Введение
Все живые организмы находятся под постоянным воздействием гелиогеофизических факторов [1, 2]. От них зависят нормальные процессы жизнедеятельности, в то же время, они могут служить причиной нежелательных явлений в биосфере. С 2003 г. в рамках международного научно-исследовательского проекта «Гелиомед» проводится мониторинг параметров ритмики сердца практически здоровых людей. Он позволил выявить особенности индивидуальных и групповых гелиобиологических реакций в зависимости от сезона года, фазы цикла солнечной активности, географической широты проживания людей, доказать существование популяционных эффектов и универсальных программ адаптации человека к космогеофизическим факторам [3].
Биосфера все больше подвергается воздействию антропогенных факторов. Изучение их влияния на адаптацию организмов к изменению солнечной активности представляет большой научный и практический интерес. Чтобы выявить различия в отклике биосистем на природные и антропогенные воздействия, необходимо выбрать такой антропогенный фактор, который значительно выделял бы одну из систем. Такими факторами при проведении исследований на человеке может служить табакокурение. Известно, что курение влияет на функционирование сердечно-сосудистой системы (ССС) [4], что позволяет использовать его как отягчающий антропогенный фактор при изучении влияния гелиогеофизических возмущений на биоэлектрическую активность миокарда.
В связи с вышесказанным целью данной работы явилось исследовать зависимость биоэлектрической активности миокарда от уровня геомагнитной активности, используя результаты длительного мониторинга состояния ССС практически здоровых мужчин и женщин, курящих и некурящих, проводимого методом экспресс-диагностики электрокардиограммы первого отведения.
Объекты и методы исследования
Исследования проводились в 2009–2012 гг. на базе Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Объектами исследованиями служили:
- практически здоровые мужчины и женщины, курящие и некурящие в возрасте 18-20 лет, стаж курения не превышал 2-3 лет, количество выкуриваемых в день сигарет 10-20 шт.
Определение уровня воздействия гелиогеофизических факторов на человека и группы людей, объединенных двумя признаками (пол и табакокурение) проводили по изменению биоэлектрической активности миокарда, которую регистрировали с помощью оригинального датчика электрокардиограммы (ЭКГ) первого отведения из семейства «Фазаграф», разработанного Л.С. Файнзильбергом и В.В. Вишневским, г. Киев, Украина (www.fazagraf.com). Обработка результатов измерений проводилась централизованно в режиме on-line в Институте проблем математических машин и систем НАН Украины (www.geliomed.kiev.ua).
Предварительно был проведен отбор добровольцев по результатам психофизиологических тестов (опросник Русалова, опросник Менделевича-Яхина) [5, 6] и ЭКГ первого отведения. Из 50 протестированных женщин были выбраны 12, а из 56 мужчин - 14 с параметрами ЭКГ в пределах возрастной нормы [7] и нормативов, отражающих средний или выше среднего уровни выраженности личностных свойств. Мужчины и женщины были разделены на 2 группы – курящих и некурящих - с равным количеством испытуемых.
Все участники проходили четырехкратную регистрацию параметров ЭКГ первого отведения: сидя в состоянии покоя (1 мин.), после стресс-теста, который представляет собой игру в шарики, регулярно меняющие цвета и скорость падения (1 мин.), после физической нагрузки в виде 30 приседаний в течение 1 мин. и отдыха – 1 мин. [8]
Состояние биоэлектрической активности миокарда оценивали по коэффициенту симметрии Т-зубца (Т) на ЭКГ [9,10]. Для каждой группы испытуемых определяли его среднее значение ().
Производились расчеты среднего значения коэффициента симметрии Т-зубца по каждой мониторинговой группе для каждого из состояний:
, (1)
где - среднее значение коэффициента симметрии Т–зубца; Тm - коэффициент симметрии Т–зубца кардиограммы человека в одном из состояний; n - количество человек в группе.
Чтобы выявить отличия в отклике ССС курящих и некурящих испытуемых при различных уровнях геомагнитной активности были рассчитаны показатели физ. и эмоц. по формуле:
, (2)
где - среднее значение изменения коэффициента симметрии Т–зубца; Тk – коэффициент симметрии Т–зубца кардиограммы человека в состоянии покоя; Тi - коэффициент симметрии Т–зубца кардиограммы человека после физической нагрузки или после стресс-теста; n - количество человек в группе.
