Материалы медицинских конференций

Главная / Материалы медицинских конференций / 2003 / VII Междисциплинарная конференция по биологической психиатрии «Cтресс и поведение»

Возможный биофизический механизм влияния солнечной активности на центральную нервную деятельность человека

Многочисленные исследования, начиная с работ А.Л.Чижевского, показали бесспорное влияние солнечной активности на организм человека, поскольку его среда обитания является частью этой системы. Это влияние проявляется через реакцию психоэндокринной и сердечно-сосудистой систем человека на колебания атмосферного давления, освещенности, температуры и влажности, вариаций электромагнитных полей сверхвысоких и сверхнизких (СНЧ) частот геомагнитной активности других геофизических параметров.

Возможный геофизический механизм влияния солнечной активности на организм человека был предложен Б.М.Владимирским [1]. Согласно этому механизму, возмущения на Солнце (мощная хромосферная вспышка) сопровождаются «возмущениями магнитосферы и плазмосферы Земли (магнитная буря с внезапным началом), которые сопровождаются изменением спектра электромагнитного поля на поверхности Земли в области инфранизких частот. Это, в сою очередь, вызывает сдвиги в функциональных показателях организма человека”[1]. В этой модели организм человека рассматривается как автоколебательная система, на которую воздействуют геофизические факторы. Автор предлагаемого механизма также придерживается указанной выше колебательной модели, но уточняет звено, связанное с изменением спектра электромагнитного поля на СНЧ в результате возмущения на Солнце. В отличие от модели Владимирского, человек рассматривается не как автоколебательная система, а как элемент двух связанных колебательных систем: «человек-среда обитания” с дискретными резонансными частотами. В качестве внешней силы рассматриваются процессы на Солнце и вызванные ими изменения в среде обитания. Основанием для такого подхода служит тот факт, что биотоки мозга имеют следующие выделенные частоты: альфа ритм 8-13 Гц, бета ритм 14-30 Гц, гамма ритм более 30 Гц, тэта ритм 4-7 Гц, дельта ритм 1.5-3 Гц. С другой стороны, естественное электромагнитное поле у поверхности Земли на СНЧ также имеет четко выделенную резонансную структуру. Это так называемые шумановсие резонансы полости, образованной поверхностью Земли и нижней границей ионосферы (D- и E-области) Ниже на качественной уровне рассматривается возможный механизм взаимодействия биотоков мозга с шумановскими резонансами [2].

Свойства шумановских резонансов. Шуман [3] впервые теоретически предсказал существование собственных частот сферической полости Земля-ионосфера и для модели с идеально проводящими стенками определил следующие значения резонансных частот:fn= c[n(n+1)]^1/2/2Па, где с – скорость света, а – радиус Земли. Для n=1-5 эти частоты соответственно равны: f1= 10.6, f2= 18.3, f3= 25.9, f4= 33.5, f5= 41.1 Гц. Учет затухания электромагнитных волн в нижней ионосфере приводит к уменьшению значений этих частот. И в модели без учета геомагнитного поля [4] они становятся равными fn’= fn(1-Fn/fn), где Fn ~ [fn/(N/v_eff)]^1/2/h, h – высота нижней границы ионосферы, N –концентрация электронов, v_eff – эффективная частота соударений электронов с тяжелыми частицами. Дальнейшее развитие моделей полости с учетом влияния геомагнитного поля, а также неоднородностей ионосферы по высоте приводит к более сложным зависимостям резонансных частот полости, которые рассчитываются численными методами. Важно отметить тот факт, что уменьшение высоты нижней ионосферы, возрастание эффективной частоты соударений, а также величины геомагнитного поля уменьшают резонансные частоты полости. После фундаментальных работ Шумана в 50-60-е годы проводились активные теоретические и экспериментальные исследования интенсивности и частот резонансов. Кратко основные результаты этих исследований следующие [5]: 1) Источники возбуждения электромагнитных колебаний полости – молниевые разряды. 2) Суточные вариации интенсивности на резонансных частотах имеют максимум в интервале 15 – 119 LT , совпадающий с максимумом грозовой активности мировых центров в Центральной Африке, Южной Америке и Филиппинах. Сезонные вариации интенсивности также повторяют сезонные вариации грозовой активности. Летом резонансные кривые шире по сравнению с зимой. 3) Суточные вариации частоты первого резонанса в суточном максимуме интенсивности составляют +-0.2 Гц и возрастают до +-0.4 Гц в минимуме интенсивности (06-08 LT. 4) Затухание резонансных пиков и смещение резонансных частот определяются главным образом свойствами нижней ионосферы (h,N/v_eff и слабо завися от проводимости почвы. 5) В отличие от интенсивности, резонансные частоты наиболее чувствительны к вариациям параметров нижней ионосферы.

