Хроноструктура недельного ритма показателей гемодинамики у юношей в динамике сезонов года

УДК 612.13:613.11

ЧЕСНОКОВА Валентина Николаевна, кандидат биологических наук, доцент, заведующая кафедрой физической культуры Северного (Арктического) федерального университета. Автор 103 научных публикаций, в т.ч. одной монографии

ХРОНОСТРУКТУРА НЕДЕЛЬНОГО РИТМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГЕМОДИНАМИКИ У ЮНОШЕЙ В ДИНАМИКЕ СЕЗОНОВ ГОДА

В статье представлены результаты хронобиологического исследования частоты сердечных сокращений (ЧСС) и артериального давления (АД) у юношей. Полученные результаты указывают, что для осеннего периода года характерна оптимальная временная организация ритма ЧСС и АД в недельной динамике. Рассогласование ритма наблюдается от осени к весеннему периоду, что приводит к снижению синхронизации временных процессов в сердечнососудистой системе.

Юноши, частота сердечных сокращений, сезоны года, акрофаза, амплитуда, ритм

Введение. Цикличность биологических функций на всех уровнях является одним из условий существования живых организмов и рассматривается как одно из непременных свойств живой материи, неотъемлемое ее качество. Выработанная всем ходом эволюции временная последовательность взаимодействия различных функциональных систем организма с окружающей средой способствует гармоничному согласованию, настройке разных колебательных процессов на один лад, обеспечивая нормальную жизнедеятельность целостного организма [1, 2]. Если рассматривать организм с позиций термодинамики, то его можно охарактеризовать как открытую, неравновесную динамическую систему [3]. Открытость системы дает возможность для поступления в живой организм вещества и энергии, а также удаления из него избытка энтропии. Регулировка данных потоков осуществляется на основе использова-

© Чеснокова В.Н., 2011

ния системой информации, что гарантирует ей состояние устойчивого динамического равновесия со средой обитания. Нарушение информационного обмена на любой стадии процесса может явиться причиной потери устойчивости системы к любым видам воздействия, в т.ч. и патологическим [4]. Таким образом, индивидуальное здоровье человека в значительной мере зависит от способности живой системы адаптироваться к комплексу экзогенных и эндогенных факторов. При нарушении синхронизации ритмов организма и датчиков времени (внешний десинхроноз) организм вступает в стадию тревоги (внутренний десинхроноз), где могут наблюдаться различные его проявления - нарушение сна, снижение аппетита, ухудшение настроения, самочувствия, падение работоспособности, невротические расстройства и даже органические заболевания [5-7]. Данные изменения могут вызвать стационарную неустойчи-

вость системы и способствовать росту энтропии, что будет приводить к изменению вероятностного поведения системы [4].

Несомненно, сезонная асимметрия фотопериодизма северного региона, особо выраженная зимой и летом, может способствовать десинхронизации биологических ритмов, вызывая изменения потенциала внутренней энергии [8]. Поэтому применение хронобиологического подхода для изучения реактивности сердечно-сосудистой системы при периодическом действии на организм климатического контраста у здоровых молодых людей, постоянно проживающих в условиях северного региона, поможет в разработке рекомендаций, учет которых позволит снизить негативное воздействие дискомфортных условий Севера при перемещениях из других регионов России [9].

Цель исследования - определить сезонные особенности недельной хроноструктуры ритма ЧСС и АД у юношей, проживающих в северном регионе.

Материалы и методы. У одной и той же группы юношей в возрасте 19,45±0,13 лет в количестве 50 человек, родившихся и проживающих в г. Архангельске и Архангельской области, с 08.00 до 09.00 регистрировали ЧСС (паль-паторно) и АД систолическое (АДс) и диастолическое (АДд) по Короткову в состоянии относительного мышечного покоя. Исследование повторяли через 24 часа в течение 25 дней, т.к. согласно теореме Котельникова-Шеннона для выявления периодичности требуется, чтобы временной ряд был не менее, чем в два раза больше длины выявляемого периода, и кроме того изучаемый процесс должен быть замерен через равноотстоящие интервалы времени. Исследование ритма ЧСС и АД проводилось в осенний (октябрь), зимний (декабрь), весенний (апрель) и летний (июнь) периоды года. Обработка полученного материала проводилась на персональном компьютере РеПшт IV с помощью стандартных статистических программ. При статистической обработке материала использовали ^критерий Стьюдента для зависимых выборок. Критический уровень значимости (р) был равен 0,05. Анализ хронос-

