Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы. модельное представление различных наук о системе «человек- окружающая среда»
1.1. Идеальная модель и реальность.
1.2. Солнечная система, как совокупность нелинейных осцилляторов
1.3. Солнце и солнечная активность
1.4. Вариации солнечных и галактических космических лучей
1.5. Солнечно-земные связи, магнитные бури
1.6. Воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и метеопараметры
1.7. Ритмика Солнца. Воздействие флуктуации параметров внешней среды на биологические объекты и человека
1.8. Природные и техногенные физические поля, их виды. Источники, характеристика и динамика
1.9. Организм человека с точки зрения физики
1.10. Адаптация биологических систем к космогеофизическим и техногенным факторам
1.11. Влияние электромагнитных полей на человека и биоэкосистемы
1.12. Организм человека с точки зрения ритмологии и хронобиологии
1.13. Вариабельность сердечной ритмики как диагностический признак функционального состояния организма
1.14. Современное состояние проблемы влияния активности Солнца на организм человека и данные медицинской статистики
1.15. Выводы по Главе 1
ГЛАВА 2. Постановка экспериментов, методики и приборы
2.1. Общие требования к проведению современного мониторингового биофизического эксперимента
2.2. Общее описание экспериментов 1998-2005 гг.
2.3. Одновременный мониторинг в городах, расположенных на различных широтах
2.4. Постановка и методика эксперимента по измерению вариабельности электрических параметров организма человека
2.5. Постановка и методика эксперимента по измерению параметров сердечной ритмики
2.6. Регистрация естественных внешних полей
2.7. Обработка данных
2.8. Выводы по Главе 2
ГЛАВА 3. Результаты исследований. Естественные внешние факторы .
3.1. Характер изменения электропроводности биологически активных точек человека при адаптивной стресс- реакции
3.2. Связь изменения электропроводности биологически активных точек в системе «орган —человек в целом» с резкими изменениями солнечной активности. Изолированные магнитные бури
3.3. Три типа индивидуальной реакции на последовательность близких по времени магнитных бурь
3.4. Анализ внутренней структуры индивидуальных временных рядов проводимости точек акупунктуры
3.5. Коллективная реакция. Тренды амплитуды реакции биосистем в различных фазах солнечной активности
3.6. «Биоэффективные» и «бионеэффективные» магнитные бури. Вариации магнитного поля Земли как постоянных внешний синхронизатор экзогенных ритмов организма человека
3.7. Результаты разноширотного биофизического мониторинга в различных городах
3.8. Спектральный анализ. Влияние естественных и техногенных полей на коллективные экзогенные ритмы
3.9. Широтный, амплитудный, временной, триггерный и кумулятивный эффекты и их роль в формировании адекватной модели воздействия солнечной активности и естественных внешних полей на биобьекты
3.10. Индивидуальная матрица самокорреляции внутренних органов и систем организма человека как новый диагностический метод
3.11. Взаимосвязь изменения параметров внешней среды и данных медицинской статистики отделения реанимации ЦКБ №3 г. Москвы
3.12. Связь электрической проводимости точек акупунктуры и артериального давления со скачками атмосферного давления
3.13. Сравнительный анализ влияния изменений магнитного поля Земли и микрофлуктуаций атмосферного давления на эндогенные ритмы человеческого организма
3.14. Влияние факторов внешней среды на сердечную ритмику здорового человека
3.15. Возможный механизм влияния солнечной активности на социальные процессы
3.16. Проверка гипотезы о возможном случайном совпадении по времени резких выбросов биологических и геофизических параметров
3.17. Адекватность применения существующих геофизических индексов при рассмотрении реакции биологических систем на резкие изменения окружающей среды
3.18. Математическая модель поведения организма функционально здорового человека под воздействием гелиогеофизических полей.
3.19. Выводы по Главе 3
ГЛАВА 4. Синергетические аспекты поведения биологических систем при воздействии вариаций солнечной активности
4.1. Обзор результатов биофизического мониторинга с синергетической точки зрения
4.2. Основные результаты мониторинга, свидетельствующие о нелинейном характере воздействия факторов внешней среды на организм человека
4.3. Теоретические аспекты проблемы воздействия непороговых внешних полей на биологические объекты
4.4. Проблема существования горизонта прогноза и оптимизации пространственно-временных масштабов теоретических моделей воздействия вариаций активности Солнца на биологические системы
4.5. Выводы по Главе 4
Заключение
- Солнце и солнечная активность
- Одновременный мониторинг в городах, расположенных на различных широтах
- Связь изменения электропроводности биологически активных точек в системе «орган —человек в целом» с резкими изменениями солнечной активности. Изолированные магнитные бури
- Основные результаты мониторинга, свидетельствующие о нелинейном характере воздействия факторов внешней среды на организм человека
Введение к работе
В настоящее время проблема воздействия слабых полей вообще и солнечной активности в частности на функционирование биологических систем остается предметом дискуссии, несмотря на огромное количество работ, посвященных этой тематике. Основные имеющиеся сложности можно подразделить на 3 взаимосвязанные группы :
1. Интенсивность и мощность вариаций всех известных полей естественной внешней среды примерно на 2 порядка меньше, чем требуется для нагрева биологических тканей или достижения характерной энергии химических превращений. Поэтому до сих пор остается не ясным ни механизм передачи информации, ни основной физический агент влияния и основная биологическая «мишень воздействия», а также система поддержки и принятия решений на клеточном и молекулярном уровне в процессе адаптации организма к резким изменениям внешней среды.