Известно, что вспышки на Солнце сопровождаются мощными потоками электромагнитного излучения, космических лучей (протонов) и энергичных частиц (ионов и электронов), вызывающих магнитные и ионосферные бури. Эти потоки вызывают дополнительную ионизацию в D - и E – слоях ионосферы и уменьшение высоты верхней стенки полости. Последнее, в свою очередь, приводит к росту эффективной частот соударений. В результате этого, как следует из формул, уменьшаются резонансные частоты полости. Магнитные бури являются следствием высыпания высокоэнергичных частит, т.е. косвенным проявлением солнечной корпускулярной радиации. Таким образом, состояние среды обитания человека оказывается зависимым от солнечной активности через вариации параметров нижней ионосферы, определяющих вариации шуановских резонансов. Исследования влияния естественного электромагнитного поля СНЧ на организм человека ведутся сравнительно давно и их результаты опубликованы в обширной литературе. Под действием электромагнитных полей нарушаются в первую очередь нейроэндокринные функции организма, ухудшается общее состояние, изменяются функции гипоталамуса, в зависимости от частоты воздействия можно вызвать возбуждение или торможение центральной нервной системы. Обнаружена связь с геомагнитной активностью эпилепсия у детей, организм которых наиболее чувстителен к воздействию внешних факторов. Однако остается неясным вопрос, как эта связь реализуется. Если принять предлагаемую схему связи двух колебательных систем “человек – среда обитания”, то близкое совпадение частот биотоков мозга с частотами шумановских резонансов позволяет понять механизм этого взаимодействия. Вариации частот шумановских резонансов в результате связи двух систем должны привести к вариациям частот биотоков мозга. Именно через этот механизм связи легче объяснить реакцию человека на солнечные вспышки. В спокойных гелиофизических условиях частотная полоса изменения биотоков мозга, по-видимому, лежит в пределах изменения резонансных частот полости Земля- ионосфера. И обе колебательные системы “человек – среда обитания” находятся в состоянии равновесия. При вспышках на Солнце, как показано выше, происходит изменение электромагнитных свойств нижней ионосферы, что приводит к изменению резонансных частот полости и, следовательно, к нарушению равновесия системы. Люди с нарушенной системой адаптации (это, в основном, дети и пожилые люди) испытывают физический и психический дискомфорт. При этом важно отметить еще раз, что во время магнитных бурь непосредственным фактором влияния на среду обитания является не возмущение геомагнитного поля, а высыпание высокоэнергичных электронов в ионосферу Земли, которые изменяют свойства среды обитания.

Проверка предлагаемого механизма взаимодействия биотоков мозга и шумановских резонансов должна проводиться путем непосредственного сравнения суточных кривых, например, частоты первого резонанса как наиболее интенсивного и альфа ритма мозга. Измерения должны проводиться в течение длительного времени в одном пукктеу с контролем суточной активности. Вспышки на Солнце – явление, достаточно хорошо изученное и прогнозируемое с высокой вероятностью. Однако измерения шумановских резонансов относятся к числу очень тонких экспериментов, а измерения биотоков мозга – к дорогостоящим измерениям. Поэтому на первом этапе проверки процедуру можно упростить, проведя исследования традиционным методом. То есть путем сравнения состояния детей с нарушенным альфа ритмом в периоды спокойной возмущенной солнечной активности.

Заключение. Предложен возможный биофизический механизм взаимодействия “человек – среда обитания”, в котором и человек и среда обитания рассматриваются как две связанные колебательные системы с дискретными резонансными частотами. Основанием для такого подхода служит тот факт, что биотоки мозга имеют выделенные ритмы, совпадающие с резонансными частотами полости, образованной поверхностью Земли и нижней границей ионосферы. Рассмотрены вариации этих частот, определяемых свойствами D - и E -областей ионосферы, в результате вспышек на Солнце. Предложен метод проверки механизма.