Введение к работе
Актуальность исследования. Расширение области применения радиоэлектронных устройств и выполняемых ими функций требует освоение новых частотных диапазонов, что ставит задачи поиска нетрадиционных путей в создании элементной базы. Известно, что с укорочением длины волны резко уменьшаются габариты приборов и уровни их мощности, в результате чего практически невозможно получить приемлемые параметры генераторов и усилителей в терагерцо-вом частотном диапазоне электромагнитного излучения. Сложно и резко уменьшать габариты приборов в иных частотных диапазонах (сверхвысокочастотном, диапазоне крайне высоких частот), хотя вопросы их миниатюризации также вполне актуальны. В этой связи представляет интерес изучение процессов в иных системах, где процессы движения заряженных частиц используются как элементы реобразования видов энергии одну в другую.
Одной из таких систем может рассматриваться живая клетка биологическо-о объекта, в которой основные процессы обусловлены транспортом ионов, обес-ечивающих дальнейшее биохимическое преобразование веществ сквозь поры ембраны, заполненных вязкой субстанцией, как правило, водой или физиологи-еским раствором. Наличие высокочастотных полей влияет на процессы движе-ия, причем это влияние в большой степени зависит от уровня падающей мощно-ти.
Считается, что основное воздействие излучения низкой интенсивности свя-
ано с наличием резонанса внешних колебаний с частотой колебаний клетки, что
риводит к активизации ее деятельности. При этом, как правило, не детализиру-
тся, каким именно образом высокочастотная энергия проникает внутрь объекта,
глубина скин-слоя, характеризующая уменьшение напряженности электриче-
кой составляющей поля в е раз (а мощности — в е раз) при длине волны внеш-его ЭМИ порядка 10"3 м, составляет величину менее 0,01 мм, поскольку предлагается, что все явления происходят в среде, имеющей высокую проводимость.
Процессы, связанные с переносом заряженных частиц в биологических ембранах, а особенно при наличии внешних слабых высокочастотных полей, мо-"Г быть описаны методами, используемыми в электронике, с учетом того, что еренос частиц происходит в среде, обладающей вязкостью и не позволяющей беспечивать большие скорости, как в вакуумной электронике. Тем не менее, пределенная аналогия явлений, с учетом особенности организации концентрации аряженных частиц (ионов) вне и внутри клетки, может оказать помощь в пони-ании физических процессов, происходящих в биологическом объекте.
Несмотря на большое количество работ в этом направлении [Бецкий О.В., олант М.Б., Девятков Н.Д., 1988; Павлов А. Н., 2002; Бецкий О.В., Кислов В.В., ебедева Н.Н., 2004, Кузнецов А. Н., 1994; Пресман А.С., 1968; Энди У.Р., 1980], опросы, связанные с исследованиями физических механизмов транспорта ионов результате воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения изкой интенсивности, все еще остаются. Таким образом, создание моделей, поз-
воляющих описать этот процесс хотя бы с учетом ограничений и приближений, является актуальной задачей.
Степень разработанности диссертации. Изучению влияния высокочастотного, особенно сверхвысокочастотного (СВЧ) и крайне высокочастотного (КВЧ), излучений на биологические объекты посвящено много экспериментальных и теоретических работ. Данную проблему исследовали такие ученые, как: Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Пресман А.С., Кузнецов А.Н., Исмаилов Э.Ш., Фрёлих Г. Изучение литературы по данной проблематике показывает, что накопленная богатая экспериментальная база результатов воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты нашла свое отражение в создании реальных терапевтических аппаратов. Высказанная академиком Н.Д. Девятковым [Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В., 1991] гипотеза о наличии информационного характера воздействия низко интенсивного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на биологические объекты нашла практическое применение: разрешено использование ряда частот для диагностики и терапевтического воздействия на человека, для чего разработаны ап параты, используемые при лечении целого комплекса болезней [Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Лебедева Н.Н., 2000]. Данные аппараты активно развиваются и про изводятся в ФГУП «НПП Исток» в настоящее время. Однако выбор «терапевтиче ских» частот электромагнитного излучения произведен на основании эксперимен тальных исследований. В то же время нет полной уверенности, что выбор такк ; частот является оптимальным, поскольку до сих пор известные способы передач электромагнитной энергии и механизмы воздействия излучения на организм под вергаются сомнению.
Несмотря на большое количество гипотез, пытающихся объяснить меха низмы воздействия электромагнитного излучения низкой интенсивности на био логические объекты различных уровней организации [Девятков Н.Д., Фрёлих Г., Бецкий О.В., Овчиникова Г.И., Никулин Р.Н., Грецова Н.В., Шеин А.Г., Харлано А.В.], адекватных моделей, в том числе и математических, бесспорно и достовер но отбывающих эффекты данного взаимодействия, так и не было предложено. это не удивительно, так как создание общей теории проблематично, прежде всего потому, что электромагнитное излучение (ЭМИ) оказывает воздействие на все уровнях организации живой материи, начиная с электронного и кончая биосфер ным, причем на каждом из уровней имеют место различные механизмы и явления.
Целью исследования является изучение физических механизмов влияш электромагнитного поля высокой частоты на пассивный транспорт ионов чере мембрану на основе математических моделей, позволяющих определять границ частот, способных регулировать ток через мембрану, и оценить степень воздей ствия высокочастотных возмущений на процессы транспорта с учетом вязкост среды.
