Секреты синхронизации электромагнитных полей Земли и живого организма

Организм человека это очень сложный механизм, работа которого зависит не только от целостности деталей, но и от воздействия внешних факторов. Мы частенько слышим формулировки «метеочувствительность», «суставы болят на погоду», «хандра во время дождя» и т.д. На первый взгляд все это кажется не особо научным, однако никогда не стоит отклонять нестандартные варианты объяснения чего-либо. Связь между работой системы и средой, ее окружающей, так или иначе есть всегда. Вопрос в том, как она проявляется и как это доказать. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из университета Тель-Авива впервые выявили доказательства связи между активностью электрического поля живого организма и электрического поля окружающей среды. Как именно проявляется связь электрических полей, зачем она нужна и откуда появилась? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Авторы исследования указывают на то, что одним из самых сложных вопросов в биологии является определение происхождения колебаний электрического поля в диапазоне чрезвычайно низких частот. Одной из самых удивительных особенностей этой тайны является факт того, что многие виды организмов (позвоночные и беспозвоночные) проявляют одинаковую низкочастотную электрическую активность, независимо от размера их мозга, сложности мозга или даже наличия коры. Другими словами, у человека, у собаки, у кота и ворона, например, фактически одинаковая электрическая активность.

Конкретнее говоря, зоопланктон, обитающий в океанах, проявляет электрическую активность с пиком в 7 и 14 Гц (1а). Более крупные позвоночные и беспозвоночные (морской лев, змея, акула и осьминог; 1b) также показывают спектры, которые встречаются в основном ниже 50 Гц. У человека показатели тоже не превышают 50 Гц (1с). Любопытно, что у большинства видов доминирующим пиком в активности является 8 Гц. Конечно, в электромагнитной активности разных видов есть отличия, однако и сходств немало. Одним из самых явных отличий является амплитуда спектров, которая отличается у разных классов позвоночных. При этом самые высокие амплитуды встречаются именно у млекопитающих. У позвоночных почти всегда есть максимум от 5 до 15 Гц, который падает на более высоких

частотах примерно в два раза для каждой октавы* до примерно 1/10 при 100 Гц

Октава — в данном случае это логарифмическая единица отношений между частотами, когда одна октава соответствует удвоению частоты. Например, частота, большая на одну октаву от 40 Гц, равна 80 Гц.

Большая часть электрической активности у людей происходит в диапазоне частот ниже 50 Гц с таким распределением по типу волн:

Волновая активность мозга ограничена определенными режимами в зависимости от активности субъекта, и поэтому в каждый момент времени наблюдаются только некоторые ритмы. Сюда можно добавить и факт того, что природа спектра может меняться в зависимости от физической и умственной активности. Исследования мозга человека показали, что альфа-волны являются доминирующими, когда человек находится в состоянии глубокого покоя. Если же в организме повышается содержание галотана (анестетик), активность мозга смещается от нормальных альфа-сигналов 10 Гц к преобладающему сигналу в 7–8 Гц (график ниже).

Ученые предполагают, что примитивные формы жизни на нашей планете демонстрируют состояние, близкое к состоянию «глубокий покой». То есть они демонстрируют спектр, более близкий к тому, что на графике выше, чем нормальный альфа-спектр, близкий к 10 Гц. Не стоит забывать и то, что мозг человека достаточно часто проявляет повышенную активность около 26 Гц (1c), что близко к частоте четвертой моды резонанса Шумана*.

Резонанс Шумана* — явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой.

Еще в 1952 году немецкий физик Винфрид Отто Шуман (1888-1974) высказал теорию: учитывая высокую проводимость Земли и ионосферы, пространство Земля-ионосфера должна обладать своеобразным резонансом электромагнитных волн. Шуман рассчитал, что эти гармонические стоячие волны должны находиться в диапазоне чрезвычайно низких частот. Предположив, что резонанс существует без потерь (без поглощения в ионосфере), он предсказал, что первая мода резонансных частот должна возникать при 10 Гц. Уже в 1960 году Бальзером и Вагнером были проведены первые спектральные измерения, которые показали, что резонансные частоты возникают примерно при 8, 14, 20, 26,… Гц из-за частичного поглощения ионосферы. Источником этих волн резонанса Шумана является глобальная грозовая активность, а электромагнитные волны излучаются из каналов молнии с некоторой вертикальной составляющей переноса заряда.

