Рагульская Мария Валерьевна (ИЗМИРАН)

Одной из фундаментальных проблем современной солнечно-земной физики является выявление механизмов связи между активностью Солнца и функционированием различных объектов биосферы, включая человека всех уровнях биологической и социальной организации. Имеющиеся в литературе многочисленные данные о воздействии внешних полей на биологические объекты, разрозненны по научным специальностям, неоднозначно трактуемы и не имеют удовлетворительного теоретического объяснения, позволяющего создать адекватные математические модели рассматриваемых процессов. Вопрос о характере воздействия солнечной активности и полном наборе физических агентов, переносящих такое воздействие, также остается открытым. Большинство работ, посвященных адаптации организма человека к естественным полям, касаются двух крайних случаев: либо изучается проявление периодики солнечной активности в результатах медицинской статистики и статистики катастроф, либо рассматривается влияние внешних полей на очень здоровых людей, таких как космонавты и спортсмены. Основная масса работоспособного населения, представленная функционально здоровыми людьми, научными исследованиями не охвачена. Поэтому степень и общность влияния вариаций солнечной активности для активно работающего большинства общества, а также зависимость такого воздействия от фазы солнечного цикла и географической широты проживания, до сих пор не рассматривались. Требуется исследование нарушения адаптационных механизмов при воздействии вариаций солнечной активности, причем не только с помощью поисков традиционной линейной зависимости интенсивности реакции исследуемого объекта от амплитуды и частоты внешнего поля, но и путем рассмотрения более широкого круга вопросов, связанных с обеспечением устойчивости биологических систем и их стационарных состояний.

В рамках рассматриваемой проблемы в диссертационной работе решается задача системного изучения влияния внешних полей, связанных с вариациями солнечной активности, на разные уровни организации функционально здоровых людей (а именно: на отдельные органы и системы человека, на организм отдельного функционально здорового человека в целом, социально-организованные коллективы людей на различных географических широтах. Проводится определение степени общности и особенностей такого влияния, его последствий, выбор адекватной математической модели и выработка практических рекомендаций по предсказанию и нивелированию возможных отрицательных биоэффектов. При решении поставленной задачи организм человека в целом рассматривался в качестве “черного ящика”, а экспериментальные исследования устанавливали связь между входными (геофизическими) и выходными (биологическими) сигналами.

В теоретическом и экспериментальных планах целью диссертационной работы являлось:

1. Разработка методики измерения, позволяющей неинвазионным образом проводить длительные исследования состояния функционально здоровых людей при изменениях вариаций солнечной активности и других внешних факторов на различных широтах. Разработка методики обработки результатов, эффективно выявляющей как индивидуальную, так и коллективную реакцию обследуемых на вариации солнечной активности и другие внешние факторы.

2. Определение детерминирующих характеристик выходного сигнала и отбор биоэффективных внешних физических полей, действующих в качестве входного сигнала. Тестирование биоэффективности выбранных гелио- и геофизических агентов на текущих данных биофизического мониторинга ИЗМИРАН и сведениях медицинской статистики по сердечно-сосудистым заболеваниям.

3. Выявление достоверности связи между вариациями солнечной активности, изменениями геофизических полей с функциональным состоянием индивидуумов и коллективов людей.

4. Определение роли геофизических полей, связанных с вариациями солнечной активности, в рассматриваемых биологических процессах, а также выявление уникальности их воздействия. Выбор на основе полученных экспериментальных результатов адекватной модели функционирования организма человека при комплексном воздействии естественных внешних полей. Разработка практических рекомендаций для научно-исследовательской деятельности в рамках задач солнечно-земной физики, биофизики и врачебной практики.

В диссертационной работе обобщаются и анализируется результаты 7-летнего мониторингового эксперимента по изучению влияния внешней среды на функциональное состояние организма человека. Воспроизводимость результатов подтверждена одновременными наблюдениями в различных географических пунктах на группах с постоянным составом обследуемых. Общее число проведенных измерений – более 100 000; за время измерений произошло более 350 магнитных бурь различной интенсивности с общим числом магнитовозмущенных дней – более 600 (по данным ИЗМИРАН). Достоверно и воспроизводимо доказано существование статистически неслучайной реакции организма функционально здорового человека на вариации солнечной активности и ведущая роль солнечно-земных взаимодействий в формировании экзогенных ритмов организма. Выявлены зависимость биоэффективности воздействия геофизических полей на человека от текущего состояния организма и совокупного влияния внешних факторов, а также особенности протекания краткосрочных и долгосрочных процессов адаптации в зависимости от изменения параметров солнечной и геомагнитной активности. Выявлено существование широтного, временного, амплитудного, триггерного и кумулятивного эффектов воздействия вариаций солнечной активности на организм функционально здорового человека. Показано, что наблюдаемому комплексу экспериментальных эффектов соответствует модель вынужденных переходов биосистемы между фазовыми состояниями, с запаздыванием и различными временами релаксации. Обосновано, что при построении общей модели функционирования биологических систем под воздействием естественных внешних факторов, необходимо учитывать не только эндогенную и экзогенную ритмику, но и накопление эффектов, связанных с синергетической перестройкой внутри самой биосистемы. Рассмотрена проблема существования конечного горизонта прогноза поведения биологических систем. Показана принципиальная невозможность предсказания поведения биосистем при воздействии геофизических полей на 100-% интервале времени.

