2 курс / Нормальная физиология / Физиологические_основы_жизнедеятельности_человека_в_экстремальных

зимой с ионосферными параметрами (1978 г.) и космическими лучами (1984 г.), осенью – с солнечной активностью (1979 г.). Уровень множественных корреляций в эти периоды варьирует от 0,4 до 0,9. В ходе динамических исследований с 1977 по 1988 гг. периодически также проявлялись достоверные корреляции содержания глюкозы, билирубина, ионов (K+, Na+, Р5+), общего белка, мочевины, креатинина, холестерина крови с ионосферными параметрами, что указывает на сопряженность электролитного баланса, энергетических обменных процессов, азотистого, порфиринового, липидного обмена и, вероятно, иммунитета, поскольку имеются достоверные статистические связи содержания белка с космогеофизическими факторами.

Рассмотрим спектрально-частотные многолетние соотношения биохимических и космогеофизических параметров. За последние 3–4 десятилетия изучены флуктуации многих физико-химических и биологических процессов. Выяснились особенности многих видов флуктуаций, в том числе фликкерных шумов – типа 1/f где f – частота процесса. Под шумом в узком смысле понимают белый шум, характеризующийся тем, что его амплитудный спектр распределен по нормальному закону, а спектральная плотность мощности постоянна для всех частот. Фликкерный шум характеризуется наиболее низкочастотным спектром по сравнению с шумами иных видов и для оценки стационарности требует более длительного интервала наблюдений в сравнении с прочими частотами (Денда В., 1993). Одна из главных закономерностей флюктуаций заключается в зависимости амплитуды события от его встречаемости (закон 1/f) и неоднозначности: синхронные колебания одинакового типа могут быть разного знака и разной амплитуды. Флюктуирующий объект – сложная система, биосфера Земли – четкая синхронизированная иерархия систем. Особенности закономерностей связаны с результатами совокупных релаксаций напряжений системы, накопленных за достаточно большое время от возмущений разного масштаба, перераспределяющихся по внутренним связям. Даже случайные толчки приводят не к хаотическим изменениям, а к статистическим переключениям подпрограмм системных согласованных релаксаций (Опалинская А. М., Агулова Л. П., 1984). Такие заключения дают возможность прогноза и управления целостными системами (Шноль С. Э., Намиот В. А., Жвирблис В. Е., 1983). В нашей работе эти положения получили полнейшие подтверждения в силу того, что основные исследованные космогелиофизические факторы (КЛ и СА) имеют примерно 11-летнюю цикличность и выявление их трендов требует длительного наблюдения, а со-

ответствующие вариации биологических параметров и систем также должны быть, по крайней мере, не менее продолжительными. Нами получены результаты относительно спектральных гармоник и соответствующих им периодов, свидетельствующие о совпадении трендов среднемесячных биохимических показателей с основными среднемесячными показателями космогелиогеофизических процессов.

На рис. 50 были приведены оригинальные среднемесячные многолетние тренды космогеофизических и биохимических параметров и примеры спектров-графиков, близких по типу к 1/f для космических и биологических параметров, представленных на рис. 51 и 52.

Динамика и периодичности космогелиогеофизических и биохимических параметров более наглядно иллюстрируют существо синхронности процессов организма с вариациями внешних факторов. На графиках спектральных плотностей (периодограммах) выявляются следующие основные периоды: 0.0093 – 144 мес (около 12 лет), 0.0185 – 72 мес (около 6 лет), 0.0278 – 48 мес (около 4 лет), 0.037 – 36 мес (около 3 лет), 0.0463 – 29 мес (около 2.5 года), 0.0556 – 24 мес (2 года), 0.0741 – 18 мес (1.5 года), 0.2130 – около полугода (6 мес), 0.3333 – 4 мес, 0.4444, 0.463 – околосезонные гармоники (3 мес).

Таким образом, получена около 11-летняя периодичность системных постепенных изменений биохимической среды организма, совпадающая с минимумами солнечной активности и максимумами космических излучений. Существуют синхронные регуляторные сдвиги биохимических параметров с большой вероятностью системной адаптации или постепенного дисбаланса функционального состояния организма от воздействий космогеофизических процессов.