На этих частотах в атмосфере очень мало затухания (0.1 дБ/Мм или 1 дБ на 10000 км). Следовательно, волны чрезвычайно низких частот от молний в любой точке планеты способны распространяться в любое другое место за счет естественного волновода, образованного ионосферой и поверхностью Земли. Конструктивная интерференция этих радиоволн при их движении вокруг Земли (40075 км) приводит к появлению стоячих волн и их гармонии (λ ~ nc / 40000), известных как резонансы Шумана.

Учитывая, что каждую секунду на планете возникает от 50 до 100 молний, фоновое поле резонанса Шумана присутствует в атмосфере постоянно (график выше). Спектр резонанса Шумана изменяется по амплитуде и частоте в зависимости от времени суток, времени года и относительного местоположения на Земле по сравнению с грозовыми районами. На данный момент известно, что большая часть грозовой активности протекает над тропическими участками суши (Юго-Восточная Азия, Юго-Восточная Африка и Южная Америка) и лишь 10% глобальной грозовой активности приходится на Мировой океан. На расстояниях, превышающих несколько тысяч километров от грозы, электромагнитное поле состоит в основном из горизонтального магнитного поля и вертикального электрического поля. Из-за модальной структуры стоячих волн резонанса Шумана и ортогональности электрического и магнитного полей, резонанс Шумана на расстоянии 10000 км от тропиков покажет максимум при 8 Гц для магнитного поля, однако минимум при 8 Гц для электрического поля. Противоположная ситуация будет наблюдаться при расстоянии в 20000 км от грозового региона. Соотношение амплитуд различных мод резонанса Шумана изменяется при изменении расстояния от источника до наблюдателя. Следовательно, спектры резонанса Шумана не будут одинаковыми во всех местах, даже если глобальная грозовая активность будет постоянной в течение всего периода наблюдения.

Резонанс Шумана, хоть и был открыт в середине прошлого века, существует на планете с момента образования атмосферы и ионосферы. Первоначально атмосфера создавалась выделением газа из вулканов. Даже в наши дни можно наблюдать, как извержения вулканов сопровождаются молниями. Тем не менее, естественная атмосферная конвекция на ранней Земле также привела бы к электрификации облаков и образованию разрядов молнии. Ионосфера и, следовательно, волновод, необходимые для создания резонанса Шумана, поддерживаются солнечным излучением, сталкивающимся с атомами и молекулами в нашей верхней атмосфере, производя ионы и свободные электроны, которые приводят к отражению электромагнитных волн в диапазоне чрезвычайно низких частот. Следовательно, делают выводы исследователи, резонансы Шумана существуют на нашей планете с самого начала жизни или, по крайней мере, больше 2-3 миллионов лет. И вот тут начинается самое интересное, ведь существует удивительное сходство наблюдаемых частот резонанса Шумана и электрической активности организмов. Ученые задаются вопросом, является ли это простым совпадением или все же имеется некая ранее незамеченная связь. Ранее ответить на этот вопрос уже пытались, проводя эксперименты с людьми, птицами и даже мухами. Однако ответ был не очень внятным, потому современные ученые решили проанализировать былой опыт и, возможно, дополнить его собственными открытиями.

Результаты исследования (прошлое и настоящее)

Итак, мы уже знаем, что грозовая активность и, следовательно, резонанс Шумана существовали на Земле с незапамятных времен, т.е. миллиарды лет. За счет этого поддерживалось естественное фоновое поле чрезвычайно низких частот по всей планете. Это естественное поле обладает определенным максимумом частоты с основной модой около 8 Гц. Зная это, можно ли задать вопрос о том, могли ли биологические виды использовать это естественное поле для тренировки собственных систем? Оказывается, не только можно, но и нужно задать этот вопрос. Среди многочисленных нелинейных эффектов в природе синхронизация является явлением, которое, вероятно, наиболее часто наблюдается во многих различных системах. Синхронизация представляет собой взаимосвязь между двумя объектами, которые колеблются во времени. Синхронизация происходит, когда существует фиксированное фазовое соотношение между двумя объектами. В XVII веке Христиан Гюйгенс (1629-1695) первым открыл эффект синхронизации. Он заметил, что маятниковые часы, висящие на общей опоре, со временем переходят в состояние фазовой синхронизации, то есть колебания их маятников начинают совпадать.

Между объектами должна быть некая связь, которая и приводит к их синхронизации. В случае с часами этой связью были слабые вибрации, передаваемые через стену (общая опора) от одних часов к другим.

