ECOLOGO-PHYSIOLOGICAL APPROACH FOR ORGANISM FUNCTION’S ASSESSMENT OF WORKERS IN GEOLOGICAL PROSPECTING EXPEDITIONS DURING MERIDIAN MOVEMENT BETWEEN MIDDLE LATITUDES AND ARCTIC REGION

Abstract

Keywords

Введение. Несмотря на достаточно большое количество проведенных исследований и предлагаемых теорий по оценке влияния природно-климатических условий Арктического региона на человека, до настоящего времени остаются дискуссионными многие вопросы, касающиеся механизмов формирования особенностей реакции организма на воздействие неблагоприятных факторов высоких широт. Как правило, в абсолютном большинстве имеющихся литературных источников динамику разных физиологических функций связывают преимущественно с общим понятием – «суровые климатические условия» или влиянием отдельного показателя климата, в частности низких температур, изменения цикличности светового дня в полярный день и полярную ночь, повышенную флюктуацию содержания кислорода, показателей атмосферного давления и магнитного поля. При этом признается, что это влияние носит комплексный характер, а большой объем научной продукции, много дающей при решении прикладных задач, еще недостаточен для создания теоретической концепции физиологии современного человека в Арктическом регионе, который позволял бы объединить и объяснить с единых системных позиций воздействие на организм всех особенностей климато-географического характера окружающей среды [1, 2, 3, 4, 5].

Как результат, продолжают активно обсуждаться вопросы, касающиеся физиологических стандартов и принципов гомеостатического регулирования в условиях северных регионов. При этом особое место занимает начальный этап реакции организма на перемещение в высокие широты, обсуждение которого до настоящего времени остается во многом дискуссионным. В связи с этим поиски маркеров запуска компенсаторно-приспособительных механизмов и прогноз эффективности адаптационных процессов у человека в условиях Арктического региона остаются актуальными и требуют проведения дополнительных направленных исследований [6, 7, 8, 9].

Так, в настоящее время имеется устоявшееся мнение, что ритмичность физиологических процессов составляет фундамент организации живых систем. Специальными опытами в изоляции определено, что большинство физиологических ритмов человека имеет эндогенную природу. При этом, оставаясь эндогенными физиологические ритмы в реальных условиях жизнедеятельности организма всегда настраиваются по частоте и фазе соответствующими изменениями на воздействия условий внешней среды. Особая роль отводится естественному освещению, а время восхода и захода солнца воспринимается организмом как один из основных сигналов формирования его периодической деятельности. Однако реальная оценка взаимодействия структуры светового дня с другими метеофакторами и на этой основе комплексного воздействия на организм в системе «метеоритм-биоритм» является практически открытой [10, 11, 12, 13, 14].

Вместе с тем, раздел биоритмологии − хронофизиология меридиональных перемещений человека все еще находится в стадии становления. К настоящему времени предложен термин «сезонная десинхронизация» как состояние первичной реакции организма к условиям нового контрастного района при перелете по меридиану. Однако вопрос по основной компоненте – механизмам разобщения и последующей синхронизации суточных ритмов физиологических функций с внешними датчиками новых климатических условий остается недостаточно изученным. Последнее во многом определено ограниченной возможностью моделирования комплекса природных условий в лаборатории. Только при натуральном эксперименте в конкретном климато-географическом регионе можно получить сведения необходимые для решения поставленных задач.

В связи с этим основная цель настоящего исследования дать комплексную климато-физологическую оценку суточным колебаниям сезонной динамики метеофакторов и идентифицировать их влияние на ССС и психофизиологическое состояние работников геолого-разведочных экспедиций при производственных меридиональных перемещениях Тюмень (570 09` с.ш.) – п-ов Ямал (710 11` с.ш.).

