CC BY
8Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия» Том 17 (56). 2004. № 1. С. 24-29.
УДК 591.1: 57.034 + 57.081
ОСОБЕННОСТИ СОГЛАСОВАНИЯ РИТМИКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У КРЫС С ЭПИФИЗЭКТОМИЕЙ С РИТМИКОЙ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Григорьев П. Е., Мартынюк В. С., Шехоткин А. В., Темурьянц Н. А.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование механизмов взаимодействия организма с внешней средой приобретает в настоящее время все большее значение. В частности, в связи с возросшим интересом к проблемам хронобиологии, интенсивно обсуждается вопрос о возможных внешних датчиках времени для ультра- и инфрадианных ритмов. Высказано предположение о том, что для ритмов этих диапазонов датчиком времени (пейсмейкером) могут выступать слабые переменные магнитные сверхнизкочастотные поля (ПеМП СНЧ) естественного происхождения [1]. Подтверждением этому являются данные о чувствительности эпифиза, играющего важную роль в организации и модуляции биоритмологических процессов, к ПеМП [2, 3]. Для уточнения и подтверждения роли эпифиза во взаимодействии организма с ПеМП естественного происхождения необходимы дальнейшие исследования.
В работе [4] было показано, что в спектре инфрадианной ритмики физиологических показателей, контролируемых эпифизом, всегда присутствуют периоды, совпадающие с периодами вариаций естественных ЭМП, отраженных в индексах космической погоды.
Для уточнения роли эпифиза в механизмах взаимосвязи биоритмических процессов с периодическими вариациями природных ЭМП внешней среды целесообразно их сопоставление у животных с удаленным эпифизом.
Таким образом, целью настоящей работы явилось изучение влияния эпифизэктомии на временную организацию физиологических процессов у животных, и характер их синхронизации естественными вариациями электромагнитного фона.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Экспериментальная часть работы проведена на кафедре физиологии Таврического национального университета им. В.И. Вернадского в 1990 году. Объектом исследования служили беспородные белые крысы-самцы массой 200-230 г, полученные из питомника «Рапполово» (Санкт-Петербург). Из общего числа животных (220) были отобраны крысы одинакового возраста и веса, со средней активностью и низкой эмоциональностью в тесте «открытого поля» [5]. В качестве контрольной группы были использованы интактные животные, находившиеся в обычных условиях содержания. Экспериментальные животные подвергались
операции эпифизэктомии [6]. Обе группы животных содержались в условиях свет-темнота 12ч: 12ч. В течение 40-дневного эксперимента, у крыс в одно и то же время измеряли 16 физиологических показателей (вертикальная и горизонтальная двигательная активность, дефекация, масса, температура тела, РЬ и объем мочи, количество лимфоцитов, нейтрофилов и их отношение, моноцитов, эозинофилов, пероксидаза в нейтрофилах, сукцинатдегидрогеназа, а-глицерофосфатдегидрогеназа в лимфоцитах и их отношение).
Для исследования структуры ритмов физиологических и гелиогеофизических показателей использовали косинор-анализ. Дня каждого из показателей индивидуально для каждого животного строили периодограммы (спектры) с помощью косинор-анализа в пределах от 2,2 до 30 сут. с шагом (точностью) 0,2 сут. Алгоритмически выделяли периоды, которые являются локальными максимумами в каждой из периодограмм. На основании списка всех выделенных периодов для животных из данной группы получали гистограмму, которая характеризовала частоту встречаемости каждого из периодов от 2,2 до 30 суток с шагом 0,2 сут., после чего выделяли периоды (локальные максимумы на гистограмме), вносящие основной вклад в ритмику животных из соответствующей группы.
