CC BY
41
быть частично необратимыми. Поэтому точка Р2кр является точкой квазивозврата, т.е. частично обратимой. И, наконец, очевидно, что существует 3 критическая точка (Р3кр), определяющая грань между жизнью и смертью. Этот переход является полностью необратимым. Поэтому Р3кр - точка невозврата.
Полученные в настоящей работе результаты находятся в соответствии классификацией внешних воздействий, предложенных в работе [2], в которой были определены следующие классы показателей, характеризующих типологические состояния организма:
ОП - оптимальные показатели;
ДП - допустимые показатели;
ПДП - предельно допустимые показатели;
ППП - предельно переносимые показатели.
НП - непереносимые показатели
Каждому типологическому состоянию организма отвечает соответствующий уровень входных воздействий того или иного фактора окружающей среды. В соответствии с классификацией, предложенной в настоящей работе, линейный диапазон входных воздействий (Р<Р1кр) соответствует ОП-диапазону (норма); диапазон «хаос 1 степени» определяет допустимые показатели (ДП, адаптация к стрессу); диапазон «хаос 2 степени» определяет предельно допустимые показатели (ПДП, патология). Третья критическая точка (Р3кр), определяющая грань между жизнью и смертью, является точкой перехода между ППП и НП - показателями. Это иллюстрирует рис. 4, на котором показаны различные режимы функционирования кардиодинамики и критические точки, при которых происходят переходы между этими режимами.
FlKp F2Kp F3KP
Нелинейный Нелинейный
Линейный режим режим: хаос режим: хаос Летальный
Норма 1-й степени 2-й степени
Адаптация Патология режим
- ОП •: ДП ПДП 3-І*—НП
Сила воздаїсгвия (усл.ед.)
Рис.4. Классификация внешних экстремальных воздействий.
Результаты настоящего исследования свидетельствуют, что закономерности, описывающие переходы между различными режимами кардиодинамики, могут быть сформулированы в виде следующих 3 фундаментальных принципов ритмогенеза в сердце:
1. Принцип единства прерывной и непрерывной составляющей сердечного ритмогенеза.
Непрерывная составляющая реализуется в виде постепенного изменения характеристик кардиоритма при постепенном возрастании внешнего экстремального воздействия. Прерывная составляющая реализуется в виде существования качественно различных режимов функционирования кардиодинамики, переходы между которыми имеют скачкообразный характер.
2. Принцип существования критических точек, разделяющих нормальные и патологические режимы функционирования кардиодинамики.
Первая критическая точка (Р1кр) определяет границу между линейным и нелинейным режимом кардиодинамики, функциональную лабильность сердца и адаптивные возможности организма к экстремальным внешним воздействиям. Вторая критическая точка (Р2кр) определяет физиологическую границу перехода между нормой и патологией, т.е. начало необратимых патологических режимов, включая сердечные аритмии различной степени тяжести. Третья критическая точка (Р3кр) определяет границу перехода между жизнью и смертью.
3. Принцип единства и универсальности законов, лежащих основе формирования сердечного ритмогенеза при экстремальных внешних воздействиях.
Все виды нарушений сердечного ритма, включая сердечные аритмии, имеют единую природу и могут быть описаны в рамках единой математической модели, основанной на фундаментальных закономерностях проведения электрических импульсов по проводящей системе сердца. Индивидуальные и видовые структурно-функциональные различия характеристик проводящей системы сердца обусловливают различия крутизны функции реституции, функциональной лабильности и стресс-устойчивости живых организмов.
Литература
1. Де Луна, А.Б. Руководство по клинической ЭКГ / А.Б. Де Луна.- М. Медицина, 1993.
2. Медведев, В.И. Проблемы физиологического нормирования. Физиологическое нормирование в трудовой деятельности В.И. Медведев.- Л.: Наука,1988.- С.3-18.
3. Мезенцева, Л.В. Математическое моделирование вариабельности ритма сердца / Л.В. Мезенцева // Росс. Физиол. Ж. им. И.М.Сеченова.- 2008.- Т.94.- №5.- С. 512-522.
