Введение. Биосфера Земли зародилась, развивалась и продолжает свою эволюцию при наличии постоянно действующего экологического фактора – радиационного фона ионизирующих излучений. К ним относятся, в первую очередь, естественная радиоактивность окружающей среды и космические лучи галактического и солнечного происхождения (ГКЛ и СКЛ) [1]. Над поверхностью суши на средних широтах Земли радиационный фон на 2/3 обусловлен излучениями радиоактивных веществ и на 1/3 – космическими лучами (КЛ). Над поверхностью океана радиационный фон почти целиком обусловлен КЛ. Есть основания утверждать, что и в настоящее время биосфера продолжает эволюционировать в условиях переменного радиационного фона за счёт вариаций интенсивности КЛ.

Поток космических лучей, приходящих из Галактики, подвержен значительным изменениям во времени и пространстве. Причиной таких изменений могут быть вспышки Сверхновых звезд, особенно в периоды прохождения Солнца через галактические рукава. В свою очередь, потоки СКЛ зависят от частоты и мощности вспышек на Солнце [2]. Суммарное воздействие ГКЛ и СКЛ на околоземное пространство, в конечном счете, сильно зависит от уровня солнечной активности (СА) в настоящее время и могло существенно зависеть от СА в далёком прошлом Земли (в эпоху «молодого Солнца») [3].

С другой стороны, к настоящему времени установлено, что ГКЛ и СКЛ играют важную роль в различных процессах в атмосфере Земли. К ним относятся ионизация и возбуждение атомов атмосферы, опустошение озонного слоя, образование окислов азота (нитратов), работа глобальной цепи атмосферного электричества, образование электричества грозовых облаков и молниевых разрядов, формирование облачности и выпадение осадков. В геологическом прошлом Земли эффекты воздействия КЛ на атмосферные процессы были тесно связаны также с вариациями геомагнитного поля. Отсюда вытекает возможная связь между КЛ, солнечной активностью, геомагнетизмом и климатом Земли, что в свою очередь, определяет косвенное воздействие КЛ на биосферу.

Уже несколько десятилетий обсуждается также гипотеза о возможном прямом воздействии КЛ на биосферные процессы, в частности, на частоту мутаций для отдельных организмов. Этот эффект может быть обусловлен приходом мощного потока КЛ от Сверхновой, вспыхнувшей поблизости от Солнечной системы. Однако последствия такого облучения могут быть разными для различных представителей биосферы. Так, в эпоху динозавров (~65.5 млн. лет назад) повышенная радиация от КЛ могла оказаться причиной их вымирания, тогда как для других животных и растений значительное повышение интенсивности КЛ могло быть фактором, способствующим их дальнейшей эволюции. Особый интерес представляет так называемый «Кембрийский взрыв» в биосфере (~540 млн. лет назад) [4], когда, согласно некоторым метеоритным данным, интенсивность КЛ могла составлять лишь 1/3 от современного уровня. Гигантские солнечные вспышки типа 23 февраля 1956 г., по некоторым оценкам, могли быть причиной четырёх случаев вымирания радиолярий за последние ~2.5 миллиона лет, особенно при условии их совпадения с периодами геомагнитных инверсий. В некоторых экспериментах последнего времени отмечаются эффекты воздействия вторичных нейтронов от КЛ на клеточные культуры (например, во время солнечных протонных событий в октябре 1989 г.). С другой стороны, важно отметить, что ГКЛ сверхвысокой энергии (≥ 10¹⁵ эВ) с высокой вероятностью инициируют молниевые разряды в атмосфере, что, в свою очередь, способствует образованию некоторых сложных молекул, которые являются основными строительными «кирпичами» для зарождения и развития жизни на Земле.

