Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биоинформационный анализ хаотической динамики климатоэкологических факторов и их влияние на здоровье населения Югры

ВАК РФ 03.01.09, Математическая биология, биоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Биоинформационный анализ хаотической динамики климатоэкологических факторов и их влияние на здоровье населения Югры"

На правах рукописи

РУСАК СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ КЛИМАТОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ ЮГРЫ

03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

5 ДЕК 2013

Сургут-2013

005543658

005543658

Работа выполнена в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа — Югры»

Научные

консультанты: ФИЛАТОВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

доктор биологических наук, профессор ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа — Югры», заведующая кафедрой экологии

КОЗУПИЦА ГЕННАДИЙ СТЕПАНОВИЧ

доктор биологических наук, профессор ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры физического воспитания и спорта

Официальные

оппоненты: ВОРОНЦОВА ЗОЯ АФАНАСЬЕВНА

доктор биологических наук, профессор ГБОУ ВПО «Воронежская государственная медицинская академия им. H.H. Бурденко» Минздрава Российской Федерации профессор, заведующая кафедрой гистологии, г. Воронеж СУББОТИНА ТАТЬЯНА ИГОРЕВНА доктор медицинских наук, профессор ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», Медицинский институт, заведующая кафедрой медико-биологических дисциплин, г. Тула

ЧЕСТНОВА ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНА

доктор биологических наук, профессор ГУЗ «Городская больница № 1», заведующая городской централизованной диагностической бактериологической лабораторией, г. Тула

Ведущая

организация: Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти

Защита состоится «28» декабря 2013 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.05 в ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу: 628400, г. Cypiyr, пр. Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу: 628400, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Автореферат разослан « ^.'7» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук, доцент О.Л. Нифонтова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема изучения вклада климатоэкологиче-ских особенностей территорий в формирование условий среды обитания, ее комфортности, адаптационных возможностей организма человека и его здоровья в целом, является весьма актуальной уже несколько последних десятилетий для северных территорий Российской Федерации (РФ) в связи с нарастающим миграционным потоком. О влиянии погодно-климэтических факторов и условий на организм человека, а также на возникновение и течение различных заболеваний свидетельствуют разнообразные изменения клинических, функциональных и лабораторных показателей функциональных систем организма (ФСО) человека. Высокая миграционная подвижность населения, постоянные трансширотные и трансмеридианные перемещения современного человека, резкие смены погодных условий в течение суток, сезона года оказывают негативное влияние на ФСО мигрантов, обуславливают увеличение напряженности адаптационных механизмов, приводят к росту заболеваемости населения и существенно повышают биосоциальную стоимость адаптации к погодно-климатическим условиям Севера.

Уровень здоровья любой популяции имеет региональную специфику, которая обусловлена особенностями взаимоотношения человека и среды. Негативные климатоэкологические факторы среды, воздействуя на организм с рождения и раннего детства, несут в себе риск возникновения заболеваний или нарушений на всех этапах онтогенеза человека. Наиболее значимо такое негативное влияние на организм человека характерно для северных регионов, являющихся типичным примером природной экстремальной зоны, способной вызвать экопатологические состояния у жителей этих территорий - изменения, происходящие в организме от слабо выраженных и не имеющих отчетливой клинической симптоматики, до тяжелых заболеваний (А.П. Авцын, 1974-1985; H.A. Агаджанян, 1994-2009; A.JI. Максимов и др., 2006; A.B. Мироновская и др. 2010; С.И. Сороко, 2008; Е. Aakko, 2004; С.А. Pope, R.T. Burnett, MJ. Thun, 2002). Особенности климатических условий Севера в сочетании со сложнейшими антропогенными факторами предъявляют повышенные требования к деятельности всех функциональных систем организма (H.A. Агаджанян, 2006; В.М. Еськов, 2007-2013; ТЛ. Корчина, В.И. Корчин, 2012; О.Г. Лиговченко, 2009-2010; Б.А. Ревич, 2006-2011; В.И. Хаснулин, 2008-2013). Проблема сохранения здоровья человека на Севере, особенно в местах организации таких крупных промышленных комплексов, как Ханты-Мансийский автономный округ - Югра (ХМАО - Югра), крайне актуальна (В.П. Зуевский, 2001; В.А. Карпин, 2003-2013, O.E. Филатова, 2002-2013, A.A. Хадарцев, 2006-2013).

В решении вопросов медико-экологических проблем населения Севера в настоящее время основополагающее значение придается оценке степени опасности факторов окружающей среды, что приводит к ухудшению условий жизнедеятельности, повышению заболеваемости и смертности (В .И. Хаснулин, 1998-2013, Г.С. Козупица и соавт., 2007-2012).

В последнее время все чаще используют научную концепцию сочетан-ного (синергетического) учета негативного воздействия природных и техногенных факторов, что создает концептуальные трудности в установлении определенных стандартов качества окружающей среды. В работах многих ученых приводятся аргументы по целесообразности использования методов теории хаоса - самоорганизации (ТХС) в описании не только технических или природных систем, но также в описании различных биологических динамических системах (БДС) на молекулярном, клеточном, субклеточном, органном уровне и уровне систем органов, ФСО человека, а также на попу-ляционном уровне в терминах компартментов и кластеров, русел и параметров порядка, областей джокеров и самих джокеров (Г.Г. Малинецкий, С.П. Курдюмов, 1992-2006 гг., В.М. Еськов, O.E. Филатова, A.A. Хадарцев, 1994-2013 гг.).

Развитие сине ргетики и теории неравновесных систем связано с новым пониманием влияния экологических факторов среды на динамику показателей ФСО человека. Особенно это актуально для населения, проживающего в условиях северных территорий РФ, поскольку динамика экологических факторов урбанизированных экосистем Севера часто носит ярко выраженное хаотическое поведение. В настоящее время становится все более очевидным, что, например, показатели метеопараметров (температура - Т, давление - Р, и влажность - R воздуха) погодных условий неубедительно представлять в рамках традиционного стохастического подхода, т.е. описывать их методами теории вероятности и математической статистики. Динамика значений параметров порядка БДС, например, ФСО человека, может носить хаотичный характер именно из-за хаотического характера действия перечисленных выше метеофакторов среды обитания (Р, Т, R). Поэтому создание методов и эффективных программ для ЭВМ по идентификации параметров порядка БДС является актуальной и необходимой задачей. Именно в связи с важностью решения этой проблемы, нами разработаны как новые методы исследования, так и методы обработки получаемой информации с помощью различных математических моделей на базе метода многомерных фазовых пространств.

Цель исследования: методом многомерных фазовых пространств на основе расчета параметров квазиаттракторов (КА) и построения матриц межаттракторных расстояний, установить закономерности влияния хаотической динамики климатоэкологических факторов Югры на показатели здоровья населения.

Данная цель определила постановку и решение следующих задач:

1. Разработать методы и программы для ЭВМ по оценке параметров квазиаттракторов поведения вектора климатоэкологических факторов среды в фазовом пространстве состояний.

2. Выявить основные тенденции региональных климатоэкологических изменений путем их оценки с позиций традиционных методов: математической статистики, оценочно-бальных характеристик типизации погодных

условий, санитарно-гигиенических индексов и критериев климатоэкологи-ческих факторов на примере ХМАО — Югры.

3. Методом многомерных фазовых пространств установить особенности динамики поведения климатоэкологических факторов в условиях северной территории (г. Сургут), степень детерминированности и хаотичности в движении вектора данной динамической системы и определить ее существенные параметры порядка.

4. С помощью матриц межаттракторных расстояний выявить и установить особенности (закономерности) динамики поведения временного тренда климатоэкологических факторов, как показателей динамической системы, на примере сравнения разных климаггогеографических территорий - северной территории (центральная часть ХМАО - Югры, г. Сургут) и средней полосы РФ (г. Самара).

5. Выявить взаимосвязь и оценить влияние хаотической динамики погод-но-климатических изменений на показатели климаточувствительных заболеваний взрослого населения на примере жителей г. Сургута и на этой основе выявить наиболее информативные климатоэкологические факторы риска (параметры порядка).

