Размещено на http://www.allbest.ru/

ХРОНОСТРУКТУРА РИТМОВ СЕРДЦА И ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Т.К.Бреус, С.М. Чибисов, Р.Н.Баевский и К.В.Шебзухов

МОСКВА 2002

УДК 612.17:577,3+616.12-12-008

Рецензенты: профессор Г.Г. Автандилов профессор В.И.Торшин

Т.К. Бреус, С.М.Чибисов, Р.Н.Баевский и К.В.Шебзухов

Хроноструктура ритмов сердца и факторы внешней среды:

Монография. - М. Издательство Российского университета дружбы народов; Полиграф сервис, 2002, -232 с.-, ил.

This book describes the experimental studies of various heart rhythm indices in laboratory and in conditions of space (light. The main goal is the study of heart rhythm modification under the action of various environmental factors. The results show that the circadian heart rhythm system is flexible and varies in cycles having periods such as ll-years (the cycle of solar activity), about 28-days, about 14-days and about 7-days. Significant variations of daily rhythm chronostructure depending of the season of the year have been detected. The effects of geomagnetic field perturbations on heart rhythm indices have also been studied. The results obtained from laboratory experiments with animals, and with cosmonauts in flight conditions and confirmed by laboratory' simulations reveal that geomagnetic storms produce heart rhythm desynchromzation. This corresponds to an adaptive stress reaction, similar to the circadian rhythm violation associated with transcontinental flights. The response of heart chronostructure to various external factors is similar and represents a characteristic adaptive stress reaction. The effects of social phenomena or variations of natural external synchronizers, such as the rhythms of solar radiation and geomagnetic field variations, lead to a similar response in biological systems, namely adaptive stress. Our results allow the underlying mechanisms of morphofunctional modifications of heart activity, controlled by time factor, to be determined. This book is intended for physiologists, pathophysiologists, biophysicists and cardiologists.

Работа посвящена экспериментальному изучению в наземной лаборатории и в условиях космического полета хроноструктуры ритмов различных показателей сердечно-сосудистой системы, а также их изменений под воздействием факторов внешней среды. Приводятся данные, показывающие, что циркадианная система сердца гибко и последовательно изменяется в циклах, имеющих многолетние, инфрадианные и многодневные периоды, например, таких, как одиннадцатилетний цикл солнечной активности, около 28 -дневный, около - 14-дневный, около-недельный ритмы. Выявлены достоверные отличия хроноструктуры суточного ритма, определяемые сменой сезонов года. Показано, что реакция хроноструктуры сердца на различные по характеру внешние раздражители, например, социальные факторы и изменения ритма датчиков времени, таких, как ритмы освещенности и геомагнитного поля, однотипна и представляет собой характерный адаптационный стресс. Обсуждается проблема влияния возмущений геомагнитного поля Земли на хроноструктуру показателей ритма сердца. Результаты, полученные как в лабораторных исследованиях животных, так и при исследованиях космонавтов во время полета, подтвержденные лабораторным моделированием, свидетельствуют, что геомагнитные бури вызывают десинхроноз хроноструктуры ритмов сердца, соответствующий адаптационному стрессу, аналогичному стрессу при нарушении циркадианной ритмики, возникающему при трансконтинентальных перелетах. Приведенный материал позволяет оценить механизмы, лежащие в основе морфофункциональных изменений в деятельности сердца, контролируемых временным фактором. Книга предназначена для физиологов, патофизиологов, биофизиков и кардиологов.

ISBN 5-209-01404-5

ISBN 5-86388-X

От авторов

В последнее десятилетие получила бурное развитие хронобиология (хрономедицина) - наука о временных закономерностях функционирования организма - о биологических ритмах и временных трендах, их зависимости от состояния биологической системы, о физиологических механизмах, лежащих в их основе. Эта наука изучает также внешние синхронизаторы (или времядатчики) биологических ритмов, их основные свойства и взаимосвязи с организмами.

Биологические объекты, включая человеческий организм, представляют собой сложные открытые нелинейные системы, которые критически зависят от изменяющихся условий среды обитания и могут реагировать макроскопически на микроскопические флуктуации воздействующих факторов. Чтобы выжить и приспособиться к флуктуациям внешних факторов (например, температуры, климата, естественных электромагнитных полей, доступности пищи и т.д.), биологические системы должны были проявлять значительную степень случайности в своем поведении. Причем, слабые внешние сигналы, уровня шума, могли играть значительную роль в их самоорганизации.

Для понимания организации таких сложных систем во времени необходимо иметь данные длительных измерений их физиологических характеристик, что обычно довольно трудно осуществимо. Именно поэтому проблема воздействия факторов внешней среды на биологические системы получила качественно новое освещение, когда стали использоваться данные длительного мониторирования, характерного для методов хронобиологии.

В развитии современной отечественной хронобиологии (или, как ее у нас называют, биоритмологии) первенство принадлежит ученым, которые начали с лабораторных экспериментов и теории, и затем перешли к исследованиям в области космической медицины в начале шестидесятых годов.

