Механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку

Грецова, Наталья Владимировна

Механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Грецова, Наталья Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Волгоград МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку»

Автореферат диссертации на тему "Механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку"

На правах рукописи

Грецова Наталья Владимировна

Механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку

Специальности: 01.04.04 - Физическая электроника 03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ВОЛГОГРАД-2005

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом

университете на кафедре физики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Шеин Александр Георгиевич.

Научный консультант: доктор биологических наук,

профессор Наталья Николаевна Лебедева

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Синицын Николай Иванович доктор физико-математических наук, профессор Лобышев Валентин Иванович

Ведущая организация: Институт Радиотехники и Электроники РАН

Защита диссертации состоится " 28 " октября 2005 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета К212.028.01 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28 в ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_2¿" сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О. А. Авдеюк

ион

1М№

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. С каждым годом возрастают уровни мощности электромагнитного излучения (ЭМИ), создаваемые всевозможными искусственными источниками, такими, как теле- и радиопередающие центры, гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры и т.д.), технологические установки в промышленности. В то же время, электромагнитные поля не являются абсолютно чуждыми для организма, однако если на протяжении многих веков уровни мощности ЭМИ оставались очень низкими, то теперь, в результате деятельности человека они сильно возросли и с каждым годом возрастают все быстрее. Искусственные электромагнитные поля (ЭМП) являются новым фактором окружающей среды и пока не известно, какое именно действие (положительное или отрицательное), они оказывают на процессы метаболизма, протекающие в биологических системах, и как изменяется это воздействие от одного вида организмов к другому. Одним из интереснейших и в то же время наименее изученных вопросов современной науки является проблема воздействия неионизирующего ЭМИ радиодиапазона низкой интенсивности на биологические системы. Хотя накоплен большой экспериментальный материал по воздействию ЭМИ различных частот и уровней мощности на самые различные биообъекты, и в настоящее время широко внедряются методы лечения с помощью ЭМИ, однозначного ответа на вопрос о физических механизмах воздействия и о возможности прогнозирования поведения биообъекта пока нет.

Именно для решения задач, связанных с изучением и моделированием процессов, происходящих в биологическом объекте на разных уровнях организации при воздействии излучения крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона в Российской Академии наук на отделении "Физики и астрономии" в Научном совете РАН по проблеме "Физическая электроника" (научный руководитель - академик РАН Гуляев Ю.В.) создана секция "Биологические эффекты миллиметрового излучения» (научный руководитель -профессор Бецкий О.В.

Но, поскольку большинство современных радиоэлектронных прие-мо-передающих устройств в области радиолокации, навигации, связи, телевидения работают в диапазоне сверхвысокочастотных излучений, этот диапазон также нельзя оставлять без внимания.

Создание общей теории и единых подходов к проблеме моделирования и прогнозирования эффектов воздействия ЭМИ высокой частоты представляет собой трудную задачу, прежде всего, потому, что воздействие происходит на всех уровнях организации живой материи, причем на каждом из уровней механизмы воздействия и отклик биообъекта принци-

пиально различны.

В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологические объекты, и построение теории, позволяющей описать этот процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются актуальной задачей, и представляет не только научный, но и вполне обусловленный практический интерес.

Целью исследований является изучение физических механизмов воздействия высокочастотного электромагнитного поля на клетку, определение механизмов передачи внешнего воздействия в биообъект и выявление тех процессов жизнедеятельности, на которые влияет внешнее электромагнитное поле сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного диапазонов.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

проведены экспериментальные исследования воздействия низкоинтенсивного СВЧ - излучения на ряд биологических объектов и получены результаты, позволяющие утверждать факт самого воздействия и ¡ прогнозировать его результат;

рассмотрены механизмы воздействия внешнего ЭМИ на параметрическое переключение точечного биологического триггера Жакоба -Моно и расширенного биологического триггера с диффузией;

- проведены исследования поведения биологического триггера при параметрическом переключении в результате внешнего воздействия;

- предложен один из вариантов физического механизма воздействия электромагнитного поля СВЧ низкой интенсивности на проводимость клетки и изменения концентраций ионов К', Na при учете внешнего воздействия микроволн нетепловой мощности;

- проведены исследования процессов ингибирования (активации) триггерной ферментативной реакции с учетом воздействия низкоинтенсивного ЭМИ.

Научная новизна работы заключается в следующем: i

- экспериментально показано существование сезонных изменений активности биообъектов при воздействия низкоинтенсивного ЭМИ сверхвысокой и крайневысокой частоты;

экспериментально показано, что при воздействии низкоинтенсивного ЭМИ на микроорганизмы St Aureus и В. Albus необходимо выбирать сроки наблюдения в пределах не ниже 168 часов, так как имеет место поздний отклик на воздействие;

- впервые установлены частоты излучения (например, 15,5 ГГц), благотворный эффект воздействия которых на пшеницу не элитного сорта практически постоянен при фиксированной интенсивности (100 мкВт/см2) и отклик по всхожести составляет не менее 115 - 120 % для экспериментов проведенных в период покоя зерна.

- впервые установлены частоты (например, 15,2 - 15,9 ГГц), воздействие на которых на один вид биообъектов положительно (неэлитное зерно пшеницы), а на другой - отрицательно (сорт «Альбидум»).

установлена возможность параметрического (мягкого) переключения точечного биологического триггера при воздействии низкоинтенсивного ЭМИ;

- впервые предложен физический механизм воздействия внешнего ЭМП на ферментативные реакции в результате повышения (или понижения) концентраций ионов - ингибиторов;

- впервые установлено, что при учете диффузии продуктов и внешнего воздействия нетепловых интенсивностей СВЧ и КВЧ диапазонов возможно как увеличение, так и уменьшение времени переключения триггера.

Практическая ценность заключается в том, что

- экспериментально доказана роль сантиметрового диапазона длин волн в реализации биологических эффектов;

- разработанные численные модели ферментативных реакций с учетом реальных клеточных параметров позволяют прогнозировать поведение отдельной клетки, и, в определенной степени, сложного организма в целом;

- предложена обобщенная модель, позволяющая оценить изменение концентрации ионов - ингибиторов (активаторов) и последующее влияние на метаболизм клетки.

Внедрение результатов работы. Работа велась в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №29.230), выполняемая на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета в рамках плана перспективных и фундаментальных работ течение последних пяти лет.

Достоверность результатов исследования обусловлена корректной постановкой экспериментальных исследований при статистической обработке результатов эксперимента, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований прорастания и роста зерновых и поведения штаммов St Aureus и В Albus при воздействии внешнего электромагнитного излучения.

2. Исследование биологического триггера, позволяющее учесть воздействие внешнего ЭМИ на параметрическое переключение.

3. Физический механизм воздействия внешнего ЭМИ сверхвысокой и крайне высокой частоты на проводимость мембраны клетки, процессы ионного транспорта веществ, и модель, позволяющая определять изменение концентраций ионов внутри и вне клетки в зависимости от параметров воздействующего ЭМИ.

4. Метод оценки времени переключения биологического триггера после воздействия внешнего СВЧ - излучения и прогнозирование пове-

дения как биоклетки (и процессов в ней), так и более сложного организма в целом.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2002 - 2005 гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (2002 - 2005 гг.), на VI, VII и VIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2001 г., 2002 г., 2003 г.), на VI Традиционной научно-технической конференция стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 2002 г.); результаты исследования были представлены на «Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.), на X - ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (Москва, 2004 г.). Личный вклад автора.

