Сезонные особенности паттерна внешнего дыхания у студентов с разными хронотипами

Введение.*В настоящее время значительно усилился интерес физиологов и клиницистов к ритмическим вариациям биологических и поведенческих паттернов [1, 2]. Данный аспект исследований очень актуален в плане оптимизации режимов сна и отдыха, организации трудового и учебного процесса [3], ослабления негативных эффектов социального джетлага на организм человека [4]. Заслуживает внимания разработка вопроса о биоритмах внешнего дыхания, в т.ч. о мезоритмах (циркадианных) и макроритмах (цир-каннуальных) его паттерна у человека в различных условиях среды обитания и при раз ных видах деятельности [5]. Ритмологический анализ дыхания как функции, определяющей уровень здоровья и адаптационный потенциал организма, особенно важен в отношении школьников и студентов [6, 7], у которых график учебного времени не совпадает с циркадианными параметрами физиологических функций [8], что является причиной десинхронозов и нарушения адаптации.

Цель исследования. Анализ паттерна внешнего дыхания у студентов с утренним, дневным и вечерним типами активности в условиях покоя и после монотонной умственной нагрузки в разное время дня весеннелетнего и осенне-зимнего периодов года.

Материалы и методы. Исследование проведено в осенне-зимний и весенне-летний периоды учебного года на студентах Самарского университета в возрасте 19–23 лет с соблюдением правил биоэтики в соответствии с Хельсинкской декларацией Всемирной медицинской ассоциации. Хронотипы испытуемых определяли общепринятым методом с помощью теста Д. Хорна - О. Остберга в модификации А.А. Путилова [9] и анкеты О.Н. Московченко [10]. В весенне-летний период были обследованы 27 «жаворонков», 46 «голубей» и 53 «совы», а в осенне-зимний -соответственно 29, 54 и 50 представителей указанных хронотипов. Внешнее дыхание регистрировали на компьютерном спирографе КМ-АР-01 -«Диамант» до и после выполнения дозированной умственной нагрузки монотонного характера. Монотонность работы создавалась непрерывным последовательным выполнением корректурных тестов и задач на арифметический счет в уме. В указанные сезоны года каждого испытуемого обследовали в утренние, дневные и вечерние часы в течение одного дня. Анализировали изменения минутного объема дыхания (МОД, л/мин), дыхательного объема (ДО, л), частоты дыхания (ЧД, цикл/мин), времени вдоха (Твд, с) и выдоха (Твыд, с), дыхательного коэффициента (Твд/Твыд), длительности дыхательного цикла (Тц, с), объемной скорости инспираторного потока (Vi, л/мин). Статистическую обработку полученных данных проводили в программе SigmaPlot 12.0, достоверными считали различия при р<0,05.

Результаты и обсуждение. Анализ спи-рограмм, зарегистрированных у студентов в состоянии покоя и после монотонной умственной деятельности, показал наличие сезонных особенностей паттерна внешнего дыхания у представителей всех хронотипов. При этом наблюдаемые сезонные различия более заметно проявлялись у «жаворонков» и «голубей».

Оценивая паттерн дыхания у утреннего хронотипа, следует отметить, что в состоянии покоя межсезонные различия касались ряда показателей спирограмм и отмечались в утренние и вечерние часы (рис. 1). Так, в весенне-летнем периоде утренние значения

МОД и ЧД у данного хронотипа были меньше соответственно на 21,8 и 15,3 % (р<0,05), чем в осенне-зимнем периоде. Отмечаемое во второй половине года увеличение ЧД в утренние часы было обусловлено увеличением времени выдоха и общей продолжительности дыхательного цикла. В частности, утренние показатели Твыд и Тц весной/летом превышали значения, наблюдаемые осенью/зимой, на 22,9 и 19,1 % (р<0,05) соответственно. Сезонные различия вечерних показателей дыхания у «жаворонков» проявлялись в величине Твыд, которая уменьшалась в осенне-зимний период на 12,7 % по сравнению с весеннелетним периодом. Более выраженные сезонные особенности дыхания, регистрируемые у «жаворонков» в утренние часы, могут быть связаны со временем максимального выброса в кровь кортизола, что происходит у них раньше, чем у большинства людей. Кроме того, согласно литературным данным [11], «жаворонкам» свойственны в целом более высокое содержание кортизола и его более значительные суточные вариации, чем, например, вечернему хронотипу.

