Хроноструктура ритмов сердца и факторы внешней среды

Методика хронодиагностики состояния космонавтов с учетом полученных экспериментальных данных позволяет своевременно корректировать хроноструктуру разнопериодических ритмов показателей различных систем организма.

Следующим, не менее важным аспектом космической биоритмологии (как, впрочем, и подбора экипажей в авиации, в спорте и др.) является учет специфики индивидуальной хронобиологической адаптации. К.Гехт с соавт. (1989, 1989а) проведили эксперимент с приматами на биоспутнике “Космос -1514” : две обезьяны макаки-резусы находились в полете, а одна была участницей наземного исследования с имитацией полетных условий. Авторы обнаружили, что наличие широкого спектра четко взаимосвязанных ритмических показателей у одной из трех обезьян способствовало лучшей переносимости экспериментальных условий. Другая обезьяна уже в исходном состоянии оценивалась по показателям минутных ритмов как тип патологический с явно выраженными признаками хронического десинхроноза - состояния, характеризующегося крайней неустойчивостью к нагрузкам. После окончания полета состояние этой обезьяны соответствовало 2-му этапу развития острого десинхроноза. Третья обезьяна отличалась низкой пластичностью организации функций: рабочий спектр ее минутных ритмов был представлен одной единственной частотой. Это и предопределило развитие острого десинхроноза даже в условиях имитации полета. В эксперименте на биоспутнике “Космос 1129” впервые было проведено изучение отношения минутных ритмов как сенсорных, так и моторных функций к циркадианному максимуму и минимуму активности. Условия космической невесомости и последующего перехода к условиям земной гравитации вызывали более заметные нарушения минутных ритмов, чем факторы наземной имитации полетных условий в синхронном эксперименте, причем в обоих случаях наибольшая деформация структуры минутных ритмов отмечалась в период максимума циркадианной активности, что может использоваться как критерий оценки функционального состояния организма.

Очевидно, что в космических кораблях, рассчитанных на сверхдальние длительные межпланетные полеты, необходимо создавать автономные системы, имитирующие полностью или частично ритмические колебания прежней среды обитания путешественников. В течение суток и года на космическом корабле должны изменяться освещенность, температура, давление, магнитное поле и другие внешние датчики времени в ритме, характерном для земных условий, для нормального функционирования экипажей и предотвращения развития патологий, связанных с десинхронозом из-за отсутствия этих воздействий.

В то же время, нельзя не учитывать, что на человека на Земле действуют и апериодические факторы внешней среды, например, спорадические изменения геофизических факторов, роль которых в развитии десинхронозов оказывается также немаловажной. Эти факторы могут оказывать воздействие и на экипажи межпланетных космических станций, причем в условиях существования других стрессовых воздействий их роль существенно возрастает, как будет показано в одном из следующих разделов.

Десинхроноз, связанный с эктремальными природными условиями

Экстремальные условия, например, высокогорье, непосредственно влияют на организм и предъявляют к нему особые требования. В основе адаптивных реакций сердца в высокогорных условиях лежат количественные и качественные изменения функционирующих и резервных структур ткани миокарда, а также перестройка резервных систем. Следует отметить, что главным содержанием концепции Меерсона Ф.З. (1981) является активация синтеза нуклеиновых кислот и белков в клетках органов и систем, ответственных за адаптацию, вследствие интенсификации функционирования в экстремальных условиях. Эта активация приводит к формированию структурных изменений, которые принципиально увеличивают мощность систем, ответственных за адаптацию. Именно здесь автор видит основу перехода от срочной адаптации к долговременной.

В работе Абдылдабекова Т.К. и М.Т.Туркменова (1975) показано отличие акрофаз показателей гемодинамики у жителей низко- и высокогорья. То есть гипоксический фактор, его действие на организм в определенном заданном режиме является тренирующим и корригирующим фактором, приводящим к формированию долговременной адаптации (Зволинский П.В., Ломакин Ю.В., 1995). Таким образом, отмечает Матыев Э.С. (1991), резко повышается значимость исследований адаптации человека к гипоксии, причем к гипоксии нарастающей.

Необходимо заметить однако, что при горной гипоксии на организм действуют не только сниженное парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе, но и ряд других факторов, таких как пониженная влажность и температура воздуха, повышенная ультрафиолетовая радиация, отрицательная ионизация воздуха, присутствие в нем аэрозолей растительного происхождения (Алиев М.А., Бекболотова А.К., 1987). Совокупность этих факторов вместе с гипоксией вызывает изменение сопряженности процессов окисления и фосфорилирования, повышает роль гликолиза в энергообмене, приводит к повышению энергозатрат организма, распаду триацилглицеринов, трансформации липидного обмена с уменьшением содержания в крови липопротеидов низкой плотности и увеличением липопротеидов высокой плотности, снижает холестеринемию и т.д. (Яковлев В.М., 1989).

В результате действия указанных факторов в организме развивается десинхроноз и многоэтапная адаптация к горной гипоксии, проходящая три фазы: аварийная мобилизация адаптивных реакций (первые 2-3 недели пребывания в горах, причем длительность этой фазы определяется индивидуальной реактивностью организма), когда повышается уровень функциональной активности различных систем, а также энерготраты организма; переходную фазу и стабильную фазу, когда функциональная активность сердечно-сосудистой системы приближается к равнинному уровню (Миррахимов М.М., 1979, 1986; Миррахимов М.М., Агаджанян Н.А., 1974; Миррахимов М.М., Гольдберг П.Н., 1979; Миррахимов М.М., Иейманалиев Т.С., 1984).

