Статьи

Мы живем в мире циклов

Эта статья о сложных взаимоотношениях природы с потоком времени. О том, почему ученые до сих пор не могут понять, теплеет или холодает климат на планете, вызваны ли пресловутые «озоновые дыры» действиями человека или природными факторами. Это рассказ о том, как специалисты пытаются понять, почему растет нестабильность климата и количество катастроф. Статья в известной степени объясняет, почему в разные годы в лесах нашей области бывает больше или меньше клещей и комаров, почему колеблется численность других как полезных, так и вредных животных. Статья кратко рассматривает историю формирования учения о циклах и подготовлена с использованием последних материалов Хельсинской комиссии по Балтийскому морю (http://helcom.fi) и Европейского союза наук о Земле (http://egu2016), на ассамблеях которых автор имел почетную возможность присутствовать.

Вместо введения. Приключения маленьких зеленых человечков

Однажды на поляну перед загородной дачей опустилось НЛО. Из него вышел маленький зеленый человечек, подошел к открытому окну, протянул руку, схватил стоявший на столике будильник и пустился наутек. «Держи вора!» - завопила хозяйка и пустилась вдогонку, грозно размахивая веником. Но маленький зеленый человечек успел добежать до НЛО, и пока хозяйка дивилась на происходящее, летательный аппарат бесшумно взвился в воздух и исчез из вида.
Спустя некоторое время три исследователя – три маленьких зеленых человечка – собрались в центральной каюте НЛО, уселись вокруг будильника и начали экспертное совещание.
- Итак, дорогие коллеги, в ходе экспедиции мы раздобыли широко распространенный в данной цивилизации прибор. Думаю, что его изучение прольет свет на сущность этой еще мало понятной нам цивилизации. Первый вопрос, который предстоит изучить: какова математическая функция, описывающая зависимость состояния этого прибора от времени?
Первый, самый торопливый из маленьких зеленых человечков, взглянул на стрелки, которые показались ему неподвижными, и заявил:
- Состояние прибора инвариантно, т.е. неизменно относительно времени.
Второй маленький зеленый человечек, более дотошный, смотрел на стрелки несколько минут, после чего заключил:
- положение так называемых стрелок необратимо меняется во времени относительно корпуса.
Третий маленький зеленый человечек обладал более выраженным философским мышлением. Он сказал: «Не надо торопиться». Заседание отложили, и через некоторые время, когда эксперты собрались вновь, мудрейший из маленьких зеленых человечков дал свое заключение.
- Положение так называемых стрелок относительно корпуса прибора, именуемого будильником, меняется регулярно, каждый 12 часов возвращаясь к одному и тому же состоянию.
В заключение исследования маленькие зеленые человечки единогласно вывели важный философский принцип: «Для адекватного понимания законов функционирования системы и составления достоверных прогнозов необходимо охватить методами научных наблюдений период больше времени одного цикла изменения состояния системы».

Повторяющийся мир

Нигде единство природы и универсальность ее законов не проявляются так ярко, как в циклических, 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 год повторяющимся изменением длины светового дня. В их основе – движение Земли по орбите вокруг Солнца и колебание угла наклона земной оси.
Древнеегипетские жрецы полагали, что Солнце вращается вокруг Земли и на основе этого неверного положения подчас делали верные расчеты. Галилей и Коперник показали, что на самом деле Земля вращается вокруг Солнца. На уровне современной науки и это положение неверно. Вся система вертится вокруг общего центра масс. Но, так или иначе, в основе процессов в системе Земля-Солнце лежат повторяющиеся циклы. Самый большой цикл, известный современной науке – так называемый «галактический год» длится около 200 миллионов лет. Это время, в течение которого Солнечная система описывает траекторию вокруг центра нашей Галактики. Недопонимание законов повторяющегося мира может приводить к серьезным, даже политическим последствиям.
В 50-е гг. прошлого века уровень воды в Каспийском море стал резко падать. Это привело к большим проблемам для прибрежных городов СССР и Ирана: пришлось перестраивать порты, прокладывать новые дороги и т.д. Правительство Ирана обвинило нашу страну в том, что паденье уровня было следствием непродуманного строительства огромных плотин на Волге. Экологические обоснования этих великих строек, действительно, были слабыми. Но в этом ли причина проблем? Советские ученые, среди которых были такие заслуженные как историк Л.Н.Гумилев и другие, взялись разобраться в этом вопросе. Были выполненные многочисленные погружения под воду, исследовались древние городища, находившиеся под водой и на суше. Изучены архивные материалы и данные аэрофотосъемки. В результате оказалось, что сброс Волги – лишь небольшая часть водного баланса Каспия. Уровень воды определяют солнечная активность, процессы в подземных водных резервуарах и другие, не до конца изученные факторы. Удалось рассчитать циклику, предсказать время начала подъема уровня. Прогноз сбылся в 60-е годы с высокой точностью. Несправедливые претензии Ирана были отметены. Так понимание философского закона о необходимости учета периода меняющегося процесса привело к правильному пониманию геофизических процессов в этом важном регионе Земли.

