Хроноструктура биоритмов сердца и факторы внешней среды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

ХРОНОСТРУКТУРА РИТМОВ  СЕРДЦА

И  ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ  СРЕДЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА, 2002

УДК  612.17:577,3+616.12-12-008

Рецензенты:   профессор  Г.Г. Автандилов

                                      профессор В.И.Торшин 

 

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

Хроноструктура ритмов сердца и  факторы внешней среды:

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

 

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

 

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

         ISBN 5-209-01404-5

         ISBN 5-86388-X

От  авторов

 

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

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

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

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

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

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

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

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

                                                          

                                                                              

          Бреус  Т.К. 

         (Институт космических    исследований РАН РФ)

  Чибисов С.М. (Российский  университет дружбы народов)      

  Баевский Р.М. 

  (Институт медико-биологических  проблем МЗ РФ)

  Шебзухов К.В. 

  (Российский университет дружбы  народов)                                                                                                                       

                                                                                                                                                                                                                           

 

 

        ПРЕДИСЛОВИЕ

 

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

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

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

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

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

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

          Выявлено влияние большой геомагнитной  бури на морфофункциональное состояние сердечно-сосудистой системы у интактных животных, сходное с тем, которое наблюдалось при моделированом десинхронозе. Воздействие обоих сильных раздражителей – геомагнитной бури и алкоголя  -  на фоне сезонных изменений в период морфофункциональной гиперфункции приводит к десинхронозу, преобладанию, порой, необратимых процессов в виде деградации и деструкции митохондрий и резкого падения сократительной способности сердца.

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