СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

СИГИДА РОМАН СЕРГЕЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ РИТМОСТАЗА У ПОДРОСТКОВ С

РАЗЛИЧНОЙ АДАПТАЦИЕЙ К УЧЕБНЫМ НАГРУЗКАМ

03.00.13 – ФИЗИОЛОГИЯ

Диссертация на

соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор В.А. Батурин Ставрополь - 2004 2 Принятые сокращения АД –артериальное давление АМо- амплитуда моды АП - адаптационный потенциал ВПМ- вариационная пульсометрия ДАД –диастолическое артериальное давление ДМ –динамометрия ИН –индекс напряжения Мо - мода САД –систолическое артериальное давление Х- вариационный размах ЧП- частота пульса ЧСС- частота сердечных сокращений

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. Биологические ритмы, связь с адаптацией организма к физическим нагрузкам (обзор литературы).

1.1. Современные представления о биологических ритмах.

1.2. Механизмы генерации биологической ритмики в организме.

1.3. Ритм сердца в оценке адаптации организма к физическим нагрузкам.

ГЛАВА 2. Организация и методы исследования.

2.1. Общая схема исследования.

2.2. Оценка физического развития.

2.3. Определение адаптационного потенциала системы кровообращения.

2.4. Вариационная пульсометрия.

2.5. Методы математического анализа результатов исследований 2.6. Методы статистической обработки результатов исследований.

ГЛАВА 3. Особенности адаптации у учащихся с различными учебными нагрузками и организацией циркадианных биологических ритмов (результаты исследований).

3.1. Использование адаптационного потенциала системы кровообращения для характеристики адаптации к физическим нагрузкам у спортсменов. 3.2. Общая характеристика физической подготовленности учащихся спортивного интерната и динамики показателей адаптационного потенциала системы кровообращения.

3.3. Общая характеристика физической подготовленности учащихся гимназии и динамики показателей адаптационного потенциала системы кровообращения.

3.4. Оценка функциональных возможностей организма подростков, обучающихся в различных типах учебных заведений, по величинам адаптационного потенциала системы кровообращения.

3.5. Сравнительный анализ уровней работоспособности в исследуемых группах. Индивидуальные особенности «структуры работоспособности».

3.6. Циркадианные биологические ритмы и их изменение в течение учебного года у учащихся спортивного интерната и гимназии.

3.6.1. Циркадианная организация частоты сердечных сокращений и ее изменения в течение учебного года.

3.6.2. Циркадианная организация артериального давления и ее изменения в течение учебного года.

3.6.3. Циркадианная организация показателей динамометрии и ее изменения в течение учебного года.

3.7. Циркадианная организация показателей вариационной пульсометрии и ее изменения в течение учебного года.

3.8. Особенности синхронизации циркадианного ритма изучаемых показателей у учащихся спортивного интерната и гимназии.

3.9. Организация ритмостаза у подростков спортивного интерната с наличием неблагоприятной адаптации в начале учебного года.

ГЛАВА 4. Обсуждение результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

Актуальность темы исследования. В настоящее время во всем мире отмечается повышенный интерес к изучению ритмической организации процессов в организме, как в условиях нормы, так и патологии. Интерес к проблемам хронобиологии обусловлен тем, что ритмы господствуют в природе и охватывают все проявления живого - от деятельности субклеточных структур и отдельных клеток до сложных форм поведения организма и даже популяций и экологических систем. Периодичность – неотъемлемое свойство материи. Феномен ритмичности является универсальным (Комаров Ф.И., 1989).

Факты о значении биологических ритмов для жизнедеятельности живого организма накапливались давно, но только в последние годы начато их систематическое изучение. В настоящее время хронобиологические исследования являются одним из основных направлений в физиологии адаптации человека (Aschoff J., 1981; Чернух А.М., 1981; Комаров Ф.И., Моисеева Н.И., 1983; Агаджанян Н.А., 1984, Батурин В.А., 1992, 2000;

Арушанян Э.Б., 2000).

С учетом этого особый интерес представляет проблема индивидуальной организации биологических ритмов у школьников с различной степенью адаптации к учебным нагрузкам (в том числе и физическим).