В течение более чем 30-и лет на кафедре патологической физиологии Университета дружбы народов под руководством профессора В.А.Фролова велись работы по экспериментальному изучению биологических ритмов сердца. Регистрировались показатели сократительной силы сердца здоровых однотипных животных. Исследовались динамические временные ряды изменений этих показателей, прослеживалась картина их взаимосвязи с циклом солнечной активности, определялись параметры хроноструктуры разно периодичных ритмов и их соотношения с факторами внешней среды. В этом многолетнем исследовании принимал участие практически весь коллектив кафедры. С особой благодарностью хочется отметить неоценимый вклад в эту работу Т.А. Казанской.

С начала восьмидесятых годов в Институте Космических Исследований, совместно с медицинскими клиниками Москвы, Университетом дружбы народов, Институтами Медицинской Академии Наук соавторами этой книги проводились хрономедицинские исследования воздействия гелио-геофизических показателей, на сердечно-сосудистую систему человека. Эти работы велись под руководством академика АМН Ф.И.Комарова и профессора С.И.Рапопорта. В последнее десятилетие существенный вклад в понимание проблемы роли внешних факторов в формировании стрессов сердечно-сосудистой системы человека внесли работы, проводившиеся соавторами книги совместно с лабораторией Института Медико-биологических проблем Минздрава России, руководимой профессором Р.М. Баевским. Авторы данной книги взяли на себя смелость обобщить материалы и подвести итоги некоторых из этих исследований.Дополнительная математическая обработка ряда данных и обсуждение некоторых аспектов работы были любезно осуществлены профессором Н.Л.Асланяном (НИИ кардиологии Армении, Армения) и академиком АН Кыргызстана Э.С Матыевым.

Авторы выражают глубокую благодарность А.А.Конрадову (Институт хим.-физики РАН) за полезное обсуждение эффективности использованных в книге математических методов обработки данных.

Мы также признательны выдающимся специалистам в области хронобиологии и хрономедицины профессору Р.М.Заславской, профессору Миннесотского Университета Францу Халбергу и доктору физ.-мат. наук того же университета Ж.Корнелиссен (США) за неизменную поддержку работ, консультации и полезную критику.

Бреус Т.К.

(Институт космических исследований РАН РФ)

Чибисов С.М. (Российский университет дружбы народов)

Баевский Р.М.

(Институт медико-биологических проблем МЗ РФ)

Шебзухов К.В.

(Российский университет дружбы народов)

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ГЛАВА 1. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ БИОРИТМОВ

1.1 Десинхроноз и адаптация к воздействию внешних факторов

1.2 Увеличение (уменьшение) амплитуды циркадианного ритма под влиянием стресса

1.3 Изменение периода ритма под влиянием стресса

1.4 Десинхроноз, вызванный воздействием различных внешних стрессовых факторов

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕСИНХРОНОЗА, ВЫЗВАННОГО ВНЕШНИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ

2.1 Экспериментальные материалы и методы исследования животных

2.2 Материалы и методы исследования космонавтов

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ В РАЗЛИЧНЫЕ ФАЗЫ 11-ЛЕТНЕГО ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

ГЛАВА 4. СУТОЧНО-СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЖИВОТНЫХ

4.1 Общие сведения

4.2 Результаты тестов на нормальность распределения

4.3 Проверка на достоверность существования сезонных вариаций

4.4 Результаты кластерного анализа сезонных изменений структуры связей между показателями

4.5 Обсуждение и выводы

ГЛАВА 5. СУТОЧНО-СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ УЛЬТРАСТРУКТУРЫ МИОКАРДА НА ПРИМЕРЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ЖИВОТНЫМИ

5.1 Весенний сезон

5.2 Летний сезон

5.3 Осенний сезон

5.4 Зимний сезон

ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЕ МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЕРДЦА ПРИ МОДЕЛИРОВАННОМ ДЕСИНХРОНОЗЕ

ГЛАВА 7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ГЕОМАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ НА ЖИВОТНЫХ

7.1 Условия проведения исследований

7.2 Результаты исследования функциональных характеристик деятельности сердца кроликов во время геомагнитной бури

7.3 Анализ ультраструктуры кардиомиоцитов подопытных животных во время геомагнитной бури

7.4 Обобщение и выводы

ГЛАВА 8. ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

8.1 Постановка задачи исследований

8.2 Результаты и обсуждение

ГЛАВА 9. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗДЕЙСТВИЙ МАГНИТНЫХ БУРЬ НА ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ОРГАНИЗМ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВОТНЫХ

ГЛАВА 10. О НАРУШЕНИЯХ ХРОНОСТРУКТУРЫ РИТМОВ СЕРДЦА КАК О ТИПОВОЙ РЕАКЦИИ НА “ВНЕШНИЙ” СТРЕСС

ЛИТЕРАТУРА

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время возникла настоятельная необходимость проведения детальных исследований в области хроноструктуры ритмов и морфологии сердечно-сосудистой системы, а также их изменений под воздействием факторов внешней среды. Фундаментальные экспериментальные исследования явлений десинхроноза сердечно-сосудистой системы и ее морфофункционального состояния весьма ограничены, поэтому предлагаемая книга затрагивает и исследует проблемы значительной актуальности. Специального внимания заслуживает разработка проблемы морфофункционального состояния сердца в период повышения и резких изменений геомагнитной активности в аспекте хронобиологии. Авторам удалось выявить ряд неизвестных раннее характеристик циркадианной ритмики сердечно-сосудистой системы, интересных с теоретической и практической точек зрения. Например, впервые убедительно продемонстрировано наличие феномена изменчивости сократительной функции сердца на протяжении 11-летнего цикла солнечной активности, корреляций популяционных ритмов сердечно-сосудистых катастроф и ритмов солнечной и геомагнитной активности. Выявлены вариации амплитуды и времени акрофаз циркадианного ритма сердца с сезонами года, наличие типовой биоритмологической реакции сердца на воздействие различных внешних факторов, включая геомагнитную активность.

