Abstract

1. Introducere

(a) Navigația geomagnetică la animale

(b) Magnetodetecția pe bază de criptocrom

(c) Un magnetosens uman?

(d) Furtuni geomagnetice

GMF are o intensitate maximă a câmpului de aproximativ 70 µT la polii geografici (unde câmpul este aproape vertical) la mai puțin de 30 µT la ecuatorul geomagnetic (unde câmpul este paralel cu câmpia terestră). Ejecțiile de masă coronară pot fi direcționate ocazional spre Pământ. Acestea pot furniza ionosferei un număr mare de ioni cu energie ridicată, care sunt suficiente pentru a provoca modificări relativ minore ale puterii și direcției câmpului magnetic. Astfel de evenimente sunt denumite „furtuni geomagnetice” (AGA). Aceste tulburări globale pot dura de la câteva ore până la zile, literatura de specialitate definind în general o furtună geomagnetică ca implicând modificări medii planetare de 24 de ore la GMF de la aproximativ 30 nT [15-17]. Astfel de furtuni apar în medie o dată la 10 zile sau cam așa ceva, dar nu apar cu o distribuție uniformă. În schimb, activitatea solară relevă o serie de oscilații cvasi-periodice, dintre care cea mai proeminentă este ciclul solar de aproximativ 11,5 ani. Mai mult, GMS tind să fie mai frecvente la echinocți și mai extreme la latitudini mai mari [18,19].

stres

(e) Furtuni geomagnetice și sănătatea umană

Un corp larg, complex și adesea controversat al literaturii a legat activitatea geomagnetică crescută (GMA) cu o serie de rezultate psihologice, neurologice, cardiovasculare (CV), imunologice și comportamentale (vezi materialul suplimentar electronic, tabel). Rădăcinile acestei literaturi [20] se află în știința biologică rusă, unde studiile au dezvăluit o serie de asociații de sănătate ale AGA de diferite forțe și reproductibilitate, multe dintre aceste asociații fiind cercetate de atunci în literatura occidentală [19]. Datorită constrângerilor de spațiu, dovezile selectate pentru constatările cheie sunt prezentate mai jos. Cu toate acestea, tabelul cu materiale suplimentare electronice include o listă detaliată de referință.

În timp ce studiile occidentale timpurii despre sistemul CV au fost controversate, cu unele rezultate negative notabile [21] și o retragere [22], studii ulterioare au relevat asocieri pozitive ale SMG cu infarct miocardic, accident vascular cerebral, tensiune arterială, fluxul sanguin capilar și o corelație inversă cu variabilitatea ritmului cardiac (HRV) [18,19,23,24]. Un studiu a observat că în anii de activitate maximă a SMG, pacienții internați pentru infarct miocardic au crescut cu 25% [25]; alte studii au raportat o relație similară, reprezentând o creștere cu 5% a mortalității în anii solari maximi [26]. Mai mult, aceste studii epidemiologice sunt susținute de dovezi provenite atât din studii fiziologice umane [27,28], cât și animale [29,30] care relevă modificări ale tensiunii arteriale și ale HRV în raport cu perturbările geomagnetice.

În ceea ce privește literatura psihiatrică, au fost relevate asociații între GMA și spitalizări crescute pentru depresie [31] și apeluri de ambulanță pentru tulburări mentale în general [32], un studiu bine citat raportând o creștere de 36% a internărilor în spitale pentru bărbații cu diagnostic de depresie în perioadele de GMA ridicată [31]. Cu toate acestea, astfel de descoperiri psihiatrice nu au fost întotdeauna repetate și rămân oarecum controversate (a se vedea materialul suplimentar electronic, tabelul și [18,19] pentru discuție).

Asocierile au fost, de asemenea, demonstrate în studii de sănătate mai largi, corelând GMA cu numărul total de decese [33]. De asemenea, au fost raportate corelații între ciclurile solare și longevitate [34], deși astfel de constatări rămân echivoce [35]. O serie suplimentară de studii au relevat asocieri între ciclul solar și pandemiile de gripă [36], iar o relație similară a fost raportată recent cu infecțiile cu papilomavirus [37]. Au fost observate, de asemenea, relații între GMA și sindromul morții subite ale sugarului [38] și epilepsie [39].