Тренировки к гипоксии значительно повышают резервные возможности организма, являясь эффективным средством усиления его общей резистентности и профилактики стрессов (Федоров Б.М., 1991), приводит к улучшению биоэнергетики организма в целом и транспорта кислорода в тканях (Коваленко Е.А., Малкин В.Б., Катков Ю.А. и др., 1987).

Синхронизация биологических ритмов ритмами гелио-геофизических датчиков времени

В настоящем разделе мы не будем касаться широко изученных и рассмотренных в ряде монографий воздействий метео-климатических факторов на сердечно-сосудистую систему и ее ритмы, а обсудим роль природных электромагнитных полей и их возмущений, получивших статус одного из важнейших времядатчиков биологических систем лишь в последнее время, благодаря прогрессу научных космических исследований.

Именно благодаря космическим исследованиям стало очевидным, что Земля, как и все остальные планеты солнечной системы, непрерывно подвергаются воздействию потоков заряженных частиц и межпланетного магнитного поля, изменяющихся с солнечной активностью. Крупномасштабные электрические и магнитные поля в околоземном пространстве создаются вследствие взаимодействия собственного магнитного поля Земли (магнитосферы Земли) с потоками солнечных заряженных частиц, называемых солнечным ветром (СВ) (Рис.1). Эти потоки заряженных частиц, истекающие из Солнца радиально, несут с собой солнечное магнитное поле. Магнитное поле Солнца (ММП), из-за его вращения закручивается и образует спиралевидную структуру в межпланетном пространстве, если смотреть с полюсов эклиптики (Wilcox J.M., N.F.Ness,1965), то есть так называемую секторную структуру ММП (Рис.2).

Плоскость магнитного экватора Солнца наклонена к плоскости эклиптики, в которой лежит орбита Земли. При вращении Солнца вследствие этого наклона, Земля, находясь в плоскости эклиптики, будет попадать то в северное, то в южное полушарие относительно солнечного магнитного экватора. Магнитное поле Солнца, как известно, имеет противоположное направление в северном и южном полушарии Солнца. Соответственно, направление солнечного магнитного поля будет резко изменяться на противоположное, когда Земля будет проходить точки пересечения плоскостей эклиптики и солнечной экваториальной плоскости при своем движении вдоль орбиты. Это соответствует явлению, которое называется сменой знака в секторной структуре. Из-за наклона магнитного экватора, таким образом, солнечное (или, точнее говоря, межпланетное) магнитное поле вблизи орбиты Земли имеет небольшую вертикальную компоненту Вz, ориентация которой будет соответственно изменяться при пересечении Землей солнечной экваториальной плоскости. В тех случаях, когда Вz -компонента оказывается направленной на юг от экватора, т.е. противоположна направлению магнитного поля Земли в одном из полушариев, происходит пересоединение этих полей и их аннигиляция, т.е. исчезновение. Через области пересоединения, где нет уже магнитного поля, останавливающего солнечные заряженные частицы, они могут

беспрепятственно попадать в земную магнитосферу, дрейфовать в хвост и накапливаться с её ночной стороны, вытягивая замкнутые силовые линии дипольного магнитного поля Земли в хвосте. При этом образуется конфигурация поля в форме натянутой рогатки - хвостовой касп. Проникшие в магнитосферу заряженные частицы солнечного ветра, дрейфуя вокруг Земли, образуют также кольцевой ток, магнитное поле которого противоположно направлению околоземного поля, что вызывает депрессию околоземного магнитного поля (уменьшение Dst - вариации). Это соответствует главной фазе магнитной бури. Когда давление накапливающейся в хвосте плазмы превысит давление удерживающего ее земного магнитного поля, происходит разрыв магнитной ловушки в хвосте магнитосферы, в каспе, и заряженные частицы высыпаются (выстреливаются, как из рогатки) в атмосферу Земли, что сопровождается восстановлением исходных значений геомагнитного поля и ионизацией атмосферы, часто - полярными сияниями. Весь этот процесс от начала пересоединения и до фазы восстановления магнитного поля упрощенно и представляет собой геомагнитную бурю.

Таким образом, интенсивность природных электромагнитных полей и вероятность их возникновения у Земли связаны с определенной взаимной ориентацией межпланетного и геомагнитного полей, а также с интенсивностью солнечного ветра, т.е. с гелиогеофизическими факторами. Последние, очевидно, характеризуются ритмами, имеющими периоды, обусловленные собственным вращением Солнца и его гармониками (см. Рис.1 и 2) (Комаров с соавт.,1994).

Магнитосфера Земли - околоземное пространство, в котором локализовано собственное магнитное поле Земли, заполнена также заряженными частицами околоземного происхождения, и на них оказывают влияние приливные силы (лунные приливы), создавая электрические токи в ионосфере Земли. Поэтому в ритмах электромагнитных полей имеются периоды, связанные с вращением Луны по ее орбите вокруг Земли. Оба этих периода, как собственного вращения Солнца, так и орбитального вращения Луны, равны примерно 27-28 суткам. Как следствие, ритмы вариаций геомагнитного поля имеют период около 28 дней и периоды, соответствующие его гармоникам и субгармоникам - около 14 дней, около 7-и дней, около 3,5 суток и т.д. (Рис.3, Комаров с соавт..1994 ).

