Возможные причины нестабильности воспроизведения гелиобиологических результатов

Зенченко Татьяна Александровна ORCID: 0000-0002-0520-2029 доктор биологических наук старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук, старший научный сотрудник Института космических исследований Российской академии наук 142290, Россия, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, 3 Zenchenko Tatiana Doctor of Biology Senior Researcher at the Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of RAS; Senior Researcher at the Space Research Institute of RAS 142290, Russia, Moscow region, Pushchino, Institutskaya str., 3 zench@mail.ru

Бреус Тамара Константиновна доктор физико-математических наук главный научный сотрудник Института космических исследований РАН 142290, Россия, Московская область, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 Breus Tamara Doctor of Physics and Mathematics Chief Researcher at the Space Research Institute of RAS 142290, Russia, Moscow region, Moscow, ul. Profsoyuznaya, 84/32 breus36@mail.ru

Введение

Гелиобиологией называется научное направление, изучающее закономерности солнечно-биосферных связей. Из разрозненных наблюдений отдельных естествоиспытателей в серьезную науку гелиобиология оформилась в 20-е гг. XX века в работах русского ученого Александра Леонидовича Чижевского, который с тех пор считается ее основоположником.

Сформулированное им открытие ученый и поэт А.Л.Чижевский отражал в образных названиях написанных им книг: "Земля в объятьях Солнца", "Космический пульс жизни", "Земное эхо солнечных бурь". Суть открытия заключалась в том, что буквально все процессы на Земле, протекающие в живой природе, в атмосфере, гидросфере, литосфере и т.д. испытывают на себе действие солнечной активности. Такое заключение с неизбежностью напрашивалось из-за присутствия в этих процессах 11-летних циклов, давно известных в динамике солнечной активности.

Чижевский приводит длинный перечень таких процессов: "К настоящему времени следующие физические явления на Земле поставлены в причинную зависимость от степени напряженности солнечной активности:

1. Напряженность земного магнетизма. Магнитные бури (Lamont. 1850; Sabin, Cautur, Wolf. 1852), а также и частота магнитных бурь.

2. Частота полярных сияний (Fritz, 1863; Loomis).

3. Частота появления перистых облаков (Klein), их радиация (А. Моисеев).

4. Частота появления галосов и венцов вокруг Солнца и Луны (Messerschmidt, Моисеев, 1917).

5. Количество ультрафиолетовой радиации (Dobson, 1924; Pettit).

6. Количество радиоактивной эманации в воздухе (Bongards, 1923).

7. Степень ионизации верхних слоев атмосферы (Schuster. Pieard, Austin, 1927). Изменения электрической оболочки атмосферы, радиоприема, слышимости и т. д.

8. Колебания напряженности атмосферного электричества (Wislicinus, 1872; Chree, Bauer).

9. Частота и интенсивность грозовой деятельности (Lenger. 1887; Hess, Д. Святский, А. Моисеев, 1920).

10. Количество озона в воздухе (Moffat, 1876; Dobson, Harrisson, Lowrens).

11. Количество космической пыли в воздухе (Busch, Arrhenius, Berberich) и др. и окраска неба (Busch).

12. Количество тепловой радиации (инсоляции) (Савельев, 1884, 1905—1920).

13. Температура воздуха у поверхности Земли и воды морей (Gautier. 1844; Köppen, Fröhlich, Flammarion, Ricco, Nordmann, Langley, M. Dowall, Meisner Mielke, Terada и др.).

14. Давление воздуха (Broun, Archibald, Lockyer, Лейст, Walker, Clayton, Федоров и др.).

15. Частота бурь, ураганов, смерчей (Meldrun, 1872; Rocy, Reich, Kawazoe-Mampei, Myrbach, m-me Flammarion, Kulmer).

16. Количество осадков (Meldrun, Lockyer, Symons, Archibald, Hill, Kassner, Huntington, Moreux, Шостакович и др.), частота градобитий (Fritz) и число полярных айсбергов.

17. Высота уровня озер (Moreux, Wallen, Визе, Святский, Шостакович и многие другие)." ^[1].

Второй приводимый перечень включает явления в биосфере, для которых была ранее обнаружена связь с периодической деятельностью Солнца, а также электричеством и магнетизмом Земли:

"1. Величина урожая кормовых злаков (Sir, W. Herschel, 1801; Clarce, Danson, Fritz, Show, Hunter, Endstrom, Flammarion, M. Семенов, Б. Ястремский).

2. Количество и качество добываемого вина (Sartorius, H. Fritz, 1878; Memery, Lackowsky).

