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.

Ниже приводятся результаты исследований, на базе которых М. В. Рагульской была написана диссертация на тему «Солнечно–земная физика и солнечно – земные связи: Установление солнечно–земных связей для различных оболочек Земли, климата, сфер человеческой деятельности и самого человека».

Цели и задачи исследования

В рамках рассматриваемой проблемы 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.

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 ИЗМИРАН).

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?”.

Результаты исследований. Влияние активности Солнца и магнитных бурь на человека.

1. Доказана неслучайность совпадений биофизических и геомагнитных событий на уровне статистической значимости 0,01. В процессе статистического анализа экспериментальных данных была сформулирована, проверена и отвергнута гипотеза о случайности совпадения резких изменений геофизических и коллективных биологических параметров. Само по себе отклонение нулевой гипотезы еще не означает, что именно рассмотренные геофизические параметры вызвали изменение в биологической системе. Однако тот факт, что для сформированного ряда выбросов наблюдаемый статистический эффект пропадает при сдвиге биологических и геофизических рядов данных на 1 сутки (что при выбранной длительности рядов в 1 год составляет всего 0,3%), является серьезным аргументом в пользу предположения о биоэффективности геофизических полей и вариаций активности Солнца.

2. Наблюдается воспроизводимый и самоподобный характер формы реакции организма человека на различные внешние воздействия, причем как во временных, так и в пространственных масштабах, на всех уровнях организации системы, от клетки до коллективов людей.

3. Выявлено, что вспышечные процессы на Солнце и следующие за ними изменения в спектре естественных сверхнизкочастотных электромагнитных полей, космических лучах и флуктуациях атмосферного давления вызывают устойчивую и воспроизводимую реакцию человека, как на уровне функционирования отдельных систем (вегетативной нервной системы, внутренних органов, изменения параметров кардиоцикла), так и организма в целом. Реакция организма состоит из следующих трех фаз:

  • фазы синхронизации организма с выраженным гиперфункционированием всех органов и систем (первые сутки, обследуемыми субъективно не ощущается)
  • фазы десинхронизации со склонностью к гипофункционированию (вторые – третьи сутки от начала реакции)
  • фазы релаксации (до 4-7 суток;).

Факт проявления этих фаз не зависит от пола, возраста и состояния здоровья обследуемого, в то время как амплитуда, фаза и время релаксации – индивидуальны. Степень процессов синхронизации и десинхронизации определяется адаптационными особенностями обследуемого и степенью изношенности отдельных «проблемных» органов.

В зависимости от особенностей организма конкретного человека в различные моменты его существования предпочтительным действующим агентом внешней среды является какой-то один из перечисленного комплекса. Однако это “предпочтение” меняется в зависимости от текущего психофизиологического состояния человека и его адаптационных резервов.

Несмотря на то, что для большинства обследуемых связь временного хода параметров с невозмущенным геомагнитным полем не прослеживается, встречаются отдельные обследуемые (10% от общего числа) с высоким коэффициентом корреляции 0.8. В случае длительного отсутствия магнитных бурь (более 1-1,5 месяцев, например в 1998-1999 годах) объективные и субъективные оценки функционального состояния этих обследуемых ухудшаются. Можно предположить, что для них геомагнитное поле — постоянный внешний синхронизатор.

4. Введено понятие индивидуальной матрицы самокорреляции, как совокупности индивидуальных коэффициентов корреляции внутренних органов отдельного человека. Коэффициенты взаимной корреляции сохраняются постоянными длительное время (около двух-трех месяцев) и являются как бы индивидуальным портретом обследуемого. Оптимальное функционирование человеческого организма характеризуется значениями среднего по всей матрице коэффициента корреляции около 0,6. Распределение по месяцам процентного количества обследуемых с соответственно высоким, средним и низким усредненным коэффициентом корреляции имеет выраженную полугодовую зависимость с выраженными максимумами в марте-апреле и сентябре-октябре.