Циклы и климат

На генеральной ассамблее европейского союза наук о Земле 2016 года прозвучала серия докладов экологов и астрономов, показывающих, что вращение по орбитам крупных планет - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - меняет положение центра масс Солнечной системы. Если Земля оказывается между Солнцем и крупными планетами, земной климат теплеет за счет потоков солнечной энергии, вырываемых из недр светила планетами-гигантами. Распределение масс в солнечной системе может влиять на положение и конфигурацию земного ядра. Это влияет на вулканическую активность. Сильные извержения могут выбрасывать в атмосферу пыль, что приводит к похолоданию. Более слабые преимущественно выбрасывают парниковые газы, что приводит к потеплению.
Циклы движения планет проявляются в климате. Справедливо, что нестабильность погоды и климата в целом последнее время выросла. Количество ураганов и наводнений увеличилось. Наиболее убедительное объяснение связывает эти процессы с вариациями скорости вращения Земли и радиуса орбиты Луны. Эти процессы определяют приливные взаимодействия, и, в конечном итоге, погоду.
С самого начала создание учения о климате его связывали со взаимным положением Солнца и Земли. Во II веке до н.э. древнегреческий астроном Гиппарх из Никеи ввел понятие «климат», которое означало «наклон». В понятие был заложен тот правильный факт, что погодные условия в основном определяются углом Солнца над горизонтом на той или иной широте.
Определяющую роль Солнца в земном климате знали еще первобытные люди. Не случайно многие языческие верования рассматривали Солнце как бога. В 20-х гг. прошлого столетия великий русский ученый Александр Леонидович Чижевский раскрыл подлинные механизмы влияния Солнца на планету в целом, на биосферу и ноосферу. Он же рассчитал основные ритмы изменения солнечной активности. В 20–40-х годах прошлого столетия сербский астроном Милетин Миланкович развил смелую (учитывая дефицит информации на то время) концепцию, объясняющую природу климатических циклов. В основе теории лежал синтез методов астрономии и климатологии. Основные климатические события ученый объяснял закономерностями вращения Земли, колебание наклона оси относительно орбиты, неравномерности вращения. Ученый смог объяснить асимметрию Земли — преобладание суши в Северном полушарии по сравнению с Южным. На суше во время похолодания образуются обширные ледники, увеличивающие альбедо планеты, т. е. долю отраженного солнечного света. Освещенность же северных широт существенно меняется вследствие вариаций астрономических параметров. Направление оси вращения планеты по отношению к перигелию земной орбиты изменяется с периодом 41 – 42 тыс. лет. Известно, что в периодичностью 100 000 лет меняется форма земной орбиты – от более круглой к эллиптической. С циклом 260 000 лет идут колебания плоскости орбиты. Итак, по Чижевскому, в основе климата лежат периодические процессы на Солнце, по Миланковичу – способность Земли воспринимать солнечную энергию. В число факторов, регулирующих климат, следует отнести и переполюсовку земного магнитного поля. В среднем раз в четверть миллиона лет магнитное поле Земли меняет полярность. Последний раз это было 78 000 лет назад. В момент смены полярности атмосфера в меньшей степени защищена от действия солнечного ветра и космических лучей. Начинается нагрев поверхности.
В год наша планета получает от светила 5 * 1012 килокалорий лучистой энергии. Половина ее идет на испарение океанов. Самый важный экологический процесс – фотосинтез, образование растениями первичных органических веществ и кислорода, забирает около процента этой энергии. 50 к одному - таково соотношение небиологических и биологических процессов. Силы неживой природы значительнее, чем силы биосферы. Климат, как вообще на планете, так и в конкретном месте, зависит не только от полученной солнечной энергии, но и от того, как она осваивается, какой процент поглощается, какой отражается обратно в космос. В конце прошлого века среди определенной прослойки относительно обеспеченных россиян стало модно зимой отдыхать в Египте. Летом, там, понятно, жара не приемлема для северян. Зимой в Египте Солнце стоит ниже, чем в Петербурге летом. Однако зимой в Египте жарче, чем в северной столице России летом, и туристы там загорают сильнее, чем на берегах Невы в летние месяцы. Дело в том, что над Сахарой сформировался исключительно чистый воздух с минимальным содержанием водяных паров, прекрасно проницаемый для лучей дневного светила. О воздухе Ленинградской области такого не скажешь. В то же время в Сингапуре, который находится в одном градусе от экватора, загореть практически невозможно из-за экстремальной влажности, плохо пропускающей солнечный ультрафиолет.
Самое солнечное место на Земле - не Сахара и не Аравийская пустыня, а Антарктида. В центре полярного плато на высоте 4 км. на каждый квадратный сантиметр поверхности поступает больше солнечной радиации, чем в тропиках. Воздух на ледяном континенте предельно чист. Слой атмосферы тоньше, чем в других местах планеты. Полярники под лучами самого южного солнца загорают сильнее, чем на пляжах Черного и Красного морей, подчас даже обгорают. Почему же в Антарктиде холодно? И не просто холодно, а экстремально до минус 90о по Цельсию. Дело в том, что большая часть поступающего от Солнца тепла отражается снегами и льдами. Исследования советских ученых показали, что шестой континент – самая большая область, обладающая отрицательным годовым балансом тепла. Здесь отражается больше тепла, чем принимается. Антарктида выбрасывает в космос не только ту энергию, которую сама получает от Солнца, но и ту, которая принимается другими частями планеты. Теплые ветры из Африки приносят тропическое тепло. Оно нагревает ледники, но инфракрасное излучение отражается ледниками в космос. Это одна из причин, почему южное полушарие холоднее северного. Нечто аналогичное происходит и в Арктике, но менее интенсивно, т.к. объем плавающего льда там намного меньше, чем величина антарктического ледяного панциря.
Теоретически Антарктиду можно было бы основательно нагреть, если распылить надо льдами красящий темный порошок. В какой-то момент в результате этого может произойти потепление, и начнут таять льды. Но таяние приведет к резкому повышению влажности атмосферы, а значит, снижению ее прозрачности для Солнца. И тогда холод вновь заявит свои права. В таком умозрительном эксперименте видна важнейшая особенность системы неживое – живое – социальное. Свойство это называется гомеостатичность, т.е. способность системы сохранять свои основные характеристики и противодействовать любым внешним возмущениям.
Таким образом, климат, безусловно, зависит от Солнца и изменения его активности, но зависимость имеет сложный характер. Модифицирующее действие на климат оказывают угол наклона земной оси, широта, степень прозрачности атмосферы, отражательная способность поверхности, степень парникового эффекта.

