Введение к работе
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 0,10С) 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 производство в НПО Исток, г. Фрязино первых в мире широкодиапазонных генераторов на основе вакуумных приборов СВЧ типа ламп обратной волны [М.Б. Голант, Р.Л. Виленская, Е.А. Зюлина 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 «НПП Исток» установки.
Информационная гипотеза, разработанная школой академика Н. Д. Девяткова [Н.Д. Девятков, О.В.Бецкий, Н.Н. 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 фотосинтезирующие объекты [Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н.] 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:
-
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;
-
обнаружены закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, а следовательно, и процессы жизнедеятельности клеток.
-
предложена модель, основанная на представлении физических процессов при движении заряженных частиц, позволяющая изучать процессы, происходящие при воздействии внешнего низкоинтенсивного СВЧ – излучения;
-
обоснована возможность использования данной модели для описания ионного транспорта через биологическую мембрану;
-
произведено моделирование распределения потенциала и траекторий частиц в канале мембраны, учитывающее наличие липидных головок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
показано, что частотнозависимый характер взаимодействия может выступать в качестве одного из важных критериев, описывающих воздействие электромагнитного излучения на биологический объект;
-
установлены частоты поглощения ЭМ колебаний, в пределах которых имеет место резонансное взаимодействие внешнего поля и исследуемого биологического объекта;
-
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:
-
проведено комплексное исследование и разработаны новые подходы, связанные с анализом воздействия СВЧ-излучения на различные процессы в биологическом объекте;
-
раскрыты некоторые стороны механизмов действия СВЧ-излучения;
-
доказано влияние СВЧ диапазона длин волн в воздействии на изучаемый биологический объект;
-
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;
-
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:
-
Результаты экспериментального исследования по влиянию СВЧ-излучения низкой интенсивности на рост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций исследуемого биологического объекта, подтверждающие резонансный характер такого взаимодействия.
-
Закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране.
-
Модель для описания ионного транспорта через мембранную пору, созданная на основе представления движения заряженных частиц в пространстве со сложными границами, обоснование возможности ее использования.
-
Моделирование распределения потенциала внутри мембранной поры и построение траекторий движения ионов по предложенной модели.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на 47-ой внутривузовской 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, электронные 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 модели, 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. Шеиным.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, включает 125 страниц, 66 рисунков и 4 таблицы.
