Стохастический резонанс – это парадокс, где хаос помогает навести порядок! Это явление доказывает: что даже шум способен усилить слабый сигнал, вывести систему на новый уровень и открыть двери к невероятным возможностям.
Информационное взаимодействие на биологические эффекты
Слабые электромагнитные колебания могут оказывать влияние на биологические объекты, не вызывая теплового эффекта. Этот феномен изучал А. С. Пресман, введя понятие «информационного взаимодействия». В миллиметровом диапазоне волн такие сигналы обладают низкой интенсивностью, но способны передавать информацию, аналогично радиотехническим системам. Исследования показывают, что определённые частоты могут взаимодействовать с живыми организмами, вызывая специфические реакции. Это открывает перспективы в медицине, биофизике и экологии, позволяя разрабатывать новые методы воздействия на организм без вредных побочных эффектов.
Сверхмалые дозы: феномен информационного воздействия
В последние годы проблема слабых электромагнитных сигналов становится всё более актуальной. Это связано с экологическими нормами и ограничениями воздействия на людей, работающих с электромагнитными полями. Особый интерес к этому явлению вызван не только практическими, но и фундаментальными физическими аспектами. Исследования Е. Б. Бурлаковой показали, что сверхмалые дозы лекарственных препаратов могут обладать терапевтической активностью, несмотря на их концентрацию, значительно меньшую традиционных фармацевтических норм. Этот эффект, названный «парадоксом сверхмалых доз», открывает новые горизонты в медицине, фармакологии и биофизике.
Парадокс сверхмалых доз: загадка биологического ответа
Феномен сверхмалых доз вызывает большой научный интерес, так как его эффекты наблюдаются при концентрациях, значительно меньших, чем в гомеопатии. Графически этот парадокс проявляется в том, что одинаковый биологический эффект может достигаться как при относительно высокой дозе, так и при крайне малой концентрации вещества. Эксперименты подтвердили этот эффект на клеточном уровне, а также у животных и растений. Это явление выходит за рамки традиционной фармакологии и имеет фундаментальное значение для биологии, что подробно рассмотрено в работе Ю. П. Чуковой «Эффекты слабых воздействий».
Шкала электромагнитных полей
Миллиметровые волны (ММ) охватывают диапазон частот от 30 до 300 ГГц, с длинами волн от 1 до 10 мм. Эти волны стали объектом интенсивного исследования в 60-е годы XX века, благодаря работе советских ученых СССР , которые разработали широкополосные генераторы с электрической перестройкой частоты. Важно отметить, что освоение миллиметровых волн стало последним этапом в изучении всей шкалы электромагнитных волн, которая охватывает широкий спектр частот и применяется не только в традиционных областях, таких как радиосвязь и телевидение, но и в медицине, биологии и других инновационных сферах. Миллиметровые волны открывают новые возможности для применения в различных высокотехнологичных областях, включая беспроводную связь, радиолокацию и диагностику.
Электромагнитные волны
Электромагнитная волна представляет собой форму материи, сочетание времени-зависимых электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве. Она несет энергию и импульс, но не переносит вещества. Эти волны оказывают значительное влияние на живые организмы разных уровней организации, так как электромагнитные поля являются важным физическим фактором среды.
Глаза человека не способны увидеть структуру электромагнитной волны, но теоретически, если бы мы могли её наблюдать, она бы выглядела как синусоидальные изменения электрического и магнитного полей в пространстве. Эти поля перпендикулярны друг другу и изменяются в соответствующих плоскостях. Период волны обозначается как λ (лямбда).
На границе двух сред 🙂
В свободном пространстве (в вакууме или в воздушной атмосфере) скорость электромагнитной волны составляет примерно 300 тысяч километров в секунду. Мы знакомы с этой величиной и знаем её как скорость света C. Таким образом, электромагнитные волны распространяются в воздушном пространстве со скоростью света, а свет, как хорошо известно, является электромагнитной волной.
