БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 4, с. 804-817

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 577.3

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ, ЗЕМЛЯ

И БИОФИЗИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ

Институт земного магнетизма и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,

108840, Москва, Троицк, Калужское шоссе, 4

E-mail: ra_mary@mail.ru, obridko@izmiran.ru, sinop@yandex.ru

Поступила в редакцию 28.11.2019 г.

После доработки 30.01.2020 г.

Принята к публикации 03.03.2020 г.

Фактор воздействия излучения молодого Солнца и галактических космических лучей на физиче-

ские условия на ранней Земле является существенно недооцененным при изучении проблемы воз-

никновения и эволюции биосферы. В статье рассматривается динамика солнечных и галактических

факторов за 4.56 млрд лет существования Солнечной системы, оказавшая существенное влияние на

формирование адаптационных технологий древних и современных живых систем. Рассмотрены

особенности развития биосферы ранней Земли в условиях более тусклого, но более вспышечно-ак-

тивного молодого Солнца. Обсуждается спектр излучения молодого Солнца и парадокс несоответ-

ствия спектра поглощения хлорофилла спектру солнечного излучения, а также пути решения этого

парадокса. Подчеркивается роль учета радиационного излучения при рассмотрении моделей ран-

ней биосферы Земли и гипотетических биосфер спутников планет-гигантов и экзопланет.

Ключевые слова: космические лучи, излучение слабого молодого Солнца, первичная биосфера, происхож-

дение жизни, фотосинтез, биофизика сложных систем.

DOI: 10.31857/S0006302920040249

об уровне радиационного излучения стоит и при

Существование первых земных живых систем

рассмотрении условий существования жизни на эк-

датируется 3.8-4.0 млрд лет назад (возраст Солн-

зопланетах. Одним из самых существенных факто-

ца и Солнечной системы составляет 4.56 млрд

ров, определяющих возможность развития жизни

лет). В первые 2 млрд лет условия в Солнечной

системе и на самой Земле существенно отлича-

на Земле, планетах земной группы, спутниках пла-

нет-гигантов или экзопланет, является светимость

лись от современных. Другим было все: период

материнской звезды и интенсивность радиацион-

вращения звезды, ее масса, активность и динами-

ного излучения на поверхности планеты. Для Земли

ка Солнца, конфигурация магнитных полей

она определяется динамикой и магнитными полями

Солнца и форма гелиосферы, расстояние от Зем-

ли до Солнца и Луны, период вращения Земли,

Солнца, солнечными и галактическими космиче-

скими лучами. Для спутников газовых планет-ги-

химический состав атмосферы и температура по-

гантов к этим факторам присоединяется еще излу-

верхности нашей планеты, ее магнитное поле и

чение ускоренных частиц основной планеты. Ин-

состав океанов. Первичная биосфера выживала

тенсивность

солнечных и галактических

не в райском дарвиновском пруду, а скорее в ад-

космических лучей (СКЛ и ГКЛ соответственно)

ских испарениях перегретых соединений серы.

находится в противофазе, поэтому активность

Более подробно вопрос физических условий в

Солнца является определяющим фактором радиа-

ранней Солнечной системе и на Земле рассмот-

ционной безопасности как древней, так и современ-

рен в работах [1, 2]. Современные модели проис-

ной биосферы.

хождения жизни обсуждаются в работах [3-6].

Солнце является основным источником энер-

Однако есть факторы, сопровождавшие биосфе-

гии для биосферы. Лишь небольшая часть энер-

ру на протяжении всей ее истории. А именно - из-

гии поступает из недр Земли. Современная био-

лучение Солнца во всех диапазонах и космические

сфера является активным геологическим факто-

лучи, а также галактические факторы. Остро вопрос

ром. Перерабатываемая живыми организмами

энергия Солнца почти в 30 раз превышает энер-

Сокращения: СКЛ - солнечные космические лучи, ГКЛ -

галактические космические лучи, ЭКГ - электрокардио-

гию тектонических и вулканических процессов и

грамма.

практически равна всей тепловой энергии, посту-

804

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

805

(а)

(б)

1·Е+06

150

Солнечное

Солнечные

ультрафиолетовое

космические лучи

Минимум

и рентгеновское

1·Е+04

солнечной

излучение

активности

Авроральные

электроны

1·Е+02

Максимум

солнечной

активности

Галактические

100

1·Е+00

космические лучи

Электроны

радиационных

поясов

1·Е-02

Солнечные

1·Е-04

протоны

1·Е-06

1·Е-08

Галактические

космические лучи

1·Е-10

LogE, эВ

Скорость ионизации, см–3с^-1

Рис. 1. Галактические и солнечные космические лучи, их энергия и высота проникновения. (а) - Энергетический

спектр космических лучей по данным работы [7]. Приведен (в логарифмической шкале) совместный энергетический

спектр протонов солнечных и галактических космических лучей в околоземном пространстве в минимуме и

максимуме солнечной активности. Максимумы интенсивностей СКЛ и ГКЛ находятся в противофазе. Также рисунок

наглядно демонстрирует, что интенсивность галактических космических лучей превышает интенсивность солнечных

на много порядков. (б) - Распределение частиц в приповерхностных слоях Земли от 0 до 150 км после взаимодействия

с магнитосферой и атмосферой нашей планеты. Приведен состав, высота проникновения и скорость ионизации

космических лучей в атмосфере Земли по данным работы [8].

пающей из недр Земли. В отделе солнечно-зем-

нием супервспышечного излучения тусклого

ных связей ИЗМИРАН с 1998 г. идет ежедневный

молодого Солнца и галактических космических

мониторинг биомедицинских параметров посто-

лучей. Их проявление фиксируется даже в таких

янной группы обследуемых, параметров обычной

основополагающих для биосферы процессах, как

и космической погоды. С 2003 г. проводится раз-

фотосинтез (но практически не обсуждается в

ноширотный геомедицинский онлайн-монито-

биологическом сообществе).

ринг «Гелиомед». Описание методик и результа-

Все вышесказанное заставляет более внима-

тов проекта «Гелиомед» приведено в монографи-

тельно рассмотреть роль молодого Солнца и кос-

ях [1, 2, 29]. Также авторы статьи десять лет

мических лучей в становлении и развитии био-

принимают участие в российской Программе

сферы.

Президиума РАН по происхождению жизни и

астробиологии. Комплексный анализ результа-

тов одновременных онлайн-мониторингов в раз-

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ,

личных городах от Якутска, Москвы, Саратова до

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И БИОСФЕРА

Симферополя, Софии и Баку (в рамках россий-

Мощным мутационным фактором, а также

ско-украинского проекта

«Гелиомед»

2003-

фактором, существенно модулирующим динами-

2018 гг.), а также анализ результатов мониторинга

ку биосферы, являются космические лучи. Их два

эталонных клеточных культур

2000-2012 гг.

вида: солнечные и галактические, соответственно

(Е.Н. Громозова, Киев, Украина) и динамики па-

и два источника: Солнце или галактическая сре-

раметров космической погоды позволяет сделать

да. Первые имеют направление от Солнца в окру-

вывод, что фиксируемые в настоящее время адап-

жающее пространство и максимум интенсивно-

тационные реакции различных биосистем (от че-

сти, соответствующий максимуму солнечной ак-

ловеческого сообщества до колоний клеток) на

тивности. Вторые направлены из галактического

изменения солнечной активности были заложе-

пространства внутрь Солнечной системы и име-

ны на самом раннем этапе формирования био-

ют максимум интенсивности в минимуме солнеч-

сферы. Более того, формирование и развитие жи-

ной активности. На рис. 1а приведен совместный

вых организмов происходило под активном влия-

энергетический спектр протонов солнечных и га-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

806

РАГУЛЬСКАЯ и др.