Эти ритмы природных электромагнитных полей сыграли, по-видимому, важную роль в формировании инфрадианной (с периодами более суток) ритмики живых организмов и эволюционным путем интегрировались в эндогенную ритмику биологических систем, в том числе, и человека (Бреус и др. 1995; Halberg et al. 1991). Так, например, ритмы обострения ряда острых заболеваний, ритмы отторжения трансплантатов после операций по пересадке органов и тканей имеют периоды около 7-, 14-, 28- дней, что было хорошо известно еще античным врачам (Рис.4). Эти периоды очевидно соответствуют ритмам природных электромагнитных полей (сравните с Рис. 3).

Исследования русских естествоиспытателей Циолковского К.Э., Вернадского В.И. и Чижевского А.Л. заложили основу развития нового научного направления о солнечно-биосферных связях, названного впоследствие гелиобиологией, хотя этот термин до настоящего времени не является еще общепризнанным.

Как уже упоминалось выше, цикличность проявления активности гелиогеофизических факторов равняется примерно 22 годам (закон Холла) и условно разделяется на 2 полупериода (11 лет), весьма разных по своей структуре и динамике происходящих в них процессов. Было показано, что реакции живых организмов претерпевают значительные изменения на протяжении 22-летних циклов гелиогеофизической активности (Чижевский А.Л., 1938, 1978 1995; Пиккарди Д.Т., 1967; Дружинин И.П., 1974; Дубров А.П., 1974). В фазу активного Солнца (повторяемость - примерно 11 лет) значительно увеличивалась частота и тяжесть различных эпидемий (чумы, гриппа, холеры и др.) на огромных территориях, а так же показатель смертности (число смертельных исходов на 10000 населения).

Вот что пишет в своей всемирно известной книге “Земное эхо солнечных бурь” А.Л.Чижевский, основатель гелиобиологии: “...если бы мы продолжили наш анализ далее, то увидели бы, что максимумы и минимумы космических и геофизических явлений согласно совпадают с максимумами и минимумами тех или иных явлений в органическом мире”.

В большинстве работ, посвященных этой проблеме, на протяжении многих лет после трудов А.Л.Чижевского была выявлена связь периодических колебаний биологических параметров с солнечной активностью, имеющей 11-летние циклы, сезонные колебания и 27-дневные периоды.

Десинхроноз, связанный с апериодическими изменениями гелио-геомагнитных факторов

Геомагнитные бури, возникающие при упомянутых в начале предыдущего раздела определенных обстоятельствах, можно считать “сбоем” относительно регулярных ритмов гелиогеофизических факторов солнечной активности. Они возникают при возрастании солнечной активности, вызванном внезапными вспышками на Солнце. Другой причиной могут быть рекуррентные события - повторные прохождения через солнечный меридиан при вращении Солнца активной долгоживущей области. В обоих случаях на Землю попадают высокоскоростные потоки солнечного ветра или облака плазмы, выброшенные солнечной вспышкой или активной областью.

В ряде медицинских и биологических исследований были найдены корреляции соответствующих показателей с подобными спорадическими проявлениями солнечной активности. Возникла проблема поиска эффектов воздействия апериодических вариаций природных электромагнитных полей - геомагнитных бурь на живые организмы (см. например, Арсланова Р.М. с соавт., 1982; Красногорская Н.В., 1984).

Однако в 80-е же годы в ряде исследований, использующих большие массивы данных, были выявлены очень слабые и в основном статистически незначимые связи медикобиологических и гелиофизических показателей во время геомагнитных возмущений (Беневоленский В.Н., Воскресенский А.П., 1980; Комаров Ф.И. с соавт., 1986, 1989). Основным поводом для возникшего в это время скептического отношения к проблеме в целом было то обстоятельство, что амплитуда природных электромагнитных полей в действительности имеет тот же порядок или во многих случаях гораздо меньше амплитуды полей бытовых электрических устройств (электрического поля, генерируемого холодильником или телефонной трубкой).

Серьезный энергетический парадокс, возникший в связи с чрезвычайно малой интенсивностью гелиогеофизических факторов по сравнению с другими естественными и социальными факторами внешней среды, был, однако, позднее преодолен благодаря получившей существенное развитие теории фазовых переходов, индуцированных шумом, в применении к биологии. Биологические объекты представляют собой, как уже говорилось, сложные открытые нелинейные системы, находящиеся в состоянии неустойчивого динамического равновесия. Переход подобной системы в критическое состояние (болезнь, смерть) может осуществляться при весьма слабом внешнем воздействии, имеющем уровень шума (Пресман А.С., 1968; Холодов Ю.А., 1975; Хорстхемке и Лефевр, 1987; Гласс Л. с соавт., 1991). Природные электромагнитные поля более всего соответствуют роли такого “шума” (Владимирский Б.М. с соавт., 1982; Комаров Ф.И. с соавт., 1986; Пресман А.С., 1968; Холодов Ю.А., 1975).

