3.3.2. Влияние природных геофизических полей на живые организмы. Большинство процессов, происходящих в живых организмах и регулирующих их жизнедеятельность, относятся к классу электрохимических или электрофизических. В силу этого при оценке экологического эффекта воздействия геофизических полей основной интерес вызывают электрические, электромагнитные и магнитные поля, хотя роль геофизических полей других видов также не может считаться второстепенной и несущественной.

Экспериментально установлено влияние слабых физических полей на живые организмы. Так, например, длительное воздействие малых доз ионизирующего излучения может приводить к заметным соматическим (т.е. телесным), а также генетическим (наследственным) эффектам в живых организмах. Также известно, что воздействие, например, электромагнитных полей и поля ионизирующего излучения на человека практически не имеет нижнего ограничивающего предела и начинается с момента появления такого источника. Аномальные проявления геофизических полей, обусловленные геологическими причинами, также могут оказывать воздействие на биоту в целом и на человеческий организм в частности. Следует подчеркнуть генетическую связь полей, называемых геофизическими, именно с литосферой или с глубинными "сферами" земного шара и лишь весьма опосредованную связь с процессами, происходящими в ближнем и дальнем космосе. В табл. 3.2 приведены характеристики наблюдаемых геофизических полей, их фоновые, аномальные значения и вариации.

Геофизические поля являются раздражающим фактором, не приводящим, как правило, к серьезным экологическим последствиям. Однако при достижении определенного уровня интенсивности (например, в случае техногенных физических полей) они могут становиться также и поражающим фактором. Восприятие организмом оказываемого на него энергетического воздействия начинает сказываться при уровне интенсивности сигнала любого генезиса в пределах от 10^-12 до 10^-2 Вт/м². Такой широкий разброс величины порогового значения (до 10 порядков) объясняется

55

Таблица 3.2

Характеристика геофизических полей

неодинаковой чувствительностью человеческого организма к физическим полям различной природы. Так, например, кожные рецепторы уже реагируют на прикосновение, энергия которого составляет всего 10^-10 Дж.

Энергетическое воздействие геофизических полей на живые организмы можно представить в виде суперпозиции двух составляющих - квазипостоянной, обусловленной действием изменяющихся

56

в относительно небольших пределах и с большими (даже в геологическом исчислении времени) периодами цикличности геофизических полей естественной природы, и переменной, зависящей от ритмики Вселенной и связанной с вращением Земли вокруг своей оси и обращением вокруг Солнца, с взаимодействием Земли со своим спутником - Луной и другими планетами Солнечной системы (Чижевский, 1976; Атлас временных вариаций..., 1994; Яницкий, 1998).

Особенности влияния геофизических полей на живые организмы обусловлены пространственно-временной структурой этих полей и особенностями строения организмов.

Способность организмов реагировать на магнитное поле Земли может быть обусловлена наличием в их клетках скоплений магнетита органического происхождения. Такие скопления обнаружены у голубей, пчел, моллюсков и у человека. Кроме того, организм сам является источником магнитного поля, которое может взаимодействовать с внешним полем. Магнитные поля живого организма вызываются ионными биотоками, мельчайшими ферромагнитными частицами, попавшими в организм случайным образом, и неоднородностью магнитной восприимчивости различных органов и тканей, которая проявляется в условиях наложения внешнего магнитного поля. Магнитные поля живых организмов, как правило, крайне малы по сравнению с геомагнитным полем и в силу этого могут подпадать под влияние даже очень слабых его изменений. Установлено, что уменьшение действующего магнитного поля на четыре-пять порядков приводит к гибели клеток. В качестве иллюстрации зависимости функционирования живых организмов от геомагнитного поля на рис. 3.9 приведены данные, опубликованные в работе А.Л. Чижевского (1976). Сопоставление суточного хода вариаций геомагнитного поля с числом припадков у людей, страдающих эпилепсией (тяжелая болезнь головного мозга), показывает, что обострение болезни (припадочное состояние) наступает в периоды наиболее сильных изменений поля (наибольшей величины градиента поля).