4. Мезенцева, Л.В. Анализ устойчивости сердечного ритма к стрессорным нагрузкам методом математического моделирования / Л.В. Мезенцева // Росс.Физиол.Ж.. им. И.М.Сеченова.-2010.- Т. 96.- № 2.- С.106-114.
5. Физиология человека (под ред. Шмидта Р. и Тевса Г.).-T.2.-М.: Мир, 1996.
6. Sympathetic activity in major depressive disorder: Identifying those at increased cardiac risk? / D.A. Barton [et al.] //Journal of Hypertension.- 2007.- V. 25.- P. 2117-2124.
7. Esler, M. Aqute mental stress responses: neural mechanisms of adverse cardiac consequences / M. Esler, E. Lambert, M. Alvarenga // Stress and Health.- 2008.- V.24.- P. 196-202.
8. Michaels, DC, Chaotic activity in a mathematical model of the vagally driven sinoatrial node / D.C. Michaels, D.R.Chialvo, E.P. Matyas, J. Jalife // Circ. Res.- 1989.- V65.- №5.- P. 1350-60.
9. Platisa, M.M, Gal V Correlation properties of heartbeat dynamics / M.M. Platisa, V Gal // Eur Biophys J.- 2008.- V.37.- №7.-P.1247-52.
10. Chaotic signatures of heart rate variability and its power spectrum in health, aging and heart failure / G.Q. Wu [et al]// PLoS One.- 2009.- V.4.- №2.- P.4323-37.
THE ANALYSIS OF TRANSITIONS AMONG VARIOUS RIGIMES OF HEART RATE DYNAMICS BY MEANS OF THE METHOD OF COMPUTER MODELLING
L.V.MEZENTSEVA
Russian Academy of Medical Sciences, Institute of Normal Physiology after P.K. Anokhin, Moscow
Practical requirements of a daily life put physiologists and doctors before the necessity of developing exact quantitative criteria defining various states of organism. The present study presents the results of computer modelling various regimes of heart rate dynamics and transition conditions among those regimes. For this purpose a two-contour mathematical model of heart rate regulation has been specially developed. The model is based on quantitative characteristics of impulse conduction in the cardiac conduction system. The computer modelling displays the following three regimes of heart rate variability: linear dynamics, 1st degree chaos and 2nd degree chaos and two critical points defining transition among these regimes. Questions of norm, pathology, reversibility and irreversibility of these regimes are discussed.
Key words: heart rate, normal and pathological regimes, chaotic dynamics, computer model.
УДК 612.179
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СФИГМОГРАФИИ
М.А. ИВАНОВА*
Статья посвящена использованию нового метода измерения жёсткости стенок артерий для оценки сердечно-сосудистого риска человека и риска гипервентиляции и внезапной смерти водолазов и ныряльщиков. могут быть созданы комплексные биомедицинские системы. Ключевые слова: натрий, эволюция, гипертония, сфигмография.
