Хроноструктура ритмов сердца и факторы внешней среды

В летний и зимний сезоны кластер показателей VPCO2 -APCO2 существенно удален от кластера, содержащего показатели VHCO3., VВЕ, AHCO3, AВЕ, VPH, APH. Этот факт можно трактовать с позиций перестройки в эти сезоны взаимодействия функциональных систем, отвечающих за рН крови и оптимальные для метаболизма величины дыхательных показателей. По всей очевидности, дыхательные механизмы регуляции рН, поддерживающие концентрацию бикарбоната в плазме крови, в весенний и осенний сезоны более активны, чем в летний и зимний сезоны.

Имеются и некоторые сходства в структуре показателей, характеризующих деятельность сердечно-сосудистой системы. Летом и зимой показатели внутрижелудочкового давления (VP) образуют симметричную кластерную структуру, в которой показатели правого (RV) и левого (LV) желудочков объединены попарно. В весенний и осенний периоды показатель максимального давления в левом желудочке сердца VPMAXLV группируется с показателями артериального давления. Следовательно, весной и осенью состояние сосудистого тонуса оказывает существенно большее влияние на функцию сердца, чем в другие сезоны.

Отдельный интерес представляет анализ эффектов повышенной геомагнитной активности, относящейся к периоду осени 1984 года. Оказалось, что показатель геомагнитной активности в 70% случаев образует наиболее тесную связь с показателем напряжения кислорода в венозной крови VPO2., что говорит о существенном влиянии геомагнитной активности на потребление кислорода в тканях. Помимо этого, из анализа суточных дендрограмм в осенний сезон, когда наблюдалось резкое повышение уровня геомагнитной активности, следует, что вышеуказанные показатели группировались в один кластер с показателями уровня гемоглобина. Геомагнитная активность в среднем была достаточно высокой не только в осенний сезон 1984 года, но и в зимний сезон, что отличает эти сезоны от весенне-летнего сезонов. Оказалось, что осенью и зимой при повышенной геомагнитной активности к указанным для этих периодов выше показателям КОС присоединялись показатели кислорода в артериальной крови и артериовенозная разница по кислороду. Этот факт свидетельствует, по-видимому, об активном влиянии геомагнитной активности на систему транспорта кислорода в крови.

При анализе суточных дендрограмм в осенний период, характеризующийся высокой геомагнитной активностью, представляет интерес проследить последовательность образования кластеров вокруг показателя геомагнитной активности. Эта последовательность до дистанции связи, не превышающей значения 1.5, представлена в Таблице 7.

Таблица 7. Последовательность объединения кластеров, включающих показатель АР, на суточных дендрограммах в осенний период.

21.09(Ар-20)	22.09 (Ар-60)	23.09 (Ар-111)
VPO2	VPO2	VPMAXLV
VHB, AHB	EA, NSA, CA	VPO2, VHB, AHB.

На основе данных Таблицы 7 можно сделать вывод, что увеличение абсолютных значений геомагнитной активности (Ар) проявляется в воздействии на сократительную функцию сердца.

Следует отметить также появление связи со всеми показателями лизосомной активности печени в период роста значений геомагнитной активности 22.09. Этот факт может свидетельствовать о перестройке характера адаптации организма к внешнему воздействию с использованием лизосомной системы. Этот результат подтверждает результаты, полученные ранее в работах В.А. Фролова с соавт. (1973, 1995) на основе линейного статистического анализа ультраструктуры гепатоцитов и кардиомиоцитов.

В заключение этой Главы хотелось бы снова подчеркнуть, что несмотря на неправомерность методов корреляции Пирсона, опирающихся на гипотезу о нормальности распределения параметров, использованных в книге Чибисова С.М., Овчинниковой Л.К. и Бреус Т.К., (1998), выводы этой работы остаются в основном справледливыми при проверке критериями, свободными от распределения, например, критерием Краскела - Уоллиса. Применение кластерного анализа, использующего в качестве меры близости элементов кластера ранговую корреляцию Спирмена, свободную от распределения, позволяет дополнительно выявить детали взаимодействия элементов системы, описанные в выводах данной Главы.



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

Сезонные изменения хроноструктуры ритмов сердца должны сопровождаться изменениями ультраструктуры миокарда, которые предполагалось исследовать в наших лабораторных экспериментах с животными. В результате анализа трансмиссионных электронограмм, полученных в различные сезоны и часы суток были выявлены следующие ультраструктурные особенности миокарда.

5.1 Весенний сезон

Анализ результатов исследования ультраструктуры кардиомиоцитов интактных животных в различное время суток весеннего сезона показывает, что состояние сердечных клеток имеет суточную динамику. В утреннее время (6 часов) выражены явления гиперфункции ультраструктур кардиомиоцитов.

В целом для ультраструктуры сердца в это время весеннего сезона характерна следующая картина. Клеточная мембрана разрыхлена. Наружный листок мембраны имеет участки разрушения. Отмечаются явления умеренного внутри- и внеклеточного отека. В цитоплазме имеется большое количество первичных и вторичных лизосом (рис.18). Лизосомы часто заполнены каплями липофусцина и располагаются скоплениями. Очень много исчерченных и гомогенных липидных включений. Некоторые исчерченные липиды представляют по форме “снимок” с прилежащей митохондрии.

Имеются клеточные ядра различной формы с сохранной ядерной оболочкой. Встречаются фрагментированные ядра и ядра с инвагинированной мембраной. Хроматин, как правило, распределен по всей нуклеоплазме, но отмечаются также явления его маргинации.

В капиллярах наблюдается умеренный пиноцитоз. Стенки капилляров в большинстве кардиомиоцитов окружены коллагеновыми муфтами. Встречается коллаген и между миофибриллами. Основная часть канальцев СПР резко расширена. Часто встречаются гранулярные формы СПР (рис.19).

Миофибриллы слегка отечны, местами разволокнены. Есть участки разрывов и пересокращения. Митохондрии полиморфны и распределены неравномерно. Количество митохондрий несколько выше, чем в другие сезоны. Площадь митохондрий меньше, чем среднегодовая, а суммарное количество крист в них больше.

