Холодовые воздействия на Севере России и их влияние на двигательную активность мужчин

Полный текст

Одним из главных экологических факторов, дей- климатогеографических факторов оказывает нествующих на жителей Севера, является локальное и гативное влияние на качество жизни и здоровья общее охлаждение [1, 2]. Особенно это проявляется каждого жителя Ханты-Мансийского автономного в производственных условиях (работа на открытом округа - Югры [3-5]. Для этих факторов характерна воздухе) [7]. Воздействие любых неблагоприятных хаотическая динамика изменения параметров среды 39 Экологическая физиология Экология человека 2019.06 обитания, например резкое изменение атмосферного давления, влажности и температуры атмосферного воздуха [18, 19]. Адаптационные способности организма к условиям низких температурных режимов существенно зависят от степени физической подготовленности (тренированности). Безусловно, это является индивидуальной особенностью каждого человека, но их оценка в рамках стохастики весьма затруднительна [14, 15]. Состояние нервно-мышечной системы (НМС) человека при гипотермальных воздействиях представляет особый интерес в рамках теории хаоса - самоорганизации (ТХС). В наших исследованиях выполнялся анализ параметров НМС человека, который характеризует изменения именно у мужчин при локальном холодовом воздействии. Более того, вся ТХС разрабатывается сейчас именно для индивидуальной медицины и физиологии (спорта) [6, 8, 11-16, 18, 19]. Методы Обследовалась группа мужчин, проживающих на территории округа не менее пяти лет. Средний возраст обследуемых 28 лет. В зависимости от степени физической активности были сформированы две группы мужчин по 12 человек. В первую группу отнесли мужчин, занимающихся физическими упражнениями нерегулярно (неспортсмены), менее трех раз в неделю. Во вторую вошли мужчины, профессионально занимающиеся спортом (спортсмены), имеющие спортивную квалификацию не ниже 1-го взрослого разряда и продолжающие заниматься систематически физическими упражнениями более трех раз в неделю. Постуральный тремор (микродвижения верхних конечностей) регистрировался с помощью измерительного комплекса на базе токовихревых датчиков и металлической пластины, которая жестко крепится к пальцу испытуемого. Данный измерительный комплекс был уже ранее описан нами [13-15], поэтому отметим только, что он имеет высокую точность регистрации движений (погрешность измерения координаты xj(t) не менее 0,01 мм, а частотный диапазон охватывает от 0 до 1 000 Гц включительно). Период Т квантования регистрируемых ТМГ T = 0,01 с (с помощью аналогово-цифрового преобразователя). В каждом файле ТМГ мы имеем не менее 500 точек для первой фазовой координаты x^t) - положение пальца по отношению к датчику. По зарегистрированной в РОСАПО программе (№ 2016617606) мы рассчитывали скорость изменения xj(t) в виде x2(t) = dxj/dt и строили фазовые портреты в координатах вектора x(t) = (xp x2)T для всех ТМГ, полученных в каждом измерении. Всего для каждого испытуемого, находящегося в одном (неизменном) состоянии (гомеостазе), мы строили 225 фазовых портретов для 15 серий экспериментов с 15 повторами регистрации выборок ТМГ в каждой серии (по 500 точек в каждой такой выборке ТМГ для одного испытуемого). Испытуемые удерживали палец в пределах заданной области (точки по отношению к датчику), контролируя положение пальца. Каждый испытуемый проходил 15 серий экспериментов (N = 15), в каждой из которых регистрация тремора проводилась 15 раз (n = 15) в спокойном состоянии и аналогично (N = 15, n = 15) после локального холодового воздействия (испытуемый погружал кисть в емкость с водой при температуре T и 4 0С). Этими повторами мы проверили эффект Еськова - Зинченко, который основан на отсутствии статистической устойчивости выборок ТМГ [3-6, 14-19], которые регистрируются подряд у одного испытуемого в неизменном гомеостазе НМС. Статистическая обработка данных осуществлялась при помощи программного пакета Statisttea 10. Анализ соответствия вида распределения полученных данных закону нормального распределения производился на основе вычисления критерия Шапиро - Уилка. При использовании непараметрического парного сравнения ТМГ с помощью критерия Вилкоксона были построены 15 таблиц для каждого испытуемого в спокойном состоянии и 15 таблиц после локального холодового воздействия (для каждого из этих двух групп по 12 человек). Результаты Обработка данных и регистрация тремора конечности испытуемых одновременно проводилась на ЭВМ с использованием программы ^ad^. Благодаря запатентованному программному продукту удалось построить фазовые плоскости и рассчитать площади квазиаттракторов (КА). Затем было произведено попарное сравнение отрезков ТМГ для каждой выборки ТМГ испытуемого на предмет принадлежности каждой из этих пар выборок к общей (для каждой пары отдельной) генеральной совокупности (у одного и того же испытуемого) [12-19]. При использовании непараметрического парного сравнения с помощью критерия Вилкоксана были получены всего 30 таблиц для каждого испытуемого, в которых представлены результаты расчета матриц (15 х 15) парного сравнения ТМГ (N = 15, n = 15). Динамика непроизвольных микродвижений конечностей (тремор пальцев рук), как реакция на стресс-воздействие (охлаждение), проявлялась в изменении числа (k) совпадений произвольных