Экологическая физиология

Что касается человека, то уже сейчас на основе экспериментов, проведенных в Великобритании, можно сделать вывод, что безопасность зависит от конкретных условий применения аппаратов сотовой связи. В последних отчетах (Ш 106 и Ш 108) Национального совета радиологической защиты Соединенного Королевства (NPPB) приводится ряд обобщенных данных по излучательным характеристикам базовых станций сотовой связи, ручных и автомобильных сотовых телефонов. Эксперты по защите от излучений выявили, что неправильное размещение базовых станций, антенн, особенно автомобильных, может приводить к значительному облучению- Так, установка антенны вблизи заднего стекла автомобиля для передатчика в 2.5 Вт может дать двух-трехкратное превышение предельно допустимых уровней радиации на заднем сидении.

Использование различных моделей ручных сотовых телефонов приводит к возникновению как физиологических, так и поведенческих реакций. В таблице приведены данные, позволяющие сравнить пороги некоторых биологических эффектов со средними уровнями мощности сотовых телефонов.

В 1996 году в Мюнхене состоялось заседание координационного совета Всемирной организации здравоохранения по проблеме влияния электромагнитного излучения на здоровье человека. На нем было отмечено, что по мере проведения исследований в рамках нескольких национальных программ выявляется все большее количество тревожных фактов, свидетельствующих о возможном вредном воздействии аппаратов сотовой связи на здоровье.

Источниками волн радиочастотного диапазона являются прежде всего станции радио- и телевещания. Классификация радиочастот дана в таблице 1. Эффект радиоволн во многом зависит от особенностей их распространения. На него влияет характер рельефа и покрова поверхности Земли, крупные предметы и строения, расположенные на пути и т.п. Лесные массивы и неровности рельефа поглощают и рассеивают радиоволны.

Мощными источниками электромагнитных полей могут служить токи промышленной частоты (т=50Гц). Напряженность электромагнитных полей вдоль электрических высоковольтных линий передачи достигает нескольких тысяч вольт на метр. Одно время территории под высоковольтными линиями электропередач широко использовались под дачные застройки. Однако, как показали исследования, напряженность 300-1000 В/см небезопасны для здоровья.

Ультразвуковые электромагнитные волны наряду с широким применением в промышленности (механическая обработка материалов, дефектоскопия, ультразвуковая микроскопия) и в медицине (ультразвуковая терапия) также небезразличны для живого организма.

Большим достижением квантовой электроники явилось создание в 1960 году оптического квантового генератора (лазера). Принцип его работы основан на согласованном по частоте и направлению излучении электромагнитной энергии колоссальной плотности. Такое вынужденное излучение возможно в диапазонах радиоволн, инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частей спектра. Лазерные интерферометры (измерители расстояний), измерители загрязнения воздуха, установки по обработке материалов, оптические квантовые генераторы для лечебных целей, микрохирургический инструмент - далеко не полный перечень областей практического использования лазерного излучения. Лазеры применяют также в связи, локации и т.д. Следует иметь в виду, что помимо опасности прямого излучения лазера угрозу для здоровья могут представлять электрически заряженная аппаратура, чрезмерный шум самого лазера и т.п.

В настоящее время установлено, что искусственные электромагнитные поля могут вызывать в живом организме патологические изменения. Тяжесть выявленных расстройств ставят в прямую зависимость от напряженности электромагнитного поля, длительности его воздействия, сочетания определенных уровней облучения и времени облучения, физических особенностей различных диапазонов электромагнитного поля, условий внешней среды, функционального состояния организма. Большинство исследователей, изучавших клиническую картину заболеваний, возникших под влиянием электромагнитных полей, сходятся на том, что раньше других на электромагнитную энергию реагирует нервная система. Обследование большого числа пациентов позволило выявить симптомокомплекс, характерный для так называемой «магнитной» или «радиоволновой болезни». При этом изменения, происходящие в организме, можно характеризовать как функциональное расстройство центральной нервной системы, протекающее преимущественно по типу вегетативной дисфункции с астеническими явлениями, реже по неврастеническому типу. Некоторая систематизация клинических проявлений заболевания позволила выделить три основные ее формы: астенический синдром, вегетативно-сосудистую (нейроциркуляторную) дистонию, диэнцефальный (микродиэнцефальный) синдром.

При астеническом синдроме возможны различные нарушения вегетативных функций, лабильность пульса и артериального давления. Изменения, как правило, обратимы и поддаются лечению.

В основе вегетативно-сосудистой дистонии лежит сосудистая лабильность: колебания показателей пульса и артериального давления, брадикардия, сменяющаяся тахикардией, артериальная гипотония, иногда гипертензия, изменения функции сердца и капилляров. Заболевание может носить затяжной характер.

Для диэнцефального синдрома характерны комплексные висцеральные дисфункции, вегетативно-сосудистые кризы, протекающие на фоне астенического состояния. Наблюдаются гипокинезии, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая слабость, угнетение полового и пищевого рефлексов. Изменения не всегда обратимы и такие больные нуждаются в специализированном стационарном лечении.

По тяжести течения заболевания различают следующие его степени: первую начальную (компенсированную), вторую (умеренно выраженную), третью (выраженную). В отдельных случаях болезнь переходит в хроническую форму.

Особенно страдают от «радиоволновой болезни» дети.

Метеорологические факторы и их влияние на организм.

Человек, находясь в условиях естественной внешней среды, подвергается влиянию различных метеорологических факторов: температуры, влажности и движения воздуха, атмосферного давления, осадков, солнечного и космического излучения и т.д. Перечисленные метеорологические факторы в совокупности определяют погоду.

«Погода - это физическое состояние атмосферы в данном месте в определенный период времени». Многолетний режим погоды, обусловленный солнечной радиацией, характером местности (рельеф, почва, растительность и т.д.) и связанная с ним циркуляция атмосферы, создают климат.