Полученные групповые результаты обобщены на уровень социума. Высказано предположение, что механизм глобального влияния вариаций солнечной активности на социальные процессы, творческую активность, криминогенную обстановку, число авиа- и автокатастроф, периодику числа самоубийств обусловлен интегральным эффектом активизации симпато -адреналовой системы у большинства членов человеческой популяции в максимумах солнечной активности и во время изолированных магнитных бурь в минимуме активности Солнца.

5. Выявлено и впервые описано (применительно к задаче изучения влияния солнечной активности на функционально здоровых людей) существование следующих биологических эффектов, регистрация которых стала возможной только в процессе проведения длительного разно широтного мониторинга:

А) Триггерный эффект. Реакция организма человека при воздействии естественных внешних полей носит триггерный характер. При этом амплитуда физиологических реакций при резких изменениях геофизических полей практически не зависит от увеличения амплитуды внешних полей, а определяется внутренними характеристиками биосистемы. Более того, геофизические поля и вариации солнечной активности не являются уникальными по воздействию на организм человека. Такие же форма и фазы реакции наблюдаются при астматических приступах, завышенной психической и физической нагрузках, состоянии опьянения (активизация, похмелье, релаксация) или сексуального возбуждения, состоянии функционального напряжения.

Б) Широтный эффект. Проведенные одновременно эксперименты на различных широтах показали совпадение (в пределах суток) вариаций измеряемых физиологических параметров, c коэффициентами корреляции между рядами данных 0,7 на уровне значимости 0,01. Зафиксированная реакция является массовой, повсеместной, и сохраняет свои характеристики при изменении объекта изучения от отдельного органа человека до социально-организованных коллективов. При увеличении геофизической широты места проведения эксперимента возрастает процентное содержание реагирующих обследуемых (от 50-60% в Одессе и Киеве до 90% в Санкт-Петербурге) и в 1,4 раза увеличивается амплитуда реакции.

В) Временной эффект. При анализе длительных (годовых) рядов наблюдений выявлена тенденция увеличения среднемесячных значений индивидуальной нормы по всем физиологическим показателям у большинства обследуемым в период нарастания и максимума солнечной активности (1998-1999 гг и 2000-2002гг соответственно), и тенденция уменьшения среднемесячных значений индивидуальной нормы на фазе спада солнечной активности (2003 –2005 гг). Этот эффект отражает интегральное влияние вариаций солнечной активности на организм человека и биосферу, и скорее всего обусловлен особенностями протекания процессов адаптации под длительным слабым внешним воздействием, а не качественным различием магнитных бурь в разных фазах активности Солнца

Г) Кумулятивный эффект. Проведенные эксперименты показали, существование синергетического кумулятивного эффекта: влияние внешних факторов усиливается при их одновременном воздействии, оказываясь эффективным, даже если амплитуда каждого из внешних факторов по отдельности слишком мала для начала стресс- реакции организма. Амплитудный эффект. Существует “коридор интенсивности” биоэффективности магнитных бурь, т.к. реакция обследуемых отсутствует при значениях А-индекса ниже и выше определенных значений.

Все сверхинтенсивные магнитные бури за период наблюдений не сопровождались массовой реакцией обследуемых. Бури, во временной окрестности которых наблюдалась выраженная реакция более 50% обследуемых, характеризовались значениями А-индекса от 20 до 80-90. Существование “амплитудного” окна свидетельствует о реализации параметрических свойств рассматриваемой биосистемы при воздействии естественных внешних полей. Исходя из того, что закономерности поведения всех параметрических систем едины, можно с уверенностью предсказать (в дополнение к “амплитудным окнам”) существование “частотных окон” биоэффективности геофизических полей. До сих пор такие амплитудно –частотные окна наблюдались только в экспериментах по воздействию техногенных полей на различные биологические объекты.

6. Показано, что при применении разработанной методики обработки к данным медицинской статистики числа инфарктов, инсультов и смертей по отделению интенсивной терапии ЦКБ №3 г. Москвы за 1998-1999 гг.., в спектрограмме присутствуют больше половины периодов, выделяемых в изменении локального А- индекса и выраженный 27 –дневный период, совпадающий с периодом вращения Солнца. Эти периоды проявляются и в одновременных данных мониторинга ИЗМИРАН (Рисунок 3).