Мнение академиков Кондратьевых

Великий русский ученый академик Николай Дмитриевич Кондратьев (1892 – 1938) показал, что циклические процессы в равной степени свойственны неживой, живой и социальной природе. Будучи экономистом, он обнаружил волны экономических подъемов и спадов в обществе, имеющие периодичность в 55 – 60 лет. В последующих работах он приложил свой аппарат к изучению систем биологических, показал наличие циклов и в них. К сожалению, попытка привести понимание законов развития природы и общества к объективным закономерностям вступила в противоречие с государственной идеологией того времени, основанной на волюнтаризме: «большевики все могут». Кондратьев был арестован и расстрелян в 1938 г. Но теоретический задел его работ оказался настолько велик, что позволил во время Перестройки создать философскую школу «Прогнозы и циклы», научное общество с таким же названием, которые продолжают работать поныне.
Эти идеи подтолкнули на границе 20 и 21 веков однофамильца, академика Кирилла Яковлевича Кондратьева приложить теорию циклов к геофизическим процессам. Он показал, что как «глобальное потепление», так и «глобальное похолодание» являются частями многолетних циклов изменения климата. Деструктивная роль человечества тут невелика, поскольку человеческая энергетика во много раз слабее энергии естественных глобальных и космических процессов. Он опроверг так же пресловутое измышление об «озоновых дырах», рассчитав естественную циклику изменения концентрации озона в атмосфере в связи с вулканической и солнечной активностью.
Кирилла Яковлевича уже несколько лет с нами нет. По его идеи прогнозы живут. На последней ассамблеи Европейского союза наук о Земле были представлены данные, подтверждающие прогнозы этого ученого относительно мирового климата. Период глобального потепления кончился, начинается период снижения температуры, идущий через период роста климатической нестабильности.