Эффект синхронизации присутствует во многих системах. Например, в биологических системах синхронизация может присутствовать на микроскопическом уровне в клеточных популяциях, в одиночных нейронах, в крупных нейронных сетях, в динамике кардио-респираторного развития человека и даже в коллективном поведении отдельных организмов. Следовательно, синхронизация представляет собой механизм самоорганизации в сложных системах, значительно уменьшающий степень свободы системы из-за взаимодействия с окружающей средой или взаимодействия между подсистемами. Классическая теория синхронизации оперирует так называемыми самоподдерживающимися периодическими осцилляторами. Если на автономный генератор воздействует внешняя периодическая сила соответствующей амплитуды и частоты, колебания системы будут синхронизироваться по фазе с внешним сигналом. Потому синхронизацию можно более конкретно определить как фазовую и частотную синхронизацию. Из этого определения и произрастает теория исследователей. Ученые считают, что в течение эволюции биологические системы могли быть синхронизированы по фазе с фоновыми электрическими полями атмосферы, определяемыми резонансами Шумана. В ходе эволюции, особенно на ее ранних этапах, резонанс Шумана был единственным постоянным электромагнитным полем, доступным для такой синхронизации. Кроме того, учитывая, что ранние формы жизни возникли в океанах, следует отметить, что волны чрезвычайно низких частот с планетарной длиной волны могут проникать на сотни метров в фотическую зону океанов (освещаемая солнцем верхняя толща воды). Глубина проникновения через кожу для электромагнитных волн определяется как:

, где σ — проводимость (См/м, т.е. сименс на метр); f — частота в Гц. Для морской воды (σ = 3.3 См/м) и крови (σ = 0.7 См/м) глубина проникновения электромагнитной волны (8 Гц) составляет приблизительно 100 м и 210 м соответственно. Это подразумевает, что организмы в фотической зоне в морской воде (до 100 м глубины) будут чувствовать волны резонанса Шумана и что внутренности организмов будут подвергаться воздействию амплитуд поля, аналогичных тем, которые встречаются в атмосфере. Следовательно, организмы в океанах постоянно подвергаются воздействию полей резонанса Шумана.

Хотя идея стохастической синхронизации звучит привлекательно, резонансные поля Шумана в атмосфере чрезвычайно малы. Амплитуда магнитных полей измеряется в пикотеслах (1 пТ = 10-12 Тесла), что в 10 миллионов раз слабее, чем квазистатическое геомагнитное поле Земли, в то время как электрические поля измеряются в мВ/м. Даже при стохастической синхронизации, как такие маленькие атмосферные поля могут влиять на биологические системы?

Стохастический резонанс возникает, когда нелинейная система подвергается воздействию слабого периодического сигнала, который обычно не обнаруживается, но он становится обнаруживаемым из-за явления резонанса между стохастическим шумом и слабым детерминированным периодическим сигналом. Ранее проведенные исследования стохастического резонанса показали, что повышение уровня фонового шума часто приводило к увеличению силы выходного сигнала. Шум может быть случайным или систематическим. Обычно шум воспринимается как помехи, связанные с передачей и обнаружением сигналов. Однако стохастический резонанс подразумевает обратное. Фактически, добавление соответствующего количества шума может усилить сигнал и, следовательно, помочь в его обнаружении в шумной среде. Настраивая амплитуду внешнего шума на внутренние свойства системы, механизм периодического возбуждения и внешний шум могут взаимодействовать друг с другом, передавая энергию из спектра шума на единую частоту, которая согласована с сигналом. Это взаимодействие между внешним шумом и сигналом может привести к четкому максимуму в спектре мощности выходного сигнала, увеличивая отношение сигнал / шум. Однако амплитуда шума также важна, и если шум слишком велик, сигнал будет нарушен. Авторы исследования предполагают, что вызванные молниями поля чрезвычайно низких частот и резонансы Шумана могут действовать как «шум», используемый биологическими системами через явление стохастического резонанса. Этот постоянный источник шума в течение миллионов лет эволюции мог влиять на развитие биологических систем, и в значительной степени определять электрическую активность организмов. Мы знаем, что когда-то уже проводились эксперименты с людьми, которые должны были подтвердить вышеописанную теорию. Так в 1973 году был проведен опыт с циркадными ритмами (биологический ритм человека с периодом в 24 часа). Под землей были построены две одинаковые комнаты, где не было окон и дверей, от чего нельзя было визуально определить время суток. В каждую из комнат поселили по добровольцу, которые жили в таких условиях около месяца. Ученые отслеживали активность (сон и бодрствование) и температуру тела участников опыта. Эти переменные достаточно предсказуемы, когда человек может видеть смену дня и ночи. Однако в условиях, когда визуальных сигналов нет, биологические часы испытуемых начинали «растягивать» сутки до 25, 26 и даже до 27 часов (график ниже: ось Х — час дня, ось Y — день месяца).

