Транспорт ионов через мембрану при наличии низкоинтенсивного СВЧ - излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Артемова, Диана Георгиевна АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Волгоград МЕСТО ЗАЩИТЫ
2013 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.04 КОД ВАК РФ
Диссертация по физике на тему «Транспорт ионов через мембрану при наличии низкоинтенсивного СВЧ - излучения»
 
Автореферат диссертации на тему "Транспорт ионов через мембрану при наличии низкоинтенсивного СВЧ - излучения"

На правах рукописи

Артемова Диана Георгиевна

ТРАНСПОРТ ИОНОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ПРИ НАЛИЧИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.04 - Физическая электроника 03.01.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

з 1 скт 2013

005536386

Волгоград -2013

005536386

Работа выполнена на кафедре «Физика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Шеин Александр Георгиевич.

Официальные оппоненты: Байбурин Вил Бариевич,

доктор физико-математических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (СГТУ), заведующий кафедрой «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»;

Лобышев Валентин Иванович,

доктор физико-математических наук, профессор, специализированный учебно-научный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, заведующий кафедрой «Физика».

Ведущая организация Институт радиотехники и электроники

им. В .А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН).

Защита состоится «28» ноября 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь г, /

диссертационного совета / Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Долгое время считалось, что воздействие ЭМ полей на биологические объекты вызвано локальным нагревом тканей (термическое действие), однако в последние годы было показано, что биологическое воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ) проявляется и при сверхмалых интенсивностях (ниже пороговой величины теплового эффекта - 10 мВт/см2), когда средний по объёму нагрев тканей не является определяющим (менее чем на или пренебрежимо мал [1].

Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными [2], то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены.

В ряде работ [3, 4, 5] теоретически показано, что электромагнитные волны сантиметрового диапазона (СВЧ) могут рассматриваться как влияющие на процессы в биологических объектах, поскольку частоты колебаний клетки лежат в широком диапазоне - от единиц гигагерц до десятков терагерц, перекрывая СВЧ, КВЧ и терагерцовый диапазоны.

Трудность решения вопроса воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты заключается в том, что пока не найдено единого подхода к изучению данной проблемы. Кроме того, совершенно неясно, каким образом биообъект формирует отклик на сверхвысокочастотное воздействие и может ли он сам генерировать высокочастотное колебания. Представляет определенный интерес поиск подходов к созданию физических моделей, описывающих процесс взаимодействия ЭМИ указанных диапазонов с биологическими объектами в целом и живой клеткой и ее структурами, в частности.

В процессах жизнедеятельности важную роль играют биологические мембраны, которые являются основой жизнедеятельности клеток (основной структурной единицы живого организма). В частности, важна роль мембранных пор как каналов обмена клетки веществом и энергией с окружающей средой или другими клетками. Поэтому понимание процессов воздействия ЭМИ на биологические объекты можно рассматривать со стороны действия ЭМИ на мембранные поры.

В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологический объект, и построение теории, позволяющей описать этот процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются актуальной задачей.

Исследования в рамках данной работы были поддержаны аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета, а так же проекта №2.1.1/12322 «Исследование воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на биологические системы».

Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени накоплен большой объём биологических эффектов, найденных экспериментально или предсказанных теоретически, относящихся к проблеме механизмов воздействия низкоинтенсивного излучения на биологические системы различной сложности организации. Существует несколько основных концепций, объясняющих механизмы действия ЭМИ на биологические объекты различного уровня организации.

Рассмотрение проблемы биологического действия СВЧ-излучения впервые было предпринято М.Б. Голантом и Н.Д. Девятковым. В 1966 году под руководством академика Н.Д. Девяткова в НПП "Исток" создана первая в СССР лаборатория медицинской электроники, разработки которой в настоящее время продолжает НПП "Исток-Система". В этом же году была опубликована первая научная работа, посвященная необычным эффектам воздействия низкоинтенсивных (менее 10 мВт/см2) электромагнитных волн миллиметрового диапазона на биологические объекты. Основой для проведения такого эксперимента было изобретение и запуск в серийное про-

изводство в НПО Исток, г. Фрязнно первых в мире пшрокодиапазонных генераторов на основе вакуумных приборов СВЧ типа ламп обратной волны [М.Б. Голант, Р.Л. Виленская, Е.А. Зюли-на и др.]. Н. Д. Девятковым, совместно с Э. А. Гельвичем, В. Н. Мазохиным и др. разработаны теоретические основы и созданы аппараты СВЧ-гипертермии, выполняющие локальную электромагнитную гипертермию злокачественных новообразований. В настоящее время данное направление активно развивается и теоретические наработки Н. Д. Девяткова и его коллег воплощены в выпускаемые ныне во ФГУП «HlШ Исток» установки.

Информационная гипотеза, разработанная школой академика Н. Д. Девяткова [Н.Д. Девятков, О.В.Бецкий, H.H. Лебедева] получила косвенное теоретическое подтверждение в работе известного немецкого физика Г. Фрёлиха, который несколько позже и независимо от российских учёных впервые высказал и обосновал мысль об электромагнитной когерентности в биосистемах, обратил внимание на тот факт, что собственные колебания мембран клеток, в соответствии с их физическими свойствами являются источниками ЭМИ. Есть все основания считать, что когерентные колебания по Г. Фрёлиху и акустоэлектрические колебания в плазматических мембранах клетки есть одно и то же физическое явление (О.В.Бецкий и др., 2002).

На фоне значительного ряда работ по действию электромагнитного излучения на живые организмы возникло новое направление, заключающееся в действии этого фактора на фотосинте-зирующие объекты [Тамбиез А.Х., Кирикова H.H.] и реакционные центры фотосинтезирующих бактерий.

Методы воздействия модулированных электромагнитных полей на биологические системы разного уровня организации, а так же исследование транспортных процессов в клетках с использованием ионселективных электродов проводятся в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте Биофизики Клетки Российской Академии Наук в лаборатории биологических эффектов неионизирующих излучений [Пашовкин Т.Н., Алексеев С.И.].

Несмотря на многочисленные гипотезы, выдвинутые относительно первичных механизмов действия излучения на биологические объекты, многие из них имеют неразрешимые противоречия и допущения, что не вносит ясности в изучаемый вопрос.