6. Изучить особенности динамики параметров вегетативного статуса детей (школьники младшего звена в зимний период) в условиях Северо-Западной Сибири (г. Сургут) и поведение вектора состояния их организма с позиций метода многомерных фазовых пространств, оценить влияние климатоэкологических факторов на организм детей.

Научная новизна работы:

1. Впервые выполнена оценка с позиции теории хаоса - самоорганизации хаотической динамики климатоэкологических факторов урбанизированной территории Севера РФ на примере г. Сургута и Сургутского района Ханты-Мансийского автономного округа - Югры.

2. Выполнена количественная оценка взаимосвязи климатоэкологических факторов и показателей здоровья населения г. Сургута и на этой основе впервые выявлены наиболее информативные составляющие абиотических факторов среды в долговременной динамике.

3. Доказана эффективность метода фазового пространства состояний с позиций теории хаоса — самоорганизации в оценке вклада климатоэкологических факторов урбанизированной территории Севера РФ на параметры хаотического поведения динамических систем и вектора состояния организма человека.

4. Методом многомерных фазовых пространств на примере разных возрастных контингентов населения установлен характер связей между показателями заболеваемости населения климатоэкологическими нозологиями в условиях проживания в ХМАО - Югре.

5. В условиях контрастных погодно-климатических факторов северной территории на примере г. Сургута установлены закономерности изменения параметров квазиатгракторов поведения вектора состояния организма человека.

6. С позиций компартментно-кластерного подхода разработаны новые математические критерии для оценки влияния климатоэкологических факторов на параметры вектора состояния организма человека.

7. Предложен новый метод идентификации по матрицам межатгракторных расстояний наличия маркеров степени детерминированности и хаотичности биологических динамических систем в поведении вектора состояния организма человека в фазовом пространстве состояний.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработан новый метод и программы для ЭВМ, реализуется этот метод для исследования пространственных структур (квазиаттракторов), образованных вектором состояния биологических динамических систем, координатами которого могут являться как показатели абиотических факторов среды, так и функциональные системы организма человека.

2. Разработаны, запатентованы и внедрены в практику алгоритмы и программные продукты для анализа климатоэкологических показателей, которые позволяют производить адекватную оценку динамики климатоэкологических факторов, а также параметров функциональных систем организма испытуемых разных возрастных групп в условиях климатоэкологических нагрузок в зависимости от сезонов года.

3. Обоснованы и разработаны критерии оценки различий между стохастической и хаотической динамикой параметров климатоэкологических факторов окружающей среды северной территории на примере г. Сургута.

4. Разработанные алгоритмы и компьютерные программы позволяют идентифицировать параметры функциональных систем организма человека в различных климатоэкологических условиях, что обеспечивает их идентификацию и количественную классификацию.

.5. Разработанные системные методы оценки показателей динамических систем погодно-климатических условий и их влияние на здоровье человека позволяют внедрять их в практику работы органов государственного управления при решении медико-экологических проблем качества жизни на северных территориях, возникновения климатоэкологически обусловленных болезней и сохранения здоровья населения в целом; в практику работы органов управления образованием для оценки динамики процессов утомления у учащихся в течение учебного года и выбора оптимальной траектории учебных нагрузок.

6. Изучены региональные биоклиматические характеристики среды, включая уровень дискомфортности и изменчивости климата, определяющие состояние и уровень здоровья населения и являющиеся факторами риска в возникновении климаточувствительных и экологически обусловленных заболеваний.

7. В качестве индикатора влияния климатоэкологических факторов и условий жизни на показатели вегетативного статуса человека можно эффективно использовать матрицы межатгракторных расстояний.

Работа выполнена в рамках: плана научных исследований лаборатории функциональных систем организма при научно-исследовательском инсти-

туте биофизики и медицинской кибернетики и темой НИОКР «Исследование поведения функциональных систем организма человека на Севере РФ методами многомерных фазовых пространств состояний» (№ 01200965147); госбюджетной темы Сур ГУ «Изучение природных и урбанизированных систем Западной Сибири» (ВНТИЦ per. № 0120.0504249); координационного плана РАН по проблемам биофизики (регистрационный номер 2-28.3.3.3. «Регулирование систем с большим числом степеней свободы») и темой НИОКР «Биофизика сложных систем. Разработка теории и методов идентификации сложных биосистем в рамках общей теории иерархических систем» (Гос. № ВН ГИЦ 01.20.0008664).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны математические методы оценки влияния климатоэкологи-ческих факторов на поведение вектора состояния биологической динамической системы в фазовом пространстве состояний в рамках теории хаоса -самоорганизации, позволяющие выделять значимые параметры порядка, определяющие траекторию и характер изменения этих факторов и самой системы в целом.

2. Хаотическая динамика климатоэкологических факторов может существенно изменять значения параметров порядка динамической системы по-годно-климатических условий, что следует учитывать при ранжировании признаков и выборе наиболее важных из них в оценке степени влияния на организм человека и его здоровье.

3. Высокие климатоэкологические контрасты территории северного региона и хаотический режим их динамики оказывают существенное влияние на уровень и характер заболеваемости населения - наблюдается ускоренное развитие климаточувствительных и экологически обусловленных патологий.

4. Используя параметры квазиаттракторов и матриц межаттракторных расстояний вектора состояния организма человека в условиях климатоэкологических нагрузок, можно оценивать степень риска в возникновении кли-маточувствительных и экологически обусловленных заболеваний у жителей Югры.

5. Установлена связь между контрастным режимом погодно-климатических условий и поллютантами атмосферы урбанизированной северной территории г. Сургута и риском развития ранней патологии у детского населения.

6. Матрицы межаттракторных расстояний можно эффективно использовать в качестве индикатора влияния климатоэкологических факторов на состояние здоровья жителей Югры и других регионов России.

Декларация личного участия автора заключается в получении первичных данных экологического мониторинга состояния окружающей природной среды г. Сургута за 1997-2012 гг., в обработке данных, включая архивные за период 1991-1994 гг.; в мониторинге показателей сердечнососудистой системы разных возрастных групп испытуемых; в анализе современного состояния проблемы; с непосредственным участием автора разработаны методы оценки параметров квазиаттракторов, на базе которых автором установлен характер динамики климатоэкологических показателей

северной территории и параметров сердечно-сосудистой системы человека в многомерном фазовом пространстве; в построении моделей. Автором самостоятельно осуществлена статистическая обработка материалов, их интерпретация и анализ данных. В диссертационной работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 75-80 %.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе: на кафедральных семинарах и в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики при Сургутском государственном университете; на Всероссийской научно-практической конференции «Социокультурная динамика Ханты-Мансийского автономного округа сегодня и в перспективе XXI века» (Сургут, 1998); на 1-ой Всероссийской конференции «Исследования эколого-географических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов: Теория, методы и практика» (Нижневартовск, 2000); на Всероссийской научно-практической конференции «Медико-биологические и экологические проблемы здоровья человека на Севере» (Сургут, 2000); на IV-ой Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (Тюмень, 2001); на научно-практической конференции «Экологические проблемы и здоровье населения на Севере», (Сургут, 2004); на Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек — 4», (Тольятти, 2008); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения профессора М.В. Сергиевского, (Самара, 2008); Международной конференции «Проблемы экологии», (Иркутск, 2010); на IX-ой Международной научно-технической конференции «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем», (Тольятти, 2011); VI-ой научной конференции «Системный анализ в медицине», (Благовещенск, 2012); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты анализа риска здоровью населения», (Пермь, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции с Международным участием «Современные вопросы оценки и управления профессиональными рисками в производстве алюминия», (Екатеринбург, 2012 г.); на XXV-ой Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь», (Пенза, 2013); на III-й Международной научной конференции «Биомедицинские науки и третья парадигма» «The second international science conference «Biomedical science and third paradigm» (Египет, Хургада, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 работы, в том числе: 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 4 учебно-методических пособия, 2 монографии (в соавторстве), 1 депонированная рукопись, 17 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для соискания ученой степени доктора биологических наук и 29 статей в различных научных журналах, материалах отечественных и международных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа содержит 282 страницы машинописного текста. Она выполнена в традиционном стиле и состоит из введения, главы по анализу современного состояния проблемы, главы описания объектов и методов (в том числе авторских) исследования, четырех оригинальных глав, содержащих результаты собственных наблюдений, заключения, выводов, списка литературы. Работа содержит 42 таблицы и 42 рисунка. Список используемой литера1уры включает в себя 373 источника, в том числе 93 на иностранном языке.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлась динамика погодно-климатических условий и состояние качества атмосферного воздуха за 1991-2010 гг. урбанизированной северной территории на примере г. Сургута для оценки характера и степени влияния климатоэкологических факторов на жизнедеятельность человека — здоровье взрослого и детского контингента населения, проживающего в условиях высоких погодно-климатических контрастов северной территории РФ.