7. Получено совпадение всех основных периодов в спектрограммах “коллективного отклонения” функциональных параметров в разноширотных городах. Это означает, что существуют общепланетарные внешние факторы, управляющие экзогенными ритмами организма человека. Такими факторами могут служить только вариации естественных внешних полей (магнитосферы, ионосферы и атмосферы), вызванные в свою очередь в конечном итоге изменениями магнитного поля Солнца. Как следует из результатов эксперимента, техногенные поля, локальные по своей природе и уникальные в каждом городе, не вносят свой вклад в формирование спектра обобщенной коллективной реакции. Это может означать, что:

  • либо техногенные внешние поля оказывают разнонаправленное воздействие на различных людей, и тогда усреднение по всей группе нивелирует эффект их воздействия.
  • либо эти поля играют роль фактора, лишь модулирующего амплитуду некоторых спектральных линий, но не меняющего общие частотные характеристики процесса.

Результаты изучения морфологических параметров ЭКГ сердца функционально здоровых людей показали, что в магнитовозмущенные дни наблюдается аритмия, 2-3кратное возрастание коэффициента симметрии Т-зубца после проведения стресс -теста, изменение динамики выхода из состояния недозируемой физической нагрузки, централизация управления организмом. Наиболее подверженными влиянию магнитных бурь оказываются мужчины, женщины демонстрируют преобладание эндогенных ритмов. Воздействие резких вариаций естественных полей на организм человека приводит к изменению угла наклона фазовых портретов обследуемых, индивидуального состояния обследуемого, определяется только внутренним психофизиологическим складом данного человека и имеет характерную для данного индивидуума форму в фазовом пространстве. Проведенные экспериментальные исследования свидетельствуют, что характерная форма эталонного кардиоцикла в фазовом пространстве сохранялась у этих обследуемых не только в исследуемые моменты времени, но и во время всего 2 летнего цикла ежедневных измерений.

Все психические и физиологические изменения организма в норме укладываются в ограниченную устойчивую область фазовых параметров. Изменение угла наклона оси фазового портрета больше чем на 3s означают переход в новое динамическое состояние с другим уровнем гомеореза. Именно такие переходы и наблюдаются у участников эксперимента при совместном воздействии магнитной бури и дополнительной психофизиологической нагрузки.

Для здоровых людей переходы, вызванные солнечной активностью и магнитными бурями – неустойчивы, через 1-2 суток система возвращается в основное устойчивое состояние. Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что в отличие от других исследований, в эксперименте ИЗМИРАН воспроизводимая реакция кардиосистемы функционально здоровых обследуемых на магнитные бури наблюдалась только при ведении внешней дополнительной психо-эмоциональной, физической или техногенной нагрузки. Это свидетельствует об уменьшении устойчивости организма при сочетанном внешнем воздействии, и является дополнительным доказательством эффективности вариаций геомагнитного поля в роли одного из управляющих параметров синергетических перестроек биосистемы.

8. На долю процессов солнечной активности (вспышки и корональные дыры) и магнитных бурь приходится около 70 % выбросов биологических параметров, 10-20% обследуемых реагируют на резкие изменения атмосферного давления, около 10% выбросов не совпадают ни с одним из рассмотренных внешних факторов, таких как: индексы солнечной активности и космических лучей, флуктуации атмосферного давления, влажности и температуры, К-, А- и Dsp-индексы, описывающие различные аспекты магнитосферных изменений. В зависимости артериального давления от внешних параметров соотношение обратное – большинство наблюдаемых резких повышений артериального давления связанно с резкими изменениями атмосферного давления, в то время как магнитные бури играют роль модулятора физиологических амплитудно-частотных характеристик. Установлено совпадение частотных спектров исследованных биологических параметров со спектрами А-индекса и около минутными микро флуктуациями атмосферного давления.