Методы. Все вопросы, решение которых необходимо для достижения поставленной цели настоящего исследования были рассмотрены на модели вахты 2 типа у работников геолого-разведочных экспедиций с меридиональными перемещениями из климатической зоны г. Тюмени (57о07 с. ш., постоянное место жительства) на п-ов Ямал (71о11 с. ш., место производственной деятельности). Для расчета природно-климатического контраста регионов Западной Сибири на маршруте передвижения анализировались метеоданные и показатели геомагнитной активности по восьмикратным измерениям в течение суток на протяжении 12 месяцев за 11 лет по единой системе показателей метеостанций в Тюмени и на Харасавэе.

Для оценки функциональных показателей всего обследовано 115 мужчин геологоразведочной экспедиции в возрасте от 20 до 40 лет (медиана 28 лет) в условиях средних широт (исходные данные) и при производственном перемещении в Арктический регион. Комплексные исследования включали определение частоты сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), систолического (САД, мм рт.ст.), диастолического (ДАД, мм рт.ст.), среднединамического (СрАД, мм рт.ст.) и пульсового артериального давления (ПД, мм рт.ст.), а также анализ параметров ЭКГ в стандартных и однополюсных усиленных отведениях («ЭК1Т-04 Аксион», Россия) в первые три дня нахождения вахте. Регистрация первичных показателей проводилась 4 раза в сутки – в 00, 06, 12 и 18 часов.

Психофизиологические исследования включали определение личностной (ЛТ) и ситуативной тревожности (СТ) по тесту Спилбергера-Ханина с интерпретацией показателей: до 30 баллов − низкая; 31-44 балла − умеренная; 45 и более − высокая. Диагностика состояния стресса оценивалась по особенностям его регуляции (РСС)− степени самоконтроля и эмоциональной лабильности. Высокий уровень регуляции в стрессовых ситуациях 0-4 балла, умеренный уровень 5-7 баллов, слабый уровень 8-9 баллов [15].

Статистическую обработку полученных данных проводили с применением пакета прикладных программ Microsoft Office Excel и Statistica 26.0 с расчетом параметрического t-критерия Стьюдента при сравнении средних значений независимых выборок и непараметрических критериев (U-критерий Манна – Уитни, H-критерий Краскела – Уоллиса) для выявления различий в уровне и распределении изучаемых показателей. Для измерения силы между двумя переменными вычислялся коэффициент корреляции по Пирсону и Спирмену. При сравнении средних данных, а также проверке статистических гипотез критический уровень значимости (р) в работе принимался 0,05. Хронофизиологическая оценка метеофакторов и показателей сердечно-сосудистой системы (ССС) осуществлялась при помощи прикладных хронобиологических программ. На этой основе оценивались период, акрофаза, амплитуда ритма, мезор, а так-же спектральная плотность, мощность и фазовая структура суммарного ритма по каждому из показателей [16].

Результаты. На первом этапе была дана оценка суточной и сезонной динамике метеофакторов в начальном и конечном пункте перелета. В частности сопоставление структуры светового дня в условиях средних широт и Арктического региона показало его существенное различие. В условиях Тюмени минимальный световой день составил 6 часов 45 минут, максимальный 17 часов 46 минут, а характерной особенностью динамики светового дня в условиях Харасавэя является полярный день в весенне-летние месяцы (май, июнь, июль) и полярная ночь зимой (декабрь, январь). При этом, если в условиях средних широт прирост светового дня за полгода составил 5 часов 56 минут и носил ежесуточную поступательную динамику, то на уровне 710 с.ш. последний находился в пределах 12 часов и имел дискретный характер ежедневного увеличения, поскольку временной промежуток от полярной ночи до полярного дня был в пределах 4 месяцев. Это очень существенный момент, так как фазы суточных ритмов метеорологических показателей как правило достаточно остро реагируют на последовательность цикла «свет-темнота». В связи с этим представленные данные являются основой для более глубокой оценки разного влияния структуры светового дня на формирование сезонных и суточных метеоритмов, а отсюда и биоритмов человека на различных широтах.