Кембрийский эволюционный взрыв

С момента возникновения жизни, в истории развития органического мира Земли произошло несколько важнейших событий, определивших дальнейшую эволюцию биосферы. Среди них надо отметить, в первую очередь, появление эукариот, а затем многоклеточных организмов. Около 500-600 миллионов лет назад [5] многоклеточные организмы впервые получают возможность строить скелет, и с тех пор органический мир Земли приобретает всё более сходные с современностью черты. Этот переломный период получил название Кембрийского эволюционного взрыва. С точки зрения палеонтологии, Кембрийский взрыв – это внезапное (в геологическом масштабе времени) появление в раннекембрийских (около 540 млн. лет назад) отложениях окаменелостей представителей многих подразделений животного царства. При этом их окаменелости или окаменелости их предков в докембрийских отложениях начисто отсутствовали.

По мере накопления палеонтологических данных, как известно, предпринималось множество попыток объяснить причины подобного «взрывного» развития, а сама интерпретация Кембрийского взрыва неоднократно изменялась. Среди «внешних» (небиологических) причин взрыва до сих пор рассматривались три основных гипотезы, опирающиеся на концепцию изменения окружающей среды: 1) рост концентрации кислорода («кислородная катастрофа»); 2) глобальное оледенение (гипотеза «Земля-снежок»; 3) флуктуации изотопного состава углерода ¹³C/¹²C в течение всего раннего кембрия (глобальный «парниковый эффект»).

Насколько нам известно, ни одна из этих непосредственных причин сама по себе не может объяснить всю совокупность данных о Кембрийском взрыве. С другой стороны, некоторые из гипотез, в свою очередь, настоятельно требуют привлечения внешних факторов (например, оледенение Земли из-за вариаций активности Солнца или прохождения Солнечной системы через межзвёздное пылевое облако). Поэтому представляется целесообразным рассмотреть некоторые астрофизические аспекты проблемы, которые давно не обсуждались в литературе с позиций современного знания о структуре Галактики и динамике звёзд, о галактических космических лучах (ГКЛ), об активности Солнца и других внеземных факторах.

Некоторые астрофизические данные указывают на то, что около 500 миллионов лет назад Солнце вошло в галактический рукав Персея с повышенной звёздной населённостью, где и находилось в течение нескольких десятков миллионов лет. Согласно немногочисленным метеоритным данным, средний уровень интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ) в этот период был значительно выше, чем в межрукавном пространстве, до вхождения Солнца в рукав Персея. В дальнейшем поток ГКЛ также изменялся в пределах от 25% до 135% при последующих пересечениях других галактических рукавов. Эти вариации определённым образом коррелировали с периодами глобальных потеплений и похолоданий (оледенений), но однозначного соответствия не обнаружено. Нельзя исключить также влияния инверсий геомагнитного поля (ГМП), изменения состава земной атмосферы, осцилляций положения Солнца в Галактике и других (пока не опознанных) факторов.

Что надо учитывать?

Если возраст Земли (4.8×10⁹ лет) принять за сутки, то жизнь на Земле существует всего 17.5 часа, млекопитающие – 30 минут, а человек – только последние 18 секунд. Кембрийский взрыв по этой шкале случился 2.7 часа назад, а возраст ГКЛ, которые приходят к Земле и регистрируются в настоящее время, не превышает 30 мин. Эту специфическую временную шкалу надо иметь в виду всякий раз, когда мы пытаемся сопоставить какие-то факты в геологической истории Земли и эволюции биосферы. Что именно могло быть вовлечено в Кембрийский взрыв? Какие астрофизические факторы (условия) могут иметь значение для кембрийской проблемы?

К числу таких факторов «космической погоды» и «космического климата» следует отнести, прежде всего, положение Солнца (и всей Солнечной системы) среди других звёзд нашей Галактики – «Млечного Пути». Установлено, что Галактика состоит из нескольких «рукавов» [6], где звёздная населённость и поток ГКЛ выше, чем в пространстве между рукавами. При этом важна частота вспышек Сверхновых звёзд, которые считаются основным источником ГКЛ. В орбитальном движении вокруг центра Галактики Солнце не только пересекает звёздные рукава, но и несколько меняет своё положение (осциллирует) относительно плоскости Галактики [7].

