Электрографический критерий отличия живого от неживого
Татьяна Н. Греченко
Институт психологии Российской Академии Наук,
Москва
Аннотация
Живые организмы отличаются от неживых систем (объектов физики и химии) высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства, в частности, имеющие определенное выражение в электрической активности. Осцилляторные колебания в наиболее изученном диапазоне от 0,5 до 45 Гц характерны как для прокариотов, так и для эукариотов, занимающих верхушку спирали развития жизни. Осцилляции организованы в определенные временные структуры, многократно повторяющиеся в электрической активности. У любого вида живых организмов имеется несколько образцов паттернизированных осцилляций. Многие неживые объекты также имеют свойства, отражающиеся в их электрических характеристиках. Однако потенциалы неживых объектов окружающего мира изменяются по другим законам - имеют иные частотные диапазоны, в структуре их электрической активности отсутствуют паттерны осцилляций, ярко выраженные у живых существ. Тем не менее именно из них в особых геогелиофизических условиях возникли живые организмы, обладающие начальными формами психики. На электрическую активность влияют изменения окружающей среды. Обнаружены взаимодействия между объектами, принадлежащими к живой и неживой природе.
Ключевые слова: осцилляторы, живое и неживое, клетки-генераторы, гелиогеофизические процессы, альфвеновский резонанс, шумановский резонанс
Abstract
Electrographic criterion of difference living from nonliving objects
Tatiana N. Grechenko
Institute of Psychology, Russian Academy of Science,
Moscow
Living organisms differ from nonliving systems (objects of physics and chemistry) in high structural and functional orderliness. These differences give to life qualitatively new properties, in particular, having a certain expression in electric activity. Oscillatory fluctuations in the most studies range from 0.5 to 45 Hz are characteristic both of prokariot, and of the eukariot occupying a top of a spiral of development of life. However potentials of lifeless objects of the world around change under other laws - have other frequency ranges, in structure of electric activity there are no patterns of oscillations pronounced at living beings. Nevertheless, it was from them that living organisms with initial forms of mentality emerged in special geogeliophysical condi-tions. Electrical activity is influenced by changes in the environment. Interactions between objects belonging to living and non-living nature have been detected.
Keywords: oscillators, live and lifeless, cell generators, heliogeophysical processes, Alfven resonance, Schumann resonance
Введение
Электрическая ритмическая активность, зарегистрированная у живых существ, различающихся по сложности строения и имеющих разную эволюционную историю, оказалась весьма сходной по частотным диапазонам. Частотные характеристики этой активности располагаются в диапазоне от 0,5 до 45 Гц и не зависят от сложности объектов - от прокариот до многоклеточного человека, обладающего развитой нервной системой и сложнейшим головным мозгом, - частоты осцил- ляторной активности такие же, как у безъядерных клеток цианобактерий, одноклеточных эукариотов парамеций, дрожжей и других микро-организмов, побывавших в наших опытах [Греченко и др. 2015, Харитонов и др. 2014]. Накопленные к настоящему времени данные показывают, что многие биоритмы синхронизируются гелиогеофизически- ми колебательными процессами [Бреус и др. 1995, Гринцов и др. 2002]. Согласно теоретическим и экспериментальным данным в системе Земля-ионосфера присутствуют резонансные частоты: различают шумановские волны, имеющие основную частоту 7-12 Гц, которые влияют на циркадианный ритм организма, и альфвеновские волны, формирующие в ионосфере резонатор с частотой колебаний, 0.5-3 Гц [Хабарова 1995, Поляков 2003]. Усиление альфвеновского резонансного явления происходит в ночные часы, днем амплитуда колебаний уменьшается до значений обычного шума [Бару и др. 2013]. Форми-рование и подстройка осцилляторов живых систем происходила в форме синхронизации с частотами альфвеновского и шумановского резонанса, так как одним из главных абиотических факторов окружающей природной среды были и являются физические поля планеты, воздействующие на живую и неживую природу [Вернадский 1989, Чижевский 1976, Мархинин 1980, Орлеанский и др. 2016]. Физические поля с их динамичной электрической составляющей влияют на процессы, протекающие в биосфере. Электрические проявления свойственны многим “неживым” объектам, и сама планета Земля имеет естественное электрическое поле, которое обусловлено сложным комплексом геофизических явлений [Мартынюк и др. 2001]. Неживые объекты, создающие физические поля планеты, обладают определенными электрическими свойствами [Жданов 1986, Lillie 1929]. Каковы же эти свойства, в чем их особенности по сравнению с электрическими характеристиками живых объектов? Какова их роль в формировании живых существ?