Хронобиологические исследования у подростков приобретают особую актуальность, так как растущий организм наиболее чувствителен к повреждающим воздействиям и, в первую очередь, реагирует изменениями ритмостаза (Халберг Ф., 1964; Баевский Р.М., 1979; Губарева Л.И. и др., 1999; Губарева Л.И., Батурин В.А., 2000).Наиболее чувствительным индикатором адаптационных возможностей организма являются биологические ритмы и, в частности, циркадианные ритмы (Федорова О.Н., 1997; Березкин М.Ю., 2000).

Весьма важной выглядит необходимость учета циркадианных биоритмов при построении спортивной тренировки, где используются высокоинтенсивные физические нагрузки, обуславливающие столь выраженные физиологические сдвиги в организме (Фарфель В.С., 1960;

Язвиков В.В., 1979; Виру А.А., 1981).

Актуальность исследования проблем, связанных с возможностью использования циркадианных биоритмов для оптимизации учебнотренировочного процесса у школьников обуславливается и тем, что в настоящее время все еще сохраняется тенденция наращивания учебных нагрузок без учета функционального состояния организма, что требует поиска новых путей совершенствования учебно-тренировочного процесса. В этой связи важно отметить, что учет биологических ритмов, в частности, циркадианных, может служить основой наиболее рационального учебно тренировочного режима. Разумеется, подобный путь оптимизации тренировочного режима требует, прежде всего, изучения циркадианных ритмов как биологической закономерности, а также глубокого последующего исследования их взаимосвязи с личной деятельностью человека. Уместно подчеркнуть, что многие ученые обращают внимание на необходимость глубокого исследования взаимосвязи личной активности человека с его биологическими ритмами (Саркисов Д.С., Пальцин А.А., Втюрин В.В., 1975;

Аринчин Н.Н., 1980; Батурин В.А.,1999).

Цель исследования – изучить особенности адаптации подростков к физическим нагрузкам и установить ее взаимосвязь с организацией циркадианных ритмов основных физиологических функций в течение учебного года.

В соответствии с этим были определены следующие задачи:

кровообращения под воздействием спортивной тренировки в динамике сезонного цикла;

- установить оптимальные диапазоны адаптационного потенциала для циркадианных ритмов;

- изучить организацию циркадианных ритмов: частоты сердечных сокращений, артериального давления, динамометрии и показателей вариационной пульсометрии у подростков с различными учебными нагрузками и режимами мышечной активности;

- определить характер синхронизации циркадианных ритмов: частоты сердечных сокращений, артериального давления, динамометрии и показателей вариационной пульсометрии при различных режимах мышечной активности;

- изучить сезонную организацию циркадианных ритмов: частоты сердечных сокращений, артериального давления, динамометрии и показателей вариационной пульсометрии у подростков с различными учебно-тренировочными нагрузками.

Научная новизна. Впервые показана взаимосвязь между физической тренированностью, интегральным показателем адаптационным потенциалом, циркадианной организацией ритмов изучаемых физиологических функций.

Впервые изучена организация циркадианных ритмов у подростков с повышенной двигательной нагрузкой в течение учебного дня, а также у детей с гипокинезией.

Впервые показаны нарушения циркадианных ритмов показателей сердечно-сосудистой системы у подростков с низкими двигательными нагрузками в учебном процессе.

Впервые выявлены особенности перестройки циркадианных ритмов:

частоты сердечных сокращений, артериального давления, динамометрии и показателей вариационной пульсометрии в течение учебного года (сезонный цикл) у подростков-спортсменов, и у детей с недостаточной двигательной активностью, но с повышенной умственной нагрузкой.

Впервые показано, что у подростков с гипокинезией выявляется десинхроноз, который усиливается в течение всего учебного года.

Положения, выносимые на защиту.

1. Различная мышечная активность влияет на параметры циркадианных ритмов функциональных показателей сердечно-сосудистой системы.

2. Различные режимы двигательной активности определяют характер взаимосвязи циркадианных ритмов исследуемых систем и ритмостаз организма в целом.

3. У подростков, обучающихся в различных типах учебных заведений, различна и сезонная динамика основных физиологических показателей.