труктуры биоритмов выполнен с помощью метода косинор-анализа [10], с применением прикладного математического пакета «Maple 13». Определяли и анализировали следующие величины: мезор (h) - среднюю величину процесса, вокруг которого совершаются колебания; акро-фазу ритма (ф) - время наибольшего значения ритма; амплитуду ритма (А) - разность между максимальным (или минимальным) значением процесса и его средним уровнем.

Экспериментально полученные измерения щ, ... ,ит (ЧСС, АДс, АДд) в различные моменты времени t t (дни) аппроксимируются методом наименьших квадратов (косинусоидой):

u(t) = A cos(aQt - ф) + h =

= х cos(0t) + y sin(a t) + h, где x = A cos<p, у = Asmq>, con - угловая частота.

iv0 найдем по формуле: Щ = где Т -период.

Для решения задачи минимизируем выражение:

І-1

В результате придем к системе трех уравнений с тремя неизвестными X, у, Ь.

где й\1

И

й14 =S;

и

=д

а-А н м

1-і

;„1

1-і

Решая систему (1), получим х, у h. Затем А и ф найдем по формулам:

^4 = -д/лГ' ’ если х=0;

А^= агс£§(^т) , если х<0.

Результаты исследования. К числу важнейших параметров биологического ритма относится среднепериодическая величина (мезор) ритмически колеблющейся функции, по величинам которого можно проследить за реакцией системы на внешнее или внутреннее влияние и на чувствительность организма к примененному воздействию [1]. Максимальные сезонные величины мезора ЧСС у юношей отмечены в весенний период года относительно осени (р<0,001), зимы (р<0,001) и лета (р<0,001) (рис. 1), тогда как для осеннего времени года характерны минимальные значения. На фоне снижения величин мезора в осенний период года у молодых людей наблюдаются минимальные в годовом цикле показатели амплитуды

ритма ЧСС. В весенне-летний период регистрировался максимум (р<0,05).

Анализ амплитудно-фазовой структуры ритма ЧСС в недельной динамике показал, что в осеннее время года максимальные значения данного показателя наблюдаются в конце недели (пятница). В начале рабочей недели (вторник) имеет место снижение величин мезора ЧСС до минимальных. В зимний период акрофаза ЧСС приходится на средину недели (среда), а наименьшие его значения характерны для выходных дней (суббота). В период весна-лето максимальные величины мезора ЧСС наблюдаются в четверг, а на воскресенье приходятся минимальные значения. Анализ сезонных фазовых отношений колебательного процесса ритма ЧСС показал, что весной и летом отмечается его синфазность. В зимний сезон волновая структура имеет фазовое отставание, а в осенний сезон фазовое опережение ритма относительно весенне-летнего периода. Временные структуры, характерные для осени и зимы, имеют противофазный ритм.

Дни недели

♦ Весна А Лето И Осень # Зима ---------------Мезор

Рис. 1. Хроноструктура недельного ритма ЧСС у юношей в динамике года

Минимальные величины мезора АДс в динамике сезонов года у студентов зарегистрированы осенью (рис. 2) с линейным нарастанием к зиме (р<0,001) и весне (р<0,001). Данные изменения происходят на фоне стабильных показателей амплитуды АДс. К летнему периоду снижение мезора АДс (р<0,001) происходит на фоне повышения амплитуды ритма (р<0,001) относительно других сезонов года.