Что касается студентов с дневным хронотипом, то межсезонные различия исходных параметров спирограмм отмечались у них в дневные часы, а также, подобно «жаворонкам», вечером и проявлялись в величинах МОД, ЧД, Vi, Твд и Тц (рис. 2).

В частности, МОД у «голубей» в осеннезимний сезон в дневные и вечерние часы был выше соответственно на 20,8 (р<0,01) и 18,3 % (р<0,05), чем в весенне-летний период. ЧД у этих студентов осенью/зимой также возрастала по сравнению с первым полугодием, но слабее, чем у «жаворонков» (на 9,4 %; р<0,05), причем эта реакция обусловливалась главным образом изменениями фазы вдоха. Осе-нью/зимой у «голубей» отмечалось увеличение дневного значения Vi на 18,2 % (р<0,05) и уменьшение вечернего значения Твд на 12,9 % (р<0,05) относительно весенне-летних показателей. Характерное для «голубей» наличие сезонных различий в дневных значениях показателей дыхания, вероятно, связано с разным уровнем активации их биоритмов в часы наибольшей суточной активности в весеннелетний и осенне-зимний периоды.

Рис. 1. Сезонные особенности показателей внешнего дыхания у студентов с утренним хронотипом в состоянии покоя в разные периоды дня.

# – достоверные различия между весенне-летним и осенне-зимним периодами при p<0,05 (Wilcoxon Signed Rank Test)

Приуроченность сезонных различий паттерна дыхания к утреннему времени дня у «жаворонков» и к дневным часам у «голубей» позволяет говорить о хронотипической зависимости цирканнуальных изменений дыхательной функции. Определенным подтверждением этого служат результаты наблюдений за студентами-«совами», которые в нашем исследовании показали наименьшую чувствительность функции дыхания в состоянии покоя к смене периодов года. Одним из объяснений этого может быть более высокий порог возбудимости, отмечаемый у представителей вечернего типа [3], и, возможно, меньшая их чувствительность к факторам, сопровождающим смену сезонов года.

Изменения дыхания у студентов в ответ на монотонную умственную нагрузку зависели как от типа биоритмов, что нами уже отмечено ранее [7], так и от периода года. У «жаворонков» и «сов» наибольшее количество менявшихся показателей наблюдалось при нагрузке в осенне-зимнем, а у «голубей» в весенне-летнем периоде. В частности, у утреннего типа (табл. 1) весной/летом дыхание менялось только при работе вечером, когда отмечалось уменьшение МОД, обусловленное снижением ДО. В осенне-зимний сезон респираторные реакции у «жаворонков» раз- вивались при умственной нагрузке в утренние и вечерние часы и касались временных и объемных показателей. Нагрузка утром снижала МОД за счет уменьшения ДО, при выполнении тестов вечером снижение МОД происходило за счет уменьшения ЧД. Кроме того, в оба периода года монотонная нагрузка у «жаворонков» в вечернее время уменьшала объемную скорость инспираторного потока на 11,7 (р<0,01) и 16,7 % (р<0,05) соответственно.

У «голубей» статистически значимые реакции на монотонную нагрузку в оба периода года наблюдались днем и вечером (табл. 1). В весенне-летний период при работе днем среди объемных параметров паттерна дыхания у них достоверно менялись значения ЖЕЛ и Vi (снижение в среднем на 6,1 %; р<0,05), а среди временных - Тц, Твд и Твд/выд, которые увеличивались в среднем на 8,4 % (р<0,05). Выполнение однообразных тестовых заданий в вечерние часы весеннелетнего периода вызывало уменьшение ДО и длительности дыхательного цикла. Несколько иные реакции на нагрузку у «голубей» отмечались в осенне-зимний период. Выполнение тестов в дневные часы в данный сезон года вызывало у них снижение ДО и соответствующее уменьшение МОД. Параллельно с этим статистически значимо (в среднем на 11,1 %) уменьшались объемная скорость инспираторного потока Vi и коэффициент Твд/Твыд. Монотонная работа в вечернее время, как и днем, уменьшала у «голубей» МОД (табл. 1).