Одним из материалов для исследований послужили экспериментальные наблюдения над кроликами породы “шиншилла”, проводившиеся на протяжении ряда лет на медицинском факультете Российского Университета дружбы народов при идентичных условиях и одними и теми же методами. Последнее обстоятельство имеет ключевое значение для получения убедительных и статистически достоверных результатов в хронобиологии и хрономедицине, когда речь идет о динамике каких-либо показателей под влиянием внешних факторов. Не менее уникальный материал представляют собой архивы данных медицинских наблюдений космонавтов во время экспедиций на космических кораблях “СОЮЗ” и на орбитальной станции МИР. Космонавты, как известно, представляют собой группу здоровых и хорошо тренированных людей, подвергающихся воздействию различных внешних факторов, из которых наиболее значимым для сердечно-сосудистой системы является невесомость. Риск получения стресса под влиянием другого внешнего даже чрезвычайно слабого фактора при неустойчивом состоянии сердечно - сосудистой системы в невесомости особенно велик. Он усугубляется тем в данном случае, что сердечно-сосудистая система является одной из главных мишеней, на которую действуют оба внешних фактора - и невесомость, и возмущения геомагнитного поля.

Авторами использовался широкий спектр современных методических приемов для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы. В лабораторных исследованиях животных проводилась регистрация артериального давления в левой сонной артерии, пикового систолического давления в полостях левого и правого желудочков сердца и, в условиях пятисекундной окклюзии аорты и легочной артерии, максимального внутрижелудочкового давления при изометрическом сокращении камер сердца. Помимо этого, авторы изучали содержание в крови из полостей левого и правого желудочков свободных жирных кислот, а также кислотно-основное состояние крови методом микро-Аструп.

Полученная информация по экспериментам с животными была проанализирована современными методами математической физики, включая весьма полезный в случае многофакторных зависимостей метод кластерного анализа. Особенно ценно при этом участие физиков в авторском коллективе, что позволяет надеяться на то, что полученные результаты математической обработки достаточно достоверны и надежны.

Большой и чрезвычайно ценный раздел работы представлен материалом, полученным при трансмиссионной электронной микроскопии, сопровождавшей наблюдения над животными, и позволившей определять показатели, характеризующие состояние митохондриального аппарата в процессе всего цикла исследований.

Особенно полезным для всего проведенного цикла исследований является лабораторное моделирование десинхроноза. Десинхроз у животных вызывался искусственно путем введения 20% раствора алкоголя в течение 11 дней в начальной фазе локомоторной активности (6-8 ч) и в период начала фазы покоя (18-20 ч). Результаты моделирования позволили сформулировать основные признаки десинхроноза, возникающего под воздействием внешних факторов воздействия. С данными моделирования сравнивались затем результаты наблюдений в лаборатории и в космосе функциональных расстройств, вызванных воздействием такого естественного внешнего фактора, как геомагнитные бури. Как уже отмечалось выше, практически параллельные исследования функциональных показателей и ультраструктуры кардиомиоцитов позволили авторам убедительно показать, что в период максимума солнечной активности сократительная способность миокарда значительно ниже, а амплитуда сезонных колебаний выше, чем в фазу спада 11-летнего цикла активности Солнца. Было выявлено, что вне зависимости от сезона года максимум сократительной силы миокарда сопровождается гиперфункцией ультраструктур кардиомиоцитПредставляют интерес результаты авторов, свидетельствующие о том, что характеристики хроноструктуры циркадианных ритмов сердечно-сосудистой системы имеют во многом сходную динамику во все сезоны года, но отличаются в деталях. Весенний и осенний периоды являются переходными. Следует подчеркнуть, что весной и осенью состояние сосудистого тонуса оказывает существенно большее влияние на функцию сердца, нежели в другие сезоны года.Авторами книги впервые показано, что в основе энергообеспечения сократительной деятельности сердца в летнее время лежит гликолиз, в то время как, зимой - липолиз,. При этом миокард использует жирные кислоты из циркулирующей крови.

Большой интерес представляет собой цикл исследований воздействий геомагнитной возмущенности на человека на примере космонавтов в процессе полетов различной длительности. Использовались данные медицинского контроля космонавтов и данные мониторирования по Холтеру, то есть, традиционные и хорошо отработанные методы исследования сердечного ритма, как в космосе, так и в обычных кардиологических клиниках. Тем ценнее и достовернее полученные результаты, свидетельствующие о том, что геомагнитная буря вызывает неспецифическую реакцию адаптационного стресса у космонавтов и специфическиую реакцию напряжения сосудистого тонуса.