Анализ недельной хроноструктуры ритма АДс указывает, что акрофаза АДс в осенний и зимний период приходится на окончание рабочей недели (пятница), тогда как снижение его величин имеет место в начале недели. Наблюдается синфазность колебательного процесса в осенне-зимний период года. В летний сезон имеет место фазовое опережение временного процесса, характерного для осени и зимы, с акрофазой показателя в четверг и его снижением к выходным дням. В весенний период года в колебательном процессе АДс наблюдается противофазность относительно трех других сезонов - акрофаза показателя наблюдается в начале недели.

Хроноструктура ритма АДд в динамике года незначительно меняется относительно колебательных процессов, наблюдающихся в динамике ЧСС и АДс - максимальные величины мезора АДд зарегистрированы в летний сезон (р<0,001) (рис. 3). Тем не менее общая картина волновой организации сохраняется - минимальными величинами отмечен осенне-зимний период года. Практически также изменяется амплитуда показателя АДд, достигая максимальных величины к весеннему сезону (р<0,001).

Анализ колебательного процесса ритма АДд в динамике недели и сезонов года свидетельствует о его жесткой структурной организации в течение трех сезонов - ритм АДд синхронизирован и сохраняет данную особенность осенью, зимой и весной с акрофазой показателя в конце рабочей недели. В летний сезон имеет место фазовое опережение колебательного процесса, характерного для других периодов года, с акрофазой показателя в начале недели.

Обсуждение результатов исследования. Анализ результатов исследования хронострук-

-Весна •

-Лето

Дни недели И Осень -

-Зима •

-Мезор

Рис. 2. Хроноструктура недельного ритма АДс у юношей в динамике года

Дни недели

♦ Весна А Лето И Осень ♦ Зима----------------Мезор

Рис. 3. Хроноструктура недельного ритма АДд у юношей в динамике года

туры ЧСС, АДс и АДд свидетельствует, что в весенний период наблюдается повышение функциональной активности сердечно-сосудистой системы, что предполагает более весомое напряжение ее адаптационных механизмов у молодых людей относительно других периодов года. Аналогичные результаты получены в исследовании В.А. Матюхина с соавт. [10] и Т.К. Бреус с соавт. [11], которые исследовали сезонную динамику ЧСС и АД и указывают, что в весенний сезон функциональная активность сердечно-сосудистой системы более выраженная, чем в другие периоды года. Данный факт интерпретируется авторами, с одной стороны, как напряжение компенсаторно-приспособительных механизмов сердца и сосудов, а с другой - как состояние нестабильности в их системе, с точки зрения цикличности системы. Хронофизиологические исследования, проведенные Л.И. Гапоном с соавт. в условиях Ханты-Мансийского автономного округа, показали, что, несмотря на факт повышения мезора ЧСС в период «зима-весна», оптимальная хроноструктура ритма ЧСС имеет место в весенний

период [12]. Некоторые исследователи, также отмечая повышение функциональной активности сердечно-сосудистой системы в весенний период, связывают данную особенность с колебаниями интенсивности энергетического обмена и нейроэндокринной системы [13].

В исследовании биологической природы ритма большое значение придается ритму амплитуды исследуемого показателя. Так, Т.К. Бреус с соавт. в своей работе угасание амплитуды характеризуют как один из признаков десинхро-ноза, а высокие ее значения авторы связывают с проявлением максимальной степени хаотичности в системе [11]. Н.М. Фатеева, изучая сезонные особенности ритмов ЧСС и АД в условиях Крайнего Севера, отмечает, что при сглаживании амплитудно-фазовых характеристик большинства физиологических показателей наблюдается снижение работоспособности и формирование пассивной формы адаптивного поведения [14]. Л.И. Гапон с соавт. указывают, что амплитуда ритма имеет важное биологическое значение, поскольку служит показателем мощности ритма. Авторы свидетельствуют,

что высокая амплитуда показателя обеспечивает стабильность ритма во времени: чем выше амплитуда, тем труднее индуцировать сдвиг акрофаз [12]. Можно предположить, что наблюдающиеся в нашем исследовании высокие значения амплитуды на фоне максимальных сезонных величин мезора ЧСС в весенний период года свидетельствуют о том, что система находится в точке бифуркации [15]. В данном случае любой случайный аттрактор может сыграть решающую роль для перехода системы в один из двух возможных исходов -синхронизацию или деградацию.