Целью работы является исследование физических механизмов взаимодействия электромагнитного поля высокой частоты с биологическим объектом и определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие, выявление закономерностей влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, применение методов физической электроники для анализа процессов транспорта ионов через мембрану.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

1) проведены исследования, подтверждающие резонансный характер взаимодействия СВЧ-излучения с зернами пшеницы и определены частоты, на которых наблюдается это явление; проведен цикл исследований по влиянию внешнего ЭМП с заданными параметрами на рост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций зерен пшеницы;

2) обнаружены закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, а следовательно, и процессы жизнедеятельности клеток.

3) предложена модель, основанная на представлении физических процессов при движении заряженных частиц, позволяющая изучать процессы, происходящие при воздействии внешнего низкоинтенсивного СВЧ - излучения;

4) обоснована возможность использования данной модели для описания ионного транспорта через биологическую мембрану;

5) произведено моделирование распределения потенциала и траекторий частиц в канале мембраны, учитывающее наличие липидных головок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) показано, что частотнозависимый характер взаимодействия может выступать в качестве одного из важных критериев, описывающих воздействие электромагнитного излучения на биологический объект;

2) установлены частоты поглощения ЭМ колебаний, в пределах которых имеет место резонансное взаимодействие внешнего поля и исследуемого биологического объекта;

3) впервые предложена модель, позволяющая рассматривать процессы ионного транспорта через мембранную пору с учетом принятой структуры липидной мембраны, и как следствие возможность управления ионным током посредством наложения внешнего ЭМ поля с заданными параметрами.

Научная и практическая ценность:

1) проведено комплексное исследование и разработаны новые подходы, связанные с анализом воздействия СВЧ-излучения на различные процессы в биологическом объекте;

2) раскрыты некоторые стороны механизмов действия СВЧ-излучения;

3) доказано влияние СВЧ диапазона длин волн в воздействии на изучаемый биологический объект;

4) Резонансные частоты поглощения СВЧ-излучения биологическим объектом, определенные в экспериментальной части работы, позволят в дальнейших исследованиях в данном направлении корректно выбирать частоты, на которых целесообразно проводить облучение исследуемых образцов;

5) предложенная модель позволяет проследить процесс ионного транспорта через мембранную пору при воздействии низкоинтенсивного СВЧ - излучения и даёт возможность управления этим процессом.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы была использована следующая методология исследований.

В экспериментальном исследовании использовался статистический метод, дающий возможность получить среднестатистические результаты и обобщить их на основе большого количества экспериментального материала; для расчета распределения потенциала и решения задачи электростатики использовался метод конформных отображений; при построении картин распределения потенциала применялись современные методы компьютерного моделирования; для проведения расчетов и анализа процессов транспорта ионов применялись математические методы, используемые в физической электронике.

Достоверность результатов исследования обусловлена достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты экспериментального исследования по влиянию СВЧ-излучения низкой интенсивности на рост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций исследуемого биологического объекта, подтверждающие резонансный характер такого взаимодействия.

2) Закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране.

3) Модель для описания ионного транспорта через мембранную пору, созданная на основе представления движения заряженных частиц в пространстве со сложными границами, обоснование возможности ее использования.

4) Моделирование распределения потенциала внутри мембранной поры и построение траекторий движения ионов по предложенной модели.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на 47-ой внутривузов-ской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2010 г.), 48-ой внутривузовской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2011 г.), Международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы науки» (г. Тамбов, сентябрь 2011 г.), 49-ой внутривузовской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2012 г.), XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25 (май 2012 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в следующих рецензируемых журналах: «Биомедицинская радиоэлектроника», «Миллиметровые волны в биологии и медицине», «Актуальные проблемы науки», а также в сборниках тезисов конференций. Всего - 6 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04 - «Физическая электроника», а именно пункту 3 -«Вакуумная электроника, включая методы генерирования потоков заряженных частиц, элек-

тронные и ионные оптические системы»; 03.01.02 - «Биофизика», а именно пункту 2 - «Биофизика клетки: биофизика мембран; биофизика ионных каналов».

Личный вклад автора. Автором диссертации самостоятельно выполнено исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: проведена серия экспериментальных исследований по определению частотно зависимого характера воздействия СВЧ -излучения низкой интенсивности на исследуемый биологический объект [1], определён диапазон частот, в пределах которого можно ожидать реакции на внешнее воздействие [2,3], построена модель, описывающая процесс ионного транспорта через мембранную пору, обоснована возможность использования этой моделй, получено распределение потенциала и картины траекторий частиц в канале мембраны с помощью предложенной модели [4].

Постановка задач, обсуждение результатов и формулировка выводов проведены совместно с научным руководителем профессором А.Г. Шейным.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, списка использованных источников, включает 125 страниц, 66 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, степень разработанности темы исследования, научная новизна, научная и практическая ценность результатов исследования, сформулированы цель и задачи исследования, методы исследования, указаны положения, вносимые на защиту, а также приводится список конференций, на которых были апробированы результаты, представленные в диссертации.

Первая глава является обзором литературы по теме диссертации. В ней приведен анализ влияния излучений миллиметрового и сантиметрового диапазонов на живые организмы. Систематизированы исследования, посвященные применению СВЧ и КВЧ излучений в сельском хозяйстве в настоящее время, описаны основные направления применения ЭМИ СВЧ и КВЧ диапазонов в медицине.

Во второй главе описано экспериментальное исследование воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на всхожесть, интенсивность роста и процессы фотосинтеза исследуемого биологического объекта - непроращенных зерен яровой пшеницы не элитного сорта [1,5]. Приведены результаты исследования зависимости спектра зерен пшеницы в ближнем инфракрасном диапазоне от продолжительности воздействия на них СВЧ - излучения низкой интенсивности [2,3]. Изложена постановка задачи и цель экспериментального исследования. Экспериментальная установка, применяемая для облучения исследуемых образцов, состояла из генератора высокочастотных сигналов Г4-111, соединенного с рупорной антенной. Длительность облучения образцов составляла 30 минут. После облучения, исследуемые образцы были высажены в грунт, в емкости по 50 зерен на глубину 1-1,5 см. Всего - 10 ёмкостей для каждой исследуемой частоты внешнего воздействия. Ежедневно, в течении 10 суток, записывалось количество проросших зёрен, после чего растение срезалось и определялись длины выросших ростков, измеренные от основания стебля. Рядом с облученной партией абсолютно в идентичных условиях в том же количестве высаживалась необлученная (контрольная) партия, относительно которой затем строились гистограммы всхожести и роста. Для регистрации отклика на воздействие выбрано отношение числа взошедших семян после облучения к числу посаженных семян (всхожесть). В экспериментальном исследовании использовался статистический метод, дающий возможность получить среднестатистические результаты и обобщить их на основе большого количества экспериментального материала.