Групповые эффекты определяли путем анализа вероятности нетипичных отклонений в траектории кардиосигналов – «артефактов» кардиосигналов [3]
Изменение магнитной возмущенности определяли по суммарному за сутки значению Кр-индекса. Сведения о геомагнитной активности (К-индекс) были получены из данных наблюдений Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН г. Якутска.
Результаты исследования
Данные биофизического мониторинга биоэлектрической активности миокарда табакозависимых мужчин и женщин были проанализированы различными способами и была проведена статистическая обработка измерений по временным рядам, т.е. за весь срок эксперимента (95 суток для женщин и 50 суток для мужчин), результаты анализа представлены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Достоверно значимые (р<0,05) отличия отклика ССС групп курящих и некурящих мужчин и женщин независимо от магнитной возмущенности
Изучаемые показатели |
Мужчины |
Женщины |
физ.
эмоц. |
эмоц. у курящих мужчин на 30% (p<0,05) ниже, чем у некурящих |
физ. у курящих женщин на 14% (p<0,05) выше, чем у некурящих эмоц. у курящих женщин на 12% (p<0,05) выше, чем у некурящих |
физ. эмоц. |
физ. на 38% и |эмоц.| на 40% у курящих меньше, чем у некурящих |
физ. у курящих больше, чем у некурящих 35-40%
|
Таблица 2
Достоверно значимые (р<0,05) отличия отклика ССС групп курящих и некурящих мужчин и женщин в зависимости от геомагнитной возмущенности
Изучаемые показатели |
Мужчины |
Женщины |
физ. эмоц. |
У курящих физ. в магнитовозмущенный период в 2 раза меньше, чем в магнитоневозмущенный |
У курящих |эмоц.| в магнитовозмущенный период в 2 раза больше, чем в магнитоневозмущенный |
Процент изменения , % |
В период высокой геомагнитной возмущенности у курящих испытуемых обнаружена синхронизация отклонений показателя пок., физ., эмоц. |
|
максимальное увеличение (на 250%) после физической нагрузки |
максимальное увеличение (на 60%) после эмоциональной нагрузки |
|
Вероятность артефактов, % |
В период высокой геомагнитной возмущенности |
|
у курящих вероятность артефактов составляла 80-100%, у некурящих - не превышала 50% |
у курящих вероятность артефактов составляла 50-100%, у некурящих - не превышала 30% |
Обсуждение результатов
Биофизический мониторинг состояния ССС практически здоровых мужчин и женщин, курящих и некурящих проводился в период наибольшей солнечной активности (весна, осень). За весь период мониторинга создана экспериментальная база из ~5000 ежедневных измерений параметров CCC испытуемых. В ходе эксперимента изучали индивидуальные и групповые особенности отклика ССС табакозависимых женщин и мужчин на воздействие гелиогеофизических факторов. Их оценивали по параметру ЭКГ первого отведения - коэффициенту симметрии Т-зубца [9]. Известно, что Т-зубец характеризует процесс реполяризации миокарда, его изменение свидетельствует о нарушении процесса восстановления организма после нагрузки и сигнализирует о возможности развития патологии ССС [7]. Обработка данного параметра в фазовом пространстве координат (коэффициент симметрии Т-зубца) позволила уйти от субъективизма при проведении длительных биофизических исследований [8].
Ранее отмечалось [8], что только при сочетании с дополнительным стресс-фактором у людей с удовлетворительной адаптацией регистрируются изменения параметров ССС в ответ на вариации солнечной активности и геомагнитного поля. Поэтому представляло интерес сравнить отклик ССС курящих и некурящих женщин и мужчин после физической нагрузки и после стресс-теста на изменение геомагнитной возмущенности. Для этого были рассчитаны показатели физ. и эмоц..
