1. Экосистемы и электромагнитные поля

Жизнь с момента ее возникновения на Земле протекает в мощном электромагнитном поле. Эволюционное значение этого факта еще только предстоит осознать. Надо полагать, что это будет сделано по мере развития представлений об эволюции биологических систем надорганизменного уровня.

В природе земного магнетизма в последние годы, особенно в связи с космическими исследованиями и работами в области палеомагнетизма, стало известно множество удивительных фактов, способствующих созданию общей картины "магнитной среды" жизни на Земле. Отправным пунктом общего представления можно считать следующее замечание К. А. Куликова и Н. С. Сидоренкова (1977): "...магнетизм Земли, за исключением локальных и региональных аномалий, может быть обусловлен только системами электрических токов. В настоящее время считается, что эти токи текут в ядре Земли..." (с. 153).

Единицей напряженности магнитного поля считается эрстед (Э) - напряженность такого поля, которое действует на единичную магнитную массу с силой в одну дину. Напряженность слабых полей выражается в гаммах (ν). 1Э=100000ν. В международной системе единиц СИ напряженность магнитного поля выражается еще в амперах на метр - А/м. 1А/м=4π·10^-3Э. В среднем напряженность геомагнитного поля на земном шаре составляет около 0,5 Э. Весьма характерно, что эта величина по направлению от экватора к полюсам возрастает в целом от 0,25 - 0,35 до 0,60 - 0,70 Э. Американскими учеными (см. информацию Б. И. Силкина, 1976) с помощью спутников создана карта магнитных аномалий Земли в области, заключенной между 50° с. ш. и ю. ш. (использованы данные около 400 тыс. измерений). Географическая зональность прослеживается не только в распределении, но и в сезонных и суточных колебаниях геомагнитного поля.

Методика и результаты палеомагнитных исследований описаны в книге К. А. Куликова и Н. С. Сидоренкова (1977). Выводы этих исследований таковы: "...напряженность геомагнитного поля, вероятно, меняется с периодом около 10 000 лет и амплитудой, составляющей 50% от ее современной величины... Вероятно, северный и южный магнитные полюса менялись местами. Периоды существования одной и той же полярности, видимо, составляли в последние 10 - 20 млн. лет около 0,7 млн. лет, а в более ранние эпохи (300 - 500 млн. лет назад) - 5 - 10 млн. лет. Обращение полярности происходило быстро и не превышало скорее всего 0,1 млн. лет" (с. 128 - 129). Установлено, что направленность магнитного поля Земли изменялась и в докембрии. Следует отметить, что межпланетное магнитное поле имеет напряженность всего 5 - 10γ, тогда как в солнечных пятнах оно достигает напряженности в несколько тысяч эрстед. После сильной хромосферной вспышки на Солнце поток корпускул через одни или двое суток достигает Земли, вызывая магнитную бурю. Общая энергия средней геомагнитной бури достигает 10²⁴ эрг, а мощность - 10¹⁹ эрг/сек. Какими же биологическими эффектами сопровождаются все перечисленные здесь магнитные явления?

В мире животных влияние магнетизма изучалось главным образом на птицах и насекомых. У насекомых обнаружено наличие дипольного магнитного момента, ориентированного по большой оси симметрии тела. Этот момент сохраняется даже после смерти и высыхания насекомых. Установлено, что в поле постоянного магнита с напряженностью, в 100 раз превышающей напряженность естественного геомагнитного поля, насекомые сначала приходят в крайне возбужденное состояние, а затем располагаются параллельно или перпендикулярно магнитным силовым линиям (Пресман, 1971). Специалисты из ФРГ (1974) показали, что при нарушениях в нормальной структуре магнитного поля Земли у пчел происходит нарушение суточного ритма жизнедеятельности: "ошибка" в определении времени приема пищи достигает 10 - 14 ч. Птицы способны реагировать на возбуждаемое радиоантенной магнитное поле, составляющее лишь 1% по отношению к магнитному полю Земли (Маркин, Сазерленд, 1977). Ученые считают, что магнетизм Земли является одним из элементов ориентирования птиц ПРИ трансконтинентальных перелетах. В морском иле Массачусетсского залива (США) в 1975 г. обнаружены бактерии, перемещающиеся только в северном направлении. Оказалось, что в одной клетке бактерий данного типа присутствует до 22 - 25 частиц магнитного железняка величиной около 0,05 микрона.