На рисунках 1-3 приведены гистограммы всхожести облученных зерен пшеницы в процентах по отношению к всхожести необлученных зерен в контрольной партии для определенных в результате эксперимента резонансных частот.

Из анализа экспериментального исследования выявлено, что прорастание облученных зерен пшеницы в абсолютном большинстве случаев происходило раньше на несколько дней, в отличие от контрольной партии. В результате ежедневного наблюдения за ростками было отмечено,

что подавляющее число проростков облученных зерен появлялось на вторые - третьи сутки, контрольных - на пятые.

Рисунок 4- Гистограмма роста облучённой пшеницы в процентах относительно контрольной партии (зависимость от месяца высадки)

Рисунок 5 - Гистограмма роста облучённой пшеницы в процентах относительно контрольной партии (зависимость от частоты)

Результаты экспериментального исследования по воздействию ЭМИ СВЧ диапазона на всхожесть и интенсивность роста зерен пшеницы показали, что электромагнитное излучение сантиметрового диапазона оказывает на установленных резонансных частотах на зерна пшеницы как негативное (подавляющее всхожесть и интенсивность развития), так и позитивное

Рисунок 3 - Гистограмма всхожести облученной пшеницы в % относительно контрольной партии (/=16 ГГц)

На рисунках 4 и 5 приведены гистограммы роста облученной пшеницы в процентах по отношению к росту пшеницы в контрольной партии в зависимости от месяца проведения эксперимента и от частоты воздействующего излучения, соответственно.

Рисунок 1 - Гистограмма всхожести облученной пшеницы в % относительно контрольной партии (^=14 ГГц)

Рисунок 2 - Гистограмма всхожести облученной пшеницы в % относительно контрольной партии (/=15 ГГц)

(ускоряющее всхожесть и развитие ростков) влияние [1].

Другой задачей экспериментального исследования было изучение процессов фотосинтеза проросших ростков пшеницы. Как известно, срезанное растение некоторое время остается живым, и процесс фотосинтеза в нем происходит с выделением кислорода. В герметично закупоренных пробирках, заполненных раствором бикарбоната натрия, через некоторое время достигается насыщение раствора кислородом. В результате, измеряя давление в закрытой емкости, можно оценить, насколько интенсивно протекает процесс фотосинтеза.

На рисунках 6,7 приведены графики изменения давления с течением времени в пробирке со срезанными ростками пшеницы для разных месяцев проведения эксперимента [5]. Абсолютная погрешность при определении давления в пробирке не превышает величину 0,5 кПа.

Время, МИН

Рисунок б - График изменения давления с Рисунок 7 - График изменения давления с

течением времени (декабрь) течением времени (январь)

Анализ результатов эксперимента показал, что наибольшее увеличение давления в пробирках во всех случаях наблюдалось зимой - в январе и феврале. В остальное время наблюдалось в основном незначительное изменение давление для всех образцов. Интересная особенность замечена в январе (рисунок 7), когда наименьшее давление в самом начале эксперимента было внутри пробирки с растениями из контрольной партии. К концу эксперимента давление в этой же пробирке достигло наибольшего значения среди всех образцов.

Таким образом, в ходе проведенного экспериментального исследования по воздействию ЭМИ СВЧ диапазона на выбранный биологический объект установлено, что на процессы фотосинтеза на выбранных резонансных частотах облучение производит в основном угнетающее действие. Кроме того, установлено, что при воздействии на частотах, способствующих увеличению показателей всхожести и интенсивности роста, скорость фотосинтеза замедляется, и, наоборот. На частотах облучения, подавляющих процессы роста и всхожести, скорость фотосинтеза увеличивается [5].

Эта интересная особенность, возможно, наблюдается за счет наличия в изучаемом биологическом объекте, и живых организмов в целом, различных энергетических уровней биологически активных макромолекул, которые соответствуют процессам развития растения и процессам фотосинтеза. Именно поэтому, воздействие на определенных частотах приводит к резонансному взаимодействию с различными молекулами и их частями, ответственными за тот или иной биологический эффект. И, как следствие этого, активируются или процессы развития и роста растения, или процессы фотосинтеза.

По полученным в ходе экспериментального исследования результатам, можно видеть, что нетепловые эффекты воздействия ЭМИ СВЧ имеют резонансный характер взаимодействия (т. е. существуют частоты, на которых воздействие положительно или отрицательно) [1]. Такой результат экспериментального исследования подтверждает целесообразность дальнейшего изучения данного вопроса.

В третьей главе приведен расчет характерных размеров гидратированных ионов. Показано, что через мембрану способны проходить ионы, имеющие размеры, превышающие размер ионного канала.

Согласно современным представлениям, селективность мембраны, прежде всего, определя-

ется радиусом транспортируемого иона. Ионы, радиус которых превышает радиус канала, не способны проходить через канал вследствие такого несоответствия. Однако, ионы, обладающие меньшим радиусом, по сравнению с радиусом канала, также не всегда могут пройти через канал. Этот эффект объясняется тем, что ионы в водном растворе всегда находятся в гидратиро-ванном состоянии и при прохождении через мембранную пору теряют воду послойно. Определено, что прохождение иона через мембрану осуществляется в одной гидратной оболочке. Поскольку именно в таком состоянии радиус проходящего иона соответствует радиусу мембранной поры, через которую осуществляется транспорт.

Несмотря на то, что такие рассуждения об избирательной проницаемости мембраны являются наиболее распространенным в современной общей физиологии, тем не менее данные представления о переносе ионов совершенно не учитывают сложную структуру биологической системы и обязательное наличие внутренних структурных элементов мембраны, несомненно влияющих на процессы ионного транспорта.