Следует обратить внимание на то, что при переходе электромагнитной волны из одной среды в другую (например, в биологическую ткань при облучении организма) частота колебания сохраняется, а длина волны изменяется. Здесь надо рассмотреть две ситуации. Если волна проникает в какую-либо среду (например, в биологическую ткань), то длина волны в этой среде равна: λ = λ₀/√ε, где ε — диэлектрическая проницаемость среды. В миллиметровом диапазоне, например, для длины волны λ₀ = 5 мм (этой длине волны соответствует частота f = 60 ГГц) и ε = 25 значение λ₁ = 1 мм. Следовательно, длина электромагнитной волны в биологической ткани всегда меньше длины электромагнитной волны в воздушном пространстве при неизменном значении частоты колебания.
Тепловые волны
Электромагнитные (тепловые) волны излучает и сам человек. В физике давно установлено, что любое материальное тело, находящееся при температуре Т # 0 (по шкале Кельвина), излучает электромагнитные волны. Академик С.И. Вавилов писал: «На земле все теплое и поэтому все светится видимыми или невидимыми лучами, светится и сам человек». Это излучение связано с тепловым движением атомов и молекул. Таким образом, всякое тело испускает тепловое излучение, и его спектр частот является сплошным, а распределение энергии по частотам зависит от температуры тела. Уже в 1835 году французский физик Ампер высказал мысль, что световые и тепловые лучи имеют одинаковую природу — электромагнитную, и это предположение впоследствии было неоднократно блестяще подтверждено в экспериментах ряда известных ученых. Излучение является чисто тепловым, если оно находится в термодинамическом равновесии и только со своим излучением.
Диагностика заболевания.
Температуры тела человека 36,6°С оказывается, что λ = 9,4 мкм, то есть эта длина волны лежит в ИК-области. Теперь становится понятным, что, измеряя с помощью специальных радиоприемников (радиометров) собственное электромагнитное излучение тела человека в разных областях, можно ставить диагноз заболевания любого органа человека, сопровождающегося изменением его температуры (а это действительно так). Тепловая диагностика в ИК-области (ИК-тепловидение) или радиотермография (в области радиодиапазона) являются эффективными диагностическими методами и широко используются в медицине.
Вывод
Вывод: Все живые организмы на Земле постоянно подвергаются воздействию электромагнитных волн, как космического, так и техногенного происхождения. Живые существа также излучают электромагнитные волны. Например, излучение человека связано с беспорядочным движением большого числа электрических зарядов. Это подтверждается сплошным характером электромагнитного спектра, излучаемого телом человека. До сих пор не удавалось зарегистрировать в этом спектре дискретные составляющие, что свидетельствует о отсутствии организованного (фазированного) движения электрических зарядов, как это наблюдается в генераторах или усилителях СВЧ.
Вода и волны
Вода в жидком и парообразном состояниях, а также водные растворы являются одними из самых сильных поглотителей миллиметровых волн (ММ-волн). Например, миллиметровый слой воды ослабляет КВЧ-излучение примерно в 100 раз при длине волны 8 мм и в 10 000 раз при длине волны 2 мм. Этот факт играет важную роль не только в изучении распространения ММ-волн в атмосфере, но и в объяснении биофизических механизмов взаимодействия этих волн с живыми организмами.
Человек излучает волны
Для людей, не знакомых с темой, может показаться удивительным, что человек излучает значительное количество электромагнитной энергии — около 100 Вт, что эквивалентно мощности хорошей лампы накаливания. Эта мощность распределена неравномерно по спектру электромагнитных волн, и, как известно, максимальное излучение происходит в инфракрасном диапазоне.
Мало кто, возможно, осознавал роль электромагнитных волн в процессах жизнедеятельности, так глубоко, как Л.А. Чижевский. Давайте спокойно и вдумчиво обратимся к его высказываниям из замечательной книги «Земное эхо солнечных бурь»:
«Современный биолог имеет веские основания утверждать, что жизнедеятельность растительных и животных организмов находится в зависимости от различных метеорологических явлений, среди которых особое место занимают электрические феномены. Поскольку электрические, магнитные и электромагнитные явления в земной коре и её атмосфере тесно связаны с космическими явлениями, прежде всего с влиянием Солнца, необходимо исследовать, как эти явления соотносятся с солнечной деятельностью и влияют ли они на эпидемические заболевания.»