Примеры, которые можно было бы продолжить, убеждают в том, что магнетизм Земли является одним из существенных и, что самое важное, весьма неоднородных в пространстве, чрезвычайно динамичных во времени факторов физической среды для живых систем любого уровня. Имеются данные о том, что ослабление магнитного поля Земли в периоды, предшествующие обращению его направленности, способствует усиленной бомбардировке стратосферы космическими частицами, вызывающими химические реакции с образованием окиси азота. Последняя действует разрушающе на озон и способна сохраняться в верхних слоях атмосферы. Новейшие исследования, выполненные с помощью космической аппаратуры, показывают, что в верхних слоях атмосферы солнечные лучи вызывают распад водяных паров на водород и кислород: кислород, как более тяжелый, опускается в нижние слои атмосферы, где происходит увеличение его процентного содержания.

Магнитные свойства "арены жизни" практически неотделимы от ее электростатических свойств, характеристика которых непрерывно уточняется и дополняется. В настоящее время известно, что между нижней границей ионосферы, расположенной на высоте 50 - 60 км, и поверхностью Земли существует громадная разность потенциалов, достигающая 400 000 В. Отрицательный заряд Земли равен приблизительно 3·10⁵Кл. Потенциал ионосферы положителен. В результате ионизации атмосферы через нее к Земле течет электрический ток плотностью 10^-16А/см². Сила этого тока составляет 1800 А, а мощность достигает 7·10⁸Вт. Напряженность электрического поля в атмосфере колеблется от 0 до 250 В/м (Куликов, Сидоренков, 1977). В структуре электрического поля Земли также прослеживается определенная географическая зональность, а в динамике - суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы.

Грозовая активность является источником атмосфериков - полей переменного электрического тока с частотой от нескольких килогерц до нескольких десятков тысяч килогерц (1 кГц=1000 Гц=1000 колебаний в 1 с). В отдельных тропических районах бывает до 200 грозовых дней в году. В средних широтах грозовая активность атмосферы в десятки, а в полярных широтах - в сотни раз ниже, чем в тропиках. Таким образом, и здесь так же, как в известных всем суточной, сезонной, годовой и многолетней ритмиках, выражен принцип географической зональности. Американские исследователи Дж. А. Ворпал, Дж. Г. Спарроу и Е. П. Ней (1970) с помощью орбитальной солнечной обсерватории провели глобальную съемку ночных гроз в течение 8 месяцев на территории между 35° с. ш. и 35° ю. ш. При этом, в частности, было установлено, что над поверхностью суши гроз происходит в 10 раз больше, чем над океаном. Единственным участком океана, где наблюдалось значительное количество ночных гроз, был район Бразильской (или Южноатлантической) магнитной аномалии, представляющей собой своего рода "провал" в геомагнитном поле Земли.

Следующим источником естественных электромагнитных Полей является радиоизлучение Солнца, протекающее в диапазоне частот от 10 до 105 МГц. Интенсивность радиоизлучений, достигающих поверхности Земли, также зависит от географической широты местности и имеет суточную, сезонную, годичную и многолетнюю периодичность, обусловленную вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Любопытен факт, что в северном полушарии максимальное производство зерна (в СССР, США, Китае) приходится на годы, соответствующие максимальной солнечной активности; для южного полушария эта зависимость имеет обратный характер (Австралия). Советские ученые, на основании изотопного анализа материалов бурения толщи льда реконструировавшие палеоклимат Антарктиды за последние несколько десятков тысяч лет, пришли к выводу, что колебания климата в северном и южном полушариях нашей планеты в рассматриваемый период были синхронны (Барков, Гордиенко, Короткевич, Котляков, 1974).

Наконец, следует отметить, что в земной коре и океанах также имеется слабое электрическое поле напряженностью 10^-5 - 10^-6В/м, отличающееся определенной зональностью и периодичностью.

Очевидно, что живые системы любого уровня на Земле не просто "знакомы" с электромагнитными полями перечисленных типов, но и выработали в процессе эволюции какие-то особенности своей структурно-функциональной организации, приспособленные именно к естественному электромагнитному фону. Интересной в этом плане представляется монография В. Р. Протасова, А. И. Бондарчука и В. М. Ольшанского (1982) "Введение в электроэкологию", посвященная электромагнитным воздействиям, взаимодействиям и приспособлениям в мире рыб. Основные черты, направления и принципы подобных приспособлений в мире наземных экосистем еще предстоит выяснить, и это достаточно актуальная и перспективнейшая задача теоретических исследований на стыке эволюционной теории, палеонтологии, палеомагнетизма, палеогеографии и т. д. Именно на этом естественноисторическом фойе можно с должной обстоятельностью подойти к выяснению биологического влияния нового, планетарного (глобального) геофизического фактора сугубо антропогенного происхождения - электромагнитных полей, связанных с электроэнергетическими сооружениями и коммуникациями (ЛЭП).