Хищники и жертвы. Паразиты и хозяева

Еще один из механизмов существования циклов в живой природе вскрыл в 20-е гг. прошлого века итальянский математик Витио Вольтерра. Он разработал модели, ставшие классикой теоретической экологии. Это – модели «хищник – жертва», «паразит – хозяин». Логика здесь довольно проста и понятна даже без математических формул. Чем больше в лесу хищников (например, волков), тем больше жертв (например, зайцев) они съедают. Поголовье жертв уменьшается. В результате сокращается кормовая база для хищников. Их становится меньше. Жертва, почувствовал снижение пресса своих врагов, начинает увеличивать численность. Опять начинает увеличиваться число хищников, до тех пор, пока их давление на жертву не становится чрезмерным. Жертв снова становится меньше, а через некоторое время сокращается поголовье хищников. Так развиваются два сопряженных колебательных процесса. Данные охотоведов подтверждают наличие таких периодических зависимостей между численности плотоядных и травоядных зверей.
Аналогичные зависимости работают в системах организм – паразит, растение – фитофаг (т.е., животное, питающееся растениями). И все это является одной из основ колебательных процессов в живых системах. Рассчитать же определенной точностью на основе имеющихся наблюдений годы высоких и низких численностей тех или иных животных, помогают строгие формулы, выведенные Вольтерра и другими экологами.

Популяционные волны

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900 – 1981) был одним из ведущих биологов ХХ века, входил в число создателей современной генетики и эволюционного учения. Его жизнь прошла в России, Германии, в застенках Гулага и на руководящих постах германской и советской науки. Его биография описана в известной книге Д.Гранина «Зубр». Автору настоящей статьи посчастливилось в конце 70-х гг. выполнять функции личного шофера этого выдающегося человека и узнать много того, что не ведал даже весьма осведомленный Даниил Гранин.
Вот один из эпизодов бурной биографии Н.Тимофеева-Ресовского. В 30-е годы прошлого века, он, будучи директором германского биологического института, гуляя после работы по Берлину, увидел куст, усыпанный желтыми божьими коровками, сразу как специалист определил вид – Adalia bipunctata. Ученый запомнил этот факт. Спустя некоторое время на том же месте он увидел, что куст уже облеплен черными жучками того же вида. Николай Владимирович стал вести учет и понял, что частота черных и красных форм меняется во времени в соответствии с определенной периодичностью. Какого-то внешнего фактора, который мог влиять на это, не просматривалось. Так возникло представление о популяционных волнах и генетико-автоматических процессах. Оказалось, что структура популяций живых организмов может регулярно меняться независимо от внешней среды. Так же как периодичность движения стрелок часов определяет внутренняя пружина, так и генетический состав популяции меняется за счет пружин молекулярных. В результате работ Тимофеева-Ресовского мировая наука обогатилась знаниями об еще одной из основ циклических процессов в живых системах.

Внутреннее время космонавтов

Создатель практической космонавтики Сергей Павлович Королев, будучи одновременно и блестящим организатором и ученым-энциклопедистом, интересовался всеми проблемами, так или иначе связанными с космосом. В их число входили и проблемы медико-биологические. Ему было важно знать, как поведет себя организм космонавта при отсутствии обычной смены дня и ночи. А так же во время задуманного им пребывания на Луне и Марсе, где сутки отличаются от земных. Нужно ли космонавту искусственно навязывать ритм традиционный или лучше жить по особому «космическому» ритму? Для изучения этого вопроса был поставлен научный эксперимент. Группу испытуемых-добровольцев поместили в пещеры в горах Крыма, снабдили всем необходимым кроме часов и иных возможностей знать точное время, и предложили строить суточный график труда и отдыха по усмотрению. Оказалось, что в большинстве случаев биологические сутки у испытуемых стали удлиняться. Они спали по 10 – 12 часов, потом бодрствовали около 20 часов. При этом им казалось, что они живут в обычном измерении времени. Эксперименты до конца не были доведены в связи со смертью Королева и сокращением космической программы. Современным космонавтам все же предписываются обычные 24- часовые сутки. Но даже незавершенные опыты навели ученых на интересные выводы. Очевидно, человек как биологический вид, формировался в то время, когда Земля вращалась в полтора раза медленнее, чем сейчас. В наших генах зафиксирована память об этом. Когда внешняя среда не навязывает современный ритм, тогда генная память начинает пробуждаться и человек живет не по ритму, навязываемому внешней средой и традицией, а по внутренним часам.