Методика
Электрофизиологические опыты выполнены на трех группах прокариот: цианобактериях Oscillatoria terebriformis, Geitlerinema sp. и Halothece sp., сенных палочках Bacillus subtilis, медицинском препарате - бифидобактериях Bifidobacterium, на одноклеточных эукариотах - дрожжевых клетках Saccharomyces cerevisiae, инфузориях Par- amecia caudatum и амебах Amoeba proteus, плодовом теле социальной амебы Licogala epidendmm, на многоклеточных организмах: молочных грибах Zooaglea, медицинских пиявках Hirudo medicinael и наземных моллюсках Helix lucorum. срезах огурца Cucumis sativus и яблока Malus domestica “Jonagold”. Толщина срезов 2-2,5 мм.
Для регистрации электрических явлений у неживых объектов сохранили все условия опыта. В экспериментах использовались кусочки бумаги, марли, проволочки, поролона, стекла, песок камчатского Ха- лактырского пляжа, песок пляжа Куршской косы, сухие и свежие листья, кора, щепки и кости. Оцифровано и проанализировано около 100 фрагментов записей.
Процедура исследования электрической активности
электрографический живой неживой
В качестве метода служила регистрация электрической активности при помощи стеклянных микроэлектродов, заполненных 1 М или 2.5 М [для многоклеточных организмов] KCl. Для работы с цианобактериями Oscillatoria terebriformis применяли физиологический раствор следующего состава [в граммах на литр]: NaHCO3 - 3, Na2CO3 - 17, K2HPO4 - 0.5, Na Cl - 30, KNO3 - 2.5, MgSO4 - 0.2, CaCl2 - 0.04, FeSO4 - 0.01. Фрагмент биопленки, в которую входили Geitlerinema sp. и Halothece sp, исследовался в естественной среде (проба воды из соленого озера Дусь-Холь, Республика Тыва). Сенные палочки Bacillus subtilis, медицинский препарат бифидобактерии
Bifidobacterium, одноклеточные эукариоты дрожжевые клетки
Saccharomyces cerevisiae и амебы Amoeba proteus для регистрации помещались в жидкостную среду, а плодовое тело социальной амебы Myxomycetes располагалось на деревянной подложке, на которой оно сформировалось. Инфузории Paramecia caudatum во время регистрации находились в растворе следующего состава: KCl - 4 mM, CaCl2 - 1 mM, MgCl2 - 5 mM, трис-HCl - 1 mM, pH - 7.2. Физиологический раствор для работы с нервной системой моллюска Helix lucorum состоял из NaCl - 80 mM, KCl - 4 mM, CaCl2 - 7 mM, MgCl2 - 4 mM, трис-HCl - 10 mM, pH - 7.2-7.5. Для пиявок Hirudo medicinalis применялся физиологический раствор, содержащий NaCl - 115 mM, KCl - 4 mM, CaCl2 - 1.8 mM, трис-HCl - 10 mM, pH - 7.4. Молочный гриб Zooaglea во время регистрации пребывал в жидкой среде, содержащей молоко и воду в равных количествах. В части опытов использовалась регистрация одновременно двумя электродами, помещенными в разные области среза одного плода или в срезы разноименных плодов [пара огурец - яблоко]. Проанализировано около 500 фрагментов записей электрической активности, принадлежащей перечисленным выше организмам.
Статистический анализ
Фрагменты записи электрической активности оцифровывались и подвергались спектральному анализу в среде статистической обработки R 3.0 [R Development Core 7eam]. Спектральный анализ выполнялся для исходной записи путем построения периодограммы с использованием быстрого преобразования Фурье. Для выявления особенностей осцилляторной активности проводился автокорреляционный анализ. В ряде случаев для анализа взаимодействий объектов применяли вычисление коэффициента кросскорреляции и когерентности. В работе представлены индивидуальные спектрограммы оцифрованных фрагментов. Длительность оцифрованных участков 3 с.
