4.2. Флуктуации в биологии и физиологии
Значения биологических параметров всегда флуктуирует во времени: это и естественно, иначе биологическое тело не может быть живым. Возможно, флуктуации в биологических системах играют положительную роль. Биологические системы обладают флуктуациями с 1/f спектром: нормальный период сердцебиения человека имеет флуктуации, спектральная плотность которых изменяется приблизительно по закону 1/f для частот ниже 0,3 Гц, подобную же форму имеет спектр флуктуации волн мозга, в частности так называемых альфа-волн на электроэнцефалограммах (ЭЭГ). Оба этих факта впервые отметил Муша [52]. Нейромембраны также обладают флуктуациями вида 1/f.
Как показывают исследования, основные причины возникновения флуктуаций в биологических системах связаны с флуктуациями ионной проводимости ячеек мембран. Кроме того, нейроны спонтанно разряжаются, создавая случайные электрические импульсы.
Приведем некоторые более конкретные примеры, взятые из литературных источников:
1) Флуктуации в работе сердца. Сердцебиения человека содержат компоненту флуктуаций со спектром вида 1/f, причем у людей в возрасте до 40 лет показатель формы спектра γ ≈ 1,05, а после 60 лет γ ≈ 1,27. Исследовали также спектр сердцебиений у кошек в течение 60 дней. Получили спектр вида 1/f в диапазоне частот 10-7– 10-2Гц. Наблюдаются также флуктуации кровяного давления и физиологические флуктуации температуры тела человека.
2)
Флуктуации потенциалов мозга. Исследование
проводили на кошках с помощью с помощью
внедренных в мозг микроэлектродов. Были
обнаружены 1/fфлуктуации в диапазоне частот от 10-2до 10 Гц с показателем 0,5
γ
1,5,
величина которого зависит от состояния
мозга.
3) Флуктуации биоритмов человека. Как известно, человек со дня рождения находится в трёх биологических ритмах: физическом, эмоциональном и интеллектуальном. Это не зависит ни от расы, ни от национальности человека, ни от каких либо других факторов. Физический цикл равен 23 дням. Он определяет энергию человека, его силу, выносливость, координацию движения. Эмоциональный цикл равен 28 дням и обусловливает состояние нервной системы и настроение. Интеллектуальный цикл (33 дня) определяет творческую способность личности. Любой из циклов состоит из двух полупериодов: положительного и отрицательного. Японским ученым Мушей установлено, что биоритмы человека имеют флуктуации со спектром вида 1/f, уровень и характер которых зависит от времени года.
4.3. Стохастический резонанс
Удивительным явлением Природы является так называемый стохастический резонанс, заключающийся в повышении чувствительности нейронов или рецепторов (концевых образований нервов, способных воспринимать раздражения из внешней или из внутренней среды живого организма) при подаче на них шума со спектром вида 1/f. Это удивительное явление используют летучие мыши и некоторые виды рыб для повышения чувствительности своих рецепторов-приемников при регистрации отраженного ультразвука. А именно, после излучения ими ультразвука на их внутренние рецепторы-приемники поступает 1/fшум от некоторого внутреннего генератора, что позволяет им повысить чувствительность своего приемника и принять более низкий уровень отраженного сигнала.
Исследования свойств стохастического резонанса показали возможность усиления сигнала и улучшения отношения сигнал/шум при добавлении в приемную систему шума вида 1/f. В связи с этим в науке происходит пересмотр взглядов на шум. Если раньше 1/fшум считали только помехой в информационной передаче, то в последние годы в некоторых системах он рассматривался как "подпитка" состояния стохастического резонанса, повышающая пороговую чувствительность системы.