С самого начала исследований эффектов электромагнитных полей на биологические организмы в самом общем виде высказывались предположения, что биологическая реакция должна происходить по типу адаптационной стресс - реакции (Алякринский Б.С., 1983; Беневоленский В.Н., 1980; Комаров Ф.И. с соавт., 1986).

Однако только в последнее время описанные выше общие предположения и гипотезы были интегрированы с участием авторов этой книги в самосогласованную концепцию о гелио-геомагнитных ритмах, как внешних синхронизаторах биологических систем (F. Halberg et al. 1991; Breus T.K. et al. 1995; Комаров Ф.И. и др. 1994). Были целенаправленно получены результаты, дающие серьезные обоснования этой концепции. Концепция наличия эндогенной ритмики у биологических систем, порожденной ритмами геомагнитных вариаций, не высказывалась в ранних исследованиях по проблеме. Однако именно благодаря этой концепции можно понять, как работает механизм воздействия геомагнитных бурь на живые организмы через десинхронизацию внутренних эндогенных ритмов апериодическими изменениями внешнего времядатчика. Подобная десинхронизация является одним из проявлений общего адаптационного синдрома, ибо у живых организмов имеется единственная и однотипная вообщем реакция на любые воздействия внешних факторов - адаптационный стресс (Бреус Т.К. с соавт., 1990; Halberg et al., 1991). Реакция организмов на “сбои ритмов” времядатчика особенно интенсивна и может быть необратимой, когда имеется патология адаптационной системы (заболевания), или адаптационная система перенапряжена вследствие воздействия другого стрессового фактора.

Одним из убедительных подтверждений этой концепции были результаты, свидетельствующие о том, что возмущения геомагнитного поля и частота возникновения различных осложнений при патологии сердечно-сосудистой системы имеют достоверную связь. Анализ данных скорой медицинской помощи в г. Москва за 1979-1981 гг. (всего 6 304 032 вызовов, включая вызовы по поводу инфаркта миокарда, гипертонических кризов, внезапной смерти, аритмии, автомобильных аварий) показал, что имеется достоверная связь между ритмами среднесуточных чисел появления инфарктов миокарда и ритмом межпланетного магнитного поля - ММП. Достоверная когерентность, когда коэффициент корреляции равен 0,6 (р>0,05), обнаружена для периодов продолжительностью около 27, 14,75, 7,68, 3,77 и 3,15 дня (Рис.5). Выявленные периоды, как отмечалось выше, являются характерными ритмическими компонентами вариаций секторной структуры ММП, а также генерированной ими геомагнитной активности (см. Рис. 3), и иллюстрируют то обстоятельство, что даже ритмы популяции синхронизованы таким времядатчиком, как ритмы геомагнитного поля.

В последующем был проведен анализ влияния на сердечно-сосудистую систему всех возможных видов геомагнитных возмущений, генерированных солнечной активностью, то есть “сбоев ритмов времядатчика” (Виллорези Дж, Бреус Т.К. с соавт., 1994; Otsuka K., Cornelissen G., Breus T. et al., 1998; Otsuka K., Yamanaka G.,Breus T. et al., 2000). Для повышения достоверности выявления эффектов геомагнитных возмущений из тех же материалов скорой помощи г. Москвы были исключены периодические изменения. Был проведен спектральный анализ всего ряда данных, выявивший периодические компоненты, затем из первичного ряда были исключены годичный ритм, а также первые 3 гармоники 7-дневного ритма (периодов 7 дней, 3,5 и 2,3 дня). Полученные медицинские результаты сопоставляли с различными характеристиками геомагнитного поля и межпланетной среды. Результаты оказались значимыми только для случаев инфаркта миокарда и инсульта. Фактически было выявлено, что только очень сильные геомагнитные бури сопровождались значительным возрастанием числа инфарктов миокарда и инсультов в г. Москве. В дни, когда они происходили, число инфарктов миокарда возрастало на 13% (среднее число вызовов в день - 78, статистическая достоверность 9 ), а число инсультов - на 7% (среднее число вызовов 89, статистическая достоверность 4,5 ).

Полученные статистические данные побудили провести клинические исследования, в частности, в отделениях реанимации, куда поступают пациенты с тяжелыми осложнениями заболеваний сердечно-сосудистой системы и где следовало ожидать более выраженной реакции и большей статистики ухудшений состояния больных в дни геомагнитных бурь. Такие исследования были проведены в отделении реанимации Центральной клинической больницы МПС РФ в Москве с начала 1992 г. (Гурфинкель Ю.И. и др., 1994; Комаров Ф.И., Бреус Т.К. с соавт., 1994). Для контроля геомагнитной обстановки в клинике был установлен магнитометр, позволяющий проводить непрерывную регистрацию изменений геомагнитного поля. Показания магнитометра в последующем дублировались с помощью данных Магнитной обсерватории Москвы и анализа специальных бюллетеней, содержащих мировые данные по индексам геомагнитной и солнечной активности. Изучали частоту поступления больных в отделение, их самочувствие на основании жалоб и клинических данных. Клинические эффекты геомагнитных воздействий оценивали также с помощью капилляроскопии. При выборе этого метода были приняты во внимание результаты проведенных ранее исследований, свидетельствующие об изменении сократительной активности сердца, ухудшении его насосной функции и связанном с ним нарушении микроциркуляции у больных с заболеваниями сердечно-сосудистой системы во время геомагнитных бурь. Исследовали капиллярный кровоток в микро-сосудах ногтевого ложа с помощью модернизированного телевизионного капилляроскопа (увеличеие 750), позволяющего проводить регулярные визуальные наблюдения и регистрировать скорость капиллярного кровотока. Одновременно исследовали 10 капилляров в одно и то же время дня между 12 и 13 ч в течение 2-3 недель. Определяли степень перикапиллярного отека, наличие и выраженность “сладжа” (агрегации эритроцитов), стаза, оценивали скорость кровотока. Всего обследовали 47 мужчин и 33 женщины различного возраста. У больных ишемической болезнью сердца во время магнитной бури выявлены перикапиллярный отек, агрегация эритроцитов, замедление капиллярного кровотока. Следует подчеркнуть, что эти явления отчетливо выступали на фоне измененных капилляров вследствие ишемической болезни сердца.