Информационной основой исследования послужили аналитические материалы наблюдений за состоянием окружающей среды, полученные в период 1991-2010 гг. на территории г. Сургута (в рамках единой сети наблюдений Росгидромета для целей мониторинга состояния и загрязнения окружающей природной среды).

Дизайн исследования включал 4 блока.

В первом блоке представлена оценка погодно-климатических показателей территории г. Сургута за 1991-2010 гг. и их динамика с позиций двух методов: традиционных методов и математической статистики - типизации климатических условий и их контрастов, дифференциации зимних условий по их «жесткости» (И.М. Осокин, 1992 г.) с расчетом комплексных показателей суровости климатических условий и ранжирование погодных условий по частоте повторяемости (./V %) разных типов погод; вычисление комплексного показателя изменчивости (КПИ) погодных условий (В.А. Матю-хин, 1971, 1992 гг.) путем сравнения величины межсуточной изменчивости фактора с его средневзвешенным значением анализируемого ряда с последующим ранжированием показателя КПИ по частоте повторяемости (А/%) разных типов погод. Второй метод посвящен исследованию динамики метеопараметров (в данном исследовании Р, мм рт. ст. - атмосферное давление, Т, К° - температура и Я, % - относительная влажность) в рамках фазового пространства состояний (ФПС) и методами теории хаоса - самоорганизации (ТХС), так как поведение природных хаотических систем протекает в квазиатгракторах (КА) состояний. В качестве системы рассматривалась модель трехмерного фазового пространства: параллелепипед, внутри которого находится вектор поведения параметров метеорологических показателей среды. В рамках ТХС нами идентифицировались параметры, которые существенно отличались как в годовой, так и сезонной динамике по годно -клима-тических показателей и демонстрировали их хаотическое поведение.

Особенности различий в динамике поведения вектора климатоэкологических факторов, как показателей динамической системы, произведено на примере сравнения разных климатогеографических зон: г. Сургут (центральная часть ХМАО - Югры), п. Нижнесортымский (северо-западная часть ХМ А О -Югры) - северные территории РФ, и территория г. Самары, как территория средней полосы РФ, благоприятно отличная от территорий районов Севера.

Второй блок посвящен анализу состояния качества атмосферного воздуха г. Сургута в динамике 1995-2010 гг. с использованием двух методов. Первый метод - метод оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха с позиций санитарно-гигиенического подхода - использование нормированных величин, оценки риска от аэрогенного загрязнения, получившей в последние годы широкое распространение в качестве инструмента оценки воздействия окружающей среды на здоровье населения (С.Л. Авалиани, Г.Г. Онищенко, И.В. Брагина, А.Л. Мишина, Т.Н. Унгуряну и др., 2004, 2012). И второй метод - с позиций ТХС выполнена оценка параметров состояния качества атмосферного воздуха методом ФПС в /и-мерном пространстве признаков и выявлены значимые признаки параметров порядка.

В третий блок вошли исследования первичной обращаемости взрослого населения г. Сургута (данные поликлиники «МУЗ Клиническая городская больница № 1») в динамике 2010 г. - 107 622 случая обращений по климаточувствительным заболеваниям, включая первичную обращаемость взрослого населения с установлением диагноза, профилактические осмотры и повторные наблюдения по установленным диагнозам; оценка первичной и общей заболеваемости взрослого населения, детей и подростков г. Сургута и Сургутского района (на 1 000 населения) произведена по материалам аналитических отчётов комитета по здравоохранению г. Сургута и Сургутского района ХМАО - Югры за период 2004-2010 гг. в условиях региональных климатоэкологических изменений.

Оценка влияния метеорологических факторов, уровня загрязнения атмосферного воздуха на здоровье населения произведена также с позиций двух методов - математической статистики, с одной стороны, и, с другой стороны, ТХС - в оценке параметров состояния КА климаточувствитель-ных заболеваний населения г. Сургута методом ФПС в /«-мерном пространстве признаков и их взаимосвязь с показателями изменчивости климатоэкологических параметров по величине значений объемов КА, которые демон-стририровали устойчивую положительную взаимосвязь и существенное влияние метеорологических факторов на частоту обращений по климаточувствительным заболеваниям населения.

Четвертый блок представлен исследованиями состояния и динамики вегетативного статуса (ВС) учащихся 7-12 лет младшего школьного звена по результатам мониторингового обследования (МБОУ средняя образовательная школа № 10 г. Сургута) в зимний период 2012 и 2013 года. Всего обследовано 693 учащихся (мальчиков и девочек) с 1-го по 5-й класс (в 2012 году обследовано 371 человек, в 2013 году 322 человека). Показатели вегетативного статуса изучались методом вариационной пульсометрии с

выполнением анализа вариабельности сердечного ритма во временном и амплитудно-частотном аспекте, что позволило характеризовать его у школьников в учебном процессе с учетом условий окружающей среды. Выбор данного метода связан с тем, что ритм сердечных сокращений является наиболее доступным для регистрации физиологическим параметром, отражающим процессы ВС организма в целом. Динамические характеристики ритма сердечных сокращений позволили оценить выраженность сдвигов симпатической и парасимпатической активности ВНС в группах испытуемых, отличающихся по полу и возрасту в условиях зимнего сезона на территории северного региона.

Обследование учащихся производилось неинвазивными методами и соответствовало этическим нормам Хельсинской декларации (2000 г.). Работа выполнялась в рамках плана научных исследований лаборатории «Функциональные системы организма человека на Севере» при научно-исследовательском институте биофизики и медицинской кибернетики и темой НИОКР «Исследование поведения функциональных систем организма человека на Севере РФ методами многомерных фазовых пространств состояний» (№ 01200965147). Критерии включения: возраст учащихся 7-12 лет; отсутствие жалоб на состояние здоровья в период проведения обследований; наличие информированного согласия на участие в исследовании. Критерии исключения: болезнь учащегося в период обследования.

Исследование параметров движения вектора (х = х(/) = (дгь х2, ..., х„)т) состояния ВС детей в фазовом пространстве состояний производилось также в рамках двух методов - традиционной статистики и ТХС. В рамках ТХС идентифицировались параметры вектора состояния ВС организма детей, которые существенно отличались в динамике сезонов года у учащихся разных возрастных групп.

Для идентификации компонент х, в исследованиях применялся пуль-соксиметр «ЭЛОКС-01С2», разработанный и изготовленный ЗАО ИМЦ Новые Приборы, г. Самара (Калакутский Л.И., Еськов В.М., 2003-2010 гг). Прибор снабжен программным продуктом «ЕЬООЗАРН», который в автоматическом режиме отображает изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов. Выполнена некоторая модификация программы в отношении усреднения показателей активности симпатического и парасимпатического отделов ВНС, что обеспечивало представление процессов на фазовой плоскости или в т-мерном фазовом пространстве в виде динамики хаотических процессов.

Использование данной методики и аппаратуры для исследования показателей пульсоинтервалографии производилось в положении испытуемого сидя в относительно комфортных условиях. С целью исключения артефактов и нивелировки влияния отрицательных обратных связей на съем информации, регистрировался пятиминутный интервал измерений кардиоинтервалов (КИ), т.е. 500. Таким образом, были получены массивы данных, харакгери-

зующие процессы управления основными жизненными функциями детского организма в климатоэкологических условиях среды обитания.