В то же время В.А. Матюхин с соавт. указывают, что низкие величины амплитуды свидетельствуют о хронической недостаточности синхронизации [8]. Анализ изменения величин АДс весной, где на фоне низкой амплитуды наблюдаются максимальные значения мезора, дает возможность предположить, что в это время динамическая система проходит точку сингулярности. В такие периоды она в большей степени подвержена влиянию любых аттракторов (внешних и внутренних), которые способны как стабилизировать систему и перевести ее на новый уровень синхронизации, тем самым не допустить срыва адаптации, так и повлиять на нее негативным образом. Г. С. Картинас считает, что в такие периоды, когда колебательный процесс сильно снижен, замедлен, практически остановлен, он начнется вновь, уже обладая новыми характеристиками [16]. То, что система перешла на новый уровень функционирования с положительным эффектом (без срыва адаптации), подтверждается фактом снижения значений мезора на фоне высоких показателей амплитуды летом относительно весенних показателей (р<0,001). По значительному количеству экспериментальных данных, полученных Ю.А. Романовым (2001) [1] было определено, что активные фазы ритма, или акрофазы, являются одновременно «сигналом» биологической информации и «ответом» на него той или иной функции, т.е. реализацией этой информации. Причем, показатель амплитуды биологического ритма отражает, с одной стороны, величину биологического сигнала, а с другой - величину

ответа функции. Поэтому можно предположить, что повышение мезора показателей на фоне снижения амплитуды указывает на факт перехода системы на новый уровень функционирования, а снижение мезора на фоне высоких показателей амплитуды ритма - на позитивную динамику системы, т.е. синхронизацию временных процессов в сердечно-сосудистой системе.

Л.И. Гапон с соавтор., исследуя сезонную вариабельность АДс указывает, что для практически здоровых жителей Ханты-Мансийского округа летний период характеризуется наиболее значительными нарушениями в хроноструктуре АД [12]. Н.М. Фатеева (2001) указывает, что летний период более благоприятен с точки зрения синхронизации ритма АДс, чем зимний [14].

Проведенные В.А. Матюхиным с соавт. исследования сезонных особенностей ЧСС и АД в Приморье и Крыму свидетельствуют о более высоких значениях амплитуды ритма ЧСС летом, чем зимой [10]. Кроме того, величины амплитуды в условиях Крыма больше, чем в Приморье. Наши исследования свидетельствуют, что в условиях северного региона амплитуда ритма ЧСС ниже, чем в Крыму и Приморье, что, возможно, указывает на более жесткую зависимость временных структур физиологических функций организма северян от внешних факторов. Кроме того, в период «полярной ночи» наблюдается уменьшение доверительного интервала акрофазы ЧСС, что указывает на увеличение межиндивидуальной циркадной синхронизации ЧСС в зимний период [12]. Данный факт также может быть связан с особенностями фотопериодизма высоких широт.

Некоторые исследователи указывают, что внешние условия (период «полярной ночи») оказывают значительное влияние на ритмику физиологических функций в организме жителей Севера. В.А. Сафонов (2009) при исследовании процессов, регулирующих в темноте моторные функции, отмечает иной механизм повышения возбудимости, относительно подобных исследований при тоническом влиянии света. В процессе исследования у испытуемых наблюдалась

тревожная реакция на темноту, возможно, рудиментарного генеза, которую автор связывает с ожиданием опасности, агрессии со стороны внешней среды в условиях темноты и готовности ее отразить. Длительное пребывание в таком состоянии вызывает у человека эмоциональную напряженность [17]. Данная реакция организма, несмотря на адаптацию к внешним условиям проживания, характерна для жителей Севера, т.к. генотипическая адаптация преобладает над фенотипической. Э.Б. Арушанян (2000) указывает, что эмоционально окрашенные поведенческие акты зависят от взаимодействия супрахиазматических ядер с подкорковыми двигательными центрами и лимбическими структурами мозга [18]. Несомненно, все это оказывает значительное влияние на ритмику физиологических функций организма.