3. Рост древесины (толщина годичных колец) (Lem-strom, Helland-Hansen, Nansen, Huntington, Douglass).

4. Время зацветания растений (Marchand, Flammarion, Nansen, Helland-Hansen).

5. Пышность цветения растений (Belot, 1927).

6. Эпифитии (Чижевский, 1927).

7. Размножаемость и миграции насекомых (Кеппен, 1870; Fritz, Hahn, Giard).

8. Размножаемость и миграции рыб (Nansen. Helland-Hansen, 1909; Шостакович). Количество икры в печени некоторых рыб.

9. Время весеннего прилета (миграции) птиц (Marchand, Flammarion, Moreux, Шостакович).

10. Размножаемость и миграции животных (грызунов, пушных) (Туркин, 1900; Simrotti. 1907).

11. Продолжительность стойлового содержания скота (Ястремский, 1926).

12. Эпизоотии, падеж скота (Чижевский, 1927).

13. Качество кальция в крови (H. et R. Bakwin).

14. Частота поражений человека ударами молнии и частота пожаров от молнии (Bondin, О. Steffens, 1904).

15. Колебания веса младенцев (Жуков, 1928)". ^[1].

Из приведенных перечней можно увидеть, во-первых, насколько давно и широко естествоиспытателей интересовал вопрос о возможном влиянии ритмики Солнца на земные процессы: в списке упоминаются научные работы с середины XIX века. Также можно оценить широту охвата природных явлений, для которых такая связь наблюдается, от полярных сияний и ураганов, динамики высоты озер и прилета птиц до состава крови человека и веса новорожденных младенцев.

В эти собранные и систематизированные перечни известных к тому времени научных наблюдений Чижевский включил и обнаруженные им самим многолетние закономерности, в частности, возникновения больших эпидемий. Несколько примеров из его книги приведены на рисунках 1-3.

Figure 3. - Relationship between diphtheria incidence (thin curve) and solar activity in Denmark. The diphtheria curve is shifted five years to the right. The spontaneous course of the epidemic was stopped by the human mind: the pink sector (since 1894) - the introduction of serotherapy.^[1]

Однако внимательный анализ приведенных рисунков выявляет одну особенность: рассматриваемые процессы действительно обладают яркой 10-11 летней периодичностью, но вот их фазы при сопоставлении с ходом солнечной активности различаются. Например, на рисунке 1 наблюдается совпадение моментов экстремумов в двух рядах, на рисунке 2 для совмещения моментов максимумов одна кривая смещена относительно другой на 2 года, а на рисунке 3 сдвиг фазы составляет пять лет, т.е. процессы идут практически в противофазе.

Чижевский описывает это явление таким образом: "Изучая различные проявления органической жизни в наших других изысканиях, мы должны были прийти к выводу, что помимо зависимости органического мира от периодических колебаний солнцедеятельности существуют еще некоторая взаимосвязь и известные взаимодействия различных областей биосферы между собою, регулируемые этой солнечной периодичностью. Так, например, колебания урожайности, произрастания семян, роста древесины хотя и стоят в тесной связи с деятельностью Солнца, но для различных местностей обнаруживают различные уклонения со сдвигом точек максимумов и минимумов в ходе кривой в различные стороны, а иногда давая явный контрпараллелизм. Аналогичного рода явления наблюдаются и в распределении некоторых эпидемий во времени и пространстве, что мы и видели выше." ^[1]

Таким образом, уже сам основатель гелиобиологии в начале XX века писал о том, что при изучении связи различных биосферных показателей с солнечной активностью мы заведомо не сможем выводы из наблюдений, выполненные в одной области Земли, перенести на другие регионы. В какой-то момент устойчиво наблюдаемая синхронность вдруг пропадала (Рис. 3), и далеко не всегда удавалось найти возможные причины этой рассинхронизации.

Так была обнаружена и сформулирована основная проблема исследования солнечно-биосферных зависимостей, а именно их недостаточная, с точки зрения классической физики, универсальность и воспроизводимость.

Существовали и другие серьезные претензии к гелиобиологическим исследованиям со стороны классической академической науки, которые оставались актуальными в течение всего XX века. Во-первых, не удавалось точно воспроизвести наблюдаемые эффекты в лабораторных условиях. Проблема заключалась в том, что имитация в лаборатории всего сложного комплекса взаимосвязанных факторов космической погоды, сопровождающих, например, развитие магнитной бури, была и остается до настоящего времени задачей невыполнимой. Поэтому постановка экспериментов была редуцирована до исследований влияния на живые объекты одного физического фактора из этого комплекса, а именно переменного магнитного поля низкой интенсивности. Эти эксперименты давали положительные результаты, но с существенными оговорками: для получения устойчивого магнитобиологического ответа требовались либо повышенные (по сравнению с природными) амплитуды переменной составляющей магнитного поля, либо многократные, в течение нескольких дней, периодические экспозиции поля, т.е. необходимо было накопление эффекта ^[2-5].

