Магнитобиологические эффекты в комплексном биотропном воздействии на организм человека экстремальных экологических факторов высоких широт: биоинформационный анализ

означает создание совершенной математической модели, обобщающей всю совокупность разрозненных эмпирических фактов, и ее реализация в виде компьютерной модели. Эта модель позволяет с помощью вычислительных экспериментов не только воспроизводить реальный физиологический эксперимент, но также предсказывать новые факты, прогнозировать последствия различных экстремальных воздействий на организм человека и животных. Задача ученого - не только накопление экспериментальных фактов, но и их математическое обобщение в виде математических моделей. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент - это будущее физиологии и биомедицины.

Литература

1. Анохин, П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем. Принципы системной организации функций./П.К.Анохин.- М.: Наука, 1973.- 258 с.

2. Анохин, П.К. Избранные труды. Кибернетика

функциональных систем / П.К.Анохин (Под ред.К.В.Судакова).-М.: Медицина, 1998.- 475 с.

3. Введение в математическое моделирование патологических процессов / Б.И.Балантер [и др.].- М.: Медицина, 1980.- 262 с.

4. Винер, Н. Проведение импульсов в сердечной мышце. Математическая формулировка проблемы проведения импульсов в сети связанных возбудимых элементов, в частности в сердечной мышце/ Н. Винер, А. Розенблют // Кибернетический сборник-1961.- №.3.- С.7-56.

5. Нейроинформатика / А.Н. Горбань [и др.].- Новосибирск: Наука, 1998.- 258 с.

6. Журавлев, С.Г. Биомедицинские модели и их идентификация /С.Г. Журавлев, В.В. Ермаков // Итоги науки и техники. Серия «Математическая биология и медицина».- М.: ВИНИТИ, 1989.

7. Зайцев, А.А. Математическая модель изменения функционального состояния живого организма в период действия регулярных внешних нагрузок /А.А. Зайцев, С.В. Сазонов// Биофизика.- 2002.- Т.47.- №4.- С.752-758.

8. Каркищенко, Н.Н. Основы биомоделирования /Н.Н. Кар-кищенко.- М.: Межакадемическое издательство ВПК, 2005.- 608 с.

9. Лищук, В.А. Математическая теория кровообращения / В.А.Лищук.- М.: Медицина, 1991.- 232 с.

10. Лищук, В. А. Опыт применения математических моделей физиологических систем в интенсивной терапии / В.А. Ли-

щук, Д.Ш. Газизова // Материалы ХХ съезда физиологического общества им. И.П.Павлова. 4-7 июня 2007.- М..- 309 с.

11. Ризниченко, Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии. /Г.Ю.Ризниченко.- М.: Изд. РХД, 2002.- 560 с.

12. Судаков, К.В. Кибернетические свойства

функциональных систем / К.В. Судаков // Вестник новых медицинских технологий.- 1998.- Т.5.- № 1.- C. 12-18.

13. Федоров, В.И. Классификация управляющих систем организма. Дополнение к теории функциональной системы П.К. Анохина/ В.И. Федоров //Успехи совр. биологии.- 2000.-Т. 120.- №1.- С.3-11.

14. Федоров, В.И. Физиология и кибернетика: история взаимопроникновения идей, современное состояние и перспективы / В.И. Федоров // Успехи физиологических наук.- 2007.-Т. 38.- №3.- С. 72-86.

15. Экстремальные принципы в математической биологии / П.В. Фурсова [и др.] // Успехи современной биологии.- 2003.-Т. 123.- №2.- С. 115-117.

16. Theoretical analysis of the regulation of interferon expression during priming and blocking / S.I.Bazhan [et al.] // J.Theor. Bi-

ol.- 1995.- V.175.- №2.- P. 149-160.

17. Ito, M. Preface XXXIIrd International Congress of Physiological Sciences. Final Announcement / M.Ito // St.Petersburg, 1997.- P. 2.

18. Influence of viscosity on myocardium mechanical activity: a mathematical model / L.B. Katsnelson [et al.] // J Theor Biol.-2004.- V.230.- №3.- P. 385-405.