Наличие сильного гравитационного поля не только позволяет Земле удерживать вокруг себя мощный газовый слой (атмосферу) и водную оболочку (гидросферу), обеспечивать круговорот воды и движение ледовых масс по поверхности планеты, но и является одновременно одним из основных факторов, определяющих активность геологических и биологических процессов, обеспечивающих существование жизни.

Гравитационная зависимость живых организмов оценивается по характеру их реакции на изменение величины и направления вектора поля тяготения. Гравитационное воздействие становится

57

Рис. 3.9. Сопоставление изменений напряженности геомагнитного поля в течение суток (сплошная линия) с частотой приступов у больных, страдающих эпилепсией (пунктирная линия) (Чижевский, 1976)

потенциально значимым уже для тканевых клеток и микроорганизмов, размеры которых превышают 10 мкм. Однако для насекомых и других мелких биологических объектов физиологическое значение изменения гравитации несущественно, поскольку они без видимых последствий способны переносить стократные перегрузки. Для крупных представителей животного мира, в том числе и для человека, изменения величины и направления действия поля тяготения являются дестабилизирующими факторами. Так, при значительном увеличении поля силы тяжести уменьшается двигательная активность, снижается количество выводимой из организма жидкости, содержание азота и калия. В то же время наблюдается увеличение количества

58

потребляемой пищи и энергии, возрастает содержание в организме воды, натрия, кальция и фосфора. Обратное по знаку изменение гравитационного поля приводит к уменьшению потребности в пище и энергии, снижению количества воды в организме, содержания натрия, кальция и фосфора. Конечно, такого рода изменения в полной мере проявляются при значительных вариациях силы притяжения, которые могут иметь место, например, при осуществлении космических полетов или при специальных испытаниях на центрифуге. Однако не исключено, что подобные эффекты, хотя и в меньшей степени, могут проявляться в условиях "земных" вариаций гравитации, которые сопутствуют перемещениям вдоль линии меридиана из средних широт в высокие и наоборот, а также изменению высоты над уровнем моря.

Температурное поле является одним из факторов, определяющих границы выживаемости биоты. "Разрешенные" вариации глобального температурного поля не так велики. В частности, понижение средней температуры на поверхности планеты на 3 - 4° или повышение ее на 3 - 3,5° грозит последствиями, с которыми современная цивилизация может и не справиться. В первом случае такими последствиями может быть образование на Земле сплошного ледяного панциря и полное исчезновение свободной воды, во втором, наоборот, вода может покрыть все пространство и не оставить места для тех представителей животного и растительного мира, которые приспособлены к "сухопутной" жизни. В то же время хозяйственная деятельность человека зачастую влияет именно на температурный режим приповерхностных частей земной коры. Строительство городов и связанное с этим освоение подземного пространства, прокладка трубопроводов, коллекторов, строительство шахт и т.п. ведет к нарушению естественного температурного поля вблизи земной поверхности. На рис. 3.10 показано в качестве примера, как изменяются температура воды и уровень химического загрязнения в малых реках, протекающих по территории городов.

Из рисунка видно, как при впадении притока, текущего по территории микрорайона, скачкообразно повышается температура воды и снижается ее удельное электрическое сопротивление.