полученных данных определяется тем, что выявленные закономерности перестроек циркадианных биоритмов при различных тренировочных режимах дополняют представления о физиологических механизмах адаптации организма к мышечной деятельности и дезадаптации при гипокинезии. Практическая значимость результатов заключается в том, что они могут быть использованы при прогнозировании функционального состояния организма и оптимизации режимов двигательной активности учащихся подростков, в том числе активно занимающихся физической культурой. Полученные данные представляют интерес для медицинской практики, поскольку указывают на развитие состояния предболезни у ограничением двигательной активности.

Результаты исследования могут быть использованы учителями, тренерами, врачами ШИСП и ДЮСШ при индивидуальной организации учебной и тренировочной деятельности учащихся и юных спортсменов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научнопрактических конференциях «Проблемы совершенствования системы физического воспитания» (Карачаевск, 1996), «Биосфера и человек»

(Майкоп, 1997), «Актуальные проблемы развития физической культуры в современных условиях» (Ставрополь, 1998), «Проблемы развития биологии на Северном Кавказе» (Ставрополь, 1997, 1998, 1999), «Проблемы экологической безопасности и сохранения природно-ресурсного потенциала»

(Ставрополь, 2004), заседаниях научно-методического семинара кафедры анатомии и физиологии человека СГУ (1997-2004).

ГЛАВА 1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ, СВЯЗЬ С АДАПТАЦИЕЙ

ОРГАНИЗМА К ФИЗИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ

На современном этапе основными направлениями хронологических исследований являются: а) исследование общих свойств биоритмов и их развитие в процессе фило и онтогенеза; б) изучение взаимоотношений биологических ритмов на различных уровнях интеграции организма и условий окружающей среды; в) выявление периодов оптимальной и минимальной резестентности к различным воздействиям и прогнозирование последствий. С учетом этого, а также задач настоящего исследования проведен анализ научной литературы.

1.1. Современные представления о биологических ритмах В современной научной литературе есть несколько определений биологических ритмов Ю. Ашофф (1984) определяет общее понятие биологического ритма как повторение некоторого события в биологической системе через более или менее регулярные промежутки времени.

Применительно к организму человека и животных биоритм рассматривается как автономный самоподдерживающий процесс периодического чередования состояний организма и колебаний интенсивности и физиологических процессов и реакций (Энциклопедический словарь медицинских терминов, 1982). Взаимодействие ритмов отдельных элементов системы между собой и с ритмом целого образует биологическую временную структуру (Катинас Г.С., Моисеева Н.И., 1980).

В настоящее время возникновение биологических ритмов связывается с эволюционным развитием живой материи, когда живые организмы, с одной стороны, должны были усвоить ритмы неорганического мира, чтобы не оказаться с ними в противоречии, с другой стороны, создать ритмы своей жизнедеятельности, таким образом, выделяя себя из неживой природы (Бауэр Э.С., 1936; Опарин А.И., 1957; Шмальгаузен И.И., 1983).

предполагает, что временная организация живого подчиняется определенным правилам и закономерностям, до известной степени предсказуема, являясь генетически детерминированной (Cornelissen T., Halberg F., 1996; Агаджанян Н.А. и др., 1998; Романов Ю.А., 2000).

В современной биоритмологии сложилось представление о ритмостазе, как лабильном соотношении ритмов различных частот для каждого показателя жизнедеятельности (Баевский Р.Н., 1979; Никитина В.В., 1997;

Агаджанян Н.А. и др., 1998; Алпатов А.М., 2000).

В процессе развития и адаптации организмов к различным условиям существования происходил постоянный отбор экзогенных ритмов (ритмов, обусловленных внешней периодикой). Цель их дальнейшей генетической детерминации (превращения этих ритмов в эндогенные – внутренне присущие организму); при этом наследовалась лишь потенциальная возможность проявления такой периодичности. Такой способ генетического кодирования биологических ритмов позволял, как совершенствовать унаследованные временные коды жизнедеятельности, так и приобретать новые в процессе адаптации к идеальным условиям существования (Ашофф Ю., 1964; Анохин П.К., 1968; Дубинин Н.П., 1976; Кузьмин В.И., Жирмунский А.В., 1980; Goldbeter A., Decroly O., 1983).