В нашей стране общая протяженность только ЛЭП-500 Кв (500 тыс. вольт) достигает около 20 тыс. км, а ведь есть еще и ЛЭП-300, и ЛЭП-150, и ЛЭП-750. Надо полагать, что полной протяженности ЛЭП любой мощности на земном шаре достаточно для того, чтобы обернуть его этими линиями множество раз даже по экватору (длина экватора около 40 тыс. км). Особенно высока насыщенность ЛЭП в умеренных широтах северного полушария. Таким образом, материковая часть планеты превращена человеком в гигантскую индукционную катушку, и это надо считать одной из основных геофизических особенностей Земли.

С точки зрения экологии значение системы ЛЭП в биосфере складывается по крайней мере из трех аспектов:

1. Отчуждение площадей под ЛЭП, исключение их из пользования в некоторых видах хозяйственной деятельности. Это так называемый эколого-экономический аспект.

2. Членение элементов ландшафта, создание в экосистемах искусственных преград и барьеров (своего рода хорологический пресс, накладываемый на природные процессы). Этот аспект можно назвать биохорологическим или биогеографическим.

3. Собственно биологическое воздействие электромагнитных полей ЛЭП (ЭМП - ЛЭП) на живые системы надорганизменного уровня (медико-биологический аспект).

На практике все эти аспекты тесно переплетаются и взаимодействуют, но для многих построений такое подразделение может оказаться полезным.

В целом уже сейчас под ЛЭП изъяты громадные площади, особенно в обжитых районах. При "сверхдальних" передачах электроэнергии (на тысячи километров) возникает проблема оптимальной прокладки трассы с точки зрения не только энергетики и технологии, но и экономики и экологии. Считается, что ЛЭП средней мощности служит около 50 лет, но сверхдальние и сверхмощные ЛЭП будут создаваться, вероятно, на более длительные сроки. Одна только ширина трассы требует всестороннего обоснования и оценки. То же самое можно сказать о "габарите линии" (расстоянии между нитями и землей на середине пролета), величине пролетов, величине опор и т. д. По-видимому, нужен своего рода экономический кадастр земель, изъятых и изымаемых под строительство ЛЭП, коммерческая оценка разных категорий земель в различных географических районах и типах ландшафтов с учетом перспектив и отнесение стоимости "недополучаемого" продукта на стоимость транспортируемой электроэнергии. Эта проблема особенно актуальна для лесного хозяйства: ведь в некоторых случаях кратчайшее расстояние между двумя пунктами может оказаться отнюдь не самым оптимальным вариантом прокладки ЛЭП.

Известно, что транспортировка электроэнергии на большие расстояния сопряжена с большими потерями (утечкой) энергии. Возникает вопрос, как соотносятся такие потери на ЛЭП в тундре, в таежной зоне, в аридном и влажном климате, в местах геомагнитных аномалий и т. п. Иными словами, речь идет о необходимости районирования по "поведению ЭМП - ЛЭП". При этом откроются определенные перспективы в понимании медико-биологических эффектов "бытовых" ЭМП, которые буквально пронизывают всю нашу жизнедеятельность, особенно в крупном современном городе.

Важно значение ЛЭП любой мощности и протяженности как фактора, усиливающего членение биохорологических и ландшафтных единиц. При дедуктивной его оценке можно выделить как положительные, так и отрицательные моменты. Например, членение крупного таежного массива при прокладке ЛЭП может иметь противопожарное значение (ЛЭП - как противопожарный разрыв и одновременно дополнительная транспортная коммуникация). И в то же время расчленение какой-нибудь локальной популяции редких растений или животных может вызвать самые неожиданные эволюционногенетические последствия. Эти вопросы тесно соприкасаются с проблемами биогеоценологических границ и барьеров, с проблемами целостности биогеоценозов и специфики межбиогеоценозных взаимодействий. Надо полагать, что в рамках именно общей теории биогеоценологических границ и барьеров проблема воздействия ЛЭП на экосистемы получит исчерпывающее освещение.