Ключевая идея
Ключевая идея о чувствительности биологических объектов к слабым электромагнитным полям поддерживает предположение, что миллиметровые волны (ММ-волны) являются «естественными» для биологических объектов. Это связано с их способностью взаимодействовать с живыми системами, что открывает возможности для использования этих волн в целях управления основными физиологическими функциями организма.
Мощность электромагнитных колебаний, излучаемых электрическими диполями плазматической мембраны клетки, составляет примерно 10^(-23) Вт в узкой полосе частот. Несмотря на то, что эта величина является очень маленькой, она имеет важное значение для живых клеток. Именно поэтому клетки должны быть чувствительными к внешним излучениям, мощность которых находится в таком же диапазоне.
С шумом не надо бороться
В начале 80-х годов было экспериментально установлено, что наличие источников шума в нелинейных динамических системах может привести к появлению принципиально новых режимов функционирования, которые невозможно реализовать без шума. Было доказано, что шум может выполнять «положительную» роль, повышая степень упорядоченности движений системы или улучшая её рабочие характеристики. Например, шум может способствовать образованию более регулярных структур, увеличению степени когерентности, усилению сигналов и улучшению отношения сигнал/шум.
До этого момента классическая точка зрения утверждала, что шум всегда оказывает отрицательное влияние на динамические системы, ухудшая их характеристики, и с ним необходимо бороться. Однако эффект стохастического резонанса кардинально меняет этот подход. Этот эффект описывает явление, при котором отклик нелинейной системы на слабый внешний сигнал значительно усиливается с увеличением интенсивности шума в системе. При этом всегда существует оптимальный уровень шума, при котором эффект достигает максимума.
Дальнейшие эксперименты, проведённые с различными физическими объектами, подтвердили, что стохастический резонанс является фундаментальным, ранее неизвестным явлением, проявляющимся в нелинейных динамических системах и позволяющим контролировать основные параметры этих систем.
Стохастический резонанс — это явление, при котором слабый сигнал в нелинейной системе усиливается за счёт шума. Это может звучать странно, но суть в том, что шум, который обычно считается помехой, может в некоторых случаях улучшить способность системы реагировать на сигнал.
ARC-1 и Стохастический резонанс
Стохастический резонанс может наблюдаться не только в динамических, но и в нединамических или пороговых системах, что особенно интересно для биологических объектов. Эти системы могут «реагировать» на внешний сигнал только в случае наличия шума, который позволяет преодолеть определённый порог.
Пример с пороговым сигналом: допустим, у вас есть слабый синусоидальный сигнал, который не может быть воспринят системой, потому что его амплитуда слишком мала. Однако, если на систему воздействует шум (например, белый шум), то сигнал может «преодолеть порог» благодаря этому шуму, и система начнёт его фиксировать.
На рисунке, который иллюстрирует этот процесс, синусоидальный сигнал находится в условиях, когда без шума он бы не был замечен. Когда шум добавляется, сигнал может превысить порог и начать восприниматься системой. Рисунок также показывает, как этот процесс приводит к формированию спектра сигнала, а именно спектра частот, включая гармоники синусоидального сигнала.
Это явление важно для биологических систем, потому что в живых организмах такие пороговые реакции могут наблюдаться в нервной системе, где слабые стимулы, при определённом уровне шума (например, шум нервных клеток), становятся воспринимаемыми и способны вызывать отклик.
Шум источник энергии
Шумовой сигнал может быть как «белым», так и иметь ограниченный спектр. Эффект стохастического резонанса может быть реализован не только при воздействии внешнего шума, но и при наличии внутреннего шума в самой исследуемой системе. Это означает, что системы могут демонстрировать стохастический резонанс и без внешнего шума, если в самой системе есть случайные колебания, которые могут усиливать сигналы.