Биологические ритмы наблюдаются на всех уровнях организации живой материи – от внутриклеточных до биосферных процессов. В многочисленных работах показано, что спектр ритмических колебаний в биосистемах чрезвычайно широк (от миллисекунды до нескольких лет), причем с усложнением уровня организации биологических систем увеличивается величина периода биологических ритмов (Бюннинг Э., 1961; Ашофф Ю., 1964; Агаджанян Н.А., 1967; Hildebrandt G.1976 и др.) Биологический ритм, как всякий периодический процесс, в простейшем виде может быть представлен следующей формулой:

Где С0 - средний уровень, С – амплитуда, - угловая частота, t – время, фаза (Смирнов К.М., 1980; Restoin A., 1983).

Биологический ритм характеризуют 4 основных параметра: средний уровень, период, амплитуда, фаза.

Рис. 1 Визуализация биологического ритма в виде графика.

С0 – мезор, средний уровень ритма; С - амплитуда; Т – период; фаза; Ф – акрофаза. По оси абсцисс – время, в единицах времени, по оси ординат - величина показателя, характеризующего биологический ритм Средний уровень ритма или мезор – это средняя величина процесса, вокруг которого совершаются колебания. Периодом обозначается длительность одного полного цикла ритмических колебаний в единицу времени. Величина, обратная периоду – частота (число полных колебаний в единицу времени). Амплитуда ритма – разность между максимальным или (минимальным) значением процесса и его средним уровнем. Фаза характеризует состояние колебательного процесса по отношению к оси времени и определяется отрезком времени от какой-либо точки отсчета до условного момента – начало ритма. Время наибольшего значения ритма характеризуется как его акрофаза (Катинас Г.С., Моисеева Н.И., 1980).

К релятивным параметрам биоритма следует отнести и силу (или степень) резонансного взаимодействия. Выделяют чрезмерную (гиперсинхронизацию), умеренную (мезосинхронизацию) и слабую (гипосинхронизацию). Это релятивный параметр, так как его градация устанавливается на основании представлений о норме степени резонансного взаимодействия. Признаками резонансного взаимодействия могут также служить: сила периодического взаимодействия, ширина полосы синхронизации, амплитуды колебаний, степень соизмеримости их периодов, форма распределения их частот и фаз, процент синхронных (синфазных) колебаний и др. т.е. это многокритериальный параметр биоритма (Aschoff J.,Wever R.,1962; Halberg F. et.al. 1973).

Гиперсинхронизация на уровне целого организма проявляется при усилении внешних воздействий, вызывающих резонансные эффекты.

Наоборот, их ослабление обусловливает гипосинхроназацию. Согласно Б.С.

Алякринскому (1980), такое ослабление ведет к развитию парциального (частичного) десинхроноза или даже тотального, иными словами, - к рассогласованию отдельных или всех звеньев циркадиальной организации.

Термин гиперсинхронизация широко используется в электроэнцефалографии для обозначения высокоамплитудных ритмов, регистрируемых одновременно во многих отделах мозга (Казначеев В.П., 1980).

Факт наличия главных и второстепенных, ведущих и ведомых осцилляторов позволяет различать направление и уровень синхронизации.

Синхронизацию можно назвать односторонней (унисихронизацией), когда ведомый осциллятор никак не влияет на ведущий, неравносторонней (домисинхронихацией), если асимметрия взаимодействия достаточно четко выражена, и равносторонней (амбисинхронизацией), когда различия практически отсутствуют (Rietveld W.J. et.al. 1993; Stenberg H et.al. 1995;

Hasting M.N. et.al,1998).

Очевидным примером односторонней синхронизации служит реакция биоритмов на абиотические сигналы времени (затягивание ритмов, захват частоты при искусственной стимуляции деятельности сердца, нейрона и пр.).

Неравносторонняя синхронизация часто обнаруживается при взаимодействии биологических колебаний с близкими частотами - в соответствии с известной закономерностью (Гудвин Б., 1966), преимущество имеет наиболее быстрый осциллятор, хотя и его частота не остается прежней (уменьшается). Равносторонняя синхронизация соответствует понятию синталанзиса (взаимной синхронизации), введенному R. Wever (1980) для описания поведения популяции идентичных осцилляторов.

