URGENT PROBLEMS OF NORTHERN MAGNETOBIOLOGY Literature review

Full Text

Магнитобиология представляет собой новую синтетическую область знаний, грани которой сформированы самыми разными науками - от физики до биологии и медицины. Она сосредоточена на исследовании биологических реакций и механизмов действия преимущественно слабых (менее 1 мТл) магнитных полей. Ядро ее лежит в области биофизики. Существенного развития магнитобиология достигла лишь в течение последних трех десятилетий. Вместе с тем отсутствует теория и общие физические концепции магнитобиологии. Практически нет предсказательных теоретических моделей. Проблема связана с парадоксальностью биологического действия слабых низкочастотных магнитных полей, которые по энергии далеко не сопоставимы с характерной энергией биохимических превращений [5]. Опыт многолетних наблюдений говорит о том, что некоторые электромагнитные поля представляют потенциальную угрозу для здоровья людей и являются не менее существенным экологическим фактором, чем температура, давление и влажность. По мере роста осознания этого факта задача изучения механизмов биологического действия электромагнитных полей становится все более актуальной. Часто биологические эффекты магнитного поля наблюдают по параметрам жизнедеятельности и поведению отдельных особей и популяций. Эксперименты, как правило, состоят в наблюдении связей между характеристиками внешнего магнитного поля и вызванными им биологическими эффектами [5]. Идея о том, что живые организмы являются гораздо более чувствительными объектами к действию многих факторов окружающей среды, чем физические приборы, высказывалась уже давно и неоднократно различными исследователями. В [29] описано и систематизировано большое количество случаев высокой чувствительности организмов к слабым воздействиям внешних факторов среды. Еще основоположник гелиобиологии А. Л. Чижевский отмечал в своих работах по влиянию солнечной активности на микроорганизмы, что живые системы могут являться наиболее чувствительными астрономическими приборами [38]. Результаты исследований последнего времени в области гелиобиологии делают данное положение все более обоснованным [9]. Интерес к магнитобиологии обусловлен прежде всего экологическими причинами. Ранее считалось, что слабые низкочастотные магнитные поля нетепловой интенсивности безопасны для человека, биологическое действие таких полей казалось невозможным с точки зрения физики. Со временем были накоплены опытные данные, показавшие потенциальную опасность этих полей и излучений, скрытый характер их действия. Экологическая значимость электромагнитных полей становится предметом специального изучения [5, 11, 12]. В последние десятилетия огромные достижения в области геологии, а также астрономии и космологии привлекли внимание научной общественности к изучению биотропных эффектов гелиогеофизических факторов, особенно различного рода аномалий естественных магнитных полей. Появилось новое направление в науке - магнитобиология. К настоящему времени в изучении магнитобиологических эффектов наметилось несколько стратегических направлений: значимость естественных магнитных аномалий в комплексном биотропном воздействии на организм человека различных неблагоприятных экологических факторов; взаимосвязь гелиогеомагнитной активности с климатическими элементами региона; изучение особенностей магнитобиологических эффектов на территории высоких широт, где биогенные эффекты гелиогеомагнитных аномалий наиболее выражены. Полученные результаты диктуют необходимость более глубокого изучения гелиогеофизических факторов риска здоровью населения северных урбанизированных территорий. Ключевые слова: гелиогеомагнитная активность, биотропные эффекты, высокие широты 3 Окружающая среда Экология человека 2014.04 Фундаментом современной экологической теории несомненно является учение академика В. И. Вернадского о биосфере [8]. Главную роль в возникновении и эволюции биосферы, в жизнедеятельности всех живых организмов, населяющих нашу планету, великий российский ученый отводил солнечному излучению: «...лучи Солнца обусловливают главные черты механизма биосферы. ... Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена биосфера. В значительной мере биосфера является проявлением его излучений; она составляет планетный механизм, превращающий их в новые разнообразные формы земной свободной энергии, которая в корне меняет историю и судьбу нашей планеты» [8]. Вторым мощным толчком к развитию экологии, продолжением идеи Вернадского явилось учение другого российского ученого А. Л. Чижевского о гелиобиологии - изучении влияния на органический мир Земли периодической деятельности Солнца. «Лучистая энергия Солнца является могущественным биологическим деятелем, и колебания в ее количестве обусловливают все те изменения в органической природе, которые мы наблюдаем в связи с широтой места, временами года и различными другими геофизическими и сезонными факторами» [38]. В последние десятилетия появилось довольно много исследований, авторы которых находят определенные связи между солнечной активностью и различными процессами и явлениями в биосфере, в том числе и состоянием здоровья человеческой популяции. Укрепляется уверенность в существовании солнечно-земных причинно-следственных связей, и большая роль здесь отводится гелиогеомагнитной активности [2-4, 7]. Выявлена определенная прямая связь между гелиомагнитной интенсивностью и солнечной активностью, измеряемой числами Вольфа. Примерно 27-дневный компонент, соответствующий периоду солнечного вращения, является общим для обеих переменных [45]. Солнечный ветер, магнитосфера, ионосфера образуют единую систему, обусловленную передачей энергии и импульса от солнечного ветра в магнитосферу и ионосферу. Связь между солнечным ветром и магнитосферой опосредована и управляется с помощью магнитного поля в солнечном ветре [52]. Следовательно, можно утверждать, что солнечная активность косвенно отражает гелиомагнитную активность. Таким образом, канал негативного влияния солнечной активности на здоровье человека связан с периодическими вспышечными процессами на Солнце, приводящими к возмущениям электромагнитного поля магнитосферы, верхних и приземных слоев атмосферы. При этом особое внимание при изучении влияния естественных электромагнитных полей на живую природу уделяется геомагнитному полю как одному из важнейших экологических факторов окружающей среды. Сильные магнитные возмущения, продолжающиеся непрерывно более 6 часов, называют магнитными бурями. Магнитная буря сопровождается быстрым изменением магнитного поля с амплитудами в средних широтах от 100 до 500 нТл и более. При этом нормальные суточные вариации магнитного поля Земли не превышают 50-70 нТл. По интенсивности выделяют 4 градации магнитных бурь: малая, умеренная, большая, очень большая (четырехбалльная система). Частота магнитных бурь зависит от времени года и имеет тенденцию к увеличению в периоды равноденствия (весна-осень) [1, 22]. Проблема влияния метеофакторов на организм исследуется очень давно. Более 20 лет назад появились работы, в которых ставился вопрос о необходимости комплексного изучения влияния метеорологических и геомагнитных факторов на здоровье человека. Но, как правило, подобный анализ ограничивался сравнением раздельно степени связи с геофизическими и метеорологическими факторами, без попыток анализа сочетанного и взаимного влияния этих двух групп факторов [19]. Поиск возможной связи между солнечной активностью и погодой и климатом на Земле является одним из самых интригующих вопросов современной экологии. К базовым метеорологическим параметрам, определяющим погоду в данной точке, принято относить температуру, атмосферное давление, влажность и силу ветра. Все эти показатели являются взаимосвязанными, причем характер связи может различаться в зависимости от сезона [19]. Обнаружено в целом влияние солнечной активности на климатическую изменчивость на Земле [43-45, 47, 49-51, 54]. Выявлена связь изменчивости геомагнитной интенсивности с колебаниями атмосферной температуры [48, 53, 55]. Проведенные [24] исследования обнаружили усиление биотропного эффекта на человеческий организм комбинированного воздействия геомагнитной активности на фоне понижения температуры атмосферного воздуха и скачков атмосферного давления. Анализ оценки корреляции Кр-индекса с каждым из метеорологических параметров показал, что динамику уровня геомагнитной активности можно считать независимой от других факторов, в том числе факторов погоды [19]. По мнению автора, метеофакторы связаны между собой. В то же время геомагнитная активность может быть рассмотрена как фактор, независимый от погоды. Наблюдения ряда исследователей свидетельствуют о синхронности аномалий метеорологических элементов и геомагнитных возмущений в различных географических регионах; выявлена высокая корреляция основных геофизических и погодных факторов; возможны одновременные колебания геомагнитного поля и атмосферных явлений [34]. В связи с промышленным освоением обширных северных территорий Российской