Содержание к диссертации
Введение
1. Фундаментальные истоки нарушения зеркальной симметрии и эффекты киральности в биологии. 42
1.1. Нарушение симметрии в обобщенных полевых теориях микромира 42
1.2. Асимметрия макромира: нарушение симметрии в астрофизике 61
1.3. Асимметрия макрообъектов Вселенной: дополнение 73
1.4. Континуальные и дискретные аспекты современной философии естествознания 79
1.5. Естественнонаучные аспекты киральности живой материи. 83
1.6. Логическое обоснование введения киральности в качестве четвертого пространственного измерения 89
1.7. Киральность как пространственная характеристика континуума материальных сред 93
2. Электродинамическая и биофизическая трактовка возникновения зеркальной асимметрии биоорганического мира 99
2.1. Постановка задачи исследования 99
2.2. Анализ существующих концепций возникновения зеркальной асимметрии живого мира 101
2.3. Энантиоселективные функции в биогеохимической эволюции Земли 108
2.4. Возникновение зеркальной асимметрии на предживом (химическом) этапе эволюции. 110
2.5. Предварительное резюме к формированию электродинамической концепции 116
2.6. Электродинамическая концепция возникновения и поддержания асимметрии живого мира: выбор энантиоселективньгх полей. , 118
2.7. Звездно-планетарный сценарий в электродинамической концепции. 120
2.8. Комментарии к электродинамической концепции возникновения киральности 127
2.9. Экспериментальная проверка электродинамической концепции. 134
2.10. Пояснения к выдвинутой гипотезе 136
3. Исследование воздействия киральных электромагнитных и магнитных полей в экспериментах на животных 149
3.1. Основные механизмы регуляции протеолитической активности пепсина при воздействии вихревого магнитного поля 149
3.2. Экспериментальные исследования: материалы и методы 153
3.3. Численная оценка результатов эксперимента 154
3.4. Анализ результатов исследования 157
3.5. Исследование морфологических реакций организма на воздействие киральных ЭМИКВЧ 160
4. Биофизические основы электромагнитной терапии с использованием киральных полей. 177
4.1. Право- и левовращающиеся поля в КВЧ-терапии 177
4.2. Использование переменных магнитных полей с вихревой компонентой: исследование биотропных параметров 189
4.3. Вихревые магнитные поля в практике лечения гастроэнтерологических заболеваний 197
4.4. Разработка генераторов вихревого магнитного поля для стоматологической магнитотерапии 202
4.5. Лечение пародонтита вихревыми магнитными полями 208
4.6. Отдаленные последствия волнового лечения стоматологических заболеваний. 220
4.7. Разработка аппаратуры волнового лечения с использованием вращающихся полей 223
Заключение: выводы и рекомендации 250
Список использованной литературы 252
- Асимметрия макромира: нарушение симметрии в астрофизике
- Анализ существующих концепций возникновения зеркальной асимметрии живого мира
- Экспериментальные исследования: материалы и методы
- Использование переменных магнитных полей с вихревой компонентой: исследование биотропных параметров
Введение к работе
Выдающийся русский физик Н.А. Умов еще в конце XIX века утверждал, что живым и неживым миром правит гармония, а главная этическая задача исследователя: - создать «технику упорядочения живого». А основатель отечественной биофизической школы Л.А. Блюменфельд в своей последней книге (Л.А. Блюменфельд, 2002) прямо указывал, что наука биофизика появилась с опытами Гальвани по «животному электричеству» и его полемикой с Вольта.
Исследование биологических эффектов электромагнитного излучения (ЭМИ) крайневысоких частот (КВЧ, 30- -300 ГГц) началось четверть века тому назад, а воздействие магнитных полей (МП) на организм человека прежде всего связано с именем А.Л. Чижевского (А.Л. Чижевский, 1915). Однако, начиная с 80-х гг. прошлого века, исследования в данной области развиваются все интенсивнее. В России ив странах СНГ сложились авторитетные научные школы биофизики полей и излучений; в первую очередь, это Пущинская научная биофизическая школа Е.Е.Фесенко (Н,К. Чемерис, А.Б. Гапеев и др.) Крымская школа гелиобиологии (Н.А. Темурьянц, Б.М. Владимирский и др.), Тульская научная школа биофизики полей и излучений (А.А. Хадарцев, Т.И. Субботина, А.А. Яшин и др.), Самарская радиофизическая школа (В.А. Неганов, А.Н. Волобуев и др.). Активно работают в данном направлении и зарубежные исследователи (Я. Frohlich, 1988; W.R. Adey, 1988; F. Kaiser, 1992 и др.).
