Методологические подходы к анализу циклические процессов в природе

В.Б.Сапунов

Российский Государственный Гидрометеорологический университет,

Малоохтинский, 98, С-Петербург, 195196, Россия

Введение

Важнейший абиотический фактор, физическая природа которого до сих пор не ясна - время. Биосфера постоянно находится в его потоке. Сущность времени изучалась философией и, в меньшей мере физикой. На сегодняшний день однозначного понимания категории времени нет. Одним из ученых, который смог добиться некоторых успехов в изучении времени, был Николай Александрович Козырев. Он посвятил свою жизнь изучению феномена времени и попытке систематизировать знания о нем как физической субстанции. Вот основные постулаты его теории.

Время – суть физическая субстанция, аналогичная полю.
Время существует во всей вселенной.
Информация в поле времени распространяется с бесконечной скоростью.
В известных пределах возможно предсказание будущего и получение информации из прошлого.
Детерминация событий носит размытый характер [Козырев, 1991].

Общепризнанной и законченной теории времени он не создал. Уровень науки ХХ века не позволил такой теории появиться на свет. Николай Александрович лишь наметил пути создания обобщающей теории, которая, может, будет создана его последователями в ХХI веке. Козырев не имел специальных биологических познаний, однако, обладая широтой мышления истинного ученого, он понял значение биологической науки в изучении и осмысления феномена времени. В одной из своих работ он писал "... свойства времени должны иметь особенное значение в биологических процессах... Его течение и свойства связывают весь мир в единое целое и могут осуществлять воздействие друг на друга явлений, между которыми нет прямых материальных связей, что может объяснить факты взаимодействия биологических объектов, находящихся на удалении и изолированных друг от друга." [Козырев, 1991, с. 384].

Понимая, что феномен времени не может изучаться в рамках одной физики, Козырев поддерживал долгие и плодотворные контакты с представителями биологических и гуманитарных наук. В 1979 г он выступил с лекциями о проблеме времени в Петрозаводске на всесоюзной школе по Теоретической биологии, и эти выступления дали толчок для целой серии исследований, в частности, и автора настоящей статьи.

Ниже я предлагаю свои соображения относительно существования живых систем в потоке времени, которые если не являются прямым развитием идей Козырева, то в значительной мере стимулированы его работами.

Методологические подходы к анализу циклические процессов в природе

Взаимоотношения между потоком времени и жизнью изучает несколько разделов экологии.

Биоритмология - (от греч. "ритмос"- размерность) - раздел биологической физики и экологии, изучающий циклические, повторяющиеся процессы в биологических системах различного уровня организации, от биосферного до молекулярного. Хронобиология - (от греч. "хронос" - время) - часто рассматривается как синоним термина "биоритмология". Однако, некоторые авторы все же разделяют эти науки. [Реймерс, 1991] Хронобиологию можно рассматривать как науку о развитии биологических процессов во времени с учетом как повторяющихся, так и неповторяющихся процессов.

Природе свойственны колебательные, или циклические процессы. Их изучает раздел экологии, называемый биоритмологией. Бывают ритмы суточные, или циркадные, годовые, многолетние. Подчас циклические процессы, вызванные космическими и глобальными факторами, больше влияют на природу, чем человек. Недопонимание этого обстоятельства приводит к неверным прогнозам и далеко идущим неблагоприятным социальным последствиям. Многие явления в окружающей мире, рассматриваемые как деструктивные – например, глобальное потепление 2-й половины 20 века, утоньшение озонового слоя, по сути, являются проявление глобальной и космической циклики и являются обратимыми. В связи с этим, объективный прогноз требует охвата научными методами отрезка времени большего, чем один период повторяющейся компоненты процесса [Сапунов Б.В., Сапунов В.Б., 1994]. Нигде единство природы и универсальность ее законов не проявляются так ярко, как в колебательных, или волновых процессах. Они затрагивают самые разные стороны жизнедеятельности живых систем всех уровней организации и подчас имеют сходное математическое описание.

Суточные ритмы в основном, определяются скоростью вращения Земли, что зрительно воспринимается, как движение Солнца по небосводу. Годовые ритмы определяются фотопериодом, т.е. регулярно, из года в года повторяющимся изменением длины светового дня. Как показал Александр Леонидович Чижевский [1995] - основатель такого важного раздела экологии как гелиобиология - солнечная активность из года в год меняется, и это серьезно влияет на все живые организмы на Земле. Вспышки размножения многих насекомых, микроорганизмов, растений, точно совпадают со вспышками солнечной активности. Влияют эти вспышки и на социальные процессы. Войны и революции обычно приходятся на периоды повышенной солнечной активности. Недавно была предпринята попытка связать циклические процессы размножения планктона с периодическими колебаниями геомагнитного поля Земли [Девяткин, Клайн, Шихова, 2004]. Как показал великий русский ученый - Николай Дмитриевич Кондратьев [1991], циклические процессы в равной степени свойственны неживой, живой и социальной природе.

