Роль солнечной и космической радиации в биосфере

Классификация космического излучения и защитная функция атмосфера Земли. Солнце представляет собой колоссальный источник энергии, при этом на Землю поступает лишь одна двухмиллиардная ее часть. От Солнца планета получает видимый свет и тепловую энергию. Кроме того, наше светило генерирует рентгеновское излучение, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, радиоволны, а также непрерывные потоки заряженных частиц.

Характеристика основных корпускулярных потоков. В космическом пространстве присутствуют частицы практически любых энергий. Это в основном протоны и электроны, а также (в значительно меньших количествах) ядра атомов различных химических элементов. Для методологического удобства их принято разделять на четыре ключевые группы:

• Галактические космические лучи — высокоэнергетические потоки протонов, атомных ядер и электронов, проникающие в Солнечную систему из глубин Галактики.
• Солнечные космические лучи — потоки протонов и электронов с энергиями в диапазоне 10⁵—10¹⁰ электронвольт (эВ). Они генерируются на Солнце преимущественно во время солнечных вспышек и заполняют пространство Солнечной системы вплоть до орбиты Марса.
• Солнечный ветер — постоянные потоки межпланетной плазмы, истекающей во все стороны от Солнца. Кинетическая энергия частиц солнечного ветра составляет около 10³ эВ.
• Захваченная радиация — корпускулярные частицы (преимущественно протоны и электроны), удержанные магнитными полями планет и образующие так называемые радиационные пояса.

Защитный барьер земной атмосферы. До поверхности Земли доходят далеко не все виды указанных излучений. Ее надежно защищает от вредных радиационных воздействий воздушная «обшивка» — атмосфера Земли. Атмосферный экран пропускает лишь видимый участок электромагнитного спектра, незначительную часть ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, а также радиоволны длиной от 3 мм до 3 м. Корпускулярные «осколки» атомов до земной поверхности также не долетают; единственное исключение составляют нейтрино. Состояние биосферы Земли и здоровье человека находятся в несомненной фундаментальной связи с радиационными излучениями, где особое значение имеет влияние Солнца.

Энергия Солнца и эволюция жизни на Земле. Значение солнечной энергии для возникновения и прогрессивного развития жизни на Земле невозможно переоценить. Прежде всего, без энергии Солнца оказалась бы невозможной жизнедеятельность растительного покрова — важнейшего условия, обеспечивающего существование и эволюцию высокоорганизованных живых существ, а также снабжение организмов питанием. Основной биофизический и биохимический процесс в растениях — фотосинтез — протекает под действием энергии солнечного света, в особенности под влиянием ультрафиолетовой радиации.

Академическая теория абиогенеза А. И. Опарина. Согласно теории академика А. И. Опарина, процесс возникновения жизни (абиогенез) на нашей планете включает три основных этапа:

• Первый этап. Абиогенное возникновение первичных органических веществ (в первую очередь углеводородов), из которых сформировались структуры растений, микроорганизмов и животных. В современных условиях решение этой задачи связано со значительными трудностями, поскольку углеводороды образуются биогенным путем с помощью самих организмов в процессе фотосинтеза под действием солнечной радиации.
• Второй этап. Формирование из простых углеводородов сложных органических соединений, служащих строительным материалом для живой клетки — белков, нуклеиновых кислот и их комплексов. Данный этап успешно воспроизведен в лабораторных экспериментах. При этом одни исследователи применяли в качестве «катализатора» электрический разряд (искру), а другие решили эту задачу с помощью прямого облучения компонентами солнечного спектра. Это позволяет биолагам оценить ключевое значение квантов излучения: кванты солнечной радиации определённым образом катализируют химические процессы, исследованием которых занимается радиационная химия.
• Третий этап. Формирование первых примитивных живых организмов. Хотя непосредственное участие солнечной радиации на этой стадии пока точно не установлено, совершенно очевидно, что именно солнечная энергия создала необходимый температурный и энергетический режим для заклинивания процессов жизнедеятельности.

Влияние солнечной активности на биологические процессы. Интенсивность солнечного излучения не является постоянной величиной. В некоторые периоды Солнце находится в спокойном состоянии, а в другие его активность существенно возрастает. Наиболее наглядным морфологическим признаком повышенной активности выступают солнечные пятна, а наиболее мощным динамическим проявлением — солнечные вспышки. Для уровня солнечной активности характерны четкие циклические колебания со среднем периодом в 11 лет. В течение этого цикла активность Солнца последовательно изменяется от минимума к максимуму. Так, на 1968 год приходился очередной максимум солнечной активности, а следующий пик наблюдался в 1979 году.

Исторические свидетельства и гелиобиологические ритмы. Циклические изменения солнечной активности непосредственно передаются Земле, ее биосфере и всем живым организмам. Однако научное объяснение и фиксация влияния солнечной циклической активности стали возможны сравнительно недавно. Исторические летописи и древние рукописи подмечают, что массовые налеты насекомых-вредителей, а также пандемии и эпидемические заболевания человека, животных и растений происходили с определенной периодичностью.

Вклад А. Л. Чижевского и Ф. Н. Шведова. Основоположник гелиобиологии А. Л. Чижевский, изучив обширные исторические данные о крупных эпидемиях и пандемиях чумы (начиная с 430 года до н. э. и заканчивая 1899 годом), установил корреляционное совпадение во времени между вспышками солнечной активности и массовыми заболеваниями. Вспышки размножения саранчи в XX веке и в предшествующие эпохи также происходили строго циклично — в среднем каждые 11 лет. Отечественный ученый Ф. Н. Шведов описал одиннадцатилетние ритмы изменения толщины годичных колец деревьев, доказав, что древесные срезы четко отражают колебания солнечного цикла.

Соматотропные и гематологические эффекты гелиогеофизических факторов. Собран огромный статистический материал о повторяемости патологий: вирусы гриппа активизируются и «наступают» в годы максимумов солнечной активности, тогда как дифтерия и ящур — наоборот, в годы солнечного минимума. По данным советского гематолога Н. А. Шульца, в годы максимума и минимума солнечной активности средний уровень лейкоцитов в крови человека существенно различается. При этом наибольшие амплитудные перепады отмечаются в северных широтах, где гелиогеофизические сдвиги сказываются сильнее. Это объясняется тем, что магнитное поле Земли смещает основную массу заряженных частиц под действием силы Лоренца (F = B·v·q) к полюсам.

Влияние активности Солнца на показатели крови и клинику заболеваний. Работы Н. А. Шульца показали, что возрастание солнечной активности приводит к лейкопении (уменьшению числа лейкоцитов в крови) и относительному росту числа лимфоцитов. Аналогичные изменения в составе крови наблюдаются после радиоактивного или ядерного облучения. В период активного Солнца резко возрастает частота сердечно-сосудистых заболеваний, включая инфаркт миокарда, и ухудшается состояние больных ревматизмом. Вследствие этого перед гелиобиологией стоят важные прикладные задачи: составление точных прогнозов солнечной активности для своевременной профилактики осложнений у больных, а также разработка методов радиационной защиты экипажей и космонавтов при космических полетах.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.