Диссертант полностью самостоятельно выполнила аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: провела цикл экспериментальных исследований и проанализировала их, сделала выводы о необходимости учета некоторых новых параметров при воздействии низкоинтенсивного ЭМИ на биообъекты, получила аналитический вид формул, описывающих изменение концентраций ионов одновалентных металлов от параметров внешнего СВЧ -поля, провела численные расчеты величин изменений и предложила метод учета воздействия нетеплового ЭМИ на процессы ингибирования (активации) ферментативных процессов в биологическом триггере и прогноза дальнейшего поведения биообъекта. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в соавторстве с научным руководителем профессором Шейным А.Г.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии, включает 121 страницу, 44 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель, задачи и методы исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава является обзором литературы по теме диссертации. В ней приведен существующие предельно-допустимых норм воздействия ЭМИ СВЧ и КВЧ диапазонов на биологические объекты и их недостатки. Перечислены основные физические особенности биологических тканей на разных частотах воздействия электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона. Приведены экспериментальные данные об особенностях и основных закономерности воздействия ЭМИ СВЧ на биологические объекты. Систематизированы исследования, посвященные биологическому

воздействию микроволн. Сформулированы задачи, решению которых посвящена данная работа.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных исследований воздействия нетеплового ЭМИ СВЧ - диапазонов на зерна пшеницы и микроорганизмы.

В результате экспериментальных исследований показано, что существуют частоты, воздействие которых на сухие зерна неэлитных сортов пшеницы при плотности потока мощности 200 мкВт/см2 оказывает положительный эффект, а на сухое зерно сорта «Альбидум» - отрицательный (

3) б)

кривая 1 соответствует интенсивности облучения 10 мкВт/см2; кривая 2 соответствует интенсивности облучения 100 мкВт/см2; кривая 3 соответствует интенсивности облучения 200 мкВт/см2 Рисунок 1 - Частотные зависимости разности всхожести зерен пшеницы а) не элитный сорт, б) сорт Альбиум 188

В результате экспериментальных исследований также определена сезонная зависимость всхожести неэлитной пшеницы от сезона ее высадки при воздействии на частоте 15 ГГц, плотности потока мощности 100 мкВт/см2. (рисунок 2)

Поток энергии иДОсм2

Рисунок 2 - Сезонные зависимости разности всхожести зерен пшеницы от энергии облучения (15,5 ГГц, 100 мкВт/см2)

Из рисунка 2 видно, что в период, когда зерно наиболее активно с биологической точки зрения (летом) влияние минимально, а существенный положительный эффект наблюдается в период биологического покоя (осень — зима).

В результате исследования воздействия низкоинтенсивного ЭМИ СВЧ и КВЧ на микроорганизмы обнаружен не наблюдаемый в контроле всплеск активности гемолиза В. Albus через 96 - 168 часов после воздействия для эксперимента при облучении 4 раза по 30 минут через примерный интервал деления клеток колонии (30 минут) и через 24 часа - еще 1 час на частоте излучения 13 ГГц, при интенсивности 200 мкВт/см2. Для St. Aureus обнаружено подавление активности гемолиза при облучении в режиме непрерывной генерации на частоте 53 ГГц 30 минут и еще 30 минут через 1 час перерыва. После облучения Ps. Aragenosa облучение на 53 ГГц в импульсном режиме, по 20 минут с перерывом в 1 час и еще 20 минут через сутки зимой четко проявился эффект физического воздействия на бакте-риоциногенную активность в виде существенно большей зоны просветления вокруг колонии через 24 - 48 часов после облучения, а весной такою эффекта получено не было.

Следовательно, учет сезонной активности самого биообъекта является важным для получения достоверных результатов.

В третьей главе рассматривается триггерная система Жакоба - Moho применительно к описанию воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на общие закономерности ферментативных реакций в клетке.

Схема двух реакций, изображенная на рисунке 3, с учетом того, что корепрессором для первой реакции является продукт второй, а корепрес-сором для второй - продукт первой имеет следующее математическое описание без учета величины зоны реакции (точечный случай) и диффузии продуктов в этой зоне [JI1].

1*^-1,2 - ген-регулягор. вырабатывающий репрессор; 0| 2 опероны; 0|,2 - структурные гены; Е| 2 — ферменты; в] 2 субстраты; Р] 2 - продукты для каждой из реакций.

Рисунок 3 Схема альтернативного включения систем синтеза ферментов Е[ и Ег

dX] _ I, х dXi _ ¿2 dt" 1 + уХ° 1 dt'~\ + уХ? ■

т 4 а2 в^

Здесь „г,|/т+| >-4 01/т+1 ' У ~ г, , А и В - константы, зависящие от цВх ¿7 В2 В,

внутренних параметров системы.

Величины I/ и ¿2 зависят от многих различных биохимических параметров. Следовательно, переходом из одного состояния в другое в режиме триггера могут управлять многие факторы, такие как увеличение снабжения субстратами, увеличение активности ферментов, которые можно рассматривать как разные стороны одного явления - увеличения интенсивности метаболизма [Л2]. Существует также возможность учета воздействия на систему через изменение параметров /,/ и Ь2 при воздействии внешнего ЭМИ низкой интенсивности.

Возможна такая комбинация параметров ¿и т, при которой седло-вая точка на фазовом портрете «аннигилирует» с точкой одного из устойчивых состояний, и, следовательно, система будет переходить в единственно возможное состояние работы. Показано, что при т= 2, то есть, когда в процессах ингибирования участвуют две молекулы на каждую молекулу фермента и при изменении Ь от 2 до 1200 при значении /,/=1100 происходит переключение системы в устойчивое состояние 1, а при ш=3 /./=20 и система в этом случае переходит в устойчивое состояние 2.

Для того, чтобы рассматривать процессы, происходящие во всем объеме клетки, необходимо учесть диффузию продукта, поскольку учет потоков вещества из сферы реакции может существенно повлиять на процессы переключения реакций триггерного типа. Кроме того, добавление в модель учета диффузии позволит в дальнейшем связать данную модель с другими возможными механизмами воздействия нетепловых ЭМИ на биообъект.

Система, описывающая модель переключения ферментативных реакций с учетом диффузии продукта в безразмерном виде

дГ 1 + уХ; дг2

дХ, I, д2Х,

-- =-*--л, + а,-т~,

1 + 1/^°' &

где обозначено

(3)

¿2 =—4-т, 4=Д" Г = В2/В1,г = г/Я. (4)

I 1 цЯ2 " цЯ

Система (3) позволяет моделировать процесс переключения систем синтеза продуктов X, и Х2 не в точечном случае, а во всей клетке, учитывая реальные граничные условия.

Для параметров, приближенных к реальным (¿/=5, ¿2—10, Х~2, Х2-0,5) получены следующие результаты. В диапазоне изменения коэффициента диффузии А=10"10 - 10"8 в первом уравнении системы (3) есть переключение между ветками, но при повышении коэффициента диффузии

уменьшается время, которое проходит до переключения системы из состояния в состояние (точка А на рисунке 4 а смещается ближе к началу отсчета на рисунке 4 б)

Рисунок 4 Временная развертка процесса переключения при Ьг5, /./-10, Х/=2, Хг=0,5, а)-0/=\ 10"'1 м2/с. 6) О/ 10"9м2/с

Если при тех, же условиях добавить диффузию во второе уравнение (3) то, наоборот, увеличение коэффициента диффузии увеличивает время переключения триггера.

Интересным является факт, что в диапазоне Ц> от 2 Ю'10 до 4 10"8 м2/с перед переключением наблюдается резкое повешение концентрации

Хт=0,5, О, -1 10"9м2/с

При учете диффузии в обеих ветках триггера можно увидеть как увеличение, так и уменьшение времени переключения в зависимости от соотношения между коэффициентами диффузии.

Поведение биологического триггера с учетом диффузии продуктов ближе соответствует процессам в реальных системах. Учет диффузии приводит к смягчению действия параметра £ на переключение.