Так в наших исследованиях было установлено, что общее количество основных климатических факторов, имеющих статистически значимый 24-х часовой ритм, в условиях средних широт на протяжении года составляет 84,7%, а в условиях Арктического региона (п-ов Ямал, 71011' с.ш.) только 38,9%. При этом наиболее существенное различие в соотношении 24-х часовых ритмов основных метеопоказателей между вышеуказанными регионами наблюдается в зимний период (табл.1).

При этом, было установлено, что наибольшая зависимость от фотопериодизма во все сезоны года имеет температура воздуха. В частности, результаты анализа измерения температуры воздуха показывают, что в условиях средних широт по сравнению с Арктическим регионом отмечается более высокая амплитуда суточной кривой во все месяцы года (табл.2). С учетом значимости действия температурного фактора на организм человека это может существенным образом влиять на формирование статистически значимой 24-х часовой периодики различных физиологических показателей, в частности ССС.

При этом спектральный анализ показателей температуры воздуха в зимний период выявил полифазный характер суточной ритмики в Арктическом регионе. Отсутствие статистически значимого 24-х часового ритма и появление 12-ти и 8-ми часовой периодики данного метеофактора преимущественно в осенний и зимний сезоны является существенным показателем дополнительной нагрузки на ритмологический статус физиологических функций человека в условиях высоких широт.

Также для оценки различий структуры статистического межрегионального распределения метеоэлементов необходимо использовать расчетную величину относительного контраста на определенную декаду или месяц, которая представляет собой разницу максимальных значений типичных величин конкретного параметра, нормированного на соответственно вычисленную величину (сигма) по предыдущему месту нахождения.

В наших исследованиях расчеты величин относительного контраста по температуре воздуха и другим метеопараметрам в разные сезоны года были выполнены для двух пунктов – г.Тюмень и пос. Харасавей (п-ов Ямал). Как следует из представленных данных, между этими пунктами по всем изучаемым метеорологическим показателям прослеживается выраженная контрастность на протяжении всего года (табл.3).

Таким образом, для правильной оценки состояния здоровья человека при производственных перемещениях из средних широт в Арктический регион, кроме знания абсолютных величин климатических факторов в соответствующих районах, необходима информация по величине их контраста, а также суточной и сезонной хроноструктуры. Четкое представление о динамике и территориальных климатических градиентов дает возможность использовать эти данные для более глубокой оценки начального включения компенсаторно-приспособительных механизмов и на этой основе проводить необходимую профилактику и коррекцию дизадаптационных нарушений, вызванных производственными перемещениями.

В связи с этим на следующем этапе была изучена региональная норма показателей кровообращения в условиях средних широт Западной Сибирь и их динамика при перемещении в Арктический регион. Полученные данные анализировались с учетом особенностей суточной структуры метеофакторов в различные сезоны года в каждом пункте. При этом необходимо отметить, что как в условиях средних широт (Тюмень), так и в Заполярье (Харасавэй) отмечалась достаточно четкая сезонная динамика показателей ССС. Вместе с тем по абсолютным показателям и амплитудно-фазовым характеристикам в пунктах перемещения имелись существенные различия (табл.4).

Так, в условиях средних широт на протяжении всего года внутрисистемная циркадианная организация функции ССС сохраняла статистически значимую 24-х часовую периодику по всем изучаемым показателям. Максимальные параметры артериального давления − мезор (САД, ДАД, СрАД, ПД) во все сезоны года приходились на дневные часы и сочетались с динамикой светового дня. По акрофазам, амплитудам и доверительным границам изучаемых показателей наибольшая синхронность функционирования ССС и связь с метеоритмами, в частности с суточной динамикой температуры воздуха, отмечалась в весенний и летний периоды года. Несколько в меньшей степени она была выражена зимой и осенью.