Существуют различные классификации погод в зависимости от того, какие факторы положены в их основу. С гигиенической точки зрения различают три типа погод: оптимальный, раздражающий и острый.

К оптимальному типу относят погоды, благоприятно действующие на организм человека. Это погоды умеренно влажные или сухие, тихие и преимущественно ясные, солнечные.

К раздражающему типу относят погоды с некоторым нарушением оптимального воздействия метеорологических факторов. Это солнечные и пасмурные, сухие и влажные, тихие и ветреные погоды.

Острые типы погод характеризуются резкими изменениями метеорологических элементов. Это сырые, дождливые, пасмурные, очень ветреные погоды с резкими суточными колебаниями температуры воздуха и барометрического давления.

Хотя на человека влияет климат в целом, в определенных условиях ведущую роль могут играть отдельные метеорологические элементы. Следует отметить, что влияние климата на состояние организма определяется не столько абсолютными величинами метеорологических элементов, свойственных тому или другому типу погоды, сколько непериодичностью колебаний климатических воздействий, являющихся в связи с этим неожиданными для организма.

Метеорологические элементы, как правило, вызывают у человека нормальные физиологические реакции, приводя к адаптации организма. На этом основано использование различных климатических факторов для активного воздействия на организм с целью профилактики и лечения различных заболеваний. Однако под влиянием неблагоприятных климатических условий в организме человека могут происходить патологические сдвиги, приводящие к развитию болезней.

Всеми этими проблемами занимается медицинская климатология - отрасль медицинской науки, которая изучает влияние климата, сезонов и погоды на здоровье человека, а также методы использования климатических факторов в лечебных и профилактических целях.

Температура воздуха зависит от степени прогревания солнечным светом различных поясов Земного шара. Перепады температур в природе достаточно велики и составляют более 100°С.

Зона температурного комфорта для здорового человека в спокойном состоянии при умеренной влажности и неподвижности воздуха находится в пределах 17-27°С. Следует заметить, что ее диапазон индивидуально обусловлен. В зависимости от климатических условий, местожительства, выносливости организма и состояния здоровья зона термического комфорта для отдельных лиц может суживаться и перемещаться в одну или другую сторону.

Независимо от окружающей среды, температура у человека сохраняется постоянно на уровне около 36,6°С и является одной из физиологических констант гомеостаза. Пределы температур тела, при которых организм сохраняет жизнеспособность, сравнительно невелики. Смерть человека наступает при повышении ее до 43°С и при падении ниже 27-25°С.

Относительное термическое постоянство внутренней среды организма, поддерживаемое посредством физической и химической терморегуляции, позволяет человеку существовать не только в комфортных, но и в субкомфортных и даже в экстремальных условиях. При этом адаптация осуществляется как за счет срочной физической и химической терморегуляции, так и за счет более стойких биохимических, морфологических и наследственных изменений.

Между организмом человека и окружающей его средой происходит непрерывный процесс теплового обмена, состоящий в передаче вырабатываемого организмом тепла в окружающую среду.

При комфортных метеорологических условиях основная часть тепла, вырабатываемого организмом, переходит в окружающую среду путем излучения с его поверхности (около 56%). Второе место в процессе теплопотери организма занимает отдача тепла путем испарения (примерно 29%). Третье место занимает перенос тепла движущейся средой (конвекция) и составляет примерно 15%.

Температура окружающей среды, влияя на организм через рецепторы поверхности тела, приводит в действие систему физиологических механизмов, которая в зависимости от характера температурного раздражителя (холод или жара) соответственно уменьшает или увеличивает процессы теплопродукции и теплоотдачи. Это, в свою очередь, обеспечивает сохранение температуры тела на нормальном физиологическом уровне.

При понижении температуры воздуха возбудимость нервной системы и выделение гормонов надпочечниками значительно повышаются. Основной обмен и выработка тепла организмом увеличиваются. Периферические сосуды суживаются, кровоснабжение кожи уменьшается, тогда как температура ядра тела сохраняется. Сужение сосудов кожи и подкожной клетчатки, а при более низких температурах и сокращение гладких мышц кожи (так называемая гусиная кожа) способствуют ослаблению кровотока. При этом кожа охлаждается, разница между ее температурой и температурой окружающей среды сокращается, а это уменьшает теплоотдачу. Указанные реакции способствуют сохранению нормальной температуры тела.

Местная и общая гипотермия способны вызвать озноб кожи и слизистых оболочек, воспаление стенок сосудов и нервных стволов, а также отморожение тканей, а при значительном охлаждении крови - замерзание. Охлаждение при потении, резкие перепады температур, глубокое охлаждение внутренних органов нередко ведут к простудным заболеваниям.

При адаптации к холоду терморегуляция изменяется. В физической терморегуляции начинает преобладать расширение сосудов. Несколько снижается артериальное давление. Выравнивается частота дыхания и сердечных сокращений, а также скорость кровотока. В химической терморегуляции усиливается несократительное теплообразование без дрожи. Перестраиваются различные виды обмена веществ. Сохраняются гипертрофированными надпочечники. Уплотняется и утолщается поверхностный слой кожи открытых участков. Увеличивается жировая прослойка, а в наиболее охлаждаемых местах откладывается высококалорийный бурый жир.

В реакции приспособления к холодовому воздействию вовлекаются почти все физиологические системы организма. При этом используются как срочные меры защиты обычных реакций терморегуляции, так и способы повышения выносливости к продолжительному воздействию. Уже в срочной терморегуляции имеют место реакции термической изоляции (сужение сосудов), понижения теплоотдачи и усиления теплообразования. При длительной адаптации те же реакции приобретают новое качество. Реактивность снижается, но резистентность повышается. Организм начинает отвечать значительными изменениями терморегуляции на более низкие температуры внешней среды, поддерживая оптимальную температуру не только внутренних органов, но и поверхностных тканей.