Авторами книги проведено сопоставление результатов по моделированию десинхроноза и воздействию геомагнитной бури на подопытных животных с данными наблюдения космонавтов на борту орбитальной станции МИР также во время геомагнитной бури и в аналогичном сезоне года. Это сопоставление позволяет утверждать с достаточной убедительностью, что возмущения геомагнитного поля приводят к десинхронозу и адаптивной стресс-реакции у всех живых организмов, типичной для реакции этих систем на любые внешние стрессорные воздействия. Характер воздействия и его интенсивность зависят, как и при модельном десинхронозе, от исходного состояния циркадианной системы в момент воздействия.

Этот вывод, наконец, дает убедительное и разумное объяснение вопроса о том, каким образом геомагнитные возмущения воздействуют на живые организмы, обсуждавшегося уже несколько десятилетий.

В заключение можно сказать, что представленная монография вносит существенный вклад в разработку фундаментальных проблем хронобиологии, а именно, проблемы взаимодействия биологических систем с факторами внешней среды, такими, как ритмы гелио- и геомагнитных факторов и их флуктуации. Монография, в сущности, открывает новое направление биоритмологии - исследования морфофункциональных, ультраструктурных (на митохондриальном уровне) изменений миокарда при чрезвычайных внешних воздействиях на организм, включая геомагнитную активность.

Практическая значимость выполненного труда заключается также в обосновании положения об отсутствии фиксированной “физиологической нормы” работы сердца, уровень которой лабилен и, очевидно, может быть использован в медицинской практике только с учетом ультра-, цирка- и инфрадианной ритмики активности сердца, причем последняя связана с сезонной и многолетней цикличностью.

Член проблемной комиссии по хронобиологии и хрономедицине РАМН, член Европейского общества хронобиологов, д.м.н., профессор Р.М.Заславская

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время общепризнанно, что ритмичность биологических процессов является фундаментальным свойством живой материи и составляет сущность организации жизни (J.Aschoff,1985; F.Halberg, 1953-1998; A.Reinberg, 1973; Н.А.Агаджанян, 1975; Б.С. Алякринский, 1968-1985 ; Р.М.Заславская,1991; Ф.И.Комаров., С.И.Рапопорт, 2000; В.А.Фролов, 1979).

Формирование биологических ритмов неразрывно связано с эволюционным процессом живых организмов, происходившим с самого же начала зарождения и становления жизни в условиях одновременно развивающихся пространственно-временных закономерностей среды обитания. Элементарные живые структуры могли быть жизнеспособными только при возникновении у них динамически устойчивой временной организации, способной адаптироваться к ритмическим изменениям внешней среды. Возникшая временная структура живого организма, имея широкий диапазон реакций, могла противостоять также и влиянию апериодических изменений факторов внешней среды, которые, в свою очередь, способствовали поддержанию системы в активном состоянии.

Ритмические воздействия внешней среды являются главными стимуляторами биоритмов организма, играющими важнейшую роль в их формировании на ранних этапах онтогенеза и определяющими уровень их интенсивности в течение всей последующей жизни. Собственные эндогенные биоритмы организма - это фон, на котором развертывается картина жизнедеятельности и который не обеспечивает последней, если она непрерывно не активируется импульсами из окружающей среды. Последние, таким образом, являются теми силами, которые заводят биологические часы и определяют интенсивность их хода (См. например, Ю. Ашофф , 1984; J.Aschoff,1985; Б.С.Алякринский, 1983; Д.С. Саркисов и др.,1975).

В настоящее время общепризнанно, что наиболее мощным фактором, формирующим биологическую ритмичность, было собственное вращение Земли с сопутствующим ритмом изменений освещенности и температуры. Еще в 1797 году Христофер Гуфелянд, рассматривая суточные колебания различных медицинских показателей у здоровых и больных пациентов, пришел к выводу, что в организме существуют “внутренние часы, ход которых определяется вращением Земли вокруг своей оси”, поэтому многие считают Гуфелянда основателем учения о биологических ритмах. Он впервые обратил внимание на универсальность ритмических процессов и подчеркнул, что “наша жизнь, очевидно, повторяется в определенных ритмах, а каждый день представляет маленькое изложение нашей жизни”. Правда, некоторые исследователи отдают в этом вопросе пальму первенства французскому астроному, математику и физику Жан Жаку Де Мерану, который, изучая особенности солнечного света и вращения Земли, еще в 1729 году установил, что в условиях темноты и постоянной температуры растения сохраняют свойственную им двадцатичетырехчасовую периодичность движения листьев, связав тем самым этот феномен не с освещенностью, а с вращением нашей планеты.