Глава содержит описание подходов к построению модели воздействия СВЧ излучения низкой интенсивности в предположении, что основным фактором является прохождение ионов через биологические мембраны.

В четвертой главе представлено исследование влияния СВЧ - излучения на размер пор в мембране и выявление основных закономерностей такого воздействия. Вычислено, что разность потенциалов, создаваемая СВЧ полем на поверхности мембраны может быть сравнима с собственным мембранным потенциалом клетки.

Формула для энергии поры как функции радиуса имеет вид:

Е(г) = 2лгу-лг'

где у - линейное натяжение периметра поры, а - натяжение мембраны, єв - диэлектрическая проницаемость воды, єм - диэлектрическая проницаемость мембраны, Со - емкость единицы поверхности бездефектного участка мембраны, ср - разность потенциалов (складывается из собственного мембранного потенциала и потенциала, создаваемого СВЧ полем).

На рисунке 8 показана зависимость энергии поры от ее радиуса при различных потенциалах. Анализ кривых показывает, что с увеличением радиуса энергия поры растёт, поскольку увеличивается периметр поры, и одновременно энергия уменьшается пропорционально росту поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. В результате, появляется кривая с максимумом, что позволяет количественно оценить критические параметры мембраны (критический радиус поры, высоту энергетического барьера).

— ,чч ч, : 0 в

/ \ \ \\ Ф-0 10В

/ \ \ у- \ 9-193

/ \ V

/1 > я>- 1.00 в V * \

/ \ \ \\

Рисунок 8 - Энергия поры как функция радиуса при различных значениях мембранного потенциала, рассчитанная по формуле (1): у=10 Н, о= 10 Н/м, ем=9, ев=81, Ся=10 Ф/м2

Из рисунка видно, что с увеличением потенциала, энергия уменьшается и максимум смещается влево.

Вычислена зависимость среднего времени жизни мембраны от потенциала, которая выражается формулой:

где А - константа. Анализ показывает, что форма зависимости г» гораздо более чувствительна

к изменению параметра у, чем к изменению а.

Без наложения СВЧ поля величина Т составляет от 1 мс до 1 с для долгоживущих пор. При наложении поля эта величина уменьшается или увеличивается в зависимости от направления

приложения добавочного потенциала.

Важным выводом является тот факт, что СВЧ - излучение способно влиять на размеры дефектов в виде пор и на их дальнейшую судьбу. Критический радиус изменяется от 0,89 нм при <р=0,1 В до 0,2 нм при ф=1,0 В

Таким образом, наводимый СВЧ полем потенциал, ввиду своей сравнимости с природным статическим потенциалом (~ 0,1 В), способен воздействовать на размеры пор, не вызывая разрушения мембраны, и составляет 0,089-0,892 В. Такое воздействие будет способствовать ускорению или замедлению ионного транспорта в зависимости от направления приложения внешнего потенциала. Среднее время жизни поры составляет величины от 1 до 100 мс.

С использованием модели критической поры показано, что СВЧ воздействие изменяет размеры пор, тем самым, воздействуя на ионный транспорт через мембрану.

Пятая глава содержит описание понятия «мембранный потенциал», а так же включает детальное рассмотрение существующих теорий и анализ их недостатков для описания транспорта веществ через мембрану, необходимое для дальнейшего рассмотрения основных вопросов диссертации. „„ Существует два основных подхода к описанию прямого прохождения заряженных частиц, дискретный и непрерывный.

Уравнение (3) называется уравнением электродиффузии или уравнением Нернста—Планка, оно описывает диффузию ионов в растворе или в гомогенной незаряженной мембране [7].

(квт, ^ VI ,,,

J =-пие ——1—т1 + г ~гЧ (3)

I II е п (¡X I Лх V. ■ '

В предположении, что электромагнитное поле оказывает влияние на движение заряженных частиц в рамках электродиффузионной теории, выражение для силы тока имеет вид:

(4)

Первое слагаемое в (4) описывает составляющую полного тока, обусловленную градиентом концентрации, второе - градиентом статического потенциала, третье и четвертое - наличием

внешнего СВЧ-поля [3].

Согласно электродиффузионной теории движение ионов через мембрану представляется как

движение заряженных независимых и невзаимодействующих между собой частиц.

Представление о линейной зависимости потенциала от расстояния в первом приближении оправдано по отношению к тонким мембранам с толщиной < 10 нм, другие же предпосылки электродиффузионной теории в случае ионного транспорта нарушаются.

Мембрана не является однородной фазой для движения ионов, поскольку перенос ионов через мембраны осуществляется через специализированные участки - ионные каналы, представляющие собой липопротеиновые комплексы сложной структуры.

В узких каналах (натриевый — 0,31 * 0,51 нм, калиевый — 0,45 * 0,45 нм) невозможна независимая диффузия, а допустимо только однорядное движение ионов. Вследствие узости поры в канале могут происходить сильные ион-ионные взаимодействия. Таким образом, существуют явления которые нельзя объяснить с помощью представлений о свободной диффузии.

В последнее время сформировалась новая теория - дискретный способ описания транспорта веществ через мембраны [6]. Основным выводом по данной главе является утверждение о том, что существующие теории не могут дать исчерпывающее объяснение процессу ионного транс-

порта, поскольку имеют в описании наличие серьезных упрощений, а выведенные математические соотношения справедливы только для искусственных мембран.

В шестой главе предлагается собственная модель поры мембраны [4]. Для этого уточняется геометрия поры и мембраны с учетом строения липидных мембран. Известно, что расстояние между соседними головками равно 0,88 нм. Получаем, что в пределах толщины мембраны умещается 3-4 липидные головки (рисунок 9). Все характерные размеры приведены на рисунке. В связи с этим распределение электрического поля по толщине поры можно рассматривать по аналогии с электронной лампой с пятью электродами - пентодом.

На рисунке 10 изображена пентодная модель поры. Там же приведены геометрические размеры системы.

1км

кгггоп ~0,2нм -0.9 нм

Рисунок 9 - Геометрия поры

Рисунок 10 -

- Пентодная модель поры

В результате выполненного расчета распределения потенциала по толщине поры, получены следующие соотношения [6]:

2ж.