Количественный анализ состояния митохондриального аппарата показал, что количество органелл, их площадь и состояние крист изменяется в течение суток. Наибольшее количество митохондрий отмечено в 12 часов, а наименьшее - в 6 часов. В 6 часов происходит выраженное набухание митохондрий, о чем свидетельствует увеличение их площади. В это же время отмечено уменьшение крист.

В ночное и утреннее время (0, 3, 6, 9 часов) повышение сократительной функции левого желудочка сопровождается набуханием митохондрий и их крист, вследствие чего уменьшается количество последних (коэффициент корреляции между VPREALRV и количеством крист равен - 0,941).

Регрессионный анализ суточных колебаний сократительной силы сердца показал, что функциональная активность сердца достоверно возрастает в период около 6 часов. Обеспечение энергозатрат кардиомиоцитов на повышение сократительной силы сердца, очевидно, происходит за счет увеличения площади митохондрий, т.е. их набухания. Возрастание объема органелл сопровождается разрывом наружной мембраны, что приводит к уменьшению общего числа функционирующих митохондрий, и при воздействии дополнительной нагрузки на миокард в это время суток может отрицательно сказаться на энергообразовании в кардиомиоцитах.

О высокой сократительной активности сердца в это время суток свидетельствуют также ультраструктурные изменения в миоцитах. Клеточное ядро имеет 2-3 ядрышка, мембрана его инвагинирована, в нуклеоплазме - маргинация хроматина. Резко расширен СПР, который местами имеет гранулярную форму. Очень много первичных и вторичных лизосом, расположенных в околоядерной зоне и окружающих СПР. Встречаются участки разрушения миофибрилл. Гликоген и липидные включения, расходуемые на обеспечение высокой сократительной силы, находятся в клетке в небольшом количестве.

Заключая раздел, можно отметить, что время перехода к локомоторной активности неблагоприятно для активной физической нагрузки и действия повреждающих факторов.

5.2 Летний сезон

Исследование морфологии кардиомиоцитов в летний сезон показало, что состояние ультраструктуры в течение суток изменяется незначительно. Наиболее выраженные отличия имеются в 6 часов утра, когда можно говорить о гиперфункции ультраструктуры кардиомиоцитов и энергообразующего аппарата клетки.

В целом для летнего сезона характерны следующие закономерности. Клеточная мембрана местами разрыхлена и теряет двухконтурность. Отмечаются явления умеренно выраженного межклеточного отека. Клеточные ядра содержат небольшое количество хроматина, который, в основном, имеет краевое расположение. Нуклеолемма двухконтурна. Часто в ядрах имеется 2-3 ядрышка. Мембрана ядер инвагинирована.

Капилляры во многих случаях окружены коллагеновыми муфтами. В миоцитах много лизосом различных типов. Канальцы СПР умеренно расширены. Миофибриллы без особенностей (рис.20). В отдельных миофибриллах отмечаются участки гомогенизации.

Количество митохондрий по сравнению с весной уменьшено, а площадь их увеличена. Ярко выражен полиморфизм митохондрий. Часто встречаются вакуоли с большим количеством мелких митохондрий. Для митохондрий характерно состояние умеренного набухания. Отмечаются явления гомогенизации и вакуолизации матрикса. Наиболее существенно в течение суток меняется количество исчерченных липидных включений и цитогранул гликогена.

В период с 3 до 12 часов между коэффициентом энергетической активности митохондрий и показателем сократительной силы сердца отмечается сильная достоверная отрицательная корреляционная связь (коэффициент корреляции равен -0,963). Эта же пара показателей связана между собой более сильно в период с 3 до 9 часов (коэффициент корреляции равен -1,0).

Повышению сократительной силы левого желудочка в раннее утреннее время летнего сезона сопутствуют изменения ультраструктуры миокарда и его энергообразующего аппарата. Механизм изменений однотипен описанному для весеннего сезона.

5.3 Осенний сезон

В результате исследования состояния ультраструктур сердца животных осенней группы можно заключить, что оно имеет суточную динамику с явлениями гиперфункции ультраструктур в вечернее время. В целом для осеннего сезона характерны следующие закономерности.

Наружный листок клеточной мембраны местами разрушен. Во многих случаях сарколемма образует аркады - пальцевидные выпячивания, в которых находится большое количество мелких митохондрий. Отмечаются явления умеренного вне- и внутриклеточного отека.

Количество цитогранул гликогена по сравнению с летом уменьшено. В цитоплазме часто встречаются исчерченные липидные включения. В кардиомиоцитах отмечается значительное количество лизосом с преобладанием первичных форм.

Клеточные ядра насыщены хроматином, который равномерно распределен по всей нуклеоплазме и лишь иногда образует узкую полоску по краю нуклеоплазмы.

Коллагеновые муфты вокруг капилляров встречаются реже, чем летом и весной. Канальцы СПР без особенностей.

Миофибриллы, в основном, без особенностей, но в период гиперфункционирования сердца в миофибриллах наблюдаются очаги гомогенизации. Вставочные диски утолщены, имеют расширенные щели. Миофибриллы отечны, волокнисты, с очагами лизиса и разрывов. Количество митохондрий по сравнению с летом не увеличено. Площадь органелл существенно больше, а количество крист в них уменьшено (рис.21). В основном для митохондрий характерны разные степени набухания. Наружная мембрана часто или размыта, или имеет участки разрушения. Встречаются деградирующие митохондрии с полностью разрушенной мембраной или вакуолизированные формы.

Наибольшие суточные изменения претерпевает состояние энергообразующего комплекса.

В период с 9 до 18 часов между коэффициентом энергетической эффективности митохондрий и показателем сократительной силы сердца (ВДмЛЖ) отмечается сильная достоверная положительная связь (коэффициент корреляции +0,976).

Необходимо отметить однонаправленность суточных изменений коэффициента энергетической эффективности митохондрий в осенний и весенний сезоны (коэффициент корреляции +0,777), причем в ночное и утреннее время эта связь увеличивалась до +0,986.



5.4 Зимний сезон

В результате проведенных исследований ультраструктуры миокарда в зимний сезон можно отметить, что имеется суточная динамика изменений состояния кардиомиоцитов. Гиперфункционирование ультраструктур выражено в период вечернего пика сократительной силы сердца. В ночное и утреннее время морфологическое состояние миокарда не отличается резкими изменениями.

