В журнале «Atmosphere» вышла статья учёных Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Института космических исследований РАН, в которой систематизированы знания о воздействии солнечной активности на все живое на планете. Авторы убеждены: Солнце и биосфера Земли связаны на всех уровнях - от клеточных белков до популяции; и на всех частотах - от миллисекунд до столетий. О том, возможно ли посчитать эти эффекты, и какова их роль в жизни людей, мы поговорили с первым автором работы, старшим научным сотрудником ИТЭБ РАН и ИКИ РАН Татьяной Зенченко.

О том, что события на Солнце определенным образом влияют на земные живые системы, известно давно. Что нового в этих связях сегодня ищут ученые?

Не только на живые системы, но и на атмосферные процессы, и на сейсмическую активность. Действительно, еще сто лет назад люди знали, что 11-летняя цикличность солнечной активности прослеживается в колебаниях климатических параметров, толщины годовых колец деревьев, уровня озер, урожайности зерновых, развитии эпидемий. В 70-х годах прошлого века стало известно, что во время магнитных бурь увеличивается число обращений в скорую помощь по поводу инсультов и инфарктов, этот факт наблюдался учеными в разных уголках мира, от Шпицбергена и севера России до южных стран: Греции, Мексики и Болгарии. А значит, возмущение магнитного поля Земли ‑ не менее важный глобальный экологический фактор, влияющий на здоровье человека, чем погода или загрязнения атмосферы.

Но здесь мы сталкиваемся с ключевой проблемой гелиобиологии: вариации геомагнитного поля даже во время сильных планетарных магнитных бурь имеют слишком малую интенсивность, менее одного процента от базовой величины. Для многих физиков отсутствие объясняющего механизма было причиной глубокого скепсиса относительно самой возможности гелиобиологических эффектов. Поэтому понадобилось несколько десятилетий и очень большое количество исследований, чтобы твердо убедиться в самом их существовании. Только в последние годы, наконец, появилась физическая теория, объясняющая возможный механизм влияния сверхслабых факторов, и действие магнитной бури на биологические объекты было воспроизведено в лабораторных экспериментах.

Это суть прошедшего этапа. Мы убедились, что биологический эффект космической погоды существует.

Задачи текущего этапа ‑ нужна конкретика. Во-первых, установить, через какие именно факторы космической погоды передается влияние Солнца на живые организмы. Во-вторых, выяснить, на кого именно в наибольшей степени влияют эти факторы, потому что мы уже знаем, что не на всех подряд. Или, точнее сказать, не все люди реагируют на эти факторы сильным изменением состояния организма. Уже установлено, что в группу риска входят пациенты с сердечно-сосудистыми заболеваниями. А еще кто? В третьих, мы в настоящее время еще не понимаем, что является "первичной мишенью" в организме, воспринимающей воздействие тех же магнитных колебаний? Специфических органов или магниторецепторов в организме человека не обнаружено. На каком уровне организма происходит это восприятие ‑ атом, макромолекула, клетка, орган, система? Или на нескольких сразу? И, наконец, в четвертых - по каким физиологическим путям дальше оно развивается, и почему у одного человека срабатывают компенсаторные механизмы, и его организм остается в переделах нормы, а для другого магнитная буря заканчивается если и не трагически, но сильным ухудшением самочувствия? Ведь магнитная буря действует на всех.

В чем сложность поиска ответов на эти вопросы?

В междисциплинарности задачи. Первый из перечисленных вопросов в наибольшей степени относится к солнечно-земной физике, второй - к медицине и эпидемиологии, третий - к теоретической физике и биофизике, а четвертый - к физиологии... А на самом деле во всех этих вопросах затрагиваются все эти области науки. И в реальности мы имеем ситуацию в чем-то даже комичную. В моем опыте встречались такие случаи. Физики говорили: "Мы знаем много классов различных магнитных бурь и их отличия, понимаем физику геомагнитных пульсаций. Дайте нам один комплексный параметр, характеризующий здоровье человека, и мы выясним механизм влияния космической погоды ". Физиологи говорили: " У нас есть 28 биохимических показателей крови человека. Дайте нам один геофизический параметр, и мы установим, на какие биохимические механизмы он влияет". А математики разрабатывали новые улучшенные методы выявления взаимосвязей временных рядов, но поскольку этому методу для корректной работы требовались большие базы данных, то они предлагали результаты длительного мониторинга разных пациентов объединить в единый массив данных...