лактических космических лучей в околоземном

успевает ее разрушить. По данным о распределе-

пространстве в логарифмической шкале [7]. Вид-

нии межзвездных облаков по размерам и плотно-

но, что галактические космические лучи облада-

сти выяснилось возможное перемещение Солнца

ют на много порядков большей интенсивностью,

по межзвездным облакам с высокой плотностью

и только магнитное поле Солнца, создающее ге-

больше 100 частиц на кубический сантиметр при-

лиосферу, позволяет защищать поверхность

мерно 130 раз за 4.5 млрд лет [2]. Примерно 16 раз

внутренних планет Солнечной системы от их гу-

за время своего существования наша звезда пере-

бительного излучения. В качестве второго защит-

мещалась по облакам с очень высокой плотно-

ного рубежа биосферы Земли выступают магнит-

стью

- больше

1000 частиц на кубический

ное поле и атмосфера нашей планеты. Распреде-

сантиметр. В таких условиях резко возрастает об-

ление частиц в атмосфере Земли приведено на

разование аномальной субрелятивистской ком-

рис. 1б [8].

поненты галактических космических лучей на

двуслойной границе гелиосферы, а также воз-

Галактические космические лучи задействова-

можность интенсивной бомбардировки внутрен-

ны в живых процессах на всех стадиях и масшта-

них планет космическими телами из облака Оор-

бах существования Галактики: от производства

органических соединений в галактических обла-

та. Каждая из этих ситуаций может ставить био-

ках [9-11] и до процессов деления клеток в совре-

сферу на грань существования. Сопоставление

менных биологических структурах. Интенсив-

положения Солнца относительно рукавов Галак-

ность доходящих до Земли галактических косми-

тики с событиями на Земле приведено в работе

ческих лучей зависит от вариаций параметров

[15].

межзвездной среды за пределами Солнечной си-

На границе гелиосферы гасится до 90% интен-

стемы, от распределения магнитных полей на

сивности космических лучей, идущих извне. Од-

Солнце, формы гелиосферы, формы магнито-

нако и оставшегося количества сверхэнергичных

сферы и состава атмосферы, которые существен-

ГКЛ хватает для весьма существенных изменений

но менялись в истории Солнца и Земли [12]. Уве-

параметров межпланетного пространства в Сол-

личение интенсивности солнечных вспышек, ве-

нечной системе и ситуации на поверхности самой

личины магнитных полей раннего Солнца и

Земли. Более того, интенсивность галактических

более высокая скорость вращения Солнца могло

космических лучей, доходящих до границ гелио-

приводить к понижению уровня ГКЛ в Солнеч-

сферы, существенно изменяется и в зависимости

ной системе, на планетах земного типа и у по-

верхности Земли.

от места положения Солнца в Галактике. Она мо-

жет возрастать почти на порядок во время про-

Однако существуют и обратные процессы,

хождения нашей солнечной системой рукавов Га-

увеличивающие интенсивность ГКЛ. Это сжатие

лактики. За время существования биосферы эта

гелиосферы во время прохождения Солнечной

ситуация могла возникать от 20 до 80 раз. Десяти-

системой рукавов Галактики [13] или в процессе

кратное увеличение плотности межзвездного газа

эволюционных изменений конфигурации маг-

на границе Солнечной системы вызывает сжатие

нитных полей Солнца [14]. В настоящий момент

гелиосферы на четверть и соответственно увели-

приблизительный средний размер гелиосферы

чение интенсивности космических лучей на ор-

определяется значениями около 100 а.е. (1 а.е. -

бите Земли до шести раз. Если учитывать, что в

расстояние от Земли до Солнца). В процессе эво-

рукавах Галактики плотность межзвездного газа

люции Солнца это расстояние могло изменяться

имеет именно такой порядок величины, то пери-

от нескольких астрономических единиц до не-

одичность вымираний живых организмов на Зем-

скольких сотен астрономических единиц, влияя

ле - ~62 млн лет - вполне может объясняться

на интенсивность ГКЛ в Солнечной системе [2].

усиленной бомбардировкой Земли космически-

В качестве еще одного механизма изменения

ми лучами из-за эффекта, описанного выше.

интенсивности ГКЛ при любой солнечной актив-

Также существенное влияние на биосферу

ности можно рассматривать вариации парамет-

ров межзвездной среды. В настоящее время

оказывают такие общегалактические процессы,

Солнце находится в каверне Местной галактиче-

как вспышки сверхновых звезд. В работе [16] при-

ской сверхоболочки в теплом разреженном звезд-

водится соответствие между крупными вымира-

ном газе, но недалеко от границы с горячим га-

ниями земной биоты и увеличениями потока

зом. Межзвездный газ в ближайшей окрестности

излучения из-за вспышек сверхновых в относи-

гелиосферы имеет температуру около 8000 К,

тельной близости от Солнечной системы. Сово-

плотность - несколько десятых долей частицы в

купность рассматриваемых солнечных и галакти-

кубическом сантиметре, степень ионизации при-

ческих факторов могла приводить к колебаниям

мерно 50%. Горячий газ звездных ветров и взры-

уровня ГКЛ в эволюционно значимое для био-

вов сверхновых звезд обтекает и колеблет галак-

сферы время от 25 до 600% от современного зна-

тическую оболочку вокруг Солнца, однако не

чения.

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

807

В ранних океанах верхние слои воды под гра-

РАННЕЕ СОЛНЦЕ, ПАРАДОКС СЛАБОГО

диентным воздействием космических лучей ста-

МОЛОДОГО СОЛНЦА

И РАЗВИТИЕ БИОСФЕРЫ

новились буквально инкубатором биоразнообра-

зия живого мира нашей планеты. Да и сейчас до

Общая картина представлений о строении и

15% ионизирующего излучения, воздействующе-

эволюции звезд солнечного типа, самого Солнца

го на биосферу, определяется вторичными кос-

и первых 0.5-1.0 млрд лет его существования

мическими лучами. Первичные космические лу-

строится на основе наблюдений за солнцеподоб-

чи до поверхности не доходят (как и ультрафио-

ными звездами (программа «Солнце во време-

летовое излучение). Сталкиваясь с молекулами

ни»). Раннее Солнце резко отличается от сего-

атмосферы, они порождают вторичные космиче-

дняшнего. Оно было более тусклым, но при

этом - значительно более активным. Молодое

ские лучи, вызывая так называемые атмосферные

Солнце имело период вращения

6-8 суток,

ливни. Также вследствие наличия у Земли соб-

массу - до 103%, активность - нестабильную и

ственного магнитного поля существует геомаг-

нерегулярную. Интенсивность вспышечных спо-

нитный барьер, из-за которого интенсивность

радических процессов излучения была в 100-

космических лучей зависит от широты: в районе

1000 раз выше современной, особенно в гамма-

полярного овала она максимальная, на полюсах -

излучении, рентгеновском, ультрафиолетовом и

минимальная. В современных океанах максимум

радиоизлучении [2, 21, 22]. Возможно, что уста-

вторичного излучения космических лучей прихо-

новление упорядоченных циклов (существенно

дится на глубину 2-10 см от поверхности воды, а

более коротких, чем сегодня) произошло не сра-

зу, а около 2.0-2.5 млрд лет назад при периоде

самые активные мюоны приникают на несколько

вращения 15 суток и солнечной активности в 5-

километров земной поверхности (до 3-4 км в

10 раз выше современного максимального уровня

твердых породах, до 9 км - в воде). Более подроб-

[23]. Вспышки на раннем Солнце происходили

но физика космических лучей рассмотрена в ра-

гораздо чаще, длились дольше современных и до-

боте [17]. Существует и еще один канал влияния

стигали энергий на два порядка больших, чем се-

космических лучей на оболочки Земли и биосфе-

годня. Из наблюдений за солнцеподобными звез-

ру. Вследствие понижения (повышения) потока

дами можно предположить, что частота вспышек

космических лучей (ГКЛ и СКЛ) при их вторже-

могла быть в 20 раз, а длительность событий - в

нии в атмосферу Земли происходит понижение

500 раз больше современных значений. Это оцен-

ка относится и к потоку мощного коротковолно-

(повышение) ионизации воздуха, Тем самым кос-

вого рентгеновского и ультрафиолетового излу-

мические лучи могут активно воздействовать на

чения. Молодое Солнце обеспечивало на не-

состав и динамику атмосферы Земли, и в конеч-

сколько порядков более интенсивный солнечный

ном счете на ее погоду, климат, состояние океа-

ветер и поток солнечных космических лучей, уси-

нов и биосферы.