Циклические процессы могут вызываться системными взаимоотношениями между хищниками и их жертвами, паразитами и их хозяевами и т.д. Графически динамика размножения организмов в таких колебательных системах описывается синусоидой, хотя в ряде случаев она бывает не совсем правильной. К этой неправильности мы вернемся ниже.

Фенология

Современное народное хозяйство не может функционировать без постоянного экологического мониторинга и регулярного составления обоснованных экологических прогнозов для нужд рационального природопользования и профилактической медицины. Традиционные методы мониторинга предусматривают измерения многих показателей состояния окружающей среды, использование авиационной, космической и другой сложной техники. Вместе с тем уровень современных научных разработок в области экологии таков, что позволяет получать значимые данные о состоянии окружающей среды относительно несложными и дешевыми методами. Среди них важное место занимают фенологические наблюдения.

Термин “фенология” произошёл от греческих слов “файно” - явление и “логос” - наука. Во-первых, фенология, это совокупность знаний о сезонных явлениях природы, сроках их наступления и причинах, определяющих эти сроки. Во-вторых, фенология - раздел популяционной экологии, рассматривающий сезонные аспекты жизни вида (различают, например, фенологии берёзы, волка, двуточечной божьей коровки т.д.). В третьих, это раздел фенетики, изучающий периодичность появления фенов - т.е. дискретных единиц фенотипа.

Фенология имеет два корня. Первый - это народные приметы и наблюдения, вобравшие в себя многовековый опыт общения с природой. Второй - современная экологическая наука. Фиксация времени наступления тех или иных <событий> в живой и неживой природе позволяет оценивать состояние природной среды и делать научно обоснованные прогнозы. Фенологические наблюдения могут осуществляться людьми, не имеющими специального научного образования, в том числе школьниками. Их можно выполнять, используя возможности детских экологических центров, станций юных натуралистов, охотничьих хозяйств и т.д.

Совокупность данных, имеющихся в распоряжении сотрудников экологических учреждений системы Российской Академии наук, высшего образования и Росгидромета, их профессиональная квалификация, позволяет извлечь максимум информации из совокупности данных фенологических наблюдений с целями:

Предсказать основные климатические показатели (температура, осадки) на ближайшие месяцы.

Предсказать непериодические явления в природе, такие как наводнения, землетрясения т.д.

Составить прогноз в отношении динамики численности популяций диких животных и растений.

4. Оценить уровень антропогенной нагрузки на природные экологические системы.

При этом точность прогнозов и оценок может быть не ниже, чем в случае использования традиционных методов мониторинга.

В условиях современного экономического кризиса и недостатка финансирования регулярные фенологические наблюдения, не требующие больших затрат, могут стать важным подспорьем в экологическом мониторинге.

Понятие хроноизменчивости

Хронобиология, добившись больших успехов в деле изучения организации биологических процессов во времени, сохранила ряд белых пятен. Одно из них - анализ изменчивости временных параметров развития и эволюции систем. Предлагаю называть это явление "хроноизменчивость". Биолого-экологический аспект хроноизменчивости, о котором в дальнейшем будет идти речь - изменчивость длительности протекания биологических процессов. Речь идет о процессах физиологических, онтогенетических и филогенетических. Изменчивости подвержены все временные характеристики организмов. Известно, что физиологические параметры (например, время необходимое для переваривания определенного количества пищи, для формирования яйца и т.д.); онтогенетические (скорость взросления, полового созревания, старения); филогенетические (скорость адаптации популяции к новым пестицидам) проходят в течение определенного времени, но это время подвержено вариации, или изменчивости.

Введение и использование понятия "хроноизменчивость" требует указания подходов к созданию системы классификации форм хроноизменчивости. Всякую биологическую изменчивость, как категорию, принято делить на наследственную и ненаследственную, количественную и качественную. Взяв за основу такую классификационную систему, выделим четыре основные формы хроноизменчивости:

1. Наследственная количественная. Отражает естественные колебания сроков развития в популяции, находящейся в стабильной, благоприятной среде. Подчинена распределению Гаусса и соответствует стандартным показателям изменчивости в стабильной популяции. Коэффициент вариации составляет 10% от количественного показателя в единицах времени срока онтогенетического или физиологического процесса. Пример - распределение группы людей по скорости полового созревания, старения и т.д.