Основой для проведения исследования послужило предположение, что эволюция вида Homo sapiens шла под влиянием приспособления к добыче морских ежей, моллюсков и т. д., что требовало, в частности, способностей нырять, отличающей современного человека от прочих высших приматов [8,13,14], и использовать орудия труда. Возможно, что современные человекообразные обезьяны также происходят от водных обезьян, но, в отличие от человека, утратили приспособления к водному образу жизни. Приспособление человека к жизни в условиях умеренного и холодного климата и современной цивилизации происходило позднее при образовании неафриканских рас за счёт гибридизации с уже создавшими земледелие, ремёсла и культурное общество другими более древними гомининами, не обладавшими членораздельной речью [1,2]. Эти гоминины были видами того же рода или подвидами Homo Sapiens, то есть, также произошли
* Ленинградский научно-технический и информационный центр "Борей". Санкт-Петербург, Проспект просвещения, 35, пом. 327
от водных обезьян. Данная гипотеза объясняет расположение всех центров происхождения сельскохозяйственных растений вне ареала проживания «чистокровных» Homo sapiens, и, главное, многие физиологические и анатомические особенности современного человека. Так, феномен готовности человека к апноэ заключается в том, что независимо от того, опытный это апноист или новичок, погружение в воду автоматически снижает частоту сердечных сокращений, вызывает общее расслабление мышц и уменьшение артериального давления [12]. По нашему мнению, другие особенности человека, которые можно объяснить его происхождением от водных обезьян - снижающая расход энергии при апноэ генерация трийодтиронина из тироксина вне щитовидной железы [3], обструктивное апноэ во время сна как рефлекс ныряльщика, сны о море при апноэ сна, ранее описанные большой объём мозга [10], прямохождение [6], отсутствие затрудняющей ныряние шерсти [7], развитый слой подкожного жира [8], характерные для водных млекопитающих, а не обезьян, vernix caseosa (первородная смазка) новорождённых [9], жирная кожа с множеством сальных желёз для защиты организма от негативных факторов водной среды и для улучшения гидродинамических свойств тела [11], предохраняющий от попадания воды в носоглотку высокий нос [11], низкое положение гортани относительно носоглотки, связанное со строением гортани происхождение членораздельной речи для того, чтобы не захлебнуться при общении во время плавания [9], вариант здоровья некоторых людей, при котором, как и у всех ныне живущих китообразных, отсутствует фактор XII свёртывания крови, общность состава регулирующего калий-натриевый баланс адренокортикотропного гормона людей и китов, у других млекопитающих видоспецифичного [3], антитела против глютена у людей, что может быть объяснено только водной пищей их предков [14], использование орудий труда, подобно каланам [17]. Эти особенности в корне отличаются от приспособлений к нырянию у добывающих живность на мелководье низших хвостатых приматов [9] несмотря на общность типового патологического процесса атеросклероза [5]. Характерная для людей гипертоническая болезнь может являться следствием параллелизма тканевых рядов [16] человека и перешедших к водному образу жизни бесхвостых амфибий c преимущественно лёгочным дыханием. Параллелизм тканевых рядов человека и бесхвостых амфибий может быть также причиной отсутствия хвоста у человека и гоминидов. У Xenopus laevis, как и у человека, повышение содержания натрия при отсутствии дефицита меди в межклеточной жидкости является стимулом регенерации тканей способом непрямой метаплазии, а не трансдифференциации, причём клетки, аналогичные прогениторным клеткам Xenopus laevis, есть и у людей [15]. Необходимость в регенерации возникает при патологических процессах в тканях, которые у человека могут возникать, в частности, вследствие обструктивного апноэ сна. Как нами показано ранее, при повышении содержания натрия в плазме крови человека и или при снижении содержания меди повышается удельное периферическое сосудистое сопротивление [4], поэтому реакция саногенеза, полезная для регенерации тканей, и превращается в гипертоническую болезнь человека и или нарушение процессов усвоения глюкозы при трансдифференциации клеток поджелудочной железы. Для проверки этой гипотезы методами дифференциальной сфигмографии по патенту RU2268639 [18] и холтеровского мони-торирования обследована 31 женщина среднего возраста 51,13+16,34, больная гипертонической болезнью II стадии (ГБ II стадии). Холтеровский мониторинг проводили с помощью системы «Кардиотехника-06» (ЗАО «Инкарт»). Длительность монитори-рования составляла 24 часа. «Ночью» считалось время ночного сна. Расчёт вариабельности сердечного ритма производился на основе последовательности интервалов RR синусового происхождения по всей записи в последовательно взятых окнах длительностью 5 мин. Выявлено, что у обследованных характеризующий эффективность сократительной (насосной) функции миокарда левого желудочка и способный служить индикатором развития стеноза аортального клапана и повышения жёсткости стенок аорты кардиогемодинамический индекс:
