Влияние солнечной активности на биологические объекты
Поиски линейной корреляции популяционных медицинских рядов данных с индексами геомагнитной активности. Временная структура гелиогеомагнитных и биологических ритмов. Анализ вариаций частоты сердечных сокращений у здоровых людей в обычных земных условиях.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.10.2018 |
| Размер файла | 58,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
Влияние солнечной активности на биологические объекты
01.03.03 - Физика Солнца
03.00.02 - Биофизика
доктора физико-математических наук
Бреус Тамара Константиновна
Москва 2003 г.
Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук
Научный консультант: док. мед. наук, профессор С.И.Рапопорт, ММА им. И.А.Сеченова, г. Москва
Официальные оппоненты:
док.физ.-мат.наук, А.А. Нусинов, зав. лабораторией Солнечно-земных связей -главный научный сотрудник, Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Фёдорова Росгидромета.
В. И. Макаров, Отдел Физики Солнца, ГАО РАН, г. Санкт Петербург.
док.физ.мат.наук, профессор Д.С.Чернавский, ФИАН, г. Москва.
док.биол.наук, профессор М.Н.Жадин, Ин-т биофизики клетки РАН, г. Пущино, Моск.обл.
Ведущая организация : Институт земного магнетизма и распространения радиоволн Российской Академии Наук
Защита состоится “14” ноября 2003г. в 11часов на заседании диссертационного совета Д 002.113.03 Института Космических исследований РАН по адресу: 117 997 Москва, Профсоюзная улица 84/32, 2-ой подъезд, конференц-зал
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.
Автореферат разослан «13»октября 2003 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физико-математических наук Буринская Т.М.
популяционный медицинский геомагнитный земной
Общая характеристика работы
В диссертации сделана попытка разрешить давно назревшие противоречия в проблеме влияния солнечной активности (СА) на биологические объекты и дать однозначные и достоверные ответы как на вопрос о существовании подобных эффектов, так и на возможные причины и механизмы их действия. Следует подчеркнуть, что в последнее десятилетие наблюдается повышенный интерес к космической погоде и её влиянию на экологические, социальные и экономические условия существования человеческого общества. Работа представляет собой результаты многолетних (около 20 лет) целенаправленных экспериментальных и статистических исследований эффектов воздействия космической погоды на биологические объекты, включая организм человека.
Актуальность проблемы
1.1. Состояние проблемы
Проблема воздействия солнечной активности (СА) на биосферу имеет достаточно продолжительную историю. Ее основоположником считается А.Л.Чижевский, в трудах которого в 30-50 годы XX века было выявлено наличие синхронных вариаций медико-биологических показателей в больших регионах земного шара в мировом масштабе. К классическим работам того времени относятся обнаружение синхронных изменений в возникновении эпидемий и ритмических изменений общей смертности населения земного шара за период от V века до первой четверти прошлого столетия. Некоторые другие биологические показатели (скорость роста деревьев, миграция рыб, массовое размножение микроорганизмов и др.) также свидетельствовали о существовании факторов воздействия, по-видимому, связанных со свойствами околоземного пространства в целом и процессами на Солнце, вызывающими глобальные изменения в биосфере.
Бурное развитие геофизических и космических исследований в 60-70-е годы радикально изменило представления об околоземном и межпланетном пространствах. Открытие солнечного ветра и магнитосферы Земли привело к появлению представлений о новых факторах СА, связанных с корпускулярным излучением Солнца и межпланетным магнитным полем (ММП), которые могли оказывать влияние на электромагнитные свойства среды обитания биологических объектов.
В эти годы был накоплен обширный материал по поиску корреляций различных проявлений СА с функциональными и морфологическими характеристиками биологических систем. К концу 70-х годов обилие работ на эту тему свидетельствовало о значительном интересе к проблеме. Была создана специальная подкомиссия при Научном совете по геомагнетизму в Академии наук СССР, которой предписывалось координировать и осуществлять экспертизу по проблеме. Всерьез обсуждалась также возможность открытия отделения по гелиобиологии в Академии наук.
1.2.Скептицизм и его причины
К началу 80-х годов, однако, всеобщий энтузиазм исследователей сменился во многих случаях глубоким скептицизмом. Для этого имелись серьезные причины.
Из-за междисциплинарного характера проблемы в подавляющем большинстве опубликованных работ достоверность обнаруженных корреляционных связей вообще не обсуждалась, в то время как результаты исследований были порой противоречивыми. Так, например, американскими специалистами были проведены статистические исследования за 4 года случаев смертности от коронарной недостаточности и инсультов головного мозга (275 млн. показателей). В этих исследованиях не были обнаружены статистически значимые линейные корреляции медицинских и гелиогеофизических параметров, что способствовало возникновению серьезного скептицизма по отношению к данной проблеме на Западе.
Вследствие значительного прогресса в космических и геофизических исследованиях вариации естественных электромагнитных полей (ЭМП) постепенно выдвинулись на роль основного биотропного фактора. Оказалось, однако, что интенсивность этих природных полей чрезвычайно мала и имеет существенно меньшую величину, чем электромагнитный шум, порождаемый технологической деятельностью человека. Оценки свидетельствовали также, что величина естественных ЭМП, проникающих во внутренние ткани и органы живых организмов, должна соответствовать уровню термодинамических шумов клетки, что, как представлялось, не может иметь ощутимых последствий.
Имеется более сотни публикаций с результатами лабораторных экспериментов по выявлению эффектов воздействия сверхнизкочастотных ЭМП очень малой амплитуды, сопоставимой с амплитудой естественных ЭМП, на клетки тканей и костей. Однако лабораторные эксперименты в ряде случаев не давали однозначных результатов и отличались плохим воспроизведением.
Наконец, что также существенно, имелся серьезный дефицит убедительных теоретических концепций о механизмах воздействия слабых электромагнитных сигналов на биологические объекты.
Несмотря на упомянутые выше обстоятельства, в нашей стране изучение эффектов солнечной активности продолжалось и велось широким фронтом (всесоюзная программа синхронных измерений ГЛОБЭКС-80, например, охватила 30 медицинских учреждений в разных районах страны). Однако результаты продолжали оставаться противоречивыми.
Таким образом, в 80-е годы обсуждающаяся проблема была серьезно скомпрометирована, и ситуация с ней требовала детального анализа.