Конечно, попытка заменить сложный взаимосвязанный комплекс солнечно-магнитосферных факторов, называемый космической погодой, одним монохромным сигналом магнитного поля определенной частоты и амплитуды были, с точки зрения методологии, весьма наивными. Но отсутствие удачных экспериментов по стабильному воспроизведению в лаборатории наблюдаемых эффектов магнитной бури вызывало серьезный скептицизм у физиков.

Третья претензия к гелиобиологии со стороны официальной науки заключалась в том, что у современной физики не было теоретических моделей, способных удовлетворительно объяснить механизм значимого влияния на живые системы столь низкоинтенсивных физических факторов, каким являлись вариации геомагнитного поля или космических частиц.

Существование этих претензий к результатам и выводам гелиобиологии приводило к ситуации, когда исследователи, не имея возможности прямо опровергнуть высказанную критику, снова и снова занимались поисками подтверждения существования гелиобиологического эффекта. Расширялся список объектов, для которых был обнаружен эффект, увеличивалась частота наблюдений - от ежегодных данных к месячным, суточным и даже минутным, увеличивались объемы выборок и длины рядов наблюдений. Однако принципиально ситуация не менялась: гелиобиологический эффект, во-первых, обнаруживался при всех формах организации наблюдений, во-вторых, оставался недостаточно стабильным, т.е. обнаруживался не всегда.

Такое противостояние продолжалось практически в течение ста лет: с одной стороны были многочисленные результаты наблюдений ученых-гелиобиологов, а также многолетний опыт практикующих врачей-биоклиматологов и кардиологов, видевших и учитывавших в своей работе неблагоприятные эффекты космической погоды. С другой - скептицизм "академических" ученых, в первую очередь физиков, раз за разом приводивших перечисленные выше аргументы против существования значимых солнечно-биосферных связей: недостаточная воспроизводимость наблюдаемых эффектов, невозможность их точного воспроизведения в лабораториях, отсутствие теоретических моделей влияния сверхслабых факторов.

Однако в последнее десятилетие гелиобиология сумела серьезно продвинуться в решении двух из вышеупомянутых противоречий: появились физические теоретические модели, описывающие возможные механизмы действия крайне слабого переменного магнитного поля, сравнимого по амплитуде с земным, на живые организмы ^[6,7]. Так же были опубликованы результаты экспериментов с записанными и воспроизведенными в лаборатории магнитными бурями, экспозиция в которых живых организмов давала устойчиво воспроизводимые эффекты ^[8-10]. Таким образом, можно заключить, что к настоящему моменту и теоретически и экспериментально показано, что магнитные поля столь низкой интенсивности вполне могут оказывать влияние на живые системы.

В то же время, факт нестабильности гелиобиологических эффектов традиционно рассматривался исследователями как следствие несовершенства экспериментальной базы и методики анализа: погрешностей сбора медицинских данных, неоптимального выбора параметров космической погоды, характеризующих ее биотропность, неэффективности выбранных математических методов анализа.

Например, в литературе существует очень большое количество исследований, посвященных эффекту "Скорой помощи", когда во время магнитных бурь наблюдалось увеличение числа обращений в больницы по поводу острых сердечно-сосудистых осложнений и даже увеличения случаев внезапной смерти. Но при сравнении конкретных характеристик эффекта ‑ какова его амплитуда, на какой день от начала бури наблюдается максимальное повышение заболеваемости ‑ наблюдались значительные расхождения между результатами разных авторов. Среди возможных причин таких расхождений обсуждалось, например, некорректно поставленный диагноз или неточность даты начала заболевания: например, был ли инфаркт, диагностированный врачом Скорой помощи, подтвержден уже в больнице; произошел ли он в день вызова Скорой или в предшествующие дни. Постепенно эти, реально существовавшие, недостатки, были устранены, в методику сбора данных были добавлены соответствующие уточнения, однако разнонаправленность эффекта от этого не исчезла.