Научная ценность работы состоит в том, что благодаря разработанным методикам наблюдения, теоретическому многофакторному анализу, а также созданной базе экспериментальных данных, полученных одновременно в различных географических пунктах, появилась возможность однозначного положительного ответа на вопрос: “Воздействуют ли вариации солнечной активности на организм человека, и насколько всеобщим является такое воздействие?”. Выяснено, что воздействие всех исследованных геофизических факторов, связанных с вариациями солнечной активности, вызывает воспроизводимую стресс-реакцию адаптационного типа, наиболее полным образом проявляющуюся у функционально здоровых людей. Выявлена как индивидуальная, так и коллективная реакция, причем эта реакция носит триггерный характер, зависит от индивидуальных адаптационных особенностей обследуемых и географической широты проведения эксперимента. Показано, что для функционально здоровых людей резкие вариации геофизических факторов, обусловленные вариациями солнечной активности, играют тренирующую и синхронизирующую роль. Проведенный спектральный и кросс- корреляционный анализ выявил совпадение всех основных периодов как индивидуальных, так и коллективных биологических параметров на разных широтах, что является доказательством существования глобальных регулирующих факторов внешней среды. Найдено совпадение основных периодов реанимационных случаев с периодикой данных мониторингового биофизического эксперимента ИЗМИРАН и периодами вариаций атмосферного давления, ростом геомагнитной активности и увеличением числа солнечных пятен. Обосновано, что при воздействии геофизических полей, связанных в вариациями солнечной активности, биологические системы необходимо рассматривать как нелинейные открытые системы со всеми присущими таким системам свойствами детерминированного хаоса. Это предполагает пересмотр существующего в настоящее время методологического подхода поиска линейных корреляций между рассматриваемыми явлениями в пользу поиска количества и свойств устойчивых фазовых состояний биологической системы под различными внешними воздействиями.

Практическую ценность работы определяет разработка методологических рекомендаций по технологии оптимального поведения во время резких изменений факторов внешней среды и солнечной активности для людей с различными адаптационными возможностями, выявлению “групп риска”, адресным мерам медицинской профилактики. Произведена отладка в полевых условиях информационной технологии и мобильного приборного комплекса для биофизических исследований, позволяющих проводить телекоммуникационный анализ психофизиологического состояния человека в зависимости от внешних воздействий. Разработана методика выявления адаптационно устойчивых к вариациям солнечной активности и воздействию магнитных бурь людей при отборе операторов экстремальных профессий, таких как летчики, спасатели и т. п. Результаты исследований могут быть использованы в разработке концепций долгосрочных и краткосрочных прогнозов негативных влияний “космической погоды” на биологические объекты, в медицине, экологии и психофизиологии.

• IUGG 99 XXII General Assembly. Birmingham, UK. July 19-26, 1999
• 2 International conference “Electromagnetic fields and human Health”, 1999
• EGS, , Managing Editor: A.K. Richter 2001
• 10^th Jubilee National Conference with International Participation “Contemporary Problems of Solar-Terrestrial Influences”, Bulgary, Sofia, Nov.2003

• IUGG-2003, Sapporo, Japan, July 2003

• “Солнечная активность и внутреннее строение Солнца” ,2001 г., Крым, п. Научный

• VII Симпозиум по Солнечно-Земной физике России и стран СНГ,1998 г., ИЗМИРАН

• Международный семинар “Космическая экология и ноосфера”. Октябрь 1999, Партенит

• Международная молодежная конференции “Геофизика-99”, 2001, С.-Петербург

• Ежегодный Апатитский семинар “Физика авроральных явлений” 2000, 2003, 2005 гг

• Интернациональный Крымский семинар “Космос и биосфера”, Партенит, 2001, 2003, 2005 гг

• "Международное сотрудничество в области астрономии: состояние и перспективы", Москва, 25мая-2 июня 2002

• Междисциплинарный семинар “Биологические эффекты солнечной активности”, Пущино, апрель 2004г

• Конференция стран СНГ и Прибалтики ”Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности”, Нижний Новгород, 2-7 июня 2003

• “Солнце и Космическая погода”. КРАО, Симферополь, июнь 2003

• “Солнечная активность как фактор космической погоды”, июль 2005, Пулково

1. Разработана методика проведения и обработки данных мониторингового эксперимента по изучению влияния вариаций солнечной активности и геофизических полей на организм функционально здорового человека. Создана база данных (порядка 100 000 измерений на фоне более чем 350 магнитных бурь и 600 магнитовозмущенных дней).