1.3. Развитие дисциплин, сыгравших роль в прогрессе проблемы
К середине 80-х и в начале 90-х годов неожиданно наметился прогресс в ряде дисциплин, как представляется, весьма важных для гелиобиологии.
Одной из таких дисциплин является теория переходов, индуцированных шумом, и ее практические приложения к биологии. Биологические объекты, как известно, представляют собой сложные открытые нелинейные системы, для поведения которых эффекты влияния слабого внешнего шума являются, в противоположность интуитивным представлениям, фундаментальными. Внешний шум может играть активную роль в процессах самоорганизации этих систем.
Эти концепции, очевидно, могли в значительной степени разрешить проблему энергетического парадокса воздействия слабых природных ЭМП уровня шума на биологические системы. Очевидно также, что неоднозначность реакций сложных нелинейных систем на слабые воздействия является их характерным свойством, и что она зависит не только от воздействующего фактора, но и от состояния самой системы. Это могло, в частности, объяснить упоминавшуюся выше неоднозначность и плохую воспроизводимость лабораторных экспериментов по воздействию слабых искусственных ЭМП на живые объекты.
Однако поначалу эти концепции не привлекли к себе пристального внимания специалистов, занимающихся гелиобиологией.
Другими важными дисциплинами, повлиявшими на становление новых плодотворных идей в гелиобиологии, стали хронобиология (или биоритмология, как ее называют в нашей стране) и хрономедицина.
Сравнительно недавно гелиобиологи обратили внимание на то, что характерной чертой биологических систем являются биоритмы. Последние определяются, по-видимому, как самой природой биосистем, их генетическим аппаратом, так и внешними воздействиями.
Биоритмология и хрономедицина, как науки, занимаются вопросами временной организации биологических объектов, исследованием её формирования в процессе эволюции, внешними факторами, заводящими "биологические часы", а также исследованием процесса интеграции в генетическую структуру живых организмов ритмов внешних датчиков. Эти области науки, как представляется, выдвинулись на передний план в рассматриваемой проблеме.
Накопленный биоритмологами опыт убедительно свидетельствовал, что многие биоритмы синхронизируются гелиогеофизическими колебательными процессами соответствующих периодов. Например, в настоящее время известно около 400 околосуточных (циркадианных) ритмов (с периодом колебаний 20-28 часов). Естественным времядатчиком, сформировавшим в процессе эволюции эндогенную циркадианную ритмику, считается ритм солнечной освещенности (чередование дня и ночи) и, соответственно, ритмы температуры, определяемые собственным вращением Земли. Однако в остальных случаях, даже в простейших из них, далеко не всегда удавалось выявить внешний синхронизатор, а в случае успеха он мог иметь и не гелиогеофизическое происхождение (например, социальное).
Цели диссертации и направленность исследований
Противоречивость, неоднозначность результатов исследований, отсутствие оценок их достоверности, ограниченность применявшихся для анализа методов привели к тому, что одной из первых и важнейших задач, стоящих перед диссертантом, была проверка самого существования эффектов воздействия СА на биологические объекты. В связи с этим представлялось актуальным:
провести статистические исследования на адекватном банке популяционных данных;
- попытаться разрешить некоторые из существующих противоречий в проблеме,
- разработать новые методические подходы к решению проблемы;
- выявить биотропные факторы солнечной активности;
- приблизиться к пониманию возможных механизмов воздействия.
Прежде всего, необходимо было подобрать эквидистантные и достаточно объемные для статистических исследований банки данных с медико-биологической информацией и соответствующие им банки данных гелиогеофизической информации. Необходимо было также провести исследования, используя весь спектр современных математических средств анализа.
В середине 80-х годов были начаты подобные исследования совместно Академической группой Академии медицинских наук СССР, под руководством академика РАМН Ф.И.Комарова и профессора, д.м.н. С. И. Рапопорта (Клиника пропедевтики внутренних болезней ММА им. И.М.Сеченова), и группой сотрудников Института космических исследований РАН, под руководством автора данной работы.
В начале 90-х годов автором была предложена гипотеза о влиянии СА на биологические объекты, опирающаяся на основные концепции упомянутых в предыдущем разделе новых дисциплин. Согласно этой гипотезе, основанной на свойствах нелинейности биологических систем и их чувствительности к сигналам уровня шума, ритмы гелиогеофизических показателей являются внешними синхронизаторами биологических ритмов, которые сформировали соответствующие эндогенные ритмы биологических систем в процессе их эволюции. Вследствие этого реакция биологических объектов на сбои ритмов внешнего синхронизатора, в частности, гелиогеомагнитную активность, должна быть адаптационной стресс-реакцией того же типа, что и адаптационный стресс, возникающий при трансконтинентальных перелетах из-за нарушения синхронизации фаз суточных ритмов с локальным временем. Подобная реакция может носить и необратимый характер у организмов, адаптационная система которых работает неадекватно из-за патологии или перенапряжения, то есть эффекты солнечной активности должны наиболее отчетливо проявляться именно в таких «группах риска».
Эта гипотеза вызвала значительный интерес у международного научного сообщества, и к усилиям упомянутой объединенной российской группы присоединились один из основателей хронобиологии, профессор Ф.Халберг из Университета в Миннесоте (США) и Ж. Корнелиссен - директор Центра по хронобиологии того же университета. Позднее они привлекли к работе как группу специалистов из своей лаборатории, так и обширную международную кооперацию.
Фактически, к проводившимся автором диссертации исследованиям подключился и продолжает работать в настоящее время обширный коллектив различного рода специалистов из «Международной инициативной группы - «Хроном от рождения до смерти»» (International Womb to Tomb Chronome Initiative Group), который под влиянием обсуждаемых здесь работ стал разрабатывать программу БИОКОС (Биосфера и Космос).
С помощью создавшейся кооперации автору удалось существенно расширить банки медико-биологической информации, дополнить их уникальными данными длительного (многолетнего) медицинского мониторирования в различных возрастных группах людей и в различных регионах земного шара, а также провести совместно ряд лабораторных наблюдений над микробами, одноклеточными организмами и животными.