2. Второй проблемой, затрудняющей получение однозначно воспроизводимых результатов экспериментальных исследований, является многофакторность воздействующих внешних естественных полей и сложность структурной организации объекта воздействия, т. е. биологических систем. Помимо этого, необходимо учитывать еще и тот факт, что структура изучаемой биологической системы практически всегда меняется при воздействии внешних полей или принципиально неэкранируемом взаимодействии с другими биосистемами. Более того, процесс экспериментального получения информации о текущем состоянии биологической системы сам по себе уже вносит возмущение в изучаемую систему м может вызвать изменение ее состояния.
3. Следствием первых двух сложностей является наличие разнонаправленного характера результата воздействия одного и того же внешнего фактора на биологические системы в зависимости не только от величин амплитуды, частоты и длительности внешнего поля, но и от текущего состояния самой биологической системы.
Таким образом, результатом длительных мониторинговых экспериментальных исследований обычно является знакопеременный ряд, где выявление малой разностной величины на основе изучения вклада каждого их компонентов по отдельности представляется достаточно сложной задачей. Многопараметричность внешнего воздействия возможно скомпенсировать только получением большого числа независимых экспериментальных параметров на основе одновременного рассмотрения функционирования различных уровней организации биосистем, от клеточного до социального; путем сопоставления полученных результатов между собой и с динамическими и функциональными характеристиками изучаемых структур. В связи с вышеизложенным, становится понятна необходимость комплексного исследования влияния вариаций солнечной активности на функционирование организма человека на всех уровнях организации, от клеточного до социального, причем не только с помощью поисков традиционной линейной зависимости силы реакции исследуемого объекта от амплитуды и частоты внешнего поля, но и путем рассмотрения более широкого круга вопросов, связанных с обеспечением устойчивости биологических систем и ее стационарных состояний. Предлагаемая диссертационная работа и посвящена рассмотрению указанных вопросов и поиску методик решения вышеописанных проблем. Также в число задач входит изучение существующей в научной литературе часто противоречивой информации по данному вопросу и анализ возможных объективных причин наблюдаемых расхождений.
Актуальность работы
Одной из фундаментальных проблем современной солнечно-земной физики является выявление механизмов связи между активностью Солнца и функционированием различных объектов биосферы, включая человека всех уровнях биологической и социальной организации. Имеющиеся в литературе многочисленные данные о воздействии внешних полей на биологические объекты, разрозненны по научным специальностям, неоднозначно трактуемы и не имеют удовлетворительного теоретического объяснения, позволяющего создать адекватные математические модели рассматриваемых процессов. Вопрос о характере воздействия солнечной активности и полном наборе физических агентов, переносящих такое воздействие, также остается открытым. Большинство работ, посвященных адаптации организма человека к естественным полям, касаются двух крайних случаев: либо изучается проявление периодики солнечной активности в результатах медицинской статистики и статистики катастроф, либо рассматривается влияние внешних полей на очень здоровых людей, таких как космонавты и спортсмены. Основная масса работоспособного населения, представленная функционально здоровыми людьми, научными исследованиями не охвачена. Поэтому степень и общность влияния вариаций солнечной активности для активно работающего большинства общества, а также зависимость такого воздействия от фазы солнечного цикла и географической широты проживания, до сих пор не рассматривались. Требуется исследование нарушения адаптационных механизмов при воздействии вариаций солнечной активности, причем не только с помощью поисков традиционной линейной зависимости интенсивности реакции исследуемого объекта от амплитуды и частоты внешнего поля, но и путем рассмотрения более широкого круга вопросов, связанных с обеспечением устойчивости биологических систем и их стационарных состояний. Цели и задачи исследования
В рамках рассматриваемой проблемы в диссертационной работе решается задача системного изучения влияния внешних полей, связанных с вариациями солнечной активности, на разные уровни организации функционально здоровых людей (а именно: на отдельные органы и системы человека, на организм отдельного функционально здорового человека в целом, социально-организованные коллективы людей на различных географических широтах. Проводится определение степени общности и особенностей такого влияния, его последствий, выбор адекватной математической модели и выработка практических рекомендаций по предсказанию и нивелированию возможных отрицательных биоэффектов. При решении поставленной задачи организм человека в целом рассматривался в качестве «черного ящика», а экспериментальные исследования устанавливали связь между входными (геофизическими) и выходными (биологическими) сигналами. В теоретическом и экспериментальных планах цель/о диссертационной работы являлось:
1. Разработка методики измерения, позволяющей неинвазионным образом проводить длительные исследования состояния функционально здоровых людей при изменениях вариаций солнечной активности и других внешних факторов на различных широтах. Разработка методики обработки результатов, эффективно выявляющей как индивидуальную, так и коллективную реакцию обследуемых на вариации солнечной активности и другие внешние факторы.