2. Наследственная качественная. Находит выражение в наличии у популяции (и в виде в целом) нескольких морф, качественно различающихся по срокам протекания того или иного биологического процесса. Пример - распределение диких популяций раков на две морфы - быстро растущих и медленно (так называемые "тугорослики") [Федотов,1993].

3. Ненаследственная количественная. Отражает повышение степени хроноизменчивости в неблагоприятных условиях, когда среднее значение в популяции остается неизменным, а показатели вариации: ошибка, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации - возрастают. Например, в экстремальных условиях - скажем при боевых действиях, сразу выявляется прежде скрытая изменчивость по умению адаптироваться к таким условиям и соответственно появляется исключительное разнообразие по срокам дальнейшей жизни для солдата.

4. Ненаследственная качественная. Отражает появление под действием внешних воздействий в популяции, без ее генетической перестройки, принципиально новых хрономорф. Например, распределение популяции при перенесении ее в новые условия на особей, быстро достигающих половозрелости и медленно.

Большинству природных популяций свойственен стандартный уровень коэффициента вариации по любому признаку, в том числе связанному со сроками протекания процессов в пределах 4 - 7 % [Черепанов,1986]. Такие значение стабильны как для самцов, так и самок, а так же для партеногенетических популяций, состоящих из девственных самок. В неблагоприятных условиях коэффициент вариации может возрасти сначала у самцов, потом у самок в 1.5 - 3 раза [Сапунов, 1984].

Для иллюстрации приводим показатели изменчивости по срокам продолжительности эмбриональных стадий жизненного цикла в норме и в стрессовых условиях у насекомых - таблица. В отношении такого изученного организма, как дрозофила (Drosophila melanogaster) в литературе имеется лишь указания, что эмбриогенез длится 20 часов, без указания на изменчивость этого параметра (Медведев, 1969 и др.). В действительности, как показали наши опыты [Sapunov, Legkov, 1995], Это значение варьирует от 12 до 32 часов, причем в стрессовых условиях коэффициент вариации возрастает. Существенно, что в количественном отношении изменчивости, как по морфологическим, так и хронобиологическим показателям, описывается близкими значениями.

Таблица.

Хроноизменчичвость насекомых (по длительности периода эмбриогенеза)

Nпп	Вид	CV, %	Примечание	Источник
1	плодовая мушка Drosophila melanogaster	12	норма	Sapunov, Legkov, 1995
	"		стресс
	Тля Megoura viciae		норма	Legkov e.a.,1998
	"		стресс

Нерешенные вопросы взаимодействия живых организмов с потоком времени

Известно, что в экстремальных ситуациях время окружающего мира кажется человеку замедленным. Описаны случаи, когда в момент смертельной опасности люди видели летящие в них пули и снаряды, наблюдали последовательные фазы происходящего рядом взрыва. До последнего времени такого рода сведения систематизировались лишь в популярной, а не в научной литературе [Сапунов, 1993]. Несколько лет назад был предложен методический подход к изучению редких биологических явлений [Сапунов, 2000]. Однако, специфика обстоятельств, связанных с опасными для жизни ситуациями, затрудняет их научное исследование. Еще одно достоверное и малоизученное обстоятельство – способность живых организмов, включая человека, предсказывать катастрофические ситуации, связанные с выделением большого количества энергии. Животные могут предчувствовать природные катаклизмы и заранее покидать опасные места [Борисенков, Пасецкий, 2002]. Считается, что животные могут ощущать физические предшественники природных катастроф – инфразвуковые волны, выход радона из литосферных плит. Однако, животные могут предсказывать и экстремальные ситуации антропогенного происхождения, не имеющие физических предшественников. Недавно рассекреченные данные свидетельствуют – животные предчувствуют ядерный взрыв и стараются заблаговременно покинуть территорию полигона [Шевченко, 2003]. Механизм подобной проскопии, т.е. предчувствия будущего, пока неизвестен.

Можно предполагать, что малопонятные факты и обстоятельства, изложенные в настоящем разделе, могут быть осмыслены с опорой на теорию физических свойств времени, намеченную Н.А. Козыревым.