Основные положения, выносимые на защиту
Новый подход к решению проблемы влияния СА на биологические объекты, основанный на использовании спектральных методов анализа. Применявшиеся в предшествовавших диссертации работах методы поиска связи гелиогеофизических и медико-биологических рядов данных приводили к неоднозначным результатам и низким значениям коэффициентов линейной корреляции (например, на уровне 0, 18 (P < 0,05) по набору около 80 000 медицинских показателей).
Результаты анализа временной структуры гелиогеофизических ритмов и их динамики, позволяющие объяснить причины существования околонедельных ритмов геомагнитной активности и выявить потенциально биотропные показатели солнечной активности:
- присутствие околонедельных компонент в спектрах вариаций магнитных полей Солнца и площади солнечных пятен;
- присутствие околонедельных компонент в спектрах вариаций Bz - компоненты ММП и Кр- индекса геомагнитной активности и сходство их динамики в цикле солнечной активности с динамикой магнитных полей Солнца и с вариациями площади солнечных пятен;
- одинаковый характер поведения во времени (изменчивость характеристик) ритмов чисел Вольфа и потока радиоизлучения F(10, 7), а также отсутствие в их спектрах с периодами меньше 28 дней околонедельной компоненты.
- различный характер вариаций Кр - индекса геомагнитной активности и чисел Вольфа R(z) на фоне общего изменения солнечной активности в 11-летних циклах;
- заключение о том, что для поиска связей медико-биологических и гелиогеофизических ритмов наиболее показательными характеристиками солнечной активности являются величина и продолжительность существования отрицательных значений Bz ММП и Кр-индекс (или его эквивалент) геомагнитной активности, а не числа Вольфа, часто использовавшиеся в предыдущих исследованиях по проблеме. Именно у указанных выше показателей наблюдается сходная ритмическая структура с биологическими процессами в области периодов, соответствующих периодам собственного вращения Солнца (около -28 дней) и его гармоник и субгармоник (около -14; около -7 и около -3,5 дней);
Результаты, подтверждающие, что гелиогеомагнитные ритмы могли быть внешними синхронизаторами, сформировавшими эндогенные биологические ритмы соответствующих периодов:
а) Высокая когерентность спектров гелиогеомагнитных и медико-биологических ритмов в области периодов меньше 28 дней и больше суток;
б) Синхронность вариаций околонедельных ритмов гелиогеомагнитных и медико-биологических показателей в 11-летнем цикле солнечной активности.
Результаты, выявляющие то обстоятельство, что основной мишенью для воздействия гелиогеомагнитной активности на биологические объекты является сердце и сердечно-сосудистая система:
- Зависимость от изменения ориентации Bz -ММП и от 11-летнего цикла солнечной активности только числа инфарктов миокарда и смертности от инфарктов миокарда из 10 проанализированных заболеваний и травм (6 млн. показателей)
- Высокие коэффициенты корреляции околонедельных ритмов геомагнитной активности и основных функциональных показателей сердечно-сосудистой системы у детей. Ключевая роль околонедельных ритмов основных показателей сердечно-сосудистой системы, сходных с ритмами гелиогеомагнитной активности, в выживании биологических объектов.
5. Максимальная биотропность очень сильных планетарных геомагнитных бурь, для которых дополнительным индексом может служить сопровождающее их уменьшение интенсивности космических лучей (Форбуш-эффект) и наличие больших отрицательных значений Bz- компоненты ММП (< - 10нТл на протяжении 3-4 часов). Такие бури, как правило, связаны с приходом к Земле магнитных облаков, порождаемых корональными выбросами массы (CME).
6. Максимальная чувствительность биологических объектов к воздействию солнечной активности в состоянии неустойчивости - болезни или стресса, вызванного другими факторами:
- Наличие во время геомагнитных возмущений у 85% больных с патологией сердечно-сосудистой системы опасных расстройств сердечного ритма, повышения вязкости крови и повышения артериального кровяного давления.
- Десинхронизация биологических ритмов сердца у животных в состоянии стресса и существенное снижение его сократительной функции под воздействием геомагнитных возмущений.
- Наличие изменений сердечного ритма и регуляции сосудистого тонуса под действием геомагнитных возмущений у здоровых людей, находящихся под воздействием стресса, вызванного другими внешними факторами (например, у космонавтов во время полета на орбитальной космической станции).
6. Заключение о том, что геомагнитные бури оказывают слабые влияния на вегетативную нервную систему и сосудистый тонус у всех людей:
Снижение вариабельности частоты сердечных сокращений (стабилизация ритма сердца) у всех людей в качестве основной неспецифической реакции на геомагнитные возмущения. Эта реакция протекает по типу общего адаптационного синдрома, характерного для воздействия любого внешнего фактора, вызывающего стресс, такого как, например, физические и психо-эмоциональные перегрузки. Она может лежать в основе прогноза развития инфарктов и внезапной смерти, в основном, у людей с патологией сердечно-сосудистой системы.
Специфическая реакция, наблюдающаяся во время геомагнитных возмущений, сопровождается увеличением напряжения сосудистого тонуса и характерна для метеотропных реакций.
Научная новизна работы
Автором предложен новый подход к проблеме, основанный на современных представлениях теории переходов индуцированных шумов и биоритмологии, позволяющий преодолеть часть возникавших в проблеме противоречий, таких как неоднозначность и плохая воспроизводимость результатов. Этот подход позволяет также понять принципиальную возможность существования биологических эффектов СА. Выдвинута новая гипотеза о биологических эффектах воздействия солнечной активности, и поэтому доказательства справедливости этой гипотезы дали во многом пионерские результаты.
Выявлены и детально исследованы свойства гелиогеофизических и биологических ритмов в области коротких (инфрадианных) периодов (от 28 часов до 28 дней). Гелиогеофизические ритмы с периодами, соответствующими периоду собственного вращения Солнца и его гармоник, стали известны еще с начала космических исследований. Однако детальной структурой этих ритмов в области околонедельных периодов, а также их динамикой в цикле солнечной активности в 80-х годах, когда начались обсуждающиеся здесь исследования, никто практически не занимался.
В данной работе выявлена сосредоточенность мощности в спектрах Кр-индекса геомагнитной активности в области периодов около 28 и около 7 дней и показана их динамика в цикле солнечной активности. Продемонстрировано сходство короткопериодических ритмов геомагнитной активности с ритмами вариаций магнитных полей Солнца и площади солнечных пятен. Эти результаты подтверждают, что околонедельные ритмы геомагнитной активности связаны с формированием магнитных полей Солнца, контролирующих свойства ММП и солнечного ветра.
