Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение вопроса о биологическом действии слабых магнитных полей, амплитуда которых сравнима или значительно меньше амплитуды геомагнитного поля, обусловлено необходимостью оценки последствия возможного воздействия на биосистемы антропогенных электромагнитных загрязнений биосферы (поля промышленных частот 50 и 60 Гц), а также естественных флюктуаций МП, возникающих, например, в периоды магнитных бурь. Согласно выводам рабочей группы научных экспертов Международного агентства по исследованию рака (МАИР, IACR) Всемирной Организацией здравоохранения, слабые низкочастотные электромагнитные поля можно рассматривать как фактор, обладающий канцерогенным действием. Эти выводы были сделаны на основе результатов широкомасштабных эпидемиологических исследований заболеваемости лейкемии в детском возрасте. Результаты других исследований свидетельствуют о наличии корреляции между числом вызовов скорой помощи по поводу инфаркта миокарда и гипертонического криза, а также смертностью людей с сердечно - сосудистыми заболеваниями и суммарной продолжительностью низкочастотных геомагнитных пульсаций типа Рс1 (pulsation continuous 1). С другой стороны, успешное использование слабых магнитных полей в медицине, например, для ускорения процессов регенерации мягких и костных тканей, ставит вопрос о создании новых эффективных методов магнитотерапии, в том числе, для лечения социально - значимых заболеваний.
К настоящему времени накоплено множество экспериментальных данных о влиянии слабых и крайне слабых постоянных, переменных и комбинированных магнитных полей (МП) на биологические системы. Эти исследования направлены на решение двух принципиально важных вопросов: (1) являются ли данные о влиянии слабых (с амплитудами 0-200 мкТл) магнитных полей на биологические системы достаточно убедительными; (2) каков механизм(ы) действия слабых магнитных полей на биологические системы. Следует отметить, что энергия, которую слабое МП могло бы передать субклеточным частицам, рецепторам или отдельным ионам на много порядков ниже энергии тепловых флуктуаций. Даже наиболее эффективные механорецепторы способны улавливать только сигналы, превышающие энергию теплового шума (kT, где k- постоянная Больцмана (1.38-10"23 Дж/К), T - абсолютная температура, К). Это является причиной скептического отношения к сообщениям об эффектах слабых магнитных полей на биологические системы и до сих пор дискутируется в литературе. Таким образом, решение вопроса о природе первичных мишеней является наиболее актуальной задачей в исследовании механизмов действия слабых магнитных полей на биологические системы. Эти соображения определили основной подход настоящей работы, направленной на экспериментальную проверку, предложенной В.В. Ледневым модели параметрического резонанса, дающей количественные предсказания для зависимости величины биоэффекта от параметров поля, и построенной исходя из представлений о природе первичных мишеней действия слабых МП на биологические системы.
Цели и задачи работы.
Цель работы - экспериментальный поиск возможных первичных мишеней действия слабых магнитных полей с амплитудами 0-200 мкТл на биологические системы на основе модели магнитного параметрического резонанса (в биосистемах), предложенной В.В. Ледневым.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Показать принципиальную возможность действия слабых комбинированных магнитных полей (КМП) в режиме параметрического резонанса, а также КМП с крайне слабыми амплитудами переменной компоненты на регенерацию планарий, гравитропическую реакцию в отрезках стеблей растений, образование активных форм кислорода в нейтрофилах мышей.
Определить зависимость величин биологического эффекта от частоты и амплитуды переменной компоненты КМП в режиме параметрического резонанса, а также от величины постоянного поля (при отсутствии переменной
компоненты) с использованием в качестве моделей регенерирующих планарий и гравитропической реакции в отрезках стеблей льна.
Показать принципиальную возможность влияния КМП, настроенных на ларморовскую частоту для спинов ядер биологически важных атомов, таких как 23Na, 39K, 31P, 63Cu, 55Mn, 14N, 5^o, 35Cl, 7Li на регенерацию планарий. Определить зависимость величины биологического эффекта от частоты переменной компоненты КМП.
Определить зависимость величин биологических эффектов крайне слабых переменных магнитных полей с амплитудами < 10 мкТл от амплитуды и частоты переменной компоненты поля с использованием в качестве моделей регенерирующих планарий и гравитропической реакции в отрезках стеблей льна.
Научная новизна работы.