Оценивая сезонную динамику показателей ССС при перемещении в условия Арктического региона, необходимо отметить в сравнении с исходными данными повышение среднесуточных параметров ЧСС, САД, ДАД, СрАД в каждый сезон года (р < 0,05). Также установлена десинхронизация различной выраженности между внутрисистемными показателями на протяжении всего года. При этом, кроме весеннего периода отмечается отсутствие статистически значимого 24-х часового ритма ДАД, СрАД и ПД, что в свою очередь указывает на состояние напряжения. Подтверждение этого – снижение амплитуды суточных колебаний во все сезоны года по сравнению с исходными данными (табл.4).

В связи с этим установленный уровень межрегиональных различий показателей ССС определил необходимость дополнительной оценки общего состояния здоровья и, в частности уровня тревожности и регуляции состояния стресса. Показатели ЛТ, СТ и РСС у мужчин в различные сезоны года в условиях Тюмени (Т) и Харасавэя (Х) представлены в таблице 5.

Как в условиях Тюмени, так и Харасавэя была установлена выраженная сезонная динамика вышеуказанных показателей. Вместе с тем, по пунктам перемещения имелись достаточно существенные различия. В условиях Тюмени в целом показатели ЛТ, СТ и РСС во все сезоны года соответствовали умеренному уровню. Однако, в летний период года были установлены более низкие показатели ЛТ, СТ и РСС, а в зимний более высокие. В весенний и осенний периоды данные показатели занимали срединную позицию. При этом в целом превалировали лица с умеренным уровнем регуляции в стрессовых ситуациях (табл.5). Для данного уровня характерно адекватное поведение в стрессовых ситуациях, сохранение самообладания с незначительными проявлениями в редких случаях нарушения эмоционального равновесия.

Также полученные данные позволили установить достаточно тесную взаимосвязь степени напряжения организма с показателями ССС в каждый сезон года. В частности, расчет коэффициента корреляции определил среднюю положительную зависимость ЛТ, СТ и РСС с показателями систолическим и диастолическим АД на протяжении всего года (r= от 0,453 до 0,583). В связи с этим, сезонный уровень показателей ССС в условиях средних широт сочетался с соответствующим уровнем личностной и ситуативной тревожности, а также с показателями регуляции состояния стресса. Это уже на данном этапе проведенных исследований дает основание в полной мере говорить о том, что вышеуказанные параметры могут служить дополнительными маркерами реакции всего организма на условия окружающей среды.

На этой основе вышеуказанные показатели были изучены и проанализированы в сравнительном аспекте у лиц мужского пола при перемещении в условия Арктического региона (табл. 5). Так, показатели ЛТ, СТ и РСС во все сезоны года, кроме летнего при меридиональных перемещениях на п-ов Ямал соответствовали высокому уровню. Наибольшие значения были установлены зимой и наименьшие летом, а их уровень различия на протяжении всего года был статистически значим с исходными данными, полученными в условиях средних широт. При этом имелась «группа риска» (17,4 %), которую составляли лица со слабым уровнем регуляции в стрессовых ситуациях (РСС˃8 баллов). Для них характерно снижение самоконтроля в стрессовых ситуациях, что может приводить к формированию состояния хронического стресса и, как следствие, переутомлению и истощению адаптационных возможностей организма. Полученные данные позволили также установить достаточно тесную взаимосвязь РСС с показателями ССС, а также личностной и ситуативной тревожностью. В частности, расчет коэффициента корреляции определил сильную положительную зависимость СТ, ЛТ и РСС с ЧСС, САД и ДАД, во все сезоны года (rr= от 0,727 до 0,853).

Таким образом, смена климато-географических условий оказывает существенную нагрузку на организм работников геологоразведочных экспедиций, что проявляется в определенных сдвигах показателей общего гомеостаза и стрессреактивности. Последнее имеет важное значение, поскольку дает возможность направленной (системной) коррекции стресса с включением конкретных форм управления этим состоянием и их контролем, что в целом способствует сохранению здоровья.