Рассчитывали коэффициенты корреляции индекса геомагнитной активности (Ар), а также среднесуточных значений атмосферного давления Р с суммарной характеристикой капиллярного кровотока, которая представляла сумму измененных значений перечисленных выше показателей. Оказалось, что у 74% мужчин и 69% женщин с инфарктом миокарда величина r составляла 0,73 и 0,63 соответственно. У больных стенокардией значения r достигали 0,635 у 73% мужчин и 0,661 у 56% женщин (Гурфинкель Ю.И. и др. 1994). Следует отметить, что величина r для корреляции суммарного показателя капиллярного кровотока с атмосферным давлением была всегда меньше таковой для корреляции Ар-индекса с суммарным кровотоком. В ряде случаев ухудшение капиллярного кровотока наблюдалось на 2-й и 3-й дни после начала магнитной бури, и величина r, рассчитанная с соответствующим сдвигом, возрастала до 0,86 у мужчин и 0,71 у женщин. В контрольной группе, состоящей из 12 здоровых добровольцев моложе 30 лет, только в 33% случаев отмечена реакция капиллярного кровотока на магнитные бури. В контрольной группе изменения исчезали значительно быстрее, чем у больных. В настоящее время эти исследования продолжаются в Лаборатории по магнитобиологии, созданной в клинике и руководимой Ю.И.Гурфинкелем, накоплен обширный экспериментальный материал и получены статистически достоверные результаты, подтверждающие описанные выше.

Эти результаты, имеющие большую степень достоверности, согласуются с полученными в последнее время другими клиническими данными о влиянии геомагнитных возмущений на течение и обострение сердечно-сосудистых заболеваний.

Так, например, Лабзин Ю.А. с соавт. (1996) анализировали функциональное состояние свертывающей (протромбиновый индекс по Квику) и противосвертывающей (гепарин по Калуженко-Мурчакову, фибринолитическая активность по Котовщиковой-Кузнику) систем крови у 91 больного ишемическим инсультом, развившимся на почве церебрального атеросклероза или гипертонической болезни, в зависимости от проявлений солнечной активности. Выяснилось, что достоверное увеличение чисел Вольфа, площади солнечных пятен, хронологически совпадало с увеличением протромбинового индекса (у 45% больных), с уменьшением содержания гепарина (у 57% обследуемых), понижением фибринолитической активности (у 60% больных). Указанные изменения свидетельствуют, что повышение солнечной активности может приводить к активации функции свертывающей и угнетению функции противосвертывающей систем крови, т.е. к повышению коагуляционных свойств крови.

Таким образом, из приведенных выше результатов различного рода исследований с очевидностью следует, что человеческий организм обладает способностью реагировать как на ритмические вариации, так и на возмущения геомагнитные поля.

Следует напомнить также давно и хорошо известные результаты исследований насекомых и рыб. В частности, Александров В.В. (1993), изучавший восприятие рыбами воздействия геомагнитной активности, пришел к выводу, что геомагнитное поле изменяет естественные биоритмы двигательной активности рыб. Исследования Чернышева В.Б. с соавт. (1993), изучавших поведение насекомых во время магнитной бури, выявили, что суточные миграции насекомых резко искажены и частично инвертированы во время бури практически у всех массовых видов.

Одной из концепций механизмов воздействия геомагнитных полей на биологические организмы является идея гипотетических магниторецепторов. Убедительным аргументом в пользу этой концепции считалось обнаружение магнетитов у некоторых биологических объектов, располагающихся в различных частях тела: у голубя - в передней части черепа, у пчелы - в брюшной полости, у моллюсков - в области челюстей. Найдены ферромагнетики и в головном мозге дельфинов (Zolger F. et al., 1979). В ряде исследований были обнаружены и магниторецепторы у людей в области прилежания головного мозга к клиновидной кости, а также в области надпочечников (Kirschving I. et al., 1989). У насекомых, рыб и птиц обнаруженные магниторецепторы, по-видимому, играют важную роль в использовании ими постоянного магнитного поля Земли в интересах навигации при сезонных миграциях (“хоминговые эффекты”). У человека же эти магниторецепторы, скорее всего, являются рудиментарными и не играют ведущей роли в настоящее время в механизмах передачи организму информации о воздействии переменных электромагнитных полей. Они, кроме того, малодоступны, во всяком случае, у человека, для прямого воздействия слабых -электромагнитных сигналов окружающей среды. Однако существование подобных магнетитов в живых организмах свидетельствует о том, что живые организмы были чувствительны исходно к воздействиям магнитных полей, игравших определенную роль в их самоорганизации.