В работе показано, что комбинированные магнитные поля с различными параметрами могут активировать и ингибировать протекание таких процессов, как регенерация планарий, гравитропическая реакции растений, образование активных форм кислорода нейтрофилами. Величина биоэффекта (скорости регенерации планарий и скорости гравитропической реакции в отрезках стеблей льна) действия КМП, сравнимых по амплитуде с земным полем, при настройке на резонансные условия для ионов Са2+, Mg2+ и К+ зависит от частоты переменной компоненты поля и от соотношения амплитуд переменной и постоянной компонент поля и имеет резонансный характер. Впервые показано биотропное действие КМП сравнимых по амплитуде с земным и с частотой переменной компоненты, соответствующей ларморовской частоте (ЛЧ) для спинов ядер биологически важных атомов, таких как 23Na, 39K, 31P, 63Cu, 55Mn, 5^o, 35Cl. Частотная зависимость величины биоэффекта имеет резонансный характер. Этот результат является основанием для дальнейшего развития модели В.В. Леднева, разработанной для случая когда в качестве первичной мишени действия КМП рассматривается ион Са2+ как заряженный изотропный осциллятор. Показано, что развитие гравитропической реакции в отрезках стеблей льна зависит от величины постоянного поля (при отсутствии переменной компоненты) и имеет полиэкстремальный характер в диапазоне амплитуд от 0 до 400 мкТл. В работе впервые показано, что величина биоэффекта (скорости регенерации планарий и скорости гравитропической реакции в отрезках стеблей льна) действия КМП, с амплитудами менее 10 мкТл, зависит от
соотношения амплитуда/частота, т.е. от параметра увлс// , и имеет полиэкстремальный характер: хорошо выраженные максимумы наблюдаются при yBлс /f = 0.9 и 2.75, минорные максимумы при уВлс/f = 4.5 и 6.1. Биологический эффект отсутствует при уВлс/f =1.8; 3.8; 5.3; 6.7. Эти данные позволяют рассчитать
«биотропные» параметры полей в том числе для полей промышленных частот 50 и 60 Гц, а также для слабых магнитных полей, соответствующих геомагнитным пульсациям типа Рс1. В настоящей работе показано, что в качестве возможных физических первичных мишеней действия слабых магнитных полей можно рассматривать: ионы Са2+, Mg2+ и К+, входящие в соответствующие центры связывания ферментов, а также спины ядер биологически важных атомов (1Н, 23Na, 39K, 31P, 63Cu, 55Mn, 59Co, 35Cl) и орбитальные магнитные моменты электронов. В целом, полученные в работе экспериментальные данные создают основу для дальнейшего изучения физических и биологических механизмов действия слабых МП на биологические системы.
Научно-практическое значение. Полученные в данной работе результаты являются биофизическими основами для:
оценки принципиальной возможности воздействия слабых переменных магнитных полей антропогенного и природного происхождения на человека и животных и проведения соответствующих эпидемиологических исследований;
разработки санитарно-гигиенических норм, связанных с воздействием антропогенных полей на человека и животных;
создания нового поколения магнитотерапевтической аппаратуры;
создания новых медицинских технологий при лечении социально - значимых заболеваний.
Положения, выносимые на защиту.
Слабые и крайне слабые переменные магнитные поля различных с амплитудами 0-200 мкТл модулируют (активируют и ингибируют) протекания таких биопроцессов как: регенерация планарий, гравитропическая реакции в стеблях растений, образования активных форм кислорода в нейтрофилах.
Зависимости величин биоэффектов от частоты и амплитуды переменной компоненты комбинированных магнитных полей в режиме параметрического резонанса и комбинированных магнитных полей с крайне слабой амплитудой
переменной компоненты (<10 мкТл) имеют полиэкстремальный характер, предсказываемый моделью магнитного параметрического резонанса. Механизм действия таких полей идентичен для тест-систем животного и растительного происхождения.
Комбинированные магнитные поля с частотой переменной компоненты, равной ларморовской частоте для спинов ядер биологически важных атомов 23Na, 39K, 31P, 63Cu, 55Mn, 59Co, 35Cl изменяет скорость регенерации планарий. Частотная зависимость величины биоэффекта имеет резонансный характер. Этот результат служит основанием для дальнейшего развития модели магнитного параметрического резонанса.
Экспериментальные данные позволяют рассматривать в качестве первичных мишеней биологического действия слабых магнитных полей:
ионы Са2+, Mg2+, К+ в центрах связывания ферментов;
спины ядер атомов, имеющихся в биологических системах, такие как 23Na, 39K, 31P,
63Cu, 55Mn, Н, 59Co, 35Cl;
орбитальные магнитные моменты электронов.
Апробация диссертации. Результаты диссертационной работы доложены на: Первом Международном симпозиуме «Фундаментальные науки и альтернативная медицина» (Пущино, 1997); III Пущинской конференции молодых ученых (Пущино, 1998); II съезде биофизиков России (Москва, 1999); 2nd Alexander Gurwitsch Conference (Moscow, 2000); 23th Annual Meeting of BEMS (St. Paul, Minnesota, USA, 2001); III Международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз» (Москва, 2002); III Международном Конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт - Петербург, 2003); междисциплинарном семинаре «Биологические эффекты солнечной» активности (Пущино, 2004); 3d Alexander Gurwitsch Conference "Biophotons and coherent systems in biology, biophysics and biotechnology" (Partenit, Crimea, Ukraine, 2004); VI Международной конференции «Космос и биосфера: Космическая погода и биологические процессы» (Партенит, Крым, Украина, 2005); IV Международном Конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (С-Петербург, 2006); 4th International Workshop "Biological effects of EMFs" (Crete, Greece, 2006); IV Международной научно- технической конференции «Медэлектроника-2006» (Минск, 2006); II Международной конференции "Человек и электромагнитные поля" (Саров, 2007); VII Международной конференции «Космос и биосфера: Космическая погода и биологические процессы»
(Украина, Судак, 2007); V Международном Конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (С-Петербург, 2009); III Международной конференции «Человек и электромагнитные поля» (Саров, 2010); III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (Москва, 2010); секции Ученого совета ИТЭБ РАН «Биофизика сложных систем» (Пущино, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 научных работ, в том числе 13 статей в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения результатов исследования и их обсуждения, выводов, списка литературы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков и таблиц. Список литературы включает наименований.
