Введение к работе
Актуальность проблемы
Процесс развития жизни на Земле был неразрывно связан с определенными внешними воздействиями, к которым, в частности, относятся слабые магнитные поля, в том числе являющиеся составляющими электромагнитного поля Земли. В процессе эволюции биологические объекты выработали определенные механизмы, позволяющие им существовать в условиях внешних магнитных полей.
Характерной особенностью этих механизмов является способность организмов избирательно реагировать на раздражители [1]. Вопросы, связанные с их чувствительностью к электромагнитным полям, в настоящее время активно изучаются. При этом часто остаются недостаточно детализированными факторы, связанные с мощностью, частотой и длительностью воздействия магнитных полей. Данные, полученные экспериментальным путем многочисленными исследователями, свидетельствуют о специфическом влиянии электромагнитных полей на биологические системы [2,3]. Немаловажной проблемой является действие магнитного поля на обитателей водной среды. На сегодняшний момент среди обилия информации о действии электромагнитного поля на биологические объекты, сравнительно мало сведений о влиянии этого фактора на гидробионтов и клетки млекопитающих.
Показано, что магнитное поле может действовать на биологические объекты опосредовано, путем изменения физических характеристик воды [4]. Отмечено наличие магнитного момента у молекулярных фрагментов воды, что может свидетельствовать об электронной природе взаимодействия воды с магнитным полем. В работах [5,6] исследовали пролиферативную способность растительных клеток сорго под действием переменного магнитного поля на примере изменения его митотической активности. Однако подобного рода исследования не были проведены для других биообъектов, средой обитания которых является вода, в частности для водорослей. Для этих целей удобным объектом исследования является одноклеточная водоросль Scenedesmus. Во-первых, средой обитания этого объекта является вода, во-вторых, это одноклеточный организм, а значит можно исследовать действие магнитного поля, как на клеточном уровне, так и на уровне организма в целом.
Важным дополнением в изучении природы воздействия магнитного поля на живые объекты может быть изучение влияния магнитного поля на культуру клеток млекопитающих (которые также растут в жидкой питательной среде и являются частью более сложно организованных биообъектов).
Следует отметить, что до сих пор не существует общепризнанной теории действия магнитного поля на биологические объекты [7]. Большинство проведенных исследований посвящены изучению влияния магнитного поля с определенными параметрами на отдельные показатели жизнедеятельности различных биообъектов. Основываясь на ранее полученных данных [8] в настоящей диссертационной работе предпринята попытка изучить влияние низкочастотного магнитного поля с определенными характеристиками на обитателей водной среды, которые являются участниками одной пищевой цепочки (одноклеточная водоросль является кормом для дафний и имеет общую с ней среду обитания – воду). В последнее время в распоряжении исследователей появились новые объекты – углеродные нанотрубки. Представляет интерес использование известных биотестов для выяснения проявления токсического эффекта от присутствия нанотрубок, в том числе, в условиях воздействия магнитного поля.
Культивирование клеток в среде с углеродными нанотрубками в присутствии переменного низкочастотного магнитного поля может дать ответ на вопрос: каким образом магнитное поле влияет на факторы, которые могут вызвать токсический эффект в клетках. Учитывая, что существуют работы, в которых показано токсическое действие углеродных нанотрубок на клетки [9,10], представляет интерес изучение действия углеродных нанотрубок на культуру клеток млекопитающих в присутствие переменного магнитного поля.
Цель и задачи исследования: выявление особенностей влияния низкочастотного переменного магнитного поля на основные параметры жизнедеятельности гидробионтов на примере тест - объекта водной среды, пресноводного рачка Daphnia magna Straus и одноклеточной водоросли Scenedesmus, а также культуру клеток млекопитающих линии V-79, МА-104 и А549.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование воздействия переменного магнитного поля с индукцией 25 мТл и частотой 6 Гц (близкой к средней частоте сердцебиения дафний) на выживаемость и плодовитость пресноводного рачка - Daphnia magna Straus;
-
Исследование влияния частоты и времени воздействия низкочастотного магнитного поля на скорость роста одноклеточной водоросли Scenedesmus;
-
Исследование биологической совместимости углеродных нанотрубок с клетками млекопитающих;
-
Исследование повреждающего действия углеродных нанотрубок на целостность клеток млекопитающих, а также изучение влияния переменного магнитного поля на культивирование клеток в присутствие нанотрубок.
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
-
Впервые показана возможность повышения плодовитости пресноводного рачка Daphnia magna Straus под воздействием переменного магнитного поля с определенными параметрами;
-
Показана возможность увеличения скорости роста одноклеточной водоросли Scenedesmus под действием переменного магнитного поля с определенными параметрами;
-
Установлена биологическая совместимость исследованных углеродных наноструктур с клетками млекопитающих;
-
Установлено, что переменное магнитное поле оказывает влияние на качество монослоя клеток млекопитающих (клеточный монослой более плотный, ровный) .
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ.
Практическая значимость полученных результатов:
Полученные данные могут быть использованы в биофизических исследованиях, при экологической оценке последствий действия электромагнитных полей на гидробионтов и клетки млекопитающих, для увеличения выхода биомассы одноклеточной водоросли Scenedesmus и повышения плодовитости пресноводного рачка Daphnia magna Straus.
Положения, выносимые на защиту:
-
Непрерывное действие переменного магнитного поля индукцией 25 мТл и частотой 6 Гц не оказывает влияния на выживаемость дафний, однако увеличивает их плодовитость 2,2 раза по сравнению с контрольной группой.
-
Переменное магнитное поле с индукцией 25 мТл и частотой 6 Гц повышает скорость роста одноклеточной водоросли Scenedesmus до 2,5 раз по сравнению с контрольной группой. То есть, переменное магнитное поле с выбранными параметрами оказывает стимулирующее воздействие на рост одноклеточной водоросли Scenedesmus.
-
Не обнаружено токсического эффекта при культивировании клеток фибробластов китайского хомячка линии V-79 в присутствии углеродных наноструктур.
-
Углеродные нанотрубки, полученные способом газофазного химического осаждения, начинают оказывать влияние на процесс формирования клеточного монослоя лишь при скоростях центрифугирования более 10000 об/мин. При скоростях до 10000 об/мин клеточный монослой практически неотличим от контрольного, незначительное разряжение монослоя наблюдается, начиная со скоростей центрифугирования 10000 об/мин, на 4-й день культивирования.
-
Обработка суспензии клеток перед высокоскоростным центрифугированием переменным магнитным полем с индукцией 25 мТл и частотой 6 Гц в течение 60 минут не вызывает существенных изменений в способности клеток образовывать монослой, но существенно повышает его качество.
Апробации работы. Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на:
-
Ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2007». Саратов, 23-25 мая 2007 г.
-
Ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2008». Саратов, 3-5 июля 2008
-
Ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2009». Саратов, 1-3 июля 2009
По материалам исследований, опубликовано 9 научных работ, в том числе 5 статей в журналах из перечня, рекомендованного ВАК, и 3 тезисов докладов научных конференций.
Личный вклад. Автором выполнена экспериментальная часть работы, проведены статистическая обработка и анализ полученных результатов, а также проведен анализ литературных данных.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти разделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 118 страниц машинописного текста, включая 16 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 194 наименования и изложен на 20 страницах.