Медико-биологический аспект воздействия ЭМП "антропогенного" или, точнее, даже "техногенного" происхождения заинтересовал в первую очередь медиков-гигиенистов, озабоченных вопросами охраны здоровья производственного персонала, имеющего дело с ЭМП промышленной частоты. По этому поводу существуют и разрабатываются специальные нормативные акты, имеется большое количество научных публикаций. Основные выводы этих работ могут быть сформулированы следующим образом:

1. Воздействия ЭМП промышленной частоты приводят к неспецифическим нарушениям нормальной деятельности организма, причем решающее значение имеет электрическая составляющая поля (магнитная быстро затухает).

2. Высоковольтные сети создают биологически активное поле, т. е. представляют собой существенный фактор физической среды. В некоторых западногерманских странах, а также в США и Канаде факт биологического воздействия ЭМП - ЛЭП на организм человека не считается доказанным. В подходах к этой проблеме, как и во многих других случаях, обнаруживаются принципиальные различия между советскими и зарубежными исследователями, которые считают доказательством влияния ЭМП наличие повреждений в организме. Советские же ученые ведут отсчет вредных воздействий ЭМП с момента появления в организме обратимых функциональных нарушений, которые при систематических воздействиях способны привести к патологическим эффектам. Соответственно предельно допустимые нормы интенсивности воздействия ЭМП в СССР более жесткие и на порядок величин ниже, чем, например, в США.

3. В связи с растущими масштабами электропередач постановка исследований в области воздействия ЭМП промышленной частоты на природные экосистемы представляется весьма актуальной. Одновременно требуется исследовать структуру ЭМП - ЛЭП и зависимость их характеристик от физико-географических факторов.

Все, что сделано в настоящее время медиками-гигиенистами, принадлежит к области экологии человека, причем на организменном уровне. Переход к демографическому (популяционному) уровню потребует серьезных теоретических усилий, и в первую очередь от физиков-энергетиков. Успех исследования во многом будет зависеть от ясного представления о геофизической природе ЭМП - ЛЭП. В частности, биолог-популяционист и биогеоценолог, рассматривая проблему в целом, непременно потребуют ясного ответа на следующие вопросы:

1. Как ЭМП - ЛЭП взаимодействуют с естественными ЭМП Земли и с аномалиями этих полей?

2. Какова пространственная структура ЭМП - ЛЭП? Как зависит эта структура от географического положения и ориентации ЛЭП (ЛЭП на экваторе, ЛЭП в умеренных или полярных широтах, ЛЭП, ориентированная по меридиану или перпендикулярно ему, и т. д.)?

3. Как зависят физические характеристики ЭМП - ЛЭП от гидрометеорологических факторов и подстилающей поверхности?

4. Как ЭМП - ЛЭП взаимодействуют между собой при их параллельном расположении или взаимном пересечении?

Все перечисленные предпосылки будут не более чем фоном для дедуктивного подхода к оценке экологических эффектов техногенных электромагнитных полей.

При индуктивном (экспериментальном) подходе к проблеме воздействия ЭМП на экосистемы наиболее перспективны два направления исследований. Первое связано с организацией массовых наблюдений за поведением экспериментальных сообществ (экосистем-тестов) в различных ЭМП и физико-географических условиях, а также в разных зонах одного и того же поля. Общие требования к тест-системам известны: они должны быть элементарно просты, легко воспроизводимы, доступны для применения количественных методов и т. д. Идеальными объектами могут быть, например, бактериально-водорослевые, бактериально-вирусные или бактериально-вирусно-водорослевые культуры. Сотни тысяч пробирок или чашек Петри с тест-культурой, помещенных в самые разнообразные условия по отношению к различным ЭМП, после соответствующей, практически стандартной статистической обработки результатов воздействия поля на каждую отдельную культуру, позволят сделать общие выводы, а главное - откроют перспективы и направления для более углубленных исследований. Тест-системы при этом могут сыграть роль чувствительных электрофизических датчиков, дополняющих представления о структурно-динамических параметрах полей.