В четвертой главе построена модель, позволяющая учесть процессы ингибирования и активации ферментов в системах (1), (3). Поставленная в данной главе задача решалась посредством вычисления потоков ионов через мембрану согласно электродиффузионной теории Нернста - Планка [ЛЗ] с учетом потоков, созданных внешним электромагнитным воздействием. Изменение потоков порождает изменение концентраций ионов внутри и вне клетки, которое может играть роль управляющего параметра (активатора или ингибитора) в биологическом триггере.

Пассивный ионный транспорт описывается электродиффузионной теорией Нернста - Планка, согласно которой поток ионов через мембрану обеспечивается наличием градиентов потенциала и концентраций самих ионов [ЛЗ]:

./ --иКТ—'--иС г Р—, (5)

1 1 ¿у 1 1 ' с1у У '

где и, - подвижность иона, Я - молярная газовая постоянная, Т - температура, С, - концентрация данного вида ионов, г, - валентность иона, (р -электрический потенциал, у - текущая координата системы, направленная от внешней стороны мембраны к внутренней.

Изменения концентраций разных видов ионов описываются уравнением, которое для одномерного случая имеет общий вид [Л4]

(6)

где потоки компонентов ./, описываются уравнением Нернста-Планка (5), 7(С,)- нелинейная функция, описывающая изменение концентрации ионов за счет происходящих на мембране химических реакций.

Плотность высокочастотного тока определяется как сумма плотностей тока проводимости в среде, вызванная наличием высокочастотного поля, и тока смещения (конвекционной составляющей тока можно пренебречь). [Л5]. Для момента времени, когда вектор напряженности направлен против оси:

8Е

дг'

....., = -<тЕ~ее,—. (7)

где <т- проводимость среды для данного вида ионов, Е - Е0 сс«(<у? - ку) -

продольная компонента волны в системе, а - частота волны, к - волновое число. Принимая во внимание приближение постоянного поля для решения (5) и соотношение /=./•5', где 5 - площадь поверхности, через которую

проходит поток ионов для полного тока через мембрану можно записать:

<р

;,Р<ри,С',м-С^е*7^ _Г _5Е (8)

_ -<гЕ-ее0

ъГ

ЛТ <1

Так как калий является одним из ионов - активаторов ферментативных систем [Л6] (в настоящее время известно более 60 ферментов, активи-

руемых калием с различной степенью специфичности), а в отсутствие калия основным катионом, который может его заменять, является натрий, то все расчеты производились для тока ионов ЛГ, /Уд" через мембрану растительной клетки при температуре /=27°С (Т = 300 К). Однако следует учесть, что многие ферменты, для активации которых необходим 1С, угнетаются ионами N0 , а другие, наоборот им активируются, то рассмотрение именно концентраций ионов N0* является принципиальным.

На рисунке 9 изображена зависимость ионного тока Мз^от времени за один период СВЧ - поля частотой 15 ГГц, плотностью потока мощности 2 Вт/м2. Временной масштаб на рисунке выбран таким образом, чтобы кривые воспринимались различимыми, поскольку по истечении времени, равному одному периоду поля, ток данного иона внутрь клетки падает на

пунктирная кривая - ток без учета СВЧ - воздействия, сплошная кривая -ток с учетом СВЧ - воздействия Рисунок 6 Зависимость тока иона N0* от времени.

Выражение для концентраций ионов (6) с учетом тока, вызванного внешним воздействием, можно записать следующим образом, предполагая /(С()=0:

(9)

Зг (ду ду )

С учетом выражения (7) можно получить следующее соотношение для концентрации иона данного сорта внутри клетки:

с =С;"° +—М(а((с05(А>.) соз(®/ ¿у)) > ^(ят^-ад-эт^))), (10)

2,7-' а ^ '

Расчет (10) показывает, что максимальная прибавка к концентрации, обусловленная внешним воздействием низкоинтенсивного излучения частотой 15 ГТц, составила 0,81-10"8 моль/м3, минимальная - 0,66-10"8'моль/м3

Для триггера с диффузией система уравнений (3) с учетом ингибиро-

вания имеет вид

ах, и

81"

дх2 Ы"

{\ + \1ухА\ + -

д2Х,

(П)

о X,

Сначала рассмотрена триггерная система без диффузии (при нулевых коэффициентах диффузии). Тогда, в результате расчетов получено следующее.

При £/=5, ¿¿=10, Х/=2, Х/=0,5, и добавлении концентрации ингиби-

тора С, = 0,89-10"8 моль/м3,

ингибиторной константе К, = 0,6-10"8 моль/м3 в

ния

1 + -

первую ветку в системе есть переключение, а при увеличении концентрации ингибитора уменьшается время переключения (аналогично, если уменьшать ингибиторную константу). Триггер в данной системе существует при изменении С/ от 2-10"12 до 0,89-10"8 моль/м3. Следует особо отметить, что, поскольку учет ингибирования приводит к появлению выраже-

' и ]

— в знаменателе, где и, - концентрация соответствующего ин-

)

гибитора С/, Кш - ингибиторная константа, имеющая ту же размерность, что и концентрация, то мы можем брать эти величины для расчетов размерными (общая размерность систем (3) и (11) не нарушается). Так как все численные расчеты проводятся для случая фиксированных величин С/, и

( и \

Кш , то выражение 1 + —- может быть отнесено к параметру £ и можно

V Кш)

считать «мягким», не силовым. В некоторых расчетах изменяется ингибиторная константа (которая, казалось бы, должна остаться постоянной) потому, что именно она характеризует различные ферментативные процессы, а концентрация ингибитора изменяется только в пределах, полученных в результате расчетов концентраций ионов по модели Нернста - Планка.

При тех же параметрах Ь и X, добавляя ингибирование во вторую ветку с уменьшением ингибиторной константы на порядок от К, ~ 0,6-10'8 моль/м3 (или с увеличением на порядок концентрации ингибитора) триг-герный режим в системе перестает существовать и при дальнейшем уменьшении К, не восстанавливается. То же самое исчезновение триггер-ного режима в системе достигается при понижении концентрации ингибитора до значения С/=0,29-10"8 моль/м3 (причем еще при С/=0,28 10"8 моль/м3 триггерный режим в системе есть). Отсюда можно сделать вывод, что даже для точечной системы без диффузии с приведенными выше начальными параметрами влияние низкоинтенсивного ЭМ - воздействия в виде небольшого смещения концентрации ингибитора мо-

жет оказаться решающим для работы системы в том или ином режиме.

Добавляя и диффузию, и ингибирование в первую ветку получаем уменьшение времени переключения триггера без срыва триггерного режима во всем выше приведенном диапазоне коэффициентов диффузии.

Добавляя и диффузию, и ингибирование во вторую ветку получаем отсутствие триггерного переключения при любых значениях коэффициентов диффузии, ингибиторных констант и концентрации ингибитора из вы-шеобозначенного диапазона при тех же начальных £/=5, ¿¿=10, Х,=2, Хз=0,5.

Особенно интересным получается эффект при несимметричном добавлении: ингибирования в одну ветку, а диффузии - в другую (если по каким либо причинам коэффициенты диффузии резко различны и можно пренебречь одним по сравнению с другим).

Например, при ¿1=5, ¿2= 10, Х,=2, Х_?=0,5, добавляя ингибирование во вторую ветку 0^=0,81 10"8 моль/м3 К2 = 0,6-10"8 моль/м3, а диффузию смещая в первую ветку в диапазоне £>/ от 5-10'10 до 2-10"9 м2/с можно наблюдать двойной переброс триггерной системы (см. рисунок 10), означающий, что в реакции сначала превалирует образование одного вещества, а затем начинается более активная выработка второго.

-1-1-1-—I-

►5

1,0 -.