ленно бомбардировавших поверхность Земли и

первые биологические системы [1, 2, 24].

По совокупности изученных эффектов косми-

ческие лучи можно считать одним из основных

Одновременно с высокой солнечной радиаци-

постоянно действующих биотропных агентов

онной активностью для молодой биосферы суще-

космической погоды. Образование новых хими-

ствовала и другая проблема - недостаток солнеч-

ного излучения, особенно в видимом диапазоне

ческих связей между молекулами и разрывы мо-

спектра. К моменту возникновения первичной

лекул - важные реакции в полимерах, которые

биосферы Земли (~4 млрд лет назад) светимость

сильнее всего изменяют их физические свойства.

Солнца составляла примерно 75% от современ-

Космические лучи оказывают существенное воз-

ной (рис. 2а из работы [24]). Несмотря на суще-

действие на эти процессы. В работе [18] впервые

ственно более высокую вспышечную активность,

на экспериментальном материале показано зна-

молодое Солнце было тусклым, и его энергии бы-

чение возрастания потоков солнечных космиче-

ло недостаточно для наличия больших объемов

ских лучей, сопряженных с возрастанием ней-

жидкой воды на поверхности Земли. Исходя из

тронной компоненты вторичных космических

низкой светимости Солнца, первые 2.8 млрд лет

планета должна была бы быть замерзшей. Можно

лучей у поверхности Земли, и вариаций галакти-

придумать модели ранней биосферы Земли, заро-

ческих космических лучей для генетического ма-

дившейся и существовавшей первые 2.0-2.5 млрд

териала клеточных систем. Авторы длительного

лет под ледяной коркой, однако исследования

мониторинга 2000-2012 гг. в работах [19, 20] так-

геологов показывают существование открытых

же связывают изменение окраски дрожжевых

океанов, а генетики утверждают, что первые бел-

культур Saccharomyces cerevisiae УКМ-517 и Rhodo-

ки функционировали при температурах не менее

coccus erytrhopolis УКМ-741 с вариациями ГКЛ.

+60°С [25]. Есть и физический аргумент «про-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

808

РАГУЛЬСКАЯ и др.

(а)

(б)

Фане-

Гадей

Архей

Протерозой

розой

1.0

. Солнце

1.00

Абсолютно черное тело,Т= 5770 К

1.0

Абсолютно черное тело,Т= 5650 К

Модель Bahcall et al. (2001)

0.95

Модель Gough (1981)

0.8

0.90

0.85

0.6

Точка замерзания

океанической воды

0.80

0.4

0.75

0.2

0.70

0.0

200 400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800 2000

Время, млрд лет назад

Длина волны, нм

Рис. 2. (а) - Парадокс слабого молодого Солнца и эволюционное изменение светимости Солнца. Приведена

болометрическая светимость Солнца за время его эволюции за последние 4,6 млрд лет по стандартной модели

(сплошная линия) и в аппроксимации (пунктирная линия). По оси абсцисс - время, млрд лет, по оси ординат -

изменение солнечной светимости относительно современности (современная светимость принята за единицу). Около

значения 0. 85 (примерно 2.0-2.5 млрд лет назад) отмечена светимость Солнца, определяющая точку замерзания

океанической воды при современном химическом составе океанов и атмосферы Земли [1]. Из графика следует, что

первые 2.0-2.5 млрд лет Земля должна была бы быть замерзшей, однако геологические и палеонтологические данные

показывают, что это не так. Уже 4 млрд лет назад на Земле были океаны жидкой воды. (б) - Спектральный состав

излучения Солнца (точки) и абсолютно черного тела при эффективных температурах, соответствующих

современному Солнцу. По оси ординат - поток излучения на земной орбите, нормированный таким образом, что

максимум потока для абсолютно черного тела равен 1 (согласно работе [2]). Из графика видно, что смещение спектра

излучения молодого Солнца было незначительным и не могло покрыть недостаток поступающей на Землю энергии

из-за тусклости молодого Солнца.

тив»: если бы Земля действительно изначально

сти нашей планеты или другого состава атмосфе-

представляла собой «снежный ком», альбедо пла-

ры ранней Земли, обеспечивающего сильный

неты возросло бы примерно до 70% (современное

парниковый эффект [26]. У всех этих моделей

значение альбедо - 30%). При таком высоком

есть свои достоинства и недостатки, но ни одна из

альбедо даже полуторакратное последующее уве-

них в полной мере не решает парадокс. В то же

личение светимости до современного уровня

время каждая из этих моделей предполагает раз-

не позволило бы растопить Землю. И наша пла-

ные условия для существования первичной био-

нета до сих пор оставалась бы в замороженном

сферы. Похоже, что выбор наиболее оптималь-

состоянии.

ной модели ранней Солнечной системы будут

осуществлять биологи, а не физики. Подробно

Между тем существование биосферы и жидкой

пути решения парадокса слабого молодого Солн-

воды зафиксировано около 3.8 млрд лет назад

ца были рассмотрены в работах [1, 2, 24, 26, 27]. В

(оптимистичная оценка - 4 млрд лет назад), од-

этой работе обратим внимание на аспекты, кото-

новременно с зафиксированным началом разви-

рые могли оказаться существенными для разви-

тия жизни на Земле. На самом деле недостаток

тия биосферы.

тепла является еще более существенным, так как

по данным биологов и палеонтологов средняя

При рассмотрении вопроса об условиях суще-

температура на Земле в этот период была около

ствования ранней биосферы Земли существен-

+70°С (по самым скромным оценкам - не ниже

ным может быть не только изменение солнечной

+40°С) против современных +15°С. Таким обра-

светимости, но и изменение спектра солнечного

зом, наблюдается явный парадокс, так называе-

излучения. При прохождении солнечного излу-

мый «парадокс слабого молодого Солнца». Он

чения сквозь современную земную атмосферу на

заключается в противоречии между палеоклима-

рэлеевское рассеяние приходится примерно 30%.

тическими данными и астрофизическими моде-

Из них треть излучается в космос, т. е. примерно

лями эволюции Солнца и требует решения, на-

10% теряется. Так как интенсивность рассеяния

пример, за счет интенсивной потери массы Солн-

падает с уменьшением частоты излучения, спек-

ца, другого расстояния между Землей и Солнцем,

тральный сдвиг излучения молодого Солнца в хо-

высокой геотермальной активности на поверхно-

лодную сторону мог бы сэкономить несколько

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

809

процентов полученной Землей энергии, а также

РАНЕЕ СОЛНЦЕ, ОРГАНИЧЕСКИЕ

повлиять на выбор предпочтительных длин волн,

ПЛЕНКИ, ФОТОСИНТЕЗ

поглощаемых бактериями.

И АДАПТАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРВЫХ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Из стандартной модели Солнца следует эво-

люционное возрастание солнечной светимости за

По-видимому, отбор альтернативных техноло-

счет увеличения эффективной температуры

гий получения, переработки и накопления энер-

Солнца и солнечного радиуса. Поэтому эффек-

гии первыми живыми организмами также суще-

тивная температура за 4.6 млрд лет выросла не-

ственно зависел от активности молодого Солнца.

значительно, от 5650 до 5770 К (рис. 2б). Это со-

И не случайно развитие фотосинтеза произошло

ответствует спектральному сдвигу примерно в

не сразу, а в тот момент, когда излучение Солнца

стало более ярким и стабильным. Более того, при

100 Å, что могло дать лишь небольшую экономию

рассмотрении вопроса фотосинтеза возникает

энергии ранней земной атмосферой в пределах

еще один парадокс, который имеет фундамен-

1.5%. Для нагрева поверхности ранней Земли до

тальное значение при рассмотрении эволюции

плюсовой температуры этой величины недоста-

биосферы и тоже может быть связан с глобальной

точно. Однако даже слабый спектральный сдвиг

океанской органической пленкой. Он заключает-

мог повлиять на формирование способов перера-

ся в несоответствии спектра поглощения хлоро-

ботки и накопление энергии живыми организма-

филла спектру солнечного излучения. Именно на

ми, например на развитие фотосинтеза.

длинах волн максимальной интенсивности излу-

чения как современного, так и раннего Солнца в

Для смягчения парадокса слабого молодого

спектре поглощения хлорофилла наблюдается

Солнца одним из авторов данной работы

провал в области зеленого цвета видимого излу-

(Е.Г. Храмовой) была предложена гипотеза орга-

чения. Биологи связывают такую ситуацию с не-

нических пленок (как предшественника развитой

обходимостью защиты первых живых организмов

биосферы) на поверхности земного океана [2].

от интенсивного излучения молодого Солнца.

Наличие такой пленки нарушает газообмен меж-

Однако в этом объяснении не выдерживают кри-

ду океаном и атмосферой и вносит изменения в

тики ни предположение об излишней интенсив-

теплообмен. Химический состав этой пленки мог

ности Солнца, ни предположение о защите имен-

быть весьма разнообразным. Пленка, находив-

но от этой части спектра. Во-первых, как мы уже

шаяся на границе раздела фаз, попадала под облу-

рассмотрели выше, излучение молодого Солнца

чение интенсивным ультрафиолетовым светом

было крайне тусклым и являлось ценным энерге-

молодого Солнца, которое хорошо пропускала

тическим ресурсом. Первые живые организмы

бескислородная атмосфера. В результате фото-

должны были отчаянно конкурировать за него, а

диссоциации должны были образовываться раз-

не закрываться от ценного и постоянного источ-

личные парниковые газы. В бескислородной ат-

ника поступления энергии. Во-вторых, во время

мосфере это в первую очередь метан, в меньших

мощных и длительных вспышек (происходящих

количествах - углекислый газ, возможно, также

на раннем Солнце постоянно) максимальные

оксиды азота. В процессе насыщения кислоро-

скачки губительной для живых организмов ин-

дом непрозрачность атмосферы для ультрафио-

тенсивности излучения наблюдались в диапазоне

синего, ультрафиолетового и рентгеновского из-

летового облучения увеличивается, и фотолиз ор-

лучения (излучение возрастало от 10 до 1000 раз,

ганической пленки уменьшается. При этом уси-

увеличиваясь в более коротковолновой части

ливается ее окисление, а выход продуктов

спектра). В оптическом же максимуме видимого

разложения смещается в сторону углекислого га-

зеленого света интенсивность излучения изменя-

за. Следовательно, эта пленка могла быть посто-

лась незначительно, не более 5% [21]. Таким об-

янным донором парниковых газов.

разом, сдвиг максимума поглощения хлорофил-

Таким образом, приповерхностный слой ран-

лов в область максимума нестабильности излуче-

ния Солнца явно не способствовал сохранению и

них земных океанов с глобальной органической

защите организмов.

пленкой, который активно бомбардировался уль-

трафиолетовым светом, рентгеновскими и кос-

Отметим, что проблема несовпадения спек-

мическими лучами и обладал необходимым гра-

тров лежит не в области биохимического синтеза.

диентом температуры и питательных веществ,

Существуют пигменты, которые поглощают в

мог стать удачным местом для формирования по-

центральной области видимого спектра (напри-

следующей развитой биосферы. Также в условиях

мер, из групп каротиноидов и фикобилинов).

тусклого молодого Солнца глобальная органиче-

Спектр поглощения воды (фотосинтез зародился

ская пленка могла внести свой вклад в дополни-

у организмов, живущих в воде) тоже не объясняет

тельный нагрев поверхности Земли.

особенности спектра поглощения хлорофиллов.

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

810

РАГУЛЬСКАЯ и др.

(а)

(б)

2500

Хлорофилл b

Идеальный тепловой излучатель

Хлорофилл а

2000

(абс. черное тело при Т = 5900 К)

Излучение Солнца

вне атмосферы Земли

1500

Излучение Солнца

у поверхности Земли

1000

500

Видимая

УФ область ИК

400

500

600

700

250

500

750

1000 1250 1500 1750 2000 2250

Длина волны, нм

Рис. 3. Парадокс фотосинтеза. (а) - Спектры поглощения хлорофиллов a и b. (б) - Сравнительные спектры излучения

черного тела и Солнца вне атмосферы Земли и у поверхности Земли. Видно, что именно на длинах волн максимальной

интенсивности излучения как современного, так и раннего Солнца в спектре поглощения хлорофилла наблюдается

провал в области зеленого цвета видимого излучения. В условиях катастрофической нехватки энергии тусклого

молодого Солнца на поверхности ранней Земли, отказ первых фотосинтезирующих организмов максимально

использовать поступающее солнечное излучение в самом стабильном и интенсивном участке спектра является

парадоксальным.

Таким образом, существует выраженный па-

Что в водной среде молодой Земли в период

радокс несоответствия спектров излучения Солн-

формирования фотосинтеза могло поглощать

ца и поглощения хлорофиллов физическим усло-

солнечное излучение в центральной части види-

виям на ранней Земле в решении задачи макси-

мого спектра, оставляя окна прозрачности в крас-

мальной сохранности живых систем. Рассмотрим

ной и синей части? Самый простой ответ - по-

этот парадокс подробнее.

явившаяся одновременно с возникновением оке-

анов 4 млрд лет назад биогенная или абиогенная

Фотосинтез - это преобразование энергии

пленка, уже упоминавшаяся в качестве одного из

света в энергию химических связей органических

возможных путей решения парадокса слабого мо-

соединений. Сравним спектр поглощения хлоро-

лодого Солнца. К сожалению, на данный момент

филлов a и b (основных хлорофиллов оксигенно-

состав этой пленки неизвестен. К тому же этот

го фотосинтеза) со спектром солнечного излуче-

состав скорее всего эволюционно менялся под

ния (рис. 3). В спектре поглощения хлорофиллы a

воздействием окружающих факторов. Но суще-

и b имеют две интенсивные полосы поглощения в

ствует хорошо изученный современный аналог

красной (640-700 нм) и синей (400-450 нм) обла-

той древней пленки - пленка нефтяная.

стях видимой части спектра. Из рис. 3 очевидно,

Спектры поглощения нефтяных пленок при-

что максимумы поглощения хлорофиллов не сов-

ведены на рис. 4а [28]. При уменьшении длины

падают с областью максимума солнечного спек-

волны в диапазоне 300-600 нм оптическая плот-

тра у поверхности Земли. Более того, именно в

ность нефтяных пленок растет вне зависимости

максимуме интенсивности как современного, так

от сорта нефти. Для излучения свыше 600 нм неф-

и раннего Солнца наблюдается провал. Возника-

тяная пленка толщиной в 1 мкм практически про-

ет логичное предположение, что в момент фор-

зрачна. Это согласуется с максимумами поглоще-

мирования технологии фотосинтеза на поверхно-

ния хлорофиллов в красной области, но не объяс-

сти Земли присутствовало что-то, что поглощало

няет максимум поглощения хлорофиллов в синей

самое «вкусную», стабильную и легкодоступную

области спектра.