Расчет параметров КА производился по программам для ЭВМ, зарегистрированным в Федеральном агентстве по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельства № 2006613212 и № 2010108496). Алгоритм выполнения процедуры основывался на следующих шагах: исходно в программу расчета на ЭВМ поочередно вводили исходные компоненты ВСОЧ в виде матриц А биосистемы по каждому из к кластеров (всего таких матриц Р). Данные вводились вручную либо из текстового файла; получали матрицу состояний для всех р кластеров в т-мерном фазовом пространстве, причем г - бегущий индекс компонента вектора х (i = 1,..., т), a j — номер биообъекта (испытуемого) (/' = 1, ..., и), бегущий индекс кластера к определяет число массивов (групп испытуемых) данных (к = 1, ..., р), т.е. элемент такой (А) матрицы а* представляет к-й кластер

биосистем, /-й компонент вектора состояния организма человека (ВСОЧ) для j-го испытуемого. Далее, производился поочередный расчет координат граней параллелепипеда объемом Vq, внутри которого находился квазиаттрактор (КА) движения ВСОЧ для всеху'-х исследуемых (/ = 1, ..., и) из к-го кластера (к = 1, ..., р); их длинны д* = *,-(max) -х,(тш), и объема к-го параллелепипеда у к = Д д*, где х,(тт), х,(тах) координаты крайних точек, i-i

совпадающих с нижней и верхней (левой и правой) границей области ФПС, внутри которой движется ВСОЧ по координате хВ итоге ЭВМ рассчитывала весь вектор объемов квазиатгракторов (General Value) V = (y0,V,...Vp)T > ограничивающих все р квазиаттракторов, а также

показатели асимметрии (Asymmetry) стохастического

Xf =(x{ux{2...x;„)T...Xps =(х°р1,х'р2...х'рт)т и хаотического центров квазиатгракторов для каждого i-го массива данных Х\ =(xf,,xfi...Xfm)T ... X Р = (Xpl,Xpi ... Xpm)T •

Отметим, что X kj = ^Г xm / n - формула для идентификации стохас-/-1

тического центра КА, который находился путем вычисления среднего арифметического одноименных (по номеру кластера - массива к и координате / ФПС) координат j точек (/-й номер обследуемого учащегося), представляющих проекции конца вектора состояния БДС на каждую из координатных осей /'. Мы определили, что для любых кластеров Xfj - x,(mm) + Dk,/2 - формула для идентификации хаотического центра КА, £)* - ширина фазовой области к-го КА, для к-го массива данных, в проекции на /-ую координату, т.е. ширина грани т-мерного параллелепипеда.

Затем вводили параметр R, показывающий степень изменения объема КА для к-го кластера данных до и после уменьшения размерности фазового пространства. В исходном приближении вычисляем Ra = (yj _ угу yi.

После исключения поочередно каждой из / координат вектора X (например, для двухкластерных систем) вычисляются вторые приближения параметров = (У^ — y.iyyi. Таким образом, получали вектор

R = (Ra,... R ), т е- вектор значений, по которым можно определить

уменьшилась или увеличилась относительная величина КА VG при изменении размерности фазового пространства. При уменьшении относительных размеров У, анализируются параметры системы и на основе их неизменности или малой изменчивости производилось заключение о существенной (если параметры существенно меняются) или несущественной (параметры почти неизменны) значимости конкретного, каждого х, компонента ВСОЧ для всего вектора X* = (х,,х2,...,хт)т, т.е. для j-го испытуемых из ¿-го массива данных.

Указанные показатели рассчитывались на ЭВМ. Определялись все интервалы изменения Дат, по 5-ти координатам, показатели асимметрии R„ у.е., а также рассчитывался общий объем /и-мерного параллелепипеда У, у.е. (General value), ограничивающего квазиатграктор ВСОЧ. Были получены таблицы данных, представляющие размеры Ах, и показателя асимметрии Rx для каждой координаты х, и объемы параллелепипедов Vx. Метод расчета матриц межаттракторных расстояний заключался в том, что анализ параметров сердечнососудистой системы (ССС), - показатель активности симпатической вегетативной нервной системы (СИМ), показатель активности парасимпатической вегетативной нервной системы (ПАР), показатель индекса Баевского (ИНБ), степень насыщения гемоглобина крови (SP02) и частота сердечных сокращений (ЧСС) проводили в отношении нескольких групп испытуемых, находящихся в приблизительно одинаковых условиях, сходных физиологическому по состоянию организма, регистрировали параметры функций организма каждого человека. Эти параметры ФСО образовывали наборы (компартменты) диагностических признаков в пределах одной фазовой координаты х, — из набора всех координат ш-мерного фазового пространства с одинаковыми диагностическими характеристиками, а каждый человек со своим набором признаков (компоненты вектора состояния организма данного человека задавался точкой в этом фазовом пространстве состояний так, что группа испытуемых образовывала некоторое «облако» (квазиатграктор) в фазовом пространстве состояний. При этом разные группы обследуемых из-за разных воздействий на них образовывали разные «облака» - квазиаттракторы в ФПС и расстояния Ztf~ и/номера групп обследуемых) между хаотическими или стохастическими центрами этих разных квазиаттракторов формировали матрицу Z. Эта матрица задает все возможные расстояния между хаотическими или стохастическими центрами КА, описывающих состояние разных групп обследуемых

с учетом, например, разных погодно-климатических условий и характера воздействия (нумеруются по вертикали, например, в расчетной матрице Z). Полученные расстояния между центрами ¿-го и /-го хаотического (или стохастического) КА количественно представляют степень близости (или, наоборот, удаленности) этих двух сравниваемых КА в фазовом пространстве состояний, что является интегративной мерой количественной оценки состояния ССС человека, находящегося в различных экологических условиях, или в разных возрастно-половых группах, или с учетом других различий.

Статистическая обработка данных осуществлялась при помощи следующих программных пакетов - «Excel MS Office-2003» и «Statistica 6.1». Соответствие структуры данных закону нормального распределения оценивалось на основе вычисления критерия Шапиро-Уилка. Выявлено, что параметры спектра ВСР не описываются законом нормального распределения, поэтому дальнейшие исследования зависимостей производились методами непараметрической статистики. Сравнения переменных выполнялись при помощи критерия парных сравнений Вилкоксона. Сравнение групп осуществлялось с использованием ¿/-критерия Манна-Уитни. Данные представлены в виде расчета доверительного интервала. Надежность используемых статистических оценок принималась не менее 95 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Актуальность проблемы оценки влияния климатоэкологических факторов и их изменений на организм человека находит свое отражение в работах многих авторов вот уже на протяжении последних десятилетий. Некоторые авторы среди экстремальных экологических факторов Севера выделяют основные и лимитирующие (Г.М. Данишевский, 1968; В.П. Казначеев, 1983; В.И. Хаснулин, 1995-2012, В.М. Еськов, O.E. Филатова, В.А. Карпин, И.Ю. Добрынина, О.Л. Нифонтова).

Подробно изучено состояние, возникающее в процессе адаптации человека к экстремальным климатогеографическим факторам Севера, названное синдромом полярного напряжения (В.П. Казначеев, 1983; В.И. Хаснулин, 2000-2012 и др.), доказано влияние на организм человека изменений отдельных метеорологических параметров: температуры воздуха, атмосферного давления, влажности, скорости ветра, парциального давления кислорода в атмосферном воздухе (В.Ф. Овчарова, 1988; R. Gansales, 1985; R. Przybylak, 2003). Неоднократно обсуждается вопрос о том, что проживание человека в дискомфортных или экстремальных условиях приводит к более быстрому истощению адаптационных резервов организма, что проявляется в преждевременном старении, осложненном течении многих хронических заболеваний и омоложении показателей смертности (В И Хаснулин, 2002-2012).

В последние годы проблема изменчивости погодно-климатических параметров, рассматривается как совокупная физико-математическая задача статистической динамики атмосферы в её взаимодействии с объектами окружающей среды.