!),> -1-1-L_--1--

О 10 20 30 40 ql

Рисунок 7 Поведение системы при X; 0,5, С;=0,8М0*8

моль/м3 К, = 0,6-Ю"8 моль/м3, D, = 5 -10"'0 м2/с.

Наряду с ингибиторами имеются вещества, способные повышать активность фермента, ускорять его работу. Этот способ регулирования еще называют методом поощрения - хотя не столь распространен, как способ подавления активности, но все же играет определенную роль [JI6], Система (3) учетом активации имеет вид аг, _ А Д у , d д7х, дг (1+гХ;)к„+А, ' ' &2 '

¿2 4 Y л- И д2Х>

--= = 7---г-"--А, + Я,-тК

дГ (l + l/уХ^)Ка2 + А2 ' - dz

Параметр к"2 в (12) входит в параметр I. Так же как и для случая ингиби-д

рования, выражение -!— безразмерно и в случае постоянных А, и Кш

Кт + А,

может быть отнесено к параметру Ь, и, следовательно, переключение можно считать «мягким», не силовым. Проведенные расчеты показали следующее.

При тех же самых 1/=5, 10, Х/=2, Х^=0,5, и добавлении концентрации активатора С/ = 0,81-10"8 моль/м3, константы активации К„ = 0,6-10"8 моль/м3 во вторую ветку в системе нет переключения, а при увеличении константы активации появляется триггерный режим при Ка = 0,22-10"8 моль/м3 и ниже.

При добавлении концентрации активатора С/ = 0,81-Ю"8 моль/м3, константы активации Ка = 0,6-10"8 моль/м3 в первую ветку без учета диффузии в системе есть переключение, а при увеличении константы активации снижается время переключения по сравнению с биотриггером без учета активации..

Добавляя и диффузию, и активацию в первую ветку получаем аналогично триггеру с ингибированием уменьшение времени переключения триггера без срыва триггерного режима во всем выше приведенном диапазоне коэффициентов диффузии.

Добавляя и диффузию, и активацию во вторую ветку получаем появление триггерного режима при й2 = 1-Ю"10 м2/с С? - 0,81-10"8 моль/м3, константы активации Ка2 = 0,081-10"8 моль/м3 при тех же начальных ¿/=5, ¿2=10, ХгХ Хг=0,5.

Особенно интересным получается эффект при несимметричном добавлении: активации в одну ветку, а диффузии - в другую.

Например, при добавлении активации во вторую ветку, а диффузии -в первую при изменении константы активации Ка2 = 0,5-10'8 - 0,6910"8 моль/м3 существует двойное переключение биотриггера (см. рисунок 11).

2,0

а М

л. 1 1 '

а)

/Ъ -

» 1

ч>

•1.0

\;:' О) '

1 .. , 1 . 1 1 1 1

15 20

<Н

а) К„ - 0.69 • 108 моль/м3, б) Ка = 0,65 • 10"8 моль/м3 Рисунок 8 Поведение системы при ¿/=5, ¿;=10,Л7=2, Хг=0,5, С/=0,81-10"'

моль/м3,0, = 1 -Ю'10 м2/с.

Последний процесс может иметь большое значение, если рассматривать жизнедеятельность биообъекта в целом как триггер. Так как существуют области параметров, где в системе обеспечивается двойной переброс и в случае активации и в случае ингибирования, можно предположить, что полученные в экспериментах, проведенных с микроорганизмами, сначала бурный рост, а затем спад активности жизнедеятельности подчиняется этому же механизму.

В заключении диссертации подведены итоги исследования, перечислены полученные результаты и выводы.

В результате исследований получены следующие основные научные результаты.

1. Экспериментально определены частоты (например, 15,2 - 15,9 ГГц), воздействие на которых на один вид биообъектов положительно (неэлитное зерно), а на другой - отрицательно (сорт «Альбидум 188»).

2. В результате экспериментов по воздействию нетеплового ЭМИ КВЧ и СВЧ на сухое зерно яровой пшеницы и микроорганизмы St.Aureus и В. Albus., проведенных в различное время года, выявлено, что учет сезона воздействия и собственной активности биообъектов в данный сезон важен для получения результатов без искажения.

3. Определены возможные механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на ферментативные реакции биологического триггера с мягким его переключением в виде изменения при учете такого воздействия параметров биологического триггера, области существования триг-герного переключения для расширенного триггера с учетом диффузии продуктов из области реакции.

4. С помощью электродиффузионного уравнения Нернста - Планка произведена оценка изменения токов ионов через мембрану, доказано, что наличие внешнего электромагнитного излучения изменяет величину тока ионов через мембрану до 5% от исходного.

5 Предложен физический механизм воздействия внешнего ЭМИ на процесс переключения ферментативной реакции, описываемой моделью Жакоба - Моно с помощью учета изменения концентраций ионов 1С и Na', являющихся для реакций в растительной клетке ингибиторами (активаторами).

6. Учет ингибирования в расширенной системе биотриггера с диффузией позволяет определить наличие областей параметров концентраций ионов (например, при L~5, L¡= 10, X¡=2, Х2-0,5, концентрации ингибитора Сi = 0,89-10'8 моль/м3, иншбиторной константе K¡ = 0,6-10"8 моль/м3 ), при которых существует триггерный режим работы с переключением из состояния в состояние и с учетом изменения концентрации ионов - ингибиторов в результате воздействия ЭМИ, оценить уменьшение или увеличение времени переключения триггера.

оценки времени, проходящего между двумя последовательными переключениями биологического триггера при добавлении диффузии в одну ветку реакции, а ингибирования - в другую. Поскольку электромагнитная энергия небольшой интенсивности может быть использована в лечебных целях, в корректировке биофизических процессов, а излучение большой интенсивности бесспорно окажет на организм неблагоприятное воздействие, изучение и даже приближенное моделирование процессов воздействия волн малых интенсивностей носит не только чисто научный, в еще и вполне обусловленный практический интерес.

Понимание механизмов воздействия ЭМИ низкой интенсивности на биологические объекты позволит осознанно создавать лечебные приборы, вовремя прогнозировать ухудшение экологической обстановки при создании промышленных приборов и избегать такого ухудшения.

Цитируемая литература:

Л1. Романовский, Ю.М. Математическое моделирование в биофизике/ Ю М Романовский, Н.В. Степанова, Д С. Чернавский. - М.- Наука, 1975. - 344 с. Л2. Гусев М.В, Минеева J1.A Микробиология (2001)[Электронный ресурс] - Режим доступа' http.Z/evolution.atheism ru/library/micro/index.html

JI3 Рубин, А.Б. Биофизика: В 2-х т' Л Б Рубин -М Высшая школа, 1987 -319с

Т.1 - Учеб. для биол спец. вузов. Кн 1. Теоретическая биофизика

Л4. Влияние электрического поля на динамику ионов вблизи клеточной мембраны /

Т.Ю.Плюснина, [и др.] [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://evolution.

atheism.ru/library/rnicro/index.html

Л5. Шеин, А. Г. Подходы к моделированию воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на ионный транспорт через биологические мембраны/ А. Г Шеин, Р Н Никулин // Биомедицинские технологии и радиэлек-троника. - 2003. - № 4. - С 4 - 11.

Л6 Полевой, В. В. Внутриклеточные и межклеточные системы регуляции у растений/ В, В, Полевой И Соросовский образовательный журнал. - 1997. - № 9 - С.6 -11.