часть солнечного излучения и перекрывало до-

ступ к свету эволюционно новым формам бакте-

Для объяснения стоит вспомнить еще одно

рий. И это «что-то» эволюционно существовало

свойство органических пленок - флуоресцен-

еще до развития фотосинтеза, заняв самую вы-

цию. Спектр флуоресценции нефтяной пленки

годную экологическую нишу. В результате пер-

имеет один выраженный максимум, который

вым фотосинтезирующим организмам пришлось

практически не зависит от длины волны облуча-

довольствоваться только доступным источником

ющего ее ультрафиолета, а зависит от толщины и

света, по краям спектра солнечного излучения.

типа нефти, ее образующей (рис. 4б). При увели-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

811

(а)

(б)

I_фл, отн. ед.

2.0

1.0

1 мкм

1.8

0.8

1.4

10 мкм

0.6

1 мкм

1.0

0.4

0.6

0.2

0.0

200

300

400

500

600700

300

400

500

600

Длина волны, нм

Рис. 4. Пути решения парадокса фотосинтеза: спектральные характеристики современных аналогов древних

океанических пленок (согласно работе [28]). (а) - Зависимости оптической плотности от длины волны для

нефтепродуктов: бензин (1), дизельное топливо (2), саратовская (3), грузинская (4), шаимская (5) и ливийская (6)

нефти. Для бензина толщина кюветы 100 мкм, для остальных нефтепродуктов - 1 мкм. (б) - Спектры флуоресценции

ливийской нефти (сплошные линии, толщина кюветы 1 и 10 мкм) и саратовской нефти (пунктирная линия, толщина

кюветы 1 мкм) при длине волны возбуждающего излучения 308 нм. Видно, что для сырой нефти различных видов в

состоянии пленки максимум флуоресценции расположен в области 420-490 нм при любой длине волны возбуждения,

что практически совпадает с максимумами спектра поглощения хлорофиллов (максимум спектра поглощения

хлорофиллов 400-450 нм). Можно предположить существование на ранней Земле океанической поверхностной

пленки с функцией защиты от разрушительного воздействия жесткого ультрафиолета и рентгена, а также с функцией

источника различной органики для находящихся ниже ее микроорганизмов. При этом аккумулированная пленкой

энергия коротковолнового солнечного излучения передавалась через флуоресценцию в окружающую среду, причем

на длинах волн, которые смогли использовать фотосинтезирующие организмы.

чении толщины пленки от 1 до 100 мкм максимум

ся защита находящихся ниже ее микроорганиз-

спектра сдвигается в сторону больших длин волн

мов от разрушительного воздействия жесткого

на 10-40 нм в зависимости от типа нефти [28].

ультрафиолета и рентгена. Более того, океаниче-

ская пленка, активно разрушающаяся под дей-

Для сырой нефти различных видов в состоя-

ствием ультрафиолетового излучения Солнца,

нии пленки максимум флуоресценции располо-

служила ценным источником различных органи-

жен в области 420-490 нм при любой длине вол-

ческих веществ. А вариации интенсивности уль-

ны возбуждения, что практически совпадает с

трафиолетового излучения молодого Солнца

максимумами спектра поглощения хлорофиллов

(возрастающие во время вспышек на несколько

(максимум спектра поглощения хлорофиллов

порядков величины) обеспечивали биоразнооб-

400-450 нм). Так, максимум флуоресценции

разие формирующихся живых организмов и био-

пленки ливийской нефти толщиной 10 мкм нахо-

систем. При этом аккумулированная энергия ко-

дится в области примерно 430 нм, что соответ-

ротковолнового солнечного излучения передава-

ствует синему максимуму поглощения хлорофил-

лась через флуоресценцию в окружающую среду,

ла a. К тому же под действием ультрафиолета в

причем на длинах волн, которые смогли исполь-

поверхностном слое нефтяных пленок происхо-

зовать фотосинтезирующие организмы [30].

дят активные одновременные процессы разложе-

Таким образом, глобальная океаническая ор-

ния исходного материала и возникновения новой

ганическая пленка вполне могла объяснить осо-

органики, например, ароматических соединений

бенности спектров поглощения хлорофиллов.

[29]. Они отличаются высокими показателями

Она же могла выступить в качестве защиты ран-

преломления и поглощения в близкой ультрафи-

них микроорганизмов от рентгеновского излуче-

олетовой и видимой областях спектра и могут

ния и жесткого ультрафиолетового излучения

служить сырьем для дальнейшего производства

активного молодого Солнца и источника необхо-

кетонов, альдегидов и кислот ароматического ря-

димых химических веществ. Сопоставление

да, а также многих других органических веществ.

спектров поглощения и флуоресценции разных

В результате существенной функцией древней

органических пленок, в том числе нефтяных, со

океанической поверхностной пленки оказывает- спектрами поглощения хлорофиллов может по-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

812

РАГУЛЬСКАЯ и др.

мочь существенно расширить и уточнить наши

различными. Различались по кластеру химиче-

представления об эволюции климата и состава ат-

ский состав и условия внешней среды (по край-

мосферы молодой Земли. А учет наличия органи-

ней мере в интенсивности внешних излучений и

ческой пленки как климатообразующего фактора

доступе к ресурсам).

может внести существенные коррективы как в ре-

Еще одна успешная адаптационная «страте-

шение парадокса слабого молодого Солнца, так и

гия» древних биологических структур в условиях

в современные климатические модели [27, 30].

импульсного агрессивного Солнца, имеющая чи-

Существуют и другие адаптационные страте-

сто физическую природу, - это способность со-

гии живых систем, имеющие скорее всего не био-

здавать конгломераты из различных видов био-

логическую, а физическую природу, и сформиро-

объектов. Жизнеспособность таких образований

вавшиеся в качестве защитной реакции на актив-

существенно выше не только за счет эффективно-

ное вспышечное излучение молодого Солнца и

го совместного использования питательных ре-

космические лучи [4]. Например, чрезвычайно

сурсов и температурных градиентов, но и за счет

велика роль интенсивного ультрафиолетового из-

повышения радиационной устойчивости. Как

лучения молодого Солнца в формировании еди-

показано в работах [2, 32], сообщества из различ-

ного генетического кода земной биосферы. Фор-

ных видов бактерий выдерживают в 10-12 раз бо-

мирующиеся биологические структуры и эколо-

лее интенсивное облучение, чем каждый из видов

гические системы должны были одновременно

в отдельности.

«уметь использовать» ультрафиолетовое излуче-

Столь оптимистичные результаты по радиаци-

ние в качестве источника энергии, эффективно

онной устойчивости живых организмов суще-

от него защищаться и проходить отбор на устой-

ственно расширяют зону поиска возможной вне-

чивость к разрушительному воздействию излуче-

земной жизни на Марсе, спутниках планет-ги-

ния молодого Солнца. Благодаря мощному уль-

гантов внутри Солнечной системы и на

трафиолетовому излучению раннего Солнца в

экзопланетах [1, 2]. Астробиологии пытаются

формирующейся биосфере одновременно проис-

смоделировать типы биосфер, которые могли бы

ходили разные типы отбора: отбор стойких к уль-

существовать в условиях пониженной светимости

трафиолетовому излучению азотистых основа-

Солнца и повышенной радиации, одновременно

ний; отбор нуклеотидов в комплиментарные па-

решая задачу поиска возможной внеземной жиз-

ры; отбор более длинных и устойчивых молекул

ни и моделирования биосферы ранней Земли.

