после позднего докембрийского (лапландского) оледенения на рубеже рифея и венда; резко доминирующее распространение бесскелетных Metazoa, представленных, однако, очень многими главными фанерозойскими типами (период от 675 ±25 до 570 млн лет).
6. «Популяционный взрыв» морских скелетообразующих беспозвоночных — начало классического фанерозоя (кембрий — 570— 500 млн лет).
7. Возникновение защитного озонового экрана над планетой (примерно 10 % свободного кислорода от его содержания в современной атмосфере). Это обстоятельство уже с середины ордовикя создало благоприятные условия для постепенного выхода на сушу растительности и позвоночных, открыло возможность их широкого расселения с девонского периода до наших дней.
В фанерозое выделяют следующие основные периоды смены флор и фаун (Резанов, 1980). В конце пермского периода (230— 250 млн лет) отмечено вымирание значительных групп организмов— исчезло около 24 отрядов фауны, и в дальнейшем на протяжении 10 млн лет имело место значительное ее обеднение. Еще более значительное изменение флоры и фауны отмечено в конце мезозойской эры, когда вымерли не только многие морские группы, но и господствующая группа наземных четвероногих — динозавры. Это произошло в позднем мелу, примерно 80—65 млн лет назад.
Рассмотрим количественные данные, характеризующие развитие органического мира. Имеющиеся материалы ограничены. К ним относятся сведения о динамике числа семейств, отрядов и классов морских шельфовых беспозвоночных (Valentine, 1973). Кривая изменения числа семейств почти аналогична кривым изменения числа классов и отрядов, но несколько более детальна. Сравнение ее с кривыми трансгрессий и содержания органического углерода в породах (рис. 33) позволяет говорить о их общем сходстве. Видны общий максимум, охватывающий весь палеозой с небольшим понижением в конце силура и начале девона; разкий минимум, приходящийся на конец перми и триас; наконец, новый максимум, отвечающий юре, мелу и палеогену. При этом кривая содержания органического углерода, которая, казалось бы, должна быть больше связана с кривой, отражающей развитие органического мира, занимает промежуточное положение между снижающейся во времени кривой трансгрессий и растущей кривой числа семейств, а по положению частных минимумов и максимумов она больше напоминает кривую трансгрессий. Последнее можно объяснить тем, что органическое вещество в континентальных осадках, количество которых возрастает в эпохи регрессий, накапливается и сохраняется хуже, чем в морских осадках.
Приуроченность появления новых форм организмов к рубежам геологической истории в докембрии, а также синхронное изменение числа семейств и уровня океана свидетельствуют об общем совпадении рубежей в развитии как живой, так и неживой природы.
96
Палеомагнитные рубежи. Палеомагнитные рубежи заимствованы из работы «Магнитостратиграфическая шкала фанерозоя...» (1976). В большинстве случаев они также близки к рубежам, выделяемым по геологическим данным (рис. 34,9). Для основных рубежей совпадение достаточно хорошее, но средние по значению палеомагнитные рубежи в большинстве случаев не совпадают с геологическими. Эпохи частой смены полярности также плохо совпадают с геологическими событиями и к тому же растянуты во времени. В целом степень корреляции палеомагнитных рубежей как с геологическими, так и с расчетными рубежами ниже, чем геологических с расчетными.
Сопоставление геологических, палеонтологических и расчетных рубежей. Как было показано выше, элементарное звено развития, выведенное расчетным путем, ограничено двумя основными рубежами, имеющими наибольшую силу проявления. Оно включает 1 промежуточный рубеж, обладающий несколько меньшей силой, 5 второстепенных по силе проявления и, наконец, границу периода перестройки темпа развития при переходе от предыдущего звена к последующему. На этой границе перестроек не происходит, и ее поэтому нельзя считать рубежом, сопоставимым по своей природе с остальными рассматриваемыми рубежами. Последовательность всех этих рубежей показана на рис. 34,4.
Для определения в геохронологической шкале основного рубежа и остальных указанных в табл. 8 рубежей необходимо знание длительности любого равномерного цикла Tk. По нему могут определяться как положения предыдущих и последующих границ по уравнению (3.59), так и длительности равномерных циклов различных порядков по зависимости (3.60). Можно рассмотреть два подхода к определению величины Tk: 1) взять за исходное положение некоторого хорошо изученного геологического рубежа и по нему по зависимости (3.59) определить Tk\ 2) принять в качестве исходной величины длительность некоторого хорошо изученного равномерного цикла Г/с, определяющего критические рубежи исследуемого порядка.
Если в соответствии с первым подходом в качестве исходного критического рубежа принять границу докембрия (570—600 млн лет), то из уравнения (3.59) получим длительность цикла
7^ = ^3.16 = 570/3.16= 181 (млн лет).
Если в качестве исходной границы принять конец герцинского цикла тектонического развития, приходящегося, как считают многие исследователи, на середину триаса, то
Г* = (210/3.16). е= 180.6 (млн лет).
В соответствии со вторым подходом в качестве исходной длительности одного из циклов Tk можно принять длительность крупных циклов трансгрессии (Наливкин, 1975), которая равна 180—200 млн лёт. Таким образом, оценки, полученные согласно разным подходам, дают близкие величины.
7 А. В Жирмунский, В. И. Кузьмин
97
Для получения оценок положения в геохронологической шкале критических рубежей примем длительность равномерного цикла за
Тк — 180 (млн лет).
Пользуясь формулой (3.59), определим положение основного рубежа, соответствующего этому циклу, как
/4 = 3.16- 180 = 569 (млн лет).
Положения предыдущих и последующих основных неравномерных критических рубежей, определенные по зависимости (3.48), задает последовательность: 28, 77, 209, 569, 1548 и 4210 млн лет. Данной последовательности основных неравномерных критических рубежей в соответствии с соотношением (3.60) отвечает последовательность равномерных циклов Tk: 9, 24, 66, 180, 490 и 1330 млн лет. Тогда равномерные рубежи к-го порядка внутри каждого неравномерного диапазона определяются зависимостью
th-Tk = 2A6Th9
в соответствии с которой последовательные значения промежуточных рубежей равны 53, 143, 379, 1958 и 2878 млн лет. Сопоставление основных неравномерных критических рубежей и равномерных &-го порядка с главнейшими и главными этапами развития Земли приведено на рис. 34.
Итак, мы аналитически определили элементарное звено в цепи геологического развития, в пределах которого происходит синхронизация основных равномерных рубежей ft-го и (к— 1)-го порядка и неравномерно чередующихся рубежей. Определили и положение в этом звене времени завершения этапа перестройки, относящегося еще к предыдущему звену. Схема строения звена дана в табл. 6. Мы также определили относительную силу проявления различных рубежей в пределах элементарного звена. Подобные типичные звенья, повторяясь, составляют целую цепь, отвечающую всему процессу развития рассматриваемой системы. Каждое последующее звено в цепи короче предыдущего в е раз. Наконец, мы привязали границы одного из таких звеньев к геохронологической шкале. При этом основные критические рубежи неравномерной последовательности совместились с главнейшими и главными этапами развития Земли.
Таким образом, система элементарных расчетных звеньев совмещена по рубежу 570 млн лет, по нижней границе фанерозоя. При этом длительность основного равномерного цикла развития равна 180 млн лет (длительность галактического года). Длительность элементарных звеньев сокращается во времени. В докембрии выделяется 2 таких звена.
Точность определения расчетных рубежей зависит от точности определения исходного рубежа, по которому производится привязка к системе геологических рубежей, или от правильности оценки длительности основного равномерного цикла геологической истории. Точность расчетной системы рубежей можно проверить по
98
степени совпадения расчетных рубежей с геологическими в течение всей геологической истории, т. е. промежутка времени в 4— 5 млрд лет. Как будет показано ниже, такое совпадение имеется и, следовательно, можно полагать, что исходная цифра для привязки— рубеж на 570 млн лет и длительность цикла в 180 млн лет выбраны правильно, а построение расчетной системы рубежей соответствует природным процессам.