Основные результаты исследования отражены в публикациях:

1. Исследование влияния СВЧ - излучения низкой интенсивности на злаки / Н. В. Кривонос [и др.] // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. - №4 - С 14 -18.**

2 Кривонос, Н. В Особенности воздействия излучения двухсантиметрового диапазона на злаковые культуры / Н. В. Кривонос, А.Г. Шеин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2002. - №4. - с 5 - 8. **

3. Облучение семян озимой пшеницы электромагнитными СВЧ-волнами нетепловых интенсивностей / Н. В. Кривонос [и др ] // Физическая метрология Вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. - 2002. Вып 4 - С. 71 - 80. **

4. Кривонос, Н. В. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ - излучения на зерновые как переключение биолохического триггера / Н. В. Кривонос, А. Г. Шеин, Р. Н. Никулин // Физическая метрология. Вестник Поволжского отделения Метроло-iической академии России 2002 Выи 4 -С 81 -86 **

5. VI Традиционная научно-техническая конференция стран СНГ' Тезисы докладов / Н. В. Кривонос, А. Г. Шеин. - Волгоград. РПК «Политехник» - 2002. - С.175 -179. **

6. VI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: сб. докладов /II В Кривонос. - Волгоград: РПК «Политехник»,- 2002. - С. 210 -212.**

7 VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: сб докладов / Н В. Кривонос. Волгоград РПК «Политехник». - 2003. - С. 239-240. **

8. Кривонос, Н.В О возможности обоснования некоторых эффектов воздействия СВЧ излучения низкой интенсивности на живой организм с помощью триггер-ной модели / Н. В Кривонос, А Г Шеин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. - №4 - С. 13 - 22. **

9. Федеральная итоювая научно-1ехн. конфер. творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам: матер конфер. / Н В Грецо-ва, А. В. Харланов, Р Н. Никулин // - М , 2003 -С 66- 67.

10. Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи России по естественным наукам. Каталог представленных на конкурс проектов и работ / Н. В. Грецова, А. В. Харланов, Р. Н. Никулин //- Саратов, 2003. - С. 170 - 172.

11. Грецова, Н. В. Моделирование нскоюрых эффектов воздействия СВЧ излучения низкой интенсивности на живой организм с помощью модели несимметричного триггера / Н В Грецова, А Г Шеин // Биомедицинская радиоэлектроника -2004,-№4.-С. 11-16.

12. VIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. тезисы докладов / Н В Грецова // - Волгоград: РПК "Политехник", 2004. - С. 241 -243.

13. Десятая Всероссийская Научная Конференция Студентов - Физиков и Молодых Ученых. Тезисы докладов в 2 т..Т.2 / Н. В. Грецова. - Екатеринбург - Красноярск' Издательство АСФ России, 2004. - С. 811 - 812.

14. Грецова. Н В Моделирование некоторых эффектов воздействия СВЧ - излучения на живой организм с помощью модели несимметричного триггера с учетом диффузии / П. В Грецова, А Г. Шеин, А. В. Волошин // Ьиомедицинские технологии и радиоэлектроника - 2005. - № 3. - С 5-9.

Кривонос Н.В. - после замужества -1 рецова Н.В.

Подписано в печать 23.09 .2005 г. Заказ № 643 . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35

!И7з 85

РНБ Русский фонд

200М 16607

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Грецова, Наталья Владимировна

Введение

1 Биологическая система в электромагнитном поле.

1.1 Нормирование электромагнитных излучений.—.

1.2 Электрические и магнитные свойства биологических тканей.

1.3 Экспериментальное изучение нетеплового воздействия ЭМИ на биообъекты различного уровня организации.

1.4 Действие ЭМИ на мембранный транспорт.

1.5 Проблемы моделирования воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку.

2 Исследование жизнестойкости биообъектов при воздействии электромагнитного излучения низкой интенсивности.

2.1 Проблема воздействия неионизирующего излучения на биообъекты.

2.2 Воздействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения на всхожесть и рост яровой пшеницы.

•> 2.3 Воздействие низкоинтенсивного ЭМИ на микроорганизмы

3 Обоснование эффектов воздействия СВЧ — излучения с помощью триггерной модели реакций.

3.1 Точечная триггерная модель ферментативных реакций.

3.2 Расширенный триггер с диффузией.

4 Воздействия электромагнитного излучения на пассивный транспорт •V. веществ через мембрану клетки.

4.1 Биологический триггер с ингибированием (активацией).

4.2 Определение концентраций ионов - ингибиторов.

4.3 Исследование биологического триггера с ингибированием активацией).

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на клетку"

Актуальность исследования. С каждым годом возрастают уровни мощности электромагнитного излучения (ЭМИ), создаваемые: всевозможными; искусственными источниками, такими, как теле- и радиопередающие; центры, гражданские:и военные радиолокационные::установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры и т.д.), технологические установки в промышленности. В то же время, электромагнитные поля не являются абсолютно чуждыми для организма, однако если на протяжении многих веков уровни мощности ЭМИ оставались очень низкими, то теперь, в результате деятельности человека они сильно возросли и с каждым годом возрастают все быстрее. Искусственные электромагнитные: поля (ЭМП) являются новым фактором окружающей среды и пока не известно, какое именно действие (положительное или отрицательное), они оказывают на процессы метаболизма, протекающие в биологических системах, и как изменяется это воздействие от одного вида организмов к другому. Одним из интереснейших и в то же время наименее изученных вопросов современной науки яв^-ляется проблема воздействия неионизирующего ЭМИ радиодиапазона низкой интенсивности на биологические системы. Хотя накоплен большой экспериментальный материал по воздействию ЭМИ различных частот и уровней мощности на самые различные биообъекты, и в настоящее время широко внедряются-методы: лечения с помощью ЭМИ [например 1 - 3, 16, 24], однозначного ответа на вопрос о физических механизмах воздействия и о возможности прогнозирования поведения биообъекта пока нет.

Именно для решения задач, связанных с изучением и моделированием процессов, происходящих в биологическом объекте на разных уровнях организации: при воздействии излучения крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона в Российской Академии; наук на отделении* "Физики и астроиомии" в Научном совете РАН по проблеме "Физическая:электроника"" (научный руководитель -академик РАН Гуляев Ю.В.) создана секция "Биологические эффекты миллиметрового излучения» (научный руководитель •- профессор Бецкий О.В.), [24].

Но, поскольку большинство современных радиоэлектронных приемопередающих устройств в области радиолокации, навигации, связи, телевидения работают в диапазоне сверхвысокочастотных излучений, этот диапазон также нельзя оставлять без внимания.

Создание общей теории и единых подходов к проблеме моделирования и прогнозирования; эффектов воздействия ЭМИ высокой частоты представляет собой трудную задачу, прежде всего, потому, что воздействие происходит на всех уровнях организации живой материи, причем на каждом из уровней механизмы воздействия и отклик биообъекта принципиально различны.

Целыо исследований является изучение физических механизмов воздействия высокочастотного электромагнитного поля на клетку, определение механизмов передачи внешнего воздействия в биообъект и выявление тех процессов жизнедеятельности, па которые влияет внешнее электромагнитное поле сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного диапазонов.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи: .