кгди = ЛАДАуск ,
ААДАзам
где в числителе систолический прирост артериального давления (АД) в период ускоренного анакротического выброса крови в аорту, а в знаменателе - величина замедленного анакротического
прироста АД в период систолы, имеет значимую инверсную связь, близкую к линейной, с анакротическим индексом (г=-0,73...-0.77, р<0.05). Анакротический индекс, в свою очередь, имеет значимую прямую корреляцию с вариационным размахом (разностью между максимальным и минимальным значением) интервала ЯЯ (г=0,43, р<0.05). Поэтому повышение жёсткости аорты приводит к повышению вариабельности интервалов ЯЯ. Действительно, вариационный размах интервала ЯЯ имеет значимую положительную корреляцию со средним значением нормированного интервала NN (г=0, 47, р<0.05), а оно у этих больных прямо связано с возрастом (г=0,45, р<0,05). Вариационный размах ЯЯ также прямо связан с дикротическим индексом (г=0,43, р<0,05). Дикротический индекс имеет значимую инверсную связь с циркадным индексом (г=-0.52, р<0.05), т.е. при старении человека несмотря на нелинейный характер связи между возрастом и циркадным индексом существует тенденция к повышению циркадного индекса, что свидетельствует о меньшей степени повышения вариабельности сердечного ритма ночью при старении. Таким образом, причиной аритмий у больных ГБ II стадии, связанного с ними поражения миокарда, может быть повышение жёсткости стенок артерий. В то же время повышение жёсткости аорты при ГБ II стадии, само развитие ГБ могут быть компенсаторными механизмами, защищающими от фатальных аритмий, связанных с низким средним значением нормированного интервала NN и низким вариационным размахом ЯЯ. Усиление апоптоза клеток миокарда при патологических процессах в сердце, в том числе, связанных с аритмиями, требует адекватного увеличения регенерации клеток, а у человека ввиду его эволюционной физиологии, как и у бесхвостых амфибий, стимулом непрямой метаплазии служит повышение содержания натрия в плазме крови [15]. При повышении содержания натрия повышаются удельное периферическое сосудистое сопротивление и жёсткость стенок сосудов. Стволовые клетки крови человека при их непосредственной дифференциации в кардиомиоциты, в отличие от стволовых клеток и фибробластов сердца, формируют клетки, неспособные полноценно встраиваться в проводящие пути миокарда, поскольку аналогично Хепорив 1аеу1в физиологичным путём регенерации сердца человека является метаплазия проге-ниторных клеток миокарда. Поэтому гипертония II стадии и аритмии сердца закономерно связаны друг с другом. Снижающие уровень натрия плазмы крови тиазидные и тиазидоподобные диуретики являются патогенетически обоснованным средством терапии гипертонии и аритмий.
Благодаря синтезу методологии системотехники, эволюционной физиологии [1] и предложенного И. М. Сеченовым молекулярного принципа патологии [2] автором впервые в мире предложены обоснования параллелизма тканевых рядов современного человека и бесхвостых амфибий Хепорив, связи между сердечнососудистым риском и жёсткостью стенок артерий, связи между гипертонической болезнью, аритмиями и апноэ. В результате продолжения работы благодаря использованию нового метода измерения жёсткости стенок артерий для оценки сердечно-сосудистого риска человека и риска гипервентиляции и внезапной смерти водолазов и ныряльщиков могут быть созданы комплексные биомедицинские системы. Путём адекватного использования современных клеточных технологий и методов лечения апноэ сна
- они ввиду роли безусловных рефлексов не могут быть чисто хирургическими - может быть достигнут прогресс в лечении сердечно-сосудистых заболеваний.
Литература
1. Дарвин, Ч. Происхождение человека и половой отбор /
Ч. Дарвин // Перевод проф П.Сеченова, СПб., 1896.
2. Сеченов, И.М. Докторская диссертация / И.М. Сеченов.-СПб, Медико-хирургическая академия, 1869.
3. Балаболкин, М.И. Эндокринология / М.И. Балаболкин.-М.: Медицина, 1996.
4. Иванова, М.А. Гипертоническая болезнь и уровни микроэлементов у больных. / М.А. Иванова //Материалы четвертого международного научно-практического конгресса «Медикоэкологические проблемы лиц экстремальных профессий: работоспособность, здоровье, реабилитация и экспертиза профессиональной пригодности».- М.: Ассоциация авиационно-космической, морской, экстремальной и экологической медицины России, 2004.- С. 386-387.