В целом для ультраструктуры миокарда в зимний сезон характерна следующая картина. Клеточная мембрана - без каких-либо особых изменений. Ядра содержат небольшое количество хроматина, расположенного, в основном, маргинально. Наблюдаются явления фрагментации ядер.

Капилляры умеренно расширены. В подавляющем большинстве электронограмм наблюдаются сосуды, окруженные коллагеновыми муфтами. Это явление более выражено в период с 6 до 12 часов и наименее - с 15 до 21 часа.

Лизосомы присутствуют в очень больших количествах. Их число гораздо больше, чем в любой другой сезон года. Размеры органелл сильно варьируют от 0,03 до 0,6 мкм2. Часто встречаются лизосомы, матрикс которых полностью замещен каплями липофусцина (рис.22). В период с 3 до 18 часов число лизосом наибольшее, а с 21 до 3 часов - наименьшее. Канальцы умеренно расширены.

Присутствие цитогранул гликогена значительно изменяется в течение суток. Наибольшее количество гликогена наблюдается в 0 - 3 часа, наименьшее - в 6 и 18 часов. Цитогранулы гликогена распределены гетерогенно: в некоторых клетках отмечаются их массивные скопления, в то время как в других клетках они отсутствуют. В целом, гранул гликогена в клетках меньше зимой, чем в другие сезоны.

Значительные суточные колебания отмечены в количестве гомогенных и исчерченных липидных включений, хотя в целом для зимнего сезона характерно очень большое их число (рис.21). Наибольшее их количество наблюдается в 12 и 18 часов, а в 3 и 15 часов они отсутствуют.

Миофибриллы, в основном, имеют обычное строение с несколько утолщенными вставочными дисками.

Основная масса митохондрий имеет четко двухконтурную мембрану и параллельно расположенные, “грубо упакованные” кристы. Митохондрии имеют различные размеры от 0,1 до 3,5 мкм2. Количество митохондрий зимой больше, чем летом и осенью, но меньше, чем весной.

Состояние энергообразующего аппарата резко изменяется в период вечернего пика сократительной силы миокарда. Митохондрии имеют значительные участки разрушения наружного листка мембраны. Встречаются митохондрии с тотально разрыхленной наружной мембраной или с ее остатками. Значительная часть митохондрий имеет фрагментированные или разрушенные кристы. Площадь всех митохондрий увеличена. Матрикс многих органелл вакуолизирован.

Гиперфункционированию митохондрий сопутствуют изменения ультраструктуры всей клетки. Увеличивается площадь ядер за счет образования множественных выпячиваний. Хроматин располагается по периферии ядер. Имеются очаги его вымывания.

Развивается фрагментация миофибрилл с явлениями расплавления саркомеров. Из цитоплазмы практически исчезают цитогранулы гликогена. В клетке появляется огромное количество липидных включений. Часть из них окружена венчиком лизосомных гидролаз, часть, в виде капель липофусцина входит в состав вторичных лизосом, количество которых в это время года также значительно увеличено.

Зимой в ночное и утреннее время сократительная сила миокарда зависит от суммарного количества крист в митохондриях. При набухании крист увеличивается сократительная сила сердца (коэффициент корреляции равен -0,979).

Интересно, что зимой и летом динамика суточных изменений суммарного количества крист в электронограммах однонаправленна (коэффициент корреляции +0,7 при р<0,05). Связь этих двух показателей возрастает в период с 0 до 9 часов (коэффициент корреляции +0,967).

Заключая рассмотренный морфологический раздел, следует отметить следующие особенности.

Состояние ультраструктуры миокарда изменяется в течение года. Направленность изменений различна для разных структур клетки. Эти отличия имеют скорее количественный, чем качественный характер.

В весенний период в подавляющем большинстве электронограмм наблюдаются сосуды, окруженные коллагеновыми муфтами (рис.24), особенно с 6 до 12 часов. Зимой и особенно весной отмечены выраженные изменения СПР с явлениями его резкого расширения и наличием гранулярных форм. В этот период регистрируется наибольшее количество лизосом различных форм, особенно часто встречаются вторичные лизосомы, заполненные каплями липофусцина.

Зимой в кардиомиоцитах содержится огромное количество исчерченных и гомогенных липидных включений. Некоторые исчерченные липиды представляют по своей форме “снимок” с прилегающих митохондрий, что свидетельствует об их происхождении. В зимний период в клетках миокарда значительно меньше цитогранул гликогена, чем в другое время. Состояние митохондриального аппарата также имеет сезонные отличия. Наибольшее количество митохондрий наблюдается весной и зимой. В эти сезоны митохондрии более сохранны, чем осенью и летом. Для летне-осеннего периода характерно набухание митохондрий разной степени. Наружная мембрана органелл часто или размыта, или имеет участки разрушения. Часто встречаются митохондрии с явлениями гомогенизации или вакуолизации матрикса, деградирующие митохондрии с полностью разрушенной мембраной.

Следует подчеркнуть, что акрофаза сократительной силы сердца сопровождается однотипной реакцией ультраструктуры клетки вне зависимости от сезона и выражается следующим образом. Обеспечение сократительного акта высокой силы происходит за счет возрастания объема митохондрий, сопровождающегося разрывом наружной мембраны у части органелл, что приводит к уменьшению общего числа функционирующих митохондрий. В это же время отмечается гиперфункция ультраструктуры клетки. Клеточное ядро имеет 2-3 ядрышка, мембрана его инвагинирована, в нуклеоплазме маргинация хроматина. Очень резко расширен СПР, во многих случаях отмечаются его гранулярные формы. Очень много первичных и вторичных лизосом, расположенных в околоядерной зоне или окружающих СПР. Встречаются участки разрывов миофибрилл.

Гранулы гликогена и липидные включения, расходуемые на обеспечение высокой сократительной силы, находятся в клетке в небольшом количестве за исключением зимнего сезона, когда кардиомиоцит как бы “нашпигован” огромным количеством липидов. Часть из них окружена венчиком лизосомных гидролаз, часть, в виде капель липофусцина входит в состав вторичных лизосом, количество которых в этот сезон самое большое.

Резюмируя результаты этого раздела, можно отметить, что в период гиперфункционирования ультраструктур кардиомиоцитов воздействие дополнительной нагрузки или действие стресс-фактора может неблагоприятно отразиться на морфофункциональном состоянии сердца.