и

I £

4та АгсР 2ю2лв 2тЛ .ЬЬ £ X Ь ] 4 7ЕС 4яу

I- ]

(5)

, 27» 2Я7 2 лу1 „

*---соя—— +В

Ь Ь I \

Для определения структуры электростатического поля вдоль канала поры получены соотношения:

I =

= 1!; 2же„,

2к(а + у) 2к (а+11)

Р)

+аН

(6)

г)

= £/. 2же„.

I ' £

Определяя из системы (6) неизвестные величины зарядов (2ь 2о б^ И 2г и подставляя их в (5) получено выражение для расчета распределения потенциала в плоском пентоде. Численный расчет значений производился на ЭВМ.

Шестая глава включает компьютерное моделирование распределения потенциала в пентоде и биологической системе, а так же их сравнение. Учитывая закон подобия для электростатических систем, для некоторой поры мембраны расстояния между соседними липидными головками, которые в данной схеме эквивалентны расстоянию между электродами, и размер сечений головок выбираются равными (в миллиметрах): а= 0,5 (мм), |3=2,5 (мм), 7=3,5 (мм), ц=4,5 (мм), шаг навивки сеток 1=1 (мм), радиус сетки Яс=0,00500 (мм), Для заданных параметров пентода картина распределения потенциала приведена на рисунке 11 [6]. С учетом параметров, характерных для живой биологической системы (расстояния между электродами (толщина мембраны): а= 0,6 (нм), р=0,9 (нм), т=1,8 (нм), г|=2,4 (нм), расстояние между липидными головкам £=0,8 (нм), размер головки Дс=0,1 (нм)), получается следующая картина (рисунок 12).

Рисунок 11 - Картина распределения потенциала в плоском пентоде

Рисунок 12 - Картина распределения потенциала в модели плоского пентода

Сравнивая изображения на рисунках 11 и 12, можно придти к выводу, что на обоих рисунках наблюдается схожее распределение потенциала в системе. Это свидетельствует о том, что предложенная пентодная модель поры может достаточно хорошо описать распределение потенциала вдоль поры в мембране.

В шестой главе так же приведен расчет времени пролета частицы между электродами. Его

величина описывается выражением г =

2 md¿

J eüQ

Для определения траекторий движения частиц используется выражение (7), полученное при решении уравнения движения:

еи

x(t) =-—[{cat-ax )cos<af -sinfflf+sinfl* J

a>2md 0

(7)

Рисунок 13 - Пространственно -временная диаграмма движения частиц хр^о) при переменном напряжении и (О

Здесь d - расстояние катод - сетка, сетка - сетка, сетка - анод. Данное выражение справедливо как для триода, так и для ламп с большим количеством сеток, поскольку учитывается малая проницаемость сетки и переменная составляющая действующего потенциала определяется только переменным напряжением на сетке, т.е. E/¿ = Uо sin cot.

Движение частиц сильно зависит от соотношения между фазой напряжения и моментом начала движения to-

Построим по формуле (7) пространственно - временную зависимость x(t,t0) положения частиц, влетающих в поле в различные моменты t0. На рисунке 13 t^ ГДе Г_пеРи0Д

изменения U(t). -

Из рисунка видно, что некоторые частицы достигают электродов после нескольких колебаний. Зависимость скорости от координаты для частиц разного знака приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Зависимость скорости частицы от координаты (сплошная линия -усредненное значение для частиц положительного знака, пунктирная линия - отрицательного знака) В пространстве сетка - анод при сверхвысоких частотах время пролета увеличивается и становится сравнимым с периодом. В этом случае за время движения электронов происходит значительное изменение разности потенциалов между электродами. Разность потенциалов между сеткой и анодом равна

V = Е +и 5Іп(ш/ + ¡р)-и =Е \ + І; 5т(соі + <р)\-и

Здесь и - действующий потенциал сетки, £ = В рассматриваемом случае пентода, вели-

Е

а

чина действующего потенциала мала, и ее влиянием можно пренебречь. Тогда можно записать следующее уравнение движения

т—£ = [і + £ + <р)\ аг а

(8)

Интегрируя (8) один и два раза, получим следующие выражения для скорости и пути соответственно:

£

Ух (0 = ~~ {ох - а*о ) - фо в(й* + ф) - + р)],

е £ і п

*> - ~ ша ^ ~ £ + - + р) - - оЯ^ ) сов(а*о + р)1 (9)

Из (8) видно, что тормозящий полупериод переменного поля между сеткой и анодом начинается при М-я - <р и заканчивается при ая = 2л-<р.

На рисунке 15 приведена картина траекторий частиц в пентоде по формулам (7) и (9). Используем для расчета траекторий характерные размеры биологической системы (рисунок 10).

На рисунке 16 изображены траектории частиц через мембрану, рассчитанные по модели пентода с использованием методов физической электроники. Изменение напряжения на сетках позволяет фокусировать электронный поток (рисунок 17).Таким образом, давая возможность

■ Іг,у/ї.'-'Т': Е«йз ■ ■ г/-'--?-..,.'

Рисунок 15 - Траектории частиц в высокочастотном пентоде

Рисунок 16 - Движение частиц через мембрану

Рисунок 17 - Фокусировка электронного потока

В работе доказано, что воздействие внешнего СВЧ - излучения способно влиять на размер I мембранных пор, увеличивая или уменьшая размер дефекта в зависимости от направления приложенного потенциала. Таким образом, увеличивая размер поры вплоть до критического радиуса, имеющего значение от 0,89 нм при <р=0,1 В до 0,2 нм при ср=1,0 В (не вызывая разрушение мембраны) можно добиться увеличения количества частиц, проходящих через мембрану, ускоряя тем самым процесс ионного транспорта в биологической системе. Предложенная модель позволяет наглядно моделировать процесс транспорта частиц с использованием наперед заданных параметров внешнего воздействия и дает возможность управления ионным током с учетом выбранных параметров.

Основные результаты исследования.