Таким образом, в ходе адаптации к низким температурам в организме происходят стойкие приспособительные изменения от клеточно-молекулярного уровня до поведенческих психофизиологических реакций. В тканях наступает физико-химическая перестройка, обеспечивающая усиленное теплообразование и способность переносить значительные охлаждения без повреждающего действия. Взаимодействие местных тканевых процессов с саморегулирующейся деятельностью всего сложного организма происходит за счет нервной и гуморальной регуляции, сократительного и несократительного термогенеза мышц, усиливающего теплообразование в несколько раз. Повышается общий обмен веществ, усиливается функция щитовидной железы, увеличивается количество катехоламинов, усиливается кровообращение мозга, сердечной мышцы, печени. Повышение метаболических реакций в тканях создает дополнительный резерв возможности существования при низких температурах.

Умеренное закаливание значительно повышает устойчивость человека к повреждающему действию холода, к простудным и инфекционным заболеваниям, общую сопротивляемость организма к неблагоприятным факторам внешней и внутренней среды, повышает работоспособность.

При повышении температуры основной обмен, а соответственно и выработка тепла у человека снижаются. Физическая терморегуляция характеризуется рефлекторным расширением периферических сосудов, что увеличивает кровоснабжение кожи. Это создает условия, при которых отдача тепла организмом увеличивается в результате усиления излучения и проведения тепла от организма в окружающую среду. Одновременно увеличивается потоотделение, являющееся в этих условиях мощным фактором теплопотери за счет теплоты, расходуемой на испарение пота с поверхности кожи.

Химическая терморегуляция направлена на понижение теплообразования путем снижения обмена веществ.

При адаптации организма к повышенной температуре вступают в действие механизмы регуляции, направленные на поддержание термического постоянства внутренней среды. Первыми реагируют дыхательная и сердечно-сосудистая системы, обеспечивающие усиленную радиационно-конвекционную теплоотдача. Далее включается наиболее мощная потоиспарительная система охлаждения.

Значительное повышение температуры вызывает резкое расширение периферических кровеносных сосудов, учащение дыхания и пульса, увеличение минутного объема крови с некоторым снижением артериального давления. Кровоток во внутренних органах и в мышцах уменьшается. Возбудимость нервной системы падает.

Когда температура внешней среды достигает температуры крови (37-38°С), возникают критические условия терморегуляции. При этом теплоотдача осуществляется главным образом за счет потения. Если потение затруднено, например, при сильной влажности окружающей среды, происходит перегревание организма (гипертермия).

Гипертермия сопровождается повышением температуры тела, нарушением водно-солевого обмена и витаминного равновесия с образованием недоокисленных продуктов обмена веществ. В случаях недостатка влаги начинается сгущение крови. При перегревании возможны нарушения кровообращения и дыхания, повышение, а затем падение артериального давления.

Длительное или систематически повторяющееся действие умеренно высоких температур приводит к повышению толерантности к тепловым факторам. Происходит закаливание организма. Человек сохраняет работоспособность при значительном повышении температуры внешней среды.

Таким образом, изменение температуры окружающей среды в ту или иную сторону от зоны температурного комфорта, приводит в действие комплекс физиологических механизмов, способствующих сохранению температуры тела на нормальном уровне. В экстремальных температурных условиях, при срыве адаптации, возможны нарушения процессов саморегуляции и возникновение патологических реакций.

Влажность воздуха является одним из показателей климатических условий. Она зависит от присутствия в воздухе водяных паров, которые появляются в результате конденсации при встрече теплого и холодного воздуха. Абсолютной влажностью называют плотность водяного пара или его массу в единице объема.

Переносимость человеком температуры окружающей среды зависит от относительной влажности.

Относительная влажность воздуха - это процентное отношение количества содержащихся в определенном объеме воздуха водных паров к тому количеству, которое полностью насыщает этот объем при данной температуре.

При падении температуры воздуха относительная влажность растет, а при повышении падает. В сухой и жаркой местности днем относительная влажность составляет 5-20%, в сырой - от 80 до 90%. Во время выпадения осадков она может достигать 100%.

Относительную влажность воздуха 40-60% при температуре 18-21 С считают оптимальной. Воздух, относительная влажность которого ниже 20%, оценивается как сухой, от 71 до 85% - как умеренно влажный, более 86% - как сильно влажный.

Умеренная влажность воздуха обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма. У человека она способствует увлажнению кожи и слизистых оболочек дыхательных путей. От влажности вдыхаемого воздуха в определенной мере зависит поддержание постоянства влажности внутренней среды организма. Сочетаясь с температурными факторами, влажность воздуха создает условия термического комфорта или нарушает его, способствуя переохлаждению или перегреванию организма, а также гидратации или дегидратации тканей.

Одновременное повышение температуры и влажности воздуха резко ухудшает самочувствие человека и сокращает возможные сроки пребывания его в этих условиях. При этом происходит повышение температуры тела, учащение пульса, дыхания. Появляется головная боль, слабость, понижается двигательная активность. Плохая переносимость жары в сочетании с повышенной относительной влажностью обусловлена тем, что в этих условиях значительно усиливается потоотделение. Однако пот при высокой влажности окружающей среды плохо испаряется с поверхности кожи. Теплоотдача затруднена. Организм все больше перегревается и может возникнуть тепловой удар.

Повышенная влажность является неблагоприятным фактором и при пониженной температуре воздуха. При этом происходит резкое увеличение теплоотдачи, что опасно для здоровья. Даже температура 0°С может привести к отморожению лица и конечностей, особенно при наличии ветра.

Низкая влажность воздуха (менее 20%) сопровождается значительными испарениями влаги со слизистых оболочек дыхательных путей. Это приводит к уменьшению их фильтрующей способности и к неприятным ощущениям в горле и сухости во рту.