Для разных сезонов неблагоприятные для нагрузки часы отличаются. Весной имеется один максимально выраженный пик морфофункциональной гиперфункции - это раннее утреннее время, когда осуществляется переход к активной локомоторной деятельности. Летом - это также утреннее время, но в этот сезон параметры деятельности сердца в течение суток мало изменяются, и действие стресс-фактора не приведет к значительным повреждениям. Осенью гиперфункция отмечена в вечернее время, а зимой - и в утреннее, и в вечернее время.



ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЕ МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЕРДЦА ПРИ МОДЕЛИРОВАННОМ ДЕСИНХРОНОЗЕ

В этой главе изложены результаты исследований по экспериментальному моделированию десинхроноза у животных. Задачей исследований было воздействие на организм животных известным стресс-фактором и исследование морфофункциональных последствий этого воздействия на фоне суточной динамики показателей, в частности, в утреннее и вечернее время, когда морфофункциональное состояние сердца (Глава 5) имеет наибольшие отличия от среднесуточных характеристик.

В качестве десинхронизирующего воздействия использовалась алкоголизация животных. Известно, что алкогольная интоксикация вызывает в организме развитие стресс-реакции (В.П.Латенков, 1987). Одним из основных патофизиологических эффектов алкоголя на клеточном уровне является его мембранотропное (мембранотоксическое) действие, развивающееся вследствие включения этанола в состав мембранных структур клеток (А.Е.Успенский, 1984). Этанол нарушает структуру и функцию митохондрий и эндоплазматического ретикулума (J.M.Lit-tleton, 1980; В.С.Пауков с соавт., 1996).

Выбор данного подхода к созданию экспериментальной модели десинхроноза обоснован также практическим отсутствием исследований по морфологическим и хронотоксическим аспектам влияния алкоголя на сердечно-сосудистую систему, общие аспекты которого обсуждались нами в Главе 1 (раздел 1.3.1).

Таким образом, главной задачей этого этапа исследований являлось изучение стресс-реакции на морфофункциональное состояние сердца в различные фазы его сезонно-суточных ритмов.

Наши исследования показали, что моделирование стресс-реакции на внешнее биотропное воздействия (в данном случае, алкоголизация животных) имеет слабую зависимость от сезонов, однако существенно зависит от времени воздействия. Во все сезоны года модельная стресс-реакция выражается в падении сократительной силы сердца, если модельное стресс-воздействие производится в начале фазы локомоторной активности животных, т.е. утром, и можно заметить, что выраженность этого процесса в осенне-зимний период года превосходит её в другие сезоны. В частности, осенью в группе животных, которым вводился алкоголь утром, произошло падение сократительной функции сердца по показателю реального давления в полости левого желудочка на 46%, правого желудочка - на 32%, по показателю максимального давления - на 17% и 30% соответственно. При проведении экспериментов в утреннее время зимнего периода к 11-му дню воздействия на животных алкоголем отмечены случаи гибели среди опытных животных.

При алкоголизации животных в вечернее время происходило незначительное падение сократительной силы сердца, а в некоторых случаях имелась даже тенденция к ее повышению.

Таблица 8 Количественные показатели морфофункционального состояния сердца у интактных и алкоголизированных кроликов в различное время суток

Показатели	В е ч е р	У т р о
	контроль	опыт	контроль	опыт
VPREALLV VPMAXLV Количество Митохондрий в 1 эг. Количество крист в 1 мх Средняя площадь 1-й мх. (мкм.кв) КЭЭМмх Сумма крист в 1 эг. Сумма площадей мх. В 1 эг. (мкм.кв) КЭЭМэг	1131,50 2060,90 5,070,58 5,100,69 0,530,03 3,20,59 25,84,90 2,710,29 15,23,08	1408,70 22714,0 5,10,97 7,121,70 0,570,09 7,35,95 36,311,0 2,930,45 57,529,0	1402,50 2171,80 4,020,24 7,400,74 0,540,17 6,541,21 417,54 3,080,56 28,017,4	927,10 17416,7 2,20,22 0,60,48 0,940,11 0,550,44 10,291,20 2,290,39 1,291,20

Из Таблицы 8 видно, что сократительная функция левого и правого желудочков сердца интактных животных имеет суточную динамику, достигая максимальных значений в утреннее время. Введение алкоголя приводит к следующим эффектам. Исчезает внутрисуточная динамика изменений сократительной функции сердца. Давление в левом и правом желудочках сердца у алкоголизированных животных достоверно не отличается при утреннем и вечернем измерениях (Рис.25), т.е. происходит нарушение структуры циркадианного ритма.

Корреляционный анализ на наличие или отсутствие связей между показателями функции сердечно-сосудистой системы свидетельствует, что введение алкоголя приводит к существенным изменениям взаимоотношений как желудочков сердца между собой, так и работы сердца и состояния сосудистого тонуса. Введение алкоголя в утреннее время приводит к изменению степени связи между VPREALLV и APMIN ; VPREALLV и VPMAXLV; VPREALLV и VPMAXRV, которые в контрольной группе являются сильными достоверными положительными связями. Эти связи резко ослабевают, что свидетельствует о серьезном нарушении механизмов нормального функционирования сердца и разобщении взаимоотношений между уровнем сосудистого тонуса и сократительной активностью миокарда.

Происходящие изменения в деятельности сердца, вызванные введением алкоголя в утреннее время, свидетельствуют о возникновении десинхроноза сердечно-сосудистой системы. Как следствие развития десинхроноза, происходит падение абсолютных значений показателей сократительной функции сердца, снижение его работоспособности.

Количественный анализ показателей ультраструктуры свидетельствует, что утренний прием алкоголя приводит к резким нарушениям в аппарате энергообеспечения клетки. Уменьшается количество митохондрий, кристы в них почти исчезают. Средняя площадь митохондрии увеличивается с 0,540,17 мкм.кв. до 0,940,11 мкм.кв. Коэффициент энергетической эффективности митохондрий резко снижен ( с 6,541,21 до 0,550,44 ).