Как известно, понижение (повышение) потока космических лучей галактического или солнечного происхождения (ГКЛ и СКЛ) при их вторжении в атмосферу Земли, при­водит к понижению (повышению) ионизации воздуха. Тем самым космические лучи (КЛ) могут активно воздействовать на состав атмосферы, её электрическое состояние и, в конечном счёте, на её динамику, погоду и климат. Таким образом, по совокупности изученных эффектов, КЛ можно считать одним из основных постоянно действующих биотропных агентов космической погоды [8].

Другой важный космофизический фактор – это активность Солнца. Циклические вариации общего уровня активности влияют, в частности, на величину потока ГКЛ внутри Солнечной системы, тогда как спорадические вариации (вспышки и корональные выбросы массы – КВМ) сопровождаются усиленными потоками СКЛ и геомагнитными бурями. В геологическом масштабе времени неизбежно наложение вариаций солнечной активности (СА) и долговременных осцилляций величины и знака собственного магнитного поля Земли (их называют сменой полюсов или геомагнитными инверсиями), с которыми, по-видимому, тесно связаны также долговременные тренды в колебаниях климата. Не исключено, что на биосферу воздействуют и другие, пока неопознанные космические факторы. В целом проблему можно рассматривать в рамках концепции ко-эволюции Солнца, Земли и биосферы [3]. Ниже мы приводим дополнительные факты и соображения в пользу указанной концепции.

Метеоритные данные о космических лучах

Единственным источником (косвенных) данных о потоках ГКЛ в эпоху Кембрийского взрыва могут быть железные метеориты. Под действием КЛ в метеоритах образуются долгоживущие космогенные изотопы, в частности, изотоп ⁴⁰К с периодом полураспада Т_1/2 = 1.3×10⁹ лет, изотоп ³⁶Cl (Т_1/2 = 3.08×10⁵ лет) и некоторые другие. Измеряя уровень активности «образца», например, по отношению содержания ⁴¹К/⁴⁰К, можно оценить интенсивность потока космических лучей, которыми облучался метеорит за время своего существования (время экспозиции) в Солнечной системе до падения на Землю. Таким способом по имеющимся метеоритным данным удаётся продвинуться по шкале времени почти до 2 млрд. лет назад [9].

Прямые измерения КЛ в современную эпоху дают сведения о том, что происходило в Галактике, лишь на период до 100 млн. лет назад. Между тем, за ≈500 млн. лет, прошедших после Кембрийского взрыва, Солнце пересекло четыре галактических рукава, а биосфера Земли пережила минимум шесть массовых вымираний [7]. За это время в геомагнитном поле (ГМП) отмечены три суперхрона – три интервала времени (485-463, 312-264 и 120-84 млн. лет назад, соответственно), когда ориентация ГМП не менялась. Что касается КЛ, то первые же результаты изучения 11 железных метеоритов позволили продемонстрировать [10], что в интервале между ~300-900 млн. лет назад суммарный поток КЛ в Солнечной системе мог составлять ~1/3 от современного уровня.

Некоторые астрофизические данные указывают на то, что около 500 миллионов лет назад Солнце вошло в галактический рукав Персея с повышенной звёздной населённостью, где и находилось в течение нескольких десятков миллионов лет. С другой стороны, компиляция данных по 74 железным метеоритам [11], для которых удалось определить отношение K(41)/K(40), позволила провести более детальное исследование поведения интенсивности КЛ за последний миллиард лет [12]. Были получены свидетельства того, что средний уровень интенсивности ГКЛ в этот период был значительно выше, чем в межрукавном пространстве, до вхождения Солнца в рукав Персея. Как уже отмечалось, в дальнейшем поток ГКЛ также изменялся в пределах от 25% до 135% при последующих пересечениях других галактических рукавов. И хотя эти вариации определённым образом коррелировали с периодами глобальных потеплений и похолоданий (оледенений), однозначного соответствия не было обнаружено. К сожалению, точность определения потока ГКЛ по метеоритным данным колеблется в пределах от множителя 0.3 до 1.5. Для более определённых выводов о роли КЛ в эволюции биосферы нужны: 1) новые данные о ГКЛ в далёком геологическом прошлом Земли; 2) моделирование переноса ГКЛ с учётом их характерного времени жизни ~10÷100 миллионов лет; 3) учёт вклада вспышек Сверхновых; 4) надёжные оценки вероятности гигантских возрастаний потока солнечных космических лучей (СКЛ) при другом уровне солнечной активности (СА), в частности, в эпоху «молодого Солнца». Кроме того, возникает важный методический (и физический?) вопрос: какой уровень интенсивности ГКЛ следует считать «нормальным» для биосферы – «древний» или современный? В любом случае, сама возможность значительных изменений потока ГКЛ в прошлом не вызывает никаких сомнений [1]. В частности, с определённой уверенностью можно утверждать, что в интервале 900÷400 млн. лет назад суммарный поток ГКЛ в Солнечной системе мог быть в 2÷3 раза меньше, чем в современную эпоху.

