSMOPHYSICAL FACTORS ONTO VARIATIONS OF UNITIOL TEST RESULTS

E.S.Gorshkov, V.V.Ivanov, R.N.Pavlova¹, V.V. Sokolovski¹,V.S.Sorokina¹

St. Petersburg Branch of the Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of The Russian Academy of Sciences, 199034 Saint Petersburg, Mendeleevskaya str., bld. 1 E-mail: sl_iva@mail.ru

¹ The Institute for Analytical Instrumentation of The Russian Academy of Sciences, 198103 Saint Petersburg, Rizhski pr., bld. 26

Литература

1. Павлова Р.Н., Сорокина В.С. Спонтанные флюктуации окислительно-восстановительного состояния растворов /Сб. научн. трудов ЛСГ МИ под ред. проф. В.В.Соколовского. – Л.: ЛСГ МИ, 1986, с. 5-12.

2. Павлова Р.Н., Зайцева Н.К. Сопоставление показателей унитиолового и акрилонитрилового тестов со спонтанными изменениями ферментативной активности нервной ткани /Электромагнитные поля в биосфере. М.: Наука, 1984. Т.1, с. 215-220.

3. Резников А.П. Предсказание естественных процессов обучающейся системой. Новосибирск.: Изд. Наука, 1982. 292 с.

4. E. Gorshkov, V. Ivanov, V. Sokolovski. On manifestation of periodical disturbances of interplanetary medium in fluctuations of unithiol oxidation half-time. Proceedincs the 33^nd Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”. P. 197-200.

5. Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А. - Влияние солнечной активности на биосферу – ноосферу. Гелиобиология от А.Л. Чижевского до наших дней. - МИЭПУ.-М.-2000.-374 с.

6. Соколовский В.В. – Ускорение окисления тиоловых соединений при возрастании солнечной активности.// Проблемы космической биологии.-т.43: Влияние солнечной активности на биосферу.-1982.-Наука. - М.-с.194-197.