Когда на стохастические системы воздействует периодический сигнал, происходит явление, называемое стохастической синхронизацией. В этом случае система может «захватить» частоту внешнего сигнала и начать на неё резонировать, что открывает возможность управлять параметрами системы, которая находится в состоянии стохастической нелинейной динамики.
Стохастическая синхронизация также может проявляться, когда ансамбль стохастических резонаторов взаимодействует с внешним периодическим сигналом. Важным примером такого явления является исследование биологических систем, таких как нейронные рецепторы или каналы в клеточных мембранах. В этом контексте шум, необходимый для реализации стохастического резонанса, может исходить не от внешних источников, а быть внутренним шумом биологической системы.
Два примера
Пример со сверчком прекрасно иллюстрирует, как живые организмы могут использовать стохастический резонанс для обработки информации. Сверчок, находящийся под угрозой со стороны осы, способен улавливать её приближение по звуку колеблющихся крыльев (80–100 Гц). Однако этот сигнал довольно слабый и может теряться среди других шумов окружающей среды.
Но благодаря стохастическому резонансу естественные шумы воздуха не мешают сверчку, а наоборот, помогают ему. В условиях слабого сигнала внешний шум усиливает восприятие колебаний крыльев осы, помогая механо-рецепторам сверчка различать периодический тревожный сигнал. По сути, сверчок использует случайные шумовые колебания окружающей среды в своих интересах, что повышает его шансы на выживание.
Это показывает, как биологические системы могут адаптироваться и использовать неизбежный шум для оптимального распознавания важных сигналов.
Пример с речным раком демонстрирует еще один удивительный случай применения стохастического резонанса в природе. Рак использует свои механорецепторы, расположенные в хвостовой части, чтобы улавливать почти периодические колебания воды (около 10 Гц), создаваемые движениями приближающейся хищной рыбы. Однако этот слабый сигнал накладывается на естественный фоновый акустический шум воды, что затрудняет его восприятие.
Благодаря стохастическому резонансу механорецепторы рака усиливают полезный сигнал на фоне окружающего шума. Это позволяет ему заблаговременно обнаружить опасность, поскольку скорость звуковых волн в воде выше скорости передвижения рыбы. В результате рак успевает вовремя спрятаться.
Еще один интересный аспект этого примера связан с фоторецепторами, расположенными в хвостовой части рака. Исследования показали, что при воздействии света изменяется уровень внутреннего шума нейронов, соединяющих механорецепторы с нервной системой. Этот внутренний шум также участвует в реализации стохастического резонанса, дополнительно улучшая чувствительность рака к приближающейся угрозе.
Оба примера — со сверчком и речным раком — подтверждают, что биологические системы способны использовать неизбежный шум окружающей среды для улучшения восприятия важных сигналов. Этот эволюционный механизм помогает животным быстрее реагировать на угрозы и повышает их шансы на выживание.
На заметку
Этот пример с речным раком демонстрирует, что стохастический резонанс может быть динамически подстраиваемым. Фоторецепторы в хвостовой части рака реагируют на свет, изменяя уровень внутреннего шума в его нервной системе. Это позволяет ему адаптировать чувствительность механорецепторов к окружающему акустическому шуму воды, создавая оптимальные условия для обнаружения хищника.
Особенно интересно, что этот биологический механизм имеет потенциальные медицинские направление. В исследованиях по лечению острого деструктивного панкреатита было замечено, что сочетание низкоинтенсивных миллиметровых волн (основного терапевтического сигнала) с красным и зеленым светом могло стимулировать внутренний шум в нейронах. Это, вероятно, способствовало улучшению передачи сигнала в нервной системе, создавая условия для стохастического резонанса и повышая эффективность лечения.
Таким образом, стохастический резонанс — это не просто теоретический физический эффект, а реальный биологический механизм, используемый живыми организмами для обработки информации и адаптации к окружающей среде. А его медицинское применение может открыть новые подходы к лечению нейрофизиологических заболеваний.