5. Иванова, М.А. Радиационно-гематологический стресс вследствие воздействия нелетальных доз техногенной радиации. Сборник научных работ шестого Всероссийского симпозиума по проблемам боевого стресса “Боевой стресс: механизмы стресса в экстремальных условиях деятельности” / М.А. Иванова.- М., Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Министерства обороны Российской Федерации, Государственный научный центр “Институт медикобиологических проблем РАМН”.- 2007.- С. 40-41.
6. Нестеров, В.П. Способ пульсометрической оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека / В.П. Нестеров,
А.И. Бурдыгин, С.В. Нестеров.- 2004
7. Niemitz, C. A Theory on the Evolution of the Habitual Orthograde Human Bipedalism / C. Niemitz // The "Amphibisce Genera-listheorie". Anthropologischer Anzeiger 2002.- 60: P. 3-66.
8. Morgan, Elain. The Aquatic Ape / Morgan, Elain. // Stein & Day Pub, 1982.
9. Hardy, A. Was man more aquatic in the past. New Scientist / A Hardy.- 1960.- 7: 642-645.
10. Morgan, E. The Aquatic Ape Hypothesis / E. Morgan.-Souvenir Press, 1997.
11. Evidence for the unique function of docosahexanoic acid (DHA) during the evolution of the modern hominid brain» / M. Crawford [et al.] // Lipids.- 2000.- 34: S. 39^7.
12. Kingdon, J. Lowly Origin / J. Kingdon // 203-Princeton University Press, 242
13. Patrick, J. Human Respiratory Adaptations for Swimming and Diving / J. Patrick.- Souvenir Press, 1991.
14. Morris, D. The Naked Ape / D. Morris.- April 1999 edition.- 1983.- P. 44.
15. Verhaegen, M The continental shelf hypothesis. Nutrition & Health / M Verhaegen, S Munro.- 2002.- 16.- P. 25-28.
16. Induction of vertebrate regeneration by a transient sodium current / A-S. Tseng [et al]//Journal of Neuroscience.-2010.- 30(39): 13192-13200
17. Zavarzin, A A. Beitrage zur vergleichenden Histologie d. Blutes u. d. Binde-gewebes» (Ztschr. 1 mikr.-anat. Forsch., B. VI) / AA. Zavarzin, 1926
18. Hall, K. Tool-using behaviour of the Californian sea otter Journal of Mammalogy / K. Hall, G. Schaller.- № 45.- 1964
HUMAN EVOLUTIONARY PHYSIOLOGY RESEARCH AIDED BY DIFFERENTIAL SPHYGMOGRAPHY SYSTEMS
M.A. IVANOVA
Scientific and Technical Documentation Centre “Borey”, St. Petersburg
The article considers the application of a new method of measuring wall of artery rigidity for of assessing cardio-vascular risk and the risk of hyperventilation and sudden death at divers. Complex biomedical systems can be created.
Key words: natrium, evolution, hypertension, sphygmography. УДК 574.5
ВОДА В КОЛОДЦЕ НА КОМАРКИНСКОМ РУЧЬЕ (П. КОМАРКИ Г. ТУЛА) - УГРОЗА ЗДОРОВЬЮ НАСЕЛЕНИЯ ПОСЕЛКА
Н.П. БУЛУХТО*, В.Л. ДОМНИНА*, А.А. КОРОТКОВА*,
В.А. ТЕРЕХОВА**
На основе полученных ранее данных об экологическом состоянии Ко-маркинского ручья было проведено исследование качества воды в колодце, находящемся в 2-х метрах от уреза воды данного водотока. В результате биотестирования с использованием в качестве тест-объектов Paramecium caudatum и Daphnia magna выявлено вредное воздействие исследуемой пробы воды (БКР10-24), показатель токсичности колеблется от 30% до 79,4% в зависимости от тест-объекта. В ходе химико-аналитических исследований выявлены превышения ПДК по содержанию ионов кадмия, железа и свинца (тяжелых металлов). Таким образом, использование воды данного колодца для нужд жителей поселка Комарки может стать угрозой здоровью.