Гигантские вспышки на Солнце
и вспышки Сверхновых звёзд

В связи с этим особый интерес представляет вероятность гигантских солнечных вспышек (источников больших потоков СКЛ) в настоящее время и в далёком прошлом, при другом уровне активности самого Солнца. Последние оценки такого рода [2] указывают на крутой обрыв функции распределения событий в области малых вероятностей (т.е. больших флюенсов СКЛ). Это следует из анализа косвенных и прямых данных о СКЛ за последние ~1200÷300 лет. Для экстраполяции этих результатов в прошлое и будущее нужны соответствующие модели «раннего» и «позднего» Солнца.

Несколько иные проблемы возникают при анализе частоты вспышек Сверхновых звёзд – основных источников ГКЛ. В одной из последних работ в этом направлении [13] оценки частоты вспышек Сверхновых (SN) за последние ~500 млн. лет сравнивались с биологическим разнообразием морских животных за тот же период. Кривая для частоты вспышек SN рассчитывалась для каждого интервала времени, когда Солнце пересекало соответствующий рукав Галактики. Аналогично оценивалось количество ископаемых морских организмов с учётом влияния вариаций уровня океана на их смертность. При этом было получено хорошее согласие двух кривых. Такая тесная корреляция астрофизических и биосферных процессов является аргументом в пользу гипотезы о сильном влиянии ГКЛ на эволюцию биосферы.

Результаты [13], однако, не могут считаться бесспорными. Вызывает сомнения, прежде всего, высокая точность вычисления частоты вспышек SN. Есть расхождения и с данными об одном из массовых вымираний, случившемся около 200 млн. лет назад. Далее, поправка на изменение уровня океана, по-видимому, довольно существенно изменила исходный ряд палеонтологических данных, и этот пункт заслуживает дополнительной проверки. С другой стороны, существует независимый ряд климатических данных [14] о вариациях концентрации изотопа кислорода ¹⁸O (как одного из лучших климатических индексов) на большой временной шкале. При этом все максимумы, полученные в работе [14], совпадают с пиками кривой [13] для частоты вспышек SN.

Новый аспект проблемы «Космические лучи и биосфера» возник в последние годы в связи с высокоточными данными эксперимента PAMELA [15]. С 15 июня 2006 г. детекторы КЛ в этом спутниковом эксперименте регистрируют, в частности, потоки протонов, ядер гелия, электронов и позитронов в диапазоне энергий от ~80 МэВ до 190 ГэВ для протонов и от ~50 МэВ до 270 ГэВ – для позитронов. Самыми обильными в составе ГКЛ являются потоки протонов и ядер гелия. Точные измерения этих потоков необходимы для понимания процессов ускорения и переноса КЛ в Галактике. Как выяснилось, в спектрах протонов и ядер гелия имеются особенности, которые нельзя объяснить ни солнечными вспышками, ни вспышками Сверхновых звёзд. Иными словами, необходимо принять гипотезу о существовании дополнительных источников КЛ в указанном диапазоне энергий. По мнению Ю.И. Стожкова (одного из участников эксперимента PAMELA), главными кандидатами на роль таких источников являются так называемые карликовые звёзды из ближайшего окружения Солнца (Солнечной системы). На этих звёздах наблюдается много вспышек [16]. Многие карликовые звезды гораздо более активны, чем наше Солнце, причём на некоторых звёздах вспышки происходят чаще, чем на Солнце, а около 1% от всех карликовых звёзд могут ускорять частицы до ~10¹³ эВ (максимальная энергия СКЛ составляет, скорее всего, не более или порядка 10¹¹ эВ). На Солнце относительная яркость составляет 10³²/10³³ (в эргах). Другие звёзды могут излучать до 10³⁷ эрг за время вспышки. Зная время жизни КЛ, число карликовых звёзд и частоту вспышек, можно оценить суммарное выделение энергии в форме космических лучей ~10⁵⁴ эрг. Эти источники находятся на расстояниях десятков или сотен парсек – очень близко к Земле по сравнению с размерами нашей Галактики (около 30 тысяч парсек). Всё это означает, что роль КЛ в эволюции биосферы (в том числе и в период Кембрийского взрыва) может оказаться ещё более существенной, чем следует из наших традиционных представлений о внешних космофизических факторах.