Изменения ультраструктуры сердца в результате алкоголизации в утренние часы часто носят необратимый характер. Отмечается значительный вне- и внутриклеточный отек. В миоцитах наблюдаются явления деструкции и деградации митохондрий, матрикс органелл пятнисто просветлен, а в отдельных органеллах вымыт, в некоторых участках они представляют собой конгломераты с отсутствующей наружной и внутренней мембраной. Участки миофибрилл разволокнены и разорваны (Рис.26). Матрикс ядер вымыт, а оставшийся хроматин маргинирован.

Характерным в “утренней группе” животных является наличие большого количества коллагеновых волокон, образующих муфты вокруг сосудов (Рис.27). Известно, что образование коллагеновых муфт вокруг сосудов является защитной реакцией, направленной на предотвращение проникновения вредоносных агентов из крови в ткань (В.А.Фролов с соавт., 1987). В миоцитах обнаружены скопления вторичных лизосом; гликоген и липидные включения отсутствуют.

Проведение количественного анализа состояния митохондриального аппарата показало, что достоверно увеличивается средняя площадь 1-й митохондрии (с 0,540,17 до 0,940,11 мкв.кв.).

Известно, что чем больше площадь митохондрий, тем меньше степень повреждения лизосомных мембран (В.А.Фролов, В.П.Пухлянко, 1989). В нашем эксперименте при алкоголизации животных утренней группы достоверно снижается коэффициент проницаемости лизосомных мембран, т.е. наступает стабилизация лизосомной мембраны, что тормозит процессы внутриклеточной регенерации, особенно образование митохондрий (В.А.Фролов, 1973). При этом происходит торможение процессов окислительного фосфорилирования и, соответственно, выработки АТФ.

В “вечерней” группе животных не отмечено грубых нарушений ультраструктуры миокарда. Здесь можно говорить о формировании компенсаторной реакции на действие алкоголя. У большинства митохондрий не отмечено нарушений наружной и внутренней мембраны, кристы в них расположены параллельно. Отмечаются отдельные участки гомогенизации матрикса митохондрий. Канальцы саркоплазматического ретикулума резко расширены. Много первичных и вторичных лизосом гликогена. В небольшом количестве имеются гомогенные и исчерченные липидные включения. Ядерная мембрана инвагинирована.

В летний период года данная тенденция сохраняется, но морфологические изменения не выходят за пределы физиологической нормы. В митохондриальном аппарате отмечено небольшое увеличение площади митохондрий и количества крист в них. Существенно возрастает коэффициент энергетической эффективности митохондрий.

Наблюдаемые слабые эффекты стресс-воздействия в вечернее время предположительно связаны с естественной хроноструктурой интактного сердца. В вечернее время суток у интактных животных имеется естественное снижение сократительной функции сердца, вследствие чего, вероятно, введенный алкоголь начинает использоваться как донатор энергии (по крайней мере, в рамках нашего эксперимента). Недоокисленные и восстановленные соединения становятся субстратами окисления, не оказывая токсических эффектов.

Отсутствие видимых на органно-клеточном уровне изменений, вызванных вечерним введением алкоголя, делает необходимым углубление исследований до молекулярного уровня.

При анализе суточной динамики изменений показателя дефицита буферных оснований (Рис.28) у животных опытной и контрольной групп были выявлены достоверные отличия (р<0,05). Выраженность градиента ВЕ в утренние и вечерние часы была неодинаковой. Градиент дефицита буферных оснований между опытной и контрольной группами более выражен в вечерние часы.

Значимая выраженность (р<0,05) у алкоголизированных животных (по отношению к контрольной группе) метаболического ацидоза позволяет сделать заключение об активации гликолиза в процессе элиминации этанола у особей этой группы.

Для показателя дефицита буферных оснований у животных, не получавших алкоголя, характерна четко выраженная суточная динамика. У алкоголизированных животных происходит нарушение суточной хроноструктуры.

Введение алкоголя вызывает достоверное снижение уровня активной реакции крови по отношению к аналогичному показателю у животных контрольной группы (Рис.29).

Алкоголь вызывает существенные нарушения в газовом состоянии крови. Развитие гипокапнии у животных опытной группы в вечерние часы (Рис.30) является компенсаторной реакцией на метаболический ацидоз, которая возникает вследствие гипервентиляции легких (Ю.А.Агапов, 1968).

Оценивая в целом степень нарушений кислотно-основного состояния (КОС) и состава газов крови, следует сделать заключение о развитии после алкоголизации субкомпенсированного метаболического ацидоза с удовлетворительной дыхательной компенсацией. Нарушения в циркадианной временной организации показателей кислотно-основного состояния и газового состава крови, после введения алкоголя, свидетельствуют о состоянии глубокой внутренней десинхронизации.

Таким образом, можно утверждать, что исходное состояние хроноструктуры циркадианного ритма сердечно-сосудистой системы определяет направленность и степень повреждения сердца при модельном стресс-воздействии. Алкоголь, введенный в вечернее время, вызывает меньшее повреждающее действие, и достижение конечной цели - образование необходимого количества АТФ - решается адекватно запросам такой важнейшей структуры организма, как миокард. Поэтому гомеостатическая функциональная система обеспечивает организму нужный конечный результат (сохранение сократительной функции миокарда на должном уровне), хотя отдельные функции и параметры (кислотно-основное состояние и состав газов крови) при этом весьма значительно отличается от нормы.

Введение алкоголя в утреннее время приводит к глубоким ответным процессам, затрагивающим несколько функциональных систем. Также как и в вечерней опытной группе, наблюдаются явления внутренней десинхронизации на уровне показателей кислотно-основного состояния (КОС). Однако, если введение алкоголя в вечерние часы не вызывает нарушений на клеточном уровне, то в утренней группе отмечены значительные изменения ультраструктуры миокарда с падением его функции.

Из результатов моделирования адаптационного стресса, вызванного внешними факторами воздействия можно сделать следующие заключения:

В результате воздействия на животных модельного внешнего фактора происходит серьезное нарушение механизмов нормального функционирования сердца и разобщение взаимоотношений между уровнем сосудистого тонуса и сократительной активностью миокарда.