Как уже упоминалось, наибольшие изменения в системе биохимических показателей происходят в осенне-зимние периоды. Таким образом, получена сопряженность энергетических обменных процессов и показателей иммунитета организма с космогеофизическими факторами.

Космогеофизические факторы, оказывая воздействие на исследованные биохимические параметры, способны модулировать функциональное состояние организма в целом. Электромагнитные поля, в том числе естественные – геомагнитные, ионосферные, межпланетные – на системном и организменном уровне воздействуют в первую очередь на молекулярные уровни организма (Казначеев В. П., 1980). Они являются пусковыми для проявления макроэффектов. Влияние электромагнитных полей на биохимические процессы выражается через изменения в углеводном, белковом, азотистом, липидном и электролитном обменах с

Рис. 52. Спектр и периодичность изменений общего белка (А), глюкозы (Б), иона фосфора Р5+ (В) в циркулирующей крови и критериальной функции биохимических параметров (Г) у испытуемых за 12 лет наблюдения. Обозначения см. на рис. 51.

разнонаправленным характером эффектов в зависимости от параметров воздействия. Обнаружена связь выделения количества гормонов с геомагнитным полем (Загорская Е. А., Белова Т. А., Андреев К. П., 1982).

Каковы же механизмы взаимодействия космических факторов и внутренней среды организма? Попытаемся в этом разобраться. Исходя из современных представлений различных авторов, в водных средах благодаря кооперативности постоянно возникают и разрушаются системы водородных связей. Наиболее приемлемая и допустимая гипотеза (Кисловский Л. Д., 1971, 1982) гласит о «чувствительности» водных систем к энергетически слабым воздействиям, которая обеспечивается кооперативностью, возможностью существования в воде метастабильных неравновесных, но сравнительно долго живущих структур. В биосистемах

каждый составной элемент пребывает в постоянном и неразрывном взаимодействии друг с другом, определяющем динамику поведения целостной системы, механизмы саморегуляции и управления. Биологическая кинетика характеризуется определенными особенностями: переменными выступают концентрации, изменяемые во времени и пространстве, наличие специальных механизмов обратной связи, возможность участия других признаков и свойств в биорегуляции. Управление может осуществляться по принципу триггера, заключающемуся в способности переключаться из одного режима в другой, при наличии устойчивых стационарных состояний и переходов между ними (Рубин А. Б., 1994).

Существенно влияют на биологические процессы электромагнитные свойства биомолекул, свободных радикалов (включая неорганические), белков и ферментов и, вообще, взаимодействие их с ионизирующими и неионизирующими излучениями, в число которых входят и космические лучи, и солнечные излучения, и факторы ионосферы.

Известно, что тканевое дыхание сопряжено с окислительным фосфорилированием внутри митохондриальной мембраны, благодаря которому возникает движущая сила – протонный градиент.

Таким образом, воздействие квантов энергии электромагнитного поля извне реагирует с электронами или протонами через изменение состояния АТФ или других переносчиков заряженных частиц, или ферментных белков, что сопровождается регулирующими биологическими воздействиями, изменениями скорости метаболизма. Для различных ферментных реакций с участием переноса электронов существуют области значений параметров, в которых происходят незатухающие колебания переменных – квазистационарные концентрации (Сельков Е. Е., 1977). В механизме же развития лучевого поражения центральное место принадлежит повреждению структур ДНК. Однако повреждение гаммаквантом или вторичным окисляющим радикалом не исключает вероятности успешной репарации структуры ДНК за счет комплементарной цепи, что может сопровождаться активацией соответствующих ферментативных систем (Иванов И. И., Зарембский Р. А., Коровкин Б. Ф., 1969).