19. Mechano-electrical heterogeneity in physiological function of the heart. In: Cardiac mechano-electric feedback and arrhythmias: from pipette to patient / V.S. Markhasin [et al.] // Saunders.- 2005.-P. 214-223.

20. Noble, D. Preface XXXInd International Congress of Physiological Sciences. Final Announcement / D. Noble.- Glasgow.-1993.- P2.

21. Romaniukha, A.A. Mathematical modeling of T cell proliferation / A.A. Romaniukha, I.A. Sidorov// Math.Biosci.- 1993.-V. 115.- №3.- P. 187-232.

22. Wiener, N. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine / N. Wiener.- Paris: The Technology Press and John Wiley and Sons Ync.N.Y.Herman et Cie, 1948.- 348 p.

УДК 612.014.426

МАГНИТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КОМПЛЕКСНОМ БИОТРОПНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВЫСОКИХ ШИРОТ: БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

В.А. КАРПИН, О.Е. ФИЛАТОВА

Сургутский государственный университет, пр. Ленина, 1, г. Сургут, Тюменская область, 628412

Аннотация: целью настоящего исследования явилось определение с применением новых современных методов биоинформационно-го анализа места и роли гелиогеомагнитной активности в комплексном биотропном воздействии на организм человека особых экологических факторов высоких широт. Изучалась сезонная динамика рецидивирования хронических заболеваний внутренних органов (стенокардия, гипертоническая болезнь, хронический бронхит, ревматизм) у жителей г. Сургута за пятилетний период. Параллельно отмечалась среднемесячная динамика геомагнитной активности. Проведенный корреляционный анализ в рамках второй, стохастической (вероятностной) парадигмы показал, что суммарная среднемесячная и сезонная динамика геомагнитных колебаний, выявленная при многолетнем наблюдении на территории Югры, играет существенную роль в течении хронических неинфекционных болезней. Однако в рамках второй парадигмы не представляется возможным определить значимость геомагнитной активности в комплексном биотропном влиянии экстремальных экологических факторов. Разрешение данной проблемы возможно только с позиции третьей, синергетической парадигмы. Применение метода идентификации параметров квазиаттракторов в фазовом пространстве состояний позволяет в рамках синергетической парадигмы выявить значимость геомагнитных возмущений в комплексном биотропном воздействии на организм человека неблагоприятных экологических факторов высоких широт.

Ключевые слова: высокие широты, геомагнитная активность, хронические заболевания, биотропные эффекты.

MAGNITOBIOLOGICAL EFFECTS IN COMPLEX BIOTIC INFLUENCE OF NORTHERN ECOLOGICAL FACTORS ON THE HUMAN

ORGANISM: BIOINFORMATION ANALYSIS

V.A. KARPIN, O.E. FILATOVA

Surgut state university

Abstract: aim of this research is the discovery of the geliogeomagnetic activity role in complex biotic influence of high latitudes special ecologic factors on the human organism by modern bioinformation methods. Season dynamic of intern chronic diseases (stenocardia, essential hypertension, chronic bronchitis, rheumatic fiver) recidivations in the five years period between northern residents was studied. On the same time geomagnetic

activity season dynamic was registered. Correlative analysis in the second probable paradigm limits was showed that geomagnetic fluctuations season dynamic play the important part in the chronic diseases recidivations in Yugra. However it is impossible to determine geomagnetic activity significance in the complex biotic influence of regional extreme ecologic factors by the second paradigm. Decision of this problem is possible only with the third, synergetic paradigm application. Use of the method of quasi-attractors parameters identification in the condition phase space may to discovery geomagnetic storms significance in the complex biotic influence on the human organism high latitude ecological condition.

Key words: high latitudes, geomagnetic activity, chronic diseases, biotic effects.

Естественные магнитные поля представляют потенциальную угрозу для здоровья людей и являются не менее существенным экологическим фактором, чем температура, давление и влажность воздуха. По мере роста осознания этого факта задача изучения механизмов биологического действия электромагнитных полей становится все более актуальной. Интерес к магнито-биологии обусловлен прежде всего экологическими причинами. Ранее считалось, что слабые низкочастотные магнитные поля нетепловой интенсивности безопасны для человека, биологическое действие таких полей казалось невозможным с точки зрения физики. Со временем были накоплены опытные данные, показавшие потенциальную опасность этих полей и излучений, скрытый характер их действия. Экологическая значимость магнитных полей становится предметом специального изучения [2,10].