Наблюдающиеся изменения в деятельности сердца свидетельствуют о возникновении десинхроноза сердечно-сосудистой системы: происходит падение абсолютных значений показателей сократительной функции сердца, то есть снижение его работоспособности;

наблюдаются нарушения в циркадианной временной организации показателей кислотно-основного состояния (КОС) и газового состава крови; происходит нарушение суточной хроноструктуры ритмов, стирание их циркадианной динамики;

направленность и степень повреждения сердца при модельном стресс-воздействии зависит от исходного состояния хроноструктуры циркадианного ритма сердечно-сосудистой системы в момент воздействия внешнего фактора.



ГЛАВА 7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ГЕОМАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ НА ЖИВОТНЫХ

7.1 Условия проведения исследований

Во время описываемых экспериментов с кроликами в период осеннего равноденствия 21, 22 и 23 сентября 1984 г., как уже отмечалось в Главе 4, произошли две геомагнитные бури. 21 и 22 сентября наблюдалась фаза восстановления первой бури и начальная фаза второй бури. 23 сентября происходила главная фаза последовавшей за первой второй сильной геомагнитной бури планетарного масштаба. Это позволило пронаблюдать в лаборатории биологические эффекты такого до недавнего времени мало признаваемого внешнего стрессорного фактора, как резкие изменения геомагнитного поля (см. Главу 1). К особенным удачам проведенного исследования относится то обстоятельство, что удалось проследить эффекты, характерные для всех фаз геомагнитной бури, по всей очевидности, усиленные тем обстоятельством, что две бури следовали одна за другой. Предварительные качественные результаты эффектов бурь в наших экспериментах, полученные методами кластерного анализа, обсуждались в Главе 4. Они свидетельствовали о влиянии геомагнитной активности на систему транспорта кислорода и потребление кислорода тканями, а также о значительном влиянии ее на сократительную функцию сердца. В данной Главе будет предпринят детальный количественный анализ эффектов магнитных бурь.

Выявление эффектов геомагнитных бурь представляются достоверными, поскольку на протяжении ряда сезонов измерения велись одними и теми же методами и в стабильных лабораторных условиях. Это позволяет иметь хорошо установленную “норму” отсчета, характерную для данного сезона в геомагнитно - спокойных условиях, и статистически достоверно выделить эффекты бури на фоне сезонных изменений, а также исключить какие-либо случайные эффекты.

Нет необходимости приводить описание измеряемых параметров и методов их регистрации, поскольку, как исследования функциональных характеристик сократительной функции сердца, кровяного давления и т.д., так и исследования ультраструктуры кардиомиоцитов были традиционно теми же, что и при исследованиях суточно-сезонных эффектов и моделировании десинхроноза, и они описаны в Главе 2. Как и в предыдущих главах, изучаемые показатели работы сердца определялись в конкретной “часовой” группе из 5 животных или по среднегрупповым значениям.

Планетарная магнитная буря относилась к разряду больших геомагнитных бурь, вызванных взаимодействием с магнитосферой Земли высокоскоростных потоков солнечного ветра, выброшенных из корональной дыры на Солнце, которая пересекла его центральный меридиан на третьи сутки эксперимента (Космические данные, №1, 1985).

Анализ Dst- вариаций, характеризующих геомагнитную активность в период проведения биологического эксперимента, свидетельствовал, что 19 сентября 1984 г. между 10 и 13 часами началась умеренная магнитная буря. Во время главной фазы этой бури с активным периодом 19.09 от 18 до 23 часов (Рис.31) Dst-вариация , как это и характерно для геомагнитной бури, резко уменьшалась от значений +15 до -73, что сопровождалось резким возрастанием всех индексов геомагнитной активности: трехчасовые значения Кр-индекса достигали величины Кр=6, а Ар соответственно достигал 80. Последовавшая за главной фазой фаза восстановления продолжалась 20 и 21, частично 22 сентября, причем Кр-индекс все это время варьировал вблизи значения 3. Этому периоду соответствует в среднем Dst= -20.

Dst -вариация, Aр и Kp - индексы геомагнитной активности. Период исследований 21-23 сен. 1984 г. отмечен штриховкой. Видно, что во время главных фаз обеих бурь (ВС1 и В2) Ар и Кр индексы существенно возрастали.

Таким образом, биологический эксперимент на кроликах начался 21.09 в 0 часов в фазе восстановления умеренной планетарной бури и продолжался 22.09, в основном, в период, когда геомагнитное поле “успокаивалось” и все его характеристики имели умеренное значение. 22.09 в 20 часов началась новая планетарная буря. Активный период этой сильной бури приходится на 23.09 с 13 часов, а пик главной фазы - на 17 часов этого дня. Минимальное значение Dst =-75 приходилось на 17 часов 23.09; остальную часть суток 23.09 (после 17-18 часов) и вплоть до 0 часов. 24.09 Dst возрастает до -4, то есть начинается фаза восстановления этой второй бури. Таким образом, биологический эксперимент проводился во время фазы восстановления умеренной геомагнитной бури 21.09 ( С1) , охватив начальную фазу следующей за ней сильной бури 22.09 с 2 до 20 часов (А2) , с 20 часов 22.09 и до конца следующих суток 23.09 он происходил уже во время главной фазы большой планетарной бури (В2), когда Ар индекс достигал значений 111, захватив в последние часы суток самое начало ее фазы восстановления (С2) .

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

В Таблице 9 проведено сопоставление функциональных характеристик сердечно-сосудистой системы кроликов, измеренных в день главной фазы бури 23 сентября 1984 г, с теми же характеристиками, измеренными в геомагнитно спокойных условиях. Кролики во время исследований в геомагнитно спокойных условиях принадлежали к той же самой породе по всем исходным характеристикам и наблюдались также в сезон осеннего равноденствия, но в 1980 г. Напомним, что исследования кроликов продолжались несколько лет с целью выявления сезонных эффектов, поэтому все остальные условия наблюдений сохранялись стабильными.

Сопоставляя показатели кислотно-основного состояния крови по фазам магнитной бури, можно отметить выраженную динамику его изменений.

Во время фазы восстановления первой магнитной бури (С1) наблюдаются явления метаболического ацидоза, о чем свидетельствуют значения таких показателей как дефицит буферных оснований (ВЕ - 4,280,73 мэкв/л) и активная реакция (рН) крови (7,360,001) (См. также раздел 4.5. первые сутки, Главы 4).