Границами, в пределах которых тепловой баланс человека в покое поддерживается уже со значительным напряжением, считают температуру воздуха 40°С и влажность 30% или температуру воздуха 30°С и влажность 85%.

Движение воздуха связано с неравномерным прогреванием различных участков земной поверхности. Холодные и тяжелые массы воздуха непрерывно вытесняют более теплые и легкие, создавая ветер. Скорость или сила ветра измеряется узлами, баллами и метрами в секунду. В соответствии с этим была предложена следующая шкала ветров (таблица 2).

Ветер, являясь составной частью погоды, может оказывать значительное влияние на организм. Нормальными для человека считают условия, когда в области термического комфорта дует тихий и легкий ветер со скоростью 1-4 м/с.

Умеренный ветер оказывает тонизирующее действие на организм. В жаркую погоду, усиливая испарение с поверхности кожи и конвекционно снимая тепло, он способствует лучшей теплоотдаче и охлаждению тела. Это облегчает переносимость жары. Однако, когда температура воздуха начинает превышать температуру кожи человека, то ветер уже не охлаждает, а конвекционно нагревает организм. Сухой и горячий ветер раздражает слизистые оболочки дыхательных путей, высушивает кожу.

Умеренный ветер при холодной погоде стимулирует увеличение теплообразований. Он бодрит здорового человека, способствует закаливанию организма.

Интенсивный ветер передвигает зону температурного комфорта. Он стимулирует теплорегуляцию, усиливает деятельность нервной и эндокринной систем организма, вызывает изменение просвета кровеносных сосудов кожи.

Сильный ветер оказывает давление на механорецепторы кожи. Он затрудняет дыхание, угнетающе влияет на психическую сферу человека. В сочетании с высокой температурой сильный ветер способствует перегреванию организма, дегидратации кожи. В колодную погоду, особенно при больших морозах, он не только оказывает высушивающее действие, но и приводит к охлаждению, озноблению и отморожению.

Таким образом, различные скорости движения воздуха вызывают неоднозначные изменения жизненных функций организма.

Атмосферное давление на уровне моря в среднем составляет 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.). Общее барометрическое давление распределяется между составляющими воздух газами в соответствии с их процентным содержанием. Каждый газ имеет свое парциальное давление. Парциальным давлением называют суммарное давление всех молекул данного газа в объеме.

Давление играет важную роль в функционировании организма. На основании разности парциальных давлений газов в теле человека совершается газообмен. Вся система кровообращения работает по принципу разности гидростатических давлений, которые находятся в коррелятивных связях с внешним давлением. Меняющееся давление в придаточных полостях черепа способствует кровообращению в мозге. Изменения разности давлений между внешней средой и замкнутыми полостями тела сказываются на состоянии человека.

Перепады атмосферного давления вызывают ряд функциональных изменений в организме. Прежде всего они касаются сердечно-сосудистой системы. Так, в нормальных условиях при повышении барометрического давления снижается артериальное давление, возрастает частота сердечных сокращений. При понижении барометрического давления отмечаются противоположные сдвиги. Могут возникнуть признаки кислородного голодания.

Значительные перепады атмосферного давления, гипер- и гипобария приводят к различным патологическим проявлениям.

Большинство здоровых людей практически не чувствительны к изменениям погоды. Вместе с тем, довольно часто встречаются люди, которые проявляют повышенную чувствительность к колебаниям метеопогодных условий. Таких людей называют метеолабильными. Как правило, они реагируют на резкие, контрастные смены погод или на возникновение метеоусловий, необычных для данного времени года. При этом известно, что метеопатические реакции обычно предшествуют резким колебаниям погоды. Как правило, метеолабильные люди чувствительны к различным комплексам погодных факторов. Однако существуют лица, плохо переносящие отдельные метеорологические факторы. Они могут страдать: циклонопатией (болезненное состояние на погодные изменения, вызванные циклоном), анемопатией (реакции на ветер), аэрофобией (состояние страха на резкие изменения в воздушной среде), гелиопатией (повышенная чувствительность к состоянию солнечной активности) и т.п. Метеопатические реакции связаны с тем, что адаптивные механизмы у таких людей или недостаточно развиты или ослаблены под влиянием патологических процессов.

Субъективными признаками метеолабильности являются: ухудшение самочувствия, общее недомогание, беспокойство, слабость, головокружение, головная боль, сердцебиение, боли в области сердца и за грудиной, повышение раздражительности, снижение работоспособности я т.п.

Субъективные жалобы, как правило, сопровождаются объективными изменениями, происходящими в организме. Особенно чутко реагирует на перепады погоды вегетативная нервная система: парасимпатический, а затем и симпатический ее отделы. В результате появляются функциональные сдвиги во внутренних органах и системах организма. Возникают сердечнососудистые расстройства, происходят нарушения мозгового и коронарного кровообращения, изменяется терморегуляция и т.п. Показателями подобных сдвигов являются изменения характера электрокардиограммы, векторкардиограммы, реоэнце-фалограммы, параметров артериального давления. Увеличивается количество лейкоцитов, холестерина, повышается свертываемость крови.

Метеолабильность обычно наблюдается у людей, страдающих различными заболеваниями: вегетативными неврозами, гипертонической болезнью, недостаточностью коронарного и церебрального кровообращения, глаукомой, стенокардией, инфарктом миокарда, язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки, желче- и мочекаменной болезнью, аллергией, бронхиальной астмой. Часто она появляется после перенесенных заболеваний: гриппа, ангины, воспаления легких, обострения ревматизма и т.п. На основании сопоставления синоптических ситуаций с реакциями организма (биоклиматограмма) стало известно, что наиболее чувствительны к метеофакторам больные с сердечно-сосудистой и легочной недостаточностью по причине возникновения у них спастических состояний.