Исследования Н.М. Фатеевой (2001), проведенные в условиях Западной Сибири зимой и летом, не выявили в сезонной динамике достоверных различий в показателях АДд [14]. Л.И. Гапон с соавт. отмечают, что максимальные величины мезора АДд зарегистрированы в зимний период года [12].

Высокие величины амплитуды АДд, полученные в нашем исследовании весной, значительно превышающие таковые в зимний и осенний сезоны, на фоне высоких показателей мезо-ра могут указывать на гиперсинхронизацию (избыточно жесткий «захват» биоритма) ритма АДд, что может снижать пластичность ответных реакций организма [8]. Тем не менее повышение амплитуды дает системе большую возможность к изменению - наблюдается своеобразная «раскачка» и попытка перейти на другой уровень функционирования. В итоге, в летний период колебательный процесс меняется на противофазный, что подтверждает данное предположение. Если осенью, зимой и весной максимальные величины регистрировались в конце рабочей недели, то летом - в начале недели. Возможно, гиперсинхронизация ритма АДд связана с тем, что в ритмах ЧСС и АДс весной наблюдаются процессы рассогласования. Для того чтобы сердечно-сосудистая система не вышла из допустимых колебательных

пределов, тем самым не наступило состояние десинхроноза, ритм АДд жестко синхронизируется, что приводит к напряжению адаптивных механизмов к летнему сезону года, проявляющихся максимальными сезонными величинами

АДд.

Исходя из анализа временной структуры полученных в нашем исследовании результатов, можно предположить, что в годовой динамике нарастание нестабильности в сердечно-сосудистой системе молодых людей происходит от осени к весеннему сезону. На первом этапе (осень) наблюдается снижение амплитуды при минимальных значениях мезора исследуемых показателей (что жестко структурирует систему); на втором (зима) - увеличивается мезор ЧСС, АДс и их амплитуда (что может свидетельствовать о напряжении адаптивно-приспособительных систем организма); к весеннему сезону мезор ЧСС, АДс и АДд достигает максимальных значений на фоне продолжающегося роста амплитуды (что указывает на максимальное состояние хаоса в сердечно-сосудистой системе в сезонной динамике и готовность системы перейти на новый уровень функционирования). Снижение мезора ЧСС и АДс на фоне максимальных величин ее амплитуды, увеличение мезора АДд при снижении величин амплитуды в летний период года можно охарактеризовать как начальный процесс структурирования и самоорганизации в системе. У юношей наблюдается изменение биоритмичес-кой организации в недельной динамике. В осенний сезон акрофаза ЧСС и АД приходится на окончание недели, а минимальными величинами отмечены выходные дни и начало недели. Эти данные могут свидетельствовать, что состояние утомления у молодых людей наступает в конце рабочей недели с восстановлением физиологических функций сердечно-сосудистой системы в начале недели, что с физиологической точки зрения оптимально. В зимний сезон акрофаза ЧСС приходится на середину недели, но АДс и АДд сохраняют свою структуру -акрофаза наблюдается в конце рабочей недели. В весенний сезон происходит смещение акрофазы АДс на начало недели на фоне опти-

мального ритмостаза ЧСС И АДд. В летний сезон акрофаза АДд приходится на начало недели при сохраняющемся ритме ЧСС и АДс (акрофаза в конце рабочей недели).

Таким образом, результаты проведенного исследования указывают, что для осеннего периода года характерна оптимальная временная организация ритма ЧСС и АД у молодых людей с акрофазой показателей в конце рабочей недели. От осеннего к весеннему периоду происходит повышение значений мезора и ампли-

туды ритма ЧСС и АД, наблюдается рассогласование их временной организации в недельной динамике, что приводит к снижению синхронизации временных процессов в сердечно-сосудистой системе. В весенний сезон у юношей, проживающих в северном регионе, наблюдается особо выраженное нарушение хронострук-турной упорядоченности сердечно-сосудистой функции, что будет способствовать напряжению ее компенсаторно-приспособительных механизмов.