Аналогично были найдены периоды, вносящие основной вклад в периодические вариации естественных ЭМП. Были использованы ряды следующих гелиогеофизических индексов (данные ИЗМИРАН):
- Ар и Кр индексы геомагнитной активности - отражают вариации естественных ЭМП в сверхнизкочастотном диапазоне;
- относительное количество солнечных пятен (числа Вольфа W) и поток солнечного радиоизлучения на длине волны 10,7 см - содержат вариации естественных ЭМП в низкочастотном и радиоволновом диапазонах;
- знак радиальной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП) - со сменой знака ММП сильно связаны вариации естественных ЭМП в сверхнизкочастотном диапазоне.
В настоящей работе использовали временные ряды данных о вариациях параметров внешней среды, как за время эксперимента, так и в течение полугода перед экспериментом плюс время эксперимента. Возраст лабораторных животных к началу эксперимента не превышал 6 месяцев. Таким образом нами учитывалось влияние вариаций гелиогеофизической ритмики не только во время эксперимента, но и в течение всей жизни животных, адаптирующихся к факторам внешней среды.
При анализе данных, полученных с помощью косинор-анализа, подсчитывали случаи точного совпадения физиологических и гелиогеофизических периодов и вероятности их случайного совпадения для того, чтобы установить, закономерной ли является связь между организменной и гелиогеофизической ритмикой (для каждой группы). Правомерность этих процедур определяется простейшими свойствами вероятностей [7].
Далее подсчитывались случаи приблизительного совпадения ритмов (расхождение по длительности менее 5% для периодов от 2,2 до 9 суток и менее 2,5% для периодов от 9 до 30 суток) в физиологических и гелиогеофизических показателях.
Для каждой пары наиболее близких периодов из вариаций гелиогеофизических индексов и физиологических показателей крыс, устанавливали, короче (к) или
длиннее (д) анализируемый период в организме относительно гелиогеофизического, и вычисляли коэффициент к/д, который показывает отношение количества более коротких периодов к числу более длительных.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице 1 представлены периоды, вносящие основной вклад в периодические вариации гелиогеофизических индексов и в интегральную ритмику животных из различных групп. Как видно, основные периоды, характерные для гелиогеофизических индексов, выявляется и в физиологических процессах у животных.
Таблица 1.
Основные периоды для физиологических показателей крыс за время эксперимента и основных гелиогеофизических индексов в течение 7,3 месяцев (6 месяцев перед началом эксперимента и в его период) и в срок эксперимента (40 дней) в диапазоне от 2,2 до 30 суток.
Контроль -периоды (сутки) Эпифизэктомия -периоды (сутки) Гелиогеофизические вариации - 7,3 мес. (сутки) Гелиогеофизические вариации - время эксперимента - (сутки)
3.0 2.6 3.0 2.8
3.6
4.4 4.2 4.8
5.4 5.4 5.4 5.8
6.8 6,4 7.0 6.8
7.4 8,2
8.6 9.2 8.6
10.0 9,6 10,0
10.6 11.4
11.8 12,2
14.0 13.8 14.4 14.0
15.4 15,8 15,6
16.4 16.8 16.8
17.4
18.6 18.6 18.0 18.8
19.6 19.4
20.4 20.0 20.0
21.2 22.2
23.8 22.8 23.0
24.0
25.6
26.2 26.2
27.0 27.0 27.0
27,6
28.2 28.0
29.0
29,6 29.6 29.6
В каждом из случаев сопоставления, в показателях контрольной группы животных точно совпадают от 4 до 5 периодов с периодами гелиогеофизических индексов; вероятность случайности совпадений составляет от 5,110"9 до 3,3 10'12 • см. табл. 2), что значительно меньше общепринятой в биологии величины 5%. Вероятно, закономерность совпадений периодов в спектрах физиологических показателей и индексов космической погоды указывают на синхронизацию физиологической ритмики организма естественными ЭМП.