РНК; отбор гомохиральных нуклеотидов (смесь

Потенциально обитаемые спутники Юпитера и

изомеров менее устойчива к ультрафиолетовому

Сатурна подробнее рассмотрены в работе [33]. Из

излучению, чем изомеры с одинаковой хирально-

космических тел Солнечной системы именно ат-

стью). В результате существующие молекулы

мосфера Титана считается максимально прибли-

ДНК являются максимально устойчивыми струк-

женной к атмосфере ранней Земли. В современ-

турами к ультрафиолетовому излучению, хотя не

ных земных условиях организмы используют раз-

являются единственно возможными. По-види-

личные окислительно-восстановительные пары,

мому, именно ультрафиолетовое излучение мо-

основной из которых является O₂ → H₂O (аэроб-

лодого Солнца провело отбор единого кода на-

ное дыхание). Но вполне можно подобрать такую

шей биосферы.

пару, на которой может быть основана биосфера

Еще одной адаптационной стратегией могло

Титана. Например, NH₄₊ → N₂; NO_3- → N₂,

являться «сбивание в кучу» и «скручивание».

Первые земные биологические объекты вынуж-

CH₄ → CO₂ и обратная ей CO₂ → CH₄, SO_42- → H₂S

дены были приспосабливаться к жизни в услови-

и множество других. В качестве источника угле-

ях повышенного импульсного излучения молодо-

рода организмы могут использовать метанол, эта-

го Солнца, а для этого пришлось «сбиваться в ку-

нол, карбонаты (HCO_3-, CO_32-), формиат

чу» и образовывать структурированный кластер.

Такая адаптационная стратегия повышала шансы

(HCOO^-). Хемолитотрофные организмы могут

быть основой биосферы, снабжая органическими

для бактерий из центра образования остаться не-

соединениями гетеротрофов. В качестве возмож-

поврежденными при проникающем внешнем из-

ных основ для внеземных биологических циклов

лучении. Эти кластеры послужили прообразами

особенно часто рассматривают такие процессы,

клеток. До сих пор в нашей крови после интен-

сивных рентгеновских вспышек на Солнце крас-

как метаногенез и метанотрофия. Возможно, ме-

танотрофы были одними из первичных организ-

ные кровяные тельца слипаются в кучу, повышая

мов и нашей планеты Земля.

тем самым свертываемость крови [31]. Кластери-

зация колоний однотипных клеток и передача

Открытие планеты земной группы (Прокси-

«сигнала опасности» также существенно повы-

мы b), вращающейся вокруг звезды Проксима

шала выживаемость. В кластеризированных ко-

Центавра, привело к множеству работ, обсужда-

лониях клеток условия существования во внут-

ющих возможные условия на этой планете. По-

ренней и наружной частях биообразования были

скольку в Солнечной системе основные факто-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

813

ры, определяющие космическую погоду, - это

мам необходимо было осваивать другие источни-

солнечный ветер и космические лучи, представ-

ки энергии и способы их накопления.

ляется важным понять, каковы параметры

Одними из первичных длительных хранилищ

звездного ветра, галактических и звездных кос-

энергии в биообъектах ранней Земли являются

мических лучей около экзопланет. На основе

полифосфаты - полимеры ортофосфорной кис-

имеющихся данных в работе [34] были представ-

лоты, остатки которой соединены ангидридными

лены оценки скорости и плотности звездного

полифосфатными связями. Эти пробиологиче-

ветра, возможных потоков и флюенсов косми-

ские структуры до сих пор присутствуют, напри-

ческих лучей около Проксимы b. Мощные и ча-

мер, в клетках современных дрожжей (в виде во-

стые по сравнению с Солнцем вспышки на

лютиновых гранул) или в тромбоцитах человека и

Проксиме Центавра могут ускорять частицы до

высших животных. Сложные органические веще-

максимальных энергий порядка 3150 ГэВ, по-

ства могли синтезироваться еще в молекулярных

этому интенсивность звездных космических лу-

галактических облаках, причем при активном

чей в астросфере экзопланет может оказаться

участии галактических космических лучей. Кос-

сравнимой с интенсивностью низкоэнергичных

мические лучи могли оказывать существенное

космических лучей в гелиосфере. В таких усло-

влияние и на формирование обменных процессов

виях гипотетическая внеземная биосфера долж-

в первичной биосфере Земли в условиях нехватки

на состоять из радиационно устойчивых орга-

излучения молодого Солнца.

низмов.

Первичная биосфера недоступна для прямого

Таким образом, вопрос об активности молодо-

изучения, но имеются аналоги древних биообъ-

го Солнца и интенсивности космических лучей в

ектов, содержащие волютиновые гранулы поли-

ранней Солнечной системе оказывается важным

фосфатов, которые дожили до наших дней. В ра-

не только для моделирования биосферы ранней

ботах [18-20, 36-41] рассматривался аспект воз-

Земли, но и для рассмотрения астробиологиче-

действия ГКЛ на современные биосистемы. При

ских вопросов [35]. Последние данные космиче-

длительных мониторингах зафиксированы вари-

ских миссий позволяют расширить поиск жизни

ации динамических показателей эталонных кле-

на целый новый класс объектов. В него вошли ле-

точных структур с волютиновыми гранулами,

дяные спутники планет-гигантов и другие пла-

статистически значимо совпадающие именно с

нетные тела, получающие мало энергии от

вариациями ГКЛ (мониторинг 2000-2013 гг., Sac-

материнской звезды из-за далекого от нее распо-

charomyces cerevisiae Y-517, Е.Н. Громозова). Эво-

ложения, но благодаря приливному или радиаци-

люционные адаптивные реакции, связанные с

онному разогреву имеющие подледные океаны,

ГКЛ и СКЛ, особенно востребованы в минимуме

энергию и химические вещества для создания не

цикла солнечной активности, длительных мини-

совсем привычных вариантов биосферы.

мумах (подобных Маундеровскому), и при инвер-

сиях геомагнитного поля. Влияние ГКЛ усилива-

СОВРЕМЕННАЯ БИОСФЕРА И ДРЕВНИЕ

ется при длительных минимумах солнечной ак-

АДАПТАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

тивности и инверсиях геомагнитного поля,

СКЛ - при циклах солнечной активности высо-

В Солнечной системе в первую сотню миллио-

кой интенсивности [39].

нов лет ее существования протопланеты находи-

лись в условиях жесткой конкуренции. Одни пла-

Влияние солнечной активности и космогео-

неты и астероиды попадали в топку молодой звез-

физических факторов на биосферу зафиксирова-

ды, другие выбрасывались за пределы планетной

но не только на клеточном уровне, но и на попу-

системы, третьи путешествовали по системе,

ляционном уровне. В 2003-2015 гг. одновременно

увлекаемые более массивными планетами-гиган-

в различных городах от Баку и Киева до Москвы

тами. Внутренние области Солнечной системы

и Якутска был проведен масштабный онлайн-мо-

были заполнены большим количеством газа, пы-

ниторинг биомедицинских параметров постоян-

ли и планетезималей. Молодые сформировавши-

ной группы обследуемых и параметров космиче-

еся планеты подвергались активной бомбарди-

ской погоды. Общая база данных составила более

ровке космическими телами, на поверхности

трех миллионов измерений, собранных по едино-

планет активно действовали вулканы [1, 4]. Все

му протоколу и на идентичном оборудовании. В

эти факторы дополнительно понижало количе-

результате многолетнего мониторинга во всех го-

ство и без того тусклого солнечного света, дости-

родах были выявлены одновременные статисти-

гающего поверхности планет. Само Солнце при-

чески значимые изменения биомедицинских па-

обрело схожие с современными особенности ди-

раметров обследуемых, связанные с вариациями

намики и излучательных процессов только к 2.5-

солнечной динамики, геомагнитного поля и кос-

2.0 млрд лет назад. В таких условиях питание от

мических лучей. Также рассматривалась связь

солнечного света было крайне неэффективно и

здоровья обследуемых с вариациями параметров

нерегулярно, поэтому первым живым организ-

обычной погоды. Подробно технология междуна-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

814

РАГУЛЬСКАЯ и др.