Una dintre puținele mari revizuiri din literatura de specialitate despre GMS a ajuns la concluzia clară că GMA are un efect asupra sănătății CV-ului uman și concluzia mai puțin sigură că poate exista o asociere între GMA și admiterile pentru boli mintale [18]. O revizuire a vastei literaturi magnetobiologice rusești a concluzionat că „totalitatea materiei descrise aici susține puternic ipoteza că perturbările GMF sunt corelate cu condiția generală a omului” [19]. Asocierile GMA cu anumiți parametri - în special, sistemul CV și suprimarea melatoninei - sunt acum atât de puternic reproduse încât asociațiile în sine nu sunt neapărat subiect de controversă. Mai degrabă, întrebarea fundamentală se referă acum la cauzalitate versus corelație. Cu toate acestea, factorii de confuzie evidenți - sezonalitate și latitudine - sunt deseori controlați, iar rezultatele au fost adesea confirmate în diferite studii fiziologice umane și animale, atât în ​​timpul GMS, cât și folosind câmpuri magnetice aplicate cu rezistența Pământului (material suplimentar electronic, tabel). Prin urmare, s-a aplicat o considerație serioasă unei baze biologice raționale pentru aceste asociații.

(f) Ipoteza melatoninei furtunilor geomagnetice

Un mecanism plauzibil de acțiune biologică a AGA a confundat științele biologice de zeci de ani - unul dintre principalele motive pentru care constatările de mai sus sunt adesea tratate cu prudență. Când se caută explicații raționale pentru etiologia GMS, o caracteristică izbitoare este magnitudinea lor mică - doar 0,1% sau mai puțin din fondul GMF, cu modificări direcționale tipice ale câmpului o fracțiune de grad. Acest lucru pune o problemă semnificativă atunci când se iau în considerare mecanisme biofizice plauzibile. În timp ce au fost propuse numeroase modele (a se vedea [18,19,40] pentru discuție), cele mai multe rămân neclare și nefondate de dovezi. Cu toate acestea, o serie de ipoteze care susțin un rol pentru melatonină și sistemul circadian au câștigat cel mai răspândit sprijin [15,16,18,31,38,39,41,42].

Lumina este detectată de fotoreceptorul non-clasic melanopsină din ochi, cu informațiile fotice transmise către nucleul suprachiasmatic (SCN), unde acționează ca principalul sincronizator de mediu al stimulatorului cardiac mașină circadian mamifer și este utilizat pentru a modula transcripția cuplată/bucle de feedback pentru traducere [43-46]. Aceasta implică un oscilator molecular al mai multor componente, inclusiv genele Period (PER1, PER2 și PER3) și genele criptocrom (CRY1 și CRY2). SCN acționează ca un stimulator cardiac principal care reglează multe funcții în organism, inclusiv funcții endocrine (inclusiv melatonină și glucocorticoizi), rezultate comportamentale (temperatura corpului, cicluri de somn/veghe), metabolism și funcția hepatică. Glanda pineală este sursa melatoninei circulante, a cărei concentrație plasmatică este mai mare în timpul nopții biologice decât ziua și este implicată fundamental în reglarea ciclurilor de somn - veghe. Expunerea retinei la lumină pe timp de noapte, prin căile descrise mai sus, produce suprimarea pe termen scurt a secreției nocturne de melatonină într-o manieră dependentă de intensitate, ceea ce poate duce la modularea ritmurilor circadiene normale.

În timp ce există dovezi ale suprimării melatoninei ca răspuns la modificările GMF, rămân întrebări fundamentale cu privire la baza biofizică și moleculară presupusă pentru astfel de asociații și raționamentul biologic de bază pentru un astfel de comportament circadian. Mai jos, dovezile ipotezei melatoninei sunt dezinteresate, reformulate în contextul lucrărilor recente privind magnetorecepția de navigație geomagnetică și extinse: în primul rând, pentru a ipoteza un candidat biologic specific și, în al doilea rând, pentru a ipoteza un cadru teoretic nou, dar plauzibil.

2. Criptocromul ca principal candidat la efectele furtunilor geomagnetice asupra oamenilor

Criptocromul se prezintă imediat ca principalul candidat pentru un rol care leagă GMS de sistemul circadian: dintre cele două funcții stabilite ale acestuia, una este să acționeze ca o busolă geomagnetică, cealaltă să acționeze ca un oscilator circadian. Cu toate acestea, aceasta este probabil o evaluare oarecum naivă a criptocromului, deoarece aceste roluri sunt considerate a fi complet distincte. În timpul pregătirii și revizuirii acestui manuscris, criptocromul a fost sugerat, într-o manieră conexă, ca genă candidată care stă la baza relațiilor observate între ciclul solar și pandemii de gripă [36] și sugerat ca candidat pentru efectele controversate ale surselor antropice de CEM pentru sănătatea umană [62,63]. Aceste recenzii sunt o completare ideală a acestei lucrări datorită atenției lor distincte (a se vedea, de asemenea, materialul electronic suplimentar pentru discuții suplimentare despre PF-EMF).

(a) Dovezi pentru criptocrom

(b) Câmpul geomagnetic ca zeitgeber secundar?

