INFLUENCE OF SOLAR ACTIVITY ON THE HUMAN’S CARDIAC RHYTHM UNDER STRESS

Full Text

Все живые организмы, обитающие на Земле, подвержены комплексному воздействию гелио-геофизических факторов, связанных с процессами, протекающими в околоземном космическом про странстве и контролируемыми явлениями на Солнце. Колебания этих факторов могут оказывать негативное влияние на нормальные процессы жизнедеятельности организмов, в том числе человека. К настоящему 4 Экология человека 2019.07 Окружающая среда моменту накоплено много сведений о взаимосвязях между гелиогеофизическими факторами и частотой развития заболеваний сердечно-сосудистой системы (ССС) человека - стенокардии, инфарктов, инсультов и другого [5, 10, 16, 18], изменением биохимических параметров крови [12], обострением язвенной болезни [6], сахарного диабета, псориаза и другого, возникновением эпидемий инфекционных заболеваний [9]. Реакция организма человека на изменение солнечной активности и ее проявлений в геофизических явлениях неоднозначна и зависит от индивидуальных особенностей организма, его адаптационных способностей, факторов окружающей среды, наличия у человека вредных привычек, которые создают дополнительную угрозу для здоровья человека. В рамках международного научно-исследовательского проекта «Гелиомед» проводился мониторинг параметров ритмики сердца практически здоровых людей. Он позволил выявить особенности индивидуальных и групповых гелиобиологических реакций в зависимости от сезона года, фазы цикла солнечной активности, географической широты проживания людей, доказать существование популяционных эффектов и универсальных программ адаптации человека к космогеофизическим факторам [5]. Нами исследовалось влияние отягчающих факторов на способность практически здоровых мужчин и женщин адаптироваться к изменению солнечной активности [2, 4]. В качестве такого фактора, значительно выделяющего одну группу людей из совокупности испытуемых, было выбрано табакокурение. Все участники эксперимента были разделены на четыре группы по двум признакам: пол и курение. У них регистрировали параметры биоэлектрической активности миокарда и централизованно проводили обработку кардиосигналов в режиме on-line в Институте проблем математических машин и систем НАН Украины. С помощью метода автоматического поиска групповых эффектов было обнаружено, что курение усиливает чувствительность организма к воздействию гелиогеофизических факторов и что мужчины обладают пониженной адаптационной способностью к геомагнитным возмущениям [3]. За несколько лет нами была создана экспериментальная база из ~10 000 ежедневных измерений параметров ритмики сердца практически здоровых мужчин и женщин, курящих и некурящих, в дни с повышенной и пониженной солнечной активностью. Поскольку метод регистрации отклика ССС включал получение ЭКГ 1-го отведения участников в состоянии покоя, после эмоционального и физического стресса, представляло интерес проанализировать базу экспериментальных данных с целью определить влияние солнечной активности на показатели ритмики сердца испытуемых в зависимости от стрессовой нагрузки (физической и психоэмоциональной). Цель исследования - определить влияние стресса в совокупности с отягчающим фактором - курением - на молодых мужчин и женщин в условиях различной солнечной активности. Методы Исследования проводили в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю. А., в них участвовали практически здоровые мужчины (14) и женщины (12), некурящие и курящие, в возрасте 18-20 лет, стаж курения не превышал 2-3 лет, количество выкуриваемых в день сигарет 10-20 штук. Отбор испытуемых добровольцев проводился по результатам психофизиологических тестов (опросник Русалова, опросник Менделевича-Яхина) [11, 14] и ЭКГ первого отведения. Мужчины и женщины с параметрами ЭКГ в пределах возрастной нормы [8] и нормативов, отражающих средний или выше среднего уровни выраженности личностных свойств, были разделены на две группы - курящих и некурящих - с равным количеством испытуемых. В работе использовали оригинальный датчик ЭКГ первого отведения из семейства «Фазаграф», который позволяет снимать сигнал с кистей рук обследуемого. Все участники проходили четырехкратную регистрацию параметров ЭКГ первого отведения: 1) в состоянии покоя - сидя ровно на стуле и держа датчик кистями рук на согнутых коленях; 2) после стресс-теста на компьютере, который представляет собой игру в шарики, регулярно меняющие цвета и скорость падения; 3) после физической нагрузки, которая создается выполнением физических упражнений (30 приседаний в течение одной минуты); 4) после десятиминутного отдыха. В качестве показателя уровня воздействия гелио-геофизических факторов на человека использовали Т-зубец на ЭКГ первого отведения. Обработку данного параметра проводили в фазовом пространстве координат, получая коэффициент симметрии Т-зубца [7, 13, 15]. Каждый кардиосигнал обрабатывался централизованно в режиме on-line в Институте проблем математических машин и систем НАН Украины (www.geliomed.kiev.ua). По каждой группе испытуемых для каждого из состояний: покоя, после физической нагрузки, после стресс-теста и минутного отдыха, производились расчеты среднего значения коэффициента симметрии Т-зубца: п 'У'Тт Т = ^-, (1) п где Т - среднее значение коэффициента симметрии Т-зубца, усл. ед.; Тт - коэффициент симметрии Т-зубца кардиограммы человека в одном из состояний, усл. ед.; n - количество человек в группе. Для каждой группы испытуемых определяли также показатели ДТ, и ДТ по формуле: физ. эмоц. т Г J _ 1\\ Ti-J\\ I АТ=^-, (2) _ п где ДТ - среднее значение изменения коэффициента симметрии Т-зубца, усл. ед.; Т - коэффициент сим 5 Окружающая среда Экология человека 2019.07 метрии Т-зубца кардиограммы человека в состоянии покоя, усл. ед.; Т. - коэффициент симметрии Т-зубца кардиограммы человека после физической нагрузки или после стресс-теста, усл. ед.; n - количество человек в группе. Изменение геомагнитной возмущенности оценивали по значениям Кр-индекса, которые были предоставлены Институтом космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН г. Якутска. Математическую обработку полученных данных проводили с использованием компьютерных программ Microsoft Office Excel и STATISTICA. В программе Excel рассчитано среднее арифметическое и стандартное отклонение средней величины. В программе STATISTICA определены центры группировки возможных значений случайной величины - выборочное среднее (математическое ожидание) для каждой выборки из генеральной совокупности, выборочная дисперсия и среднеквадратическое отклонение. Выполнена интервальная оценка статистик и определены доверительные интервалы с вероятностью 0,95 и относительно малой дисперсией. Проверку гипотезы о нормальном распределении проводили на основе критерия Хи-квадрат Пирсона. Уровни статистически значимой разницы между средними значениями выборок установлены с использованием t-критерия Стьюдента. Результаты Биофизический мониторинг состояния ССС практически здоровых мужчин и женщин, курящих и некурящих, проводился в течение четырех лет, весной и осенью, когда проявляется наибольшая солнечная активность. Испытуемые были разделены на четыре группы по двум признакам: пол и курение. Количество испытуемых в каждой группе было небольшое (6-7 человек), но длительные измерения (95 сут) одинаковых параметров у постоянных участников эксперимента позволили нам провести статистическую обработку длинных рядов данных с целью выявления значимых отличий реакции ССС на стрессовый фактор, отягощающий фактор (курение) и на изменение геомагнитной активности. В табл. 1 приведены результаты статистической обработки средних значений коэффициента симметрии Т-зубца на ЭКГ для групп курящих (Т1) и некурящих (Т2) мужчин и женщин, находящихся в состоянии покоя (Т ), после физической (Т. ) и _v пок.