Механизмы возникновения метеопатических реакций не достаточно ясны. Полагают, что они могут иметь разную природу: от биохимической до физиологической. При этом известно, что местами координации реакций организма на внешние физические факторы являются высшие вегетативные центры головного мозга.

С помощью лечебных и особенно профилактических мероприятий метеолабильным людям можно помочь справиться со своим состоянием.

2.2 Экологические аспекты хронобиологии

«Все жизненные отправления нашего организма - дыхание, кровообращение, деятельность нервных клеток совершаются с определенной периодичностью и ритмичностью. Вся наша жизнь вообще представляет постоянную смену покоя и деятельности, устал ости и отдыха. И в ней, подобно морским приливам и отливам, царит великий ритм, вытекающий из связи жизненных явлений с ритмом Вселенной».

У. Эбекке

Жизнедеятельность любого организма возможна лишь при оптимальной его приспособленности к условиям окружающей среды. Воздействия внешней среды на живой организм могут возникать либо непредсказуемо, либо закономерно, в соответствии с ритмичностью явлений природы.

Для того, чтобы нужным образом отреагировать на непредсказуемое воздействие, в организме должна быть развита способность быстро найти среди имеющегося диапазона степеней выраженности функций те значения, которые наиболее адекватны данной ситуации. Но для этого должен существовать и сам диапазон, то есть значения функций должны колебаться. Чем больше размах колебаний, тем более широким «выбором» обладает организм.

Чтобы оптимальным образом отреагировать на закономерно возникающие изменения внешней среды, надо также обладать широким «выбором» значений функций. Однако в данном случае необходимо включать механизмы регуляции, позволяющие достичь этих значений не в момент воздействий, а предварительно, как бы «упреждая» их. Таким образом формируется активность, направленная на будущее время. Принцип опережающего отражения действительности получил наиболее полное освещение в теории функциональных систем П.К. Анохина. По его мнению, приспособительная деятельность как бы включает в себя будущее время. Это свойство отличает биологические системы от неживой материи.

Обеспечению двух путей реагирования служат биологические ритмы, существование которых создает в организме возможность «быть готовым» встретить как предсказуемое, так и непредсказуемое воздействие. Биологические ритмы должны, с одной стороны, быть достаточно устойчивыми и по возможности независимыми от многочисленных случайных факторов, а с другой, - все время подстраиваться, приноравливаться к новой среде обитания, чтобы создать организму максимальные возможности для оптимальной адаптации. Подобные механизмы регулирования взаимоотношений со средой выработались в ходе эволюции как следствие закрепленных повторных временных внешних воздействий, в первую очередь - воздействий геофизических факторов. Следует подчеркнуть, что наследуются только генетически обусловленные возможности. Для их реализации каждый организм должен строить свою личную систему временных отношений, формировать соответственные биоритмы, отличающиеся большей или меньшей амплитудой колебаний, так называемый «индивидуальный биоритмологический портрет».

Существует несколько определений понятия «биологические ритмы». По одному из них биоритмы - это регулярное, периодическое повторение во времени характера и интенсивности жизненных процессов, отдельных состояний или событий. Для экологической физиологии человека подходит определение, в соответствии с которым биологический ритм - это самоподдерживающийся автономный процесс периодического чередования состояний организма и колебаний интенсивности физиологических процессов и реакций.

Биоритмы в той или иной форме присущи всем живым организмам. В основе всякой ритмики лежит периодический волновой процесс. Для его характеристики используют целый ряд показателей: период, уровень (мезор), амплитуда, фаза, частота и др.

Период ритма рассчитывают как длительность одного полного цикла ритмических колебаний в единицах времени. Уровнем (мезором) принято считать среднюю величину изучаемой функции за время одного биологического цикла. Амплитуда - это половина разности между наибольшим и наименьшим значением ритма в течение одного биологического цикла. Фаза характеризует положение колеблющейся системы в каждый данный момент времени. При этом время наибольшего подъема функций определяется как акрофаза, а время наибольшего спада процесса - как батифаза. Количество циклов, совершающихся в единицу времени, называют частотой.

Помимо этих показателей, каждый биологический ритм характеризуется формой кривой, которую анализируют при графическом изображении динамики ритмически меняющихся явлений (хронограмма, фазовая карта и др.). Простейшая кривая, описывающая биоритмы - это синусоида. Однако, как показывают результаты математического анализа, структура биоритма бывает, как правило, более сложной.

Истинно периодическими могут быть колебания только в стационарном режиме. Если колебания в какой-то момент времени возникают, то они обычно не сразу достигают стационарного состояния, приближаются к нему асимптотически. Это позволяет считать, что биоритм, у которого существует промежуточный режим, - переходный период, - является процессом, способным к регуляции. Таким образом, колебательные системы обладают такими свойствами, как постоянство во времени, способность к саморегуляции и устойчивость. Биологические колебательные системы отличаются от механических тем, что они богаты запасами свободной энергии. Циклические колебания физиологических процессов с точки зрения энергетики биологически наиболее целесообразны, выгодны и соответствуют принципу оптимальной организации. Колебательная биологическая система имеет преимущества перед «жесткой» системой по стабильности, скорости ответной реакции. Жестко детерминированная, устойчивая (статическая) система в организации природы была бы примитивной, хрупкой и нежизнеспособной.

Спектр возможных ритмов жизни охватывает широкий диапазон масштабов времени - от волновых свойств элементарных частиц до глобальных циклов биосферы. Ритмические явления протекают на различных уровнях организации живой материи: субклеточном, клеточном, тканевом, органном, системном и т.д.. В сложноорганизованных биологических системах, к которым относится организм человека, имеется целая иерархия циклических колебаний, и биологический ритм каждой функциональной системы обычно является результатом согласования и интеграции ряда более элементарных колебаний, то есть результатом хроноструктурной упорядоченности и организованности.