- проведены экспериментальные: исследования воздействия низкоинтенсивного СВЧ ■■ излучения- на рядбиологических объектов и получены результаты^ позволяющие утверждать факт самого воздействия и прогнозировать, его результат;

- рассмотрены, механизмы воздействия; внешнего' ЭМИ на параметрическое переключение: точечного биологического триггера Жакоба - Моио и расширенного биологического триггера с диффузией;

- предложен физический механизм воздействия электромагнитного; поля СВЧ низкой интенсивности на проводимость клетки и изменения концентраций ионов К'~, Na' при учете внешнего воздействия микроволн исгепловой мощности;

- проведены исследования процессов ипгибирования (активации) триггер-ной ферментативной реакции с учетом воздействия иизкоинтенсивного ЭМИ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально показано, что необходим учет сезонных изменений активности биообъектов при исследованиях воздействия иизкоинтенсивного ЭМИ сверхвысокой и крайневысокой частоты;

- экспериментально показано, что при воздействии низкоинтенсивного ЭМИ на микроорганизмы St. Aureus и В. Albus необходимо выбирать сроки наблюдения в пределах не ниже 168 часов, так как имеет место поздний отклик на воздействие;

- впервые установлены частоты излучения (например, 15,5 ГГц), благотворный эффект воздействия которых на пшеницу не элитного сорта практически у постоянен при фиксированной интенсивности (100 мкВт/см") и отклик по всхожести составляет не менее 115- 120 % для экспериментов проведенных в период покоя зерна;

- впервые установлены частоты (например, 15,2 — 15,9 ГГц), воздействие на которых на один вид биообъектов положительно (неэлитное зерно пшеницы), а на другой - отрицательно (сорт «Альбидум»);

- установлена возможность параметрического: (мягкого): переключения: точечного биологического триггера при воздействии низкоинтенсивиого ЭМИ;

- впервые предложен физический;механизм воздействия внешнего ЭМП на ферментативные: реакции; в результате повышения: (или? понижения) концентраций ионов - ингибиторов; впервые установлено, что при учете диффузии продуктов и внешнего воздействия нетепловых интенсивностей СВЧ и КВЧ диапазонов возможно как увеличение, так и уменьшение времени переключения триггера.

Практическая ценность заключается в том, что

- экспериментально доказана: роль, сантиметрового диапазона длин волн, в реализации биологических эффектов;

• - предложена обобщенная модель, позволяющая оценить изменение концентрации ионов - ингибиторов (активаторов) и последующее влияние на метаболизм клетки.

Внедрение результатов работы. Работа велась в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №29.230), выполняемая на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета в рамках плана; перспективных и фундаментальных, работ в течение последних пяти лет.

Достоверность результатов исследования обусловлена корректной постановкой экспериментальных исследований при статистической обработке результатов эксперимента, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих- с экспериментальными и литературными данными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований прорастания и роста зерновых и поведения штаммов St. Aureus и В: Albus при воздействии.внешнего? электромагнитного излучения.

4. Метод оценки времени переключения биологического триггера после воздействия внешнего СВЧ - излучения и прогнозирование поведения как биоклетки (и процессов в ней), так и более сложного организма в целом.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2002 - 2005 гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (2002 - 2005 гг.), на VI, VII и VIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2001 г., 2002 г., 2003 г.), на VI Традиционной научно-технической конференции стран: СНГ «Процессы и оборудование: экологических производств» (Волгоград,,.2002 г.); результаты, исследования были представлены на «Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.), на X — ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (Москва, 2004 г.).

Публикации

1. Исследование'влияния СВЧ - излучения низкой интенсивности на злаки / 11. В Кривонос [и др.] // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. - №4. - С. 14-18

2. Кривонос, Н. В. Особенности воздействия излучения двухсантиметрового диапазона на злаковые культуры / Н. В. Кривонос, А.Г. Шеин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2002. - №4. - с. 5 - 8. **

3. Облучение семян озимой пшеницы электромагнитньши СВЧ-волнами нетепловых интенсивностей / Н. В. Кривонос [и др.] // Физическая метрология. Вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. - 2002. Вып. 4. - С. 71 - 80í **

4. Кривонос, Н. В. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ - излучения на зерновые как переключение биологического триггера / Н. В. Кривонос, А. Г. Шеин, Р. II. Никулин // Физическая метрология. Вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. -2002. Вып. 4. - С. 81 - 86. **

5. VI Традиционная научно-техническая конференция стран СНГ: Тезисы докладов / Н. В. Кривонос, А. Г. Шеин. - Волгоград: РПК «Политехник».--2002.-С. 175- 179. **

6. VI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: сб. докладов / Н. В. Кривонос. - Волгоград: РПК «Политехник».

2002.-С. 210— 2.12,.**

7. VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: сб. докладов / Н. В. Кривонос. - Волгоград: РПК «Политехник».

2003.-С. 239- 240. **

8. Кривонос, Н.В. О возможности обоснования некоторых эффектов воздействия СВЧ излучения низкой интенсивности на живой организм с помощью триггериой модели / Н. В. Кривонос, А. Г. Шеин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. - №4. - С. 13 - 22. * *

9. Федеральная итоговая» научно-техн. конфер. творческой молодежи; России но-естественным, техническим,.гуманитарным наукам: матер, коифер. / Ы. Bi Грецова, А. В. Харланов, Р. Н. Никулин. - М , 2003 - С. 66?—6-?'.

10. Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой? молодежи России по естественным; наукам. Каталог представленных на конкурс проектов' и работ / Н. В. Грецова, А. В. Харланов Р Н Никулин.- Саратов, 2003. - С. 170 - 172.

11. Грецова, Н. В. Моделирование некоторых эффектов воздействия СВЧ излучения низкой интенсивности на живой организм с помощью модели несимметричного триггера / Н. В. Грецова, А. Г. Шеин // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2004. - № 4. - С. 11 - 16.

12. VIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской, области: тезисы докладов / Н. В. Грецова. - Волгоград: РПК "Политехник", 2004.-С. 241 -243.

13. Десятая Всероссийская Научная Конференция Студентов - Физиков и Молодых Ученых. Тезисы докладов: в 2 т.,Т.2 / Н. В. Грецова. - Екатеринбург -Красноярск: Издательство АСФ России, 2004. - С. 811 -812.

14. Грецова, Н. В. Моделирование некоторых эффектов воздействия СВЧ -излучения на живой организм с помощью модели несимметричного триггера с учетом диффузии / Н. В. Грецова, А. Г. Шеин, А. В. Волошин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника - 2005. — № 3. - С. 5 - 9:

Кривонос Н В в 2003 г. сменила фамилию. В настоящее время - Грецова

Н.В.

Личный вклад автора.

Диссертант полностью самостоятельно выполнила аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: провела цикл экспериментальных исследований и проанализировала их, сделала выводы о необходимости учета некоторых новых параметров при воздействии низкоинтенсивиого ЭМИ на биообъекты, получила аналитический вид формул, описывающих изменение концентраций ионов одновалентных металлов от параметров внешнего СВЧ - поля, провела численные расчеты величин изменений и предложила метод учета воздействия нетеплового ЭМИ на процессы ингибирования (активации) ферментативных процессов в биологическом триггере и прогноза дальнейшего поведения биообъекта. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в соавторстве с научным руководителем профессором Шейным А.Г.

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

ВЫВОДЫ

В результате исследований получены следующие основные научные результаты.

1. Экспериментально определены частоты (например-. 15,2 - 15,9 ГГц), воздействие на которых на один вид биообъектов положительно (неэлитное зерно), а на другой - отрицательно (сорт «Альбидум 188»).

2. В результате экспериментов по воздействию нетеплового ЭМИ: КВЧ и: СВЧ на сухое зерно яровой пшеницы и микроорганизмы Sl.Aureus и В. Albus., проведенных в различное время года; выявлено, что учет сезона;воздействия и собственной активности биообъектов в данный сезон важен для; получения результатов без искажения.

3. Определены возможные механизмы воздействия низкоинтенсивного ЭМИ на ферментативные реакции биологического триггера с мягким его переключением в виде изменения; при учете такого воздействия параметров биологического триггера, области существования триггерного переключения для расширенного триггера с учетом диффузии продуктов из области реакции.

5. Предложен физический механизм воздействия внешнего ЭМИ на процесс переключения ферментативной реакции, описываемой моделью Жакоба - Моно с помощью учета изменения концентраций ионов Kv и Na \ являющихся для реакций в растительной клетке ингибиторами (активаторами).