И очень сложно объяснить специалистам разных областей, что запредельное упрощение другой, "не их", части задачи "до одного обобщенного параметра" сводит возможность ее решения к нулю.

Вторая проблема - вариабельность эффекта. В одни дни или годы эффект отчетливо виден, в другие - слаб, в третьи - совсем не обнаруживается. На одной выборке данных он сильно выражен, на другой, аналогичной - крайне слабо. На одного человека магнитная буря действует сильно, а другой ее не ощущает. Фактически это говорит о том, что задача очень многофакторная, включающая пол, возраст, анамнез человека, сопутствующие факторы обычной погоды, текущий уровень солнечной активности, и т.д. И нам известны еще далеко не все факторы, влияющие на выраженность гелиобиологического эффекта. И выявление и построение хотя бы непротиворечивой общей картины эффекта - это очень большая задача, которая сейчас в процессе решения.

Что было целью вашего исследования?

Попытка систематизации и структуризации накопленных результатов. Мы предложили три параметра, по которым сортировали все известные в литературе результаты: масштаб времени, на котором изучался эффект (минуты, дни, месяцы, годы); уровень биологической системы (клетка, орган, система организма, целый организм, группа людей, популяция); степень ответа биологической системы (небольшие сдвиги в пределах нормы, сдвиг нормы, необратимый сдвиг физиологических параметров или болезнь и смерть).

Еще одним отличием от ранее сделанных обзоров было специальное внимание к результатам, полученным для здоровых людей: кто из них реагирует, всегда ли один человек реагирует на изменения факторов космической погоды? в чем они проявляются? опасны ли они для самочувствия и здоровья?

И что здесь выяснили? Влияет ли космическая погода на здоровых людей, и каким образом это вообще можно зафиксировать?

Это относительно новый вопрос для медицинской науки, он был поставлен всего полвека назад, когда возникла задача сохранения здоровья людей, работающих в экстремальных условиях, например, космонавтов, летчиков, полярников. Для них были разработаны показатели оценки самочувствия, введены "категории здоровья". И именно на космонавтах и полярниках были получены первые результаты о влиянии космической погоды на здоровых людей. Было обнаружено, что на магнитную бурю они реагируют как на стресс, изменяются те же показатели организма, и в ту же сторону, что и при стрессе: сердечный ритм, его вариабельность, уровень синтеза стрессорных гормонов.

И еще было обнаружено, что у разных людей на одни и те же факторы бывает разная реакция, иногда вообще противоположная: например, во время магнитной бури у нескольких человек артериальное давление традиционно повышается, а у других ‑ понижается. Тогда же появилось понятие "типов реакции".

В последние 20 лет с внедрением методики измерений артериального давления и пульса в домашних условиях появились более-менее надежные и обширные данные о реакции здорового организма на события космической погоды - не только магнитных бурь, но и солнечных вспышек, приходов к Земле магнитных облаков и ряда других.

Также были серии наблюдений, в которых во время магнитных бурь у части людей ухудшался периферический кровоток, кровь становилась более вязкой, увеличивалось сверх нормы кровенаполнение капилляров. У кого-то возникали головные боли, возможно, это было связано именно с изменением состояния кровотока. Наблюдали ухудшение параметров внимания и памяти, скорости слуховой и зрительной реакции.

Т.е. наблюдалось ухудшение самочувствия, иногда значительное. А у некоторых людей изменения физиологических показателей наблюдались, а жалоб на ухудшение общего самочувствия не было, т.е. они этих изменений не ощущали. Но в целом, когда заканчивалась магнитная буря, показатели приходили в норму, т.е. реакция была обратимой.