1) Экспериментально определены резонансные частоты взаимодействия СВЧ - излучения с исследуемым биологическим образцом. Так, из исследуемого диапазона частот от 6 до 18 ГГц, резонансными оказались частоты 14, 15 и 16 ГГц. Облучение зерен пшеницы ЭМИ СВЧ на этих частотах производит на показатели роста и всхожести как положительное, так и угнетающее действие. При этом облучение на частотах, подавляющих процессы роста и всхожести, скорость фотосинтеза увеличивается.

2) Анализ экспериментатьных данных показал, что прорастание облученной пшеницы в абсолютном большинстве случаев происходит раньше на несколько дней, в отличие от контрольной партии не облученных зерен. Увеличение показателей интенсивности роста и всхожести наблюдается в ноябре, декабре и мае. Наименьшая интенсивность роста и всхожесть наблюдалась у зерен в зимний период - в январе и феврале.

3) СВЧ - излучение способно влиять на размеры мембранных пор. Критический радиус изменяется от 0,89 им при <р=0,1 В до 0,2 нм при <р=1,0 В. Определено, что наводимый СВЧ полем потенциал, в виду своей сравнимости с природным статическим потенциалом (~ 0,1 В), способен воздействовать на размеры дефектов, не вызывая разрушения мембраны, и составляет 0,089-0,892 В. Такое воздействие способствует ускорению или замедлению ионного транспорта в зависимости от направления приложения внешнего потенциала.

4) Предложена модель мембранной поры для описания процессов ионного транспорта через биологическую мембрану при воздействии ЭМ излучения СВЧ диапазона. Модель основана на наличии сходства между структурой пентода и ионного канала клетки, что позволяет по аналогии с распределением потенциала в электронной лампе получать распределение потенциала в мембранной поре. При этом в биологической системе роль сеток выполняют липидные головки. Данная модель учитывает наличие нелинейного распределения потенциала внутри мембранного канала, в отличие от существующих подходов, использующих приближение постоянного поля.

5) Получено выражение для расчета распределения электрического поля в пентодной системе, разработана программа для получения распределения потенциала в системе и анализа траекторий частиц при прохождении через мембранную пору с применением методов, используемых в физической электронике.

Представленные в работе результаты показывают, что исследование физических механизмов воздействия высокочастотного электромагнитного излучения на биологический объект представляет не только чисто научный, но и практический интерес.

Построение модели поры мембраны можно рассматривать как один из шагов к дальнейшему пониманию представлений о физических механизмах воздействия сверхвысокочастотного излучения на биологические системы, в том числе и для создания микроминиатюрных приборов.

Список цитируемой литературы

1 Костюк, П.Г. Биофизика [Текст]/П.Г. Костюк [и др.].- Киев: Высшая школа, 1988 - 504

с.

2 Бецкий, О.В. Стохастический резонанс в медицине и биологии [Текст]/ О.В. Бецкий, H.H. Лебедева, Т.И. Котровская// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. -Xsl. - С. 3-9.

3 Никулин, Р.Н. Определение резонансных частот биологической клетки, представленной в виде эквивалентной схемы замещения [Текст]/Р.Н. Никулин// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2005. -№3. - с. 10 - 17.

4 Шеин, А.Г. Расчет акустических колебаний клетки [Текст]/ А.Г. Шеин, A.B. Харланов, Р.Н. Никулин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2005. - №3. - с. 18 - 25.

5 Никулин, Р.Н. Расчёт резонансных частот электромагнитных колебаний клетки, представленной в виде электрической схемы замещения [Текст]/Р.Н. Никулин // Физическая метрология. Вестник Поволжск. Отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Вып. 5. - С. 75 - 81.

6 Рубин, А.Б. Биофизика: биофизика клеточных процессов [Текст]. Т.2./ А.Б. Рубнн,-М.: Высшая школа, 1999 - 303 с.

7 Никулин Р.Н. Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты: Диссертация кандидата физ.-мат. наук,- Волгоград, 2004. - 128 с.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Шеин, А.Г. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на всхожесть и интенсивность роста зерен пшеницы/ А.Г. Шеин, Р,Н. Никулин, И.А. Ковалев, Д.Г. Артемова, Лыу Хуен Чанг, М.П. Никулина//Биомедицинская радиоэлектроника.-2009. - №4.-С. 10-13.

2 Никулин, Р.Н. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ-излучения низкой интенсивности на БИК-спектральные характеристики зерен пшеницы/ Р.Н. Никулин, С.И. Николаев, И.О. Кулаго, В.В. Гамага, С.Н. Родионов, Д.Г. Артемова, М.П. Никулина, И.Е. Папыкин, Лыу Хуен Чанг//Биомедицинская радиоэлектроника. -2010. - №6. - С. 16-21.

3 Никулин, Р.Н. Исследование зависимости спектра зерен пшеницы в БИК диапазоне от продолжительности воздействия на них СВЧ излучением низкой интенсивности хемометриче-скими методами/ Р.Н. Никулин, И.О. Кулаго, А.Г. Шеин, С.И. Николаев, С.Н. Родионов, Д.Г. Артемова, М.П. Никулина, И.Е. Папыкин, Лыу Хуен Чанг // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2011. - №6. - С. 22-26.

Статьи, материалы конференций:

4 Артемова, Д.Г. Один из вариантов модели поры мембраны / Д.Г. Артемова, Р.Н. Никулин, А.Г. Шеин // Миллиметровые волны в биологии и медицине. — 2009. — № 4. — С. 20-26.

5 Грецова, Н.В. Исследование воздействия ЭМИ СВЧ нетеплового уровня мощности на фотосинтез ростков злаковых культур/ Н.В. Грецова, Д.Г. Артемова, A.B. Летяева//Актуальные проблемы науки: сб. науч. тр.. Часть 5,2011. - С. 40-42.

6 Никулин, Р.Н. Моделирование распределения электрического поля в мембране посредством пентодной модели/Р.Н. Никулин, Д.Г. Артемова// Математические методы в технике и технологиях - ММТТ - 25: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: Т.4.: под общ. ред. A.A. Большакова,- Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012. - С. 96-98

Подписано в печать 22.10.2013 г. Заказ № 693. Тираж 100 экз. Печ.л. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

 
Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Артемова, Диана Георгиевна, Волгоград

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ТРАНСПОРТ ИОНОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ПРИ НАЛИЧИИ 11И 3 КО ИIII ЕII СИ В И ОГО СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.04 - Физическая электроника 03.01.02 - Биофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На прс пси

04201455038

Артемова Диана Георгиевна

Научный руководитель Шеин А.Г..