Таблица 6

Матрица идентификации расстояний (у.е.) между центрами хаотических квазиаттракторов вектора состояния метеопараметров в динамике 2010 г. в трехмерном фазовом пространстве на примере г. Сургута

Месяц года I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

/ 2,3 23,3 27,5 32,2 43,6 45,5 43,9 35,7 33,4 25,4 10,1

II 2.3 22.3 26.4 31.1 42.4 44.5 42.4 34.0 31,7 23.2 7.8

UI 23.3 22.3 10.7 13,6 22.0 24.3 25.6 19.3 18.1 17.3 22.1

IV 27.5 26.4 10.7 4.8 16.6 18.3 18.5 12.2 11.9 17.8 25.9

V 32.2 31.1 13.6 4.8 12.0 13.7 14.6 10.0 10.9 19.9 30.2

VI 43,6 42.4 22.0 16.6 12.0 3.0 11.7 14.7 17,1 28.1 41.1

VII 45.5 44.5 24.3 18.3 13,7 3.0 13.1 16.9 19.4 30.8 43.4

VIII 43.9 42.4 25.6 18.5 14.6 13,1 13.1 8.5 11,2 23.8 39.3

IX 35,7 34.0 19.3 12.2 10,0 16,9 16.9 8.5 2.9 16.0 30.8

X 33.4 31,6 18.1 11.9 10,9 19,4 19.4 11.2 2,9 13.2 28.1

XI 25.4 23.2 17.3 17.8 19,9 30,8 30.8 23.8 16.0 13.2 17.6

XII 10.1 7.8 22,1 25.9 30.2 43.4 43.5 39.3 30.8 28.1 17.6

Z 322,9 308,1 218,6 190,5 192,9 263,2 273,0 252,6 201,0 197,9 233,0 296,4

В целом, показатели межатгракторных различий при сравнении кластеров, иллюстрировали ярко выраженную хаотическую динамику поведения метеофакторов, что характеризовалось' вариабельностью значений. Особенно контрастны январь и летние месяц (г61 = 43,6 у.е., гп = 45,5 у.е., г81 = 43,9 у.е.) по расстояниям между хаотическими квазиаттракторами.

Оценка параметров КА метеосостояний в динамике 2008-2010 гг. и их взаимосвязь с показателями общей заболеваемости взрослого контингента населения г. Сургута (табл. 7) также иллюстрировала положительную зависимость. Так, объемы суммарных КА метеопараметров в разные сезоны. года в период 2008-2009 гг. (см. табл. 7) разнятся существенно, а показатели общей заболеваемости населения, как сердечнососудистой системы (ССС), так и органов дыхания выше для периода года с большим значением объема В целом, показатели заболеваемости данными нозологиями, которые считаются отчасти и климаточувствительными, имели положительную взаимосвязь с величиной объемов КА поведения метеопараметров (среднегодовые значения) за 2008-2009 гг.

Рост заболеваемости чувствительной группы населения - детей в возрасте от 0 до 14 лет (включительно) по заболеваниям органов дыхания (рис. 7), и, в частности, по заболеваемости пневмониями, хроническим и неутонченным бронхитом, астмой и астматическим статусом отмечен у детей в 2009 г - в сравнении с 2005 г. (прирост составил 4,3 %). При этом, за тот же период наблюдалось устойчивое превышение гигиенических нормативов по такому загрязняющему веществу в атмосферном воздухе, как формальдегид. Такие вещества, как фенол, оксид азота находились в воздухе г. Сургута в подпороговых концентрациях на уровне 0,7-1,0 ПДКСС. Органами-мишенями для данных веществ являются органы дыхания. Кроме того, фенол

Установлены различия при определении размеров (рис. 10) К А путем расчета межаттракторных расстояний у.е.) и построением матриц, различающихся в динамике зимних сезонов 2012 и 2013 гг.

12 3 4 5

-*-2012г -О-2013 г

Рис. 10. Межатгракторные расстояния (г,-,-, у.е) квазиаттракторов ВНС школьников 1-5-х классов в динамике зимнего сезона 2012 г. и 2013 г.

Здесь: по оси ОХ - учащиеся по классам; по оси ОУ - межаттракторпые расстояния г^ (у.е.)

Такие значительные разбросы параметров объемов КА и межаттракторных расстояний (гу) свидетельствуют о существенном увеличении меры хаотичности состояния ВС детей, а особенности изменения его показателей у школьников отражают функциональную незрелость механизмов по регуляции со стороны ВНС в данной возрастной группе и существенную зависимость с погодно-климатическими факторами. Большие объёмы КА ВСВС учащихся первых классов в обоих зимних периодах обусловлены тем, что ребёнок попадает в новую социальную среду, которая усложняет условия жизни и выступает для него как стресс-фактор, вследствие этого происходит изменение нейрогуморального баланса, который находится на стадии созревания. Динамика КА ВС организма учащихся с 1-го по 5-й класс имела общую тенденцию к увеличению объёмов в полтора раза в 2013 г., что связано также и с более суровыми условиями зимы этого года.

Таким образом, вышеуказанный метод с использованием ФПС позволил выявить отличия и особенности в состоянии вегетативного статуса учащихся младших классов с учетом пола и возраста. Так, например, выявленное увеличение размеров КА ВСВС учащихся можно объяснить и воздействием погодно-климатических факторов и факторов антропогенного характера (уровень загрязнения атмосферного воздуха и его изменчивость), наличием так называемого «северного стресса», связанного с проживанием в дискомфортных климатоэкологических условиях урбанизированных территорий. Подобные отличия не всегда демонстрируют методы математической статистики.

в многолетнем периоде. Идентификация параметров квазиаттракторов позволила выявить наиболее важные признаки климатоэкологических условий г. Сургута: для весенне-летних сезонов высокую значимость имела относительная влажность воздуха (Я, %) - 63-67 %; для зимнего периода-температура (Т, К) - 71 %; для осеннего сезона года установлена значимость в равной степени относительной влажности (/?, %) воздуха - 43 % и атмосферного давления (Р мм рт. ст.) - 49 %, а также установлена высокая доля значимости концентрации формальдегида, как координаты фазового пространства: в летний период - 93 %, в зимний - 66%.

5. Расчет матриц межатгракторных расстояний целесообразно использовать для количественной оценки динамики поведения пространственно-временных изменений климатоэкологических факторов, как показателей динамической системы, позволяющих определять степень детерминированности или хаотичности, что выражается увеличением межатгракторных расстояний гу квазиаттракторов. Для северных территорий, с выраженными климатоэколо-гическими контрастами, расстояния между центрами квазиаттракторов имели близкие значения: 2„ = 17,63 у.е. и г12= 15,73 у.е. - зимой и г31 = 13,30 у.е. и г32= 11,12 у.е. - летом. Для территории, с менее выраженной хаотичностью в поведении климатоэкологических факторов (г. Самара) эта показатели значительно ниже и составили: г31 = 11,56 у.е. - зима и г33 = 8,74 у.е. - лето. Матрицы межатгракторных расстояний могут использоваться как диагностический признак для оценки различий в динамике климатоэкологических факторов и определения степени их влияния на показатели здоровья населения урбанизированных северных территорий.

6. Риск возникновения и роста климаточувствительных заболеваний как среди взрослого, так и среди детского населения, отчасти обусловлен высокими климатоэкологическими контрастами, удельный вес которых в общей картине первичных обращений взрослого населения составил 22,6 %. В структуре этих заболеваний абсолютное большинство имели болезни ОРИ (36,3 %) и заболевания, связанные с повышением артериального давления - 25,1 %; болезни ССС - 14,4 %, заболевания эндокринной системы (сахарный диабет) -14,2 %; заболевания органов дыхания (ХОБЛ и астма) - 4,4 %. Методом ФПС установлена статистически значимая зависимость размеров квазиаттракторов метеофакторов погодных условий 2010 г. с частотой обращений {Щ взрослого населения г. Сургута по поводу климаточувствительных заболеваний, которая отражала устойчивую и высокую зависимость с погодными факторами 0,66, р < 0,0202). Установленные межапракторные

различия при сравнении кластеров метеофакторов показали выраженную хаотическую динамику их поведения, что характеризовалось большими контрастами (г61 = 43,6 у.е., г81 = 43,9 у.е.).