6. Учет ингибирования в расширенной системе биотриггера с диффузией: позволяет определить наличие областей параметров концентраций ионов (например, при Lf=5\ L?=10, Z/=2, Х2=0,5, концентрации ингибитора C¡ =

0,89-10"8 моль/м3, ингибиторной константе К( = 0,6-10"8 моль/м3), при которых существует триггерный режим работы с переключением из состояния в состояние и с учетом изменения концентрации ионов - ингибиторов в результате воздействия ЭМИ, оценить уменьшение или увеличение времени переключения триггера.

7. Предложен метод прогноза поведения биообъекта (как отдельной реакции в нем, так и всего в целом) после воздействия электромагнитного излучения СВЧ и КВЧ нетепловых мощностей с помощью оценки времени, проходящего между двумя последовательными переключениями биологического триггера при добавлении диффузии в одну ветку реакции, а ингибирования -в другую.

Поскольку электромагнитная энергия небольшой интенсивности может быть использована в лечебных целях, в корректировке биофизических процессов, а излучение большой интенсивности бесспорно окажет на организм неблагоприятное воздействие, изучение и даже приближенное моделирование процессов воздействия волн малых интенсивностей носит не только чисто научный, в еще и вполне обусловленный практический интерес.

Список исполБзованной литераптурБГг

1. Бсцкий, О.В., Современные представления о механизмах воздействия низкоинтенсивных миллиметровых волн на биологические объекты / О. В. Бецкий, H.H. Лебедева // Миллиметровые волны в биологии и медицине. -2001.-№3,-С. 5- 19.

2. Бецкий, О.В. Лечение электромагнитными полями: часть 2 / О В Бецкий, IT. Д. Девятков, Н. И. Лебедева // Биомедицинская радиоэлекгроника. - 2000. -JS|M0i -C. 3 - 13l

3. Бецкий, O.B. Лечение электромагнитными? полями: часть 3 / О. В. Бецкий, Н. Д. Девятков, Н. Н. Лебедева// Биомедицинская радиоэлектроника. -2000.-№12.-С. 11-30.

4. Пресман, A.C. Электромагнитная сигнализация в живой природе / А. С. Пресман. - М.: Сов. радио, 1974. - 58 с.

5. Бородин, И.Ф. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве / И. Ф. Бородин, Г. А. Шарков, А. Д. Горин. -М., ВНИИТЭИагропром, 1987. - 55 с.

6. Влияние электромагнитных излучений на биологический организм [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://forpost-7.curo.ru/eenii/emi bio. htm

7. Давыдов^ Б.И. Биологическое действие, нормирование и защита от электромагнитных излучений / Б. И. Давыдов. B.C. 'Гихончук, В. В. Антипов. - N4.: Энергоиздат, 1984.-169 с.

8. Холодов, Ю.А. Минуя органы чувств / Ю. А. Холодов // Новое в жизни, науке, технике: Сер. Биология. - 1991. - №11. - С. Г — 76.

9. Холодов Ю.А. Шестой незримый океан. - М.: Знание, 1978. - 123 с.

10. Овчинникова, Г. И. Сегнетоэлектрическая модель микроволнового воздействия на биологические системы /Г. И. Овчинникова, Ю. А. Пирогов, А. Н. Солошенко // Биомедициiюкая радиоэлектроника. -2000. - №3. - С.56 -60.

11. Девятков, Н.Д. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности / Н. Д. Девятков, М. В. Голант, О. В. Бецкий. - М.: Радио и связь, 1991.- 160 с.

12. Исмаилов, Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений / Э. Ш. Иемаилов-М.: Энергоиздат, 1987. - 143 с.

13. Чукова, Ю.П. Эффекты слабых воздействий. Термодинамический, экспериментальный (биологический и медицинский), социальный, законодательный, международный и философский аспекты проблемы / ТО. П. Чукова. - М.: Компания «Алее», 2002. - 426 с.

14. Федеральные санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы. Утверждено Госкомеанэпиднадзора России от 8 мая 1996 г. № 9. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Дата введения: с момента утверждения.

15. Широносов, В.Г. Резонанс в физике, химии и биологии. Ижевск, Издательский доми^дмуртскижун-ивереитет»'.-. - 2000/OÉ. - 92 с.

16. Взаимодействие физических полей с живым; веществом: Монография;/ Нефедов Е.И.[и др.] -Тула: Изд-во ТулГУ, 1995. - 179 с.

17. Лекции по-биофизике / Иод.ред. И. О. Макарова. - JT: Изд-во Ленингр: ун-та, 1968. - 478 с.

18. Гамаюрова, Bf С., Влияние ЭМИ КВЧ нетепловой интенсивности на рост дрожжей Saccharomyces cerevisiae / В. С. Гамаюрова, А. Ю. Крыницкая , М. Н. Астраханцева // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. — 2004. -№1-2, - С.117- 120.

19. Егорова, Е. И, Влияние; СВЧ^излучения нетепловой мощности на. спонтанную двигательную« активность донервных эукариот (на примере: Spirostomum ambiguum) / Е. И. Егорова, H. А. Тушмалова , Ю. В: Иголкина // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004. - №5-6. - С.58 -61.

20. Rebrova, Т.В. The i'nfl uence of M M- Waves electromagnetic radiation on vital activity of microorganisms) / Edited; by academician Devyatkov N.D. and professor Betskii O.V. // Biological;, aspects: of low intensity millimeter waves-Moscow, 1994. - P. 104 - 124.

21. Генерация потенциала действия при ММ- облучении у высших растений / А. Ф. Королёв; [и др.] // Миллиметровые волны в? биологии и медицине; -2002. -№ 1-С. 62-66.

22. Влияние резонансного КВЧ-излучения на ростовые характеристики проса посевного / C.B. Тучин [и др.] // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2002. - № 1. - С. 74 - 75.

23. Гвоздев, В. И., Модель биоклетки при сверхмалых дозах воздействия7 В. И. Гвоздев, В. В. Герасёв, Б. Я. Климов // Биомедицинская радиоэлектроника. -2000. - №4. -С.39 -45.

24. Бецкий, О.В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии / О. В. Бецкий, Н. Д. Девятков, В. В. Кислов // Вопросы физической метрологии. Вестн. Поволжск. отдел, метрол. акад. России. Вып. 1. 1999. - С. 44-81.

25. Конвективный перенос растворенных в воде веществ как возможный механизм ускорения мембранных процессов под действием мм излучения / О. В. Бецкий [и др.] // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты. - М., ИРЭ АН СССР, 1983. - С. 97

114.

26. Бецкий, О.В., Необычные свойства воды в слабых электромагнитных полях / О. В. Бецкий, H. Н. Лебедева, Т. И. Котровская // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003 . - №1. - С. 37 - 44.

27. Карнаухов А. В;, Диссипативный резонанс - новый класс физических явлений. Некоторые подходы к аналитическому описанию / А. В. Карнаухов,

В. О. Пономарёв // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2001. -№8. - С.23 - 31.

28. Пономарёв, В. 0., Многочастичная!; модель, механизма первичного; поглощения-слабых электромагнитных полей биологическими»:объектами;/ В. О. Пономарев, А. В. Карнаухов? // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника . - 2003. - №3. - С.39 - 44.

29. Иванов, В. В. Как работают ферменты (1996)[Электронный ресурс]. -Режим доступа: http:// www. pereplet. г и/ obrazovanie/stsoros/161 .html

30. Gaiduk, V. I., The concept of two stochastic processes in liquid water and analytical theory of the complex permittivity in the wavenumber range 0-1000 cm"1 / V. L. Gaiduk, J. K. Vij // Physical Chemistry Chemical Physics, №3, 2001. - P.: 5173- 5181.

31. Betskii, O.V. Electromagnetic millimeter waves and living organisms / O.V. Betskii // Biological aspects of low intensity millimeter: waves / Edited by academician Devyatlcov N.D. and professor Betskii O.V. - Moscow, 1994. - P. 8 -38.