У «сов» в весенне-летнем периоде значимые реакции на нагрузку наблюдались в виде снижения ЖЕЛ в утренние часы и пролонгации вдоха при работе днем. В осеннезимнем периоде реакции дыхания у данного хронотипа проявлялись при работе в вечернее время в виде снижения МОД и Vi в среднем на 9,1 % (р<0,05) в сочетании с уменьшением ЧД на фоне удлинения дыхательного цикла и фазы вдоха (табл. 1).

Рис. 2. Сезонные особенности показателей внешнего дыхания у студентов с дневным хронотипом в состоянии покоя в разные периоды дня. Достоверные различия между весенне-летним и осенне-зимним периодами при: # – p<0,05; ## – p<0,01 (Wilcoxon Signed Rank Test)

Таблица 1

Изменения (% от исходного уровня) параметров паттерна внешнего дыхания у студентов с утренним, дневным и вечерним хронотипами после монотонной умственной нагрузки в различные периоды года

Примечание. * – p<0,05, ** – p<0,01, ***– p<0,001 – достоверные изменения относительно состояния покоя (Mann–Whitney Rank Sum Test).

Выявленные у обследованных студентов сезонные особенности фоновых параметров дыхания и его реакций на монотонную умственную нагрузку в разное время дня могут быть результатом воздействия ряда факторов. В качестве основного фактора следует назвать изменение активности супрахиазматиче-ского ядра, которое является ведущим гене- ратором циркадианных ритмов физиологических функций [12]. Главным внешним регулятором активности циркадианного пейсме-кера служат колебания уровня освещенности и длительности световых периодов [13, 14]. Получая информацию об этих колебаниях, супрахиазматическое ядро синхронизирует процессы, протекающие в органах и тканях, и влияет на молекулярные механизмы периферических часов, используя электрические, метаболические и эндокринные сигнальные пути [15]. В частности, характер световых раздражений определяет циркадианные паттерны выработки мелатонина и кортизола [2, 16], регулирующих уровень бодрствования и интенсивность физиологических функций. С учетом этого суточные и сезонные колебания параметров дыхания, наблюдаемые у представителей разных хронотипов, допустимо рассматривать в аспекте сезонных вариаций циркадианного профиля этих гормонов. Последний, как показано на примере мелатонина, зависит от нескольких характеристик светового раздражения, включая его интенсивность, спектральный состав, время и продолжительность воздействия [17]. Очевидно, что эти характеристики существенно различаются в весенне-летние и осенне-зимние месяцы года, что может влиять на сезонные ритмы физиологических функций, в т.ч. дыхания.

Межсезонные различия параметров паттерна дыхания могут также определяться климатическими условиями, характерными для разных периодов года. В ряде исследований отмечен рост МОД в осенний [6] и зимний [5] периоды, трактуемый авторами как результат повышения возбудимости дыха- тельного центра на фоне низких температур внешней среды. Указанные авторы отмечали, что увеличение МОД осенью/зимой и его снижение весной/летом связаны с колебаниями ДО [5, 6]. Однако у обследованных нами студентов сезонная динамика МОД и его изменения при нагрузке обеспечивались вкладом объемных и временных параметров паттерна дыхания, причем соотношение изменений ДО и ЧД различалось у разных хронотипов. Например, изменения МОД определялись у «жаворонков» снижением ЧД и ДО, у «голубей» – ДО, у «сов» – ЧД, что позволяет говорить о циркадианной типологии сезонных колебаний функции внешнего дыхания.

Заключение. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что паттерн внешнего дыхания характеризуется сезонными изменениями и зависит от индивидуальных хронотипов. Основная тенденция сезонной динамики паттерна дыхания у обследованных лиц заключалась в увеличении минутного объема дыхания в осенне-зимний период относительно весенне-летних месяцев. Реакции дыхания на монотонную умственную нагрузку в осенне-зимний период также имели большую выраженность, чем в весенне-летний сезон. Тенденции в сезонных изменениях внешнего дыхания заметнее проявлялись у студентов с утренним и дневным хронотипами, что можно рассматривать в плане более широкого диапазона адаптивных возможностей дыхательной функции у таких лиц. Допустимо говорить о зависимости вклада реакций внешнего дыхания в механизмы трудовой адаптации студентов в различные сезоны года от циркадианной типологии.