Хроноструктура биоритмов сердца и факторы внешней среды

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

1.4.6. Синхронизация биологических  ритмов ритмами гелио-геофизических   датчиков  времени

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.4.7.  Десинхроноз, связанный с апериодическими изменениями гелио-геомагнитных факторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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