Проблема влияния метеофакторов на организм исследуется очень давно, и только около 20 лет назад появились работы, в которых ставился вопрос о необходимости комплексного изучения влияния метеорологических и геомагнитных факторов на здоровье человека. Но, как правило, подобный анализ ограничивался раздельным сравнением степени связи с геофизическими и метеорологическими факторами, без попыток анализа сочетанного и взаимного влияния этих двух групп факторов [6].

Начало третьего тысячелетия в истории человечества характеризуется развитием нового уровня научного мышления и мировоззрения в целом, которое обозначается как третья, синергетическая парадигма. Хорошо известно, что биообъекты являются сложными открытыми нелинейными динамическими системами, в реакции которых определяющим может быть их состояние, а не только воздействующий фактор. Такая система может реагировать даже на слабые внешние воздействия при неустойчивом внутреннем состоянии [1,4]. При рассмотрении механизмов взаимодействия геомагнитных полей с элементами биосферы возникает необходимость поиска наиболее фундаментальных принципов, определяющих такого рода взаимодействие. По-видимому, эти принципы лежат в области изучения неравновесных и нелинейных взаимодействий как биологических систем в целом, так и их рефлексии на воздействие средовых экологических факторов.

Цель исследования — выявить с применением новых современных методов биоинформационного анализа место и роль гелио-геомагнитной активности в комплексном биотропном воздействии на организм человека особых экологических факторов высоких широт.

Материалы и методы исследования. Объектом настоящего исследования явились больные хроническими заболеваниями внутренних органов из числа постоянных жителей г. Сургута -крупнейшего (300 тыс. жителей) промышленно-

административного центра Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (ХМАО - Югра).

Выбор контингента хронических терапевтических больных для изучения магнитобиологических эффектов имел определенные основания. В результате целого ряда исследований установлено, что организм больных, ослабленных и переутомленных людей быстрее теряет способность адаптироваться к новым, изменившимся условиям окружающей среды [9]. Реакция живых организмов на внешний стресс проявляется более интенсивно при наличии хронического заболевания [8]. У больных людей отмечена повышенная чувствительность к воздействию магнитных бурь [5,7].

Всего было проанализировано 4930 случаев обращения за медицинской помощью жителей г. Сургута трудоспособного возраста (20-59 лет) в связи с ухудшением течения хронических заболеваний внутренних органов (ишемическая болезнь сердца (нестабильная стенокардия), гипертоническая болезнь, хронический бронхит, ревматизм) за пятилетний период. Распределение больных по полу, возрасту и нозологическим формам представлено в табл. 1.

Все наблюдаемые больные относились к категории пришлого населения с северным стажем проживания 5-10 лет (73,2%) и более 10 лет (26,8%). Изучали особенности среднемесячного и сезонного течения данных заболеваний при многолетнем мониторировании, используя разработанный нами так назы-

ваемый «коэффициент обращаемости» (КО) - среднемесячное число обратившихся больных в перерасчете на 1000 населения за весь период наблюдения.

Таблица 1

Распределение наблюдаемых больных по полу, возрасту и нозологическим формам

Возрастная группа Стенокардия Гипертоническая болезнь Хронический бронхит Ревматизм

возраст пол

20-29 М 35 71 107 15

Ж 5 39 52 18

всего 40 110 159 33

30-39 М 264 122 100 24

Ж 49 82 119 69

всего 313 204 219 93

40-49 М 717 252 147 49

Ж 170 315 157 112

всего 887 567 304 161

50-59 М 798 220 90 31

Ж 289 265 69 78

всего 1087 485 159 109

ИТОГО: М 1814 бб5 444 119

Ж 513 7G1 397 277

всего 2327 13бб 841 39б

Таблица 2

Эффект сочетанного внешнего управляющего воздействия различных экологических факторов на частоту обращаемости больных