Существует несколько классификаций биоритмов, в зависимости от критериев, положенных в их основу.

В соответствии с порождающей причиной биологические ритмы делят на экзогенные и эндогенные. Экзогенные ритмы - это колебания, вызванные периодическими воздействиями извне. Они являются пассивными реакциями на колебания факторов окружающей среды. Эндогенные ритмы - это автономные (спонтанные, самоподдерживающиеся, самовозбуждающиеся) колебания, обусловленные активными процессами в самой живой системе. Эндогенные биоритмы поддерживаются механизмами обратной связи. В зависимости от того, на каком уровне биологической организации она замыкается, различают биоритмы в клетках (митотический цикл), органах (сокращения кишечника), организмах (овариальный цикл) и т.п.

По выполняемой функции биологические ритмы делят на физиологические - рабочие циклы отдельных систем (сердцебиение, дыхание), и экологические, адаптивные, служащие для приспособления организмов к периодичности окружающей среды. Период (частота) физиологического ритма может изменяться в широких пределах в зависимости от степени функциональной нагрузки. Период экологического ритма, напротив, сравнительно постоянен, закреплен генетически. Экологические ритмы в естественных условиях захвачены циклами окружающей среды (задатчиками времени), которые могут быть как природными, так и социальными. Они выполняют функцию биологических часов. С их помощью организмы ориентируются во Времени.

По величине периода биологические ритмы выстраиваются в широкий спектр - от долей секунды до десятков лет. При этом их, как правило, подразделяют на следующие классы: ритмы высокой частоты, средней частоты, низкой частоты и сверхмедленные ритмы.

Высокочастотные ритмы процессов жизнедеятельности - это большинство рабочих ритмов эндогенного происхождения, отражающих состояние соответствующих физиологических систем. В их основе лежат ритмические осцилляторы клеточных мембран возбудимых клеток. Нервные и мышечные клетки благодаря ионным процессам, происходящим на их мембранах, способны генерировать серии ритмично следующих импульсов. Это обеспечивает работу сердца, дыхательных мышц и других висцеральных органов.

Классификация биологических ритмов в зависимости от того, какие процессы проявления жизнедеятельности и уровня организации этими ритмами отражены (по: Моисеева Н. И., Сысуев В. М., 1981)

Для многих физиологических процессов отмечено одновременное наличие ряда ритмов с различной длиной периода. Так, ритмы дыхания и кровообращения обладают кроме своей собственной еще и суточной периодикой. Биоритмы с разными периодами у одного организма могут оказывать взаимное модулирующее влияние, но обычно сравнительно независимы. Биоритмы с одинаковым периодом, напротив, часто сопряжены иерархическим образом. Оптимальное осуществление физиологических функций организма возможно лишь при условии согласования, координации его биоритмов как между собой, так и с ритмами окружающей среды.

Ведущую роль во временной организации деятельности живого организма играют суточные и сезонные биоритмы. При этом главным ритмом, как бы стержнем, является околосуточный или циркадианный ритм, поскольку строгая повторяемость изменений внешней среды, сопровождающая суточное вращение планеты, явилась одним из главных факторов, к которому в процессе эволюции необходимо было приспособиться живым организмам.

Экспериментально установлено, что из всего многообразия суточных задатчиков времени первостепенное значение для синхронизации биологических ритмов имеют фотопериодичность (цикл свет - темнота), колебания температуры среды, а для человека еще и периодически повторяющиеся социальные факторы (регламентация режимов труда, отдыха и питания). Таким образом, у человека выделяется две группы синхронизаторов - геофизические и социальные.

Исследование механизмов циркадианных биоритмов показало, что они имеют эндогенную природу, то есть относительно независимы от внешних периодических факторов. Последние выполняют роль «подсказок» или временных ориентиров. Подтверждением этому служат результаты исследований, проведенных в условиях изоляции человека от внешних синхронизаторов. Так, в 1902 году спелеолог М. Сиффр провел 63 дня в ледяной пещере Скарассон на глубине 135 метров. Аналогичные эксперименты, проведенные позднее другими исследователями, показали, что независимо от внешних факторов околосуточные биологические ритмы могут сохраняться неограниченно долго. При отсутствии датчиков времени их период обычно несколько изменяется, то есть они становятся свободнотекущими. Однако при этом они остаются в пределах 20-28 часов. Следует отметить, что период свободнотекущего ритма - весьма устойчивый признак. Отклонение периода свободнотекущих ритмов от 24 часов является закономерностью, которая легла в основу названия циркадианных - околосуточных ритмов.

Одна из функций циркадианной системы заключается в том, что организмы используют околосуточные ритмы для «измерения» времени. Эту функцию можно назвать биологическими часами. Для объяснения эндогенных механизмов биологических часов предложено несколько гипотез. Одна из них - «хро-нон - гипотеза» - была сформулирована К. Д. Ере и Е. Цэакко. Согласно этой гипотезе механизм околосуточных ритмов связан с наследственным аппаратом клетки, в частности с определенными участками носителя генетической информации дезок-сирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Она дает представление о «хрононе», или участке ДНК, который может рассматриваться как морфологический субстрат, контролирующий биоритмы. Другие исследователи связывают происхождение биологических часов с состоянием клеточных мембран. Это - «мембранная теория». В цикличность наблюдаемых процессов регулируется состоянием липидно-белковых мембран и их проницаемостью для ионов калия, которая периодически изменяется. Мембранные структуры клетки, обладая рецепторными свойствами, контролируют биоритмы, связанные с фотопериодизмом и действием температурных факторов.