т V физ.7 эмоциональной (Тэмоц) нагрузок вне зависимости от солнечной активности. Чтобы доказать возможность сравнения исследуемых групп, отличающихся по заданным показателям (пол, курение, физическая нагрузка и психоэмоциональный стресс), необходимо было определить, подчиняются ли выборки закону нормального распределения. Для этого использовали критерий Хи-квадрат Пирсона (х2). Проверка нулевой гипотезы о нормальном распределении наблюдаемой Таблица 1 Данные статистической обработки средних значений коэффициента симметрии Т-зубца на ЭКГ для групп курящих (Т1) и некурящих(Т2) женщин и мужчин в состоянии покоя, после физической и эмоциональной нагрузок Статисти ческий показатель Тпок 1 Т 2 V1 Т 2 Тэмоц 1 Т 2 Женщины X 0,525 0,485 0,770a 0,671a 0,569b 0,507b а 0,119 0,109 0,166 0,150 0,161 0,101 а2 0,014 0,012 0,028 0,022 0,026 0,010 N 95 95 95 95 95 95 х2 16,102 23,561 22,446 20,475 23,935 19,122 Мужчины X 0,482 0,497 0,753 0,735 0,428c 0,611c а 0,110 0,144 0,198 0,225 0,121 0,185 а2 0,015 0,019 0,049 0,051 0,019 0,033 N 95 95 95 95 95 95 х2 20,651 22,123 23,655 24,112 21,175 21,692 Примечания: X - среднее арифметическое; а - стандартное отклонение; а2 - дисперсия; N - объем выборки; х2 - расчетное значение критерия Хи-квадрат Пирсона для выбранной теоретической функции распределения. Одинаковыми латинскими буквами (a,b,c) обозначены значения, значимо отличающиеся друг от друга (по t-критерию Стьюдента). величины по указанному критерию - это наиболее универсальный из всех используемых в статистике методов проверки соответствия результатов эксперимента рассматриваемой статистической модели. Условием его применения является объем выборки не менее 30. Метод основан на сравнении найденной величины х2 с критическим значением х2кр: если х2 < х2кр, то гипотеза о нормальности распределения принимается. Критическое значение Хи-квадрата Пирсона х2кр = 24,327 определили, исходя из заданного уровня значимости (р = 0,001) и значения r - число степеней свободы, которое для данного уровня значимости и объема выборки равно 7. Из данных табл. 1 видно, что для всех выборок х2 меньше критического х2кр, следовательно, исследуемые совокупности данных подчиняются закону нормального распределения. Это позволяет сравнивать средние значения определяемого параметра, полученные для разных групп испытуемых, между собой и определять значимость их отличий. Статистически значимые отличия обнаружены у курящих испытуемых относительно некурящих в показателях: Тфиз и Тэмоц - у женщин и Т - у мужчин. эмоц. J J Для выявления уровня воздействия солнечной активности на показатели ритмики сердца испытуемых были рассчитаны средние значения ДТфиз ДТэмоц (формула 2) по восьми группам, объединенным следующими признаками: 1) пол, 2) курение, 3) уровень геомагнитной возмущенности: Кр ^ 16 - магнитовозмущенные дни, Кр < 16 - невозмущенные дни (табл. 2). 6 Экология человека 2019.07 Окружающая среда _ Таблица 2 Данные статистической обработки параметров АТфю и АТэмоц полученных для групп курящих и некурящих женщин и мужчин в дни с различной геомагнитной активностью Ста- К„ > I6 К„ < I6 тисти- Курящие Некурящие Курящие Некурящие ческий пока- АГ АТ АТ, АТ АГ АТ АТ, АТ физ. физ. физ. физ. затель Женщины X 0,283a 0,167b'e 0,189a 0,048b 0,234с 0,087d’e 0,184 с 0,052d с 0,159 0,186 0,118 0,05 0,130 0,119 0,120 0,054 а 0,032 0,042 0,024 0,021 0,026 0,017 0,024 0,012 N 20 20 20 20 75 75 75 75 Мужчины X 0,116fh 0,076i 0,195f 0,144i 0,236B’h 0,091 0,174g 0,095 с 0,058 0,035 0,144 0,068 0,133 0,117 0,186 0,073 а 0,033 0,015 0,012 0,022 0,035 0,029 0,018 0,024 N 20 20 20 20 75 75 75 75 Примечания: X - среднее арифметическое; с - стандартное отклонение; а - доверительный интервал; N - объем выборки. *Одинаковыми латинскими буквами (a,b,c,d,e,f,g,h,i) обозначены значения, значимо отличающиеся друг от друга (по t-критерию Стьюдента). Доверительный интервал рассчитан для критического уровня значимости 0,05, объем выборки зависел от количества магнитовозмущенных и невозмущенных дней и составил 20 и 75 соответственно. Как видно из табл. 2, статистически значимые отличия (р < 0,05) обнаружены в показателях АТ. и АТ между ’ ’ rJ физ. эмоц. курящими и некурящими женщинами независимо от геомагнитной активности, только у курящих женщин - в показателях АТэмоц, рассчитанных для магнитовозмущенных и невозмущенных дней. Значимые отличия выявлены в показателях АТ, у физ. J курящих и некурящих мужчин независимо от уровня геомагнитной активности и только у курящих мужчин в зависимости от магнитной возмущенности. При повышенной геомагнитной активности значения АТ эмоц. значимо отличаются (р < 0,05) у курящих мужчин относительно некурящих, но значимых отличий данного показателя для каждой из групп в периоды с различной геомагнитной возмущенностью не обнаружено. Обсуждение результатов Известно, что вариации гелиогеофизических