2. Определение детерминирующих характеристик выходного сигнала и отбор биоэффективных внешних физических полей, действующих в качестве входного сигнала. Тестирование биоэффективности выбранных гелио- и геофизических агентов на текущих данных биофизического мониторинга ИЗМИР АН и сведениях медицинской статистики по сердечно-сосудистым заболеваниям.
3. Выявление достоверности связи между вариациями солнечной активности, изменениями геофизических полей с функциональным состоянием индивидуумов и коллективов людей.
4. Определение роли геофизических полей, связанных с вариациями солнечной активности, в рассматриваемых биологических процессах, а также выявление уникальности их воздействия. Выбор на основе полученных экспериментальных результатов адекватной модели функционирования организма человека при комплексном воздействии естественных внешних полей. Разработка практических рекомендаций для научно-исследовательской деятельности в рамках задач солнечно-земной физики, биофизики и врачебной практики.
Научная новизна работы
В диссертационной работе обобщаются и анализируется результаты 7-летнего мониторингового эксперимента по изучению влияния внешней среды на функциональное состояние организма человека. Воспроизводимость результатов подтверждена одновременными наблюдениями в различных географических пунктах на группах с постоянным составом обследуемых. Общее число проведенных измерений - более 100 000; за время измерений произошло более 350 магнитных бурь различной интенсивности с общим числом магнитовозмущенных дней - более 600 (по данным ИЗМИР АН). Достоверно и воспроизводимо доказано существование статистически неслучайной реакции организма функционально здорового человека на вариации солнечной активности и ведущая роль солнечно-земных взаимодействий в формировании экзогенных ритмов организма. Выявлены зависимость биоэффективности воздействия геофизических полей на человека от текущего состояния организма и совокупного влияния внешних факторов, а также особенности протекания краткосрочных и долгосрочных процессов адаптации в зависимости от изменения параметров солнечной и геомагнитной активности. Выявлено существование широтного, временного, амплитудного, триггерного и кумулятивного эффектов воздействия вариаций солнечной активности на организм функционально здорового человека. Показано, что наблюдаемому комплексу экспериментальных эффектов соответствует модель вынужденных переходов биосистемы между фазовыми состояниями, с запаздыванием и различными временами релаксации. Обосновано, что при построении общей модели функционирования биологических систем под воздействием естественных внешних факторов, необходимо учитывать не только эндогенную и экзогенную ритмику, но и накопление эффектов, связанных с синергетической перестройкой внутри самой биосистемы. Рассмотрена проблема существования конечного горизонта прогноза поведения биологических систем. Показана принципиальная невозможность предсказания поведения биосистем при воздействии геофизических полей на ЮО-% интервале времени. Научная и практическая ценность работы
Научная ценность работы состоит в том, что благодаря разработанным методикам наблюдения, теоретическому многофакторному анализу, а также созданной базе экспериментальных данных, полученных одновременно в различных географических пунктах, появилась возможность однозначного положительного ответа на вопрос: «Воздействуют ли вариации солнечной активности на организм человека, и насколько всеобщим является такое воздействие?». Выяснено, что воздействие всех исследованных геофизических факторов, связанных с вариациями солнечной активности, вызывает воспроизводимую стресс-реакцию адаптационного типа, наиболее полным образом проявляющуюся у функционально здоровых людей. Выявлена как индивидуальная, так и коллективная реакция, причем эта реакция носит триггерный характер, зависит от индивидуальных адаптационных особенностей обследуемых и географической широты проведения эксперимента. Показано, что для функционально здоровых людей резкие вариации геофизических факторов, обусловленные вариациями солнечной активности, играют тренирующую и синхронизирующую роль. Проведенный спектральный и кросс- корреляционный анализ выявил совпадение всех основных периодов как индивидуальных, так и коллективных биологических параметров на разных широтах, что является доказательством существования глобальных регулирующих факторов внешней среды. Найдено совпадение основных периодов реанимационных случаев с периодикой данных мониторингового биофизического эксперимента ИЗМИР АН и периодами вариаций атмосферного давления, ростом геомагнитной активности и увеличением числа солнечных пятен. Обосновано, что при воздействии геофизических полей, связанных в вариациями солнечной активности, биологические системы необходимо рассматривать как нелинейные открытые системы со всеми присущими таким системам свойствами детерминированного хаоса. Это предполагает пересмотр существующего в настоящее время методологического подхода поиска линейных корреляций между рассматриваемыми явлениями в пользу поиска количества и свойств устойчивых фазовых состояний биологической системы под различными внешними воздействиями.
Практическую ценность работы определяет разработка методологических рекомендаций по технологии оптимального поведения во время резких изменений факторов внешней среды и солнечной активности для людей с различными адаптационными возможностями, выявлению «групп риска», адресным мерам медицинской профилактики. Произведена отладка в полевых условиях информационной технологии и мобильного приборного комплекса для биофизических исследований, позволяющих проводить телекоммуникационный анализ психофизиологического состояния человека в зависимости от внешних воздействий. Разработана методика выявления адаптационно устойчивых к вариациям солнечной активности и воздействию магнитных бурь людей при отборе операторов экстремальных профессий, таких как летчики, спасатели и т. п. Результаты исследований могут быть использованы в разработке концепций долгосрочных и краткосрочных прогнозов негативных влияний «космической погоды» на биологические объекты, в медицине, экологии и психофизиологии.