Другой наглядный пример попытки снизить нестабильность гелиобиологических результатов за счет улучшения методических моментов относится к клиническим исследованиям динамики уровня артериального давления (АД) у пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Врачи, проводившие исследования, уделяли большое внимание тому, чтобы группы пациентов были однородными по полу, возрасту, анамнезу, сроку заболевания, поскольку эти, традиционные для медицины, критерии отбора пациентов считаются принципиально важными для надежности результата. Однако в случае гелиобиологических исследований это помогало слабо: даже при соблюдении критериев отбора групп пациентов, однотипные исследования, проведенные в разное время или в разных местах, очень часто показывали различия в результатах. Например, эффект увеличения уровня АД наблюдался только у некоторой (переменной по величине) части экспериментальной группы, или момент наступления максимума реакции отличался по времени сдвига от начала магнитной бури. Иногда наблюдали даже разные знаки реакции: в одном исследовании значения росли, а в другом нет.

Например, в двух однородных группах здоровых волонтеров (86 чел в Болгарии ^[11] и 51 чел в Мексике ^[12]) исследовали возможные изменения показателей артериального давления в периоды сильных магнитных бурь. По заключениям авторов, в первом случае подъем среднегруппового уровня АД был достаточно длительным и наблюдался от -1 до 2 дня относительно дня начала бури, а во втором наибольшее увеличение систолического АД наблюдалось за два дня до и один день после этого шторма.

Значительные разногласия в заключениях о конкретных характеристиках эффекта наблюдаются при исследовании реакции частоты сердечных сокращений в ответ на явления космической погоды ^[13-15].

Чтобы как-то объяснить такое различие результатов, обычно в конце каждой конкретной статьи авторы высказывали предположение, что существуют какие-то еще, неучтенные ими факторы, которые отличают их исследование от других и приводят к вариабельности наблюдаемого ими гелиобиологического эффекта.

Наконец, третий характерный пример попыток преодоления нестабильности касается методических подходов к анализу данных. Долгое время в литературе встречались случаи некорректного использования традиционных статистических и спектральных методов, что вызывало у математиков справедливую критику и сомнение в получаемых результатах. Самой распространенной ошибкой было вычисление коэффициента корреляции для временных рядов, не удовлетворяющих необходимым критериям стационарности данных, т.е. содержащих низкочастотные тренды или периодические колебания, без предварительного их устранения. Со временем подобные ошибки применения традиционных методов постепенно исчезли, а также появились новые алгоритмы анализа, разработанные специально для гелиобиологических задач, однако все эти усовершенствования не решили проблемы нестабильности результатов.

Таким образом, несмотря на значительное совершенствование методологии сбора экспериментальных данных, кардинальное увеличение объема экспериментальных выборок и разнообразия видов наблюдений, разработку все новых математических алгоритмов анализа, всерьез приблизиться к разгадке причин нестабильности эффекта не удавалось.

На самом деле, основная причина вариабельности гелиобиологического эффекта была сформулирована еще Чижевским: "Сложность анализа эпидемиологических явлений заключается в сложности анализа общей, едино-слитной системы биосферы, жизнедеятельность и взаимосвязь различных функций которой нам представляются еще в более туманных контурах". ^{[1, стр. 233]}.

Другими словами, начиная с XVII века, базовый подход физики к изучению природы опирается на прием построения идеализированных рабочих моделей изучаемого закона или процесса: ученому необходимо на начальном этапе своего исследования включить в модель значимые, по его мнению, элементы системы и исключить незначимые. И этот прием относится не только к теоретическим построениям, но и к экспериментам.

Система солнечно-геосферно-биосферных связей оказалась слишком сложной для традиционных методологических подходов естествознания XX века, и попытки построить рабочую модель в этих рамках приводили к тому, что в число ее значимых элементов не попадали критически важные факторы или связи.

Несколько таких факторов было обнаружено чисто эмпирически в последние три десятилетия в процессе развития гелиобиологической науки. В том числе при активном участии и нашей группы, были выявлены и подтверждены несколько аспектов, специфических именно для гелиобиологических исследований:

1) Индивидуальный характер реакции: анализ индивидуальных данных дает намного более самосогласованные и логичные результаты, чем традиционно принятый в медицине средне-групповой подход. Операция усреднения по группе в значительной степени скрывает гелиобиологический эффект.

2) Обязательность одновременного учета действия факторов земной и космической погоды: эти два класса факторов воздействуют на одни и те же системы организма, и их сочетание может как усиливать, как и ослаблять гелиометеотропный эффект.

3) Учет временного фактора, т.е. фазы ритмических гелиофизических процессов, причем в любом масштабе времени: 11-летнего солнечного цикла, среднего уровня геомагнитной активности в период проведения наблюдений, на внутрисуточном масштабе ‑ соотношение фаз магнитной бури и суточной геомагнитной вариации.