Исключительно крупный вклад в хронобиологию внес российский ученый А.Л.Чижевский. Проведенный им анализ общей смертности в Российской империи с 1800 по 1900 год и по Сакт-Петербургу с 1764 по 1900 год позволил выявить столетнюю цикличность смертности, названную им “вековым ходом”. В дальнейшем А.Л.Чижевский связал проходящие на Земле циклические процессы с солнечной активностью. Международный конгресс по биологической физике и биологической космологии, состоявшийся в 1939 году в Нью-Йорке, оценивая работы А,Л,Чижевского, охарактеризовал его как создателя новых наук - космобиологии и биоорганоритмологии, подчеркнув тем самым неразрывную связь между ними. А.Л.Чижевский показал, что почти все органы функционируют строго ритмически, причем одни ритмы находятся в зависимости от физико-химических процессов, а другие - от факторов внешней среды (важнейшим из которых он считал космическое излучение). Кроме того, по мнению А.Л.Чижевского есть группа независимых (врожденных) ритмов.

По мере увеличения продолжительности жизни живых организмов происходил естественный отбор особей, способных приспосабливаться к ритмам внешней среды, имеющим различные периоды. Эволюционные преобразования создали сложную интегральную иерархию временной упорядоченности биологических ритмов различных видов, в которой ключевую роль по-видимому играла суточная ритмика.

Интересно отметить, что в хронобиологии понятие “суточный ритм” носит несколько условный характер. До сих пор нет еще ответа на вопрос, почему ритмы, согласовывающие жизнедеятельность организмов с “хронометром”, точным до долей секунды (астрономические сутки), сами имеют систематическую погрешность до нескольких часов (Г.Б.Федосеев и др.,1987). Можно предположить, что именно эта “погрешность” и есть то преимущество, которое позволило выжить биологической системе в “сумятице” (на первый взгляд) космофизических циклов. Возникновение циркадианного “тремора” позволяет подстраивать систему к широкому диапазону постоянно присутствующих изменений внешней среды, в том числе и к ритмическим изменениям среды. Как отмечал Б.С.Алякринский (1986а), циркадианные ритмы играют роль общего начала в целостной системе организма, выступая в качестве дерижера всех колебательных процессов, и отличаются признаками всеобщности и необходимости, что дает основание считать их закономерным общебиологическим явлением, т.е. говорить о законе циркадианности.

Иными словами можно сказать, что циркадианные ритмы являются одним из главных компонентов фрактальной системы биологических ритмов, объеденяющей частные ритмические процессы различных морфофункциональных структур. Сейчас можно сказать, что фрактальный принцип биоритмов сердца рассматривался в работе Чибисова С.М. (1993) «Интегральные взаимоотношения разнопериодических биоритмов сердца в норме и при их десинхронозе». Бродский В.Я. (2000) выделяет интегральность как характерную черту биоритмов, отмечая, что даже длинные инициируемые извне и генетически програмированные ритмы складываются из коротких собственно клеточных. Так же как околочасовые ритмы, другие клеточные ритмы , скорее всего тоже фракталы, т.е., хотя и детерминированные и закономерные, но в основе своей хаотические изменения. Видимо, интегральность циркадианных ритмов и определяет некоторую их нестабильность и возможность направленных влияний на их параметры.

В целом диапазон биологических ритмов весьма широк. F.Halberg (1964) предложил классифицировать биологические ритмы следующим образом: ультрадианные ритмы с периодом меньше 20 часов, циркадианные - с периодом 24 +-0 4 ч. и инфрадианные - с периодом больше 28 часов.

Сравнительно недавно было обнаружено, что существенная роль в жизни и эволюции всех без исключения биологических объектов принадлежит также инфрадианным ритмам. Среди последних следует выделять: циркасемисептанные ритмы с периодом примерно 3 +_ 0,5 сут.; циркасептанные ритмы с периодом 7 ? 3 сут., циркадисептанные - с периодом 14 ? 3 сут., циркавигинтанные с периодом 21 ? 3 сут., циркатригинтанные с периодом 30 ? 5 сут., цирканнуальные с периодом 1 год ? 2 месяца.

Существуют, однако, и другие классификации ритмов, в частности, отечественные. Например, Н.Л.Асланян и соавт. (1989) на основе многолетнего опыта биоритмологических исследований пациентов с различными патологиями предложили обособить интервал времени от 28 ч до 4 суток, поскольку ритмы этих периодов часто наблюдается при патологии. Поэтому именно ритмы в интервале периодов 28 - 96 часов предложено считать инфрадианными и не включать в эту группу ритмы с большими периодами. Предложено также ограничить пределы ультрадианных ритмов интервалом от 3 до 20 часов, а ритмы с периодом 18 - 22 ч и 26 - 30 ч считать переходными к ультрадианным и инфрадианным.

Н.Л.Асланян, С.М.Чибисов и Г.Халаби (1989) приводят следующее, можно сказать, “утилитарное” определение понятия “биологический ритм” - это ритм живого организма, периодический компонент которого в биологической временной организации целесообразно оценивать с помощью математических методов.