Точность оценки времени проявления геологических рубежей на ранних этапах развития Земли невысока. Она определяется величиной растянутости геологических процессов, происходящих на р}бежах, нечеткостью критериев их оценки, смещением во времени одних и тех же стадий развития в различных регионах земного шара, а также большой абсолютной погрешностью в определении абсолютного времени. На поздних этапах развития величина погрешности резко снижается. По-видимому, ошибка для всех этапов будет не менее 5 %.
Точность определения палеонтологических рубежей, которые также не мгновенны, зависит от скорости смены фаун и одновременности этой смены во всех регионах земного шара. В докембрии эти скорости были невысоки. Так, например, длительность существования одновозрастных сообществ известковых водорослей была значительно больше, чем в мезозое и кайнозое.
Сопоставление докембрийских рубежей приведено в табл. 11. В графе 2 даны расчетные рубежи, причем рубеж в 570 млн лет является тем, к которому привязана расчетная система рубежей. В графе 3 показано положение рубежей геологической истории, выделенных на основании последующих граф, а также по некоторым дополнительным данным. Эта графа служит исходной для сравнения с расчетными рубежами. В графе 4 приведены рубежи, принятые международной стратиграфической подкомиссией по докембрию (Sims, 1979). Следует отметить, что почти все эти рубежи несколько омоложены по сравнению со стратиграфической шкалой докембрия СССР, приведенной в 5-й графе. В графе 6 перечислены рубежи, принятые при составлении тома «Русская платформа» монографии «Геологическое строение СССР и закономерности размещения полезных ископаемых» (1968). В графе 7 указаны основные эпохи гранитизации по Кратцу и др. (1980). Наконец, в графе 8 помещены основные уровни смены древнейшей фауны и флоры по Соколову (1977).
Из табл. 11 следует, что результаты определения большинства геологических рубежей, выделяемых в разных регионах и по различным показателям, близки друг к другу. Колебания возрастов редко превышают точность их определения. Это и позволило нам составить общую схему, приведенную в графе 3. Сопоставление этой схемы с рубежами, полученными путем расчета (графа 2), показывает их хорошую сходимость (табл. 12).
Расчетные рубежи 2872 и 3017 млн лет приняты совпадающими с геологическими рубежами (2900—3000 млн лет), так как расхождение между ними близко к точности определения возраста
7*
99
Таблица 11
Расчетный рубеж
Геологические рубежи, млн. лет
Стратиграфическая шкала
ранг рубежа
возраст, млн. лет
принятые рубежи
международная стратиграфическая шкала (Sims, 1979)
стратиграфическая шкала СССР
«Геологическое строение СССР ...» (1968)
эпохи гранитизации (по: Кратц и др. 1980)
появление » различных
групп организмов (по: Соколов, 1977)
Венд
Основной (исходный)
570
570 ( + 20) 680-700 ( + 20)
570
570 680-700
570 680
570-675
Верхний
Второстепенный
748 929 1056 1109 1187 1291 1467 1546
900
протерозой (ри-фей)
Промежуточный Второстепенный Перестроечный Второстепенный
1000 ( + 50) 1350 ( + 50)
1050 1350
ОКОЛО 1000
900-1000 1350-1600
Основной
1600-1800 (ч=50)
1600
1650
1650-1800
1700—1800
1600-1900
Нижний и средний протеро-
Второстепенный >
2034 2526
1900-2100 ( + 100) 2500-2600 ( + 100)
2100 2500
1900 2300 2600
2200 2600
1900-2100 2500—2700
2000-2200
зой Архей
Промежуточный
2872
2900-3000 ( + 100)
2900
3000
3000
3000-3200
Катархей
Второстепенный
Перестроечный
Второстепенный
Второстепенный
Основной
3017 3225 3510
3990
4200
3500-3600 4000 4500*
3500
3500
4000
3600-3800
3800
* Возраст
Земли.
Геологические рубежи в докембрии (главнейшие рубежи подчеркнуты)
Таблица 12
Сопоставление рубежей декембрия
(в скобках указан процент совпадающих рубежей)
Принятых с расчетными
Расчетных с
принятыми
Характер совпадения
все рубежи (всего 10)
крупнейшие рубежи (всего 4)
все рубежи (всего 17)
основные и промежуточные рубежи (всего 5)
Рубежи, совпадающие
по возрасту Рубежи, совпадающие
по рангу *
9 (90) 7 (77)
4 (100) 3 (75)
12 (70)
9-10 (75-83)
5 (100) 3 (60)
* Сравнивать совпадение по рангу можно только для совпадающих по времени рубежей, поэтому оценка и делалась только для них.
(±100 млн лет). Худшее совпадение расчетных рубежей с геологическими, наблюдающееся в верхней части шкалы, скорее всего, связано с тем, что интервалы между расчетными рубежами сокращаются с течением времени, а сила их проявления убывает. Геологические же рубежи выделялись со стремлением выдержать единую силу их проявления. Поэтому они расставлялись во времени более равномерно. Перестроечные границы имеют другую природу, чем остальные рубежи. Они указывают только на время окончания перестроек при переходе от предыдущего звена к последующему. Им нет аналогов в геологических рубежах, и они не включены в число несовпадающих рубежей.
Сопоставление фанерозойских рубежей (без неогена и четвертичного периода) дается в табл. 13. В графе 4 приведено время регрессий моря на территории СССР, рассчитанное Карогодиным (1975). Эти регрессии для СССР оценены детальнее, чем для континентов мира (см. рис. 34). Их достоверность подтверждается хорошим совпадением с мировыми регрессиями, а также с колебаниями уровня Мирового океана (Seismic stratigraphy, 1977). В действительности максимальные значения регрессии падают не на средние части стратиграфических интервалов, как это показано на рис. 33, а на нижние границы этих интервалов, а сам размах колебаний уровня моря является значительно большим, чем показанный на приведенных кривых, которые построены по средним данным для отрезков времени длительностью 7—8 млн лет. Следует также иметь в виду, что оценка величины регрессий для олигоцена дана весьма схематично. На самом деле она является значительно более дифференцированной.
В графе 5 указаны моменты минимальных уровней Мирового океана (Seismic stratigraphy, 1977, p. 84—85). Для мезозоя и палеогена дано положение как глобальных «суперциклов» колебания уровня океана, так и «циклов» низшего ранга. Для палеозоя показаны лишь «суперциклы». Последние в табл. 13 подчеркнуты.
101
Таблица 13
Геологические рубежи в фанерозое (без неогена и четвертичного периода, главные рубежи подчеркнуты)
Стратиграфическая шкала
Расчетный рубеж
Геологические рубежи, млн лет
период
возраст, млн лет
ранг рубежа
возраст, млн лет
принятые рубежи
максимальные регрессии для СССР (Карогодин, 1975)
регрессии (Seismic stratigraphy, 1977)
изменение количества семейств
вос
37 53
Основной Второстепенный
>
Промежуточный Второстепенный
28.3 37.3
46.3 52.6 55
30 (q=l)
50 (+3)
30
30
37 40 45
( 50
X 52 53.5 56 59 CO
65 пропуск
30
Рс
67
Перестроечный Второстепенный
59
64 73
60-65 (Т3)
65
Смена фаун
К
К*
Кх
100 137
Основной Второстепенный
»
77 101
126
95-100 (Т4)
95? 115
98
Г 126 1 130
J
h
161 170
195
Промежуточный Второстепенный
Перестроечный Второстепенный
>
143 150
160 175
199
137 (=F5) 175 (=F5)
135-138
170 196
141 150 156 165 175 190
198
Т
т*
230
Основной
209
200-220 (=F10)
215
220
210
Р
я*
Рх
285
Второстепенный
275
265 (^10)
250 320
270 320-325
315
342
350
350?
С
с,
350
>
325 (TlO) 350 (=F10)
D
D2 Dx
385 406
Промежуточный Второстепенный
389 409
380 (qFlO) 400-420 (T10)
380 408-420
406
410
S
Si
Sx
440
Перестроечный
436
440
О
Ог
Второстепенный
475
480 (=Fl5)
490
Выход на сушу
o>
Ox
480 510
e3 ei
545 570
Основной (исходный)
540 570
540 (qpl5) 570 (±20)
520-540 570
570
570 Они же приняты в качестве основных при сравнении с расчетными рубежами. В меловом периоде в указанной работе «циклы» не выделены.