доктор физико - математических наук, профессор

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................ 5

1 ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО И САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ................................................................................. 12

1.1 Применение СВЧ излучения в сельском хозяйстве.............................. 14

1.2 Применение СВЧ излучения в медицине.......................................... 16

1.3 Применение КВЧ излучения в медицине.......................................... 17

1.4 Теоретические модели, описывающие ионный транспорт через биологическую мембрану................................................................................. \д

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ НА ВСХОЖЕСТЬ,

ИНТЕНСИВНОСТЬ РОСТА И СКОРОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА

РОСТКОВ ПШЕНИЦЫ.................................................................... 21

2.1 Описание экспериментальной установки......................................... 23

2.2 Зависимость всхожести и интенсивности роста облученной пшеницы от 23 частоты облучающего поля...................................................................

2.3 Исследование воздействия ЭМИ СВЧ нетеплового уровня мощности на 27 процесс фотосинтеза ростков пшеницы....................................................

2.4 Исследование зависимости спектра зерен пшеницы в БИК диапазоне от 30 продолжительности воздействия па них СВЧ излучения низкой интенсивности

хемометрическими методами.................................................................

3 ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ........................................................................................................38

3.1 Структура клетки и мембран..............................................................................................................39

3.1.1 Строение клетки................................................................................................................................39

3.1.2 Функции и строение мембран........................................................................................41

3.1.3 Пассивный транспорт......................................................................................................................44

3.2 Гидратация липидного слоя..................................................................................................................48

3.3 Ионные каналы..................................................................................................................................................49

3.3.1 Гипо теза ионных каналов. Расчет характерных размеров 51 гидра тированных ионов........................'.....................................

3.3.2 Селективность ионных каналов..........................................................................................55

4 ВЛИЯНИЕ СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАЗМЕР ПОР В МЕМБРАНЕ..........................62

4.1 Сравнение потенциалов..............................................................................................................................62

4.2 Модель критической поры........................................................................................................................64

4.3 Энергетика поры......................................................................................................................................................66

5 ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

ВЕЩЕСТВ....................................................................................................................................................................................................................70

5.1 Потенциал действия......................................................................................................................................70

5.2 Транспорт ионов через мембрану (электродиффузионная теория)..................74

5.3 Дискретный способ описания транспорта веществ через мембраны..............83

6 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ МЕМБРАННОЙ ПОРЫ..................90

6.1 Модель поры мембраны............................................................................................................................90

6.2 Расчет распределения потенциала по толщине мембраны......................................92

6.3 Распределение потенциала в пентоде..........................................................................................97

6.4 Расчет времени пролета............................................................................................................................99

6.5 Определение траекторий частиц........................................................................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................................107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ А..............................................................................................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................................................................................................................124

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ксвн - коэффициент стоячей волны нагрузки ЭМИ - электромагнитное излучение

ЭМИ СВЧ - электромагнитное излучение сверхвысокой частоты СВЧ - сверхвысокая частота (диапазон частот от 3 до 30 ГГц) КВЧ - крайне высокая частота (диапазон частот от 30 до 300 ГГц) ЭМВ - электромагнитная волна

Ангстрем (А) - единица измерения длины, равная Ю~10 м (1А = 0,1 нм = 100 пм; 10000А - 1 мкм)

БЛМ - бислойная липидная мембрана Г1ПЭ - плотность потока энергии ИБС - ишемическая болезнь сердца БИК - ближний инфракрасный диапазон

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Долгое время считалось, что воздействие ЭМ полей па биологические объекты вызвано локальным нагревом тканей (термическое действие), однако в последние годы было показано, что биологическое воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ) проявляется и при сверхмалых ин-тенспвностях (ниже пороговой величины теплового эффекта - 10 мВт/см2), когда средний по объёму нагрев тканей не является определяющим (менее чем на 0,1 °С) или пренебрежимо мал [53].

Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными [9], то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены.

В ряде работ [15, 16,48] теоретически показано, что электромагнитные волны сантиметрового диапазона (СВЧ) могут рассматриваться как влияющие на процессы в биологических объектах, поскольку частоты колебаний клетки лежат в широком диапазоне - от единиц гигагерц до десятков терагерц, перекрывая СВЧ, КВЧ и терагерцовый диапазоны.

Трудность решения вопроса воздействия СВЧ - излучения на биологические обьскты заключается в том, что тюка не найдено единого подхода к изучению данной проблемы. Кроме того, совершенно неясно, каким образом биообъект формирует отклик на сверхвысокочастотное воздействие и может ли он сам генерировать высокочастотное колебания. Представляет определенный интерес поиск подходов к созданию физических моделей, описывающих процесс взаимодействия ЭМИ указанных диапазонов с биологическими объектами в целом и живой клеткой и се структурами, в частности.

В процессах жизнедеятельности важную роль играют биологические мембраны, которые являются основой жизнедеятельности клеток (основной структурной единицы живого организма). В частности, важна роль мембранных пор как каналов обмена клетки веществом и энергией с окружающей средой или другими

клетками. Поэтому понимание процессов воздействия ЭМИ на биологические обьекты можно рассматривать со стороны действия ЭМИ на мембранные поры.

В э'юй связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологический объект, и построение теории, позволяющей описать э 1 от процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются актуальной задачей.

Исследования в рамках данной работы были поддержаны аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета, а так же проекта № 2.1.1/12322 «Исследование воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на биологические системы».

Степень разработанности темы исследовании. К настоящему времени накоплен большой объём биологических эффектов, найденных экспериментально или предсказанных теоретически, относящихся к проблеме механизмов воздействия низкоинтенсивпого излучения на биологические системы различной сложности оркшизации. Существует несколько основных концепций, объясняющих механизмы действия ЭМИ на биологические объекты различного уровня организации.