В начальной фазе второй бури (А2) картина крови мало чем отличается от фазы восстановления первой магнитной бури (С1), а именно, наблюдается сходная динамика количества СЖК, сохраняется их антифазная зависимость с AVPO2 - артерио-венозной разницей по кислороду, и сократительная функция сердца, достигнув минимальных значений, в течение суток практически не изменяется. На этой фазе бури (А2) можно наблюдать явления, характерные для стадии резистентности, а именно, развитие острого десинхроноза сердечно-сосудистой системы. Корреляционный анализ взаимоотношений между показателями сократительной функции левого и правого желудочков сердца, сосудистого тонуса, парциального напряжения кислорода в артериальной крови показывает отсутствие связи между их суточными колебаниями. Остается на прежнем уровне только связь между показателями систолического и диастолического артериального давления (APMAX, APMIN).

Высокая сократительная функция сердца, синхронная работа его отделов во время фаз восстановления как первой, так и второй геомагнитных бурь (С1 и С2) требует адекватного энергообеспечения, а, как известно, важным донатором энергии являются свободные жирные кислоты, для окисления которых требуется большое количество кислорода. В это время на фоне высокого содержания кислорода в крови происходит интенсивное использование СЖК, концентрация которых резко уменьшается, и поэтому всем пикам сократительной функции сердца соответствует снижение содержания кислорода в артериальной крови и соответствующее уменьшение артерио-венозной разницы по кислороду.

Во время главной фазы бури изменяется направленность внутрисуточных колебаний показателей сократительной функции сердца и их взаимосвязь, как между собой, так и с содержанием СЖК и кислорода в крови. В это время (В2) количество кислорода в крови уменьшается, вследствие чего возрастает содержание СЖК, которые не утилизируются миокардом в полной мере. По мере нарастания геомагнитной активности происходит снижение интенсивности метаболических и регенераторных процессов, значительно изменяется рН крови от 7,360,001 до 7,430,02 (р<0,001), происходит накопление недоокисленных буферных оснований, количество кислорода в артериальной крови (APO2), уменьшается сократительная функция сердца,

Таким образом, из анализа функциональных характеристик деятельности сердца подопытных животных можно сделать вывод, что магнитная буря приводит к однотипным изменениям структуры циркадианного ритма различных систем, органов, тканей и т.д. Это выражается в изменении величин различных функциональных показателей (в сторону увеличения или уменьшения), в изменениях корреляционных взаимоотношений между различными показателями, в возникновении феномена угасания амплитуды циркадианного ритма показателей и падении сократительной функции сердца..

7.3 Анализ ультраструктуры кардиомиоцитов подопытных животных во время геомагнитной бури

Увеличение геомагнитной активности приводит к значительным изменениям ультраструктуры кардиомиоцитов. В период фазы восстановления первой бури (С1) состояние митохондриального аппарата принципиально не отличалось от сезонной нормы, например, от ультраструктуры кардиомиоцитов, полученной в сентябре 1980г в геомагнитно спокойных условиях. Митохондрии при этом равномерно распределены по клетке, иногда наблюдаются их скопления в околоядерной зоне. Отмечаются явления полиморфизма, небольшого набухания органелл. Наружная оболочка большинства митохондрий четко двухконтурна, хотя у части органелл наружная мембрана утолщена и имеются явления ее разрушения. Кристы плотные, частью фрагментированные. Матрикс подавляющего большинства митохондрий плотный, но в некоторых органеллах наблюдаются явления его просветления.

Корреляционный анализ между показателями сократительной функции левого и правого желудочков сердца и объемом митохондрий показывает, что между ними существует сильная положительная достоверная связь (коэффициент корреляции +0,76 и +0,81; р<0,05 соответственно), описываемая формулой: y = b + xm , где b = 218 и m = 0,05 для левого желудочка и b = 24,6 и m = 9,55 для правого желудочка.

В начальной фазе второй бури (А2) можно отметить значительные изменения ультраструктуры миокарда. Клеточная мембрана разрыхлена, имеются явления нарушения целостности ее наружного листка. Появляется большое количество аркад, заполненных митохондриями. Выражены явления межклеточного отека.

В цитоплазме имеются единичные исчерченные липидные включения. Мембрана клеточных ядер в подавляющем большинстве инвагинирована. Отмечаются явления маргинации хроматина, а в некоторых ядрах очаги его вымывания. Капилляры имеют утолщенную стенку, в некоторых случаях окруженную коллагеновой муфтой. Количество лизосом несколько выше, чем в предыдущие сутки.

В миофибриллах наблюдаются массированные очаги гомогенизации. Вставочные диски утолщены, границы их расплывчаты. Миофибриллы отечны, волокнисты. Большинство из них имеют участки разрывов и расплавления, что является, как и инвагинация ядерной мембраны, характерной чертой именно для этой фазы.

Митохондрии в подавляющем большинстве находятся в состоянии значительного набухания с явлениями нарушения наружного листка мембраны. В большинстве митохондрий - явления вакуолизации матрикса. Многие митохондрии находятся в состоянии деструкции и деградации. Кристы сильно фрагментированы, их количество в одной средней митохондрии или их суммарное количество в средней электронограмме в 2 раза меньше, чем в фазе восстановления.

Также в два раза снизился коэффициент энергетической эффективности митохондрий (с 3,90,8 до 1,90,2). Набухание митохондрий, фрагментация крист, уменьшение их количества, вакуолизация матрикса, деструкция и деградация митохондрий - это характерные черты для начальной фазы бури.

Объем митохондрий становится намного больше, чем в фазе восстановления бури С1, и между объемом митохондрий и показателем сократительной функции левого и правого желудочков сердца характер корреляционной связи резко изменился. Связь стала отрицательной, сохраняя силу и достоверность (коэффициент корреляции -0,73 и -0,81 соответственно), что свидетельствует о том, что дальнейшее увеличение объема органелл приводит к падению сократительной функции сердца.

Главную фазу магнитной бури (В2) характеризуют следующие особенности ультраструктуры кардиомиоцитов. Увеличивается количество сосудов, окруженных коллагеновыми муфтами. Наблюдаются клеточные ядра с явлениями маргинации хроматина, с частичным вымыванием матрикса. В миоцитах в дневное время суток очень много первичных и вторичных лизосом. Значительно увеличивается количество гликогена. Характерной чертой этой фазы бури является расширение канальцев СПР.