пар выборок, которые (пары) можно отнести к одной генеральной совокупности [11-16]. В нашей работе представлены числа совпадений произвольных пар выборок (k) для двух испытуемых (неспортсмена и спортсмена), как характерный пример, в спокойном состоянии (kl) и после локального холодового воздействия (k2) в виде табл. 1 и табл. 2. Число k увеличивается с kl = 2 совпадений в спокойном состоянии до k2 = 6 совпадений после локального холодового воздействия у испытуемого АИА (спортсмен). У неспортсмена соответственно имеем изменение k с k3 = 3 до k4 = 10 для испытуемого БДК. Таким образом, локальное 40 Экология человека 2019.06 Экологическая физиология холодовое воздействие приводит приблизительно к трехкратному увеличению числа пар совпадений у мужчин, независимо от их физической подготовки, но физическая подготовка влияет и на kl, и на k2. Новая методика расчета матриц парных сравнений выборок позволяет оценить влияние локального холодового воздействия на НМС. Одновременно различие в k позволяет диагностировать гомеостаз НМС у спортсмена и неспортсмена. Расчет площадей 5 квазиаттракторов - КА тоже демонстрирует увеличение (52 по отношению к 5; и S4 по отношению к 53) площади КА при холодовом стрессе. Но эти различия более существенные и значимые, чем расчет матриц парных сравнений выборок. При этом различие фиксируется уже по единичным выборкам и для каждого испытуемого в отдельности. Последнее необходимо для развития индивидуализированной медицины. Обращаем внимание, что в табл. 1, 2 отсутствуют пары, для которых совпадают соседние выборки ТМГ, т. е. когда статистические функции f(x) могут показывать fj(x) = fj+1(xl). Действительно, в рамках ТХС нами были постро Таблица 1 Матрица парного сравнения выборок треморограмм испытуемого АИА (спортсмен) до локального холодового воздействия (использовался критерий Вилкоксона, значимость р < 0,05, число совпадений k1 = 2) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 12 3 14 5 1 0 00 0 88 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 17 2 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 3 0,88 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 4 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 5 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 6 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 7 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 8 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 9 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 10 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 11 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 12 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 13 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 14 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 15 0,17 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 Таблица 2 Матрица парного сравнения выборок треморограмм испытуемого АИА (спортсмен) после локального холодового воздействия (использовался критерий Вилкоксона, значимость р < 0,05, число совпадений k2 = 6) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 12 3 14 15 1 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 67 0 00 0 00 0 15 0 00 0 00 0,34 2 0,00 0 00 0,02 0,01 0 00 0,15 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 3 0,00 0,00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 4 0,00 0,02 0 00 0,00 0 00 0,99 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 5 0,00 0,01 0 00 0,00 0 00 0,10 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 6 0,00 0,00 0 00 0,00 0,00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 7 0,00 0,15 0 00 0,99 0,10 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 8 0,00 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 9 0,67 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 10 0,00 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 11 0,00 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 12 0,15 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 13 0,00 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 14 0,00 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0,00 15 0,34 0,00 0 00 0,00 0,00 0 00 0,00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 41 Экологическая физиология Экология человека 2019.06 ены фазовые плоскости [6 -8] для всех 15 выборок (n = 15) из всех 15 серий (N = 15) экспериментов для каждого испытуемого до и после локального холодового воздействия. Для КА были рассчитаны площади S, которые находились как произведение двух вариационных размахов фазовых координат Ах1 и Дх2, т. е. S = Ах1хДх2. При этом вектор x(t) = (x1, x2)T совершал хаотические движения в пределах этих КА (их S). Анализ всех полученных значений площади КА в виде S (как количественной модели гомеостаза НМС) представляет схожую картину в виде параметров КА испытуемых. Это показано на двух примерах (но сходная картина у всех испытуемых): неспортсмена БДК и спортсмена АИА (как типовых). В табл. 3 представлены значения S выборок ТМГ испытуемых БДК и АИА для одной из серий эксперимента: до и после локального холодового воздействия как для спортсмена, так и для неспортсмена. Уже в первом приближении S для КА демонстрировали различия значений до и после локального холодового воздействия. При расчете среднего значения площадей КА (<S>) были получены следующие данные: среднее значение площади КА <S1> испытуемого БДК до локального холодового воздействия равно 0,79х10-6 у. е., а после <S2> = 2,18х10-6 у е. Таблица 3 Значение площадей квазиаттракторов выборок треморограмм испытуемых № БДК - неспортсмен АИА - спортсмен До охлаждения S, (х10-6) у.