Основными параметрами, характеризующими биологический ритм, являются следующие величины. Период-интервал времени, в течение которого исследуемая величина совершает полный цикл своего изменения (период обратно пропорционален частоте ритма). Мезор - средний уровень исследуемого показателя за один цикл. Амплитуда - это половина разности между максимальным и минимальным значениями аппроксимирующей данный биоритм косинусоиды, либо разность между ее максимальным отклонением и мезором. Акрофаза - это значение временной шкалы в момент наступления максимума амплитуды, выраженное в градусах. Накопленные в настоящее время экспериментальные и клинические данные не вызывают сомнения в том, что изменения ритмов внешней среды являются факторами, обуславливающими морфологические и физиологические изменения в организме. Однако, зачастую конкретная информация носит противоречивый характер и требует дальнейшего углубленного и систематического изучения морфообразующей роли временной организации организма, в частности его регуляторно-адаптивных систем ( Р.М. Баевский, 1976;1979, Э.С.Матыев, 1991). По мнению В.В.Парина и Р.М.Баевского, рассогласование биоритмов предшествует развитию патологических состояний с последующими информационными, энергетическими, обменными и структурными изменениями.

ГЛАВА 1. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ БИОРИТМОВ

1.1 Десинхроноз и адаптация к воздействию внешних факторов

В естественной среде организм всегда подвержен влиянию сложного динамического комплекса факторов, причем действие одних факторов изменяет (усиливает, ослабляет, деформирует) действие других, что создает проблемы для определения их роли и степени биотропности. Нарушения временной структуры организма возникают при рассогласовании упорядоченности структуры его внутренних ритмов, причем причины этого рассогласования могут быть различными - внутренними (например, патология систем или органов) и внешними (воздействие факторов окружающей среды).

Изучение динамики морфологических структур сердца, наблюдаемых при смене сезона года, позволило Т.Ю.Моисеевой (2000, 2000а) по новому посмотреть на процессы адаптации с позиций информационно- термодинамического подхода и представить сезонные изменеия миокарда как закономерную эволюцию информационно-термодинамической системы.

Нарушение естественного хода биологических ритмов, их взаимной согласованности, т.е. десинхроноз, является обязательным компонентом общего адаптационного синдрома (Алякринский Б.С., 1979), и в этом отчетливо видна связь проблемы биологических ритмов с проблемой адаптации.

Степанова С.И. (1986) рассматривает адаптацию как непрерывно текущий процесс, не прекращающийся ни на одно мгновение от момента зарождения организма до момента смерти. Адаптация рассматривается ею как процесс, имеющий как внешние, так и внутренние противоречия. Внешние противоречия адаптационного процесса заключаются в том, что организм находится в двойственных отношениях со средой: с одной стороны он стремится достичь согласованности с ней, а с другой - сохраняет некоторую рассогласованность, никогда не достигая идеальной гармонии, “пригнанности” к среде. Это и позволяет ему, в конечном счете, приспосабливаться, поскольку пребывание в некотором разладе со средой тренирует защитные механизмы организма, поддерживая их в активном “рабочем” состоянии, обеспечивая тем самым эффективную мобилизацию сил в случае резкого изменения внешних условий.

Иногда адаптацией называют только одну из двух сторон этого процесса, а именно, только согласование с ритмами внешней среды. Если придерживаться такой терминологической трактовки, то вторую сторону этого процесса, т.е. рассогласование, следует называть дезадаптацией, и таким образом феномен адаптации выступает как единство адаптации и дезадаптации, и этот процесс имеет ритмическое течение.

Заметим, что закон ритмичности адаптационного процесса имеет также большое практическое значение, ибо открывает надежный путь к прогнозированию динамики состояния организма при остром и хроническом стрессе, вызванном как внутренними, так и внешними причинами.

Например, он позволяет предвидеть особенности течения хронических заболеваний (периоды ремиссий и обострений), ход процессов восстановления после острых заболеваний и травм, смену периодов улучшений и ухудшений состояния в процессе приспособления к экстремальным условиям существования, в том числе и к условиям космических полетов. Он также позволяет принимать своевременные меры, направленные на поддержание благополучия организма.

Итак, приспособленность организма к условиям среды обитания не бывает абсолютной, так как его слишком тесная связь со средой может стать причиной вымирания (гибели не только отдельной особи, но и исчезновения вида) при внезапном изменении среды (De Beer Sir G., 1973).

Предельное развитие адаптивности (гиперадаптация) может привести к своей противоположности, к “гипертермии” и безвозвратной утере адаптивности, т.е. к анадаптации (Дичев Т.Г., Тарасов К.Е., 1976).

Большинству людей, пишет Г.Селье, в равной мере не нравится как отсутствие стресса, так и избыток его. Поэтому каждый должен тщательно изучить самого себя и найти тот уровень стресса, при котором он чувствует себя наиболее “комфортно”, какое бы занятие он не избрал. В последнее время получает все большее признание точка зрения о полезности умеренного стресса, в частности о том, что умеренный стресс сопровождается повышением продуктивности человека в различных видах деятельности (Франкенх Айзер П.,1970; Паткап П., 1970). Так, водители автомобилей выполняют предъявляемые им экспериментальные задания значительно лучше при воздействии умеренных стрессов, нежели в спокойной обстановке (Пикус и др., 1973). Громова Е.А. и др. выявили благоприятное влияние умеренного стресса (ситуации международных соревнований) на кратковременную память у спортсменов.