Сверхслабые взаимодействия соотносят с квантовыми эффектами, в основе которых лежат также магнитно-резонансные явления. С системных позиций они намного меньше шумов «на хвостах» статистических распределений, передаточная функция их (релейная, триггерная) предсказуема, статистически синтезируема. При сверхслабых воздействиях реакция стимула определяется в решающей степени свойствами самой системы (Коган И. М., 1993). В литературе имеются сведения о влиянии

динамики космических процессов на биосферу, эволюцию организмов, зависимость организма от двух реализуемых программ: внутренней, основанной на солитонно-голографической организации, и внешнесредовой. Сдвиги параметров физических полей могут менять функциональное состояние организмов, влияя на физико-химические свойства молекул организма, через механизмы ядерно-магнитного резонанса, активность ферментов, скорость биохимических реакций, структуру и транспортные свойства клеточных мембран, активность электро- и хемоуправляемых ионных каналов, экспрессию (проявление) генов, клеточных рецепторов, возбудимость нейронов и через них на весь организм (Семеняня И. Н., 1995).

Кроме того, в биохимии, как известно, существует закон Гесса, который является следствием 1-го начала термодинамики: приращение энтальпии (внутренней энергии) при образовании заданных продуктов из данных химических соединений при постоянном давлении не зависит от количества и вида химических превращений, в результате которых образуются эти вещества (Ершов Ю. А., Попков В. А., Берлянд А. С., 1993). Однако закон не учитывает, например, флюктуаций давления внутри биологических сред, называемых кавитацией и вызываемых такими внешними воздействиями, как ультразвуковые, магнитные, высокочастотные, световые воздействия (Зубрилов С. П., 1989). В итоге мы имеем значительно больше факторов и эффектов от их воздействия, чем первоначально изучаемый внешний параметр и подразумеваемый ответ биосистемы.

Далее, известна зависимость свойств белков от их конформационного состояния. Конформации белков складываются из локальных микро-информационных смещений отдельных атомных групп, приводящих к перестройкам всей конструкции белка. Например, процесс достижения конечной равновесной конформации гемоглобина проходит через последовательные энергетические стадии релаксаций исходной дезоксиформы. Эти сведения получены при помощи люминесцентных и парамагнитных способов. Такие свойства используются в методах радиоспектрометрии, которые состоят в основном из электронного парамагнитного резонанса и ядерно-магнитного резонанса, суть которого состоит в том, что электроны и ядра атомов характеризуются магнитным моментом – спином, а взаимодействие переменного магнитного поля с системой ядерных спинов в постоянном магнитном поле вызывает ядер- но-магнитные резонансные явления (Физико-химические…, 1988).

По-видимому, одним из основных механизмов воздействия космогелиогеофизических параметров может быть также явление электронного

парамагнитного резонанса – резонансное поглощение энергии электромагнитных колебаний в сантиметровом или миллиметровом диапазоне волн (около 9000 МГц) веществами с парамагнитными частицами (Рубин А. Б., 1994, Артюхов В. Г., Ковалева Т. А., Шмелев В. П., 1994). Именно поэтому здесь приводятся результаты исследований воздействия плотности потока солнечного радиоизлучения на частоте 3000 МГц на биохимическую систему.

Далее известно, что время, за которое наблюдаемая упорядоченность нарушается (ориентировка диполей), называется временем релаксации. Релаксация молекул – интегральный феномен. На ее параметры влияют физические характеристики ЭМП, геометрия, размеры, концентрация молекул, границы раздела сред. В жидкостях взаимодействие определяется процессами релаксации, при этом предполагается полярная природа молекул с электрическим дипольным моментом. При воздействии на жидкость ЭМП молекула вращается с установлением оси диполя по направлению этого поля (Антипов В. В., Давыдов Б. И., Тихончук В. С., 1985).

Вприроде всегда воздействие КЛ сочетается с геомагнитным полем

ивторичными атмосферными явлениями – широкими атмосферными ливнями. Показано, что для повышения радиорезистентности организма полезно было сочетание ионизирующих излучений с магнитными полями, вариациями температуры среды и другими физическими факторами, что существует реально в окружающей среде (Barnothy M. F., 1964). К таким условиям живые организмы адаптировались в ходе эволюции. Непосредственное сочетание повышенного уровня ГМП и радиационного облучения увеличивает летальность животных в 1,5–2 раза. Таким образом, геомагнитные возмущения в сочетании с ионизирующими излучениями существенно влияют на реактивность организма (Горохов И. Е., Копылов A. H., Михалев E. C., 1996). Атмосферные процессы связаны с КЛ, сопровождаются широкими атмосферными ливнями со средней частотой 12–13 Гц и образованием в слоях атмосферы потоков элементарных частиц и ионов. Изменение температурных режимов атмосферы на 1 градус сопровождается вариацией потока π-мезонов до 0,2%, а изменение атмосферного давления на 100 Па меняет поток нейтронов на 0.7% (Дорман Л. И., 1988). Флюктуации мезонной компоненты вторичного ионизирующего излучения КЛ в сторону понижения на 10–20% влияют на яйценоскость белых гусей на 20–30%, вплоть до полного прекращения откладки яиц (Грушин В. Д., Журавлев А. И., Грушин Д. В., 1996). Этот факт открывает дополнительные возможно-