Обсуждение результатов
Электрические характеристики живых объектов. В проведенных опытах от различных организмов регистрировались полевые потенциалы в форме ритмических осцилляций с частотным диапазоном от 0,5 до 45 Гц (верхняя граница анализа в проведенных опытах). Результаты экспериментов представлены на рис. 1
Рис.1 Частотные характеристики ритмов, зарегистрированных у микроорганизмов, отличающихся местом в эволюции: а -- цианобактерии Oscillatoria terebriformis, б -- одноклеточные эукариоты дрожжи Saccharomyces cerevisiae, в -- сложные миксомицеты Licogala epidendrum, г -- срез яблока Malus domestica “Jonagold”. Ось абсцисс -- частота в Гц, ось ординат -- спектральная плотность в условных единицах. Горизонтальная черта -- полоса пропускания, вертикальная черта -- 95% доверительный интервал.
Несмотря на сходство частотного диапазона работы осцилляторных систем, каждый вид живых существ имел свои особенности ритмической активности: для цианобактерий Oscillatoria terebriformis найдено, что паттерн и частота электрических явлений конкретного локуса биопленки зависят от активности микроорганизмов (например, от интенсивности морфогенеза, вызванного внешними обстоятельствами в виде изменения уровня освещения) и ее более высокий уровень требует увеличения частоты и амплитуды ритмических осцилляций. Ритмы в разных частях биопленки могут значительно отличаться: в активной зоне равен 16 Гц (Рис. 1а), а в спокойной - 3 Гц. У дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae (Рис. 1б) наиболее часто регистрируемый высокочастотный ритм выше, чем у цианобактерий, - он достигает 35 Гц. Характеристики осцилляторной электрической активности миксо- мицетов Licogala epidendrum (Рис. 1в) зависят от этапа “жизненного пути” этого организма. От стадии плазмодия до спороношения происходят драматические изменения частотных характеристик, объясняющих уровень двигательной активности этого существа от 30 Гц и выше до спокойных 12-15 и даже 5-6 Гц. У моллюска Helix lucorum полевые потенциалы висцерального и париетальных ганглиев имели частотный состав с пиками локализации в высокочастотном диапазоне 3032 Гц, а в низкочастотном диапазоне 3-15 Гц (Рис. 1г), что согласуется с аналогичными результатами других авторов. Регистрация макроэлектродами сигналов от клеток среза яблока Malus domestica “Jonagold” позволила обнаружить ритмическую электрическую осцил- ляторную активность с локализацией пиков в области 28-32 Гц и 3-5 Гц (Рис. 1д).
Полученные результаты подтверждают предположение об эволюционной консервативности осцилляторных систем. Осцилляции в одних и тех же частотных диапазонах у столь отличающихся организмов могут означать, что эти свойства возникли под влиянием одних и тех же факторов и они удобны для выживания, так как адекватны требованиям организма - обеспечивают его функциональную целостность и его взаимодействие с внешней средой.
Электрические характеристики "неживых” объектов. Регистрация электрических сигналов от поверхности разнообразных предметов окружающего мира дала исключительно пестрый материал как по частотным, так и по амплитудным характеристикам (Рис. 2). '
Рис. 2 Типы электрической активности, зарегистрированной у разных материалов: а -- поролон, б -- проволочки, в -- стекло, г - кварцевый песок, д -- халактыр- ский песок. Калибровка: а -- 2,4 с., б -- 9,6 с., в, г -- 4,8 с., д -- 300 мс., 5 мк.
Объекты для опытов выбирались по принципу доступности -- фактически любой элемент окружающей среды мог оказаться в роли исследуемого, поэтому в списке не только земля с газона, листья и кора дерева, песок с берегов разных морей, камушки, ракушки, но и то, что лежит на столе - кусочек бумаги, проволочка, стеклышко, щепка и пр. Подобное разнообразие дает возможность понять, как электрические потенциалы, накопленные в окружающем мире, могли бы оказывать влияние на живые организмы или даже взаимодействовать с ними. Результаты, представленные на рис. 2, 3,Б, 5, 7,А,2, показывают, что все предметы имеют поверхностный электрический потенциал, который изменяется во времени.