7. Уровень хронического канцерогенного ингаляционного риска от воздействия загрязняющих веществ в атмосферном воздухе находится в зоне третьего (среднего) диапазона (1 • 10~3 > 1 • Ю-4), что неприемлемо для населения в целом. Вклад поллютантов атмосферного воздуха в уровень хронического

B. М. Еськов, А. Г. Назин, О. Е. Филатова, К. А. Хадарцева ZZВестник новых медицинских технологий. - 2008. - Т. XV, №1. — С. 26-29.

5. Русак, С. Н. Хаотическая и стохастическая оценка влияния динамики метеофакторов Югры на организм человека Z С. Н. Русак, В. М. Еськов, К. Н. Бере-стин, В. В. Лазарев, В. В. Полухин II Вестник новых медицинских технологий. -2009. - Т. XVI, № 1. - С. 121-122.

6. Русак, С. Н. Методы измерений соотношений между хаосом и стохастикой в оценке влияния динамики метеофакторов Югры на организм человека Z С. Н. Русак, М. Я. Брагинский, В. М. Еськов, В. В. Лазарев, В. В. Полухин ZZ Системный анализ и управление в биомедицинских системах,- 2010. - Т. 9, № 1. - С. 195199.

7. Русак, С. Н. Использование метода идентификации параметров квазиаггракто-ров метеофакторов, влияющих на здоровье человека Z С. Н. Русак, Е. И. Коваленко, А. А. Балтикова ZZ Информатика и системы управления. - 2010. - № 2 (24)-С. 170-173.

8. Русак, С. Н. Новые подходы в теории устойчивости биосистем - альтернатива теории А. М. Ляпунова Z С. Н. Русак, Н. С. Дудин, А. А. Хадарцев, К. А. Хадарцева ZZ Вестник новых медицинских технологий. - 2011. - Т. XVIII, № 3. -

C. 336-337.

9. Русак, С. Н. Биоинформационные особенности вектора состояния параметров квазиаттракторов организма коренного и пришлого населения Югры Z С. Н. Русак, Д. И. Молягов, Д. И. Нигматуллин, О. И. Химикова Z/ Вестник новых медицинских технологий. - 2012. - Т. XIX, № 2. - С. 418-419.

10. Русак, С. Н. Биоинформационные аспекты оценки хронического ингаляционного риска для здоровья населения г. Сургута от воздействия загрязняющих веществ Z С. Н. Русак, Д. И. Молягов ZZ Информатика и системы управления. -

2012. — С.147—150.

11. Русак, С. Н. Параметры квазиаттракторов поведения вектора состояния нейро-вегетативной системы тренированных и нетренированных студентов Югры в условиях дозированных физических нагрузок Z С. Н. Русак ZZ Вестник новых медицинских технологий. - 2013. - Т. XX, № 2. - С. 210-212.

12. Русак, С. Н. Использование метода биоинформационного анализа в исследовании показателей психологического и функционального состояния студентов и школьников Z С. Н. Русак, Е. А. Багнетова, С. В. Вязовкин, И. А. Кавеева Z/ Естественные и технические науки. - 2013. - № 3 - С. 63-65.

13. Русак, С. Н. Оценка хаотической динамики параметров квазиаттракторов метеосостояний экологической среды в ш-мерном пространстве на примере двух территориальных образований Z С. Н. Русак ZZ Вестник новых медицинских технологий. - 2013. - Т. XX, № 2. - С. 213-215.

14. Русак, С. Н. Влияние погодно-климатических факторов на показатели здоровья населения на примере ХМАО - Югры Z С. Н. Русак II Системный анализ и управление в биомедицинских системах. — 2013. — Т. 12, № 3. — С. 852-855.

15. Русак, С. Н. Динамика вегетативного статуса учащихся младших классов в погодных условиях г. Сургута Z С. Н. Русак, Г. С. Козупица, О. Е. Филатова, В. В. Еськов, Н. Г. Шевченко ZZ Вестник новых медицинских технологий. -

2013. - Т. XX, № 4. - С. 102-105.

16. Русак, С. Н. Годовая динамика погодно-климатических факторов и здоровье населения Ханты-Мансийского автономного округа Z С. Н. Русак, Д. И. Молягов, В. В. Еськов, О. Е. Филатова II Экология человека - 2013. - № 11- С. 19-24.

17. Русак, С. Н. Мккроэлементный профиль у больных некоторыми хроническими дерматозами в условиях ХМАО - Югры / С. Н. Русак, И. В. Кравченко, Е. В. Павлова, Ю. Э. Русак II Проблемы региональной экологии. - 2013. - № 4 - С. 63-69. Статьи в других журналах и материалах конференций:

1. Русак, С. Н. Роль канцерогенных веществ в формировании экологической обстановки г. Сургута / С. Н. Русак, Л. А. Пак, С. В. Соколов, Т. Е. Челомбитько И Социокультурная динамика Ханты-Мансийского автономного округа сегодня и в перспективе XXI века: Федеральный и Региональный аспекты : мат-лы В серое. науч.-практ. конф. - Сургут, 1998. - С. 122-123.

2. Русак, С. Н. Экологические и медицинские аспекты изучения компонентного состава питьевой воды г. Сургута / С. Н. Русак, С. В. Соколов, Л. А. Пак, Ю. Э. Русак, Н. П. Дуплякина // Медико-биологические и экологические проблемы здоровья человека на Севере : мат-лы Всерос. науч.-практ. конф,- Сургут, 2000. -4.1.-С. 134-139.

3. Русак, С. Н. Отношение населения г. Сургута к качеству питьевой воды / С. Н. Русак, Ю. А. Старых, В. С. Павловская // Медико-биологические и экологические проблемы здоровья человека на Севере : мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. -Сургут, 2000. - Ч. I. - С. 127-131.

4. Русак, С. Н. Система эколого-медицинской оценки качества питьевого водоснабжения г. Сургута / С. Н. Русак, С. В. Соколов // Исследования эколого-гео-графических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов: Теория, методы и практика : мат-лы I Всерос. конф. - Нижневартовск : НГПИ, ХМАО РАЕН, ИОА СО РАН, 2000. - С. 247-250.

5. Русак, С. Н. Использование ГИС-технологий в мониторинге почвенного покрова / С. Н. Русак // Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях : мат-лы 4-й Всерос. науч.-практ. конф. - Тюмень, 2001. - С. 44-46.

6. Русак, С. Н. Результаты наблюдений, проводимых СГ МУП «Сургутский кадастровый центр «Природа» / С. Н. Русак, Т. Е. Челомбитько // О состоянии окружающей природной среды Ханты-Мансийского автономного округа в 2002 году : информационный бюллетень. - Ханты-Мансийск, 2003. - С. 12-13.

7. Русак, С. Н. Загрязнение почв / С. Н. Русак // Экологические проблемы и здоровье населения на Севере : мат-лы науч.-практ. конф. - Сургут, 2004. - С. 13-15.

8. Русак, С. Н. Задачи мониторирования урбанизированных экосистем с позиций аттракторов в фазовом пространстве состояний / С. Н. Русак, В. И. Адайкин, Е. С. Кургузова, В. В. Лазарев, О. Е.Филатова // Экологический вестник Юго-рии. - 2005. - Т. П, № 2. - С. 26-^0.

9. Русак, С. Н. Методы теории хаоса в оценке динамики численности насекомых Югры / С. Н. Русак, А. С. Ануфриев, В. М. Еськов, О. П. Степовая // Экологический вестник Югории. - 2006. - Т. Ш, № 1-2. - С. 23-27.

10. Русак, С. Н. Компьютерная идентификация параметров хаотических аттракторов экофакторов Югры / С. Н. Русак, М. Я. Брагинский, Ю. Г. Бурыкин, А. С. Тка-ченко, О. Е. Филатова // Сб. науч. тр. Вып. 27. - Сургут : ИЦ СурГУ, 2007. -С. 8-13.

11. Русак, С. Н. Современные подходы в оценке динамики климатоэкологических факторов урбанизированной территории (на примере г. Сургута) / С. Н. Русак, А. С. Ануфриев, В. Н. Голушков, А. Г. Назин, О. Е. Филатова // Экологический вестник Югории. - 2007. - Т. IV, № 1. - С. 11-22.