Связь работы с научно-практическими программами. Результаты работы использовались при разработке концепции обеспечения безопасности полетов ВВС России, в организации центра электромагнитной безопасности г. Троицка, а также при подготовке к Олимпийским играм сборной Украины по стрельбе из лука.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, представлены в 64 работах (12 статей, 6 препринтов ИЗМИР АН, изложены в 44 докладах на 31 международной конференции и симпозиуме), в том числе: - IUGG 99 XXII General Assembly. Birmingham, UK. July 19-26, 1999 - 2 International conference «Electromagnetic fields and human Health», 1999 - EGS,, Managing Editor: A.K. Richter 2001 - 1& Jubilee National Conference with International Participation "Contemporary Problems of Solarerrestrial Influences ", Bulgary, Sofia, Nov.2003 - IUGG-2003, Sapporo, Japan, July 2003 - «Солнечная активность и внутреннее строение Солнца» ,2001 г., Крым - VII Симпозиум по Солнечно-Земной физике России и стран СНГ, 1998 г., ИЗМИРАН - Международный семинар «Космическая экология и ноосфера». Октябрь 1999, Партенит - Международная молодежная конференции «Геофизика-99», 2001, С.Петербург - Ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений» 2000,2003,2005 гг - Интернациональный Крымский семинар «Космос и биосфера», Партенит, 2001,2003,2005 гг - "Международное сотрудничество в области астрономии: состояние и перспективы", Москва, 25мая-2 июня 2002 - Междисциплинарный семинар "Биологические эффекты солнечной активности", Пущино, апрель 2004г - Конференция стран СНГ и Прибалтики "Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности", Нижний Новгород, 2-7 июня 2003 - «Солнце и Космическая погода». КРАО, Симферополь, июнь 2003 - «Солнечная активность как фактор космической погоды», 2005, Пулково Личный вклад автора
Идея, разработка и организация эксперимента, а также анализ полученных результатов с точки зрения системного физического подхода выполнены автором. В силу выраженной междиссциплинарности исследований, большинство работ выполнено с соавторстве с астрофизиками, биологами, медиками, специалистами по статобработке и компьютерной обработке биологических сигналов. При этом без соавторов выполнены 2 основополагающие статьи по тематике представляемой диссертационной работы и 18 докладов на различных конференциях.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработана методика проведения и обработки данных мониторингового эксперимента по изучению влияния вариаций солнечной активности и геофизических полей на организм функционально здорового человека. Создана база данных (порядка 100 000 измерений на фоне более чем 350 магнитных бурь и 600 магнитовозмущенных дней).
2. Доказана неслучайность совпадений биофизических и геомагнитных событий на уровне статистической значимости 0,01. Сдвиг рядов данных относительно друг друга на 1 сутки (0,3 % от длины временного ряда) приводит к потере статистической взаимосвязанности геофизических и биологических процессов.
3. Показано, что реакция на одиночные магнитные бури имеет 3- фазную форму (синхронизация, десинхроноз и фаза релаксации); не зависит от пола и возраста обследуемых; проявляется на индивидуальном и коллективном уровне. Выявлено существование широтного, временного, амплитудного, триггерного и кумулятивного эффектов воздействия вариаций солнечной активности на организм функционально здорового человека.
4. Установлено присутствие в спектрограмме медицинской статистики числа инфарктов, инсультов и смертей по отделению интенсивной терапии ЦКБ №3 г. Москвы за 1998-1999 гг.. и в данных одновременного мониторинга ИЗМИРАН больше половины периодов, выделяемых в изменении локального А- индекса и выраженного 27 —дневный периода, совпадающий с периодом вращения Солнца.
5. Методами спектрального и кросс -корреляционного анализа биофизических данных в различных городах выявлено совпадение всех основных периодов спектрограмм индивидуальных и коллективных биологических параметров, что является доказательством существования общепланетарного регулирующего параметра внешней среды. Найдено совпадение этих периодов с периодами вариаций атмосферного давления и роста геомагнитной активности, увеличения числа солнечных пятен. Все эти явления связаны между собой с коэффициентами корреляции 0,6-0,7 и являются следствием вариаций солнечной активности, что позволяет закрепить роль «агента внешнего влияния» именно за вариациями активности Солнца.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 00-02-17854; 03-02-16384 и Молодежного гранта.
Содержание работы соответствует п. 9 паспорта специальности 01.03.03 — физика Солнца, по которой М. В. Рагульская защищается ( п.9. Солнечно-земная физика и солнечно — земные связи: Установление солнечно—земных связей для различных оболочек Земли, климата, сфер человеческой деятельности и самого человека).