2. Доказана неслучайность совпадений биофизических и геомагнитных событий на уровне статистической значимости 0,01. Сдвиг рядов данных относительно друг друга на 1 сутки (0,3 % от длины временного ряда) приводит к потере статистической взаимосвязанности геофизических и биологических процессов.

3. Показано, что реакция на одиночные магнитные бури имеет 3- фазную форму (синхронизация, десинхроноз и фаза релаксации); не зависит от пола и возраста обследуемых; проявляется на индивидуальном и коллективном уровне. Выявлено существование широтного, временного, амплитудного, триггерного и кумулятивного эффектов воздействия вариаций солнечной активности на организм функционально здорового человека.

4. Установлено присутствие в спектрограмме медицинской статистики числа инфарктов, инсультов и смертей по отделению интенсивной терапии ЦКБ №3 г. Москвы за 1998-1999 гг.. и в данных одновременного мониторинга ИЗМИРАН больше половины периодов, выделяемых в изменении локального А- индекса и выраженного 27 –дневный периода, совпадающий с периодом вращения Солнца.

5. Методами спектрального и кросс -корреляционного анализа биофизических данных в различных городах выявлено совпадение всех основных периодов спектрограмм индивидуальных и коллективных биологических параметров, что является доказательством существования общепланетарного регулирующего параметра внешней среды. Найдено совпадение этих периодов с периодами вариаций атмосферного давления и роста геомагнитной активности, увеличения числа солнечных пятен. Все эти явления связаны между собой с коэффициентами корреляции 0,6-0,7 и являются следствием вариаций солнечной активности, что позволяет закрепить роль “агента внешнего влияния” именно за вариациями активности Солнца.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель и задачи исследований, приводятся сведения про связь работы с научно-практическими программами, освещается научная новизна и практическое значение полученных результатов.

Первая глава диссертационной работы содержит анализ современного понимания проблемы пространственно-временной организованности биосферы. В связи с междиссциплинарностью рассматриваемой проблемы, в Главе 1 дано краткое описание основных методик и понятийного аппарата более 10 научных специализаций (таких как солнечно-земная физика, радиофизика, адаптология человека, хронобиология, биофизика и физиология), используемых в дальнейшем в описании экспериментальных результатов диссертационной работы. Для понимания возможных источников, связей и закономерностей в системе “Космос – Вариации естественных полей оболочек земли - Техногенные факторы - Социум – Человек – Клетка” необходимо последовательно рассмотреть каждую из ее составляющих и выстроить совокупность связей между ними. Однако, рассматриваемая система столь сложна и нелинейна, и изобилует таким количеством взаимосвязей, что до сих пор неизвестны досконально ни процессы взаимодействия солнечного корпускулярно - волнового излучения с Землей, ни основной действующий агент, оказывающий влияние на биосферу и социальные процессы, ни органы, ответственные у живых организмов за связь их внутренней ритмики с ритмами внешней среды, ни технология взаимодействия на клеточном уровне различных типов излучения (как естественного, так и техногенного) с биологическими объектами. Статьи, касающиеся проблемы воздействия естественных полей на биосистемы, в основной массе весьма разрозненны по научным специальностям, излагают неоднозначно трактуемые экспериментальные результаты и не имеют удовлетворительного теоретического объяснения. Остается открытым и вопрос, носят ли вышеуказанные проблемы принципиальный характер или являются следствием некачественно проведенных исследований и отсутствия эффективных методологических подходов к обработке данной. Наряду с этим, существует немало интересных и методологически грамотно построенных научных исследований, которые будут отмечены ниже. Выраженная междиссциплинарность исследований привела к тому, что в настоящее время значительную системообразующую научную роль играют постоянные семинары и конференции, такие как конференция “Космос и биосфера” (Партенит), пущинские семинары и семинар ИКИ, на которых представители различных направлений могут регулярно обсуждать текущее развитие этой области знания. Нужно отметить, что физика солнечно –земных связей является сейчас, пожалуй, самой “неколлективной” областью физики, в которой в полной мере проявляется личность авторов исследований и научный “background” их изначальных специализаций. В связи с этим имеет смысл говорить не об отдельных статьях, а о циклах работ того или иного автора, посвященного данной тематике. Хочется отметить циклы работ Б.М. Владимирского, Г.С. Иванова –Холодного, Л.П. Агуловой, Н.А. Агаджаняна, С.И. Аксенова, Н.К. Белишевой, О.В. Бецкого, В.С. Бинги, Т.К. Бреус, Ю.В. Гуляеева, Ю.И. Гурфинкеля, Э.Э. Годика, М.Б. Голанта, Ю.П. Горго, Н.Д. Девяткова ,С.Л. Загускина, А.А. Конрадова, А.Г. Колесник, Х.Д. Канониди, В.С. Мартынюка, В.В. Лебедева, В.В. Любимова, Н.А. Темурьянц, О.В. Хабаровой, Н.И. Хорсевой, С.И. Черноуса.