32. Гайдук, В.И. Вода, излучение, жизнь / В. И. Гайдук // Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Физика». - М;: Знание, 1991. - № 7- 64 с.

33. Gaiduk V. I., Vij J.К. The concept: of two stochastic processes in liquid water and analytical theory of the complex permittivity in the wavenumber: range: 0- 1000 cm"1 // Physical Chemistry Chemical Physics, №3, 2001. - P.: 5173- 5181.

34. Малеев, В.Я., Взаимодействие миллиметровых волн с водными растворами нуклеиновых кислот и их компонентов / В. Я. Малеев, В. А. Кашпур // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты: сб. ст./ Под ред. II.Д . Девяткова. — М:, 1983. - 220 с.

35. Атауллаханов, Ф.И. Каскады ферментативных реакций и их роль в биологии (2000) [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.pereplet. Ru/obrazovanie/stsoros/1048.html

36. Диксон, М. Ферменты: в 3-х книгах / М. Диксон, Э. Уэбб. - М.: Мир, 1982.-515с

37. Калоус, В. Биофизическая химия / В. Калоус, 3. Павличек. - М.: Мир, 1985.-446с.

38. Вопросы физиологии пшеницы: сб. ст. / В. Г. Казанджи. - Кишинев: "Штинница", 1981.-306 с.

39. Вопросы физиологии пшеницы: сб. ст. / Ф. X. Раля, К. С. Тимчук, Б. С. Кишинев: "Штинница", 1981.-306 с.

40. Применение СВЧ - энергии для защиты, растений/ В. М. Кузьменко [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. - 1986. - №3.-С.26 - 30

41. Прищеп JI. Г. Эффективная электрификация защищенного грунта. - М.: Колос, 1980.-208 с.

42. Морозов, Г. А. Низкоинтенсивные микроволновые технологии (методы и аппаратура) / Г. А. Морозов, Ю. Е. Седельников // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника - 2002. - № 2 — С. 12 - 20.

43. V Региональная! конференция; молодых исследователей Волгоградской? области: сб. докладов; / Н. В. Кривонос. - Волгоград:: РНК «Политехник», 2001.-С. 210-212.

44. Шеищ Л.Г. Особенности воздействия излучения двухсантиметрового диапазона на злаковые культуры / Л. Г. Шеин, Н. В. Кривонос // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника; - 2002. - №4. - С. 5 - 8.

45. Романовский, Ю;М Математическое моделирование в биофизике / Ю. М. Романовский, Н. В. Степанова, Д. С. Чернавскии. - М.: Наука, 1975. - 344 с.

46. Полевой, В.В. Физиология растений / В В Полевой. - М: Высш. школа, 1989 -464 с.

47. Романовский, Ю.М. Что такое математическая биофизика (Кинетические модели в биофизике) / IO. М. Романовский, И. В. Степанова, Д. С. Чернавский. - М.: Просвещение, 1971 - 136 с.

48. Рубин, А.Б. Биофизика: В 2-х кн.: Учеб. для биол. спец. вузов. Кн. 1. Теоретическая биофизика/ А. Б. Рубин. -М.: Высшая школа, 1987. - 319 с.

49. Болдырев, A.A. Na/K - АТФаза - свойства и биологическая роль / А. А. Болдырев // Соросовский образовательный журнал. Биология. - 1998.,-№4. -С. 2-9.

50. Гусев, М.В, Микробиология (2001) [Электронный ресурс] / М. В. Гусев, JI. А. Минеева. Режим доступа: http://evolution.atheism.ru/library/micro/index. html

51. Вычислительная математика/Данилина Н. И.[и др.]. - М.: Высш. шк., 1985.-472 с.

52. Андронов, А. А. Теория колебаний / А. А. Андронов, А. А. Витт, С. Э. Хайкин. - М: Наука, 1981. - 568 с.

53. Торнли, Дж. Г. М. Математические модели в физиологии растений / Дж. Г. М. Торнли. - Киев: Наукова Думка, 1982. - 312 с.

54. Шеин, А. Г. Обоснование некоторых эффектов воздействие СВЧ-излучения низкой интенсивности на живой организм с помощью триггерной модели / А. Г. Шеин, Н. В. Кривонос // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2003. - №4. - С. 12 - 22.

55. Рубин, А.Б. Биофизика: В 2-х кн.: Кн. 2. Биофизика клеточных процессов / А. Б. Рубин. - М.: Высшая школа, 1987. - 303 с.

56. Геннис,. Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции / Р. Геннис. - М.: Мир, 1997. - 624 с.

57. Биофизика: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Ф. Антонова. М.: Владос, 2000.-288 с.

58. Флиндт, Р. Биология в цифрах. Сборник таблиц, включающий более 10 ООО данных / Р. Флиндт. - М.: Мир, 1992. - 304 с.

59. Грецова, Н. В. Моделирование некоторых эффектов воздействия СВЧ излучения низкой интенсивности на живой организм с помощью модели несимметричного триггера / Н. В. Грецова, А. Г. Шеин // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2004. - № 4. - С. 11 - 16.

60: Тамбиев, А. X. Некоторые новые представления о причинах формирования стимулирующих эффектов КВЧ-излучения / Л. X. Тамбиев, Н. Н. Кирикова // Биомедипинская радиоэлектроника. - 2000. - №Т. - С.23-—32.

61. Волькенштейн, М. В. Физика ферментов / М. В. Волькенштейн. - М.: Наука, 1967. - 199 с.

62. Шеин, А. Г. Подходы к моделированию воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на ионный транспорт через биологические- мембраны / А. F. Шеин, Р. Н. Никулин // Биомедицинекие технологии и радиоэлектроника. - 2003.- № 4. - С.4 — 11:.

63. Шеин, А.Г. Возможности создания модели воздействия СВЧ--излучения на биологические объекты / А. Г. Шеин, Р. Н. Никулин // Биомедицинекие: технологии и радиоэлектроника. - 2002. - №4. - С. 9-15.

64. Плонси, Р. Биоэлектричество / Р. Плонси, Р. Барр. - ¡VI.: Мир, 1992. - 366

С'.,

65. Полевой, В. В. Внутриклеточные и межклеточные системы регуляции у растений / В. В. Полевой // Соросовский образовательный журнал. - 1997. -№ 9, - С.6 -11.

66. Влияние электрического поля на динамику ионов вблизи клеточной мембраны / Т.Ю.Плюснина, [и др.] [Электро11иый ресурс]. - Режим доступа: http Revolution, atheism.ru/library/micro/index.html

67. Шимони, К. Физическая электроника / К Шимони М.: Энергия, 1977. -608 с.

68. Краткий справочник физико-химических величин. - М.: Изд-во «Химия», 1965. - 159 с.

69. Лев, A.A. Ионная избирательность клеточных мембран / А. А. Лев. -Л.: Наука, 1975.-323 с.

70. Твердислов, В. А. Физические механизмы функционирования биологических мембран / В. А. Твердислов, А. Н. Тихонов, Яковенко Л. В. -VI.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. - 189 с.

71. Медведев, С. С. Электрофизиология растений. Учебное пособие для студентов биолого-почвенного факультета, для специалистов в области физиологии растений, биофизики, ботаники /С. С. Медведев [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bio.pu.ru/win/lit/fbr/contents.html

72. Чиркова, Т.В. Клеточные мембраны и устойчивость растений к стрессовым воздействиям / Т. В. Чиркова // Соросовский образовательный журнал. Биология. - 1997. - №9 - С. 12 - 17.

73. Антонов, В.Ф. Мембранный транспорт / В, Ф. Антонов // Соросовский образовательный журнал. Биология. - 1997. - №6. - С. 14 - 20.