Следующие друг за другом циклы жизненных процессов различаются по своим параметрам - длительности периода, амплитуде, фазе. В тех случаях, когда адаптационный процесс протекает спокойно, без особых потрясений организма, когда действующие на организм стресс-факторы не выходят за рамки умеренного уровня, их воздействия на циркадианные ритмы невелики. Если же адаптационный процесс протекает бурно, с выраженными и быстро развивающимися изменениями в организме, что может быть обусловлено действием сильных раздражителей, либо особой динамичностью организма в некоторые периоды его индивидуального развития, в этих случаях состояние организма от цикла к циклу изменяется очень заметно, и колебательные процессы утрачивают свою правильность, регулярность. Искажение биологического ритма, трансформация его в непериодические колебания свидетельствует о резком обострении внутренних противоречий адаптационного процесса. Изменения исходной периодичности при стрессе характеризуются не только нарушением постоянства периода, но и увеличением амплитуды колебательного процесса, изменениями акрофазы.

В настоящей работе исследовалась в основном патофизиология биоритмов сердечно-сосудистой системы, обусловленная изменениями факторов внешней среды, в то время как значительную область хрономедицины патологии сердечно-сосудистой системы мы здесь касаться не будем, рекомендуя читателям, например, монографии Р.М.Заславской с соавторами (1994г., 1997г., 2001), исследовавших многие аспекты этой проблемы. Некоторые данные о десинхронозах сердечно-сосудистой системы при ее патологиях будут приводиться в данной работе лишь там, где это необходимо, для сопоставления или уточнения ряда результатов исследуемой нами проблемы.

Десинхроноз подразделяется на острый и хронический. Острый десинхроноз возникает при внезапном рассогласовании ритмов датчиков времени и организма. Например, при трансконтинентальных перелетах на современных авиалайнерах, пересекающих за довольно короткое время несколько часовых поясов, возникает резкое нарушение взаимоотношения фаз ритма сон-бодрствование. В случае, если воздействие фактора, вызвавшего острый десинхроноз, длительное время не прекращается, развивается хронический десинхроноз.

Хронический десинхроноз - патологическое состояние, в основе которого лежит перманентная десинхронизация функций организма.

Десинхроноз может быть вызван целым рядом внешних причин, как социальных, так и природных. К числу социальных причин относятся, например:

Авторы полностью разделяют точку зрения E.Kanabrocki и соавт.(1983) о том, что амплитуда циркадианных ритмов имеет исключительно важное значение для оценки функционального состояния человека. Несмотря на то, что вариации амплитуды чаще всего сочетаются с другими проявлениями десинхроноза, следует отметить, что регистрация изменений амплитуды может служить прекрасным тестом при донозологической диагностике.

Так, например, при проведении хронобиологического обследования в группе спортсменов, занимавшихся академической греблей (С.М.Чибисов и соавт., 1983, 1987), было установлено, что одним из первых проявлений переутомления (перетренированности) является нарушение хроноструктуры ритма показателей гемодинамики, проявлявшееся в снижении амплитуды их циркадианного ритма.

Характерно, что после 3-х часового авиа-перелета у пассажиров происходит уменьшение амплитуды 24-х часовых колебаний физиологических показателей (А.А.Путилов, 1985), причем, снижение амплитуды ритма наиболее выражено при перелете в восточном направлении (J.Aschoff et al.,1975; K.Klein et al., 1972). В.А.Матюхин с соавт. (1983) отмечают, что чем выше скорость пересечения часовых поясов при перелете, тем ниже амплитуда суточных колебаний показателей.

Н.М.Фатеева (1995), оценивая различные периоды нахождения рабочих на вахте при трансширотных перелетах в условиях Заполярья, отметила, что кроме значительных колебаний среднесуточного уровня показателей свертывания крови, имеются довольно существенные изменения внутрисистемной синхронизации регулируемых параметров. Основными проявлениями этих изменений являются исчезновение статистически значимого 24-х часового ритма, выраженный сдвиг акрофаз, появление статистически значимых 12-ти часовых ритмов; особенно это характерно в начальный период перелета. Относительная стабилизация временной организации показателей гомеостаза отмечается на 30-35 день вахты, а достаточно устойчивого состояния достигает к 45-му дню вахты.

Уместно напомнить, что изменения амплитуды циркадианных ритмов показателей сердечно-сосудистой системы наблюдается не только при десинхронозе, вызванном внешними факторами, но и при десинхронозе, связанном с ее патологией (внутреннем). Так например, Л.И.Виноградовой (1976) было показано, что величина амплитуды колебаний суточного ритма артериального давления и частоты сердечных сокращений у больных нейроциркуляторной дистонией существенно выше, чем у здоровых людей. Такая же закономерность обнаружена В.А.Яковлевым (1978) у больных гипертонической болезнью 1-ой стадии. Неуклонное снижение амплитуды циркадианного ритма различных показателей происходит по мере старения (Aschoff J.,1994)

Таким образом, изменения амплитуды суточных ритмов является одним из важных диагностических критериев в хрономедицине не только внутренних, но и внешних десинхронозов.

1.3 Изменение периода ритма под влиянием стресса

Как свидетельствуют иссследования «внутренних» десинхронозов, стресс, связанный с наличием патологии, сопровождается также изменением периода циркадианного ритма.