ИБС: стенокардия Гипертоническая болезнь Хронический бронхит Ревматизм

1 кластер

General asymmetry value rX 0,5443 0,5441 0,5995 0,5568

General V value vX б4,89б7 4G,G228 53,3812 33,5G69

2 кластер

General asymmetry value rX 0,2082 0,2078 0,3265 0,2391

General V value vX 112,73б9 б9,52б5 92,7324 4G,8356

3 кластер

General asymmetry value rX 0,5315 0,5314 0,5880 0,5444

General V value vX 86,4316 53,3036 71,0948 31,3073

4 кластер

General asymmetry value rX 0,2185 0,2172 0,3326 0,2482

General V value vX 54,1440 33,4080 44,4672 19,8144

5 кластер

General asymmetry value rX 0,5356 0,5351 0,5914 0,5484

General V value vX 41,5104 25,6128 34,0915 15,1910

Примечание: КО - коэффициент обращаемости;

КГМАдн - коэффициент геомагнитной активности в днях;

ГМАбал - коэффициент геомагнитной активности в баллах; атм. давл. -атмосферное давление; температура - температура окружающего воздуха

Параллельно изучали среднемесячную динамику также разработанного нами «коэффициента геомагнитной активности» (КГМА) за тот же пятилетний период, который вычисляли как по средней продолжительности геомагнитных бурь в каждом месяце в днях (КГМАдн), так и по среднемесячной интенсивности в

баллах (КГМАбал). Материалы по со стоянию геомагнитного поля в регионе за изучаемый период времени предоставлены Сургутским городским ОАО «Экогеос».

С целью обнаружения возможной связи между состоянием геомагнитных и метеорологических параметров анализировали по тому же принципу среднемесячную динамику наиболее значимых для региона погодно-климатических факторов - температуры атмосферного воздуха (в оС), атмосферного давления (в мм рт.ст.) и индекса жесткости погоды по И.М. Осокину (в относительных единицах - отн. ед.).

Статистическую обработку материала проводили с использованием компьютерной программы С. Гланца «Biostat». В рамках второй, вероятностно-статистической (стохастической) парадигмы, с целью определения тесноты и достоверности связи между изучаемыми параметрами применяли критерий ранговой корреляции Спирмена (rs), который при данных исследованиях является более корректным статистическим методом, чем критерий линейной корреляции Пирсона: он является непараметрическим критерием, не требующим нормального распределения анализируемых данных, а также линейной зависимости между ними.

С позиции третьей, синергетической парадигмы динамику сложной системы с вариацией и самоорганизацией изучали с применением «Программы идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в m-мерном фазовом пространстве» [3]. На многочисленных примерах автор и возглавляемый им научный коллектив убедительно показали, что изменениям в состоянии таких систем предшествует изменение размеров m-мерного параллелепипеда (General V value, vX, у.е.), внутри которого наблюдается движение вектора состояния системы, что соответствует изменению размеров квазиаттрактора движения этого вектора в фазовом пространстве состояний. Одновременно с изменением объемов квазиаттракторов могут изменяться координаты центра квазиаттрактора (General asymmetry value, rX, у.е.), он начинает перемещаться в другую область фазового пространства. Уменьшение размеров квазиаттракторов вектора состояния системы после различных воздействий свидетельствует о снижении уровня изменчивости (вариабельности), т.е. степени разброса параметров вектора в фазовом пространстве состояний. Расширение границ квазиаттракторов сигнализирует о том, что обследуемые системы входят в область патологии. Сейчас такой подход широко используется нами в области экологических исследований.

Результаты и их обсуждение. Анализ биотропных эффектов среднемесячной и сезонной динамики гелиогеомагнитных бурь в рамках стохастической (вероятностной) парадигмы показал результаты, во многом сходные для течения изучаемых нозологий. Рассмотрим эти взаимосвязи на примере гипертоничской болезни.