В физиологической ритмике животных из различных групп и вариациях естественных ЭМП наиболее часто встречаются периоды порядка 2,6-3,0 сут., 5,4-8.2 сут.. 8.6-10,0 сут., 14,0-16,8 сут., 18,0-20,0 сут., 26,2-28,0 сут. Эти же основные спектральные составляющие были обнаружены в ритмике ферментов лейкоцитов [6], близкие периоды были получены также для интегральной ритмики крыс в исследованиях [4,8]. Таким образом, для ритмики животных характерны периоды, совпадающие или близкие основным вариациям гелиогеофизических индексов в инфрадианном диапазоне.
В таблице 2 также представлено сравнение близких периодов ритмики животных и вариаций естественных ЭМП. Видно, что у интактных животных доли более длительных и более гфатковременных периодов одинаковы (к/()=\), что вообще присуще животным со средней активностью [8].
Для группы эпифизэктомированных животных количество совпадающих периодов уменьшается по сравнению с контролем в целом с 9 до 5 периодов - в 1,8 раза. Количество совпадающих периодов уменьшилось на 3 периода для вариаций космической погоды за время эксперимента, и только на 1 период за время всего онтогенеза животных. Значит, синхронизация со средой после эпифизэктомии нарушается, но в ритмике физиологических процессов лучше сохраняются периоды, запечатленные в онтогенезе животных до удаления эпифиза.
У животных с удаленным эпифизом преобладают более кратковременные (по сравнению с близкими гелиогеофизическими вариациями) периоды, что, несомненно, говорит об изменениях в подстройке внутренней ритмики под вариации естественных ЭМП. В работе [8] было показано, что такое преобладание укороченных периодов равносильно тому, что «биологические часы» спешат, преобладание удлиненных периодов (по сравнению с близкими гелиогеофизическими периодами) соответствует отставанию «часов». Причем, некоторое ускорение хода «биологических часов» присуще в норме ритмике интактных животных с высокой двигательной активностью (к/й=1,44), но вследствие эпифизэктомии «биологические часы» животных со средней двигательной активностью (у которых в норме к/д= 1) ускоряют ход гораздо сильнее (к/<)=3,50).
Количество совпадающих периодов в ритмике эпифизэктомированных животных и вариациях ЭМП хоть и значительно меньше, чем в норме, все же не случайно (вероятности случайного совпадения от 7,3 10"5 до 9,2 10~7). И число близких периодов в физиологической ритмике животных с удаленным эпифизом и гелиогеофизических вариациях не меньше, чем у интактных животных. Таким образом, синхронизация с естественными ЭМП частично сохраняется и после
эпифизэктомии, следовательно, кроме эпифиза, существуют и другие магниторецепторные структуры.
Согласно мультиосцилляторной теории, кроме эпифиза существуют другие периодические осцилляторы, например, элементы APUD-системы (.Amine Precursor Uptake - совокупность клеток, обладающих эндокринной активностью и секретирующих пептидные гормоны), располагающихся в различных органах, в элементах которой также синтезируется мелатонин [9]. По-видимому, частичное поддержание синхронизации с природными ЭМП в отсутствии эпифиза возможно благодаря этим осцилляторам. С другой стороны, без эпифиза невозможна полноценная организация и согласование физиологических процессов - в отсутствии эпифиза развивается десинхроноз (рассогласование) как между физиологическими процессами [6], так и десинхроноз, выраженный в нарушении хода «биологических часов» относительно внешнего датчика времени. Таким образом, важнейшая роль эпифиза состоит не столько в магниторецепции, сколько в организации и модуляции организменной ритмики и обеспечении подстройки к ритмике среды.
Таблица 2.