Однако, многофакторный анализ биоэффективных внешних полей показал, что биологически эффективны не только вспышки и магнитные бури, но и возмущения, пришедшие к Земле, но не вызвавшие развитие магнитных бурь.

Следовательно, используемые в настоящее время геофизические индексы не отражают всех биоэффективных характеристик магнитосферы и не описывают мелкомасштабных амплитудно-частотных неоднородностей. В качестве возможных опосредованных действующих агентов, связывающих изменения солнечной активности и биосферы, могут выступать вариации магнитного поля Земли в области биологически-активных частот от 0,01 до 100Гц и окологерцовые микрофлуктуации атмосферного давления.

9. Выяснено, что под влиянием вариаций геофизических полей, вызванных изменениями солнечной активности, наблюдаются статистически неслучайные выбросы биологических параметров за пределы 3-х стандартных отклонений, при этом амплитуда реакции практически не зависит от увеличения амплитуды внешнего воздействия. Также наблюдаются наличие биоэффективного амплитудного окна и эффект усиления биоэффективности слабых внешних воздействий при их совместном действии. Это свидетельствует о том, что из-за незначительной амплитуды воздействие естественных внешних полей приводит к обратимой перестройке функционирования организма человека.

Мониторинговыми одновременными экспериментами в разноширотных городах показано, что экзогенная многосуточная ритмика организма человека определяется влиянием только естественных общепланетарных внешних факторов. Просматривается следующая цепочка: солнечная активность, обусловленная изменениями магнитного поля Солнца, влияет на ионосферу и динамику атмосферы, а также через низкочастотные магнитосферные осцилляции непосредственно на биологические объекты.

Выявлено существование воспроизводимой индивидуальной и коллективной адаптационной реакции функционально здоровых людей одновременно в разноширотных пунктах, связанной с вариациями солнечной активности и вызванном ими комплексом изменений во всех оболочках Земли. Статистически показана неслучайность наблюдаемых результатов.

10. Выявлено методами спектрального и кросс-корреляционного анализа биофизических данных совпадение всех основных периодов спектрограмм как индивидуальных, так и коллективных биологических параметров в различных городах, что является доказательством существования общепланетарного регулирующего параметра внешней среды. Также найдено совпадение этих периодов и основных периодов увеличения числа реанимационных случаев с периодами вариаций атмосферного давления и роста геомагнитной активности, с увеличением числа солнечных пятен.

11. Определены характерная форма, этапы и особенности протекания реакции в зависимости от вариаций активности Солнца и изменения других внешних условий, а также адаптационных возможностей обследуемых.

В качестве возможных опосредованных действующих агентов, связывающих изменения солнечной активности и биосферы, могут выступать вариации магнитного поля Земли в области биологически-активных частот от 0,01 до 100Гц и окологерцовые микрофлуктуации атмосферного давления. В качестве возможного механизма передачи возмущения от Солнца к оболочкам Земли можно рассматривать возникновение низкочастотных магнитосферных осцилляций, опережающий приход основной ударной волны солнечного ветра к земле на 1-2 суток.  Показано, что наблюдаемому комплексу экспериментальных эффектов соответствует модель вынужденных переходов биосистемы между фазовыми состояниями, с запаздыванием и различными временами релаксации.

12. Показано, что экспериментально наблюдаемые закономерности протекания биологической реакции на изменения параметров внешней среды возможны только в том случае, если исследуемая биологическая система является нелинейной открытой детерминированной системой. Для подобных систем априори характерен целый набор свойств, в частности – существование конечного горизонта прогноза, нескольких устойчивых фазовых состояний и вероятностный переход системы в турбулентный режим функционирования. Поиск и рассмотрение таких особенностей поведения биологических систем, ранее традиционно относившихся к области шумов и ошибок эксперимента, могут стать эффективным методом дальнейших исследований влияния вариаций солнечной активности и других внешних факторов на организм человека.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 00-02-17854; 03-02-16384 и Молодежного гранта.

М. В. Рагульская