Таким образом, до сих пор нет убедительных концепций “детекторов” переменных электромагнитных полей у человека. Одной из эффективных гипотез по-прежнему остается все-таки рецепторная. Местонахождение таких рецепторов переменных магнитных полей исследовано пока еще недостаточно. В то же время, хорошо известны магниторецепторы, в том числе кожные, через которые осуществляется воздействие искусственных электромагнитных полей в лечебных целях.

Есть предположения, что в современных высоко организованных биологических организмах система гипоталамус-надпочечники информируется о воздействии геомагнитного поля посредством клеток APUD-системы (располагающихся как на коже, так и в гастроинтестинальном тракте), включающей также эпифиз (Темурьянц Н.А. и др. 1996; Рапопорт и др. 1998). Воздействие вариаций геомагнитного поля через посредство рецепторов на гипоталамо-гипофизарную систему и надпочечники приводит к выделению кортизола и адреналина, который ответственен за активацию свертывающей системы, повышение агрегации эритроцитов, развитие спазма в приносящих сосудах микроциркуляторной сети. У больных ишемической болезнью сердца на первый план выходит вопрос обратимости этих процессов. В процесс вовлекается эпифиз (Semm P. et al., 1980; Chakraborty S., 1994; Рапопорт и др.1998), который ответственен за регуляцию циркадианного ритма посредством гормона мелатонина. Секреция мелатонина зависит от освещенности. Предполагается, что симпатико-адреналовая реакция на геомагнитное возмущение вовлекает эпифиз и приводит, таким образом, к десинхронизации суточного ритма.

Несмотря на сказанное выше о продуктивности новых представлений в проблеме биотропности гелио-геофизических воздействий, десинхроноз биологических ритмов, вызванный воздействием этих внешних факторов, все еще мало изучен в экспериментальном отношении. В связи с этим значительный интерес представляют биоритмологические исследования Фролова В.А., Чибисова С.М. (1980-2000 гг.), некоторые из которых будут рассмотрены подробнее в отдельных главах этой книги. Отметим здесь кратко лишь итоги этих исследований. Проведя несколько серий биоритмологических экспериментов на животных, эти авторы и их коллеги показали, что для сократительной активности сердца в магнитоспокойные сутки характерна циркадианная ритмичность. В большинстве случаев суточные колебания сократительной функции миокарда имеют форму кривой с двумя пиками: наибольшие значения приходятся на утренние часы, наименьшие - на вечерние. Амплитуда колебаний практически не отличалась в различные сутки эксперимента. В дни магнитной бури наблюдалась совершенно иная динамика изменений структуры циркадианного ритма сердца. По мере развития магнитной бури происходило значительное уменьшение амплитуды суточных колебаний сократительной функции миокарда. Магнитная буря как бы “стирала” циркадианную ритмику показателей сократительной активности сердца, и существенно изменяла характер связей, существующих между показателями сократительной активности левого и правого желудочков сердца. В период главной фазы магнитной бури и, особенно, на следующий день возникало состояние острого десинхроноза в работе отделов сердца, что могло бы привести к развитию сердечно-сосудистой патологии. С этим обстоятельством может быть связано учащение случаев внезапной смерти у сердечных больных (Чибисов С.М., Фролов В.А. и др., 1982).

Проявления влияния гелио-геомагнитной активности на популяционном уровне (согласование ритмов эпидемий, сердечно-сосудистых катастроф с солнечной и геомагнитной активностью) привели к концепции проявления этих воздействий и в социальной жизни человеческого общества. В связи с этим Владимирский Б.М. (1998) отмечает, что в истории, как и в других естественных эволюционных процессах, наблюдаются космофизические периоды, т.е. в социальных системах не может не проявляться биологическая ритмика, которая должна быть синхронизирована с космофизическими циклами. Таковы, например, циклы рождения высокоодаренных личностей и квази-периоды в течении психических заболеваний. В социальных системах могут возникать самоподдерживающиеся автоколебания, выходящие на режим синхронизации с внешними ритмами.

Заключительные замечания

Заканчивая эту Главу, следует отметить, что под понятием стресс в самом широком смысле слова следует понимать процесс текущей адаптации со свойственным ему напряжением организма. Поскольку понятие адаптации, таким образом, отождествляется с понятием жизни, ясно, что с этой точки зрения индивидуальная адаптация есть процесс непрерывный, не прекращающийся ни на одно мгновение, и стресс нужно считать постоянным спутником жизни. Напомним, что как отмечал Селье Г. :“...полная свобода от стресса означает смерть”.

Приведенный в этой Главе краткий обзор сложившейся ситуации свидетельствует о чрезвычайной сложности проблемы взаимодействия эндогенных биологических ритмов сердечно-сосудистой системы и “внешних” стрессов - сбоев ритмов их времядатчиков. В действительности же сложившиеся в последнее время новые представления позволили не только понять причины некоторой противоречивости прежних результатов, но и увидеть направление дальнейших исследований. При этом, как можно было заметить из предыдущих разделов данной книги, и как будет показано ниже, были обнаружены чрезвычайно интересные и важные закономерности, перемещающие актуальность проводимых исследований с прикладных медицинских аспектов к фундаментальным биологическим.