Солнце и солнечная активность
В настоящее время проблема воздействия слабых полей вообще и солнечной активности в частности на функционирование биологических систем остается предметом дискуссии, несмотря на огромное количество работ, посвященных этой тематике. Основные имеющиеся сложности можно подразделить на 3 взаимосвязанные группы :
1. Интенсивность и мощность вариаций всех известных полей естественной внешней среды примерно на 2 порядка меньше, чем требуется для нагрева биологических тканей или достижения характерной энергии химических превращений. Поэтому до сих пор остается не ясным ни механизм передачи информации, ни основной физический агент влияния и основная биологическая «мишень воздействия», а также система поддержки и принятия решений на клеточном и молекулярном уровне в процессе адаптации организма к резким изменениям внешней среды.
2. Второй проблемой, затрудняющей получение однозначно воспроизводимых результатов экспериментальных исследований, является многофакторность воздействующих внешних естественных полей и сложность структурной организации объекта воздействия, т. е. биологических систем. Помимо этого, необходимо учитывать еще и тот факт, что структура изучаемой биологической системы практически всегда меняется при воздействии внешних полей или принципиально неэкранируемом взаимодействии с другими биосистемами. Более того, процесс экспериментального получения информации о текущем состоянии биологической системы сам по себе уже вносит возмущение в изучаемую систему м может вызвать изменение ее состояния.
3. Следствием первых двух сложностей является наличие разнонаправленного характера результата воздействия одного и того же внешнего фактора на биологические системы в зависимости не только от величин амплитуды, частоты и длительности внешнего поля, но и от текущего состояния самой биологической системы. Таким образом, результатом длительных мониторинговых экспериментальных исследований обычно является знакопеременный ряд, где выявление малой разностной величины на основе изучения вклада каждого их компонентов по отдельности представляется достаточно сложной задачей. Многопараметричность внешнего воздействия возможно скомпенсировать только получением большого числа независимых экспериментальных параметров на основе одновременного рассмотрения функционирования различных уровней организации биосистем, от клеточного до социального; путем сопоставления полученных результатов между собой и с динамическими и функциональными характеристиками изучаемых структур. В связи с вышеизложенным, становится понятна необходимость комплексного исследования влияния вариаций солнечной активности на функционирование организма человека на всех уровнях организации, от клеточного до социального, причем не только с помощью поисков традиционной линейной зависимости силы реакции исследуемого объекта от амплитуды и частоты внешнего поля, но и путем рассмотрения более широкого круга вопросов, связанных с обеспечением устойчивости биологических систем и ее стационарных состояний. Предлагаемая диссертационная работа и посвящена рассмотрению указанных вопросов и поиску методик решения вышеописанных проблем. Также в число задач входит изучение существующей в научной литературе часто противоречивой информации по данному вопросу и анализ возможных объективных причин наблюдаемых расхождений. Актуальность работы
Одной из фундаментальных проблем современной солнечно-земной физики является выявление механизмов связи между активностью Солнца и функционированием различных объектов биосферы, включая человека всех уровнях биологической и социальной организации. Имеющиеся в литературе многочисленные данные о воздействии внешних полей на биологические объекты, разрозненны по научным специальностям, неоднозначно трактуемы и не имеют удовлетворительного теоретического объяснения, позволяющего создать адекватные математические модели рассматриваемых процессов. Вопрос о характере воздействия солнечной активности и полном наборе физических агентов, переносящих такое воздействие, также остается открытым. Большинство работ, посвященных адаптации организма человека к естественным полям, касаются двух крайних случаев: либо изучается проявление периодики солнечной активности в результатах медицинской статистики и статистики катастроф, либо рассматривается влияние внешних полей на очень здоровых людей, таких как космонавты и спортсмены. Основная масса работоспособного населения, представленная функционально здоровыми людьми, научными исследованиями не охвачена. Поэтому степень и общность влияния вариаций солнечной активности для активно работающего большинства общества, а также зависимость такого воздействия от фазы солнечного цикла и географической широты проживания, до сих пор не рассматривались. Требуется исследование нарушения адаптационных механизмов при воздействии вариаций солнечной активности, причем не только с помощью поисков традиционной линейной зависимости интенсивности реакции исследуемого объекта от амплитуды и частоты внешнего поля, но и путем рассмотрения более широкого круга вопросов, связанных с обеспечением устойчивости биологических систем и их стационарных состояний. Цели и задачи исследования
В рамках рассматриваемой проблемы в диссертационной работе решается задача системного изучения влияния внешних полей, связанных с вариациями солнечной активности, на разные уровни организации функционально здоровых людей (а именно: на отдельные органы и системы человека, на организм отдельного функционально здорового человека в целом, социально-организованные коллективы людей на различных географических широтах. Проводится определение степени общности и особенностей такого влияния, его последствий, выбор адекватной математической модели и выработка практических рекомендаций по предсказанию и нивелированию возможных отрицательных биоэффектов. При решении поставленной задачи организм человека в целом рассматривался в качестве «черного ящика», а экспериментальные исследования устанавливали связь между входными (геофизическими) и выходными (биологическими) сигналами
Одновременный мониторинг в городах, расположенных на различных широтах