3. Interacțiuni magnetosens - HPA: două modele

(a) Un model generalizat al strategiilor de dispersie migratorie

(b) Un model generalizat al răspunsurilor la stres ale sistemelor senzoriale

Ambele modele de mai sus sunt legate funcțional, implicând răspunsuri la stres în raport cu semnale noi, extreme sau neașteptate și sunt tratate ca fiind în mare măsură echivalente mai jos. Primul model evaluează interacțiunile magnetosense - HPA în cadrul noțiunilor clasice și verificate experimental ale magnetosensei ca dispozitiv în primul rând de migrație. Cu toate acestea, se crede că magnetosense are o rezoluție maximă de poate câțiva kilometri [1]. Prin urmare, la animalele cu intervale de dispersie limitate, este dificil să se prevadă o componentă geomagnetică a comportamentului de dispersie-stres. În schimb, cel de-al doilea model evaluează interacțiunile interacțiunilor magnetosense - HPA în cadrul unor modele teoretice mai moderne (dar neconfirmate experimental) [83], dar ca atare este mai generalizat pe tot cuprinsul regnului animal. De fapt, ambele modele ar putea coexista la unele animale. Prin urmare, se propune ca informațiile din sensul magnetos - cunoscut a fi integrate într-o manieră ierarhică și complexă cu celelalte simțuri [1-3] - să fie utilizate într-o serie de funcționalități hormonale conexe care sunt optimizate în funcție de navigație, migrație sau dispersie strategiile organismului.

(c) Furtunile geomagnetice ca experiment al naturii: falsificarea sistemului?

Spre deosebire de GMS, interacțiunile magnetosensului cu PF-EMF sunt probabil să fie complexe, în funcție de factori precum intensitatea câmpului, frecvența, sincronizarea, durata, polarizarea, condițiile de iluminare, modificările relative și durata acestor surse, în plus la posibilele efecte ale ferestrei temporale și vârsta organismului. Cu toate acestea, pe măsură ce frecvențele și puterea MF se apropie de domeniul și intensitatea geomagnetică, s-ar putea aștepta ca descoperirile să devină în general mai pozitive și este interesant să speculăm modul în care interacțiunile ipotetizate magnetosens - HPA ar putea fi legate de literatura extrem de controversată cu privire la PF-EMF pe sisteme biologice (a se vedea materialul suplimentar electronic și [62,63] pentru discuții suplimentare). Cu toate acestea, există dovezi că sistemul busolei a cel puțin unor animale reacționează la PF-EMF - liniile electrice aeriene de înaltă tensiune perturbă alinierea normală a rumegătoarelor la nord-sud cu GMF [96].

(d) Reevaluarea datelor existente în cadrul interacțiunilor magnetosense - HPA

Se observă că sensibilitatea aparentă a suprimării melatoninei ca răspuns la GMS (devenind semnificativă la aproximativ 15-80 nT [15,16,38,39,41,93,97]) reflectă sensibilitatea aparentă a sistemului busolei (în interval de 10–200 nT [3]). Mai mult decât atât, multe publicații anterioare au interpretat concluziile cu GMS în ipoteza că există o componentă specifică a GMS care este importantă (de exemplu, rezonanțele Schumann [71] sau pulsațiile pc1 [24]), în timp ce în cadrul actual, este pur și simplu schimbarea în GMF obișnuit, care este suficient pentru a obține răspunsuri. Acest lucru este susținut de dovezile provenite din studiile efectuate pe animale pe laborator, că schimbarea MF aplicată este importantă, mai degrabă decât stimulul principal în sine - eliminarea stimulului și întoarcerea animalelor la GMF natural produc, de asemenea, reducerile observate ale melatoninei [98].

4. Rezumatul dovezilor și evaluarea viitoare

5. Discuție și consecințe ale ipotezei

În cele din urmă, implicațiile pentru sănătatea umană sunt remarcate pentru o mare varietate de tulburări asociate cu activitatea geomagnetică, inclusiv boala CV și tulburările psihiatrice. Investigațiile ulterioare ar putea sugera utilizarea unor noi intervenții terapeutice pentru bolile exacerbate de AGA. În Rusia - unde efectul AGA a câștigat o acceptare instituțională mult mai răspândită [18,19,57] - un studiu a încercat deja terapia cu meledonină pentru a preveni efectele AGA asupra pacienților cu CV, cu rezultate pozitive [58]. Cu toate acestea, dovezile experimentale pe animale au sugerat că efectele activității magnetice asupra sistemului circadian sunt dependente de lumină. O măsură mai simplă - utilizarea pe scară largă a măștilor de somn - ar putea proteja pacienții cu risc de efectele negative ale furtunilor geomagnetice?

Mulțumiri

Autorul dorește să le mulțumească cu recunoștință următoarelor persoane pentru atenția lor și pentru criticile constructive cu manuscrisul: Prof. Tim Crow, Dr. Helen Lloyd, Dr. Joanne Lloyd, Dr. Kate Lester și arbitrii.