Графа 3 является обобщающей. В ней указаны наиболее достоверные рубежи, устанавливаемые по комплексу данных (графы 4—6) или, в более редких случаях, очень отчетливые рубежи, выделяемые по одному признаку. В скобках даны пределы ошибок определения радиологического возраста. Крупные рубежи, указанные в начале настоящего раздела, подчеркнуты. К ним отнесен и рубеж на 30 млн лет, который мо кно отождествлять с началом собственно альпийской складчатости.
Сопоставление принятых рубежей для фанерозоя, а также «суперциклов» изменения уровня океана с расчетными рубежами показывает примерно такую же сходимость, что и для докембрия. Она колеблется от 70 до 80 %, а для главных рубежей доходит до 100 % (табл. 14). Совпадающими, как и для докембрия, считались те рубежи, расхождение между которыми было меньше или незначительно превышало ошибку в определении радиометрического возраста. Перестроечные границы при сопоставлениях не учитывались.
Наиболее значительными несовпадениями являются, с одной стороны, геологический рубеж на уровне 320—380 млн лет, отвечающий границе раннего и среднего карбона, которому нет аналогов среди расчетных, а с другой — основной расчетный рубеж на уровне 77 млн лет (внутри позднего мела), не отражающийся в геологической истории. Причины этих расхождений неясны. Кроме того, так же как и для докембрия, в верхней части шкалы расчетные рубежи располагаются чаще, чем геологические, правда циклы колебания уровня океана низшего ранга, устанавливаемые по сей-сморазведочным данным, располагаются здесь не менее часто.
Таблица 14
Сопоставление рубежей фанерозоя (в скобках указан процент совпадающих рубежей)
Принятых с расчетными
Регрессий (по: Seismic stratigraphy,
1977) с расчетными
Расчетных с принятыми
Расчетных с регрессиями (по: Seismic stratigraphy, 1977)
Характер совпадения
все рубежи (всего 15)
главные рубежи (всего 4)
все
регрессии
(всего 24)
регрессии «суперциклов» (всего 12)
все рубежи (всего 20)
основные и промежуточные рубежи (всего 6)
все рубежи (всего 20)
основные и промежуточные рубежи (всего 6)
Рубежи, совпадающие по возрасту
Рубежи, совпадающие по рангу
14 (93) 10(71)
4(100) 4(100)
17(71) 10 (59)
10(83) 4(40)
14(70) 10(71)
6(100) 3(50)
17(85) 10 (59)
5(83) 4(80)
104
Хорошее совпадение имеется и между границами отделов и систем стратиграфической шкалы с расчетными рубежами. Процент совпадения примерно равен 70. Большинство несовпадений приходится на такие границы, где не происходило существенных событий, а именно Т и Р\ D$ и D2, S2 и Si, 03 и 02, С3 и С2. Главные расхождения приходятся на упоминавшиеся выше рубежи 320— 330 млн лет и 77 млн лет.
Сопоставление неогеновых рубежей приведено в табл. 15. К со жалению, для этого времени не удалось найти полных данных по возрастам основных регрессий и по изменению климатов (графы Г> и 6 в табл. 15). Эти данные, имеющиеся для конца неогена, хорошо совпадают с положением границ между стратиграфическими подразделениями. Более полные сведения имеются по изменению уровня Мирового океана (Seismic stratigraphy, 1977) и по возра стам границ стратиграфической шкалы. Следует отметить, что максимумы регрессий уровня Мирового океана, установленные по сейсморазведочным данным, почти полностью совпадают со стратиграфическими границами, принятыми в этой же работе. Дополнительные регрессии по сравнению со стратиграфической шкалой, расположенные на уровнях 13 и 19 млн лет, совпадают с границами стратиграфической шкалы (Berggren, Convering, 1973). Лишь регрессия на уровне 3.8 млн лет не нашла отражения в стратиграфических границах. Стратиграфическая шкала отличается от шкалы в «Seismic stratigraphy» (1977) положением границ калабрия, серравалия и аквитана. Интересно, что эти границы смещены точно на одну регрессию. Поэтому можно думать, что одно и то же природное явление было истолковано разными авторами неоднозначно. Поскольку максимумы регрессий хорошо совпадают сэ стратиграфической шкалой, приведем сопоставление расчетных рубежей только с максимумами регрессий (табл. 16).
Как и для ранее рассмотренных подразделений геологической истории, лучше всего совпадают главные подразделения, несколькэ хуже все подразделения и заметно хуже совпадение рубежей по рангам. Среди главных несовпадений следует отметить границу третичного и четвертичного периодов, которая по расчетным данным должна находиться на уровне 1.41 млн лет, а по геологическим признакам располагается на уровне 1.7—1.8 млн лет. Положение ее и у стратиграфов вызывает споры.
Сопоставление рубежей четвертичного периода приведено г табл. 17. Поскольку на четвертичный период приходится 5 элементарных звеньев развития и дробность выделения рубежей значительно возрастает по сравнению с рассмотренными ранее подразделениями геологической истории, сопоставлялись лишь основные i промежуточные расчетные рубежи. Второстепенные рубежи был! исключены.
Стратиграфия четвертичного периода в основном является кл? матостратиграфией. Ее подразделения соответствуют во многом л<. риодам потепления и похолодания. С последними (табл. 17, графа 4 хорошо коррслируются регрессии Мирового океана, выделенны-
Таблица 15
Расчетный рубеж
Геологические рубежи, млн. лет
Стратиграфическая шкала (по: Seismic stratigraphy, 1977)
ранг рубежа
возраст, млн. лет
регрессии (по: Seismic stratigraphy, 1977)
стратиграфические границы (по: Berggren, Convering, 1973)
регрессии (по: Kras-nov, 1977)
похолодание (по: Krasnov, 1977)
Четвертичный
Эоплейсто-цен
Калабрии
Основной Второстепенный
Промежуточный Второстепенный
1.41
1.85
2.3
2.62
2.73
1.8
2^
Калабрии -1.8
Пьячензий
1.7-1.8 2.5
1.6-1.8 2.3-2.5 2.6-2.8
Плиоцен
Пьячензий
Перестроечный Второстепенный >
Основной
2.92 3.2 3.64 3.83
3.8
—3.2 Занклий
3.5-3.6
Табианий
Второстепенный
5.04
4.3 5.3
5
5.6
Мессиний
>
6.26
6
6.6
Мессиний —6.6
Неоген
Тортон
Промежуточный Второстепенный Перестроечный Второстепенный >
Основной
7.12
7.5
8
8.7 9.9 10.4
11
Тортон —11
Миоцен
Серравалий
Второстепенный
13.7
13
Серравалий —13-14
Лангий
15.7
Лангий —16,6
Бурдигал
Промежуточный Второстепенный
17
19.3 20.3
17 19*
Бурдигал —19
Аквитан
Перестроечный Второстепенный
21.7 23.6
22 24
Аквитан —22.5
Палеоген
Олигоцен
Чаттий
>
Основной
26.9 28.3
26 30
Чаттий
* Выделен дополнительно.