Третья, самая многочисленная, группа исследователей, отдает предпочтение «мультиосцилляторной модели» биоритмов. По одной версии, в сложном многоклеточном организме может функционировать главный генератор ритма (пейсмекер), навязывающий свой ритм либо остальным системам, не способным генерировать собственный (рис. 10 (1)), либо второстепенным осцилляторам, также обладающим пейсмекерными свойствами, но иерархически подчиненным ведущему (рис. 10 (2)). Второй вариант мультиосцилляторной модели исключает существование главного пейсмекера. Согласно этому варианту, а организме могут функционировать разрозненные осцилляторы, которые образуют отдельные группы, работающие независимо друг от друга. Каждая группа имеет свой пейсмекер с собственным периодом колебательных процессов (рис. 10 (3)). Предполагается существование нескольких входов для различных экзогенных факторов.

Б настоящее время признано, что циркадианная система организма строится по мультиосцилляторному принципу, согласно которому автономные генераторы суточных ритмов объединяются в несколько групп сцепленных осцилляторов, относительно независимых друг от друга. Что касается механизма биологических часов, то уже не вызывает сомнения сам факт наличия клеточных пейсмекеров, способных генерировать автоколебания с околосуточным периодом.

Кругами обозначены активные элементы системы, способные к автогенерации суточных колебаний, квадратами - пассивные элементы системы, колебания которых задаются соответствующими пейсмекерами. 1 - моноосципляторная система с единственным ведущим осциллятором (ВО) и пассивными элементами А, Б, В, Г, Д. 2 - иерархическая мультиосциллятор-ная система с ведущим и подчиненными осцилляторами. 3 - неиерархическая мультиосцилляторная модель, состоящая из относительно независимых групп осцилляторов.

По мнению некоторых исследователей, физиологическая система, обеспечивающая поддержание и согласование циркадианных ритмов организма, включает осцилляторы (колебательные системы), проводящие пути и рецепторы.

Фоторецепторы глаза выполняют двоякую роль. Они участвуют не только в зрительном восприятии, но и в регуляции циркадианных ритмов, реагируя на суточные изменения освещенности. Импульсы, в которых закодирована информация о степени освещенности, передаются по зрительным нервам (ретиногипоталамический тракт) из сетчатки в супрахиазматические ядра (СХЯ) гипоталамуса, которые играют роль центрального синхронизатора ритмов. Супрахиазматические ядра связаны с верхним шейным симпатическим ганглием и с эпифизом. Обладая пейсмекерными свойствами, СХЯ влияют на другие структуры мозга, также обладающие осцилляторными свойствами. Последние, получив информацию через гипоталаморетикулярную систему, посылают ее через симпатические нервы, берущие начало в верхнем шейном симпатическом ганглии, клеточным осцилляторам, локализованным в различных органах и тканях.

В механизм восприятия изменений освещенности вовлечен и эпифиз, который в темное время суток вырабатывает больше гормона мелатонина, а в светлое - серотонина. Мелатонин принимает участие в управлении уровнем половых гормонов, а также кортикостероидов, обладающих четко выраженной суточной периодикой, и, возможно, антагонистически взаимодействует с меланофорным гормоном гипофиза.

Ведущую роль во временной координации всего многообразия циклических процессов, протекающих в организме, играют суточные колебания функциональной активности нервной и эндокринной систем. Это касается деятельности высших отделов ЦНС, вегетативной нервной системы, гипоталамуса, гипофиза и других желез внутренней секреции.

Совпадение секреторной активности гипофиза с определенными стадиями сна свидетельствует о наличии центральных механизмов интеграции суточных колебаний нервной и эндокринной систем. Таким связующим звеном, очевидно, являются адренергические и серотонинергические системы мозга, которые участвуют, с одной стороны, в регуляции выработки и высвобождения гипоталамических релизинг-факторов, с другой, - в формировании ритмов сна.

Суточные колебания тонуса вегетативной нервной системы у человека тесно связаны с циклом сон - бодрствование. Во время сна повышается тонус парасимпатического отдела, а в период бодрствования и активности - тонус симпатического отдела. Суточные биоритмы активности гипоталамо-гипофизарной системы проявляются в колебаниях секреции тропных гормонов, что сказывается на секреторной активности периферических желез внутренней секреции.

Центральные механизмы координации биоритмов нервной и эндокринной систем модулируют биологические ритмы других физиологических функций. Так, суточная периодичность характерна для метаболических процессов, энергообмена, температуры тела, функционирования систем крови, кровообращения, дыхания, пищеварения. В течение суток происходят колебания умственной и физической работоспособности.

К экологическим ритмам помимо циркадианных относятся приливные с периодом около 24,8 и 12,4 ч, лунные - около 29,5 сут и годичные - около 12 мес. Основные свойства экологических ритмов сходны. Они эндогенны, поддерживаются на клеточном уровне, в ограниченном диапазоне периодов поддаются захватыванию внешними задатчиками времени, вне этого диапазона переходят к свободному бегу. Однако эффективные синхронизаторы для них различны. Циркадианные ритмы подчиняются суточным изменениям освещенности, приливные - признакам прилива (таким, как перепады гидростатического давления и т.п.), лунные - признакам полнолуния (освещение в ночное время), годичные - сезонным изменениям длины дня.

Биологические ритмы с периодом, равным одному году (циркануальные), традиционно называют сезонными ритмами. Несмотря на прогресс в разработке средств защиты человека от резких перепадов параметров окружающей среды, у человека также обнаруживаются годичные колебания биохимических, физиологических и психофизиологических процессов. Сезонные биоритмы, охватывая по существу все функции, отражаются на состоянии организма в целом, на здоровье и работоспособности человека.

В основе циркадинных ритмов лежит комплекс внешних и внутренних причин, которые можно объединить в три группы, различающиеся по механизму действия.

Адаптивные изменения функционального состояния организма, направленные на компенсацию годичных колебаний основных параметров окружающей среды и прежде всего температуры, а также качественного и количественного состава пищи.