Иерархию резонансных воздействий и взаимодействий можно различить путем фиксации рассматриваемого хроноструктурного уровня. Большинство доступных исследованию биологических колебаний одновременно находится в состоянии внешне-, меж- и внутри - параметрической синхронизации (экстра, интер и интрасинхронизации). Первая обусловлена управляющими воздействиями, вторая – взаимодействиями регистрируемых колебаний, третья – их внутренней временной самоорганизацией (Aschoff J.,1969;

Dalgleish T. et.al. 1996).

Например, на уровне функциональных систем организма были выделены внутри- и межсистемные параметры и показана возможность сохранения синхронности последних при десинхронизации первых (Моисеева Н.И., 1978). Другой пример – водитель ритма сердца. Являясь результатом внутрипараметрической синхронизации активностей отдельных межпараметрической синхронизации с автономными водителями ритма других отделов и внешнепараметрической – с ритмическими сигналами, идущими от центральной нервной системы. Несколько иное деление следует выбирать при рассмотрении работы сердца в целом: на примере отдельно взятой кардиограммы исследуется внутрипараметрическая синхронизация, межпараметрическая синхронизация (Shepad R.J., 1980).

Классификационным параметром может служить отношение частот взаимодействующих колебаний. Равнопериодическая синхронизация (эквисинхронизация) является наиболее обычной. Наряду с ней возможна кратно периодическая синхронизация (мультисинхронизация), когда частота одного осциллятора превышает частоту других в 2, 3 и более раз. Наименее вероятна дробно-периодическая синхронизация (партисинхронизация), при которой соотношение частот выражается рациональной дробью: 2/3, 3/4 и т.

д. (Cagnacci A. 1996).

Исследования Ю. Ашоффа и Р. Вивера (Ашофф Ю., Вивер Р., 1984) показывают, что при длительной изоляции от внешних задатчиков времени у многих людей наблюдается диссоциация циркадианных ритмов на две группы. К первой группе относится ЦР ректальной температуры, ко второй ЦР сна – бодрствования. Ритмы последней группы могут сильно изменять период (до 12-13 и 48-53 ч) и синхронизироваться с ритмами первой группы (средний период – 25ч) в отношениях 1:2 и 2:1. Не исключена также возможность возникновения дробно-периодической синхронизации в отношении 2:3 (15-17ч), 3:4 (18-20ч), 4:3 (32-39ч) и 8:3 (63-67ч), так как указанные периоды преобладают над 10-15-,20-30- и 40-60- часовыми (Dabrovska E. et.al.1996).

Рассогласование ритмов между собой или с внешними датчиками времени рассматривается как десинхроноз и характеризуется как состояние поиска адаптации (Халберг Ф., 1964; Агаджанян Н.А. и др., 1998; Степанова С.И., Галичий В.А., 2000). Возможно либо успешное завершение синхронизации ритмов –физиологический десинхроноз, либо развитие патологии - патологический десинхроноз (Хетагурова Л.Г., 2000).

В качестве примера постоянного нарушения синхронизации суточных ритмов можно привести наблюдения за секрецией мелатонина у слепых (Lani A., Rossi V., Mecacci L., 1983.). У здоровых людей эти колебания участвуют в фотопериодическом контроле циркадиальной системы и имеют максимум в ночное время. У некоторых больных пациентов, несмотря на режим сна, максимум оказался сдвинутым на более ранние или более поздние часы.

Период ритма был равен 24 часам (десинхронизация) либо был свободнотекущим (асинхронизация). Общеизвестным примером асинхронизации может служить переходный процесс, возникающий после значительного трансмеридианого перемещения (Матюхин В.А. и др., 1976).

Систематизация биоритмов базируется на величине их основного параметра - частоты. Ведущая роль циркадианных (околосуточных) ритмов (circa - вокруг, около; dies - день) послужила основанием для подразделения всего спектра на ультрадианные ритмы (с периодами короче циркадианных) и инфрадианные ритмы (с периодами длиннее циркадианных) (Халберг Ф., 1972; Ашофф Ю., 1984). Биоритмы разделены на 3 диапазона. Каждый диапазон включает в себя несколько поддиапазонов, ультрадианные (0,5-