Стохастический резонанс и нерешенные вопросы
Стохастический резонанс, как фундаментальное физическое явление, играет ключевую роль в повышении чувствительности биологических систем к слабым внешним воздействиям. Этот эффект может объяснить, почему живые организмы способны улавливать слабые электромагнитные поля в различных диапазонах длин волн, включая миллиметровый диапазон.
Кроме того, стохастический резонанс помогает понять, как эволюция закрепила способность живых систем извлекать полезную информацию из окружающей среды, несмотря на наличие шумов. В биологических системах шум не всегда является помехой — он может усиливать слабые сигналы, помогая организму лучше адаптироваться к окружающим условиям.
Принцип подобия
Фрактальная природа биологических систем объясняет, почему целостные организмы более чувствительны к внешним электромагнитным полям, чем изолированные клетки или растворы макромолекул. А. С. Пресман заметил, что живые клетки, находясь в организме, взаимодействуют между собой на языке миллиметровых волн, что способствует их координации и обмену информацией. ARCTESLA «Вот почему когда я брал образец крови и пытался воздействовать на него разными полями, результат был отрицательный»
Фрактальность в биологии проявляется в том, что биологические структуры имеют самоподобную организацию на разных уровнях — от молекул до органов и целых организмов. Это свойство позволяет живым системам эффективно функционировать в сложной среде, адаптироваться к изменениям и реагировать на слабые сигналы.
Принцип «фрактал к фракталу» предполагает, что эволюция живых организмов на Земле шла по пути самоподобия, создавая иерархические структуры, способные к устойчивой работе и взаимодействию с окружающим миром. Это может объяснить, почему биологические системы столь чувствительны к слабым внешним сигналам и как стохастический резонанс помогает им извлекать полезную информацию из шумовой среды.
Пятое состояние вещества
Фрактальная природа биологических структур проявляется на разных уровнях организации живого. Например, топология сосудов сетчатки, границы между тканями и жидкостями, поверхности ядерных мембран, а также белковые молекулы и их комплексы демонстрируют фрактальную организацию.
Особенно важной является фрактальная структура водных кластеров, поскольку вода как растворитель играет ключевую роль в биологических процессах, включая самосборку биополимеров. Интересно, что топология водных фракталов согласуется с пространственной структурой большинства известных белков, что может указывать на их эволюционное взаимное приспособление.
Современная наука рассматривает фракталы как частный случай кластеров, которые считаются новым, пятым состоянием вещества наряду с твёрдым, жидким, газообразным и плазменным. Кластеры представляют собой системы связанных атомов или молекул, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Они занимают промежуточное положение между молекулярной и конденсированной формами материи, демонстрируя характеристики, отличные от классических агрегатных состояний.
Что надо учитывать в проектировании и разработках устройств
Эксперименты с микроорганизмами показали, что живые системы обладают высокой чувствительностью к слабым электромагнитным полям в миллиметровом (ММ) диапазоне. Пороговые значения плотности мощности излучения в разных исследованиях варьировались от микроватт до милливатт на квадратный сантиметр.
На основании полученных данных были выявлены ключевые биологические эффекты воздействия ММ-волн:
- Резонансная зависимость — биологический эффект сильно зависит от частоты электромагнитного колебания и часто имеет форму острой резонансной кривой.
- Эффект плато — в определённом диапазоне мощности волны воздействие остаётся стабильным, что указывает на информационный характер воздействия, а не на тепловой эффект.
- Кумулятивность — эффект накапливается со временем.
- Зависимость от места облучения — реакция организма варьируется в зависимости от зоны воздействия.
- Долговременное воздействие — эффект сохраняется в последующих поколениях, как это было продемонстрировано на микроводорослях.
- Фазозависимость — биологический эффект изменяется в зависимости от стадии развития организма.
- Чувствительность при отклонениях от нормы — чем больше физиологические показатели отличаются от нормы, тем сильнее биологический эффект.
- Синхронизация физиологических процессов — при нарушении временных параметров работы организма воздействие ММ-волн способствует их нормализации.
Эти результаты открывают перспективы изучения механизмов взаимодействия электромагнитного излучения с биологическими системами и возможного практического применения в медицине и биотехнологиях.
Продолжение следует.