Второе направление исследований может быть основано на массовых наблюдениях за жизнедеятельностью ключевых компонентов естественных биологических сообществ в зонах действия различных полей. Организовать такие наблюдения значительно сложнее, чем работы с тест-системами, однако с их помощью в отдельных случаях можно получить совершенно уникальные данные, например исторического (ретроспективного) плана. Объекты могут быть самые разнообразные. Методами дендрохронологии и лихенометрии, например, можно заглянуть в весьма отдаленное историческое прошлое, т. е. сравнить ситуации до и после сооружения ЛЭП; методом сравнения жизнедеятельности идентичных объектов под ЛЭП, рядом с ЛЭП и на расстоянии от нее можно получить весьма ценные результаты. Наиболее удобными объектами для наблюдений подобного рода могут быть как растительные, так и животные организмы: лишайники, моллюски, дождевые черви, элементы почвенной микрофлоры, муравейники, термитники и т. д. Энтомолог Е. К. Еськов (1982), например, установил любопытные факты, исследуя поведение в электрическом поле семей пчел и земляных ос. Оказалось, в частности, что наиболее чувствительны семьи к воздействию поля частотой около 500 Гц.

Большой интерес в этом плане представляют даже чисто фенологические сопоставления (сроки и обилие цветения, плодоношения, спороношения и т. п. у растений разных типов). Определенный вклад в разработку проблемы может быть сделан тератологией (разделом ботаники, посвященным всевозможным уродствам у растений). Так, И. И. Гуреева и А. Г. Карташев (1982) установили, что под линией электропередачи напряжением 500 кВ встречаемость терат (уродств) в цветках гравилата речного в 16 раз, а в соцветиях девясила иволистного в 37 раз выше по сравнению с контрольными экземплярами. В аналогичных ситуациях полезно в дальнейшем всесторонне исследовать свойства семян, что даст представление о генетико-популяционных и микроэволюционных последствиях воздействия поля.

На примере этого краткого обзора подходов и направлений должны быть достаточно очевидны основные черты экологического подхода применительно к запросам данной научно-технической проблемы. Аналогичные подходы могут быть распространены на явления акустического и радиотелевизионного диапазонов.

А. С. Пресман утверждает: "По примерным оценкам, средний уровень радиофона в 10 - 100 раз выше среднего уровня атмосферных полей соответствующих диапазонов" (1971, с. 46). В этой связи приведем несколько примеров.

Канадские специалисты М. Межерс и П. Вайнбергер (1970) установили, что воздействие звука с частотой 5 кГц на семена пшеницы в процессе их яровизации в течение четырех недель вызвало повышение вдвое числа побегов, числа корней и веса растений. Группа ученых в США в 1974 г. показала, что беспорядочный шум мощностью 100 дБ приводит к запаздыванию прорастания семян турнепса, тогда как постоянный однородный шум, напротив, активизирует этот процесс. М. Л. Иодловский с сотрудниками (1977) выяснили, что домашние голуби воспринимают инфразвуковые колебания с частотой ниже 1 Гц (инфразвук в атмосфере распространяется на тысячи километров). Датские ученые в 1974 г. выяснили, что тот же инфразвук у людей вызывает состояние, аналогичное морской болезни: многие оказываются особенно чувствительны к частоте около 12 Гц. Еще раньше М. Брайн и У. Темпест (1972) определили, что инфразвук высокой интенсивности возникает в автомобилях многих марок, вызывая у некоторых водителей состояние, сходное с опьянением... По сообщениям зарубежной печати, японские предприниматели серьезно озабочены тем обстоятельством, что крысы и мыши, поселяясь в электронно-вычислительных машинах, вызывают в них крупные неполадки. За проблему взялись химики, а несколько раньше английские специалисты нашли способ избавляться от крыс и мышей в помещениях с помощью ультразвука.

Эти и многочисленные другие примеры производят двойственное впечатление. С одной стороны, они показывают, что проблема действительно "созрела" и носит всеобщий характер (необходимы объединение усилий разных специалистов и даже международное сотрудничество). С другой стороны, становится очевидным, что решение проблемы лежит не в бесконечном накоплении безусловно интересных фактов, а в создании мощных, действительно фундаментальных дедуктивных теоретических концепций, способных и "переварить" груды фактов, и определить пути новых исследований.

Уже в настоящий момент значительная часть инженерных разработок в этой области должна сопровождаться анализом экологических аспектов. Постановка собственно медико-биологических исследований в свою очередь требует квалифицированного инженерного обеспечения. При этом, как и во многих других случаях, полезно продумать не только меры защиты живых систем от ЭМП, но и возможности практического использования защитных свойств самих экосистем в интересах охраны здоровья человека от воздействия ЭМП. Нет сомнения, что в самом воздействии ЭМП на экосистемы есть отрицательные и положительные моменты. Максимальное использование последних - важная задача прикладной экологии.