Понятие хроноизменчивости

Самые однозначные ритмы в окружающем нас мире – космические. Движение небесных светил подчиняется строгим математическим формулам, каковые начали выводить еще жрецы древнего Египта. В космических процессах кое-что можно предсказать. Мы точно знаем, что в 2126 г. на территории Санкт-Петербурга будет наблюдаться полное солнечное затмение. Однако никто не знает, смогут ли наши правнуки его реально наблюдать из-за погодных условий. И уж точно ни один прорицатель не может сказать, какие события будут в это время происходить в нашем городе.
Солнечная активность – тоже процесс космический и циклический. Но она подлежит только приближенному расчету. Сто лет назад А.Л.Чижевский установил основной цикл солнечной активности равный 11 годам. Однако в действительности оказалось, что он варьирует от 7 до 17 лет. Эти вариации описываются научным термином «хроноизменчивость». Особо она заметна в биологии. Среди людей и животных кто-то взрослеет и стареет быстрее, кто-то медленнее. Любая женщина знает, что месячные могут наступить раньше положенного времени, а могут и позже.
Хронобиология как раздел экологии, добившись больших успехов в деле изучения организации биологических процессов во времени, сохранила ряд белых пятен. Одно из них - анализ хроноизменчивости, т.е. изменчивости временных параметров развития биосистем. Иначе говоря, хроноизменчивость - изменчивости длительности протекания процессов. Речь идет о процессах физиологических, онтогенетических и филогенетических. Изменчивости подвержены все временные характеристики организмов. 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.
Еще раз подчеркну, что мы живем в мире циклов. Но однозначно их рассчитать и предсказать очень трудно. Может это даже хорошо. Мир, где все предсказуемо, не может существовать в принципе.

Что же такое время?

Говоря о ритмах, нельзя не задуматься о том, что же такое время? Оно обычно рассматривается как философская категория, отражающая последовательность событий. По мнению многих современных ученых такая трактовка понятия времени недостаточна. Рассмотрим одну из физических концепций времени, еще не доработанную, но получившую в наши годы определенное научное признание.
Выдающийся ленинградский ученый Николай Александрович Козырев (1908 – 1983) посвятил свою жизнь изучению феномена времени и попытке систематизировать знания об этом феномене как физической субстанции. Суть его идей сводится к следующему. Традиционная физика признает существование нескольких полей. Это поля (или одно поле) микромира, т.е. ядерных взаимодействий. Это – два поля макромира – электромагнитное и гравитационное. Козырев в своих теоретических выкладках и экспериментах нащупал третье поле – поле времени. Через него может мгновенно и точно передаваться информация в пространстве. Может передаваться информация и во времени – из прошлого или будущего, однако, в размытом виде. Чем менее энергетически значимым является событие, чем дальше оно отдалено во времени, тем менее точной становится передаваемая информация. Козырев не был биологом. Однако, обладая широтой мышления истинного ученого, он понял значение биологической науки в изучении и осмысления феномена времени. В одной из своих последних 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."
Сейчас накоплено много информации о том, что животные (а иногда и люди) могут предсказывать стихийный бедствия и заблаговременно уходить в безопасную зону. Возможно, объяснение этих не до конца понятных способностей лежит в плоскости понимания физических свойств времени.

Заключение

Из всего вышесказанного следует, что необратимых катастроф в мире как живой, так и неживой природы не бывает. Есть множество циклов, в соответствии с которыми меняется солнечная активность, температура, уровень радиации, численность и интенсивность миграций тех или иных животных. Это хорошо заметно в природе нашей Ленинградской области. С регулярностью 55 – 60 лет (циклы Н.Д.Кондратьева?) меняется соленость воды в Балтике. В зависимости от этого становится больше либо морских, либо пресноводных рыб. Примерно с той же периодичностью меняется численность волков, лосей, рысей. С более короткими периодами происходят вспышки размножения паукообразных – собственно пауков, клещей. Их численность зависит от экологических причин, названных выше, генетико-автоматических процессов и других обстоятельств, не до конца вскрытых современной наукой. Год от года меняется число безобидных тритонов и пресноводных моллюсков. С периодичностью в несколько лет садоводы получают рекордные урожаи яблок, не вкладывая во фруктовые деревья в эти годы повышенных усилий. Но какие бы экологические или климатические рекорды не ставила природа, всегда надо помнить слова мудрого царя Соломона: «И это пройдет». Мы входим во все новые периоды повторяющихся циклов, но природа в целом остается такой же богатой и прекрасной.

Валентин Сапунов,
Почетный член Европейского союза наук о Земле (European Geosciences Union)