До того как были начаты исследования, представленные в данной работе, эндогенные биологические ритмы с периодом меньше 28 дней и около недели не привлекали к себе внимания биологов. Считалось что эти ритмы, наблюдавшиеся в ряде случаев на популяционном уровне по ритмам обострений различных заболеваний, имеют социальное происхождение. Биологическая неделя наблюдалась иногда и на структурных уровнях биологических объектов, не вовлеченных в социальные процессы, однако до недавнего времени не удавалось найти в природе внешнего фактора, который мог бы задавать подобный ритм. Причиной ее существования считалась внутренняя эволюция, - т.е. завершение интеграции каких-то внутренних процессов за недельный период, а не адаптация к ритмам факторов внешней среды, типичная для формирования эндогенных биологических ритмов.
В данной работе было показано существование упомянутых короткопериодных ритмов и, в частности, околонедельных периодов несоциального происхождения у биологических объектов на уровне клеток и органов, а также преобладание около-28 дневных и околонедельных ритмов несоциального происхождения в функциональных показателях сердечно-сосудистой системы новорожденных детей. Таким образом, биологическая неделя была отделена от социальной и сопоставлена с околонедельными ритмами солнечной активности.
Было впервые показано также, что инфрадианные биологические ритмы, по-видимому, сформировались раньше, чем суточный (циркадианный) ритм, обусловленный собственным вращением Земли и сменой освещенности и температуры. Как следует из проведенных исследований, организм недоношенных новорожденных детей, которых можно считать моделью эволюционного развития человеческого организма, обладает четко выраженным околонедельным ритмом основных функциональных показателей (частоты сердечных сокращений, артериального кровяного давления) с первой же недели после рождения. В то же время суточный ритм начинает созревать только к концу первого месяца после рождения, и начинает доминировать только в конце пятого месяца жизни. Продемонстрировано, что наличие именно такого соотношения околонедельных и суточных ритмов играет ключевую роль в аспекте выживания детей: в случае его нарушения дети подвержены синдрому внезапной смерти.
Показано, что гелиогеомагнитные ритмы могли быть синхронизаторами биологических ритмов, ответственными за формирование временной структуры биологических объектов в процессе их эволюции. А именно: помимо продемонстрированного сходства короткопериодных гелиогеомагнитных и биологических ритмов, показана их высокая кросс-корреляция, а также их синхронное изменение в цикле солнечной активности. Показано, что в связи с тем, что течение различных биологических процессов внутри организма имеет определенные временные постоянные, различные компоненты системы выбирают (отфильтровывают) в качестве синхронизатора своей внутренней ритмики те периоды ритмов солнечной активности, которые соответствуют этим временным постоянным.
Выявлено, что основными мишенями, на которые оказывает воздействие солнечная активность, являются сердце и сердечно-сосудистая система.
Показано, что максимальной биотропностью обладают очень сильные геомагнитные бури, возникающие, в частности, при взаимодействии с магнитосферой Земли магнитных облаков, сопровождающих корональные выбросы массы из Солнца (СME), и что существуют «группы риска», для которых воздействие геомагнитной активности может быть неблагоприятным.
Впервые проведено экспериментальное изучение десинхронизации ритмов сердца животных под воздействием геомагнитных бурь. Показано, что снижение сократительной функции сердца животных из-за десинхронизации под воздействием геомагнитных возмущений является типичной стресс-реакцией биологических объектов.
Показано, что геомагнитные возмущения в принципе вызывают реакцию адаптационного стресса, характерную для воздействия любых других внешних факторов стресса на биологические объекты, а также сопровождаются усилением напряжения сосудистого тонуса, характерным для метеотропных реакций.
В диссертации впервые к данной задаче применены методы спектрального и спектрально-временного анализа, т. е. новые математические подходы в отличие от использовавшихся ранее поисков линейных коэффициентов корреляции. Эти методы оказались более адекватными основным концепциям, на которые опирается данная работа.
Практическая и научная ценность работы
Полученные данные о свойствах короткопериодных биологических ритмов и выявление ритмов гелиогеофизических факторов как адекватного внешнесредового синхронизатора этих биологических ритмов имеют, по-видимому, принципиальное значение для биофизики. Они позволяют пересмотреть существовавшие до получения этих данных представления о формировании биологической недели за счет внутренней эволюции, в то время как считалось, например, что циркадианные ритмы возникли вследствие естественной адаптации к внешним ритмам.
Ряд результатов, полученных в работе, представляет практическую ценность. А именно:
Выявление временной структуры биоритмов сердца и сердечно-сосудистой системы детского организма в младенческом возрасте, а также в зрелом возрасте при наличии патологии имеет значение для ранней диагностики и профилактики таких серьезных функциональных катастроф, как синдром внезапной смерти.
Результаты исследований в «группах риска» представляются важными для разработки мер профилактики сердечно-сосудистых катастроф и планирования работы скорой медицинской помощи.
Результаты работы убедительно показали, что «феномен магнитных бурь» не представляет поголовной опасности для человеческой популяции, и что нужен целенаправленный адресный подход к прогнозу и мерам медицинской профилактики, в основном, в отделениях реанимации кардиологических клиник.
Выявление биоэффективности сильных планетарных геомагнитных бурь, связанных с магнитными облаками, порождаемыми корональными выбросами массы CME и сопровождающимися большими отрицательными значениями Bz-компоненты ММП, имеет значение для разработки концепций долгосрочного и краткосрочного прогнозов негативных влияний «космической погоды» на биологические объекты.
Личный вклад автора
Автором предложена новая концепция поисков воздействия солнечной активности на биологические объекты, предложены новые методы подхода к решению рассматриваемой проблемы, подготовлены банки данных гелиогеофизической информации и проведен ряд основополагающих исследований. Коллективные исследования, вошедшие в данную работу, осуществлялись, в основном, по предложенной автором идее группами исследователей, сформированными в большинстве случаев по предложению автора. Практически во всех опубликованных по теме диссертации работах автору принадлежит постановка научной задачи, предложение метода обработки данных и активное участие в интерпретации полученных результатов.