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

2.1 Экспериментальные материалы и методы исследования животных

Экспериментальные материалы исследования животных, обсуждаемые в книге, получены на 540 кроликах-самцах породы “шиншилла” массой 2600-3500 г. и охватывают данные исследований, проводившихся сотрудниками кафедры патологической физиологии Российского Университета дружбы народов, в период с 1969 года по настоящее время. Ретроспективному анализу подвергнуты данные, полученные в контрольных экспериментах на 1700 кроликах.

Методика ритмологических исследований

Исследования проводились во все сезоны года и были ориентированы по срокам астрономического календаря на дни весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний (21-24 марта, 21-23 сентября, 21-23 июня, 21-23 декабря). Эксперимент начинался за 30 минут до контрольного времени и заканчивался через 30 минут после него. С 0 часов и в течение 72 часов (3 суток) с интервалом в 3 часа производились замеры и забор материала для исследований всех изучаемых показателей. В каждой группе однократного проведения исследований было 5 животных.

В исследованиях воздействия гелио- геомагнитных возмущений на подопытных кроликов использовались трехчасовые К и Кр индексы геомагнитной активности. К-индекс представляет собой выраженную в десятибалльной системе (0 до 9 баллов) максимальную амплитуду вариаций горизонтальной компоненты геомагнитного поля Земли, регистрируемой непрерывно на магнитных обсерваториях. На каждой широте такая амплитуда имеет свой максимальный размах при одном и том же геомагнитном возмущении, и поэтому для оценки используется бальная система. Для получения планетарного Кр-индекса данные всемирной сети магнитных обсерваторий усредняются. В наших экспериментах использовался К-индекс, оцененный по данным Московской магнитной обсерватории, поскольку исследования проводились в Москве. Эти данные затем сопоставлялись с другими индексами локальной и планетарной геомагнитной активности, такими как Dst -вариация, Ар и Ср - индексы.

Методика моделирования десинхроноза

Опыты проводились на 60 кроликах самцах породы “шиншилла” массой тела 2600-3500 г. Десинхроноз вызывался принудительным введением животным 20% раствора алкоголя (1 мл на 100 г массы) в течение 11 дней. Алкоголь вводили в начале фазы локомоторной активности (6-8 ч) и в период начала фазы покоя (18-20 ч). Контрольной группе вводили водный раствор перца. Все животные содержались в одинаковых условиях вивария.

Методика электрофизиологических исследований

Регистрация артериального давления

Артериальное давление регистрировалось электроманометрически в центральном конце левой сонной артерии и записывалось на ленте полиграфа “Mingograf-82” (Швеция). Для исключения влияния наркоза на сосудистый тонус определение систолического (APMAX) и диастолического (APMIN) артериальных давлений проводилось под новокаиновой анестезией.

Изучение сократительной функции сердца

Для оценки сократительной функции сердца кролик фиксировался на специальном станке спиной вниз. Затем под гексеналовым наркозом (медленное введение раствора гексенала внутривенно в количестве 1,6 мл/кг на управляемом дыхании) в третьем межреберье вскрывалась грудная клетка. Перед рассечением плевры и перикарда в их полости вводился 1% раствор новокаина. Левый и правый желудочки сердца конюлировались и на ленте полиграфа “Mingograf-82” регистрировалось пиковое систолическое давление в полостях левого (VPREALLV) - внутрижелудочковое давление реальное) и правого (VPREALRV) желудочков сердца. Затем вызывалась пятисекундная окклюзия аорты (для левого желудочка) и легочной артерии (для правого желудочка) и фиксировалось пиковое систолическое (максимальное) внутрижелудочковое давление в условиях практически изометрического сокращения камер сердца (VPMAXLV и VPMAXRV).

Методика определения в крови свободных жирных кислот

Согласно литературным данным (Сosta D., Wenzel D., 1974), свободные жирные кислоты являются лабилизаторами лизосомных мембран. Поэтому в целях исследования возможных пусковых механизмов этого процесса было предпринято изучение содержания свободных жирных кислот (СЖК) в крови.

Уровень свободных жирных кислот определяли в плазме крови спектрофотометрическим методом (Noma A., Okabe H., Kita H., 1973) в модификации Сяткина С.П. и Фролова В.А. (1986), разработанной на кафедре патологической физиологии Российского Университета дружбы народов.

Кровь брали у наркотизированных гексеналом животных пункцией из левого желудочка сердца. Кровь центрифугировали при 2500 об/мин в течение 5 минут с добавлением 3,8% раствора натрия цитрата в отношении 9:1. 0,05 мл полученной плазмы брали для анализа.

Используемые реагенты:

- Экстракционная смесь хлороформ-гептан (1:1), содержащая 2,4% метанола;Медный реагент, состоящий из 5 ммоль Cu(NO3)2 х 3Н2О, 10 ммоль триэтаноламина и 6 ммоль едкого натра, разведенного до 100 мл конечного объема насыщенным раствором хлористого натрия при рН среды 8;

- Раствор дифенилкарбазона (фирма “Реахим”) готовили, растворяя 100 мг вещества в 25 мл этилового спирта, стабилизировали добавлением 0,25 мл 1 М триэтаноламина.