Были построены временные зависимости параметров физ. и эмоц. для каждой из групп испытуемых, их соотнесли с уровнем геомагнитной активности, определенной по значению Кр-индекса. Были обнаружены значимые отличия в биоэлектрической активности миокарда у курящих и некурящих испытуемых, причем с различной степенью выраженности у женщин и мужчин, при физической и эмоциональной нагрузке, в магнитовозмущенные и невозмущенные дни.
Необходимо было определить, насколько полученные отличия реакции ССС различных групп испытуемых значимы. Поскольку изучаемая система является эргодической, нами была проведена статистическая обработка измерений по временным рядам, т.е. за весь срок эксперимента (95 суток для женщин и 50 суток для мужчин).
Установлены достоверные отличия (р<0,05) между физ. у курящих и некурящих женщин независимо от геомагнитной активности. У курящих данный показатель выше в среднем на 35-40%. Получено, что средние значения |эмоц.| для курящих и некурящих женщин достоверно отличаются в период нормальной и повышенной геомагнитной активности, в 1,7 и в 3,5 раза, соответственно. Только у курящих женщин обнаружены статистически значимые отличия (в 2 раза) между |эмоц.| в магнитовозмущенные и невозмущенные дни. То есть в дни геомагнитной возмущенности курящая женщина, находящаяся в состоянии стресса, попадает в группу риска по заболеваниям ССС.
У курящих мужчин обнаружены: обратная зависимость физ. от уровня геомагнитной активности; значимые отличия в реакции организма на физическую нагрузку относительно некурящих мужчин (меньше на 38%) в период нестабильной геомагнитной обстановки (Кр ≥16); снижение реакции на эмоциональный стресс.
Таким образом, нами установлено, что курение изменяет биоэлектрическую активность миокарда в большей степени в период геомагнитной возмущенности, что увеличивает риск развития патологий ССС именно у курящих людей.
Чтобы выявить закономерности в ответной реакции ССС женщин и мужчин на вариации геомагнитной активности, был рассчитан процент изменения среднего коэффициента симметрии Т-зубца для группы курящих относительно группы некурящих испытуемых в состоянии покоя, после физической и психоэмоциональной нагрузок.
Получено, что независимо от геомагнитной обстановки у никотинозависимых женщин, находящихся в состоянии покоя, значения коэффициента симметрии Т-зубца, как правило, выше, чем у некурящих, что может свидетельствовать о систематических отклонениях в работе сердца, вызванных действием продуктов сгорания табака.
В дни слабой геомагнитной возмущенности у группы курящих женщин, подвергнутых воздействию стресс-факторов, не обнаружено определенных закономерностей в изменении значения коэффициента . В период высокой геомагнитной активности отмечено значительное синхронное увеличение (до 60%) измеряемых показателей у курящих женщин относительно некурящих, максимальный скачок зафиксирован после психоэмоциональной нагрузки на пике геомагнитной возмущенности. Обнаруженная нами синхронизация отклонений может являться показателем реакции ССС на возрастание солнечной активности. В эти дни наблюдается наименьший разброс значений показателя в зависимости от различных видов нагрузки – от 2 до 11 %. В дни слабой магнитной возмущенности данная синхронизация не наблюдается.
По результатам биофизического мониторинга у табакозависимых мужчин происходят еще более значительные отклонения коэффициента симметрии Т-зубца, чем у курящих женщин, причем максимальное увеличение (в 2,5 раза) зафиксировано после физической нагрузки. Только в период высокой геомагнитной возмущенности у них наблюдалась аналогичная синхронизация отклонений показателя , разброс значений составил от 15 до 23 %. Полученные результаты позволяют нам утверждать, что мужчины, особенно курящие, более чувствительны к воздействию магнитных бурь, чем женщины.
Ранее было замечено, что каждый человек имеет индивидуальную траекторию 4-х измерений кардиосигнала (при различных видах нагрузок), которая или не изменяется в отсутствии сильных внешних воздействий, или постоянно колеблется [11]. Этот показатель характеризует степень устойчивости организма к факторам внешней среды и особенности индивидуальной адаптации. Магнитная буря и табакокурение могут вызвать нетипичные отклонения в траектории кардиосигналов – «артефакты». Чем больше количество артефактов в группе, объединенной общими признаками, тем выше достоверность регистрируемого эффекта воздействия внешнего сигнала.