Рубежи в неогене (основные геологические рубежи подчеркнуты)
Таблица 16
Регрессий (по: Seismic stratigraphy, 1977) с расчетными
Расчетных с регрессиями (по: Seismic stratigraphy, 1977)
Характер совпадения
все циклы (всего 14)
суперциклы (всего 3)
все рубежи (всего 22)
основные и промежуточные рубежи
(всего 7)
Рубежи, совпадающие по
времени Рубежи, совпадающие по
paHFy
13 (93) 10 (77)
3 (100) 3 (100)
13 (59) 9 (70)
6 (85) 3 (50)
Таблица 17
Геологические рубежи в четвертичном периоде (основные рубежи подчеркнуты)
Стратиграфическая шкала
Расчетный рубеж
Геологические рубежи
ранг рубежа
возраст, тыс. лет
возраст стратиграфических границ (по Krasnov, 1977)
максимумы регрессий по Файр-бриджу
(из: Клиге, 1980)
похолодание (по: Krasnov, 1977)
Голоцен
Основной
9.5
10
10-15
Верхний
Верхняя
Промежуточный
17.6
отдел
часть
Основной
25.8
23
20
12-4
(плей-
Промежуточный
48
50
50
47—55
сто-
Основной
70.2
70
60-70
59-64
цен)
——
110
115
180-230
Промежуточный
130
130
Основной
191
180
182
390-500
240
233
800-900
Средняя
Промежуточный
354
380
380
часть
Основной
518
500
Нижняя
Промежуточный
960
900
часть
——
Нижний
Верхняя
Основной
1410
1250
1150-1250
отдел
часть
——
(зоо-
Нижняя
1550
плей-
часть
1800
1550-1800
сто-
цен)
Файрбриджем (из: Клиге, 1980) для верхнего плейстоцена и голоцена (графа 5). Такое соответствие стратиграфических границ, климатических подразделений и регрессий позволяет ограничиться
108
Сопоставление рубежей неогена (в скобках указан процент совпадающих рубежей)
сопоставлением расчетных рубежей только со стратиграфическими границами (табл. 17, графа 3). Совмещение их с регрессиями сохраняет единым подход к выделению геологических границ в течение всего фанерозоя. Стратиграфические границы и их сопоставление с хронологической шкалой заимствованы из работы Краснова (Krasnov, 1977). Совпадение расчетных и геологических границ для четвертичного периода (табл. 18) заметно хуже, чем для более ранних интервалов времени. Основное число несовпадений приходится на интервал времени от 0.9 до 1.8 млн лет, т. е. на начало четвертичного периода.
Таблица 18
Сопоставление рубежей четвертичного^ периода (в скобках указан процент совпадающих рубежей)
Характер совпадения
Стратиграфических границ (по: Krasnov, 1977) с расчетными рубежами
Расчетных рубежей со стратиграфическими границами (по: Krasnov, 1977)
все стратиграфические (всего 14)
основные стратиграфические границы (всего 6)
основные и промежуточные рубежи (всего 11)
Рубежи, совпадающие
9 (64)
3 (50)
8 (73)
по времени Рубежи, совпадающие
4 (50)
2 (67)
4 (50)
по рангу
Проведенное сопоставление рубежей, полученных в результате расчета, с рубежами, фиксируемыми в геологической истории и выделяемыми по различным показателям, показывает достаточно хорошее их совпадение. Лучшее совпадение наблюдается для рубежей, проявленных наиболее сильно. В среднем оно примерно равно 85%. Несколько хуже совпадение устанавливается для всех рубежей в целом — около 75 %; всего хуже—при сравнении по рангам, когда основные геологические рубежи совпадают с второстепенными расчетными рубежами и наоборот. Совпадение по рангам в среднем равно 60—65 %.
Строгое определение степени совпадений нецелесообразно, так как, во-первых, для этого недостаточна статистическая выборка, а, во-вторых, геологические рубежи являются растянутыми во времени и определяются не всегда однозначно. Ориентировочная прикидка степени совпадения показывает, что в среднем в 3/4 случаев рубежи совпадают. Такая высокая степень совпадения не может быть случайной. Следовательно, проведенный аналитический расчет действительно отражает существующие в геологической истории соотношения в расположении революционных событий.
109
Необходимо отметить, что полного совпадения расчетных и гео-югических рубежей не может быть. Имеются ошибки в определении положения геологических рубежей; эти рубежи и сами по себе ie являются устойчивыми. Они зависят от большого числа разно-)бразных условий, влияющих на время их проявления. Отсюда не-1збежны искажения общей закономерности, которая проявляется шшь как тенденция, а не как строгое правило. Расчетная система >убежей отражает общую закономерность развития природных объектов, но она не учитывает влияния развития одних объектов на фугие. Это влияние может быть двояким: во-первых, революцион-(ые перестройки в развитии одних объектов могут ускорять или амедлять начало перестроек других объектов, являясь как бы луковым механизмом; во-вторых, перестройки одних объектов могут >ыть причиной изменения скорости и характера развития других, наче говоря, причиной неравномерности процессов. В первом слу-ае будет происходить искажение «правильной» закономерности азвития. Вероятно, с этим и связана часть несовпадений расчет-ых и наблюдаемых геологических рубежей, о которых говорилось ыше. Во втором случае несовпадений и нарушений закономерно-гей развития, скорее всего, не будет, так как изменения обоих бъектов будут синхронизированы и сольются в единую систему.
Таким образом, закономерная связь между основными характе-истиками развивающейся системы и положением ее критических убежей может применяться не только для живых объектов, но и аспространяться на неживые, к которым принадлежит земная ора. Частный вывод для геологии заключается в том, что при вы-эре положения как стратиграфических границ, так и тектониче-<их событий следует учитывать расчетные рубежи и их ранжи-эвку по силе. Однако эти рубежи могут служить лишь ориенти-эм, помогающим анализировать фактический материал и гганавливать истинное время перестроек. Кроме того, знание за-эномерностей чередования рубежей имеет большое значение при зогнозировании в прошлое различных геологических событий, также при создании различных классификаций и схем. Наконец, о весьма важно, с горными породами, образовавшимися на рас-1атриваемых рубежах, связано основное количество полезных ис-шаемых. Это наблюдается и в геосинклинальных формациях до-добрня, и в платформенных фанерозоя. Большинство месторожде-ift нефти, газа, угля, бокситов, фосфоритов и других полезных копаемых связано с эпохами перерывов, которые совпадают с ру-жами различного масштаба в истории геологического развития.
4.2. Временная ритмичность Солнечной системы
Для определения характеристик развивающейся системы в со-ветствии со звеном развития требуется знать механизм и дея-гсьность основного равномерного ритма, играющего роль «метро-ма развития». Таким механизмом может быть галактический год,
!
Рис. 35. Длительность ритмов геологических процессов (по данным: Krasnov, 1977) в сопоставлении с геометрической прогрессией с модулем е (прямая линия). По оси абсцисс — порядковый номер ритма; по оси ординат — длительность ритма, лет, в логарифмическом масштабе. Вертикальные отрезки определяют пределы изменения длительностей ритмов по данным стратиграфии.
т. е. время обращения Солнечной системы вокруг галактического ядра. Поэтому знание величины галактического года позволяет рассчитать рубежи геохрокологической шкалы (Жирмунский, Кузьмин, 1982). Этот расчет показал, что крупные преобразования в процессах развития Земли и биосферы определяются системой иерархически взаимосвязанных ритмов, знание одного из которых позволяет определить остальные. На рис. 35, по данным Краснова (Krasnov, 1977), приведены длительности ритмов (в логарифмической шкале), выделенных им в геологической истории Земли в функции от их рангового номера. Сплошной линией здесь представлена геометрическая прогрессия с модулем еу рассчитанная
Таблица 19
Сравнение фактических и расчетных периодов обращения планет Солнечной системы относительно Солнца
Периоды обращения
сут
фактиче-
расчет-
ский
ный
88
80.1 *
224.7
217.8
365.3
—
687
592
1 633 **
1 609
4 332
4 375
10 759
11 893
30 685
32 330
60 189
—
90 465
87 882
Порядковый номер расчетного рубежа, k
Планета
Относительная ошибка,
%
Ln
о
1
2 3 4 5 6
Меркурий Венера Земля Марс
Астероиды
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
Плутон
-9 -3.1
-13.8 -1.5 1
10.5 5.4
-2.9
4.48 5.42
6.53 7.40 8.40 9.28 10.33
11.41
0.94
1.11 0.87 1.00 0.88 1.05
1.08
m = 0.99
* Значение, принятое за начало отсчета. ** Среднее геометрическое для пояса астероидов, т —среднее значение In (**)ф/('Л-1)ф' Индекс * обозначает фактические периоды.
111
Рис. 36. Схема строения Солнечной системы.
Орбиты планет показаны в масштабе (по: Кауфман, 1982, с. 18).
от длительности галактического года в соответствии с соотношением (3.60). Из рисунка видно, что в диапазоне длительностей ритмов от сотен миллионов до 10 тыс. лет соотношение между средними длительностями ритмов в геологических процессах соответствует геометрической прогрессии с модулем е. Диапазон длительностей ниже 10 тыс. лет слабо проявлен в геологических данных, в связи с чем вводимая здесь последовательность имеет явно другой уровень подробности.