Клинические исследования, проведенные в лаборатории, руководимой Н.Л.Асланяном (1986, 1988), позволили сформулировать новое понятие “неоритмостаза”, то есть установления относительной стационарности параметров ритмов на новом уровне, происходящем под влиянием стресса, а именно, перехода циркадианного ритмостаза в ультрадианный или инфрадианный неоритмостаз. Например, при выполнении 261-го ритмологического исследования выделения мочи и электролитов у больных, страдающих нейроциркуляторной дистонией, было выявлено, что в 168 случаях (64%) у них выделяются достоверные ритмы, однако их периоды существенно отличаются от периодов ритмов здоровых индивидуумов. Если у здоровых людей среди статистически достоверных ритмов околосуточные ритмы составляли 92%, то у больных нейроциркуляторной дистонией они выявлены только в 31% случаев, в то время как инфрадианные выявлялись в 54% случаев, а ультрадианные ритмы в 15% случаев. В то же время, мезоры и амплитуды ритмов выделения мочи и электролитов в этой группе больных достоверно не отличались от соответствующих показателей здоровых людей.

В совместной работе, проведенной одним из авторов с Л.А.Бабаян (1990, 1997) было показано, что у интактных животных под влиянием внешнего стресса также происходит смещение периодов циркадианных ритмов в инфрадианную область. Обычно статистически достоверно выделяемые ритмы кортикостерона и минералов крови у этих животных составляют 80%, ритмы экскреции минералов с мочой - 74%. При этом среди достоверных ритмов у интактных животных в спокойных условиях доминируют ритмы циркадианного диапазона (75 и 91% соответственно для крови и мочи). Можно заключить, что большинству интактных животных присущи циркадианные ритмы водно-минерального гомеостаза с внутренней синхронизацией по периоду ритмов отдельных показателей с определенной величиной мезоров и амплитуд. Под влиянием длительно воздействующих внешних стрессорных факторов (например, введения алкоголя) водно-минеральная система животных реорганизовывала свою временную структуру. Это выражалось в трансформации циркадианного периода в непериодические колебания или в формировании, в основном, инфрадианной ритмичности: для показателей крови и мочи циркадианные ритмы составляли уже только - 21% , 27%, в то время как инфрадианные ритмы состаляли 56 и 54% соответственно, и ультрадианные ритмы - 23%, 19%.

Следует подчеркнуть, однако, что у большинства показателей происходит, естественно, не только изменение периода, но и значительное изменение величины некоторых мезоров и амплитуд (как это отмечалось в предыдущем параграфе). Например, достоверные ритмы кортикостерона в 100% случаев находились в инфрадианном диапазоне, однако, их мезоры и амплитуды при этом статистически достоверно (Р<0,01) превосходили соответствующие показатели интактных животных в условиях отсутствия стресса. Весьма примечательно, что при стрессе не изменялись мезоры ритмов минералов плазмы и эритроцитов, то есть, сохранялось относительное постоянство концентрации минералов во вне- и внутриклеточных структурах.

Сопоставляя литературные данные с нашими результатами, можно предположить, что в результате нейроэндокринных изменений под воздействием стресса, а также, вероятно, и изменений их временной структуры, происходит реорганизация не только циркадианной хроноструктуры экскреции натрия, калия, меди, цинка, но и области доверительных интервалов колебаний их мезоров и амплитуд.

Результаты наших исследований дают основания для выделения комплекса реакций водно-солевой гомеостатической системы в качестве защитной реакции по отношению к действию повреждающих факторов. Сущность ее состоит в реорганизации циркадианной ритмики системы. Она носит неоднозначный характер в различных звеньях водно-солевой системы. Так, если ритмика показателей водно-солевого гомеостаза крови характеризуется главным образом изменениями периода и амплитуды, то ритмика эфферентного звена - изменениями периода, амплитуды и мезора. Логично предположить, что благодаря чрезмерной лабильности параметров ритмов эфферентного звена водно-солевой системы сохраняется постоянство мезоров водно-солевого гомеостаза крови, а чрезмерная лабильность параметров ритмов исполнительного аппарата делают водно-солевую систему точным механизмом, обеспечивающим на основе принципа саморегуляции устойчивость показателей водно-солевого гомеостаза организма при действии повреждающих факторов.

Достаточно ярким примером результата потери циркадианной структуры ритма под воздействием внешних факторов является десинхроноз, вызванный челночными производственными перелетами из средних широт (г.Тюмень) в условия Заполярья (г.Харасвай). При таких перелетах наблюдается десинхронизация циркадианной системы гемостаза, имеющая несколько степеней выраженности. Первая степень характеризуется повышением среднесуточной продолжительности времени свертывания крови, сохранением статистически значимого 24-часового ритма, концентрацией основной мощности временных процессов показателей системы на периоде 24х часов. Вторая степень характеризуется снижением среднесуточной продолжительности времени свертывания крови и отсутствием статистически значимых 24х часовых ритмов. При этом, однако, сохраняется концентрация основной мощности временных показателей на периоде 24х часов, Третья степень десинхроноза сопровождается разнонаправленными изменениями среднесуточных значений показателей системы гемостаза, отсутствием статистически значимых 24х часовых ритмов и проявлением полиморфизма их ультрадианных составляющих (Фатеева Н.М. с соавт., 1998).