Глава 2 диссертационной работы посвящена описанию использованных в данной работе методик и приборов, позволивших провести мониторинг воздействия внешних полей на организм человека, а также рассмотрению технических требований к приборной базе экспериментов такого класса. При проведении биофизического мониторинга, проведении модельных экспериментов над активно функционирующими живыми организмами или регистрации их параметров при изменении факторов внешней среды. Для снижения зашумленности данных посторонними факторами, измерения должны носить длительный характер. Это накладывает дополнительные ограничения для выбора методики измерений, так как она не должна оказывать влияние на людей при ежедневном многолетнем использовании на одном и том же человеке. Более того, регистрация должна проводится в очень сжатые период времени для обследования каждого члена группы в одном и том же функциональном состоянии, а всей группы в целом - в одно и то же время суток (для исключения суточной ритмики). Особые требования предъявляются также к обработке данных: должны быть учтены эффекты, возникающие при различной длительности рядов и их возможной неполноты. Для выявления формы и общности реакции массовой реакции функционально здоровых людей при вариациях солнечной активности необходимо было провести эксперимент, который соединял бы в себе ежедневность измерений с единством места, времени и условий их проведения, причем на одних и тех же обследуемых в течении длительного промежутка времени (для нивелирования личностных факторов), и желательно – в разноширотных географических пунктах. Тогда единственное, что будет влиять на конечные результаты - это изменение параметров внешней среды.

• ежедневные измерения параметров 1-го отведения электрокардиограммы,

• вариабельности сердечных сокращений, построение фазовых портретов эталонного кардиоцикла ( компьютерный комплекс “Фазаграф-М”),

• артериального давления и пульса,

• электрической проводимости биологически активных точек на коже человека,

• построение фазовых портретов эталонного кардиоцикла (компьютерный комплекс “Фазаграф-М”),

• оценка субъективного состояния.

В диссертации полученные временные ряды сравниваются с ежедневными значениями числами Вольфа (W), атмосферного давления (Р), индексов, характеризующего возмущенность геомагнитного поля (А) и космических лучей. В качестве характеристических параметров использовались безразмерные величины средних индивидуальных и коллективных отклонений физиологических параметров по постоянной группе обследуемых, а также угол наклона фазовых кардиопортретов. Полученные ряды данных о психофизиологическом состоянии обследуемого в дальнейшем обрабатываются по одной и той же методике усреднения по пространству и времени, что дает возможность увеличить соотношение сигнал/шум за счет обнуления случайных выбросов параметра и позволяет сравнивать между собой данные различных экспериментов.

Следует особо отметить, что именно в эксперименте ИЗМИРАН впервые разработана мониторинговая методика исследования функционального состояния человека при различных внешних воздействиях по изучению электрической проводимости биологически активных точек и матриц самокорреляции внутренних органов. Эффективность методики построения эталонных кардиоциклов в фазовом пространстве с помощью компьютерного комплекса “Фазаграф” при исследовании воздействий естественных внешних полей на кардиосистему человека впервые применены для решения биофизических задач именно в мониторинговом эксперименте ИЗМИРАН.

Для характеристики “коллективной” реакции ежедневно тестируемой группы людей сформируем ряд D. Члены ряда обозначим как :

Будем называть средним отклонением за день по всей группе обследуемых. Введение этого параметра позволяет сглаживать индивидуальные особенности реакции и флуктуации средних значений каждого обследуемого, выявляя при этом массовость наблюдаемых эффектов и коллективные закономерности. Проведенное таким образом усреднение (по времени измерения и всем объектам измерения) увеличить соотношение “сигнал –шум”, что приводит к более выраженному выделению именно коллективной реакции на вариации параметров внешней среды. Нижняя временная граница длительности обрабатываемых временные рядов определялась в 2 месяца (для уменьшения статистической ошибки), верхняя – в 1 год (для выполнения условия эргодичности). На выбранных временных интервалах постоянство состава группы сохранялось во всех экспериментах. Возрастной состав основной группы обследуемых (ИЗМИРАН) варьировался от 30 до 85 лет, половой состав – 40% мужчин и 60% женщин. Возрастной состав групп в Санкт-Петербурге и Одессе напротив перекрывал диапазон от 18 до 30 лет с соотношением 60% мужчин на 40% женщин, остальные города представляли собой смесь этих двух вариантов (в результате мониторинга выяснилось, что для функционально здоровых людей эти параметры не вносят существенный вклад в качественные закономерности наблюдаемых явлений, поэтому в дальнейшем более детального разделения не проводилось).