Ключевые слова: биоиндикация, индекс сапробности, полисапроб-ный уровень органического загрязнения, биотестирование, острая токсичность, вредное воздействие, средняя летальная концентрация, безвредная концентрация, тест-организмы, токсиканты.
Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, 300026, Тула, пр. Ленина, 125, e-mail: [email protected], Московский государственный университет, им. М.В. Ломоносова, 119076, Москва, Ленинский пр., д.33, e-mail: [email protected].
Устойчивое эколого-экономическое развитие территорий Центральной России и эффективность природоохранной политики регионов во многом зависит от своевременной объективной информации об экологическом состоянии «проблемных» зон и участков, являющихся объектом локального мониторинга. Особую озабоченность населения и экологических служб региона на протяжении уже нескольких лет вызывает экологического состояние р. Тулица и Комаркинского ручья - главного источника ее загрязнения.
Цель исследования - изучение химического состава и токсичности воды Комаркинского ручья и колодца, а также оценка экологического состояния и степени загрязнения Комаркинского ручья.
Материалы и методы исследования. Комаркинский ручей является левым притоком р. Тулица (бассейн р. Ока), код водного объекта - КАС-Волга-2231-1203-0210-0009. Гидрологические характеристики водотока следующие: общая протяженность -3,8 км, средняя ширина ручья - 1,5 м, средняя глубина - 0,13 м, наибольшая 0,3 м. Скорость течения средняя - 0,29 м/с, максимальная - 0,42 м/с (по данным Тульского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды).
Исток Комаркинского ручья находится в поселке Комарки, в котором отсутствует централизованное водоснабжение, а единственным источником водоснабжения является колодец, расположенный на расстоянии 2 м от уреза воды ручья. Комаркинский ручей впадает в р. Тулица, являясь очевидным мощным источником загрязнения, поскольку аккумулирует и привносит в реку значительное количество промышленных стоков таких предприятий как ФГУП ГНПП «Сплав» и ОАО «Тульский комбайновый завод».
Исследование качества воды в водотоке и колодце проводили методами биоиндикации, биотестирования и химико-аналитическими методами.
Отбор, транспортировка и хранение проб воды и донных отложений для биоиндикации и биотестирования производился согласно ГОСТ Р 51592-2000 [3], НВН 33-5.3.01-85 [7].
Для определения животных гидробионтов использовался определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР [9].
Для оценки уровней сапробности использовался расчет индекса сапробности [5]: S = Е sh / Е h, где s - индикаторная значимость отдельных видов, h - относительное количество особей вида.
Биотестирование воды проводилось согласно Методике выполнения измерений (МВИ) «Определение токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg», а также ветвистоусых рачков - Daphnia magna Straus [6,12,13]. Контроль качества результатов измерений в лаборатории при реализации методики осуществляется по ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 [4].
Методики основаны на сравнении показателя смертности тест-объекта (парамеции, дафнии) при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде по сравнению с контролем. Определяли острую токсичность исследуемых проб при суточной экспозиции проб.
Расчет показателей токсичности проводили по формуле:
А= Xt /Xi х100, где А - показатель токсичности, Xt - количество особей тест-культуры, погибших в исследуемой пробе через 24 часа, Xj- исходное количество особей тест-культуры.
При определении острой токсичности устанавливают:
- среднюю летальную концентрацию отдельных веществ, вызывающую гибель 50% тест-организмов за 24 часовую экспозицию;
- безвредную концентрацию отдельных веществ, вызывающую гибель не более 10% тест-организмов за 24 часовую экспозицию.
Результаты и их обсуждение. Биоиндикация. В ходе исследования экологического состояния Комаркинского ручья не выявилено наличия высших растений и многоклеточных водорослей. Этот факт свидетельствует о существенном нарушении в трофической цепи экосистемы. Отсутствие фотосинтетической активности и отсутствие первичной продукции (растительной биомассы), влияет на полноценность кормовой базы для беспозвоночных и позвоночных животных (в том числе и для рыб). Таким образом, полученные данные свидетельствуют о сущест-