(а)

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

-0.02

-0.04

(б)

(в)

(г)

0.025

0.14

0.10

0.020

0.12

0.08

0.015

0.10

0.010

0.08

0.06

0.005

0.06

0.04

0.000

0.04

-0.005

0.02

-0.010

0.00

-0.015

-0.02

-0.020

–0.04

–0.010

-0.005

0.000

0.005

0.010

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.001

0.000

Рис. 5. Схема анализа кардиосигнала в фазовом пространстве: (а) - исходная ЭКГ; (б) - циклы ЭКГ и усреднение в

фазовом пространстве; (в) - восстановленный эталонный кардиоцикл [1]; (г) - сегмент S-T в фазовом пространстве.

Чем более северной является широта этнического происхождения обследуемых, тем короче в их ЭКГ длина S-T-

сегмента и больше коэффициент симметрии Т-зубца. Поскольку в более высоких широтах амплитуда переменного

геомагнитного поля увеличивается, найденные этнические изменения Т-зубца скорее всего являются проявлением

эволюционных процессов адаптации, обусловленной динамикой Солнца, в масштабе всей популяции.

родного проекта «Гелиомед» и результаты много-

Еще одним результатом мониторинга было

факторного комплексного анализа данных изло-

выявление широтных и этнических особенностей

жены в работах [1, 36-40].

ЭКГ, связанных с вариациями солнечной актив-

ности и космогеофизических факторов. Как ока-

Одним из изучаемых параметров мониторинга

залось, фазовый портрет кардиоцикла является

был кардиосигнал первого отведения электро-

уникальной характеристикой человека, подоб-

кардиограммы (ЭКГ) в состоянии покоя и после

ной отпечаткам пальцев. При этом у близких род-

различных нагрузок, анализируемый в фазовом

ственников одного поколения фазовые портреты

пространстве. Схема анализа сигнала в фазовом

в покое различаются незначительно. Аналитиче-

пространстве и построение эталонного кардио-

ская программа различала их по измерениям, сде-

цикла приведена на рис. 5 [38]. Было выявлено,

ланным после интенсивной физической нагруз-

что наиболее выраженно внешние нагрузки, свя-

ки. В результате мониторинга различных этниче-

занные с вариациями космической и обычной

ских групп, проведенных на медицинском

погоды, проявляются вблизи особых точек около

факультете Российского университета дружбы

Q-зубца и S-T-сегмента. Также после вспышеч-

народов (138 человек), выявлено, что историче-

ных процессов на Солнце даже у здоровых людей

ски сформировавшиеся этнические группы в фа-

наблюдался переход динамики сердца в более ха-

зовом пространстве демонстрируют схожую со-

отический режим функционирования [37]. Ста-

вокупность признаков ЭКГ [40].

тистически значимых изменений R-R-интерва-

лов в зависимости от резких вариаций геомагнит-

Дополнительный мониторинг пяти семей, на-

ного поля (так называемых «магнитных бурь») у

считывающих в своем составе четыре поколения,

здоровых людей выявлено не было.

выявил передачу характерных признаков фазово-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

815

(а)

(б)

Рис. 6. (а) - Характерные фазовые портреты кардиоцикла «южно-русского» типа (S) и «северо-русского» типа (N);

(б) - генетическая карта Евразии. Характерная сердечная динамика передается по наследству и является генетически

детерминированной величиной. Она отражает эволюционную адаптацию человечества как биологического вида, а

также этнические процессы исторического переселения и смешения народов.

го портрета ЭКГ по наследству, с попеременной

разом, показано, что характерная сердечная ди-

сменой половой принадлежности наследника в

намика передается по наследству и является гене-

каждом следующем поколении (мать - сын -

тически детерминированной величиной. Она от-

внучка - правнук).

ражает эволюционную адаптацию человечества

как биологического вида, а также этнические

Обнаружено разделение ЭКГ по «южно-рус-

процессы исторического переселения и смеше-

скому» и «северо-русскому» типу. Выраженное

ния народов.

разделение на «южно-индийский» и «северо-ин-

дийский» тип фазового портрета ЭКГ наблюдает-

Характерные этнические совокупности при-

ся у граждан различных районов Индии, приехав-

знаков имеют выраженное широтное различие.

ших в Москву на обучение. У студентов из других

Так, чем более северной является широта этниче-

стран также фиксируются этнические отличия

ского происхождения обследуемых, тем короче в

фазовых портретов ЭКГ. На рис. 6а приведены

их ЭКГ длина S-T-сегмента и больше коэффици-

характерные фазовые портреты кардиоцикла

ент симметрии Т-зубца. Такая динамика пара-

«южно-русского» (S) и «северо-русского» типа

метров сердечной деятельности характерна для

(N). В ходе дальнейших исследований выявлено

более активного потребления кислорода миокар-

совпадение «южно-русского» и «северо-индий-

дом. Поскольку в более высоких широтах ампли-

ского» типов фазового портрета.

туда переменного геомагнитного поля увеличива-

ется, найденные этнические изменения Т-зубца

Для определения возможных причин неожи-

скорее всего являются проявлением эволюцион-

данных совпадений фазовых портретов кардио-

ных процессов адаптации, обусловленной дина-

цикла в различных этносах, разделенных многи-

микой Солнца, в масштабе всей популяции. Воз-

ми тысячами километров, было проведено рас-

можно, что существенную роль в зафиксирован-

смотрение миграционных исторических потоков

ных реакциях играют волютиновые зерна,

Евразии. Сравнение результатов мониторинга с

присутствующие в тромбоцитах человека [41].

генетической картой мира (рис. 6б), а также вы-

борочные генетические анализы показали, что

представители обнаруженного нами «южно-рус-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ского» и

«северо-индийского» типа фазового

портрета ЭКГ принадлежат к гаплогруппе R1a, а

В процессе своего возникновения и развития

«северо-русского» - к гаплогруппе N3. Таким об- биосфера постоянно находилась под воздействи-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

816

РАГУЛЬСКАЯ и др.

ем солнечного излучения и космофизических

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

факторов. Эти факторы оказывали существенное

Настоящая работа не содержит описания ка-

влияние на физические условия на ранней Земле,

ких-либо исследований с использованием людей

состав атмосферы и химический состав океанов,

и животных в качестве объектов.

температуру поверхности. Как показали наблю-

дения за солнцеподобными звездами, эволюци-

онная адаптация первых живых систем происхо-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

дила в условиях пониженной светимости и повы-

1. М. В. Рагульская, Солнце и биосфера: миллиарды

шенной радиационной опасности молодого

лет вместе (Радиотехника, М.,

2019). URL:

Солнца. Вспышечная активность и интенсив-

http://www.izmiran.ru/pub/izmiran/Ragulskaya-

ность солнечного излучения была на два порядка

Sun-2019.pdf

выше современной, особенно в ультрафиолето-

2. Е. Г. Храмова, в кн. Жизнь и Вселенная, под ред.

вом и рентгеновском диапазоне. Формировавши-

В. Н. Обридко и М. В. Рагульской (ООО «Изд-во

еся живые системы должны были не только про-

BBM», СПб.,

2017). URL: http://www.izmi-

тивостоять, но и использовать космогеофизиче-

ran.ru/pub/izmiran/Life-n-Universe.pdf.