Рассмотрим их подробнее.

Новые методологические подходы

1. Индивидуальный характер реакции

Долгое время в науке, в том числе и в гелиобиологии, для выявления систематических изменений и нивелирования шумовых эффектов использовался метод усреднения некоторого параметра по выборке исследуемых объектов. Именно в рамках этого подхода были выполнены упомянутые выше эксперименты по изучению реакции артериального давления здоровых людей на магнитные бури.

Однако около 30 лет назад был выдвинут и обоснован тезис о том, что "гелиометеотропные реакции у разных людей могут быть различными" ^[16]. До этого момента традиционно, "по умолчанию", предполагалось, что люди (или животные) одного пола, возраста и медицинского статуса должны показывать сходную реакцию на действие одинакового внешнего фактора, и в частности, элементов космической или земной погоды. Это базовое предположение позволяло исследователям объединять испытуемых в группы и определять параметры средне-групповой реакции. Однако результаты, описанные В.Н. Шеповальниковым и С.И. Сороко, четко показали неэффективность такого подхода в гелиобиологии. «Реально существующий спектр метеотропных реакций индивидов оказывается гораздо шире «средних» реакций, выведенных на основании сложения показателей разных людей. При этом за счет большинства полностью исчезает представление об отличающихся формах связи физиологических параметров с метеоэлементами у меньшинства, а, с другой стороны, данные меньшинства не вписываются в общую систему, вносят искажения в данные большинства» ^{[16, стр. 142]}.

Это открытие позволило объяснить, почему попытки выявления средне-групповых реакций на факторы космической погоды в некоторых случаях давали статистически значимые результаты, а в других показывали отсутствие реакции.

На рисунке 4 приведены результаты анализа индивидуальной реакции 86 молодых (18-20 лет) здоровых женщин на действие геомагнитной активности. У каждой участницы измеряли артериальное давление, систолическое (САД) и диастолическое (ДАД), а также частоту сердечных сокращений (ЧСС) ежедневно в течение 100 дней. Тех, у кого коэффициент корреляции между ежедневными значениями уровня АД и показателем Кр уровня геомагнитной активности был статистически значимым, считали магниточувствительными; таких оказалось в данной группе 25%. Для них вычисляли также параметр "амплитуды реакции" ‑ относительный размах значений АД и ЧСС, наблюдаемых при высоких и при низких значениях уровня геомагнитной активности. На рисунке 4 величины индивидуальных изменений АД и ЧСС даны в долях от максимально наблюдаемого разброса значений для данного испытуемого.

Figure 4. - Distribution of response amplitudes of systolic and diastolic blood pressure and heart rate indicators to an increase in the level of geomagnetic activity for magnetically sensitive volunteers (observation data provided by P.E. Grigoriev).

Из гистограмм рисунка 4 видно, что, во-первых, относительная величина изменения АД, потенциально обусловленная изменением уровня геомагнитной активности, составляет 20-40% от максимального наблюдаемого размаха данного параметра. Для ЧСС эти изменения составляют 20-30%. Во-вторых, относительное количество людей, у которых при изменении уровня геомагнитной активности уровень АД и ЧСС повышается, и у которых этот уровень понижается, оказывается практически одинаковым. Очевидно, что математическая операция поиска усредненного эффекта по этой, достаточно большой группе, дала бы нулевой эффект.

В другом случае очень близкое по дизайну исследование ^[17] показало, что значимая реакция показателей АД на изменение геомагнитной активности наблюдается у 53% испытуемых, т.е. процент магниточувствительных людей в этой группе примерно в два раза больше, чем в исследовании на рисунке 4. Но главное, в случае ^[17], у всех участников она имеет один и тот же знак, т.е. у всех испытуемых при возрастании уровня геомагнитной активности уровень АД растет. Если к результатам этого эксперимента применить классический метод усреднения по группе, мы получим статистически значимый эффект возрастания средне-группового уровня АД в день магнитной бури.

Из приведенных примеров следует, что в гелиобиологии везде, где это позволяют объемы полученных массивов данных, предпочтителен индивидуальный подход, с последующим объединением однотипных реакций в группы и вычислением относительной доли каждого типа. В этом случае "среднегрупповая" реакция автоматически вытекает, как сумма, из множества индивидуальных, но при этом сохраняется информация о "внутренней структуре" множества, а не только о результирующей сумме. Основным недостатком индивидуального подхода является его значительно