Федерации стали 4 Экология человека 2014.04 Окружающая среда особенно интенсивно разрабатываться региональные аспекты организации и адаптации физиологических функций организма. Высокая миграционная подвижность населения, освоение регионов с суровыми погодно-климатическими условиями существенно меняют процессы взаимодействия человека с окружающей средой [13, 15]. В России к разряду северных земель относят около 64 % всей площади страны. На этой территории, занимающей более 10 млн км2, проживает около 8 млн человек. К жестким климатическим условиям Севера относят суровую и продолжительную зиму, короткое холодное лето, нарушение фотопериодичности, холод, факторы электромагнитной природы. Наиболее значимыми из них являются не холод, а космические, включающие и солнечные, излучения. С резкими изменениями солнечной активности исследователи связывают периоды повышенной и пониженной интенсивности течения земных процессов. С космическими возмущениями связывают формирование метеорологических ситуаций, геомагнитные возмущения, землетрясения, извержения вулканов. В высоких широтах действие солнечной активности опосредуется прежде всего через магнитное поле, имеющее в полярных районах ряд особенностей. Магнитное поле Земли является своего рода тормозом, препятствующим проникновению в земную атмосферу солнечной плазмы и космических лучей другого происхождения. Чем меньше магнитная широта, тем больше энергии должна иметь частица, чтобы достичь поверхности Земли. Корпускулы, вызывающие геомагнитные бури и полярные сияния, вторгаются в верхние слои атмосферы максимально между 60° и 70° геомагнитных широт. В этой зоне максимальны колебания геомагнитного поля, поэтому с приближением к ней усиливаются биологические эффекты. В низких же и средних широтах магнитное поле хорошо защищает земную поверхность от солнечных заряженных частиц [32, 34]. Стресс, возникающий при контакте с экстремальными климатогеографическими факторами высоких широт, является естественной реакцией, мобилизующей защитные процессы. Вместе с тем, как показали многочисленные исследования, хронический стресс может вызывать истощение резервных возможностей организма, что в последующем может привести к каскаду дизадаптивных расстройств, а далее и к возникновению патологических состояний. Как свидетельствуют данные исследований, существуют определенные особенности развития экологически обусловленной стресс-реакции и последующих ди-задаптивных расстройств на Севере. Речь идет о выявленных универсальных механизмах развития дизадаптивных реакций. Это общепатологический синдром, присущий Северу. Связь дизадаптивных процессов у человека в высоких широтах с особенностями геомагнитной среды, светового и холодового режимов позволили обозначить его как «синдром полярного напряжения». Этот синдром является феноменом глобального значения. Нарушение устойчивости организма человека к стрессирующим воздействиям приводит к истощению защитных механизмов с последующим расстройством психоэмоционального статуса, дисфункцией эндокринной системы, нарушениями метаболизма (окислительный стресс), снижением иммунной защиты, ухудшением функций кардиореспираторной системы [14, 26, 32, 35, 37]. По мнению М. С. Лушнова с соавт. [22], локальные геомагнитные возмущения зависят от географической широты и имеют уменьшающиеся значения от полюсов к экватору. Отсюда степень интенсивности магнитных бурь различная в разных географических широтах: для северных широт - большие показатели амплитуд магнитного поля, для южных - меньшие. Рассогласование пульсации электромагнитного поля сердца с колебаниями внешних электромагнитных полей вместе с нарушениями биоритмологической организации организма, возникающими в связи с сезонными особенностями северной экологии, становится основой развития дизадаптивных десинхро-нозов. Десинхроноз является одним из важнейших механизмов формирования дизадаптивного синдрома полярного напряжения [35]. При значительных возмущениях геомагнитного поля возрастает риск увеличения числа обострений сердечно-сосудистых заболеваний, в частности гипертонических кризов и инфарктов миокарда, снижения иммунной защиты, появления психических расстройств, а также связанных с функциональными нарушениями со стороны ЦНС автопроисшествий, производственных травм, ошибок операторов и т. д [34]. В. И. Хаснулин с соавт. [33], изучая экологические проблемы северных территорий, выявили четкую взаимосвязь электрической активности сердца с уровнем геомагнитной активности в высоких широтах, где возмущения