Осцилляции не образуют веретен, как это наблюдалось у живых объектов (Рис. 1), причины поляризации того или иного знака в большинстве случаев не установлены. Отличалась также и скорость развития этих процессов: она несопоставимо мала по сравнению с динамикой осцилляций в живых системах; для выявления пространственной конфигурации изменений адекватной оказывалась калибровка времени около 10 с. (Рис. 2б)! Амплитуды сигналов очень невелики: иногда для того, чтобы посмотреть потенциалы, требовалось усиление до 1000. Вид электрической активности, регистрируемой от “неживых” предметов (Рис. 3Б), вызывал желание проверить качество условий опыта на знакомых объектах.
Один из результатов такой проверки представлен на рис. 3. В эксперименте применялись два электрода. Один помещался на срезе огурца (Рис.3 А1) и регистрировал веретенообразную осцилляторную активность, типичную для этого плода. Второй электрод по-прежнему регистрировал потенциалы с поверхности кусочка бумаги (Рис.3 А2). Таким способом подтверждалась неизменность условий опыта, а необычность потенциалов бумаги оказывалась ее особенностью как физического объекта. Обработка результатов опыта с потенциалами бумаги и огурца продемонстрировала принципиальное различие спектрограмм электрической активности этих объектов: для клеток среза огурца Cucumis sativus показана локализация пика в области 15 -17 Гц, а для бумаги ни одна из исследуемых частот не оказалась значимой (Рис. 4 а,в,г). Эти объекты не обнаружили и коммуникационного взаимодействия (Рис. 4 б).
Рис. 3 Электрическая активность бумаги в сравнении с активностью среза огурца Cucumis sativus. А -- 1,2 -- одновременно зарегистрированные активности огурца (1) и бумаги (2), калибровка 300 мс., Б -- активность бумаги, калибровка 2,4 с., 5 мкВ (А.Б).
Рис. 4 Электрическая активность пары огурец-бумага: а -- фрагмент записи двух процессов огурца (1) и бумаги (2), калибровка 4,8 с.; б -- график коэффициента кросскорреляции этих активностей. Ось абсцисс -- запаздывание, ось ординат -- коэффициент корреляции; в, г -- спектрограммы активностей огурца Cucumis sativus (в) и бумаги (г). Ось абсцисс -- частота в Гц, ось ординат -- спектральная плотность в у.е.
14.8 s I
Рис. 5 Влияние изменения температуры жидкостной среды на электрическую активность марли (А) и двух одновременно зарегистрированных компонентов ха- лактырского песка (Б, в, г). Изменение температуры от 22оС до 25оС отмечено вертикальной чертой (а, д, е). Калибровка: 4,8 с.
О присутствии коммуникации можно делать предположения, рассматривая результаты опытов на рис. 5,Б, 6,В и 7.
Внешняя среда влияет на электрические потенциалы объектов При изменении температуры с 22оС до 25оС происходило повышение электрической активности объектов вплоть до включения спайкоподобных процессов (Рис. 5,А,Б,д,е). Измененная активность наблюдалась не более 30-40 с., а затем потенциалы возвращались к обычному состоянию, хотя температура сохранялась повышенной по сравнению с исходной на 3оС. Такие же вариации потенциалов отмечались и при изменении химического состава жидкостной среды, что достигалось добавлением KCl или NaCl. Предполагалось, что “неживыми” являются кусочки коры, дерева, сухие листья, обломки ракушек. Однако регистрации показали присутствие электрической осцилляторной активности, амплитудно-частотные характеристики которой сопоставимы с таковыми у живых организмов (Рис. 6А,Б). Участки коры, активность которых представлена на рис. 6,1,2, находились на расстоянии около 1 см, тем не менее между ними происходит обмен информацией (Рис. 6В).
Рис. 6 Электрическая активность, зарегистрированная одновременно от двух локусов коры ясеня [А,1,2], спектрограммы этой активности (Б,1,2), обозначения как на рис. 1; и их взаимодействие, представленное кросс-коррелограммой (В). Обозначения как на рис. 4.
В одном из опытов второй электрод был помещен на поверхность обломка кости черепа вороны (Рис. 7А). Первый электрод продолжал регистрировать осцилляторную активность коры, сохранившую частотную характеристику, представленную на рис. 6,Б,1. Электрод, расположенный на кости, показывал развитие медленных негативных отклонений потенциала, изменяющейся амплитуды и неопределенной частоты (Рис. 7,А,2). Активность сохранялась в течение всего времени наблюдения - примерно 1 час. Между этими объектами эксперимента существовала сложная коммуникативная связь (Рис. 7Б).