Температура вблизи поверхности Земли колеблется в пределах от -88 до +58°С. Это говорит о том, что средняя температура, при которой протекают жизненные процессы и которая составляет от 0 до +40°С, практически всегда поддерживалась на большей части земной поверхности в течение длительного времени. Современные исследования показывают, что температурные

59

Рис. 3.10. Техногенное загрязнение, установленное по увеличению температуры и уменьшению удельного электрического сопротивления воды в р. Чертановке (г. Москва) (Жигалин, 1997)

границы жизни простираются от -200 до +100°С. Большую роль в жизнеобеспечении играет температурный режим поверхностных и подземных вод. С повышением температуры воды могут связываться нарушения естественного равновесия экологических систем водоемов и водотоков. Так, летальные (пороговые) значения температуры для некоторых промысловых рыб в реках и водоемах составляют 37,0 - 37,8°С, а для большинства водных организмов это 25 - 35°С. Для сине-зеленых водорослей верхним температурным пределом служит температура 80°С. Для микроорганизмов лимитирующими оказываются значения температуры 80 - 100°С. Верхние предельные значения температуры являются более критическими, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхнего предела толерантности (способности к существованию) функционируют с повышенной интенсивностью. Одно и то же превышение естественной температуры воды может в зависимости от местных условий оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на биологические процессы. Повышение температуры воды до определенных пределов может даже стимулировать жизнедеятельность

60

флоры и фауны открытых водоемов, поскольку в ответ на изменение внешних условий через некоторое время экологическое равновесие устанавливается на новом уровне. В качестве примера воздействия техногенного температурного поля на живые организмы в табл. 3.3 приведены данные, полученные при изучении реакции гидробионтов (живых организмов, населяющих водоемы) на изменение температурного режима водоемов, используемых для охлаждения.

Таблица 3.3

Влияние нагрева воды в водоемах на живые организмы

Электромагнитное воздействие на биосферу рассматривается обычно как фактор прямого экологического действия. Длительное систематическое воздействие интенсивных электромагнитных полей стандартной промышленной частоты (50 и 400 Гц) и радиочастот в широком диапазоне на человеческий организм может вызвать серьезные осложнения в функционировании практически всех жизнеобеспечивающих систем, поскольку электромагнитные поля влияют на биологические процессы в живых организмах начиная с клеточного уровня. Из естественных источников электромагнитного излучения наиболее мощным является Солнце. Приходящее от Солнца электромагнитное излучение на доминирующей частоте 200 МГц характеризуется при "спокойном" Солнце плотностью потока 10^-20 Вт/м², при вспышках увеличивающейся до 10^-16 Вт/м² на несколько секунд или минут и до 10^-18 Вт/м² на несколько часов. В то же время в горных породах и в воде открытых водоемов и морей электромагнитные

61

поля быстро затухают до безопасного с точки зрения экологии человека уровня.

В нижних приземных слоях атмосферы существенную экологическую роль играет электростатическое поле (атмосферное электричество). Аэроионы (ионы воздуха) оказывают физиологическое воздействие на живые организмы на всех стадиях их развития. Под действием потоков отрицательных аэроионов при "благоприятных" дозах возникают хорошо различимые положительные эффекты: увеличивается прорастание семян растений, скорость роста растений и количество сырой массы. Вместе с тем передозировка воздействия тех же отрицательных ионов на растительные организмы вызывает заметное затухание происходящих в них физико-химических процессов. Общее самочувствие, внимание, трудоспособность человека, функциональное состояние его основных жизнеобеспечивающих систем находятся практически в прямой зависимости от концентрации и полярности аэроионов. Экспериментально установлено, что отрицательные аэроионы (в основном это ионы кислорода воздуха) благоприятствуют усилению жизнедеятельности организма, тогда как положительные аэроионы в большинстве случаев оказывают негативное воздействие на организм, а при значительной концентрации способны нанести ему определенный ущерб. Воздух, лишенный аэроионов обеих полярностей, при длительном сроке дыхания в условиях такой атмосферы может способствовать возникновению серьезных заболеваний. Сходные результаты были получены при проведении опытов над животными в лабораторных условиях, что свидетельствует об универсальности выводов относительно экологической роли естественного электростатического поля (атмосферного электричества).