факторов воздействуют на функциональные системы организма человека, оказывая в большей степени биоритмотропные, диссинхронизирующие эффекты [5]. По мнению многих авторов, геомагнитные возмущения не вызывают специфических заболеваний, но из-за разбалансирования систем регуляции организма отягощают имеющиеся функциональные нарушения [1]. Для здорового человека геомагнитное воздействие несет слабый тренирующий адаптационный эффект и может вообще не ощущаться, так как не превышает адаптационных возможностей организма или может стать лишь причиной кратковременных расстройств [5]. В современном мире человек подвергается ежедневно стрессовым и экологически неблагоприятным воздействиям. Поэтому возникает вопрос, есть ли отличия в уровне восприятия геомагнитной активности людьми в условиях различной стрессовой нагрузки. Универсальным отражением реакции организма на любое воздействие со стороны внешней и внутренней среды является ритмика сердца, она содержит в себе информацию о функциональном состоянии всех звеньев регулирования жизнедеятельности человека, как в норме, так и при различных патологиях [17]. Поэтому нами проводился длительный мониторинг параметров ритмики сердца у постоянных групп испытуемых (мужчин и женщин, курящих и некурящих) в условиях эмоционального и физического стресса. Поскольку изучаемая система является эргодической, была проведена статистическая обработка измерений коэффициента симметрии Т-зубца (Т) по временным рядам, т. е. за весь срок эксперимента (95 суток). В результате анализа массива данных выявлено, что вне зависимости от уровня геомагнитной воз-мущенности все группы испытуемых в состоянии покоя имеют практически одинаковые значения показателя Тпок (см. табл. 1). Это свидетельствует о приблизительно одинаковом состоянии ритмики сердца испытуемых - практически здоровых молодых людей, некурящих или с небольшим стажем курения. Отмечено, что показатели Г и Т у группы ’ физ. эмоц. J rJ курящих женщин выше соответствующих показателей группы некурящих женщин на 14 и 12 % соответственно. Следовательно, физическая нагрузка и эмоциональный стресс приводят к значимому изменению ритмики сердца у курящих женщин. Не обнаружено статистически значимых отличий показателей Тфиз у групп курящих и некурящих мужчин (различия не превышают 3 %). Вероятно, это обусловлено молодым возрастом и хорошей физической подготовкой мужчин, что нивелирует влияние фактора курения на ритмику сердца. Статистически значимые отличия показателя Т зафиксированы после эмоциональной нагрузки, причем у группы курящих мужчин Тэмоц на 30 % ниже, чем у группы некурящих. Возможно, психоэмоциональный стресс у некурящих мужчин вызывает более выраженный отклик ССС, а курение из-за наркотического действия никотина снижает реакцию возбуждения. Рассчитаны средние значения изменения коэффициента симметрии Т-зубца после стресса относительно состояния покоя (АТфиз АТэмоц ) для всех групп испытуемых - курящих и некурящих женщин и мужчин - в зависимости от геомагнитной активности, которую оценивали по Кр-индексу. Кр-индекс - общепланетарный параметр, который показывает величину отклонения горизонтальной компоненты (Н-компоненты) магнитного поля Земли относительно своего положения в невозмущенном состоянии (http://www.forecast.izmiran.ru). Суточная величина Кр-индекса измеряется в относительных единицах. При значении индекса выше 16 наблюдается 7 Окружающая среда Экология человека 2019.07 умеренно и значительно возмущенный геомагнитный период, при К < 16 геомагнитная обстановка считается нормальной. На рисунке приведены в сравнении параметры ДТ. и ДТ , полученные для различных групп исфиз. эмоц. ’ J ^ L пытуемых. Из диаграмм видно, что данные показатели у групп некурящих женщин (рисунок а, столбцы 1 и 3) и некурящих мужчин (рисунок б, столбцы 1 и 3) не зависят от уровня геомагнитной возмущенности. Видимо, солнечная активность не влияет на ритмику сердца здоровых, молодых, некурящих людей, выполняющих физическую работу или находящихся в состоянии психоэмоционального стресса. 