сти по изучению истинных механизмов физиологических вариаций на воздействия высокоэнергетических космических излучений. Особое место занимают исследования конечных этапов замедления элементарных частиц – пионов – в тканях и реакций захвата пионов ядрами углерода и кислорода, сопровождающихся образованием нейтронов (Jakson D. F., 1981). Коротковолновые ударные электромагнитные излучения изменяют мембранную проницаемость, повышают образование свободных радикалов, которые инициируют процесс перекисного окисления липидов и изменения функциональных свойств мембраны, и цепной процесс перекисного окисления липидов (Мастихин И. В., Николин В. П., Тесленко В. С., 1995). Ударное воздействие, наряду с механическими повреждениями, вызывает разрыв сульфгидрильных связей (Зубарев В. Е., 1984) и образование реакционноспособных свободных радикалов с последующим изменением мембранной проницаемости клеток.

Действие ионизирующих излучений на вещества и химические процессы может успешно использоваться для модифицирования полимеров с комплексом заранее заданных свойств: гомогенных ионообменных мембран. При этом в полимерах распадаются ковалентные связи (С–Н)

собразованием свободных радикалов, которые могут реагировать друг

сдругом. Очевидно, такие механизмы способствовали преобразованию биосистем в ходе эволюции под воздействием космических излучений (Розенблюм Н. Д., Кочергинская Л. Л., 1993).

Потоки заряженных частиц способны оказывать действие на биологически значимые компоненты нуклеиновых кислот, белков и липидов, на устойчивость урацила, входящего в генетический аппарат клетки (при облучении α-частицами). Протоны с энергией 6 МэВ разрушают ди- и трипептиды (из триптофана и глицина) и приводят к распаду боковых цепей аминокислот и разрыву пептидных связей. Гибель клеток происходит по причине разрушения генетического аппарата и деструкции клеточных стенок (Кузичева Е. А., Симаков М. Б., Малько И. Л., 1996).

Л.Д. Кисловский (1984) предположил влияние слабых ЭМП на биохимические процессы посредством изменения структуры воды, в ко-

торой возможно образование кальциевых гексааквакомплексов. Связанные с этим явлением мгновенные изменения концентрации Са2+ проявляются на макробиологических уровнях. С. Э. Шноль (1968) связывал действие низкочастотных ЭМП с синхронизацией конформационных колебаний молекул в ферментативном катализе. Вода может рассматривать в качестве структурного сенсора ЭМП и как преобразо-

ватель гидрофобно-гидрофильного равновесия в биологических системах и мембранах (Лобышев В. И., Шихлинская Р. Э., Рыжиков Б. Д., 1996). Основная масса молекул воды флюктуирует в режиме ультранизкочастотных колебаний, что обусловливает повышенную чувствительность водных систем к излучениям этого диапазона (Поляк Э. А., 1996). Роль водных кластеров, образованных в преддверии мощных солнечных вспышек, заключается в создании эффективного ослабляющего оптического фильтра, закрывающего фраунгоферовы линии основных структурообразующих металлов (Са2+, Mg2+, Fe2+) в металлосодержащих биомолекулах (Никольский Г. А., Шульц Е. О., 1996). Кроме того, явления ЯМР и ЭПР имеют место в отношении свободных радикалов или ядер ионов Н+, K+, Na+, которые обладают магнитным моментом и находятся в постоянном магнитном поле Земли. Поэтому ЯМР и ЭПР используются самой природой в качестве методов регуляции и управления (Дмитриевский И. М., 1996). Спектральные составляющие процессов в системах, содержащих воду, находятся в диапазоне частот флюктуаций космогелиогефизического происхождения. Эти внешние влияния усиливают, синхронизируют, ускоряют или блокируют отдельные процессы в двойных электрических слоях, к которым относятся и биомембраны. Их чувствительность к ЭМП и акустическим воздействиям достигает порядка 10–16 Вт/см2 (Пасько О. А., Семенов А. В., 1996). Воздействие на двойной слой биомембран приводит к изменениям дисперсии значений емкости – (расшатывание слоя) и формированию «пульсационных ритмов». Обнаружены эффекты воздействия от слабых ГМП (Степанюк И. А., 1996).