В первую неделю эксперимента биологические часы, наблюдаемые у субъектов, изменились до 26.6 часов в сутки. Затем в одной из комнат в течение второй недели непрерывно включался генератор электрического поля с частотой 10 Гц. Биологические часы, по-видимому, стабилизировались и пытались вернуться к нормальному суточному ритму (наблюдалось снижение до 25.8 часа). Еще через неделю поле было выключено, и биологические часы повторно начали отклоняться от реального суточного ритма до 36.7 часов в сутки. Тем временем биологические часы второго испытуемого, который не подвергался воздействию внешнего электрического поля, оставались стабильными на протяжении всех трех недель. Данный опыт был проведен повторно, но с участием птиц. Результаты были схожими с теми, что наблюдались у людей — наблюдались изменения в циркадных ритмах из-за влияния электрического сигнала 10 Гц. Использование именно 10 Гц, а не 8 Гц, обусловлено тем, что изначально сам Шуман считал, что резонанс чрезвычайно низких частот должен быть именно 10 Гц, поскольку ионосфера не имеет погрешностей в отражении. Это, конечно, не так, потому необходимо было использовать 8 Гц, а точнее 7.8 Гц — истинная частота первой моды. В 2016 году был проведен еще более необычный опыт, в котором брали участие крысы с повреждением спинного мозга. На подопытных крыс воздействовало магнитное поле двух разных частот: 15.72 (в два раза больше первой моды резонанса Шумана) и 26 Гц (четвертая мода резонанса Шумана). Магнитные поля применялись 8 минут в день, 5 дней в неделю в течение одного месяца. На следующий месяц время воздействия увеличили до 20 минут в день 5 дней в неделю. В целом, крысы из обеих групп показали значительно более быстрое восстановление по сравнению с крысами из контрольной группы, где не применялось магнитное поле. В случае поля в 15.72 Гц восстановление достигло своего предела спустя 60 дней наблюдений, но в случае 26 Гц восстановление продолжалось (график ниже).

Дополнительно был проведен такой же эксперимент на крысах с инсультом. В этом случае лучшие результаты по восстановлению показали частоты 0.5 х 7.8 Гц и 2 х 7.8 Гц. Вышеописанные эксперименты являются важным историческим опытом для постановки современных экспериментов, учитывающих все накопленные знания в данной области. Авторы рассматриваемого нами сегодня исследования проанализировали влияние магнитных полей 7.8 Гц на миоциты (мышечные клетки) сердца крысы. Магнитное поле воздействовало на клетки возрастом 3-4 дня. Наблюдения проводились в несколько этапов. На первом этапе ученые просто наблюдали за спонтанными механическими сокращениями клеток сердца (с и без магнитного поля) с помощью оптического микроскопа. Второй этап был посвящен наблюдению спонтанных переходных процессов с Ca+. Третий этап — изучение повреждений клеток ввиду стресса, вызванного гипоксией или добавлением H2O2. В течение 30–40 минут после приложения магнитного поля спонтанные сокращения прекратились, а переходные процессы по Ca + уменьшились на 80%. Самое интересное то, что магнитное поле уменьшило повреждения, вызванные стрессом, примерно на 40% по сравнению с контрольной группой. Это может говорить о том, что внешние поля резонанса Шумана исполняют роль защитной оболочки клеток в состоянии стресса. Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Авторы не скрывают, что их труд можно назвать провокационным. Кому-то он покажется странным и лишенным логики, а кому-то — революционным. И тут сложно выбрать одну позицию, поскольку рассмотренные в труде аспекты науки крайне неохотно раскрывают свои секреты, от чего исследования на их основе крайне сложно судить объективно. Тем не менее, нельзя отрицать наличие связи между внешними электромагнитными полями и работой биологических систем, то есть живых организмов. Исследователи считают, что живые организмы, обитающие на Земле миллионы лет, эволюционировали под воздействием внешних сил, таких как резонанс Шумана. Следовательно, эти внешние силы тем или иным образом могли повлиять на сам процесс эволюции. Основной задачей своего исследования ученые называют не только понимание взаимодействия живых организмов и окружающей среды, но и возможность усовершенствовать медицину. Конечно, нельзя безоговорочно отметить факт того, что магнитное поле, воздействующее на крысу с повреждением спинного мозга, дало положительный результат. С другой стороны, ученые не отрицают и того, что им предстоит еще очень многое изучить, чтобы полноценно контролировать силы, которые существовали на планете Земля задолго до появления человека. Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)