Апробация работы
Результаты работ докладывались неоднократно на международных конференциях и семинарах, из которых упомянем только - рабочее совещание по компьютерным методам в хронобиологии и медицине, сентябрь 1990 г. (Токио, Япония), коллоквиум КОСПАР (Комиссии по исследованию и использованию космического пространства) по международной программе «Solar -Terrestrial Energy Program» (Вашингтон, США) 1992г; четыре международных семинара «Корреляции биологических и физико-химических процессов с солнечной активностью и другими факторами окружающей среды» в Пущино (1983, 1990, 1993, 1996гг (Россия); IV конференция национальной группы по хронобиологии, (Испания) декабрь 1994; Y конференция Итальянского общества хронобиологов, июнь 1996г. (Италия); 2-ой Всемирный конгресс по клеточной и молекулярной биологии в Канаде (Оттава), сентябрь 1996г; 11-ый международный конгрессе ISSOL «Происхождение жизни», июль 1996 (Орлеан, Франция); международный конгресс по медицинской технологии и фармацевтике в ноябре 1998г. (Брно, Чехословакия), 22 -ая Ассамблея Международного союза по геофизике и геодезии, июль 1999г. (Бирмингам, Англия); международное совещание, проводимое Институтом прогрессивных исследований НАТО «Space Storms and Space Weather Hazards», Крит, Греция, июнь 2000; 2-й международный симпозиум «Рабочая группа по хроноастробиологии и хронотерапии, (Токио, Япония), ноябрь 2001г.; IAGA - IASPEI объединенная ассамблея, Ханой, Вьетнам, август 2001г.
Публикации
Работы по теме диссертации опубликованы в ряде отечественных и зарубежных журналов: COSPAR Colloquim Series; «Annales de Geophysicae»; «Биофизика»; Труды Пущинских семинаров; “Вестник Российской академии медицинских наук”; «Терапевтический Архив»; «Chronobiologia»; «Biologia»; «Physica Medica»; «Scripta Medica»; «Природа»; в сборниках трудов конференций; в Трудах медицинских семинаров Миннесотского университета; препринтах ИКИ.
Список трудов автора по проблеме содержит 75 работ. В соавторстве с коллегами опубликованы три монографии.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из 10 глав; содержит 67 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 222 наименований. Общий объем диссертации 275 стр.
Диссертант выражает искреннюю и глубокую благодарность академику РАМН Ф.И. Комарову, профессору, д.м.н. С.И. Рапопорту, профессору, д.м.н. Р.М. Баевскому, д.м.н. Е.В. Сюткиной, д.м.н. Т.Д. Большаковой, д.м.н. Н.К. Малиновской, профессору, д.м.н. С.М. Чибисову за предоставление медико-биологических данных и сотрудничество при проведении их анализа и интерпретации; иностранным специалистам - профессору Ф. Халбергу, д.ф.м.н. Ж. Корнелиссен, а также профессорам С. Бинхаму, М. Вейдел, Й. Ватанабе и К.Отсука за предоставление экспериментальных данных и сотрудничество в их обработке и анализе; профессорам д.ф.м.н В.Н. Ораевскому и д.м.н Р.М. Заславской за неизменную поддержку работы, полезные консультации и помощь в освоении гелиогеофизических данных и медицинского материала. Автор сердечно благодарит также своих коллег - специалистов различного профиля и учеников, совместными усилиями которых получены многие результаты данной работы.
Содержание работы
В ГЛАВЕ 1 диссертации рассматривается состояние исследований по проблеме, обсуждается ее актуальность и описаны постановка задачи и использованные методические подходы.
В ГЛАВЕ 2 проведен анализ специальной литературы, относящейся к проблеме влияния СА на биологические объекты и человеческий организм, предшествовавшей обсуждаемым в диссертации исследованиям и стимулировавшей проведение ряда специальных экспериментов в настоящей работе. Обзор литературы выявил существенное противоречие между результатами клинических исследований, включающих также лабораторные эксперименты, и результатами крупномасштабных статистических исследований популяционных медицинских данных. В случае статистических исследований при использовании длинных временных рядов медицинских данных, в основном полученных для городов с сильным социальным фоном, со статистической достоверностью обнаруживалась только чрезвычайно низкая связь проявлений солнечной активности с медико-биологическими показателями (или ее отсутствие). В случае же клинических и лабораторных исследований, напротив, достоверно выявляется ряд эффектов солнечной активности в показателях сердечно-сосудистой системы и системы крови. Выводы из Главы 2 позволили определить направления для планировавшихся в данной работе клинических и лабораторных исследований, а также привели к необходимости проверки результатов статистических исследований для прояснения причин возникших противоречий.
ГЛАВА 3 диссертации посвящена проверке существования биологических эффектов солнечной активности на популяционном медицинском материале, формированию новых методических подходов и концепции дальнейших исследований. Анализировался банк данных скорой помощи г. Москвы за 1979-1981 г. (около 7 млн. вызовов по поводу 10 различных патологий, включая инфаркты миокарда, гипертонические кризы, инсульты головного мозга, эпилепсию, бронхиальную астму и т.д.), а также соответствующий банк данных, содержащий показатели солнечной активности. Использовались К - индексы геомагнитной активности для г. Москвы (по данным Московской магнитной обсерватории в г. Троицк, Московской области), а также планетарные Кр - индексы геомагнитной активности. Кроме того, для оценки солнечной активности использовался поток радиоизлучения на волне 10, 7 см, являющийся индексом коротковолнового излучения Солнца; число солнечных пятен - числа Вольфа и изменения площади солнечных пятен; а также вариации Bz - компоненты межпланетного магнитного поля (по каталогам спутниковых данных и данных сети магнитных обсерваторий, из Мировых Центров данных по геомагнетизму (Копенгаген) и NOAA- Национальной администрации США по исследованию океана и атмосферы).
Поиски линейной корреляции популяционных медицинских рядов данных с индексами геомагнитной активности, вновь, как и в других аналогичных исследованиях, подтвердили отсутствие статистически значимых достоверных связей медицинских и гелиогеофизических показателей.