Предложен возможный механизм биомагнитной рецепции, который мог бы объяснить связь между резонансным магнитным полем и химическим процессом путем обменного взаимодействия электронов и протонов с когерентной прецессией спинов подсистем жидкой воды (Бинги В. Н., 1996). Электронные переходы и изменения состояний белков происходят более быстро, чем конформационные изменения. Например, эффективность процесса взаимодействия белково-гемного комплекса с окисью углерода с выделением кислорода при воздействии кванта света одинакова при поглощении гемом кванта с длиной волны 410 нм и белком – с длиной волны 280 нм (Рубин А. Б., 1994). Внешние воздействия способны приводить белки к направленному сжатию или компактному состоянию (Жуковский А. П., Ровное Н. В., Жуковский М. А., 1996).

ЭМП на системном и организменном уровне воздействует на молекулярные уровни организма (Казначеев В. П., 1980, Belyaev J. Y.,

Alipov Y. O., Shcheglov V. S., 1992). Они являются пусковыми для проявления макроэффектов. Влияние ЭМП на биохимические процессы выражается через изменения в углеводном (Павлова Г. Н., Музалевская H. H., Соколовский В. В., 1976), белковом (Галкина Н. С., Ухов Ю. И., 1979), азотистом (Руцай С. В., 1987), липидном и электролитном (Думайский Ю. Д., Сердюк А. М., Лось И. П., 1975) обменах с разнонаправленным характером эффектов в зависимости от параметров воздействия.

В настоящее время имеется много публикаций о различных моделях, описывающих условия возникновения и поведение флюктуаций в физических, химических, биологических системах: о неравновесных системах с флюктуациями, колебаниях разнородных систем (Кешнер М. С., 1982). Предполагается существование фундаментального закона природы, приложимого ко всем неравновесным системам и проявляющегося в шуме типа 1/f. К шуму 1/f были отнесены флюктуации ферментативной активности титра SH-групп и некоторых других характеристик водных растворов белков и небелковых веществ (Удальцова Н. В., 1982). Распределение скоростей реакций (спектры), в которых наблюдаются макроскопические флюктуации, полимодально. К шуму 1/f относят изменения многих космических процессов, относительного числа солнечных пятен (Timashev S. F., Kostioutchenco I. G., 1995; Tanizuka N., Takano M., Waltman E. B., 1995), сопротивления водных растворов ионов, диффузионные потоки ионов в мембранных каналах. К этому классу относят многие процессы биологии, химии, экономики (Богданов A. A., 1928; Гапонов-Грехов А. В., Рабинович М. И., 1980; Козьменко С. Ю., 1995).

Биологический ритм, от клеточного уровня до уровня поведения, в подавляющих случаях подчиняется флюктуациям по закону 1/(f n), где п – ближайшая частота (или ранг частот) устройства. Возможны 3 варианта причин: ионный перенос флюктуаций клеточных мембран, регулирующих ионные потоки в клетке в полуинтервалах, полное управление нейрогенной природы или суперпозиция случайных событий. Величины биологических параметров всегда флюктуируют во времени. Существуют доказательства 1/f-подобных флюктуаций биологических параметров от клеточного до поведенческого уровня. Возможны несколько механизмов генерации 1/f-подобных биологических ритмических флюктуаций. Во-первых, 1/f ионные флюктуационные потоки мембран клеток модулируют поток ионов внутрь клеток, которые в свою очередь модулируются изменениями интервалов импульсов клеток и нервов. Исследован новый механизм функциональной регуляции