Обсуждение результатов. Проживание в Арктическом регионе предъявляет достаточно жесткие требования к функциональным системам организма человека даже с учетом совершенствования индивидуальных и коллективных форм защиты, а также общей тенденции потепления климата на планете. В связи с этим поиски маркеров запуска компенсаторно-приспособительных механизмов и прогноз эффективности адаптационных процессов у человека в условиях северного региона остаются актуальными и требуют проведения дополнительных направленных исследований. Известно, что одной из составляющих здоровья человека является суточная ритмичность физиологических функций, их циркадианная 24-х часовая организация. Вместе с тем взаимосвязь функциональных показателей с особенностями суточной и сезонной динамикой климатических факторов окружающей среды и на этой основе формирование особенностей состояния организма в системе «метеоритмы-биоритмы» остается практически открытой [1, 7, 11, 13].

Как показали наши исследования наибольшее значение в установлении суточной и сезонной динамики климатических факторов на различных широтах имеет фотопериодика. Если в условиях средних широт Западной Сибири (57° с.ш.) на протяжении года имеют стабильный статистически достоверный 24-часовой ритм практически все метеофакторы, то в условиях Заполярья (Харасавой) в период полярной ночи наблюдается их полное отсутствие. При этом по сравнению со средними широтами установлено существенное различие в процентном соотношении количества синхронизирующей 24-часовой ритмики метеофакторов в течение года (соответственно 84,7% и 38,9%). Кроме того, амплитудно-фазовые характеристики суточных ритмов метео-факторов в условиях Харасавэя указывают на значительное абсолютное повышение среднесуточных показателей с выраженным снижением амплитуд 24-часовых колебаний по сравнению со средними широтами. В связи с этим для оценки различий структуры статистического распределения метеоэлементов необходимо учитывать расчетную величину относительного контраста, в дислокации начального и конечного пункта перемещений. В частности, по данным Ю.Г.Солонина и соавт. [17] перемещение даже на 10 в условия северного региона может существенно влиять на общее состояние организма.

Вместе с тем, несмотря на интенсивное развитие медицинской климатологии, проблема особенностей влияния климата и погод на организм здорового человека, а также изменение его состояния при переезде из одного контрастного района в другой остается актуальной. К настоящему времени предложены различные модели влияния климатических факторов на человека, прежде всего на его тепловое состояние. При этом следует подчеркнуть недостаточность разработанности методов комплексной оценки климатических условий, что не может быть тождественно только уравнениями теплового баланса живого организма [1, 5, 8].

В связи с этим особого внимания заслуживает вопрос о суточной и сезонной динамике физиологических функций в системе «метеоритмы-биоритмы». Так, одной из первых в компенсаторно-приспособительные реакции при воздействии неблагоприятных факторов окружающей среды включается ССС. Она отвечает увеличением своей функциональной активности, что обусловливает возможность начального формирования дизрегуляторных нарушений. При этом необходимо отметить, что выделение наиболее чувствительных маркеров расширяет возможности получения новых сведений для разработки критериев ранней диагностики нежелательных отклонений функций, их более глубокого анализа и предложения практических рекомендаций [8, 10, 18].

Для подтверждения выдвинутой гипотезы на следующем этапе была изучена региональная норма хронофизиологических показателей показателей кровообращения в условиях средних широт Западной Сибирь и их динамика при перемещении в Арктический регион. Полученные данные анализировались с учетом особенностей суточной структуры метеофакторов в различные сезоны года в каждом пункте. При этом необходимо отметить, что, наряду с достаточно четкой сезонной динамикой показателей ССС в условиях средних широт (Тюмень) и в Заполярье (Харасавэй), по абсолютным показателям и амплитудно-фазовым характеристикам имелись существенные межрегиональные различия.