Анализ показал, что популяционные данные только одной выраженной патологии сердечно-сосудистой системы, а именно, инфарктов миокарда, достоверно реагировали на изменения ориентации Bz -компоненты межпланетного магнитного поля и коррелировали с вариациями СА в одиннадцатилетнем цикле. Таким образом, удалось выделить уровень биологической системы, потенциально чувствительный к ритмам СА, а именно сердце и сердечно-сосудистую систему.
Эти результаты хорошо согласуются с теоретическими моделями и экспериментальными исследованиями отечественных и иностранных специалистов, относящимися к моделированию электрической активности сердца. В этих работах было показано, что биологические «осцилляторы», а именно, пульсирующие клетки сердца (пейсмекеры), могут спонтанно синхронизоваться и биться в унисон или внезапно останавливать ритм под влиянием весьма слабых возмущений. При этом под действием уединенного импульса в узком диапазоне частот может возникать фазовая сингулярность, приводящая иногда к фибрилляции сердца, потере им насосных функций и, как следствие, плохому снабжению кровью мозга и катастрофе, вплоть до внезапной смерти.
В ГЛАВЕ 4 настоящей диссертации подробно исследовалась временная структура гелиогеомагнитных и биологических ритмов и выяснялось наличие их взаимной связи с целью подтверждения гипотезы о том, что гелиогеомагнитные ритмы являлись внешними времядатчиками, сформировавшими биологические ритмы в ходе биологической эволюции.
Анализ гелиогеофизических ритмов проводился с использованием показателей солнечной активности, начиная от вариаций средних магнитных полей Солнца, до генерированных ими ритмов ММП и геомагнитной активности. Использовались данные о средних магнитных полях Солнца за 29 лет, площади солнечных пятен в одном цикле солнечной активности, банки данных о Bz -компоненте ММП за 32 года и Кр-индексе геомагнитной активности за 59 лет.
Оказалось, что магнитные поля Солнца имеют ритмы с периодами около 9 дней, 6,75 дней и 5,4 дней, причем ритмы с периодом 6,75 дней наиболее сильно выражены на фазе спада солнечной активности. Изменения площади солнечных пятен также имеют околонедельные ритмы. Околонедельные ритмы солнечных магнитных полей и вариаций площади солнечных пятен отражают формирование и развитие за период от 7 до 10 дней активных областей на Солнце.
Показано, что ритмы Кр-индекса и Bz -компоненты ММП обладают отчетливо выраженными периодами, соответствующими ритмам магнитных полей Солнца, в частности, 9,0; 6,75 и 5, 37 дней. Ритмы этих показателей являются кратными периоду собственного вращения Солнца и его гармоникам и субгармоникам. Спектральная мощность ритмов Кр - индекса геомагнитной активности на нисходящей ветви цикла солнечной активности оказалась сосредоточенной главным образом в около - 28 дневной и околонедельной компоненте, как и в ритмах магнитных полей Солнца.
Было показано, что вариации чисел Вольфа и индекса волнового излучения Солнца - потока радиоизлучения на волне 10, 7 см, имели очень высокий коэффициент корреляции, в то время как ритмы Кр-индекса, отражающие вариации корпускулярного агента солнечной активности, не всегда коррелировали с числами Вольфа на протяжении нескольких циклов солнечной активности.
Эти результаты Главы 4 позволили отнести геомагнитную активность в области выделенных периодов меньше 28 дней к основному биотропному агенту для сопоставления с данными медико-биологических исследований.
Для исключения возможности того, что выделенные на популяционном уровне биологические ритмы с периодом меньше 28 дней, и, в частности, околонедельные ритмы, определяются только социальными причинами, были проведены исследования временной структуры ритмов органов и клеток биологических объектов, не имеющих связи с социальной ритмикой. Показано, что околонедельные биологические ритмы и ритмы с периодом около 3, 5 дней имеют универсальный характер и существуют на всех уровнях биологических объектов, таких как уединенные клетки сердца животных, древние одноклеточные морские водоросли и т.д. Было показано также, что околонедельный ритм является доминирующим ритмом первых пяти месяцев жизни детей, и играет ключевую роль в аспекте их выживания.
Для доказательства связи биологических и гелиогеофизических ритмов было показано, что спектры этих ритмов имеют высокие коэффициенты корреляции и что происходит синхронное изменение амплитуды вариаций околонедельных гелиогеофизических и биологических ритмов на протяжении цикла солнечной активности.
В ГЛАВЕ 5 диссертации было исследовано воздействие резких сбоев ритма гелиогеомагнитных показателей на биологические объекты. Для анализа использовались ряды данных по инфаркту миокарда (85 000) и инсультам головного мозга (98 000), так как только эти патологии оказались потенциально чувствительными к влиянию гелиогеомагнитной активности (ГЛАВА 3).
Медицинские данные были очищены от различных случайных (праздники) и периодических (годовых, сезонных, двухнедельных и недельных) компонент социального происхождения. В качестве сбоев гелиогеомагнитных ритмов были рассмотрены различные возмущения геомагнитной активности, а также резкие и значительные изменения Bz -компоненты ММП (когда она принимала и длительное время сохраняла отрицательные значения, на порядок величины превышающие средние), как правило, сопровождающиеся сильными планетарными магнитными бурями.
В результате проведенных исследований было показано, что
- эффекты большинства геолиогеомагнитных возмущений практически не выделяются в показаниях инфарктов миокарда и инсультов на популяционном уровне с достаточной достоверностью;
- только сильные планетарные геомагнитные бури (АА-индекс >60), влияют на возрастание числа инфарктов миокарда (13% по сравнению со средними показателями), а также в меньшей степени и на число инсультов головного мозга (7%).
В ГЛАВЕ 6 диссертации проводилось исследование влияния СА на «группы риска».
В качестве первой «группы риска» были выбраны пациенты трех клиник г. Москва, (Клиники пропедевтики внутренних болезней ММА им. И.М.Сеченова, Научного центра по кардиологии АМН и отделения реанимации Городской больницы МПС N3 (всего 114 человек), страдающие ишемической болезнью сердца (ИБС), стенокардией различных функциональных классов и гипертонией.
В качестве второй «группы риска» исследовались новорожденные недоношенные дети, находящиеся в Институте педиатрии РАМН, организм которых особенно неустойчив в начальные два месяца жизни (46 детей).