При комплексном рассмотрении влияния солнечных процессов нельзя обойти вопрос о возможном влиянии солнечной активности на метеопараметры, особенно на атмосферное давление. Известно, что резкие флуктуации атмосферного давления отрицательно сказываются на больных с сердечно - сосудистыми, легочными и аллергическими заболеваниями. Однако проведенные в последние 10 лет теоретические расчеты и исследования показали, что циркуляционные процессы в нижней атмосфере нельзя считать независимыми от процессов солнечной активности. Влияние солнечной активности на ионосферу рассмотрено в работе [8] . Возможный механизм и непрерывность ее воздействия нм погоду и климат обосновываются в обзоре [9] Циркуляторные процессы в атмосфере вызываются изменением ее прозрачности, которая зависит от вариаций компонентного состава атмосферы, с развитием азотного и водородного циклов физико — химических реакций, включая изменение структуры облачного покрова. Изменение оптических характеристик атмосферы [8] обусловлено физико — химическими процессами в нижней и средней атмосфере при вторжении модулированного солнечной активностью потока космических лучей галактического и космического происхождения. При этом характерное время задержки эффекта составляет от 1 до 4 суток. Многовековая динамика циркуляторных атмосферных процессов и ее связь с солнечной активностью известна по материалам летописей. Воздействие солнечной активности на центры формирования климата приводит к изменению не только температурного режима и нарушению формирования облачности, но и к изменению традиционных мировых течений. В результате этого в максимуме текущего цикла температура поверхностной морской воды в середине июля 2000 года около побережья Крыма и Анапы была аномально низкой и составляла +14 градусов! Однако и в этой области существуют значительные трудности при проведении статистически достоверного анализа накопленных данных:
1) Эффекты солнечной активности в различных проявлениях погоды наблюдаются на фоне значительно более интенсивных атмосферных процессов, что требует накопления многолетних рядов наблюдений и специальных методов обработки.
2) Атмосферный эффект солнечных вспышек и геомагнитных возмущений существенно зависит от координат точки наблюдения, от сезона, фазы солнечного цикла и состояния атмосферы
3) Во многих работах отвергается сама возможность воздействия солнечной активности на атмосферу из-за энергетического несоответствия процессов. Действительно, характерная мощность атмосферных процессов порядка 10 - 10 Эрг/ сутки, а скорость поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу и атмосферу Земли во время геомагнитных возмущений равна в среднем 10 , т.е. на три четыре порядка меньше. Итаки, до сих пор остается не совсем понятным, как могут столь энергетически малые воздействия солнечных возмущений приводить к глобальным изменениям погоды. 1.7. Ритмика Солнца. Воздействие флуктуации параметров внешней среды на биологические объекты и человека. Временная организация среды обитания в общем определяется периодами солнечной активности и собственных колебаний Солнца. Основные периоды ритмики Солнца [10-13]:
1. В диапазоне многодневных периодов доминируют четыре основных периода (сутки) - 27; 14; 9 и 7. Видно, что на самом деле это - семейства периодов. В данный конкретный интервал времени могут выделяться как «основные» разные их компоненты. Так, в 1971-80 гг самый большой пик в спектре мощности соответствовал периоду 27, 36 суток, в 1981-87 гг - 26,8 суток. Квази-27-дневный период соответствует периоду обращения Солнца вокруг своей оси и состоит из целой совокупности периодов от 27 до 29 дней (поскольку Солнце не является жесткой структурой, то периоды его обращения на различных широтах различны).
2. Имеется период, очень близкий одному году. Нет сомнений, что этот период в спектре мощности соответствует реальному колебанию на Солнце (в числах Вольфа обнаружены периоды других планет, что отражает, видимо, синхронизацию всех колебательных движений в солнечной системе).
3. Для периодов более года хорошо заметен квазидвухлетний цикл (давно известный в геофизике), околошестилетний период и цикл 22 года. Более крупномасштабными периодами являются квазишестидесятилетний, и квазистолетний периоды солнечной активности.
В общем, перечисленные периоды присутствуют и в других показателях солнечной активности (в деталях спектры мощности для разных индексов могут существенно различаться). Солнце, как выяснено в работах последних десятилетий, представляет собой весьма сложную колебательную систему. Спектрам периодов в разных диапазонах присущи свои определенные особенности, что отражает разную природу колебаний. Например, в диапазоне периодов от суток до года многие периоды появляются как комбинационные частоты различных компонент 27-дневного семейства периодов. Для циклов большой длительности (самый большой из выявленных - 2400 лет) характерны кратные отношения. Для периодов менее суток (гравитационные колебания, не выявленные пока надежно в оптических измерениях) спектр -эквидистантно расположенные периоды
Связь изменения электропроводности биологически активных точек в системе «орган —человек в целом» с резкими изменениями солнечной активности. Изолированные магнитные бури
При влиянии космических факторов на биосферу процесс адаптации приобретает циклический (периодический) характер [19] и приводит к возникновению в спектре собственных частот организма частот, кратных частотам внешнего воздействия. Каждая составляющая частотного спектра биологического объекта не обладает строгой дискретностью, а характеризуется некоторой конечной шириной полосы. Это позволяет проводить модуляцию частоты и фазы внутреннего процесса внешними факторами. При этом наблюдается перекачка мощности с подавлением в течение времени одних частот и усилением других. Такая картина характерна для процессов синхронизации открытых систем через резонансные взаимодействия. Размытость частотного спектра позволяет внести в систему «шумовой», стохастический компонент. Совокупность периодических и хаотических процессов позволяет осуществлять перестройку и управление живых систем в соответствии с изменением внешних условий. Под воздействием изменяющихся внешних факторов организм пытается занять состояние, при котором его устойчивая жизнедеятельность протекает с минимальными энергетическими затратами ( «принцип оптимума» ). Переходный процесс и является процессом адаптации. При этом функциональные возможности организма будет определять тот из факторов, который действует на орган с наименьшими адаптивными возможностями («принцип миниума»). Таким образом, даже для одного и того же организма в разные моменты времени наиболее эффективными будут различные внешние действие динамического комплекса стресс -факторов более эффективно, чем монохроматическое воздействие вследствие многоадресности и специфики восприятия биологическими объектами внешних раздражителей.