ские факторы в своем развитии, например, в

3. М. Никитин, Происхождение жизни: от туманно-

отборе единого кода ДНК. В условиях тусклого

сти до клетки (Из-во АНФ, М., 2016)

молодого Солнца одним из факторов, повышаю-

щих температуру поверхности планеты до геоло-

4. М. В. Рагульская, Технологии живых систем 16 (5),

гически зафиксированных значений, могла стать

60 (2019).

глобальная океаническая органическая пленка.

5. В. А. Твердислов и Е. В. Малышко, Успехи физ.

Наличие такой пленки также объясняет спектр

наук 189 (4), 375 (2019).

поглощения хлорофилла, который не соответ-

6. A. Y. Mulkidjan and M. Y. Galperin, Biol. Direct 4, 27

ствует максимуму солнечного излучения. Пленка

(2009).

защищала находящихся ниже ее микроорганиз-

7. А. Б. Струминский, Дис. … докт. ф.-м. н., М., 2011.

мы от разрушительного воздействия жесткого

8. I. A. Mironova, et al., J. Atmospher. Solar-Terrestr.

ультрафиолетового и рентгеновского облучения.

Phys. 149, 146 (2016).

При этом аккумулированная энергия коротко-

9. О. В. Кочина, Д. З. Вибе, С. В. Каленский и

волнового солнечного излучения передавалась

А. И. Васюнин, Астрон. журн. 90, 892 (2013).

через флуоресценцию в окружающую среду, при-

чем на длинах волн, которые смогли использо-

10. Th. Henning and D. Semenov, Chem. Rev. 113, 9016

вать формирующиеся фотосинтезирующие орга-

(2013).

низмы. Через 2.5-2.0 млрд лет Солнце вышло на

11. K. I. Öberg, V. V. Guzmán, K. Furuya, et al., Nature

близкий к современному режим циклической ди-

520, 198 (2015).

намики, однако эволюционные адаптационные

12. D. Atri and A. Melot, Astroparticle Phys. 53, 186

механизмы проявляются и в современных живых

(2014).

системах, от дрожжевых клеток до человека. Во-

13. K. Wyman and S. Redfield, Astrophys. J. 773, A96

прос об активности молодого Солнца и интен-

(2013).

сивности космических лучей в ранней Солнеч-

14. Q. Pognan, C. Garraffo, O. Cohen, et al., Astrophys. J.

ной системе оказывается важным не только для

856, 1 (2018).

моделирования биосферы ранней Земли, но и для

рассмотрения астробиологических вопросов воз-

15. N. J. Shaviv, New Astronomy 8, 39 (2003).

можности существования жизни на спутниках

16. H. Svensmark, Monthly Notices Roy. Astronom. Soc.

планет-гигантов и экзопланетах.

423 (2), 1234 (2012).

17. В. С. Мурзин, Введение в физику космических лучей

(Изд-во МГУ, М., 1988).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

18. N. K. Belisheva, H. Lammer, at al., Astrophys. Space

Sci. Trans. 8, 7 (2012). DOI: 10.5194/astra-8-7-2012

Работа выполнена при частичной финансовой

19. E. Gromozova, at al., Sun and Geosphere 7 (2), 117

поддержке Программы 17 Президиума РАН «Эво-

(2012).

люция органического мира и планетарных про-

20. M. V. Ragul’skaya, E. A. Rudenchik, S. M. Chibisov,

цессов» и Российского фонда фундаментальных

and E. N. Gromozova, Bul. Exp. Biol. Med. 159 (2),

исследований (грант № 18-52-06002-Аз_а).

269 (2015). DOI: 10.1007/s10517-015-2939-0

21. M. Güdel, Living Rev. Solar Phys. 4, Art. nu. 3 (2007).

DOI: 10.12942/lrsp-2007-3

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

22. В. Н. Обридко и Ю. А. Наговицин, Солнечная

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

активность, цикличность и методы прогноза (ООО

интересов.

«Изд-во BBM», СПб., 2017).

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ

817

23. V. V. Pipin, Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 466 (3),

33. М. Simakov, in Origins: Genesis, Evolution and Diversity

3007 (2017).

of Life, Ed. by J. Seckbach (Kluwer, 2004), pp. 645-

665.

24. М. В. Рагульская, Земля и Вселенная, № 3, 91

(2017).

34. А. М. Садовский, А. Б. Струминский и А. В. Белов,

Письма в Астрономич. журн.: Астрономия и

25. E. Gaucher, et al., Nature 451 (7179), 704 (2008).

космическая астрофизика 44 (5), 347 (2018).

26. C. Goldblatt and K. Zahnle, Nature 474, E1 (2011).

35. F. Westall, et al., Astrobiology 15, 998 (2015).

DOI: 10.1038/nature09961

36. В. В. Вишневский, М. В. Рагульская и С. Н. Сам-

27. V. Obridko, M. Ragulskaya, and E. Khramova, J. At-

сонов, Технологии живых систем, № 4, 61 (2007).

mospher. Solar-Terrestr. Phys. 197 (2020).

37. М. В. Рагульская и В. В. Пипин, Динамика

28. Т. Абд Дейдан, С. В. Пацаева, В. В. Фадеев и

сложных систем, 1 (1), 17 (2010).

В. И. Южаков, Вестн. МГУ, сер.

3. Физика.

38. Биотропное воздействие космической погоды, под

Астрономия 35 (2), 51 (1994).

ред М. В. Рагульской (ООО «Изд-во BBM», СПб.,

2010).

29. Т. С. Идрисов, М. А. Курбанов и У. А. Кулиева,

Хим. безопасность 2 (2), 106 (2018).

39. V. Obridko, M. Ragulskaya, E. Rudenchik, et al., Tech-

nologies Live Systems, 11 (3), 12 (2014).

30. E. Khramova, J. Atmospher. Solar-Terrestr. Phys. 197

40. С. М. Чибисов, Г. С. Катинас и М. В. Рагульская,

(2020).

Биоритмы и космос: мониторинг космо-биосферных

31. Ю. И. Гурфинкель, Ишемическая болезнь сердца и

связей (М., 2013)

солнечная активность (Изд-во

«Эльф-3», М.,

41. М. В. Рагульская, В. Н. Обридко и Е. Г. Храмова, в

2004).

сб. Материалы VI Съезда биофизиков России, (Сочи,

32. V. S. Cheptsov, et al., Geosciences, № 8, 298 (2018).

2019), сс. 367-368.

Galactic Factors, the Young Sun and Earth, and Biophysics of Living Systems

M.V. Ragulskaya, V.N. Obridko, and E.G. Khramova

Institute of Terrestrial Magnetism and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences,

Kaluzhskoye shosse 4, Troitsk, Moscow, 108840 Russia

The factor of the radiation effects of the young Sun and galactic cosmic rays on physical conditions on the

early Earth and is significantly underestimated while studying problems related to the origin and evolution of

the biosphere. This paper reviews the dynamics of solar and galactic processes over 4.56 billion years of the

existence of the solar system. These factors had a significant impact on the formation of adaptive technologies

of living systems in ancient and modern times. The features of the biosphere development on the early Earth

under a faint but more flash-active young Sun are considered. The radiation spectrum of the young Sun and

the paradox of the mismatch between the solar radiation and the chlorophyll absorption spectrum are dis-

cussed. The ways of solving this paradox are proposed. The role of solar radiation when studying models of

the Earth’s early biosphere and hypothetical biospheres of the giant planets satellites and exoplanets is high-

lighted.

Keywords: cosmic rays, faint young Sun radiation, primary biosphere, life origin, photosynthesis, biophysics of liv-

ing systems

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020