Во всех клиниках исследования проводились под контролем в группах здоровых волонтеров (в каждом исследовании от 12 до 4 человек).
Осуществить столь обширную программу исследований помогло целевое финансирование, полученное в 1995-97 гг. от Американской национальной администрации по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА). При непосредственном участии автора была сформирована междисциплинарная группа специалистов и осуществлена синхронная программа исследований у нас в стране. Программой работ руководили профессор С.И.Рапопорт (Московская медицинская академия им. И.М. Сеченова) и директор ИЗМИРАН профессор В.Н.Ораевский.
Были получены следующие основные результаты.
В первой «группе риска» во время геомагнитных возмущений выявлены различные серьезные функциональные нарушения ритма сердца у больных, перенесших инфаркт миокарда и страдающих стенокардией; у здоровых людей при этом наблюдались лишь слабые функциональные расстройства сердечного ритма, изменения физического и психо-эмоционального статуса. Во время геомагнитного возмущения у больных, и у здоровых людей изменялись реологические свойства крови и капиллярного кровотока, происходило повышение уровня гормона кортизола в моче (21 больной и четверо здоровых людей), а также наблюдалась депрессия продукции гормона эпифиза-мелатонина.
Во второй «группе риска», у новорожденных детей в первые несколько недель жизни, доминировали околонадельные ритмы артериального кровяного давления и частоты сердечных сокращений, которые коррелировали с околонедельным ритмом Кр-индекса геомагнитной активности.
В ГЛАВЕ 7 диссертационной работы изложены результаты исследований в «третьей группе риска», а именно у космонавтов, адаптационная система которых перенапряжена действием другого стрессорного фактора - невесомости. Использовались архивные данные, полученные сотрудниками Института медико-биологических проблем МИНЗДРАВ'а России (под руководством профессора Р.М.Баевского): записи медицинского контроля и мониторирования электрокардиограммы по Холтеру у 42-х космонавтов во время полета на борту орбитальной станции «МИР» и на кораблях «СОЮЗ», а также во время возврата космонавтов на Землю. Работы проводились под контролем в группах космонавтов, чей полет проходил в геомагнитно - спокойных условиях (18 космонавтов).
У космонавтов во время геомагнитного возмущения достоверно наблюдались изменения сердечного ритма и регуляции сосудистого тонуса. Эти реакции имели свойства неспецифического и специфического адаптационного стресса, причем их особенности зависели от исходного состояния организма - длительности полета и условий посадки на Землю.
В ГЛАВЕ 8 диссертации приводятся результаты исследования вариаций частоты сердечных сокращений у здоровых людей в обычных земных условиях во время геомагнитного возмущения, а также проводится сопоставление этих результатов с данными по космонавтам и больным с патологией сердечно-сосудистой системы (9 здоровых субъектов, 20 космонавтов и 357 больных ИБС и другими патологиями сердечно-сосудистой системы).
Показано, что
- наблюдаются вариации частоты сердечных сокращений и ее вариабельности у здорового человека в цикле солнечной активности;
- вариабельность сердечного ритма здоровых людей при нормальном режиме жизни уменьшалась на 25,6% во время геомагнитного возмущения;
- во время геомагнитного возмущения у космонавтов также происходило уменьшение вариабельности частоты сердечных сокращений на 25- 26%;
- вариабельность частоты сердечных сокращений у больных, перенесших инфаркт миокарда и имеющих другие органические патологии сердечно-сосудистой системы, в обычных условиях оказалась сниженной из-за основного заболевания на 20%, то есть на ту же величину, что и приведенные выше значения функционального понижения вариабельности сердечного ритма из-за магнитных бурь у здоровых людей.
- спектральная мощность вариабельности частоты сердечных сокращений во время геомагнитного возмущения у здоровых людей в нормальных условиях труда и отдыха понижалась в тех же спектральных диапазонах частот, что и у космонавтов, и у больных людей. Эти изменения характерны для сдвига вегетативного баланса в сторону симпатического звена регуляции ритма сердца и реакции, ведущей к напряжению сосудистого тонуса.
В ГЛАВЕ 9 диссертации приводятся результаты исследования воздействия геомагнитных бурь на животных и проводится сопоставление этих результатов с результатами исследований в третьей группе риска.
Плодотворное и многолетнее сотрудничество автора данной работы с группой специалистов медицинского факультета Института дружбы народов (возглавляющейся д.м.н., профессором С.М.Чибисовым) позволило использовать архивы данных лабораторных наблюдений и тонких морфологических исследований, проводившихся на протяжении ряда лет с кроликами (240 особей) на медицинском факультете Университета под руководством профессора В.А.Фролова.
Показано, что воздействие магнитной бури приводит к значительным изменениям морфологического и функционального состояния сердца животных и систем, связанных с его деятельностью. Эти изменения зависят от фазы магнитной бури.
- Максимальные эффекты бури как на уровне функциональных показателей деятельности сердца, так и на уровне ультраструктуры клеток сердечной ткани (кардиомиоцитов), наблюдались во время ее главной фазы.
а) в главную фазу бури происходило угасание амплитуды суточной изменчивости показателя сократительной функции сердца (т.е. происходила стабилизация сердечного ритма);
б) резкое падение сократительной функции сердца было связано с тем, что магнитная буря нарушала энергетическое обеспечение сократительного акта сердца из-за разрушения митохондрий и других элементов клеток сердечной мышцы, являющихся донаторами энергии для сократительного акта.
- Во время фазы восстановления магнитной бури развивался неспецифический процесс, который соответствует поиску организмом оптимума для выхода из возникшего в результате бури десинхроноза. Для этой стадии характерна высокая степень синхронизации показателей деятельности сердца и сосудистого тонуса в структуре циркадианного ритма, что подтверждается корреляционным анализом взаимоотношений между изучаемыми показателями. Между ними практически в 100% случаев восстанавливались сильные достоверные корреляционные связи. Однако колебания всех показателей характеризовались необычайно высокой амплитудой, отличной от сезонной нормы.
В этой ГЛАВЕ показано также сходство отклика на воздействие геомагнитной бури и динамики показателей во время различных фаз бури у человека в экстремальной ситуации (например, у космонавтов) с реакцией и динамикой отклика у животных.
В ГЛАВЕ 10 диссертации приводится обсуждение и выводы работы.