Заключительные замечания

Даже из этого краткого рассмотрения ясно, что факторы внешней среды – «среды обитания» (в частности, космофизические факторы) во все периоды эволюции биосферы оказывали огромное влияние на её дальнейшую судьбу. Поскольку некоторые космические факторы имеют случайную или спорадическую природу, то представляется несомненным, что и развитие биосферы не было равномерным. С другой стороны, в протекании природных процессов наблюдается определённая ритмика, причём на больших интервалах времени различные процессы могут даже иерархически синхронизироваться под действием сильного ритмозадающего источника (например, Солнца). В этом свете многие факты из области гелиобиологии [17] могут быть адекватно истолкованы на основе концепции эволюционно-адаптационного синдрома [3]. Таким образом, наряду с поиском новых данных о космофизических факторах, остаются актуальными, по крайней мере, две задачи: 1) построение теоретических моделей с учетом возможных интенсивностей излучений, воздействовавших на биосферу в прошлом; 2) изучение современного отклика биосистем на космофизические факторы как атавистической реакции на изменение условий среды обитания.

В целом, с астрофизической точки зрения необходимо, в частности, заново оценить вероятности вспышек Сверхновых и гигантских солнечных вспышек, с аккуратным учётом времени переноса КЛ из Галактики к Земле и т.п. Радиобиологам и генетикам, на наш взгляд, предстоит провести новые модельные исследования с учетом реальной космофизической информации о КЛ в прошлом и настоящем.

Настоящая работа выполнена в рамках Программы №28 Президиума РАН «Проблемы происхождения жизни и становления биосферы». Автор приносит благодарность руководству Программы за финансовую поддержку этих исследований.

Л. И. МИРОШНИЧЕНКО

Учреждение Российской Академии наук Институт земного магнетизма и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН), г. Троицк, Московская область, Россия

Литература

1. Miroshnichenko L. I. Cosmic Rays and Evolution of the Biosphere: Search for New Approaches // Proc. Int. Conference “Space Weather Effects on Humans in Space and on Earth”. Space Research Institute, Moscow, 4–8 June 2012. Editors: A. I. Grigoriyev, L. M. Zeleny. – 2013. – V. 1. – P. 110–136. – Mode of access : URL : http://www.iki.rssi.ru/print.htm.

2. Miroshnichenko L. I. Extreme fluxes in Solar Energetic Particle events: Methodological and physical limitations / L. I. Miroshnichenko, R. A. Nymmik // Radiation Measurements, 2013 (in press).

3. Космические факторы эволюции биосферы: новые направления исследований / [В. Н. Обридко, Л. И. Мирошниченко, М. В. Рагульская, О. В. Хабарова, E. Г. Храмова, М. М. Кацова, М. А. Лившиц] // Проблемы эволюции биосферы. Серия «Гео-биологические системы в прошлом» : труды конф., посвящ. памяти академика Г. А. Заварзина (21–22 марта 2012 г.). – М. : Палеонтологический Институт (ПИН) РАН, 2013. – С. 66–94. – Путь доступа : http://www.paleo.ru/institute/files/biosphere.pdf.