Гомеоретическая система — открытая система, активно взаимодействующая со своим окружением, характеризующаяся наличием входного и выходного сигнала. Регуляция, обеспечивающая поддержание гомеореза или оптимальной для жизни реакции на внешне воздействие, осуществляется в результате взаимодействия между входным и выходным сигналом посредством системы обратной связи. Биологические нелинейный системы ведут себя специфически и разнообразно. Наличие множественных стационарных состояний — устойчивых и неустойчивых - определяет возможность переключения системы из одного режима функционирования в другой даже при слабых взаимодействиях. Применительно к биологии задачи общей теории систем состоят в нахождении структуры и законов поведения биологической системы как «черного ящика» при известных входных и выходных сигналах. Именно такой подход и будет использоваться в диссертационной работе.
Экспериментальные данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах. При относительно высоких уровнях облучающего ЭМП современная теория признает тепловой механизм воздействия. При относительно низком уровне ЭМП (к примеру, для радиочастот свыше 300 МГц это менее 1 мВт/см ) принято говорить о нетепловом или информационном характере воздействия на организм. Механизмы действия ЭМП в этом случае еще мало изучены. Варианты воздействия ЭМП на биоэкосистемы, включая человека, разнообразны: непрерывное и прерывистое, общее и местное, комбинированное от нескольких источников и сочетанное с другими неблагоприятными факторами среды и т.д. На биологическую реакцию влияют следующие параметры ЭМП: интенсивность ЭМП (величина); частота излучения; продолжительность облучения; модуляция сигнала; сочетание частот ЭМП, периодичность действия локализация воздействия индивидуальные особенности биологического объекта Наиболее чувствительные системы организма человека: нервная, иммунная, эндокринная и половая. Биологические эффекты, обусловленные информационными воздействиями , зависят не от количества энергии, вносимой извне в систему, а от параметров сигнала, несущего информацию. Если чувствительность воспринимающих систем достаточно велика, то передача информации осуществляется при весьма малой энергии и накапливается при многократном повторении слабых сигналов. Важной особенностью действия электромагнитного излучения на биологические объекты является выраженный резонансный (частотно-зависимый) характер. Многочисленные эксперименты подтверждают существование у биосистем «амплитудно-частотных» окон , предсказанных в 1980 г. W. R. Adey, в которых биологические эффекты внешних воздействий выражены значительнее.
На данный момент самыми доказательными являются работы, показывающие, что биологически-активными является не весь спектр естественных электромагнитных колебаний, а его сверхнизкочастотная часть (КНЧ). совпадающая с полосой собственных резонансных частот биологических объектов. Так, в работах [29-30] рассматривается влияние именно КНЧ - электромагнитных полей среды обитания как естественного, так и техногенного происхождения на вариабельность сердечной ритмики и альфа - ритмику головного мозга человека, а в работе [33] дается полный обзор влияния КНЧ - полей на различные биологические объекты.
Таким образом, по имеющимся на сегодняшний день публикациям, именно вариабельность сверхнизкочастотных электромагнитных сигналов под воздействием естественных или техногенных факторов можно считать основным действующим на биосферу агентом, связующим и передаточным звеном между Космосом и Биосферой.
Основные результаты мониторинга, свидетельствующие о нелинейном характере воздействия факторов внешней среды на организм человека
Особенности изучения воздействия солнечной активности на функциональные состояния человека таковы, что грамотная постановка эксперимента требует проведения исследований, одновременно и длительных (до нескольких лет), и ежедневных, и неинвазивных, и обязательно на постоянной группе обследуемых [7]. Длительное участие в эксперименте одних и тех же людей позволяет рассматривать изменение физиологических параметров человека относительно его самого, тем самым существенно понизив уровень шумов, связанных с индивидуальными психофизиологическими и социальными особенностями. Для исключения влияния суточной ритмики, измерения физиологических параметров всей группы должны проходить практически единовременно. В реальности это означает, что используемый для регистрации параметров прибор должен обладать минимальным полным временем получения конечных данных для одного человека, т.е. весь процесс регистрации и обработки должен занимать не более 1 минуты. Понятно, что традиционные методы снятия ЭКГ этим требованиям не удовлетворяют.