Основные научные результаты, полученные в диссертации
1. Продемонстрирована плодотворность применения методов спектрального анализа к поиску влияния СА на биологические объекты.
2. Уточнены особенности временной структуры гелиогеомагнитных ритмов в области периодов меньше месяца, свидетельствующие о том, что вариации магнитных полей Солнца, площади солнечных пятен, секторной структуры ММП, скорости солнечного ветра, а также индуцированные ими вариации геомагнитной активности (в частности, горизонтальной составляющей геомагнитного поля и Кр-индекса геомагнитной активности) имеют ритмы с периодами, характерными для периода собственного вращения Солнца и его гармоник и субгармоник - около 28 дней, около - 14; - 7; - 3,5 дней.
...Подобные документы
Происхождение и общая структура геомагнитного поля. Воздействие потока солнечной плазмы на магнитосферу Земли. Влияние резкого изменения внешнего магнитного поля при магнитной буре или активной геомагнитной зоне на самочувствие и здоровье человека.
реферат [718,1 K], добавлен 04.08.2014Особенности развития солнечной энергетики в мире, возможность реализации такого оборудования на территории Республики Беларусь. Разработка базы данных для оценки характеристик и стоимости оборудования солнечной энергетики и его использования в РБ.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 02.05.2012Свойства, длина волны, спектр, источники, применение невидимого глазом электромагнитного ультрафиолетового излучения. Положительное и негативное воздействие УФ-излучения на человека. Действие облучения на кожу во время высокой солнечной активности.
презентация [64,7 K], добавлен 12.04.2015Приливно-отливное воздействие Луны и Солнца. Суточные, сезонные, многолетние и многовековые вариации солнечной активности. Региональный тепловой поток в земной коре. Дистанционное тепловизионное зондирование среды. Источники локальных тепловых потоков.
курсовая работа [34,4 K], добавлен 03.03.2015Физико-химические методы исследования поверхностной активности жидкостей. Исследования с помощью барьерной системы Ленгмюра-Блоджет и весов Вильгельми динамики ее формирования в однокомпонентных растворах лаурата, каприлата калия и каприловой кислоты.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 11.11.2014Закон сохранения импульса в классической механике и его связь с законом динамики Ньютона. Суть законов Кеплера, их связь с законом всемирного тяготения. Понятие о метрической системе. Развитие идей эволюции видов. Понятие солнечной активности, излучения.
контрольная работа [123,7 K], добавлен 26.05.2008Исследование физических параметров лавинной, поверхностной и вакуумной газоразрядной фотографии. Описание механизма применения газоразрядной фотографии для определения степени воздействия низкочастотного электромагнитного поля на биологические объекты.
дипломная работа [3,0 M], добавлен 09.10.2013Солнечная энергетика. История развития солнечной энергетики. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики. Типы фотоэлектрических элементов. Технологии солнечной энергетики.
реферат [19,4 K], добавлен 30.07.2008Конструкция моноблочного парогенерирующего агрегата. Определение геометрических размеров эжекторов. Выполнение расчетов активности пара второго контура для змеевикового парогенератора и для парогенератора с навивкой змеевиков вокруг шахты активной зоны.
дипломная работа [5,4 M], добавлен 18.10.2011Определение возможностей Солнца. Расчет интенсивности солнечной радиации методом коэффициентов. Расчет интенсивности солнечной радиации аналитически. Расчёт потребностей в электроэнергии. Интенсивность падающей солнечной радиации для разных углов наклона.
контрольная работа [212,8 K], добавлен 26.11.2014Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных. Суть явления электронного парамагнитного резонанса. Исследования с помощью ЭПР металлсодержащих белков. Метод ядерного магнитного резонанса. Применение ЯМР в медицине.
реферат [28,2 K], добавлен 29.04.2013Количество солнечной энергии, попадающей на Землю, ее использование человеком. Способы пассивного применения солнечной энергии. Солнечные коллекторы. Технологический цикл солнечных тепловых электростанций. Промышленные фотоэлектрические установки.
презентация [3,3 M], добавлен 06.12.2015Основные сведения об альтернативной энергетики. Преимущества и недостатки вакуумных коллекторов. Снижение зависимости от поставок энергоносителей. Применение фокусирующих коллекторов. Преимущества использования экологически чистой солнечной энергии.
реферат [346,4 K], добавлен 21.03.2015Возрастание интереса к проблеме использования солнечной энергии. Разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Современная концепция использования солнечной энергии. Использование океанской энергии. Принцип действия всех ветродвигателей.
реферат [57,6 K], добавлен 20.08.2014Частота переменного электрического тока как один из показателей качества электрической энергии. Устройства автоматической частотной разгрузки, их работа в условиях дефицита активной мощности. Ограничение повышения частоты, расчет мощностей нагрузки.
курсовая работа [483,0 K], добавлен 11.05.2010Измерение удельной активности цезия в образцах природной среды. Физико-химические свойства элемента. Загрязнение почв цезием, поведение в атмосфере. Формы нахождения радионуклидов в почве и их влияние на миграцию. Обнаружение ионизирующих излучений.
реферат [173,9 K], добавлен 14.05.2014Вольтамперная характеристика фотоэлемента. Анализ изменения эффективности различных типов полупроводниковых преобразователей солнечной энергии. Изучение параметров органических и гибридных фотоэлементов. Концепция объемного и планарного гетеро-перехода.
презентация [2,0 M], добавлен 25.11.2014Изучение метода анализа линейной электрической цепи при различных воздействиях в различных режимах с применением вычислительной техники. Проведение анализа заданной линейной разветвленной электрической цепи численным, операторным, частотным методами.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 21.01.2012Сравнительный анализ солнечной и геотермальной энергетики. Экономическое обоснование разработки геотермальных месторождений. Реструктуризация энергетики Камчатской области и Курильских островов. Использование солнечной энергии, типы гелиоэлектростанций.
реферат [2,3 M], добавлен 14.12.2012Поля и излучения низкой частоты. Влияние электромагнитного поля и излучения на живые организмы. Защита от электромагнитных полей и излучений. Поля и излучения высокой частоты. Опасность сотовых телефонов. Исследование излучения видеотерминалов.
реферат [11,9 K], добавлен 28.12.2005