4. Мирошниченко Л. И. Космофизическая ситуация в эпоху Кембрийского эволюционного взрыва / Л. И. Мирошниченко, О. В. Хабарова // Сборник серии «Гео-биологические системы» : труды конф. «Становление скелета у различных групп организмов и биоминерализация в истории Земли» в рамках программы Президиума РАН «Проблемы происхождения жизни и становления биосферы». (Москва, Палеонтологический институт РАН, 24–25 апреля 2013 г.). – (в печати).

5. Розанов А. Ю. Что произошло 600 миллионов лет назад. – М. : Наука, 1986.

6. Valleé J. P. The spiral arms and interarm separation of the Milky Way: An updated statistical study // Astron. J. – 2005. – V. 130. – P. 569–575.

7. Gillman M. The galactic cycle of extinction / M. Gillman, H. Erenler // Intern. J. of Astrobiology. – 2008. – V. 7 (1). – P. 17–26.

8. Мирошниченко Л. И. Проблема «Солнце–Земля»: современные концепции и физические механизмы / Л. И. Мирошниченко // Космічна Наука і Технологія (in Russian). – К., 2011. – Т. 17, № 1. – С. 17–22.

9. Лаврухина А. К. Метеориты – зонды вариаций космических лучей / А.К. Лаврухина, Г.К. Устинова. – М. : Наука, 1990. – 262 с.

10. Лаврухина А. К. Новые данные о временных и пространственных вариациях космических лучей в Солнечной системе (по метеоритным данным) // Известия АН СССР, серия физическая. – 1969. – Т. 23, № 11. – С. 1870–1876.

11. Voshage H. Investigations of cosmic-ray produced nuclides in iron meteorites, 3: Exposure ages, meteoroid sizes and sample depths determined by spectrometric analyses of potassium and rare gases / H. Voshage, H. Feldmann // Earth Planet. Sci. Lett. – 1979. – V. 45. – P. 293–308.

12. Shaviv N. J. Cosmic ray diffusion from the Galactic spiral arms, iron meteorites, and a possible climatic connection / N. J. Shaviv // Phys. Rev. Lett. – 2002. – V. 89. – No. 5. – P. 051102-1 – 051102-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.051102, 2002.

13. Svensmark H. Evidence of nearby Supernovae affecting life on Earth / H. Svensmark // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. – 2012. –V. 423(2). – P. 1234–1253. – Mode of access : URL : ftp://ftp2.space.dtu.dk/pub/Svensmark/MNRAS_Svensmark2012.pdf.

14. ⁸⁷Sr, ⁸⁶Sr, δ¹³C and δ¹⁸O evolution of Phanerozoic seawater / [J. Veizer, D. Ala, K. Azmy et al. (in all 15 authors)] // Chemical Geology. – 1999. – V. 161. – P. 59–88.

15. PAMELA measurements of cosmic-ray proton and helium spectra / [O. Adriani, J. C. Barbarino, G. A. Bazilevskaya et al. (in all 65 authors)] // Science Express. – 3 March 2011. – P. 1–5.

16. Shakhovskaya N. I. Stellar flare statistics – Physical consequences / N. I. Shakhovskaya // Solar Phys. – 1989. – V. 121, No. 2. – P. 375–386.

17. Мирошниченко Л. И. Физика Солнца и солнечно-земных связей / Л. И. Мирошниченко ; под ред. М. И. Панасюка. – М. : НИИЯФ МГУ : Университетская книга, 2011. – 174 с., 90 рис., 8 табл. – Путь доступа : lib.qserty.ru/static/tutorials/133_Miroshnichenko_2011.pdf, http://www.izmiran.ru/ftp, http://www.izmiran.ru/pub/izmiran/LIM_SolarPhysics.pdf

Источник: Матеріали Міжнародної науково-громадської конференції «Космічне мислення в сучасному світі»,  м. Київ, 6–7 грудня 2013 року