Заключение

В заключении отметим, что время для живых систем является абиотическим компонентом окружающей среды. Понимание времени только как философской категории недостаточно для современного уровня познания. Необходим не только философский, но и физический подход. Взаимоотношения живых систем с потоком времени могут быть описаны в терминах экологии и физики времени, раздела науки, заложенного трудами Н.А. Козырева. Объективный прогноз требует охвата научными методами времени большего, чем один период повторяющейся компоненты процесса. При этом существенно, что периоды повторяющихся процессов подвержены изменчивости. Это явление предложено назвать хроноизменчивостью. Законы взаимоотношения живых систем с потоком времени во многом остаются неизвестными. Комплексный подход к изучению этих законов, включающий методы биологических и физических дисциплин может существенно обогатить наши знания о самых фундаментальных сторонах существования природы и общества.

Литература

Борисенков Е.П., Пасецкий В.М. Летопись необычных явлений природы. С-Пб, Наука, 2002.
Девяткин В.Г., Клайн Б.И., Шихова Н.М. О связи некоторых характеристик экосистем Рыбинского водохранилища с активностью геомагнитного поля Земли // Биология внутренних вод, 2004, №2, с. 53 - 60.
Кондратьев Н.Д. Основные проблемы экономической статики и динамики. М., Наука, 1991.
Козырев Н.А. Избранные труды. Л., изд. ЛГУ, 1991.
Медведев Н.Н. Практическая генетика. М., Изд. АН СССР, 1969.
Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. М., Наука, 1991.
Сапунов Б.В., Сапунов В.Б. Формы развития природных процессов во времени и их отражение в биологии и русской иконописи // Циклические процессы в природе и обществе. Вып. 2. Изд. Ставропольского университета, Ставрополь, 1994, с. 90 - 92.
Сапунов В.Б. О возможности количественной оценки направления микроэволюционного процесса на основе краткосрочного анализа популяции // Биологические науки, 1988, 4, с. 62 - 68.
Сапунов В.Б. Время замедляет ход перед лицом смерти // Аномалия, 1993, №3 (41), с. 4 - 5*.
Сапунов В.Б. Таинственные способности контактов человека с окружающей средой // Основы антропоэкологии, С-Пб, Химиздат, 2000, с. 129 – 138.
Федотов В.П. Разведения раков, С-Пб, Биосвязь, 1993.
Черепанов В.В. Эволюционная изменчивость водных и наземных животных. Новосибирск, Наука, 1986.
Чижевский А.Л. Космический пульс жизни. М., Мысль, 1995.
Шевченко Т. Из эпицентра ядерных испытаний // От Невы до Ангары, Лилия, 2003, с. 223 – 240.
Legkov V.V., Krasavina L.P., Sapunov V.B. The control of fecundity of aphids Megoura viciae at population level//VI Eur. Congr.Entomol., Ac Sci Czech Rep. 1998. p.237.
Sapunov V.B., Legkov V.V. Effect of ultrasonic treatment on development of Drosophila eggs. Insects: chemical, physiological and environmental aspects. Wroclaw, Wroclaw University, 1995. P.333-337.

Аннотация

Работа посвящена приложению представлений Н.Козырева о времени как физической субстанции к анализу биологических процессов. Н.Козырев наметил пути создания обобщающей теории времени, которая, может, будет создана его последователями в ХХI веке. Он писал "... свойства времени должны иметь особенное значение в биологических процессах..." В работе предлагаются соображения относительно существования живых систем в потоке времени, которые если не являются прямым развитием идей Козырева, то в значительной мере стимулированы его работами.

Living systems under stream of time (with reference to ideas by N.Kozyrev)

V.B.Sapunov

Abstract

Professor Nikolai Kozyrev (1908 - 1983) worked toward general theory of time as physical phenomena. Foundation of such a theory is problem of 21 centure science. He suggested that characters of time have a big importance for biological systems. The aim of the artice is considering of interaction between living systems and stream of time basing of scientific suggestions by prof. Kozyrev.

Сведения об авторе

Сапунов Валентин Борисович, доктор биологических наук, профессор Российского Государственного Гидрометеорологического университета. Академик Петровской Академии Наук и Искусств, действительный член Нью-Йоркской Академии наук. Специализация - охрана окружающей среды, эволюционная экология человека. т. 577 3743.

* См. также http://www.drink.nov.ru/anomal/anom_03.shtml - Время и человек. Ред. портала

"Компания открытых систем "приглашает всех заинтересованных лиц дать свои комментарии по поводу данной статьи доктора биологических наук, Академика Петровской Академии Наук и Искусств, действительного члена Нью-Йоркской Академии наук и прислать их на наш email: [email protected]. Наиболее интересные статьи, комментарии, высказывания обязательно будут опубликованы.