е. После охлаждения S, (х10-6) у.е. До охлаждения S, (х10-6) у.е. После охлаждения (х10-6) у.е. 1 1,77 5,47 0,33 1,44 2 0,44 2,32 0,22 0,84 3 0,32 4,14 0,26 0,95 4 0,56 2,37 0,72 0,47 5 0,48 0,93 0,14 1,03 6 1,75 1,35 0,53 0,89 7 0,77 0,29 0,46 1,03 8 0,34 0,43 0,67 0,77 9 0,23 5,55 0,28 0,92 10 0,45 2,10 0,35 1,23 11 0,55 2,41 0,32 0,53 12 0,48 0,28 0,18 0,39 13 0,49 1,39 0,85 1,23 14 0,42 2,15 0,67 0,53 15 2,84 1,50 0,71 0,39 <S> 0,79 2,18 0,45 0,84 В случае с испытуемым АИА (спортсмен) среднее значение площадей КА <S3> до локального холодового воздействия равно 0,45х 10-6 у. е., а после <S4> = 0,84х 10-6 у. е. Очевидно, что после локального холодового воздействия у обоих испытуемых (неспортсмен и спортсмен) происходит увеличение площади КА. Таким образом, имеем для неспортсмена увеличение в 2,7 раза, для спортсмена - в 1,8 раза. В целом такая динамика наблюдается у всех испытуемых (мужчины). Для всех четырех выборок площадей квазиаттракторов - S в табл. 3 распределение площадей S нормальное (чего нет для выборок ТМГ) [13-19]. Обсуждение результатов Эффект Еськова - Зинченко в условиях действия холодового стресса в биомеханике накладывает существенные ограничения на применение традиционного стохастического подхода [12-18] в оценке параметров не только тремора, но и других параметров гомеостаза [12, 13]. Всегда отсутствует статистическая устойчивость у подряд регистрируемых выборок ТМГ у одного испытуемого в неизменном гомеостазе. В этой связи разрабатывается новая ТХС, в рамках которой мы оперируем другими величинами при сравнении выборок ТМГ для испытуемых в разных гомеостазах [14-19]. При проведении повторных исследований (15 раз по 15 выборок) число пар совпадений k незначительно изменяется, и всегда из всевозможных 105 пар имеем 3-7 % совпадений (и не более, для ТМГ). Однако метод расчета матриц парных сравнений выборок ТМГ - это трудоемкий процесс для оценки реакции системы регуляции тремора при различных состояниях НМС (у нас речь идет о стресс-агенте). Он требует многократных повторений выборок ТМГ (у нас это было по 225 выборок в каждом отдельном гомеостазе). Более того, математическое моделирование такой статистической неустойчивости возможно только в рамках компарт-ментно-кластерного подхода [9, 10, 17]. Все это доказывает низкую эффективность стохастического подхода в оценке степени тренированности мужского населения Югры, и по этой причине мы ввели понятие квазиаттрактора - КА. Расчет параметров КА показывает устойчивость ТМГ (а также других параметров гомеостаза, например теппинграмм) на фоне хаоса стохастических функций распределения f(x). Для доказательства этого утверждения мы продемонстрировали два набора выборок ТМГ и их площадей (S) квазиаттракторов в двух разных состояниях (до локального холодового воздействия и после) у испытуемых с разной физической подготовкой. Выводы 1. Наблюдается трехкратное превышение числа k пар совпадений выборок ТМГ до воздействия и после холодового стресса, т. е. возрастание k2 и k4 по отношению к k1 и k3 Это характеризует различия в реакциях НМС до и после локального холодового воздействия у испытуемых с физической подготовкой и без таковой. Установлено, что направленность различий в значениях k не зависит от физической подготовленности, но сами k для спортсмена и не-спортсмена различаются существенно как до воздействия, так и после стресс-агента. 2. Одновременно и динамика увеличения площадей КА после локального холодового воздействия зависит 42 Экология человека 2019.06 Экологическая физиология от спортивной подготовки испытуемого. Параметры и площади S могут быть моделями гомеостаза НМС в двумерном фазовом пространстве состояний (вместо статистических функций распределения, которые непрерывно изменяются в неизменном гомеостазе НМС). Такой подход можно использовать в биатлоне, где охлаждение спортсмена влияет на параметры его тремора (при стрельбе). Изменение S для КА является мерой тренированности человека на Севере России. Авторство Еськов В. М. подготовил первый вариант статьи, окончательно утвердил присланную в редакцию рукопись; Баженова А. Е. участвовала в анализе данных, внесла существенный вклад в получение и анализ данных; Иля-шенко Л. К. внесла существенный вклад в концепцию и дизайн исследования; Григорьева С. В. участвовала в анализе данных.

Об авторах

Валерий Матвеевич Еськов

ФГУ «ФНЦ Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук»; Обособленное подразделение «ФНЦ НИИСИ РАН» в г. Сургуте

Анастасия Егоровна Баженова

БУ ВО ХМАО - Югры «Сургутский государственный университет», Институт естественных и технических наук

Email: ae_bazhenova@mail.ru
кандидат биологических наук, магистр кафедры экологии и биофизики Института естественных и технических наук

Любовь Киряловна Иляшенко

Филиал ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»

Светлана Владимировна Григорьева

БУ ВО ХМАО - Югры «Сургутский государственный университет», Институт естественных и технических наук

Список литературы

Дополнительные файлы