Сопоставление интегральной ритмики физиологических показателей животных за
время эксперимента и периодических вариаций гелиогеофизических индексов в течение 7,3 месяцев (6 месяцев перед началом эксперимента и в его период) и в срок эксперимента (40 дней) в диапазоне от 2,2 до 30 суток
Группа животных Контрольная группа Эпифизэктомированные животные
Вариации космической погоды в течение 7,3 мес. во время эксперимента в течение 7,3 мес. во время эксперимента
Количество периодов в интегральной ритмике животных всего 19 19
К-во точно совпадающих периодов в интегральной ритмике с гелиогеофиз. вариациями 4 5 3 2
Вероятности случайного совпадения периодов в интегральной ритмике с вариациями космической погоды 5,1 Ю-9 3,3 10"12 9,2 10"7 7,3 10 s
К-во близких, но не совпадающих периодов 9 7 В В
Из близких периодов к-во более коротких в интегральной ритмике, чем в гелиогеофиз. вариациях 6 2 6 8
Из близких периодов к-во более длительных в интегральной ритмике, чем в гелиогеофиз. вариациях 4 4 3 1
Общий индекс к/д 8:8=1 14:4=3,50
ВЫВОДЫ
1. В инфрадианной ритмике физиологических процессов присутствуют периоды, неслучайно совпадающие с периодами из вариаций естественных ЭМП. Наиболее часто встречаемые периоды в физиологических и гелиогеофизических данных порядка 2,6-3,0 сут., 5,4-8,2 сут., 8,6-10,0 сут., 14,0-16,8 сут., 18,0-20,0 сут., 26,2-28,0 сут.
2. Эпифизэктомия нарушает синхронизацию физиологических процессов с периодическими вариациями электромагнитного фона - уменьшается количество совпадающих периодов в 1,8 раза.
3. Стратегия подстройки физиологической ритмики животных со средней активностью под вариации естественных ЭМП нарушается вследствие эпифизэктомии: в контрольной группе для «биологических часов» характерна сбалансированная подстройка под вариации естественных ЭМП, а после эпифизэктомии «биологические часы» спешат.
4. Эпифиз играет важную роль в механизмах синхронизации, но частичное сохранение синхронизации физиологической ритмики и изменение стратегии подстройки в отсутствие эпифиза есть свидетельство включения периферических осцилляторов, вероятнее всего, элементов APUD-системы.
Список литературы
1. Темурьянц H.A., Владимирский Б.М., Тищкин О.Г. Сверхнизкочастотные магнитные сигналы в биологическом мире. - Киев: Наумова думка, 1992. - 188 с.
2. Bartsch H., Bartsch С., Mecke D„ et a!.// Chronobiol. Intern. - 1994. - V. 11, N. f. - P.21.
3. Bergiaimaki J.D., Paparrigopoulos T.J. and Stefanis C.N. // Experimentia. - 1996. - V. 52. - N 3. -P. 253.
4. Григорьев П.Н., Мартьшгок B.C. Вариации индексов космической погоды и инфр&дианные ритмы физиологических процессов у животных. Н Ученые записки Таврического национального университета им. В.И.Вернадского. Серия «Биология, химия». - 2003. - Т. 16 {55), № 4. -С. 43-49.
5. Маркель А.Л. К оценке основных характеристик поведения крыс в тесте «открытого поля»// Журн. высш. нервн. деяте л ьности.-1981 .-Т. 31, №2.-С.301-307.
6. Шехоткин A.B. Влияние переменного магнитного поля сверхнизкой частоты на инфрадианную ритмику количественных и функциональных характеристик лейкоцитов крови у интактных и э пифизэктом и ро ванных крыс; Автореф. дисс. ... канд.б иол. наук. - Симферополь, 1995. - 25 с.
7. Манита А. Д. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие. - М.: Издат. отдел УНЦ ДО, 2001. - 120 с.
8. Григорьев П.Е., Мартынюк B.C., Темурьянц H.A. Инфрадианная ритмика физиологических показателей крыс с разными конституциональными особенностями и вариации космической погоды. //Таврический мед и ко-биологический вестник. - 2003. - №3. - С. 25-30.
9. Burch LB.. Reif J.S., Pitrat С. A., et ai., Annual Review of Research on the Biological Effects of Electric and Magnetic Fields from the Generation, Delivery and Use of Electricity, San Diego, CA, 1997. - P. 110.
Поступила в редакцию 15.12.2003 г.