В последние лет десять стали появляться публикации, в которых описывалась реакция организма, вообще не выходящая за пределы нормальных значений, а проявлявшаяся в виде синхронизации колебаний: ритмы сердца или мозга изменялись в зависимости от вариаций магнитного поля. Обнаружить этот эффект можно только в экспериментах с длительной непрерывной регистрацией определенных параметров электрокардиограммы или электроэнцефалограммы. Сейчас таких работ уже много.

Но эти работы, наконец, экспериментально подтвердили уже довольно старую гипотезу, что связь между космической погодой и биологическими системами - это не только реакция в виде увеличения заболеваемости во время магнитных бурь или солнечных вспышек. Это непрерывная "подстройка" различных ритмов в живом организме под вариации факторов окружающей среды, не только космической погоды, но и, например, микроколебаний атмосферного давления.

Каковы главные выводы вашего обзора?

Главный результат заключается в понимании, что солнечная система и биосфера Земли связаны на всех уровнях, от клеточных белков до популяции, и на всех частотах, от миллисекунд до столетий. И каждому уровню требуются свои, специфические методологические подходы. Они были нами выявлены и сформулированы.

Когда мы распределили найденные результаты в пространстве трех координат: масштаб времени, уровень изучаемой биологической системы и степень ее ответа, то выяснилось, что в реальности эти три параметра тесно связаны. Чем крупнее масштаб времени, тем выше уровень организации биологической системы, которую можно изучать в данном масштабе, и тем сильнее степень ее ответа.

На годовом масштабе дискретизации данных исследуются исключительно популяционные массивы данных по заболеваемости и смертности, т.е. двум самым сильным из возможных степеней ответа биосистемы.

На суточном масштабе обнаруживается самый широкий разброс по уровню организации изучаемых биосистем, от небольших популяций (например, пациенты одной больницы) до отдельных систем организма, таких как сердечно-сосудистая или нервная. На этом масштабе можно изучать самые разные степени ответа системы, от смертности до обратимого сдвига среднего значения физиологических показателей.

Внутрисуточный масштаб, т.е. часовой и минутный, является наиболее новым и перспективным, поскольку дает надежду на экспериментальное решение очень важных вопросов: выявление первичных мишеней и конкретных путей и стадий формирования физиологической реакции организма. На этом масштабе уже невозможно изучать необратимые ответы живой системы, однако удобно наблюдать обратимую реакцию в режиме реального времени в виде подстройки частоты, без сдвига среднего значения.

Мы показали также, что для разных масштабов необходимо использовать разные наборы показателей космической погоды.

Что собираетесь делать в продолжении этой работы?

Исследовать эффекты самых малых временных масштабов, доступных в настоящее время. Это процессы на временах минут и секунд.

Сейчас мы можем регистрировать процессы синхронизации с вариациями геомагнитного поля в вариабельности сердечного ритма и ритмике мозга. Недавно обнаружено, что и у животных наблюдаются похожие эффекты: ритм цикла сон-бодрствование у мышей также в значительной степени синхронизован с колебаниями геомагнитного вектора.

Однако данный подход (длительный мониторинг определенных физиологических параметров с высокой частотой оцифровки) позволяет прослеживать в реальном времени изменения, происходящие в биохимических процессах синтеза гормонов, в агрегации крови, в электрохимических процессах распространения возбуждения по нейронам и кардиомиоцитам, и т.д. И потом сопоставлять их ритмику с ритмикой геомагнитных вариаций, быстрых колебаний атмосферного давления, потока вторичных нейтронов от галактических космических лучей.

И данный масштаб позволяет исследовать пограничные режимы и возможные срывы функционирования, которые приводят к аритмиям, фибрилляциям, подъемам артериального давления, спазмам сосудов, и которые проявляются на более крупных временных масштабах в виде резких ухудшений самочувствия и возрастания уровня смертности.

Источник: https://www.mdpi.com/2073-4433/12/3/346

Материал подготовила: Наталья Быкова
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru

На фото: старший научный сотрудник Лаборатории физической биохимии ИТЭБ РАН и ИКИ РАН, доктор биологических наук Татьяна Александровна Зенченко.