На каждой стадии эксперимента проводилось построение спектров: для индивидуальных рядов данных, для коллективного параметра, для различных географических пунктов. Для выявления планетарного характера наблюдаемых эффектов были проведены одновременные измерения по единому протоколу в городах, расположенных в интервале 38° -60° с.ш. (Москва, Санкт –Петербург, Киев, Одесса, Симферополь, Неаполь). Для исключения субъективной интерпретации результатов эксперимента данными между городами проводился в необработанном виде и не чаще 1 раз в 2 месяца.

1. Выбор в качестве основного объекта исследования функционально здорового человека. До сих пор эта наиболее массовая часть населения оказывалась вне зоны научного рассмотрения с точки зрения физики солнечно –земных связей. В целях максимального обобщения результатов мониторинга, функционально здоровым считался человек, выходящий на работу и адекватно выполняющий свои профессиональные обязанности.

2. Изучение выбранного биообъекта одновременно на нескольких уровнях организации (отдельный орган – организм в целом – социально-организованный коллектив людей).

3. Фиксирование выбранного объекта и проведение длительного ежедневного мониторинга психофизиологических параметров постоянной группы обследуемых.

4. Проведение одновременного биофизического мониторинга в разноширотных пунктах (по единой методике и на единой приборной базе) для нивелирования местных особенностей и доказательства планетарного характера наблюдаемых эффектов.

5. Изучение выбранного объекта при совокупном воздействии провоцирующей физической /психологической нагрузки и вариаций гелио – и геофизических полей.

6. Пионерское использование и разработка неразрушающих методов и приборов для проведения длительного биофизического мониторинга с постоянными объектами исследования.

7. Оригинальная методика работы усредненными биофизическими данными для увеличения соотношения (полезный сигнал/ шум) за счет обнуления случайных выбросов параметра, что позволило сравнивать между собой результаты различных экспериментов.

В Главе 3 диссертационной работы изложены основные результаты мониторингового эксперимента по изучению физических механизмов воздействия естественных электромагнитных полей на организм человека в целом, на работоспособность коллективов и социальную организацию общества.

Факт проявления этих фаз не зависит от пола, возраста и состояния здоровья обследуемого, в то время как амплитуда, фаза и время релаксации – индивидуальны. Степень процессов синхронизации и десинхронизации определяется адаптационными особенностями обследуемого и степенью изношенности отдельных "проблемных" органов. В зависимости от особенностей организма конкретного человека в различные моменты его существования предпочтительным действующим агентом внешней среды является какой-то один из перечисленного комплекса. Однако это “предпочтение” меняется в зависимости от текущего психофизиологического состояния человека и его адаптационных резервов. Несмотря на то, что для большинства обследуемых связь временного хода параметров с невозмущенным геомагнитным полем не прослеживается ( при значениях A – индекса от 5 до 20), встречаются отдельные обследуемые (10% от общего числа) с высоким коэффициентом корреляции » 0.8. В случае длительного отсутствия магнитных бурь (более 1-1,5 месяцев, например в 1998-1999 годах) объективные и субъективные оценки функционального состояния этих обследуемых ухудшаются. Можно предположить, что для них геомагнитное поле - постоянный внешний синхронизатор.

Введено понятие индивидуальной матрицы самокорреляции, как совокупности индивидуальных коэффициентов корреляции внутренних органов отдельного человека. Коэффициенты взаимной корреляции сохраняются постоянными длительное время (около двух-трех месяцев) и являются как бы индивидуальным портретом обследуемого. Оптимальное функционирование человеческого организма характеризуется значениями среднего по всей матрице коэффициента корреляции около 0,6. Распределение по месяцам процентного количества обследуемых с соответственно высоким, средним и низким усредненным коэффициентом корреляции имеет выраженную полугодовую зависимость с выраженными максимумами в марте-апреле и сентябре-октябре. Полученные групповые результаты обобщены на уровень социума. Высказано предположение, что механизм глобального влияния вариаций солнечной активности на социальные процессы, творческую активность, криминогенную обстановку, число авиа- и автокатастроф, периодику числа самоубийств обусловлен интегральным эффектом активизации симпато -адреналовой системы у большинства членов человеческой популяции в максимумах солнечной активности и во время изолированных магнитных бурь в минимуме активности Солнца.