Радиоактивность, или ионизирующее излучение, является как раздражающим, так и поражающим фактором. Ионизирующее излучение относится к разряду существенных мутагенных факторов, а также факторов, вызывающих тяжелые онкологические заболевания. К категории "раздражающего" действия следует относить и те благоприятные эффекты, которые установлены при анализе воздействия малых доз облучения на живые организмы. Как отмечалось в разд. 2.7, основная часть естественного радиационного фона (приблизительно 40%), наблюдаемого на поверхности планеты и в приповерхностных слоях литосферы, обязана своим происхождением радиоактивным газам ²²²Rn и ²²⁰Rn (торону). Следует заметить, что интенсивность ионизирующего излучения глобально и существенно повысилась в результате попыток человека использовать атомную энергию. Достаточно сказать, что в конце XX в. доля искусственной

62

радиоактивности за счет разработки, складирования, использования и захоронения радиоактивного сырья составила приблизительно 20%, а естественной радиоактивности - приблизительно 80% (см. рис. 3.7).

В разных частях поверхности Земли и биосферы естественный радиационный фон может различаться в 3 - 4 раза и более. Наименьшей интенсивностью (10 ^{- 3}-10^-2 мГр/год) характеризуется фон над поверхностью моря, наибольшей (до 0,9 мГр/год) - на больших высотах в горах, сложенных гранитными породами. В районах, где распространены руды с большим содержанием естественных радионуклидов, радиационный фон, как правило, в 100 - 1000 раз выше, чем на прилегающих и отдаленных территориях. Годовая эффективная эквивалентная доза, фиксируемая на поверхности планеты, варьирует от 2 до 20 мЗв (1 мЗв = 1 мГр). Эти величины характеризуют границы диапазона естественного радиационного фона, при котором существовало и развивалось все живое на планете.

Превышение уровня излучения над фоновым или даже повышенный естественный радиационный фон может рассматриваться как мутагенный фактор. В зоне действия мощных источников облучения (как правило, рукотворного происхождения) не в состоянии выжить ни одно животное или растение. При мощности дозы облучения 0,8 - 2,1 мГр/ч происходит замедление роста растений и уменьшение видового разнообразия животных. При увеличении мощности дозы до 4,2 - 16,70 мГр/ч растительность угнетается и становится восприимчивой к поражению вредителями и болезнями. Более высокоразвитые и в силу этого более сложные организмы острее реагируют на радиационное воздействие, чем их "слаборазвитые" собратья. Человек и другие млекопитающие характеризуются высокой чувствительностью к радиационному воздействию, а микроорганизмы, наоборот, - наибольшей устойчивостью. Семенные растения и низшие позвоночные занимают в этом ряду некоторое промежуточное положение. Для иллюстрации этого в табл. 3.4 приведены некоторые данные, характеризующие чувствительность к

Таблица 3.4

Сравнительная чувствительность организмов к гамма-излучению

63

ионизирующему гамма-излучению бактерий, насекомых и млекопитающих.

В большинстве случаев существенное отклонение параметров среды обитания от "нормальных" может повлечь за собой опасность возникновения негативных последствий, которые оказываются тем серьезнее, чем больше величина такого отклонения и чем продолжительнее пребывание живого организма в аномальных условиях. Для каждого живого организма существует оптимальное значение уровня одновременного действия нескольких факторов, в том числе и энергетического воздействия.

Одновременное действие на организм нескольких видов геофизических полей (например, температурного поля и поля ионизирующего излучения, вариаций геомагнитного, электростатического и электромагнитного полей и т.п.) может изменить пределы переносимости организмом каждого из этих полей. Как правило, при этом наблюдается сужение рамок переносимости (толерантности), поскольку действие отдельных факторов может усиливаться за счет ослабляющего организм действия других факторов (синергетический эффект). Однако возможны ситуации, когда действие одного из факторов может оказаться "защитным" в отношении действия другого фактора. Так, например, постоянное магнитное поле, микроволновое излучение невысокой мощности могут повысить радиационную сопротивляемость живого организма, что показано экспериментально. Возможны, по крайней мере гипотетически, аналогичные эффекты, вызываемые геофизическими полями других видов.

64