12. Русак, С. Н. Анализ хаотической динамики факторов, формирующих среду обитания урбанизированной территории / С. Н. Русак, В. В. Полухин, О. Е. Фи-

Русак Светлана Николаевна

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ КЛИМАТОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ ЮГРЫ

03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Подписано в печать 27.11.2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2,3. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ № 90.

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе издательского центра СурГУ. Тел. (3462) 76-30-65,76-30-66.

Отпечатано в полиграфическом отделе издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Энергетиков, 8. Тел. (3462) 76-30-67.

ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Тел. (3462) 76-29-00, факс (3462) 76-29-29.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Русак, Светлана Николаевна, Сургут

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты - Мансийского автономного округа - Югры»

05201 4501 63 На правах рукописи

С^ОС.

РУСАК СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ КЛИМАТОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ ЮГРЫ

03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика (биологические науки)

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научные консультанты:

доктор биологических наук, профессор ФИЛАТОВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА доктор биологических наук, профессор КОЗУПИЦА ГЕННАДИЙ СТЕПАНОВИЧ

Сургут-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

5 7

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ПАРАДИГМ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В 19 РАМКАХ ТЕОРИИ ХАОСА - САМООРГАНИЗАЦИИ (ТХС)

1.1. Современные методологические аспекты теории хаоса - са- 19 моорганизации и тенденции их развития

1.2. Климат и его хаотичность. Динамика метеофакторов и климата в рамках новых парадигм 34

1.3. Климатоэкологические факторы ХМАО - Югры в рамках ха- 41 отической динамики

1.4. Медико-биологические аспекты влияния климатоэкологиче- 52 ских факторов на организм человека в условиях северных территорий

1.5. Адаптация организма человека и ее особенности в северных 56 условиях

1.6. Влияние климатоэкологических факторов Севера на здоровье 66 населения

1.6.1. Аэрогенные поллютанты как факторы риска развития и 74

обострения болезней органов дыхания ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 80

2.1. Характеристика объекта, этапов и дизайн исследования 80

2.2. Методы идентификации параметров квазиаттракторов клима- 85 тоэкологических факторов и вектора состояния организма человека в ш-мерном фазовом пространстве признаков

2.3. Метод исследований погодных условий на основе традицион- 94 ных способов их типизации

2.4. Оценка состояния качества атмосферного воздуха г. Сургута с 98 позиций санитарно-гигиенического нормирования

2.5. Метод количественной оценки риска для здоровья населения 101 от воздействия химических загрязнителей атмосферного воздуха

2.6. Медико-биологические аспекты синергизма в оценке влияния 107 климатоэкологических факторов на здоровье населения в условиях ХМАО-Югры

2.7 Методы регистрации и оценки параметров вегетативного статуса организма учащихся младшего школьного возраста

ГЛАВА 3. БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ С ПОЗИЦИЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ОЦЕНКИ ИХ РЕГИОНАЛЬНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Оценка тенденций погодно-климатических изменений и контрастов урбанизированной территории Севера с позиций традиционных методов математической статистики

Идентификация параметров квазиаттракторов погодно-климатических факторов в ш-мерном пространстве признаков

3.1.

3.2.

121

122

135

3.3.

ГЛАВА 4.

4.1.

4.2.

4.3.

ГЛАВА 5.

5.1.

5.2.

Сравнительная оценка параметров квазиаттракторов метеосостояний экосреды в ш-мерном пространстве на примере разных климато-географических территорий

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ УРОВНЯ

ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И РОЛЬ МЕТОДОЛОГИИ ИХ АНАЛИЗА ДЛЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Атмосферные поллютанты и их динамика в оценке санитарно-гигиенического состояния среды урбанизированной территории (на примере г. Сургута)

Оценка параметров квазиаттракторов вектора состояния загрязняющих веществ атмосферного воздуха г. Сургута в т-мерном пространстве

Синергетические методы в оценке влияния атмосферных загрязняющих веществ как факторов риска на показатели здоровья населения (на примере г. Сургута ХМАО - Югры)

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КЛИМАТОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЖИТЕЛЕЙ Г. СУРГУТА ХМАО - ЮГРЫ)

Региональные показатели заболеваемости населения г. Сургута и их взаимосвязь с климатоэкологическими условиями с позиций традиционных оценок

Динамика показателей заболеваемости детского населения от 0 до 17 лет (болезни органов дыхании) на фоне различных погодных условий и уровня загрязнения воздуха г. Сургута

153

164

164

170

176

184

186

200

5.3. ГЛАВА 6.

6.1. 6.2.

Стохастика и хаос в оценке выявления информативной значимости климатоэкологических факторов территории на состояние показателей заболевания населения ХМАО-Югры

ОЦЕНКА ДИНАМИКИ ВЕГЕТАТИВНОГО СТАТУСА 214 УЧАЩИХСЯ МЛАДШИХ КЛАССОВ В ПОГОДНЫХ УСЛОВИЯХ Г. СУРГУТА С ПОЗИЦИЙ СТОХАСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА И ТЕОРИИ ХАОСА -САМООРГАНИЗАЦИИ

Динамика параметров вегетативного статуса учащихся млад- 214 ших классов с позиций традиционных методов статистической обработки

Вектор состояния организма школьников по параметрам ве- 219 гетативного статуса на фоне погодных условий зимнего сезона 2012-2013 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ВЫВОДЫ

229

234

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

238

ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ

239

Список сокращений

АГ - артериальная гипертензия

БДС - Биологически динамическая система

ВНС - вегетососудистая нервная система

ВСОЧ - вектор состояния организма человека

ВСВС - вектор состояния вегетативного статуса

ДС - динамическая система

ДТБ - детерминисткая теоретическая биология

ЗВ - загрязняющие вещества

ИБС - ишемическая болезнь сердца

ИИП - индекс изменчивости погодных условий

КА - квазиаттрактор

КИЗА - комплексный индекс загрязнения атмосферы

КПИ - коэффициент изменчивости погодных условий

МНК - метод наименьших квадратов

МПР - метеопатические реакции

НП - наибольшая повторяемость

ПДК- предельно допустимая концентрация

1111 - параметры порядка

РФ - Российская Федерация

Р - атмосферное давление атмосферного воздуха

САС - Системный анализ и синтез

ССС - сердечно-сосудистая система

СТБ - стохастическая теоретическая биология

СХТБ - стохастико-хаотическая теоретическая биология

ТХС - Теория хаоса и синергетики

Т - температура атмосферного воздуха

ЦНС - центральная нервная система

ХМАО - Ханты - Мансийский Автономный Округ -Югра ХТБ - хаотическая теоретическая биология

ФСО - функциональные системы организма ЭВМ - электронно-вычислительные машины Я - относительная влажность атмосферного воздуха

ВВЕДЕНИЕ

Развитие и становление естествознания на современном этапе сопровождается кардинальным пересмотром основных понятий, которые необходимы для описания закономерностей развивающегося органического мира. Известно, что до конца XIX и начала XX века в науке господствовал детерминистский подход. Все процессы описывались точками, линиями, функциями и состояниями в пространстве, а в математике была общепринята задача Коши: задание начальных параметров системы при формулировании уравнений динамики (дифференциальных, разностных, интегральных) - определяло дальнейшую динамическую траекторию поведения системы и её конечное состояние в любой момент времени. Все три состояния (начальное, любое промежуточное и конечное) - всегда определялись точно, т.е. детерминистски. С возникновением и формированием стохастической парадигмы возникла неопределённость в конечном состоянии. В любом случае начальное состояние объекта, явления, процесса в стохастике должно быть определённым, воспроизводимым, повторяемым. Промежуточные состояния могли быть не определены [102, 246, 252, 299, 302].