Представляло интерес анализ полученных мониторинговых данных методом автоматического поиска групповых эффектов, чтобы выявить вероятность артефактов в группах курящих и некурящих женщин и мужчин.
Установлено, что у некурящих женщин независимо от геомагнитной обстановки вероятность артефактов не превышала 50%, у курящих – колебалась в интервале от 20 до 100% (p<0,05). В период слабой геомагнитной возмущенности вероятность артефактов для группы некурящих женщин в среднем составила 20%, а у курящих – 30% (p<0,05). В магнитно-возмущенный период для некурящих данный показатель не превысил 40%, в то время как для группы курящих женщин он колебался от 50 до 100%. На пике магнитной возмущенности вероятность артефактов составила у курящих женщин - 100%, у некурящих – 28%.
У курящих мужчин наблюдался повышенный уровень чувствительности к колебаниям солнечной активности по сравнению с некурящими, наибольшая вероятность артефактов проявлялась, как правило, в дни высокой геомагнитной возмущенности и составляла 80-100%, в то время как у некурящих в эти дни она не превышала 50%.
Отмечено также, что у мужчин, как курящих, так и некурящих, нетипичные отклонения в траектории кардиосигналов возникают гораздо чаще, чем у женщин, что свидетельствует о более высокой степени реактивности, повышенной вариабельности параметров и меньшей устойчивости мужчин к воздействию гелиогеофизических возмущений.
Выводы
В ходе проведенных исследований установлено, что:
1) Имеются отличия в отклике ССС у курящих испытуемых относительно некурящих независимо от геомагнитной обстановки после физической и эмоциональной нагрузок.
2) Только у курящих испытуемых имеются достоверные отличия в различных показателях отклика ССС в магнитовозмущенный период по сравнению с невозмущенным периодом.
3) Табакокурение усиливает чувствительность организма к воздействию гелиогеофизических факторов, и что мужчины более подвержены воздействию природных и антропогенных факторов.
1. Григорьев А.И. (link is external) Экология человека. М.: Гэотар-Медиа 2008; 235 c.
2. Трунев А.П., Луценко Е.В. Cемантические информационные модели влияния солнечных пятен на сейсмическую активность, движение полюса и магнитное поле Земли. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (link is external) 2011 (link is external); 66: 2-17.
3. Биотропное воздействие космической погоды (по материалам российско-украинского мониторинга «Гелиомед» 2003-2010) / Под ред. М.В. Рагульской. М.: Киев. СПб: ВВМ, 2010; с 312.
4. Радбиль О.С., Ю.М. Комаров. Курение. М.: Медицина 1988; 369 с.
5. Русалов В.М. Биологические основы индивидуально-психологических различий. (link is external) М.: Наука 1979; 319 с.
6. Яхин К.К., Д.М. Менделевич. Клинический опросник для выявления и оценки невротических состояний. Клиническая и медицинская психология. М.: Наука 2005; 432 с.
7. Нейл Р. Грабб, Дэвид Е. Ньюби. Кардиология. М.: МЕДпресс-информ 2006; 704 с.
8. Вишневский В. В., М.В. Рагульская, Л.С. Файнзильберг. Влияние солнечной активности на морфологические параметры ЭКГ сердца здорового человека. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника 2003; 3: 3- 12.
9. Файнзильберг Л.С. Информационные технологии обработки сигналов сложной формы. Теория и практика. Киев: Наукова Думка, 2008. - 333 с.
10. Fainzilberg L. S., Potapova T. P. Computer Analysis and Recognition of Cognitive Phase Space Electro-Cardio Graphic Image. Proc. of the 6-th Int. Conf. on Computer Analysis of Images and Patterns. Prague, 1995: 668–673.
11. Вишневский В.В. Космогеофизические факторы как регулятор индивидуальных и популяционных программ адаптации сердца человека / В.В. Вишневский, А.С. Сычев М.В. Рагульская, С.М. Чибисов // Фундаментальные исследования. – 2011. - №7. – С. 35-42.
Поступила в редакцию 17 апреля 2015 г., Принята в печать 10 июня 2015 г.