геомагнитного поля достигают наибольших величин. Авторы ввели новое понятие «синдром кардиометеопатии», подразумевая под ним дизадаптивные нарушения функций сердечно-сосудистой системы, связанные с влиянием изменений метеорологических, геомагнитных, электрических, гравитационных и других геоэкологических факторов. Показано, что сезонное обострение ишемической болезни сердца (ИБС) на Севере отмечается в октябре - ноябре и марте - апреле и связано с геомагнитными возмущениями и их крайними проявлениями - геомагнитными бурями. В дни геомагнитных возмущений в северных широтах число приступов стенокардии на 45-50 % больше, чем в обычные дни. Полученные данные свидетельствуют о более высокой метеочувствительности больных хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями, чем среди здоровых жителей как высоких, так и средних широт, что указывает на снижение их адаптационных механизмов. Больше всего высокая степень выраженности метеочувствительности отмечалась среди больных ИБС и гипертонической болезнью [34]. 5 Окружающая среда Экология человека 2014.04 Жители Севера страдают артериальной гипертензией чаще, в более молодом возрасте, она протекает более тяжело, чем в средних широтах. Вероятность развития гипертонической болезни после 10 лет работы на Севере увеличивается в 3 раза. Подтверждается возможность выделения особого северного варианта гипертонической болезни с выраженной метеолабильностью, частыми кризами. Повышение артериального давления на Севере можно рассматривать прежде всего как извращенную адаптивную реакцию организма на воздействие экстремальных климатогеофизических факторов. Многие исследователи считают, что наибольшую роль в повышении артериального давления играют холод и специфическая гелиогеомагнитная обстановка [10, 18, 25]. На магнитовозмущенные дни приходится до 75 % всех «северных» гипертонических кризов [34]. Исследованиями авторов было установлено, что выезд больных в условия средних широт, где действие неблагоприятных геофизических факторов снимается, приводит к снижению или полной нормализации артериального давления уже с первых дней пребывания в более благоприятном климате. Важнейшим механизмом, усугубляющим диза-даптивные процессы на Севере, является развитие иммунодефицитных состояний, возникающих в периоды мощных геомагнитных возмущений, характерных только для зоны высоких широт. При этом показано, что северные иммунодефициты развиваются не только у больных, но и у здоровых людей, способствуя снижению противоинфекционной защиты [35]. Иммунологическая реактивность северян отличается высокой степенью распространенности экологически зависимых вторичных иммунодефицитов. Имеется достаточно оснований для суждения о формировании региональных особенностей иммунного статуса с широким распространением северного варианта иммунного дисбаланса. Иммунокомпетентные клетки отражают интегральную направленность и реактивность целостного организма. Состояние иммунной системы у человека на Севере отличается низким содержанием в крови функционально активных Т-лимфоцитов, IgA на фоне относительно высоких концентраций IgG, IgE и повышенных уровней IgM и циркулирующих иммунных комплексов [16, 17, 20, 23, 31, 39-42]. К настоящему времени накоплено достаточно большое количество данных о воздействии нейроэндокринной системы на функциональные свойства иммунной системы. Катехоламины могут изменять дифференцировку и пролиферацию лимфоцитов, их реактивность на иммунизацию, влиять на продукцию лимфокинов, миграцию клеток. Особенностью эндокринного статуса человека на Севере является напряжение в системе «гипофиз-надпочечники» с тенденцией к повышению уровня кортизола, являющегося естественным иммунодепрессантом [6, 27, 28, 30, 39]. Проведенные исследования показали, что значительная часть переезжающих на Север людей реагирует на северный стресс возникновением сезонных иммунодефицитов, проявляющихся в снижении реактивности клеток-эффекторов системы иммунной резистентности, уменьшении содержания Т-лимфоцитов, Т-хелперов и угнетении их функциональной активности, а также в изменении показателей гуморального иммунитета. Показано, что у практически здоровых пришлых жителей Севера также отмечается изменение уровня клеточного и гуморального иммунитета по сравнению со здоровыми жителями средних широт. Подтверждение определенной зависимости нарушения показателей иммунной защиты от экстремальных климатогеографических факторов Севера авторы находят в изменениях иммунных характеристик, зафиксированных в периоды магнитных