Сейчас стало очевидным, что для сохранения целостной, не противоречивой картины мира, нужно признать наличие в природе не только разрушительного, но и созидательного принципа: материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. На волне этих проблем возникла синергетика -теория самоорганизации - современная теория эволюции очень больших, сверхсложных систем, и на сегодняшний день она успешно развивается по нескольким направлениям: синергетика Г. Хакена [257-259], неравновесная термодинамика И. Пригожина [198, 199], и др. Причем, одна из главных заслуг И. Пригожина заключается в его отходе от детерминистских представлений и переход к стохастичности и хаосу в изучении биологической динамической системы (БДС).

В условиях синергетической парадигмы начальное состояние биологической динамической системы может быть принципиально не определено -

объект очень сложный, состоящий из множества составных элементов, непонятны законы взаимодействия между этими элементами, более того, их невозможно в принципе описать и изучить [102, 252].

Уже очевидно, что ведущей проблемой теории хаоса - самоорганизации (синергетики) последних лет является проблема организации структур из хаоса. С одной стороны, очевидно, что разработка новых методов идентификации параметров порядка и русел в рамках системного анализа и синтеза (САС) составляет основу современной теории хаоса - самоорганизации, с другой стороны, не вызывает сомнения и тот факт, что проблема идентификации параметров аттракторов биологической динамической системы (БДС) и диагностики различий между динамикой стохастического поведения БДС и хаотической динамикой этих же БДС - одна из базовых проблем теории хаоса. В последние годы в работах многих российских ученых говорится о целесообразности использования методов теории хаоса - самоорганизации (ТХС) в описании не только технических или природных систем, но также в описании различных БДС на молекулярном, клеточном, субклеточном, органном уровне и уровне систем органов, функциональных систем организма (ФСО) человека и популяционном уровне в терминах компартментов и кластеров, русел и параметров порядка, областей джокеров и самих джокеров [93, 96, 119, 142-144, 154 - 158, 155-159, 253 -256, 327-329, 368, 371-373].

Другими словами, в науке существует полная определённость - в рамках детерминистской парадигмы, частичная неопределённость - в рамках стохастической парадигмы и полная неопределённость - в рамках парадигмы самоорганизации [102, 302, 305].

Все чаще в научной литературе появляются работы, связанные с необходимостью разработки новых научных методов оценки динамики поведения БДС, поскольку классические (статистические, в частности) подходы становятся уже неадекватными в таких областях как экология, биология, биофизика и не могут в полной мере оценить и описать их тонкие отличия, дать ко-

личественную оценку базовым свойствам - самоорганизация и хаос - биосистемам [87,101,168,253,254,302].

Как известно, любые БДС испытывают постоянные возмущающие воздействия со стороны внешних факторов среды. В общем случае для БДС возможны четыре основных режима функционирования: стационарный режим, периодический режим, различные переходные режимы и хаотический режим. Именно разработка новых подходов и методов при оценке состояний биологической системы, находящихся в разных режимах функционирования, становится актуальной задачей современности.

Развитие синергетики и теории неравновесных систем и самоорганизации связано с новым пониманием влияния факторов окружающей среды на динамику показателей функциональных систем организма (ФСО) человека. Особенно это касается населения, проживающих в условиях северных территорий РФ, поскольку динамика экологических факторов урбанизированных экосистем Севера часто носит ярко выраженный хаотический режим, когда, например, показатели метеопараметров (температуры - Т, давления - Р и влажности - Я воздуха) неубедительно представлять в рамках традиционного стохастического подхода или описывать их методами теории вероятности и математической статистики. Это значит, что динамика значений параметров порядка БДС (например, ФСО человека) может носить хаотичный характер из-за хаотического характера действия перечисленных выше метеофакторов среды обитания.

Успешное освоение Севера, обладающего огромным экономическим потенциалом, тесно связано с изучением адаптации человека. Важнейшей частью данного вопроса является изучение функционирования физиологических систем организма человека в неблагоприятных климатоэкологических условиях Севера [4, 5]. Многочисленные исследования показывают, что проживание человека в гипокомфортных климатогеографических условиях в сочетании с антропогенной нагрузкой приводит к более интенсивному использованию и истощению адаптационных резервов организма человека [9-11, 14,

15, 28, 35-37, 42, 62, 110]. Использование богатейших природных ресурсов Севера занимает в экономике России ведущее место, в частности, в обеспечении топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны. Однако это сопряжено с климатогеографической агрессией, в связи с эти, проблема сохранения здоровья человека на Севере особенно в местах организации крупных промышленных комплексов с высоким уровнем загрязнения окружающей среды, крайне актуальна [62, 65- 66, 76, 135, 83, 85- 86, 122, 135]. На современном этапе имеются научные данные об адаптивных реакциях у отдельных возрастно-половых и конституциональных групп детей Тюменского Севера, однако до настоящего времени недостаточно сведений по оценке морфо-функционального и психофизиологического статуса организма детей - северян, родившихся и проживающих в условиях Среднего Приобья. Влияние факторов среды на состояние организма не ограничивается только моментом их воздействия, но сказывается на дальнейшем развитии и формировании организма. Это определяет актуальность изучения физиологических механизмов, которые обеспечивают приспособительный характер развития на каждом этапе онтогенеза в гипокомфортных климатогеографических условиях Тюменского Севера [128, 146-147, 150, 165, 170, 175, 193-195, 200, 223, 226, 234].

Современные исследования в рамках многих научных программ («Адаптация человека», «Глобальный эксперимент в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, европейской и азиатской части Севера РФ» и др.) показали, что проживание человека в экстремальных или дискомфортных климатических, геофизических условиях, сопряженных со значительной антропогенной нагрузкой на экосистемы в развитых промышленных регионах, приводит к более интенсивному использованию и быстрому истощению адаптационных резервов организма человека [112, 263, 271].

В рамках изучения такой проблемы создание методов и эффективных программ для ЭВМ по идентификации параметров порядка БДС или ФСО является актуальной и необходимой задачей. Формализация же этой проблемы в

рамках кибернетического подхода и её решение с позиций точных количественных методов системного анализа и синтеза представляется весьма актуальной [94, 101, 204-205, 250-252, 254-255, 299]. Исходя из этой предпосылки, данная проблема в настоящем исследовании является базовой на основе компартментно-кластерного подхода и теории хаоса - самоорганизации (ТХС).

В данной работе рассматриваются и обсуждаются результаты авторских исследований характера динамики климатоэкологических факторов на примере северной урбанизированной территории ХМАО - Югры (г. Сургута и Сургутского района) в свете теории хаоса - самоорганизации, которое является новым научным направлением в области количественной оценки базовых свойств - самоорганизация и хаос - биосистем и которые находят всё большее применение в биомедицинских науках.

Цель исследования: методом многомерных фазовых пространств на основе расчета параметров квазиаттракторов (КА) и построения матриц межат-тракторных расстояний, установить закономерности влияния хаотической динамики климатоэкологических факторов Югры на показатели здоровья населения.

Данная цель определила постановку и решение следующих задач:

1. Разработать методы и программы для ЭВМ по оценке параметров квазиаттракторов поведения вектора климатоэкологических факторов среды в фазовом пространстве состояний.

2. Выявить основные тенденции региональных климатоэкологических изменений путем их оценки с позиций традиционных методов: математической статистики, оценочно-бальных характеристик типизации погодных условий, санитарно-гигиенических индексов и критериев климатоэкологических факторов на примере ХМАО - Югры.

3. Методом многомерных фазовых пространств установить особенности динамики поведения климатоэкологических факторов в условиях северной территории (г. Сургут), степень детерминированности и хаотичности в движе-

нии вектора данной динамической системы и определить ее существенные параметры порядка.

4. С помощью матриц межаттракторных расстояний выявить и установить особенности (закономерности) динамики поведения временного тренда кли-матоэкологических факторов, как показателей динамической системы, на примере сравнения разных климатогеографических территорий - северной территории (центральная часть ХМАО - Югры, г. Сургут) и средней полосы РФ (г. Самара).

5. Выявить взаимосвязь и оценить влияние хаотической динамики погодно-климатических изменений на показатели климаточувствительных заболеваний взрослого населения на примере жителей г. Сургута и на этой основе выявить наиболее информативные климатоэкологические факторы риска (параметры порядка).

6. Изучить особенности динамики па