Реакция на сигнальные факторы среды - продолжительность светового дня, напряженность геомагнитного поля, некоторые химические компоненты пищи. Факторы среды, играющие роль сезонных «датчиков времени», способны вызывать значительные морфофункциональные перестройки организма.

Эндогенные механизмы сезонных биоритмов. Действие этих механизмов носит адаптивный характер, обеспечивая полноценное приспособление организма к сезонным изменениям параметров окружающей среды.

Сопряженность сезонных изменений освещенности, температурных условий окружающей среды и состава пищи затрудняет разделение их роли в формировании циркануальных ритмов физиологических систем организма. Следует отметить существенное значение социальных факторов в формировании сезонных биоритмов у человека.

Сезонные колебания наблюдаются как в интенсивности физиологических процессов, так и в характере поведенческих реакций человека.

Так, в процессе питания общая калорийность пищи возрастает в осенне-зимний период. Причем, летом увеличивается потребление углеводов, а зимой - жиров. Последнее приводит к возрастанию в крови общих липидов, триглицеридов и свободных жиров. Существенное влияние на изменение функционального состояния организма в разные сезоны года оказывает витаминный состав пищи.

Интенсивность энергетического обмена больше в зимне-весенний период по сравнению с летом, а теплоотдача с поверхности кожи имеет обратную направленность. В зависимости от сезона года отмечается значительная разница в терморегуляторной реакции организма на тепловую и холодовую нагрузку. Устойчивость по отношению к тепловым нагрузкам возрастает летом и снижается зимой. Четкая сезонная периодичность характерна для интенсивности процессов роста. Максимальный прирост массы тела у детей наблюдается в летние месяцы.

Имеются многочисленные данные о сезонных колебаниях в нейроэндокринной ютеме. Так, активность парасимпатического отдела вегетативной нервной системы максимальна в весенние месяцы. В это же время возрастает концентрация в крови гормонов гипофиза. Активность щитовидной железы увеличивается в зимние месяцы. Глюкокортикоидная функция надпочечников минимальна летом, а активность симпато-адреналовой системы имеет пик в зимние месяцы.

Сезонную динамику репродуктивной функции связывают с фотопериодизмом, то есть с колебаниями продолжительности светлого и темного времени суток. С удлинением ночи происходит увеличение выработки мелатонина эпифизом, который, в свою очередь, приводит К угнетению гонадотропной функции гипоталамо-гипофизарной системы.

Сезонные колебания интенсивности энергетического обмена и активности нейроэндокринной системы вызывают закономерные колебания в деятельности различных физиологических систем организма. Согласно многочисленным наблюдениям, функциональная активность сердечно-сосудистой системы выше в весенние месяцы. Это проявляется в более высоких показателях частоты сердечных сокращений, артериального давления, сократительной функции миокарда. Комплексные исследования кровообращения, дыхания и крови показывают, что сезонные колебания характерны для кислородтранспортной системы организма и определяются, по-видимому, колебаниями интенсивности энергетического обмена. Наблюдения за состоянием и поведением человека обнаруживают сезонные изменения работоспособности. Так, уровень физической работоспособности минимален зимой и максимален в конце лета - начале осени.

Влияние гелиогеофизических факторов на биоритмы человека.

Под термином гелиогеофизические факторы» понимают комплекс физических факторов, влияющих на организм человека и связанных с солнечной активностью, вращением Земли, флуктуациями геомагнитных полей, особенностями строения и состояния атмосферы.

Гелиогеофизические факторы определяют погодно-климатические условия. Их колебания, как по отдельности, так и в совокупности, могут оказывать неоднозначное влияние на биоритмы человека.

Факторы солнечной активности являются важным элементом при синхронизации динамики биологических систем в диапазонах мезо- и макроритмов. Биологические ритмы смены фаз сна модулируются солнечной активностью. Частоты некоторых короткопериодных биоритмов коррелируют с частотами регуляторных микропульсаций геомагнитного поля и акустическими колебаниями, возникающими во время магнитных бурь. Ведущей составляющей этих колебаний является частота около 8 Гц. Например, ритм тремора, ритм альфа-волн ЭЭГ, ритм ЭКГ коррелируют с частотами электромагнитных пульсаций. Ритм митохондрий, гликолиза и синтеза белков коррелирует с акустическими явлениями (инфразвуком). Есть данные о существовании биоритмов с диапазоном колебаний пульсаций Солнца 2 ч. 40 мин. Более известны околонедельные или кратные изменения физиологических показателей человека. Оказалось, что эта ритмика связана с прохождением Земли у границ секторов межпланетного магнитного поля.

Изучалось влияние на биоритмы и погодных факторов, таких как температура воздуха, его влажность, атмосферное давление и т.п. Оказалось, что физиологические параметры связаны с погодными условиями чаще простыми линейными отношениями. Так, с увеличением какого-либо фактора погоды (например, температуры воздуха) происходит увеличение значений физиологических показателей человека (например, артериального давления, частоты дыхания, мышечной силы рук) или их уменьшение.

В некоторых случаях (зависимости температуры тела от внешней температуры, зависимости температуры тела и частоты дыхания от значений атмосферного давления) погодные факторы вызывают попеременную реакцию усиления и ослабления, то есть поддерживают колебательное состояние значения функций.

Результаты проведенных исследований позволили выделить два вида воздействий геомагнитных и погодных факторов на изменения физиологических параметров.

Влияние солнечной активности (хромосферных вспышек) и погодных факторов (которые сами зависят от солнечной активности) чаще всего проявляется в виде простых, линейных отношений. Воздействия постоянного магнитного поля и случайных магнитных возмущений нелинейны и создают постоянный и «ритмический» фон, вызывая (в зависимости от собственных параметров и функционального состояния живой системы) то реакцию усиления, то ослабления функции.