Триггерный эффект. Реакция организма человека при воздействии естественных внешних полей носит триггерный характер. При этом амплитуда физиологических реакций при резких изменениях геофизических полей практически не зависит от увеличения амплитуды внешних полей, а определяется внутренними характеристиками биосистемы. Более того, геофизические поля и вариации солнечной активности не являются уникальными по воздействию на организм человека. Такие же форма и фазы реакции наблюдаются при астматических приступах, завышенной психической и физической нагрузках, состоянии опьянения (активизация, похмелье, релаксация) или сексуального возбуждения, состоянии функционального напряжения.

Широтный эффект. Проведенные одновременно эксперименты на различных широтах показали совпадение (в пределах суток) вариаций измеряемых физиологических параметров, c коэффициентами корреляции между рядами данных 0,7 на уровне значимости 0,01. Зафиксированная реакция является массовой, повсеместной, и сохраняет свои характеристики при изменении объекта изучения от отдельного органа человека до социально-организованных коллективов. При увеличении геофизической широты места проведения эксперимента возрастает процентное содержание реагирующих обследуемых (от 50-60% в Одессе и Киеве до 90% в Санкт-Петербурге) и в 1,4 раза увеличивается амплитуда реакции.

Временной эффект. При анализе длительных (годовых) рядов наблюдений выявлена тенденция увеличения среднемесячных значений индивидуальной нормы по всем физиологическим показателям у большинства обследуемым в период нарастания и максимума солнечной активности (1998-1999 гг и 2000-2002гг соответственно), и тенденция уменьшения среднемесячных значений индивидуальной нормы на фазе спада солнечной активности (2003 –2005 гг). Этот эффект отражает интегральное влияние вариаций солнечной активности на организм человека и биосферу, и скорее всего обусловлен особенностями протекания процессов адаптации под длительным слабым внешним воздействием, а не качественным различием магнитных бурь в разных фазах активности Солнца

Кумулятивный эффект. Проведенные эксперименты показали, существование синергетического кумулятивного эффекта: влияние внешних факторов усиливается при их одновременном воздействии, оказываясь эффективным, даже если амплитуда каждого из внешних факторов по отдельности слишком мала для начала стресс- реакции организма. Амплитудный эффект. Существует “коридор интенсивности” биоэффективности магнитных бурь, т.к. реакция обследуемых отсутствует при значениях А-индекса ниже и выше определенных значений. Все сверхинтенсивные магнитные бури за период наблюдений (с локальным A-индексом порядка 100) не сопровождались массовой реакцией обследуемых. Бури, во временной окрестности которых наблюдалась выраженная реакция более 50% обследуемых, характеризовались значениями А-индекса от 20 до 80-90. Существование “амплитудного” окна свидетельствует о реализации параметрических свойств рассматриваемой биосистемы при воздействии естественных внешних полей. Исходя того, что закономерности поведения всех параметрических систем едины, можно с уверенностью предсказать (в дополнение к “амплитудным окнам”) существование “частотных окон” биоэффективности геофизических полей. До сих пор такие амплитудно –частотные окна наблюдались только в экспериментах по воздействию техногенных полей на различные биологические объекты.

3. Показано, что при применении разработанной методики обработки к данным медицинской статистики числа инфарктов, инсультов и смертей по отделению интенсивной терапии ЦКБ №3 г. Москвы за 1998-1999 гг.., в спектрограмме присутствуют больше половины периодов, выделяемых в изменении локального А- индекса и выраженный 27 –дневный период, совпадающий с периодом вращения Солнца. Эти периоды проявляются и в одновременных данных мониторинга ИЗМИРАН (Рисунок 3).

5. Получено совпадение всех основных периодов в спектрограммах “коллективного отклонения” функциональных параметров в разноширотных городах (Таблица 1). Это означает, что существуют общепланетарные внешние факторы, управляющие экзогенными ритмами организма человека. Такими факторами могут служить только вариации естественных внешних полей (магнитосферы, ионосферы и атмосферы), вызванные в свою очередь в конечном