Рассмотрим ритмы, определяющие распределение планет Солнечной системы относительно Солнца. Солнце, как центральное тело, будем считать задающим основной равномерный ритм, определяемый его периодом вращения вокруг своей оси на экваторе 7* = 25.36 сут (Чайлдс, 1962). Тогда основной синхронизированный рубеж звена развития определится соотношением (3.59):
tk = -^j Tk = 3.16Г* = 3.16 - 25.36 = 80.1 (сут),
что близко к периоду обращения Меркурия относительно Солнца. Далее, формируя последовательность основных критических рубежей и фаз перестройки звена развития (см. табл. 1), получим последовательность значений, приведенную в табл. 8. Эти данные показывают, что периоды обращения большинства планет Солнечной системы (Меркурия, Венеры, Марса, астероидов, Юпитера, Са
112
турна, Урана, Плутона; рис. 36) близки к геометрической прогрессии с модулем е (среднее фактическое значение составляет 2.69). Земля и Нептун выпадают из этого ряда, что указывает на их особое положение по сравнению с остальными планетами в процессе формирования Солнечной системы и в настоящее время.
Так как основные рубежи в соответствии с соотношением (3.60) формируют геометрическую прогрессию с модулем et то, зная положение первого синхронизированного рубежа (80.1 сут), определим следующие основные рубежи по зависимости
Диапазон звена развития от ее до еъ является зоной перестройки. Именно здесь происходит качественное изменение характеристик системы. В самом деле, в диапазоне от ев до еъ по отношению к периоду обращения ближайшей к Солнцу планеты (Меркурию), находится пояс астероидов. Высказывалось предположение, что там находилась планета Фаэтон, которая развалилась. Следующее звено развития, которое начинается с конца пояса астероидов* имеет свою зону перестройки, которая располагается перед Ураном. Именно в этом диапазоне недавно открыта малая планета типа астероида Хирон (Астрономический ежегодник, 1980, с. 184).
4.3. Ритмы синхронизации движений Земли и других тел Солнечной системы
Из данных, приведенных в предыдущем разделе, следует, что Земля занимает особое место в Солнечной системе: она выпадает из геометрической прогрессии с модулем е, которую формируют периоды обращения планет Солнечной системы относительно Солнца. Как же связаны характеристики периодов обращения Земли и других тел Солнечной системы? Синхронизации движений Солнца, Луны и Земли были известны еще в древности и положены в основу построения календарных систем (Селешников, 1977).
Так, циклы лунного календаря основаны на синхронизации суток и лунного астрономического года, состоящего из 12 синодических лунных месяцев длительностью 29.53059 сут каждый, т. е. лунный астрономический год имеет период
Г = 29.53059 (сут) • 12 = 354.36708 (сут).
Синхронизацию проводят, приближая нецелую часть периода подходящими дробями (Хинчин, 1961). Разлагая число 0.36708 в непрерывную дробь, получают ряд подходящих дробей (Селешников, 1977): 1/2, 1/3, 3/8, 4/11, 7/19, 32/87...
Подходящие дроби позволяют найти такие целые числа, соотношение которых наиболее близко к исходной десятичной дроби при заданном уровне точности. Например, подходящая дробь 3/8 определяет восьмилетний «турецкий цикл» (на 8 лунных лет приходится 3 «високосных» года по 13 лунных месяцев в году вместо
8 А. В. Жирмунский, В И. Кузьмин
113
12), а подходящая дробь 11/30 определяет тридцатилетний «арабский цикл» (30 лунных лет содержат 11 «високосных»).
Солнечно-лунные календари имеют один основной цикл, который согласовывает тропический год (365.24220 сут) с синодическим месяцем (29.53059 сут). Разделив длительность тропического года на синодический месяц
365.24220 i9qRo0fifi 29.53059 = 12.368266 ..,
получим 12 целых лунных месяцев и дробную часть, которую необходимо компенсировать високосами. Для вычисления високосов дробную часть 0.368266 разложим в подходящие дроби, в результате чего получим следующие значения: 1/2, 1/3, 3/8, 4/11, 7/19, 123/334... В солнечно-лунных календарях наибольшее распространение получил цикл, определяемый подходящей дробью 7/19. В этом цикле, получившем название цикла Метона, 19 солнечных лет равны 235 лунным месяцам.
Можно заметить, что подходящие дроби, которые могут задавать циклы в лунных и солнечно-лунных календарях, очень мало отличаются от величины \/е. Из табл. 20 следует, что первые 5 подходящих дробей, положенных в основу лунного и солнечно-лунного календаря, и для числа 1/е совпадают. Это следует из тех чисел, которые были положены в основу календарных циклов лунных и солнечно-лунных календарей: 0.36706 — для лунных календарей, 0.368266 — для солнечно-лунных календарей, 0.367879 — для 1/е.
Таблица 20
Подходящие дроби лунного и солнечно-лунного календарей и 1 е
Календарь
Подходящие дроби
Лунный
1/2
1/3
3/8
4/11
7/19
11/30
29/70
Солнечно-лунный
1/2
1/3
3/8
4/11
7/19
123/334
376/1021
1/е
1/2
1/3
3/8
4/11
7/19
32/87
39/106
Принимая 19 лет за основной критический период, так как далее подходящие дроби для лунного и солнечно-лунного календарей расходятся, получим оценку начала фазы перестройки звена развития:
19ее:^=14.3 (года).
Тогда предыдущие фазы перестройки будут представлены диапазонами, приведенными на рис. 37. 260 сут соответствуют короткому году в календаре индейцев майя (Селешников, 1977), в котором было 20 мес по 13 сут в каждом. 13 сут, как видно из рис. 6, соответствуют длительности периода начала фазы перестройки, отстоящей от 260 сут на звено развития еъ = 20.085. Таким образом, циклы солнечных, лунных и солнечно-лунных календарей получаются при синхронизации периодов вращения Земли, обращения
114
12.9 <?.Z 250 545 1Ь.З 19
Сутки , Годы
I
е3 i р? -^<-»-
е3
Рис. 37. Схема расчета фаз перестройки по возрасту синхронизированного рубежа tk — 19 лет.
Заштрихованные диапазоны — фазы перестройки.
ее вокруг Солнца и обращения Луны вокруг Земли. Циклы календаря индейцев майя получаются из тех же исходных данных при учете структуры звена развития. Рассмотрим 19-летний цикл как длительность равномерного ритма, задающего последовательность критических рубежей в соответствии со звеном развития (Tk = = 19 лет). Тогда из условия (3.59)
/Л = 3.16ГЛ = 3.16- 19 = 60 (лет).
Отсюда звено развития имеет вид, представленный на рис. 38.
60-летний цикл, находящий отражение в восточном циклическом календаре (Селешников, 1977), связан с синхронизацией периодов обращения планет относительно Солнца. Если взять сидерические периоды обращения в земных тропических годах Марса (1.88089), Юпитера (11.86223) и Сатурна (29.45772), то в пределах человеческой жизни 60 лет будет циклом, близким к периоду наилучшей синхронизации обращения этих планет. Таким образом, если взять за условия синхронизации периоды обращения планет и вращения Земли, то с учетом рубежей звена развития можно вывести синхронизацию ряда основных календарей. При этом рубежи звена развития характеризуют последовательности синхронизированных периодов обращения тел Солнечной системы.
Последовательность длительностей основных рубежей звена, приведенная на рис. 38, показывает, что некоторые из них соответствуют длительностям основных ритмов, хорошо проявленных в ритмах внешней среды. Так, тропический год определяет сезонные
.__19 _2-19
1/е 1 е е2 ее е3
-VZjUA-Y///A_ху/у/л_i/yy»i
27Ь 1 2.2 3 6.1 8 16.6 22 45 60
cqm
Годы
Рис. 38. Схема формирования основных рубежей и фаз перестройки ячейки развития по длительности равномерного рубежа Tk = 19 лет.