При реализации поставленной цепи решены следующие задачи: - обобщены теоретические модели, описывающие влияние злектромагнитної излучения на биологические объекты;
на основе уравнения Нернста-Планка, с использованием методов анализа линейных процессов, принятых в электронике, разработана диффузионная модель, учитывающая воздействие электромагнитных возмущений, в рамках которой возможно определять границы частот возмущений, влияющих на пассивный транспорт ионов через мембрану в зависимости от сорта ионов и параметров среды;
предложена электростатическая модель влияния электромагнитного излучения на пассивный транспорт ионов с учетом вязкости среды;
проанализированы результаты влияния СВЧ-излучения на характер распределения тока вдоль толщины мембраны в зависимости от закона распределения концентрации ионов по толщине, диэлектрической проницаемости среды, сорта ионов, частоты и величины падающей мощности;
проведена оценка глубины проникновения ЭМИ для различных биологических тканей без учета и с учетом омических и диэлектрических потерь.
Научная новизна работы заключается в следующем:
оценены диапазоны частот, при которых электромагнитные возмущения способны повлиять на пассивный транспорт ионов через мембраны;
найдены при постоянстве плотности тока законы распределения концентрации ионов вдоль толщины мембраны при выполнении условия постоянства градиента потенциала и распределение потенциала при линейном законе распределения концентрации;
показано влияние слабых высокочастотных возмущений на пассивный транспорт ионов в мембранах при различных законах распределения концентрации и потенциала, параметров среды, заполняющей канал, сорта ионов;
показаны изменения в значениях силы трансмембранного ионного тока на осно-е электростатической модели при наличии и в отсутствии воздействия внешнего ысокочастотного излучения низкой интенсивности;
оценена глубина проникновения ЭМИ для различных биологических тканей без
іета и с учетом омических и диэлектрических потерь.
Теоретическая и практическая ценности заключаются в том, что:
разработанная электродиффузионная численная модель позволяет определять
>аничные частоты и, следовательно, позволяет корректно выбирать диапазон ча-тот ЭМИ, в рамках которого целесообразно проводить экспериментальные ис-ледования;
на основе электродиффузионной и электростатической моделей можно оценить тепень влияния низко интенсивного электромагнитного излучения на пассивный
>анспорт ионов через мембраны, что позволяет предсказать последствия воздей-твия излучения на клетку и организм в целом;
согласно разработанной методике возможно определять глубину проникнове-ия ЭМИ в различные ткани живого организма.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной аботы была использована следующие экспериментальные и теоретические мето-ологии исследований:
для построения электродиффузионной и электростатической моделей транспор-а ионов через мембрану применялись методы физической электроники, биофи-
зики, электродинамики, численные методы решения систем дифференциальных уравнений;
для формирования методики определения глубины проникновения электромагнитного излучения в ткани живого организма применялись методы электродинамики и физической электроники;
численные эксперименты, основанные на разработанных моделях, проводились с использованием методов компьютерного моделирования.
Внедрение результатов работы.
Работа велась в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемая на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета в рамках плана перспективных и фундаментальных работ.
Достоверность результатов исследования обусловлена 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:
-
Электродиффузионная модель транспорта ионов через биологическую мембрану с учетом различных законов распределения трансмембранного потенциала и концентрации ионов при наличии высокочастотных возмущений.
-
Электростатическая модель транспорта ионов через мембрану с учето различных законов распределения концентрации и вязкости среды при наличт высокочастотных возмущений.
-
Способ определения граничных частот, ниже которых электромагнитно излучение низкой интенсивности не способно повлиять на пассивный транспор ионов через мембрану клетки.
-
Методика определения глубины проникновения электромагнитного излу чения в различные ткани биологического организма.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 9 работах, из них 4 ста тьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на се минарах кафедры Физики ВолгГТУ (2010-2013 гг.), на внутривузовской конфе ренции ВолгГТУ (2012 г), на XIII и XIV Региональных конференциях молодь исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2008 г., 2009 г.), на всерос сийской конференции ВНКСФ (2010 г), на Международных конференциях Кры мико (2010 г) и ММТТ-25 (2012 г).
Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область ис следования соответствует паспорту специальности 01.04.04 - «Физическая элек троника», а именно пункту 3 - «Вакуумная электроника, включая методы генери рования потоков заряженных частиц, электронные и ионные оптические системы релятивистскую электронику»; 03.01.02 - «Биофизика», а именно пункту 2 «Биофизика клетки: биофизика мембран; биофизика ионных каналов».
Личный вклад автора заключается в том, что им а) построены математические модели влияния слабых высокочастотных возмущений на пассивный транспорт ионов через мембрану [1, 2, 3, 5-9] и методы оценки глубины проникновения ЭМИ в биологические ткани [4]; б) получены численные реализации моделей влияния слабых высокочастотных возмущений на пассивный транспорт ионов через мембрану[1, 2, 3, 5-9] и численные значения глубин проникновения ЭМИ внутрь различных биологических тканей [4]; в) совместно с научным руководителем проанализированы результаты численных экспериментов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, определений, обозначений и сокращений, списка использованных источников, включает 101 страницу, 26 рисунков и 11 таблиц.