Растворы готовили в день опыта и фильтровали.

Экстракцию СЖК проводили механическим встряхиванием в стеклянной пробирке с притертой крышкой 0,05 мл плазмы крови в присутствии 3 мл экстракционной смеси с 0,9 мл медного реагента в течение 3 минут на аппарате фирмы “Meas” (ЧССР).

Пробы центрифугировали в течение 5 минут при 5000 об/мин. К 1,8 мл надосадочной жидкости (супернатанту) добавляли 0,5 мл раствора дифенилкарбазона. Величину оптической плотности исследуемых образцов измеряли на спектрофотометре СФ-26 при максимальной длине волны 555 нм против смеси растворителя с реагентом. Концентрацию СЖК рассчитывали по калибровочному графику и выражали в мкмолях на 1 л плазмы крови. Для построения калибровочных графиков использовали пальмитиновую, олеиновую и линолевую кислоту (фирма “Serva”, Германия).

Трансмиссионная электронная микроскопия

У животных по общепринятым методикам производилось исследование кардиомиоцитов в трансмиссионном электронном микроскопе. Исследование осуществлялось в микроскопах “JEM-100C” (Япония) и “Testla BS-570” (ЧССР) при увеличении в 6 и 20 тысяч раз.

Количественная оценка трансмиссионных электронограмм проводилась по методике, разработанной Пауковым В.А., Казанской Т.А. и Фроловым В.А. (1971). Для анализа использовались электронограммы, снятые при стандартном увеличении в 20000 раз (по 10 снимков из околоядерной, субсарколемной и центральной зон кардиомиоцита для каждой группы экспериментов). Оценивались следующие показатели, характеризующие состояние митохондриального аппарата:

среднее количество митохондрий в 1 электронограмме (N мх);

средняя площадь 1 митохондрии в мкм2 (S 1 мх);среднее количество целых крист (N кр мх);средняя суммарная площадь митохондрий в 1 электронограмме в мкм2 (S мх эг);

среднее суммарное количество крист в 1 электронограмме (кр мх эг);коэффициент энергетической эффективности митохондрий (КЭЭММХ), представляющий собой произведение количества крист в 1 митохондрии на ее площадь;

коэффициент энергетической эффективности митохондрий электронограммы (КЭЭМЭГ), представляющий собой сумму абсолютных значений всех КЭЭММХ электронограммы.

Методика определения кислотно-основного состояния крови (КОС)

С помощью метода микро-Аструп определялись показатели кислотно-основного состояния и газовый состав артериальной и венозной крови. Анализ проб и их автоматическая обработка осуществлялась на микроанализаторе ОР-215.

Статистическая обработка и интерпретация данных

В настоящее время в научных изданиях медицинского и биологического профиля появляется ряд публикаций о необходимости изменения подходов к применению статистических методов (Конрадов А.А. 1994; Бащинский С.Е. 1995; 1998).

Как отмечалось А.А. Конрадовым (1994), для любой сложной иерархически организованной структуры с большим числом взаимосвязанных компонент, любое внешнее воздействие нарушает, прежде всего, согласованность функционирования отдельных подсистем. Оценить характер таких нарушений представляется достаточно трудной задачей, особенно когда речь идет об эффектах слабых воздействий на популяционном и организменном уровнях, таких, как, например, воздействие естественных электромагнитных полей (геомагнитной активности). Традиционные способы оценки состояния биосистем нацелены, главным образом, на получение среднестатистических значений отдельных параметров, однако именно в случае регистрации отклика биосистем на слабые и сверхслабые воздействия, когда возможны нелинейные эффекты, такие математические подходы себя не оправдывают. Это связано с тем, что усреднение показателей может приводить к утрате информации о характере перестроек в регуляторных механизмах, например, изменении знака биологической реакции или силы связи между отдельными параметрами. Вместе с тем, такие перестройки могут служить критерием чувствительности биообъектов к определенным уровням воздействия и иметь самостоятельное прогностическое значение.

Сложность описания реакций отклика биосистем при разнообразных воздействиях предполагает поиск и разработку не традиционных методов статистического анализа, с помощью которых можно было бы получать интегральные характеристики состояний биологических объектов, отражающих их чувствительность к воздействиям.

В развитие вышесказанного, следует отметить также, что в работах В.П.Леонова (1997, 1998,1999) имеется описание обширного статистического анализа публикаций и экспериментальных данных, в ходе которого выяснилось, что 50%-80% экспериментальных данных в медицине и биологии не подчиняются нормальному распределению. В.П. Леонов заключает, что традиционное использование в подавляющем большинстве работ критериев и методов, требующих нормальности распределения, таких как критерий Стьюдента и линейные коэффициенты корреляции Пирсона, является некорректным и может приводить к ложным результатам. Для принятия решения о применении соответствующих статистических методик ряд авторов рекомендует производить обязательную проверку на нормальность распределения по методике С.Шапиро и М.Уилка (Royston P. 1982, Shapiro,S, and Wilk M. A, 1968). Необходимо заметить, что распространенная практика отбрасывания крайних значений, отстоящих от среднего более чем на 3 , не компенсирует ненормальность распределения, связанную с асимметричностью или бимодальностью. Это часто приводит к ошибкам в выборе статистических методов.