8*
115
172 , 26 0 108 №
ас ое ое
6*3 22 5 615 167 1.2 3 4 9 2 2^9 67 7
V//i \ V//A I Y//A I I///J \ I Yf/A I I У//Л I Y//A \ У//Л
Ь8 45 55 56 260 19 5.5 ПЗ 38 8 106 6 5 172 <<6.6 12.7 345iw 2.6 7 19 51.6 Щ
Сутки Годы
Рис. 39. Последовательность рубежей основных (конец заштрихованного диапазона), экспоненциальных неустойчивых (риски на нижней прямой) и фаз перестройки (заштрихованные диапазоны) при tk = 19 лет. 'Сверху — критические рубежи процесса устойчивого аллометрического типа
изменения на Земле, 22-летний ритм представляет цикл солнечной активности, 60-летний также хорошо проявлен в данных о солнечной активности и процессах на Земле (Мак-Кормак, Селеги, 1982). Таким образом, можно ожидать, что представленная на рис. 37 и 38 последовательность значений длительностей, определяемых основными рубежами звена развития, характеризует ритмы среды.
В книге Жирмунского и Кузьмина (1982) с использованием звена развития были датированы рубежи геологической истории, в результате чего оказалось, что ритмы среды синхронизированы между собой и с ними коррелируют изменения в биосфере. Известен принцип, в соответствии с которым в индивидуальном развитии (онтогенезе) повторяются этапы истории формирования вида (филогенеза). В связи с этим можно ожидать, что биоритмы, как и стадии развития биосферы, соответствуют ритмам среды.
Рассмотрим поэтому данные о развитии биологических систем. Для анализа нам понадобится последовательность основных и экспоненциальных неустойчивых рубежей и фазы перестройки звена развития (см. табл. 8) и уравнение (3.50). Соответствующая совокупность рубежей, представлена на рис. 39. Отметим синхронизацию критических констант е и ее, которая потребуется при дальнейшем анализе (Кузьмин, Жирмунский, 1986)
е* = ее
(соотношение типа турецкого цикла в календарях 8/3). Отсчитывая это соотношение от основного рубежа 17.2 сут, получим (см. рис. 39):
17.2 (сут) • в8= 140 (лет) и 17.2 (сут) • {eef= 164 (года).
4.4. Возрастные критические периоды в индивидуальном развитии животных
Рассмотрим данные о динамике роста животных. В основу анализа положим метод, разработанный Менделеевым, который предложил изображать ход зависимости в виде отрезков прямых. При этом смена одного линейного участка другим характеризует
116
Рис 40. Динамика роста массы эмбриона человека (7), постэмбрионального роста массы белых леггорнов (2) и белых мышей (<?), эмбрионального и постэмбрионального роста массы морской свинки (4) и свиньи (5) (по данным: Шмальгаузен, 1984, т 1, с. 158—169) в сопоставлении с рубежами внешних ритмов.
По верхней оси абсцисс — возраст, сут; по нижней оси-— рубежи внешних ритмов, соответствующих рис. 39. Заштрихованы фазы перестройки. Риски — экспоненциальные рубежи неустойчивого типа. Масштаб ло оси ординат логарифмический (в относительных единицах).
критическую точку. Исследуя изменение плотности при разбавлении спирта водой, Менделеев установил, что в точках, где прямая ломается, меняется скачком структура раствора (Менделеев, 1959). Этот метод был широко использован Шмальгаузеном (1984) при анализе кривых роста животных с целью разделения процесса на отдельные естественные периоды. Он показал, что скорость экспоненциального роста и аллометрический коэффициент (показатель степени в аллометрии— степенной зависимости) резко отмечают границы отдельных периодов развития, между которыми процесс идет плавно, эволюционно, без коренных качественных преобразований. Излом кривой характеризует включение механизмов коренных качественных преобразований системы. Шмальгаузен нашел, что такие изломы наблюдаются при рождении животного, завершении лактации у млекопитающих, половом созревании, наступлении старости.
Начнем с рассмотрения периодизации онтогенеза человека. По данным, приведенным Шмальгаузеном (1984, т. 1, с. 75) о росте массы человека в эмбриональном и постэмбриональном периодах, построен график зависимости логарифма массы от возраста (см. рис. 40 и 41). В эмбриональном периоде изломы фиксируются на 24, 110 и 200 сут развития с завершением эмбрионального периода на 275-е сут (по: Шмальгаузен, 1984). Завершение эмбрионального развития человека является безусловным и хорошо изученным критическим моментом в его онтогенезе. Считается, что в нормальных условиях рождение человека наступает на 266 сут после оплодотворения яйцеклетки (Человек... 1977). Эта длительность периода хорошо совпадает с рубежом фазы перестройки системы рубежей внешних ритмов синхронизации, приведенной на рис. 37. Предыдущий критический момент, определяемый критическим соотношением относительно момента рождения, также хорошо проявлен. На рис. 42 приведена динамика роста длины эмбриона и постнаталь-ных стадий человека, откуда видно, что при возрасте 266 сут: ее = = 18 сут завершается период роста с ростом темпов. Это — возраст
117
Рис. 41. Динамика иостиаталь-ного роста массы человека к рубежи внешних ритмов.
Масштаб по оси ординат логарифмический (по: Шмальгаузен, 1984). Заштрихованы фазы перестройки.
15 | 20 лет
_I--
J-1-1-L
развивающегося эмбриона человека, соответствующий окончанию стадии гаструля-ции (Станек, 1977). Здесь происходит переход от развития с возрастающими темпами экспоненциального ро-
ста к аллометрическому развитию (см. рис. 42; Biology data book, 1964). По-видимому, эту точку следует считать переходной от клеточного периода развития к органпзменному, когда начинают включаться организменные механизмы регуляций. В данный период отмечается повышенная отбраковка (смертность) дефектных эмбрионов, сопоставимая с отбраковкой при рождении (Светлов, 1960). Этот возраст практически совпадает с основным рубежом внешних ритмов 17.2 сут (см. рис. 39). В данных, приведенных на рис. 40, фиксируются также рубежи внешних ритмов, соответствующие экспоненциальному неустойчивому типу (22.5 сут) и рубеж фазы перестройки (около 100 сут). В то же время излом на 200сут развития в росте массы не имеет соответствующего аналога среди главных критических рубежей. Возможные причины этого будут рассмотрены в разделе 3.1.
Постнатальный рост массы человека (Шмальгаузен, 1984), приведенный на рис. 41, показывает изломы на рубежах перестройки внешних ритмов около 2, 5.5, 11 (рубеж 3-го уровня иерархии ее от рождения: 266 сут-ее = 11 лет) и 19 лет (основной рубеж; здесь возрасты приведены с учетом эмбрионального периода). Таким образом, преобразования в процессе роста массы оказываются синхронизированными с рядом главных рубежей элементарного звена развития. Следующие далее критические возрасты также достаточно известны. Так, начало фазы перестройки, приходящееся на 38.8 лет (или без учета эмбрионального периода на 38 лет), соответствует критическому возрасту, в котором реализуются максимальные творческие способности и происходят крупные нервно-психические перемены (Пэрна, 1925). Рубеж неустойчивого экспоненциального типа, приходящийся на 67 лет, соответствует средней продолжительности жизни в развитых странах (Урланис, 1978).
Синхронизированный отношением типа турецкого цикла 8/3 диапазон критических рубежей е и ее определяет величину диапазона организменного развития. Возраст начала организменного развития дает 18 сут, следующий за ним критический возраст (18 сут-ее = 266 сут) определяет момент рождения, далее то же соотношение (266 сут-в* =11 лет)—возраст полового созревания у мальчиков (Автандилов, 1973; у девочек он наступает несколько
118
Рис. 42. Динамика роста длины эмбриона и постнатальных стадий человека.
По оси абсцисс — возраст после оплодотворения, сут; по оси ординат — длина, см. Шкалы логарифмические, О —переход от клеточного к орга-иизменному периоду эмбрионального развития, Р— рождение, С — половое созревание. Я —предельная расчетная продолжительность жизни,
СМ
100
10Y
0.1
0.01
18
i
266 _i_
сут
0.05 О
0.75 Р
11
С
167 лет П
раньше — около 9 лет, что соответствует экспоненциальному неустойчивому рубежу). Далее следует 3-й критический возраст, составляющий 167 лет (II лет-в* = 167 лет). За счет расхождения между величиной е и значением е подходящей дроби
8/3 получается диапазон, в котором действуют критические рубежи экспоненциального (19 сут-е8 = 140 лет) и аллометрического 119 сут-(ее)3 — 167 лет] типов. Можно полагать, что этот критический момент определяет потенциальную продолжительность жизни (Жирмунский, Кузьмин, 1980), т. е. предельный возраст, который может быть достигнут отдельными индивидуумами (Фроль-КП.С, 1969). Это значение находится в соответствии с оценками, данными крупнейшими специалистами в геронтологии, такими как Хьюфлэнд (Hufeland, 1975), Богомолец (1940), Мечников (1964), Комфорт (1967). Таким образом, рубежи ячейки развития, связанные с внешними ритмами, соответствуют важнейшим переломным моментам в онтогенезе человека.