При этом на протяжении всего года в условиях средних широт внутрисистемная циркадианная организация показателей функции ССС сохраняла статистически значимую 24-х часовую периодику. Максимальные параметры артериального давления − мезор САД, ДАД, СрАД, ПД во все сезоны года приходились на дневные часы и сочетались с динамикой светового дня и температурой воздуха. Вместе с тем, при оценке суточной динамики показателей ССС при перемещении на п-ов Ямал была установлена десинхронизация различной выраженности между внутрисистемными показателями. В соответствии с динамикой светового дня и температуры воздуха определено отсутствие статистически значимого 24-х часового ритма диастолического, среднединамического и пульсового давления в летний, осенний и зимний периоды года, а также снижение амплитуды суточных колебаний во все сезоны года по сравнению с исходными данными. Уплощение суточной кривой может служить компромиссной реакцией, обеспечивающей как экономизацию хронофизиологической перестройки, так и начального этапа формирования дизрегуляторных расстройств в условиях воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды [19].

В связи с этим установленный уровень отклонений показателей ССС определили необходимость дополнительной оценки общего состояния здоровья и в частности уровня тревожности и регуляции состояния стресса. Так одной из характерных особенностей человека является тревожность, объединяющая целый спектр психофизиологических свойств. Являясь чувствительным индикатором развития тенденций в формировании реакций каждого индивидуума на изменение факторов среды, повышенная тревожность тесно взаимосвязана с процессами саморегуляции в центральной и вегетативной нервной системы. При этом определенный уровень тревожности в норме свойствен всем людям и является необходимым для оптимального приспособления человека к окружающей действительности. Однако повышенная базовая тревожность может становиться причиной развития чрезмерной стресс-реакции и повреждений организма [12, 20].

Как в условиях Тюмени, так и Харасавэя была установлена выраженная сезонная динамика вышеуказанных показателей. Вместе с тем, по пунктам перемещения имелись существенные различия. В условиях Тюмени показатели ЛТ, СТ и РСС во все сезоны года соответствовали умеренному уровню, а при перемещении в условия Арктического региона соответствовали высокому уровню. Полученные данные позволили также установить достаточно тесную взаимосвязь РСС, личностной и ситуативной тревожностью с показателями ССС. Если в условиях Тюмени последние составляли среднюю корреляционную зависимость, то расчет коэффициента корреляции в условиях Арктического региона определил сильную положительную зависимость СТ, ЛТ и РСС с ЧСС, САД и ДАД во все сезоны года.

Таким образом, смена климато-географических условий оказывает достаточно большую нагрузку на организм работников геологоразведочных экспедиций, что проявляется в соответствующих сдвигах показателей общего гомеостаза и стрессреактивности. При этом оценить полностью роль многочисленных факторов, воздействующих на организм в Арктическом регионе достаточно сложно. В связи с этим квалифицированное решение данной проблемы с учетом возможностей современных научно-технических средств требуют систематических наблюдений за хронофизиологическим статусом здорового человека в системе «метеоритмы-биоритмы» и их отклонениями при перемещении в контрастные природно-климатических условиях в разные сезоны года. Установление специфики физиологических процессов во времени в различных экологических условиях является одним из выражений биологической целесообразности физиологической целостности организма и возможности эффективного мониторинга состояния здоровья человека.

Заключение. При меридиональных перемещениях из средних широт в условия Арктического региона начальный уровень отклонений (десинхроноз) показателей ССС и психофизиологическое состояние зависят от межрегионального климатического контраста и различий амплитудно-фазовых характеристик суточных ритмов метеорологических параметров исходного и конечного пунктов перелета. Установленная взаимосвязь в системе «метеоритмы-биоритмы» обосновывает необходимость разработки региональных норм хронофизиологических показателей здорового человека в конкретных природно-климатических условиях и динамическое наблюдение за их отклонениями при производственных перемещениях средние широты-Арктический регион в разные сезоны года для эффективного мониторинга дезадаптационных нарушений и прогноза возможного формирования патологии.

В связи с этим, полученные данные настоящего исследования с одной стороны расширяют наши представления о влиянии природно-климатических условий Арктического региона на функции организма, а с другой дают возможность установления закономерностей формирования компенсаторно-приспособительных реакций на начальном этапе при перемещении по меридиану и на этой основе разработки соответствующих подходов и технологий сбережения здоровья человека.