0,35 Д Т 0,3 0,25 0,2 0,15 ОД 0,05 О _0,3 АТ 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 О Средние значения изменения коэффициента симметрии Т-зубца на ЭКГ (ДТ, усл. ед.) после стрессовой нагрузки относительно состояния покоя у курящих и некурящих женщин (а) и мужчин (б), рассчитанные за весь срок эксперимента для дней с различным уровнем геомагнитной активности (Кр< 16 - спокойная геомагнитная обстановка, Кр > 16 - геомагнитная возмущенность). Виды стрессовой нагрузки: 1 - физическая нагрузка у некурящих испытуемых, 2 - физическая нагрузка у курящих испытуемых, 3 - эмоциональная нагрузка у некурящих испытуемых, 4 - эмоциональная нагрузка у курящих испытуемых. Отмечены 95 % доверительные интервалы У курящих женщин параметры ДТ, и ДТ физ. эмоц. значимо выше, чем у некурящих вне зависимости от геомагнитной активности (рисунок а, столбцы 2 и 4). В дни геомагнитной возмущенности указанные параметры значимо увеличиваются по сравнению с невозмущенным периодом. Особенно значительные изменения коэффициента симметрии Т-зубца - практически в 2 раза - обнаружены у данной группы испытуемых после стресс-теста. Следовательно, в дни геомагнитной возмущенности курящие женщины в состоянии стресса могут находиться в группе риска по заболеваниям ССС. Кр<16 Кр>16 □ 1 □ 2 *3 S84 а Из диаграммы (рисунок б, столбцы 2 и 4) видно, что реакция ССС у курящих мужчин на физическую нагрузку и стресс в магнитовозмущенный период отличается от таковой в невозмущенные дни. При повышенной геомагнитной активности (Кр > 16) у группы курящих мужчин наблюдается уменьшение параметров ДТ. и ДТ на 38 и 40 % соответфиз. эмоц. ственно по сравнению с группой некурящих мужчин и уменьшение в два раза параметра ДТфиз относительно периода с Кр < 16. Таким образом, для ССС курящих мужчин в дни с высокой солнечной активностью фактором риска становится физическая нагрузка. В дни геомагнитной возмущенности отмечен различный характер изменения ритмики сердца под воздействием нагрузки у курящих мужчин и женщин (рис. 1 а, б, Кр > 16). Обнаруженный нетипичный отклик ССС мужчин, на наш взгляд, подтверждает сделанное ранее заключение [3] о пониженной адаптационной способности курящих мужчин к геомагнитным возмущениям. Заключение 1. Проанализированы данные длительного биофизического мониторинга параметров ритмики сердца молодых здоровых мужчин и женщин, курящих и некурящих, и определено влияние стресса в совокупности с отягчающим фактором - курением - на испытуемых в условиях различной солнечной активности. 2. Выявлены отличия в ритмике сердца после физической и эмоциональной нагрузок у курящих испытуемых относительно некурящих независимо от геомагнитной обстановки. 3. Только у курящих испытуемых обнаружены значимые отличия в показателях изменения ритмики сердца под воздействием нагрузки в магнитовозмущенный период по сравнению с невозмущенным периодом. У курящих женщин наибольшие отличия зафиксированы после психоэмоционального стресса, у курящих мужчин - после физической нагрузки. Благодарности Авторы выражают глубокую благодарность ст. науч. сотр. Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН г. Якутска, канд. физ.-мат. наук С. Н. Самсонову за предоставление сведений о геомагнитной активности; в. науч. сотр. Института проблем математических машин и систем НАН Украины, г. Киев, канд. техн. наук В. В. Вишневскому за on-line обработку кардиосигналов. Авторство Отраднова М. И. внесла существенный вклад в получение, анализ и интерпретацию данных; Рогачева С. М. участвовала в анализе данных, существенно переработала статью на предмет важного интеллектуального содержания; окончательно утвердила присланную в редакцию рукопись; Жутов А. С. участвовал в экспериментальных исследованиях и проведении статистической обработки результатов с помощью Microsoft Office Excel; Козлитин А. М. провел статистический анализ результатов с использованием компьютерной программы STATISTICA. Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов.

About the authors

M. I Otradnova

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin

Email: risavalasava@yandex.ru
Saratov, Russia

S. M Rogacheva

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin

Saratov, Russia

A. S Zhutov

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin

Saratov, Russia

A. M Kozlitin

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin

Saratov, Russia

References

Supplementary files