Список литературы

1. Романов Ю.А. Пространственно-временная организация биологических систем // Владикавказ. мед.-биол. вестн. 2001. №> 2. С. 4-12.

2. Хильдебрант Г., Мозер М., Лехофер М. Хронобиология и хрономедицина: пер. с нем. М., 2006.

3. ЭбелингВ., ФайстельР. Хаос и космос: синергетика эволюции. М.; Ижевск, 2005.

4. Моисеева Т.Ю., Фролова В.А., Зотов А.К. Информация как фактор устойчивости живых систем // Вестн. РУДН. Сер.: Медицина. 2001. №>1. С. 7-10.

5. Анисимова В.Н. Эпифиз, биоритмы и старение организма // Успехи физиол. наук. 2008. Т. 39, N° 4. С. 40-65.

6. Кубасов Р. В. Цирканнуальная биоритмика гормональных показателей щитовидной и половых желез // Экология человека. 2008. N° 2. С. 26-29.

7. Стресс. Адаптация. Репродуктивная система: моногр. Н. Новгород, 2009.

8. Абубакарова О.Ю., ФатееваН.М. Хронобиологический подход при изучении адаптации организма к условиям Крайнего Севера // Здоровье и образование в XXI веке. Инновационные технологии в биологии и медицине: науч. тр. X междунар. конгресса. М., 2009. С. 80-81.

9. Сравнительный анализ реакции показателей микроциркуляции крови и артериального давления здоровых волонтеров на действие метерологических и геомагнитных импульсов / А.Г. Рехтина, Т.А. Зенченко, Р.М. Заславская, Л.Ф. Гончаров // Там же. С. 846-847.

10. Матюхин В.А., Разумов А.Н. Экологическая физиология человека и восстановительная медицина: моногр. М., 1999.

11. Бреус Т.К., Рапопорт С.И. Магнитные бури: медико-биологические и геофизические аспекты. М., 2003.

12. Хроноструктура артериального давления и частоты сердечных сокращений в зависимости от сезонного ритма у больных артериальной гипертензией в Ханты-Мансийском округе / Л.И. Гапон, И.М. Михайлова, Н.П. Шуркевич, Д.Г Губин // Вестн. аритмологии. 2003. № 31. С. 5-9.

13. Агаджанян Н.А., ШубатураН.Н. Биоритмы, спорт, здоровье. М., 1989.

14. Фатеева Н.М. Системная организация биортмов гемостаза и гемодинамики человека в условиях производственной деятельности на Крайнем Севере: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Тюмень, 2001.

15. ПригожинИ., СтенгерсИ. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой: пер. с англ. М., 2005.

16. КартинасГ.С., Чибисов С.М., Халберг Ф. Самостоятелен ли в организме 12-часовой осциллятор? // Здоровье и образование в ХХ1 веке. Инновационные технологии в биологии и медицине... С. 576-577.

17. Сафронов В.А. Влияние темноты на коленные рефлексы // Физиология человека. 2009. Т. 35, № 5. С. 79-82.

18. Арушанян Э.Б. Ритмоорганизующие структуры мозга и фармакологический эффект // Вестн. РАМН. 2000. Т. 8. С. 17.

Chesnokova Valentina

WEEKLY RHYTHM CTRONOSTRUCTURE OF HEMODYNAMIC INDICES IN YOUNG MEN IN DYNAMICS OF THE SEASONS OF THE YEAR

The results of chronobiological research of heart rate frequency (РКА) and blood arterial pressure (AP) in young men are presented in the article. The results obtained specify that the optimal time organization of HRF and AP in the week dynamics is typical of the autumn period. Rhythm disorganization is observed from autumn to spring that leads to a decrease in the time processes synchronization in the cardiovascular system.

Контактная информация: e-mail: v.chesnokova@narfu.ru

Рецензент - Поскотинова Л.В., доктор биологических наук, доцент, заведующая лабораторией биоритмологии Института физиологии природных адаптаций Уральского отделения Российской академии наук