бурь [21, 36]. Не менее важная роль при адаптации к экстремальным условиям Севера отводится нейтрофилам. Изучение функциональной активности нейтрофилов в экстремальных условиях выявляет ее глубокую перестройку в процессе адаптации. Отмечается тенденция к снижению активности нейтрофилов. Имеются существенные отличия от аналогичных показателей у практически здорового населения регионов с умеренным климатом [35]. Распространенность пульмонологической патологии на Севере очень высока. Она достигает более чем 55 % от всех заболеваний. Зависимость этих показателей от срока проживания на Севере свидетельствует об определенном вкладе экстремальных климатогеографических факторов высоких широт. Именно длительное действие климатогеофизических факторов Севера способствует хронизации заболеваний органов дыхания, особенно у пришлого населения. Хронические заболевания бронхолегочной системы на Севере характеризуются более тяжелым течением, более частыми обострениями и более короткими ремиссиями, более ранним развитием осложнений и потери трудоспособности. Полученные данные говорят о том, что заболевания респираторной системы на Севере развиваются на фоне иммунодефицитных состояний. Характерной особенностью таких иммунодефицитов являются: Т-лимфоцитопения, повышенное содержание IgA и IgM и снижение сывороточного IgG. Иммунодефицит у больных с бронхолегочной патологией на Севере развивается на фоне экологического стресса, повышенной геомагнитной активности [35]. Экология, как и любая другая наука, развивается с определенной последовательностью. Вначале интерес ученых ограничивался поисками биогенных эффектов экстремальных климатических факторов. Затем на передний план вышли проблемы техногенного прессинга, вызванные экологическим кризисом, порожденным негативными последствиями безудержной научно-технической революции. В последние десятилетия огромные достижения в области геологии, а также астрономии и космологии привлекли внимание научной общественности к изучению биотропных эффектов гелиогеофизических факторов, особенно различного рода аномалий естественных магнитных 6 Экология человека 2014.04 Окружающая среда полей. Появилось новое направление в науке - магнитобиология. К настоящему времени в изучении магнитобиологических эффектов наметилось несколько стратегических направлений. 1. Влияние природных магнитных полей на жизнедеятельность живых организмов самого различного уровня организации на сегодняшний день можно считать доказанным. Гораздо больший интерес ученых вызывает изучение интимных механизмов магни-торецепции, которые пока не продвинулись дальше «черного ящика». 2. Познание сущности информационного характера естественных электромагнитных полей космического происхождения, их возможной организующей роли в эволюции биосферы. 3. Роль магнитобиологических эффектов в развитии механизмов адаптации живых организмов, а также в формировании различных дизадаптивных расстройств. 4. Значимость естественных магнитных аномалий в комплексном биотропном воздействии на организм человека различных неблагоприятных экологических факторов. 5. Взаимосвязь гелиогеомагнитной активности с климатическими элементами региона. 6. Возможные биопатогенные эффекты гелио-геомагнитных аномалий как атмосферного, так и геологического происхождения. 7. Изучение особенностей магнитобиологических эффектов на территории высоких широт, где биогенные эффекты гелиогеомагнитных аномалий наиболее выражены. На сегодняшний день представляются достаточно хорошо изученными раздельные эффекты различных климатических и гелиогеофизических факторов на организм человека. Назрела необходимость биогенного анализа сочетанного влияния и взаимодействия всего комплекса экологических факторов, которая требует новых методологических подходов. Таким образом, актуальность изучения проблем магнитобиологии не вызывает сомнений. Еще более актуальным представляется изучение биотропных влияний магнитобиологических эффектов в высоких широтах, где защитный эффект магнитного поля Земли при повышении солнечной активности во время магнитных бурь выражен значительно меньше, чем в южных широтах, а климатогеографическая обстановка отличается особой экстремальностью. Результаты проведенных научных исследований диктуют необходимость более глубокого изучения гелиогеофизиче-ских факторов риска здоровью населения северных урбанизированных территорий.

About the authors

V A Karpin

Surgut State University Khanty-Mansiysk Autonomous Area

Email: kafter57@mail.ru

References

Supplementary files