Показатели среднемесячной обращаемости по поводу обострения эссенциальной гипертензии имели два пика (рис.): в феврале-марте (КО в этот период равнялся соответственно 0,22 и

0,23) и октябре-ноябре (КО составил 0,20 и 0,21 соответственно). Минимальное число обращений зафиксировано в июле (КО=0,10). Обе волны обострений, как и в случаях со стенокардией, отмечались на фоне высокой среднемесячной продолжительности и интенсивности геомагнитных бурь: оба показателя (КГМАдн и КГМАбал) были максимально выражены в марте (7,2 и 4,4 соответственно) и октябре (7,8 и 6,2 соответственно), а минимально - в июле-августе (1,8 и 2,0 соответственно). Корреляционный анализ показал достоверную прямую связь среднемесячной частоты обострений артериальной гипертензии с продолжительностью геомагнитной активности (rs=0,706; Р=0,012) и ее интенсивностью (rs=0,677; Р=0,017).

Рецидивы других хронических неинфекционных заболеваний также отмечались в марте-апреле с минимумом в июле-августе, тесно коррелируя преимущественно с продолжительностью гелиогеомагнитных флуктуаций.

Таким образом, проведенный стохастический анализ показал, что суммарная среднемесячная и сезонная динамика геомагнитных колебаний, выявленная при многолетнем наблюдении на территории Югры, играет существенную роль в течении хронических неинфекционных болезней. Однако в рамках второй парадигмы не представляется возможным определить значимость геомагнитной активности в комплексном биотропном влиянии

экстремальных экологических факторов региона исследования. Разрешение данной проблемы возможно только с позиции синергетической парадигмы.

Рис. Среднемесячная частота обращаемости больных гипертонической болезнью в различные периоды геомагнитной активности

В табл. 2 представлены сравнительные параметры квазиаттракторов 5 наиболее значимых кластеров внешних управляющих воздействий в виде биотропного влияния экстремальных экологических факторов на течение хронических заболеваний. Из таблицы видно, что наибольшие объемы квазиаттракторов: vX = 69,53 у.е. (гипертоническая болезнь); vX = 112,74 у.е. (ИБС, стенокардия); vX = 92,73 у.е. (хронический бронхит);

vX = 40,84 у.е. (ревматизм) отмечены в условиях длительных гелиогемагнитных флуктуаций и колебаний атмосферного давления. Таким образом, можно утверждать, что именно эти неблагоприятные экологические факторы являются параметрами порядка в формировании внешних управляющих воздействий на течение хронических заболеваний внутренних органов.

Выводы:

1. Гелиогеомагнитные флуктуации играют существенную роль в сезонном рецидивировании хронических неинфекционных болезней на территории Югры.

2. Применение метода идентификации параметров квазиаттракторов в фазовом пространстве состояний позволяет в рамках синергетической парадигмы выявить значимость геомагнитных возмущений в комплексном биотропном воздействии на организм человека неблагоприятных экологических факторов высоких широт.

Литература

1. Агаджанян, НА. Экология человека / Н.А. Агаджанян, И.И. Макарова.- 2005.- №9.- С. 3-9.

2. Бинги, В.Н. Успехи физических наук / В.Н. Бинги, А.В. Савин.- 2003.- №3.- С. 265-300.

3. Программа идентификации параметров аттракторов вектора поведения биосистем в т-мерном фазовом пространстве / В. М. Еськов [и др.] // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613212, РОСПАТЕНТ.- Москва, 2006.

4. Еськов, В.М. Третья парадигма / В.М. Еськов.- Самара, 2011.- 250 с.

5. Зенченко, ТА. Экология человека / Т.А. Зенченко, А.М. Мерзлый, Л. В. Поскотинова.- 2009.- №10.- С. 3-11.

6. Зенченко, ТА. Экология человека / Т.А. Зенченко.-2010.- №2.- С. 3-11.

7. Хронобиология и хрономедицина / Ф.И. Комаров [и др.].- М., 2000.- С. 299-316.

8. Терапевтический архив / С.И. Рапопорт [и др.].- 2006.-Т. 78.- №4.- С. 56-60.

9. Хаснулин, В.И. Гелиогеофизические факторы и здоровье человека: Матер. Международ. симпозиума / В.И. Хаснулин, А.В. Хаснулина, Т.В. Волкова.- Новосибирск, 2005.- С. 15-16.

10. Хаснулин, В. И. Медико-экологические основы формирования, лечения и профилактики заболеваний у коренного населения Ханты-Мансийского автономного округа / В.И. Хаснулин.-Новосибирск, 2004.- С. 15-23.