При исследовании устойчивости эмбрионов и личинок морских ежей к высокой температуре (Макарычева, 1983) было показано, что процент зародышей и личинок, находящихся в текущий момент развития на данной стадии, меняется неравномерно по времени. Наложим рубежи ячейки внешних ритмов на экспериментальные данные (рис. 43). В результате можно видеть, что фаза перестройки приходится на период от начала выклева из оболочек эмбриона до стадии ранней гаструлы, за которой начинается орга-низменное развитие. Таким образом, расчетный рубеж начала фазы перестройки соответствует выклеву из оболочки и переходу к личиночному развитию. Устойчивость эмбрионов к действию высоких температур после этого рубежа резко возрастает и сохраняется такой в дальнейшем.
Представляет интерес анализ периодов освоения информации и навыков в процессе развития ребенка, введенных Пиаже (1968). Он считает период от рождения до 2 лет сенсорно-моторным, от 2 до 7 лет — периодом формирования дооперациональной мысли, от 7 до 11 лет — периодом освоения конкретных операций и от 11 до
119
S p. г.
! 1 1
lilt_t_I_й_i i i . t i i > t >■ t
2 4 6 в 10 12 U 16 18 20 22 ч 0.8 2.1 5.7 11.6 15 A
Рис. 43. Ход развития зародышей и личинок морского ежа (по данным: Макары-чева, 1983) и рубежи ячейки развития.
По оси абсцисс — время после оплодотворения, ч; по оси ординат— доля зародышей или личинок на данной стадии развития, %; в —выклев из оболочек, р. г. —ранняя гаструла.
14 лет — периодом освоения формальных операций. Если рубежи элементарного звена развития сдвинуть на период эмбрионального развития, чтобы вычислить возраст от рождения, то получим последовательность, представленную на рис. 44. Видно, что указанные возрастные рубежи по Пиаже согласуются с основными рубежами звена и 11-летним рубежом, соответствующим созреванию. Таким образом, критические возрасты развития человека согласованы с внешними ритмами Солнечной системы, что находит отражение как в процессах формирования организма, так и в этапах освоения информации.
Рассмотрим данные об эмбриональном и постэмбриональном росте массы курицы, морской свинки, свиньи, эмбриональном развитии домашней утки, постэмбриональном развитии овцы, лошади и быка по данным, приведенным Шмальгаузеном (1984). Все эти
W№-ШШ-WM-W№
260 345 1.9 2.6 5.3 7 1<t.3 19
Су тми е* Годы
11лет
mm-wm-з
1.2 1.9 4.5 6.3 13.6 18.3
_i_i_i_i 4
2 7 fl 1k
1 U Ш IV
Рис. 44. Периоды освоения информации и навыков в процессе развития ребенка (по: Пиаже, 1968) и критические рубежи внешних ритмов.
7 —фазы перестройки внешних ритмов —см. рис. 39; 2 — критические рубежи устойчивого» аллометрического типа (ее); 3 — критические возрасты от рождения, годы; 4 — критические периоды по Пиаже; / — /V —стадии освоения информации и навыков.
120
_Ll.
10
15 20 cym
-
Рис. 45 Динамика эмбрионального роста массы домашней утки (J) и курицы (2) и рубежи внешних ритмов.
По оси абсцисс—возраст эмбрионов, сут. Заштрихованы фазы перестройки, риски — экспоненциальные рубежи неустойчивого типа. Масштаб по оси ординат логарифмический, в относительных единицах (по данным: Шмальгаузен, 1984. т. 2, с. 62; т. 1. с. 74).
данные сведены на рис. 41, 45, 46 вместе с данными об онтогенезе человека и границами элементарного звена, характеризующими ритмы среды. За редкими исключениями, (по одному рубежу для человека, курицы, овцы) рубежи, на которых происходит изменение тенденции роста, согласованы с критическими границами звена развития для ритмов внешней среды.
Абсолютная шкала внешних ритмов, определяемая основными границами звена развития, характеризует большинство критических возрастов, во время которых в развивающихся биологических системах происходят качественные преобразования. Эта шкала описывает ритмы синхронизации движений Солнца, Земли и Луны и определяет изменения характеристик среды, в которой происходят процессы развития на Земле. Отсюда естественно, что коренные преобразования в развитии биологических систем, формирование стадий их развития и критических явлений, связанных с морфо-функциональными перестройками, происходят синхронно с изменениями характеристик внешней среды. В самом деле, адаптация биологических систем к внешним условиям среды требует полного согласования характеристик, синхронности функционирования организма и среды. Следовательно, представления о всеобщей взаимосвязанности и взаимной обусловленности, природных процессов находят свое количественное подтверждение и проявление.
В последнее время проблема биоритмов и влияния на них изменений внешних факторов, в частности климатологических и метеоро-
Рис. 46. Динамика постнатального роста массы овцы (/) и быка (2) и. рубежи внешних ритмов.
По оси абсцисс-возраст, лунные месяцы (по 28 сут). Масштаб по ординате логарифмический, в относительных единицах (по данным: Шмальгаузен. 1984, т. 1, с. 171).
121
логических, вызывает значительный интерес. Однако при этом, как правило, рассматривают отдельные ритмы, которым уделяют неправомерно большое внимание. В частности, очень повезло 11-летним ритмам солнечной активности по их влиянию на биосферу в результате работ основоположника гелиобиологии Чижевского (1976). Проведено много исследований по околосуточным (цир-кадным) ритмам в функциональной активности организмов и их систем. Однако единая система ритмичности, взаимосвязи между ритмами различной длительности, их взаимодействия и взаимные влияния, определяющие функциональную активность систем, выпадают из поля исследования. Имеются работы, в которых делаются эмпирические обобщения данных по ритмам различной длительности, ориентированные на построение шкал ритмов. Но без теоретического модельного осмысления эти результаты не находят распространения.
4.5. Ритмы восприятия человеком акустических сигналов
Возникает вопрос, являются ли ритмы едиными для биологических систем на различных уровнях организации и в связи с этим, насколько применимы результаты, получаемые на одних биологических объектах, к другим объектам. Насонов и его сотрудники измеряли степень окрашиваемости препаратов нервных клеток спинного мозга кроликов и портняжных мышц лягушки при воздействии акустическими сигналами различной частоты (Насонов, 1962). На рис. 47 видно, что максимум окрашиваемости для обоих типов клеток получается в диапазоне частот от 2 до 3.5 кГц независимо от способа окрашивания. Из этих экспериментов был сделан вывод, что действие звука с частотой около 3 кГц вызывает существенные изменения свойств протоплазмы.
Ткани уха содержат протоплазму, поэтому можно ожидать изменение чувствительности уха в этом диапазоне частот. Сопоставление кривых, характеризующих сорбционные свойства мышц лягушки и порогов слышимости уха человека (рис. 48) подтвердило это предположение (Насонов, 1962).
Зависимость относительного количества воспринимаемой информации от частоты звукового сигнала приведена на рис. 49, откуда видно, что максимум семантической (смысловой) информации принимается в пределах полосы частот вблизи 2—3 кГц, а смещение в область 8 кГц дает локальный максимум эстетического восприятия. Отсюда исходит осуществляемая в радиоаппаратуре смена диапазонов частот при прослушивании речи и музыки (Линдсей, Норман, 1974).
Особенности восприятия акустических сигналов с частотой в диапазоне 3—4 кГц обусловлены и физиологически. Наружный слуховой проход можно представить как трубку, открытую на одном конце и закрытую на другом, которая резонирует, когда длина волны сигнала в 4 раза больше длины трубки. Длина наружного
122
_J_I_I_I_I_I_
0.2 0 5 1 2 5 10 кГц
Рис 47 Зависимость окрашиваемо-
сти клеток от частоты действующего звука.