КЭЭМ сохраняется на уровне предыдущих значений. Объем митохондрий меньше, нежели в начальной фазе магнитной бури, но больше, чем в фазе восстановления бури. Связь между объемом митохондрий и сократительной силой сердца отсутствует, сократительная функция сердца продолжает снижаться.

Рассматривая среднесуточные значения показателей сердечно-сосудистой системы, а также показателей, привлеченных для выявления механизма воздействия геомагнитной активности, можно отметить следующие обобщающие факты.

По данным корреляционного анализа сильная достоверная положительная связь (коэффициент корреляции +0,998; р<0,01) существует между объемом митохондрий и содержанием в крови свободных жирных кислот. В сочетании с тем, что коэффициент корреляции между СЖК и суммой крист в одной средней электронограмме равен -0,988, а сумма крист тесно связана с объемом митохондрий (коэффициент корреляции -0,95), можно сделать следующий вывод. Свободные жирные кислоты, в избытке поступающие из крови в сердечную ткань, очевидно, подавляют энергообразующую функцию митохондрий, вызывая их резкое набухание. Как следствие этого, происходит пространственное разобщение крист между собой и снижение, в конечном итоге, энергообразования. Этот вывод также подтверждается корреляционной связью (коэффициент корреляции -0,92) между объемом митохондрий и КЭЭМэг .

Представляет интерес сопоставить приведенные здесь данные с данными, полученными В.А.Фроловым с соавт. (1986) на основе результатов анализа ультраструктуры миокарда методом растровой электронной микроскопии. Эти результаты дают следующую картину по дням:

21.1Х. (С1, фаза восстановления) состояние митохондрий левого желудочка сердца принципиально не отличалось от такового в другие сезоны. Обращает на себя внимание наличие очень большого количества мелких митохондрий в 3 часа. Очаговые скопления митохондрий отмечаются также в 9 и 15 часов. В 6, 9 и 21 час выражены явления деградации митохондрий в основном путем десквамации наружных мембран.

22.1Х. (С1+А2, фаза восстановления первой бури + начальная фаза второй магнитной бури) отмечалось снижение общего количества митохондрий и значительное набухание большинства этих органелл. Во все сроки исследования ярко выражена деградация митохондрий, причем в отличие от предыдущих суток она происходила не путем десквамации наружных мембран, а в результате появления в наружных мембранах набухших митохондрий разрывов с последующей деформацией и сморщиванием органелл.

23.1Х. (главная фаза бури, В2) количество митохондрий в сердечных миоцитах резко снижено, большинство из них находится в состоянии выраженной деструкции, особенно - в 3, 12 и 18 часов. Характерной является деформация наружных митохондриальных мембран. Объем митохондрий меньше, нежели 22.1Х., но больше, чем 21.1Х. В цитоплазме отмечается большое количество мелких бесформенных и нитевидных конгломератов слабой электронной плотности.

Из данных таблицы следует, что объем митохондрий и показатель, отражающий сократительную функцию сердца, характеризуются четко выраженной суточной динамикой, причем митохондрии имеют выраженную тенденцию к набуханию во вторые сутки, а VPMAXLV - четкую направленность к снижению по мере развития геомагнитной бури. Корреляционный анализ показал, что 21.1Х. между объемом митохондрий и VPMAXLV существует сильная положительная достоверная связь (r = +0,76; p<0,05 ), носящая параболический характер и описываемая формулой: y = bxm, где b = 218,4 и m = 0,05. На следующий день (фаза восстановления + начальная фаза) 22.09 эта связь превращается в сильную достоверную отрицательную ( r = -0,73; p<0,05 ), имеющую характер линейной зависимости, описываемой формулой: y = bx, где b = 235,7. Во время главной фазы магнитной бури 23.09 исчезает связь между этими показателями.

Таким образом, все данные свидетельствуют, что магнитная буря нарушает свойственное интактному сердцу энергетическое обеспечение митохондриальным аппаратом сократительного акта. По-видимому, это связано с резким набуханием митохондрий, ведущим к пространственному разобщению энергообразующих комплексов, расположенных на митохондриальных мембранах, и снижению выхода энергии. Кроме того, к такому эффекту может привести и возросшая деструкция митохондрий, отмеченная в начальной фазе геомагнитной бури. Нельзя не учитывать и еще один фактор. По данным корреляционного анализа между объемом митохондрий и содержанием в крови свободных жирных кислот (по среднесуточным значениям, согласно которым концентрация СЖК в крови составляла: 21.1Х. - 34,515; 22.1Х. - 25395; 23.1Х. - 14041 нмоль/мл) существует сильная достоверная положительная связь ( r = +0,998; p<0,01 ). Известно, что свободные жирные кислоты подавляют энергообразующую функцию митохондрий и вызывают их набухание, что в конечном итоге снижает обеспечение миокарда энергией. Возможно также и непосредственное повреждающее влияние магнитной бури на митохондриальные мембраны, поскольку известно, что магнитные поля нарушают трансмембранный транспорт воды и ионов.

7.4 Обобщение и выводы

Подводя итоги данному разделу лабораторных исследований животных можно сделать следующее заключение. Воздействие магнитной бури приводит к значительным изменениям морфофункционального состояния их сердца и систем, связанных с его деятельностью. Эти изменения различны в определенные фазы геомагнитной бури.

Поскольку во время эксперимента начальная фаза второй геомагнитной бури наложилась на фазу восстановления первой бури, то динамика исследуемых показателей наблюдалась как бы по обратному сценарию. Поэтому анализ данных и итоги проведенных исследований были представлены здесь именно в той последовательности, как они наблюдались. В выводах же, однако, мы охарактеризуем эффекты бури в соответствии с реальной последовательностью ее фаз.

Из анализа приведенных выше результатов и сопоставления их с результатами лабораторного моделирования адаптационного стресса у кроликов и кластерного анализа тех же данных, приведенных в Главе 7 и 4 соответственно, вытекает концепция, что магнитная буря является стресс-фактором, сопровождающимся значительной перестройкой деятельности сердца интактных животных. Приведенная ниже схема кратко суммирует основные характеристики этого воздействия геомагнитной бури, включая характеристики ультраструктуры клеток сердечной ткани.

...