3. Результаты изучения морфологических параметров ЭКГ сердца функционально здоровых людей показали, что в магнитовозмущенные дни наблюдается аритмия, 2-3кратное возрастание коэффициента симметрии Т-зубца после проведения стресс -теста, изменение динамики выхода из состояния недозируемой физической нагрузки, централизация управления организмом. Наиболее подверженными влиянию магнитных бурь оказываются мужчины, женщины демонстрируют преобладание эндогенных ритмов. Воздействие резких вариаций естественных полей на организм человека приводит к изменению угла наклона фазовых портретов обследуемых, индивидуального состояния обследуемого, определяется только внутренним психофизиологическим складом данного человека и имеет характерную для данного индивидуума форму в фазовом пространстве. Проведенные экспериментальные исследования свидетельствуют, что характерная форма эталонного кардиоцикла в фазовом пространстве сохранялась у этих обследуемых не только в приведенные на рисунке моменты времени, но и во время всего 2 летнего цикла ежедневных измерений. Все психические и физиологические изменения организма в норме укладываются в ограниченную устойчивую область фазовых параметров. Изменение угла наклона оси фазового портрета больше чем на 3s означают переход в новое динамическое состояние с другим уровнем гомеореза. Именно такие переходы и наблюдаются у участников эксперимента при совместном воздействии магнитной бури и дополнительной психофизиологической нагрузки (Таблица 2). Для здоровых людей переходы, вызванные солнечной активностью и магнитными бурями – неустойчивы, через 1-2 суток система возвращается в основное устойчивое состояние. Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что в отличие от других исследований, в эксперименте ИЗМИРАН воспроизводимая реакция кардиосистемы функционально здоровых обследуемых на магнитные бури наблюдалась только при ведении внешней дополнительной психо-эмоциональной, физической или техногенной нагрузки. Это свидетельствует о уменьшении устойчивости организма при сочетанном внешнем воздействии, и является дополнительным доказательством эффективности вариаций геомагнитного поля в роли одного из управляющих параметров синергетических перестроек биосистемы. Индивидуальный критический уровень дополнительной внешней нагрузки может быть использован при отборе операторов экстремальных профессий и в текущей медицинской практике.

Однако, многофакторный анализ биоэффективных внешних полей показал, что биологически эффективны не только вспышки и магнитные бури, но и возмущения, пришедшие к Земле, но не вызвавшие развитие магнитных бурь. На Рисунке 4 приведены характеристики внешних параметров околоземной и наземной внешней среды для одного из случаев, когда геомагнитные обстановка считалась спокойной, и тем не менее разброс биологических параметров вышел за пределы 3s . Видно наличие возмущения в околоземном пространстве и приход ударной волны к Земле, не повлекший за собой дальнейшего развития магнитной бури, но повлекшего выраженную коллективную реакцию обследуемых.

Адекватной моделью, описывающей экспериментально наблюдаемый комплекс эффектов, может служить модель вынужденных переходов биосистемы между фазовыми состояниями, с запаздыванием и различными временами релаксации. При различных значениях параметров, поведение такой системы будет меняться от автоколебательного до квазистохастического (Рисунок 5). Наличие по крайней мере двух устойчивых состояний является минимально необходимым для реализации адаптации и построения упрощенной адекватной математической модели. При этом реальное количество устойчивых состояний - не менее пяти (уровень индивидуальной нормы, уровень адаптации, уровень хронического заболевания с преобладающей фазой десинхронизации, критический уровень инфарктов –инсультов, уровень необратимых летальных изменений), из которых для функционально здоровых людей в основном реализуются первые два. Доскональное математическое описание происходящих при этом процессов имеет в основном биологическую направленность и не входят в задачи представляемой диссертации по специальности “Физика Солнца”.

Глава 4 посвящена обсуждению полученных данных, исходя из основных принципов физического, экологического и биологического подходов, в ней также сделана попытка обобщающего синергетического анализа результатов, основных сложностей и методических ограничений исследований поведения нелинейных открытых биологических систем под воздействием естественных внешних полей.

С одной стороны, мониторинговыми одновременными экспериментами в разноширотных городах показано, что экзогенная многосуточная ритмика организма человека определяется влиянием только естественных общепланетарных внешних факторов. Просматривается следующая цепочка: солнечная активность, обусловленная изменениями магнитного поля Солнца, влияет на ионосферу и динамику атмосферы, а также через низкочастотные магнитосферные осцилляции непосредственно на биологические объекты. С другой стороны следует отметить, что совокупность экспериментальных данных, полученных разными методами, не укладывается в рамки линейных статистических корреляций, обычно используемых для описания явлений в области биофизики слабых воздействий, поэтому требуются новый методологический подход к данной проблеме. При рассмотрении конкретных биологических систем, находящихся под слабым внешним воздействием, правильнее было бы искать не закономерность изменения амплитуды параметров во времени, а производить экспериментальное исследование и модельный расчет наличия или отсутствия устойчивых состояний системы, и их количества. В общем случае поведение нелинейной открытой детерминированной системы определяется симбиозом динамики, предопределенности и случайности, что подтверждается экспериментальными данными, положенными в основу диссертационной работы. Таким образом, при рассмотрении биологических систем необходимо учитывать комбинаторный характер наблюдаемых эффектов, и рассматривать наряду (а не вместо!) с экзогенной и эндогенной ритмикой существенную роль флуктуационных и шумовых эффектов. В работе обоснована детерминированная конечность горизонта прогноза применительно к биологическим системам, находящимся под слабым (непороговым) внешним воздействием. Показано, что оптимальные предсказательные математические модели будут работать в двух предельных приближениях:

Говорить о локально точных прогнозах на длительный период (например, о прогнозах на несколько месяцев с временным шагом 1 день) принципиально нельзя.

Таким образом, поставленные теоретические и экспериментальные цели исследования решены полностью, а именно:

1. Выявлено существование воспроизводимой индивидуальной и коллективной адаптационной реакции функционально здоровых людей одновременно в разноширотных пунктах, связанной с вариациями солнечной активности и вызванном ими комплексом изменений во всех оболочках Земли. Статистически показана неслучайность наблюдаемых результатов. Разработана методологическая и приборная база эксперимента, составлена база данных за 6 лет мониторинговых измерений.

2. Выявлено методами спектрального и кросс -корреляционного анализа биофизических данных совпадение всех основных периодов спектрограмм как индивидуальных, так и коллективных биологических параметров в различных городах, что является доказательством существования общепланетарного регулирующего параметра внешней среды. Также найдено совпадение этих периодов и основных периодов увеличения числа реанимационных случаев с периодами вариаций атмосферного давления и роста геомагнитной активности, с увеличением числа солнечных пятен.

3. Определены характерная форма, этапы и особенности протекания реакции в зависимости от вариаций активности Солнца и изменения других внешних условий, а также адаптационных возможностей обследуемых.

4. В качестве возможных опосредованных действующих агентов, связывающих изменения солнечной активности и биосферы, могут выступать вариации магнитного поля Земли в области биологически-активных частот от 0,01 до 100Гц и окологерцовые микрофлуктуации атмосферного давления. В качестве возможного механизма передачи возмущения от Солнца к оболочкам Земли можно рассматривать возникновение низкочастотных магнитосферных осцилляций, опережающий приход основной ударной волны солнечного ветра к земле на 1-2 суток.

5. 7-летний биофизический мониторинг показал, что существующие традиционные геофизические индексы не отражают всех биоэффективных характеристик магнитосферы, а реакция сложных биологических систем на воздействие естественных внешних полей носит тригерный характер, причем амплитуда физиологической реакции практически не зависит от увеличения амплитуды внешних полей.

6. Показано, что наблюдаемому комплексу экспериментальных эффектов соответствует модель вынужденных переходов биосистемы между фазовыми состояниями, с запаздыванием и различными временами релаксации.

7. Показано, что экспериментально наблюдаемые закономерности протекания биологической реакции на изменения параметров внешней среды возможны только в том случае, если исследуемая биологическая система является нелинейной открытой детерминированной системой. Для подобных систем априори характерен целый набор свойств, в частности – существование конечного горизонта прогноза, нескольких устойчивых фазовых состояний и вероятностный переход системы в турбулентный режим функционирования. Поиск и рассмотрение таких особенностей поведения биологических систем, ранее традиционно относившихся к области шумов и ошибок эксперимента, могут стать эффективным методом дальнейших исследований влияния вариаций солнечной активности и других внешних факторов на организм человека.

Благодарности. Автор с большим удовольствием выражает благодарность В.Н. Обридко за научное руководство, терпение и многолетнее сотрудничество; В.В. Вишневскому, О.В. Хабаровой, В.В. Любимову, Е.А. Руденчику, И.В. Дмитриевой, Л.С. Файнзильбергу, Д.Г. Афонину – за профессионализм и плодотворное соавторство, разработку приборной базы исследований; Е.А. Цирюльник, И.А. Мироновой, В.Н. Мартынюку и Н.В. Грабко - за помощь в проведении измерений в Санкт-Петербурге, Одессе, Киеве и Москве; А.В. Белову, В.Н. Ишкову, Ю.И. Гурфинкелю - за любезное предоставление собственных знаний, медицинских данных и данных о состоянии околоземного пространства; Ю.П. Горго, Л.И. Мирошниченко, А.Е. Резникову и В.В. Рагульскому - за плодотворное обсуждение идей и недостатков данной работы; а также всем сотрудникам ИЗМИРАН, принимавшим участие в биофизическом мониторинге 1998-2005 гг, без благожелательства и научной преданности которых данное исследование было бы невозможно.