/ — нервные клетки спинного мозга кролика; 2 —портняжные мышцы лягушки. По оси абсцисс —частота, кГц; по оси ординат — изменение связывания красителя, % (из: Насонов, 1962, с. 33).
о / * с
0.2 0.5 1 3 7 10 кГц
Рис. 48. Зависимости окрашиваечосгл мышц лягушки (1) и порогов слышимости уха человека (2) от частоты действующего звука.
По оси абсцисс — частота, кГц; по оси ординат: / — изменение связывания красителя, %; 2 —порог слышимости, дб (по: Насонов, 1962, с. 35i.
слухового прохода у человека около 2.3 см, откуда звуковой резонанс должен находиться на частоте с длиной волны около 9.2 см, т. е. около 3.8 кГц, что подтверждается экспериментально наличием сглаженного пика амплитуды сигнала в наружном слуховом проходе в области от 2 до 5 кГц (Гельфанд, 1984). Здесь же происходит смена режима переработки сигналов, так как слуховой нерв способен следить за сигналами с частотой до 3—4 кГц. При частотах выше 4 кГц регулярный циклический ответ слухового нерва превращается в беспорядочный непрерывный поток импульсов. За счет этого качество передачи семантической информации на частотах выше 4 кГц резко ухудшается.
Имеются критические особенности восприятия акустических сигналов человеком и в других частотных диапазонах. При введении микроэлектрода в слуховой нерв установлено наличие фоновой (спонтанной) активности до 150 импульсов в секунду при отсутствии внешнего сигнала. При предъявлении чистого звука умеренной интенсивности и высокой частоты и затем медленном снижении частоты фиксируется критическая частота, при достижении которой ответ нейрона усиливается до максимума (рис. 50). Эту зависимость называют кривой настройки, так как здесь находится частота камертона (440 Гц), по которой настраивают музыкальные инструменты. Установленные экспериментально контуры равных громкостей (рис. 51) показывают, что при понижении частоты ниже 1 кГц требуется повышать интенсивность звука для сохранения постоянного уровня слышимости (Линдсей, Норман, 1974).
123
0.1 O.Z OA C.B1 Z Н 8 10 кГц
Рис. 49. Зависимость степени восприятия речи и уровня эстетической реакции от частоты акустического сигнала.
По оси абсцисс — частота сигнала. кГц; по оси ординат—степень восприятия речи на полосу частот (сплошные кривые) и относительный уровень эстетической реакции (штриховые кривые} (по: Линдсей, Норман, 1974).
В ритмах переработки информации, связанных с акустическими сигналами, выделяется ряд частотных диапазонов, на границах которых меняется механизм восприятия. Гельфанд (1984) приводит зависимость для относительных уровней звукового воздействия и костного пути проведения звука от частоты (рис. 52). Обнаружено, что череп человека при воздействии на него звука с частотой ниже 200 Гц вибрирует как единое целое (Bekesy, Rosenblitb, 1958). При звуке с частотой около 800 Гц передний и задний отделы костей черепа вибрируют в противофазе друг к другу. При частоте звука выше 1600 Гц кости головы начинают вибрировать в четырех отделах.
Отметим, что приятно звучащие голоса имеют максимальную амплитуду на частотах, где меняются механизмы восприятия акустических сигналов. На рис. 53 приведены данные о спектре мужского голоса (Морозов, 1977); видно, что максимумы интенсивности расставлены регулярно и отмечают приведенные выше частоты (форманты). В женских голосах также выявляются три максимума, соответствующих мужским голосам, однако область основного
Имп./с 150
120
90
60
30
25 100 Ш 600 Гц Рис. 50. Кривая настройки.
Объяснения в тексте (по: Линдсей, Норман, 1974).
124
Рис. 51. Изолинии равных слышимостей при разных уровнях громкости. По оси абсцисс — частота, кГц; по оси ординат — интенсивность звука, дБ. Сплошные линии — изолинии слышимости при определенном уровне громкости. Штриховая линия—порот слышимости (по: Линдсей, Норман, 1974).
86
30
20 10
160
НО
1ZO0 ъгоо вооо Гц
в
Лоб
Затылок
200 800 1600 Гц
Рис. 52. Относительный уровень звукового воздействия (а) и колебания костей черепа (б) при действии на лобные кости звуками различной частоты. По оси абсцисс — частота звука, Гц; по оси ординат—интенсивность звука, дБ (по: Гель-фанд, 1984).
Рис. 53. Интегрально-статистический спектр мужского голоса (тенор), отражающий его спектральный состав.
^о —основной тон (115-225 Гц), Fi — низкая певческая форманта (300-600 Гц), f^ —средняя певческая форманта 700-1300 Гц), Fj —верхняя певческая форманта (2100-3000 Гц). Низкая певческая форманта придает голосу мягкость и массивность, высокая — звонкость, «серебристость», легкость и мелодичность. Шкала логарифмическая (по: Морозов, 1977).
тона, располагающаяся на октаву выше, практически совпадает с областью низкой певческой частоты. Средняя частота выражена более четко, чем у мужского голоса, высокая располагается в области от 3 до 3.5 кГц.
Отмечается большое влияние на восприятие звука с частотами, не относящимися к воспринимаемому человеком звуковому диапазону, который расположен от 20 Гц до 20 кГц. Периодическая модуляция звука по амплитуде и частоте, которая при правильном ее использовании делает тембр более приятным, называется вибрато. Считают, что вибрато в человеческом голосе является частью механизма, регулирующего частоту. Оптимальной в пении является частота вибрато 6—8 Гц. Для контроля высоты звука своего голоса требуется иметь обратную связь, т. е. слышать свой голос или через воздух, или через кости черепа. Время задержки звука в этом механизме составляет около 0.15 с, что соответствует частоте 6.5 Гц, свойственной вибрато человеческого голоса.
Проведенная оценка положения критических частот в соответствии со звеном развития показала следующее (Кузьмин, 1984). Для расчета положения критических рубежей определим реперную частоту. Если от периода эмбрионального развития как критического рубежа /* = 260 сут отсчитать диапазон синхронизации критических рубежей экспоненциального и аллометрического типов е™ = ее1 (Кузьмин, Жирмунский, 1986), то получим 8 Гц — частоту вибрато. Последовательность основных рубежей устойчивого экспо-
Акустичесшй диапазон
е ег е1 е" е5 е6 е7 ев
8 21.6 58.6 160 Ш 1.18 3.21 6.73 23.7
Гц кГц
Рис. 54. Основные рубежи акустического диапазона.
126
ненциального типа, отсчитанных от 8 Гц согласно геометрической прогрессии с модулем е, приведена на рис. 54.
Таблица 21
Критические рубежи восприятия человеком акустических сигналов
Рубеж, k
Частота, Гц
Особенности рубежа
5 б
7 8
8
21.6 58.8 160
435
1 180 3210
8 730 23 700
Вибрато, из инфраакустического диапазона, придает
сигналам эмоциональную окраску Начало акустического диапазона 17—22 Гц
Фоновая активность уха при отсутствии внешнего сигнала
440 Гц (ля первой октавы) — основной камертон для настройки музыкальных инструментов; резкое повышение чувствительности уха к изменению частоты
Наибольший резонансный пик среднего уха; локальный минимум порога восприятия
Предел способности слухового нерва следить за сигналами; абсолютный минимум порога восприятия; резонансная частота наружного слухового прохода; максимум семантической информации на полосу частот
Локальный максимум количества эстетической информации на полосу частот Конец акустического диапазона
Отсюда видно, что рубежи, на которых меняется механизм восприятия акустических сигналов, соответствуют основным рубежам шкалы, синхронизированной с периодом эмбрионального развития человека и внешними ритмами. Ряд рубежей этой шкалы, как показано выше, хорошо известен (табл. 21). Согласование положения основных границ звена развития и критических частот восприятия звуковых сигналов может быть покажется менее удивительным, если вспомнить, что улитка нашего уха имеет форму конусообразной спирали с 23/4 завитками (Гельфанд, 1984), т. е. в улитке уха человека содержится е завитков. Таким образом, в работе сенсорных систем, в частности звукового анализатора, реализуются критические отношения экспоненциального устойчивого типа и рубежи звена развития.
No comments:
Post a Comment