В нашем эксперименте измерение вариабельности сердечной ритмики и морфологических параметров сердца проводились прибором "Фазаграф", г. Киев, разработанного для экспресс- оценки функционального состояния оператора Л. С Файнзильбергом и В. В. Вишневским, и усовершенствованным специально для проведения этого эксперимента. Разработка, проведение и обработка данных биофизического мониторингового эксперимента по изучению влияния вариаций активности Солнца на морфологические параметры сердца выполнена М. В. Рагульской, автором настоящей диссертационной работы.
Система снятия информации и архитектура информационной технологии. Традиционный морфологический анализ электрокардиограммы (ЭКГ) сводится к оценке полярности, амплитуды, продолжительности и формы характерных сегментов и зубцов ЭКГ, представляющей собой график изменения во времени электрической активности сердца в 12 стандартных отведениях. Однако амплитудно-временной анализ ЭКГ, реализуемый существующими компьютерными системами, недостаточно оперативен и неудобен для выполнения массовых обследований непосредственно на рабочем месте.
При построении описываемой информационной технологии для экспресс-контроля функционального состояния человека предложено [7]: - осуществлять снятие и обработку сигнала ЭКГ только от 1-го стандартного отведения (правая рука - левая рука), которое интегрально отражает поведение электрического вектора сердца; - использовать упрощенную схему съема электрокардиосигнала на основе специального датчика; - проводить морфологический анализ ЭКГ на основе специального представления этого сигнала в фазовом пространстве координат, что позволяет повысить чувствительность к тонким изменениям структуры сигнала, которые обычно недооцениваются при его традиционном представлении во временной области; - реализовать информационную технологию на базе ПЭВМ (см. Рисунок 9).
Ввод ЭКГ испытуемого в программно-аппаратном комплексе «Фазаграф» осуществляется следующим образом: информация, соответствующая 1-му стандартному отведению, снимается непосредственно с кистей рук оператора, который в положение сидя берет в руки специальный датчик. При этом, естественно, информация, полученная таким образом, не обладает достаточной полнотой и не может служить основой для стандартного ЭКГ- заключения. В то же время даже такая ограниченная информация позволяет судить о функциональном состоянии миокарда и диагностировать некоторые электрокардиографические признаки перенапряжения при трудовой деятельности.
Диагностика функционального состояния сердечно-сосудистой системы оператора производится путем анализа электрокардиосигнала в фазовом пространстве координат. Такая оценка осуществляется методом последовательности действий: анализа фазового портрета ЭКГ в состоянии покоя; сравнительного анализа фазовых портретов ЭКГ до и сразу после нагрузки; сравнительного анализа фазовых портретов двух ЭКГ, например, текущей и хранимой в архиве ЭКГ (обе сравниваемые ЭКГ должны принадлежать одному испытуемого и быть зарегистрированными либо в покое либо после одинаковой нагрузки).
Тестирования оператора может проводиться на основе трех типов нагрузок: недозированной физической нагрузки (например, пробы Руфье), физической нагрузки в виде дозированной велоэргометрической пробы (мощностью 50-75 Вт) и психоэмоциональной нагрузкой в условиях дефицита времени. Для имитации психоэмоциональной нагрузки, воздействующей на оператора в условиях реальной трудовой деятельности, предлагается использовать так называемые «стресс-тесты», стимулирующие простые и сложные зрительно-моторные реакций оператора на предъявляемые компьютером стимулы.
Такие стимулы представляют собой перемещающиеся по экрану графические фигуры, имеющие характер сигналов возбуждающего типа (на которые испытуемый оператор должен реагировать нажатием соответствующих клавиш) и сигналы тормозного типа (при появлении которых оператор не должен нажимать никаких клавиш). В процессе выполнения теста при правильных действиях оператора темп предъявления компьютером стимулов автоматически ускоряется, а при ошибочных действиях оператора -автоматически замедляется, что вызывает стрессовую ситуацию для испытуемого. При этом фиксируется общее число неправильных действий оператора и производится оценка его реакций по отношению к лидеру. Тест завершается по истечении заданного промежутка времени либо по достижении заданного числа предъявлений стимулов.
В подсистеме управления нагрузкой реализован ряд таких тестов разной степени сложности, в том числе:
Тест 1. На экране монитора через случайные промежутки времени появляются графические фигуры двух цветов, которые испытуемый клавишами Left -Right должен направить в корзину соответствующего цвета.
Тест 2. На экране монитора через случайные промежутки времени появляются графические фигуры трех цветов, два из которых представляют собой сигналы возбуждающего типа, а третий цвет - сигнал тормозного типа. Испытуемый должен направить стимулы возбуждающего типа в корзину соответствующего цвета, а на стимул тормозного типа не должен реагировать. Тест 3. Дополнительной психоэмоциональной нагрузкой по отношению к Тесту 2 является то, что в случайные моменты времени меняются местами цвета левой и правой корзин.
Тест4. Дополнительной психоэмоциональной нагрузкой по отношению к Тесту 3 является то, что в некоторые случайные моменты времени случайным образом меняются цвета графических стимулов и корзин, причем в данном случае к сигналу тормозного типа испытуемый должен отнести тот графический стимул, цвет которого не совпадает с цветами обоих корзин.
Похожие диссертации на Влияние вариаций солнечной активности на функционально здоровых людей