Рассмотрение проблемы биологического действия СВЧ-излучения впервые было предпринято М.Б. Голантом и Н.Д. Девятковым. В 1966 году под руково-дспюм академика Н.Д. Девяткова в НПП "Исток" создана первая в СССР лаборатория медицинской электроники, разработки которой в настоящее время продолжает НПП "Исток-Система". В этом же году была опубликована первая научная работа, посвященная необычным эффектам воздействия низкоинтенсивных (менее 10 мВт/см") электромагнитных волн миллиметрового диапазона на биологические объекты. Основой для проведения такого эксперимента было изобретение и запуск в серийное производство в НПО Исток, г. Фрязино первых в мире широ-

кодиапазоиных генераторов па основе вакуумных приборов СВЧ типа ламп обратной волны [М.Б. Голаит, P.JI. Виленская, Е.А. Зюлина и др.]. Н. Д. Девятко-вым, совместно с Э. А. Гельвичем, В. Н. Мазохиным и др. разработаны теоретические основы и созданы an параты СВЧ-гипертермии, выполняющие локальную электромагнитную гипертермию злокачественных новообразований. В настоящее время данное направление активно развивается и теоретические наработки Н. Д. Дсвяткова и его коллег воплощены в выпускаемые ныне во ФГУГТ «НПП Исток» установки.

Информационная гипотеза, разработанная школой академика Н. Д. Девяткова [Н.Д. Девятков, О.В.Бецкий, H.H. Лебедева] получила косвенное теоретическое подтверждение в работе известного немецкого физика Г. Фрёлиха, который несколько позже и независимо от российских учёных впервые высказал и обосновал мысль об электромагнитной когерентности в биосистемах, обратил внимание на тот факт, что собственные колебания мембран клеток, в соответствии с их физическими свойствами являются источниками ЭМИ. Есть все основания считать, что когерентные колебания по Г. Фрёлиху и акустоэлектрические колебания в плазматических мембранах клетки есть одно и то же физическое явление (О.В.Бецкий и др., 2002).

На фоне значительного ряда работ по действию электромагнитного излучения па живые организмы возникло новое направление, заключающееся в действии этого фактора на фотосинтезирующие объекты [Тамбиев А.Х., Кирикова H.H.] и реакционные центры фотосинтезирующих бактерий.

Методы воздействия модулированных электромагнитных полей на биологические системы разного уровня организации, а так же исследование транспортных процессов в клетках с использованием ионселективных электродов проводятся в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте Биофизики Клетки Российской Академии Наук в лаборатории биологических эффектов пеионизирующих излучений [Нашовкип Т.Н., Алексеев С.И.].

Несмотря на многочисленные гипотезы, выдвинутые относительно первичных механизмов действия излучения на биологические объекты, многие из них имеют

неразрешимые противоречия и допущения, что не вносит ясности в изучаемый вопрос.

Целью исследований является исследование физических механизмов взаимодействия электромагнитного поля высокой частоты с биологическим объектом и определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие, выявление закономерностей влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, применение методов физической электроники для анализа процессов транспорта ионов через мембрану.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

1) проведены исследования, подтверждающие резонансный характер взаимодействия СВЧ-излучени'я с зернами пшеницы и определены частоты, на которых наблюдается это явление; проведен цикл исследований по влиянию внешнего ЭМП с заданными параметрами нарост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций зерен пшеницы;

2) обнаружены закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, а следовательно, и процессы жизнедеятельности клеток.

3) предложена модель, основанная на представлении физических процессов при движении заряженных частиц, позволяющая изучать процессы, происходящие при воздействии внешнего низкоинтенсивного СВЧ - излучения;

4) обоснована возможность использования данной модели для описания ионного 'транспорта через биологическую мембрану;

5) произведено моделирование распределения потенциала и траекторий частиц в канале мембраны, учитывающее наличие липидных головок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) показано, что частотнозависимый характер взаимодействия может выступать в качестве одного из важных критериев, описывающих воздействие электромагнитного излучения на биологический объект;

2) установлены частоты поглощения ЭМ колебаний, в пределах которых имеет место резонансное взаимодействие внешнего поля и исследуемого биологического объекта;

3) впервые предложена модель, позволяющая рассматривать процессы ионного транспорта через мембранную пору с учетом принятой структуры липидной мембраны, и как следствие возможность управления ионным током посредством наложения внешнего ЭМ поля с заданными параметрами.

Научная и практическая ценность:

1) проведено комплексное исследование и разработаны новые подходы, связанные с анализом воздействия СВЧ-излучения на различные процессы в биологическом объекте;

2) раскры ты некоторые стороны механизмов действия СВЧ-излучения;

3) доказано влияние СВЧ диапазона длин волн в воздействии на изучаемый б ио ло т ич ес ки й о бъект;

4) резонансные частоты поглощения СВЧ-излучения биологическим объектом, определенные в экспериментальной части работы, позволят в дальнейших исследованиях в данном направлении корректно выбирать частоты, на которых целесообразно проводить облучение исследуемых образцов;

5) предложенная модель позволяет проследить процесс ионного транспорта через мембранную пору при воздействии низкоинтепсивпого СВЧ — излучения и даст возможность управления этим процессом.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы была использована следующая методология исследований.

В экспериментальном исследовании использовался статистический метод, дающий возможность получить среднестатистические результаты и обобщить их на основе большого количества экспериментального материала; для расчета распределения потенциала и решения задачи электростатики использовался метод конформных отображений; при построении картин распределения потенциала применялись современные методы компьютерного моделирования; для проведения математических расчетов применялись методы, используемые в СВЧ-элсктронпке; для анализа процессов транспорта ионов применялись методы физи-ч е с к о й электроники.

Достоверность результатов исследования обусловлена достаточным количе-

стиом результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты экспериментального исследования по влиянию СВЧ-излучения низкой интенсивности на рост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций исследуемого биологического объекта, подтверждающие резонансный характер та ко го вз а им оде й ств ия.

2) Закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране.

3) Модель для описания ионного транспорта через мембранную пору, созданная па основе представления движения заряженных частиц в пространстве со сложными границами, обоснование возможности ее использования.

4) Моделирование распределения потенциала внутри мембранной поры и построение траекторий движения ионов по предложенной модели.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на 47-ой внутри вузовской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2010 г.), 48-ой внут-ривузовской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2011 г.), Международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы науки» (г. Тамбов, сен тябрь 2011 г.), 49-ой внутривузовской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2012 г.), XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25 (май 2012 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в следующих рецензируемых журнала