Названными научными коллективами и отдельными учеными к настоящему времени выявлено большое число биологических эффектов воздействия: ЭМИ различных частотных диапазонов и МП естественного (геомагнетизм) и технического происхождения на живой организм. Достоверно установлен отклик организма со стороны наиболее важных в. процессах жизнедеятельности органов и систем: сердечно-сосудистой, дыхательной, -пищеварения и др. (см. приведенные выше ссылки). Подведены и итоги первоначального этапа исследований: в воздействии ЭМИ КВЧ (N.D. Deviatkov, O.V. Betskii, 1994), низкоинтенсивных МП (В.Н. Бинги, 2002), в воздействии ЭМИ КВЧ на фотосинтезирующие организмы (А.Х. Тамбиев, Н.Н. Кирикова, О.В. Бецкий, Ю.В. Гуляев, 2003).
Самое существенное, что в данных исследованиях сочетается чисто научный, биофизический интерес и прикладные аспекты - использование ЭМИ КВЧ и МП в медицине: КВЧ-терапия и магнитотерапия (М.В. Теппоне, 1997; А.М. Беркутов и др., 2000). Поэтому насущной потребностью биофизики и медицины является исследование воздействия ЭМИ КВЧ и МП с учетом (оптимизацией) наиболее полного набора биотропных параметров: частоты, интенсивности, энергии, модуляции, структуры сигнала. Только их учет позволит использовать наиболее «тонкие» механизмы отклика организма на уровне ферментативных реакций и структуры клетки.
В связи с этим актуальным является исследование биофизических эффектов воздействия на организм вращающихся (киральных) ЭМИ КВЧ и МП, чему и посвящена работа.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование воздействия на живой организм низкоинтенсивных электромагнитных (ЭМИ КВЧ и МП) полей с право- и левосторонним вращением плоскости поляризации с выявлением биофизических эффектов и их использования в медицине.
Для эффективного достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить и сформулировать физические истоки нарушения симметрии материальных объектов.
2. Проанализировать существующие теории возникновения и поддержания зеркальной асимметрии биоорганического мира, выдвинуть и доказать непротиворечивую концепцию.
3. Экспериментально исследовать механизмы регуляции ферментативной активности (на примере пепсина) под воздействием право- и левовращающихся магнитных полей.
4. Экспериментально исследовать морфологические реакции организма на воздействие киральных ЭМИ КВЧ.
5. Выполнить клиническую апробацию лечения вращающимися ЭМИ КВЧ и МП (на примере лечения парадонтита и гастроэнтерологических заболеваний).
6. Разработать аппаратуру для экспериментальных биофизических исследований и клинической апробации, а также методологию их проведения.
Методы исследования. Для реализации цели исследования и поставленных задач в диссертации использовались методы теоретической физики, биофизики, электродинамики и техники; электромагнетизма, а также методы математической статистики для обработки результатов биофизического эксперимента и клинической апробации. Для получения последних использованы основные методы экспериментальной обработки и медико-биологических исследований: методы Туголукова и Анисона-Мирского -- в модификации Черникова, морфологические микроскопические исследования, методики Л.Х. Гаркави оценки уровня адаптационных реакций, биохимические исследования (билирубин общий, щелочная фосфотоза, альбумины и др.), методы исследования иммунологических показателей и пр.
Научная новизна. Впервые выполнено комплексное теоретико-экспериментальное биофизическое исследование с практическими выводами для медицины эффектов воздействия на живой организм право- и левовращающихся {D- И; L-формы киральности) ЭМИ КВЧ и МП низкой интенсивности.
Предложена, теоретически обоснована и экспериментально проверена непротиворечивая электродинамическая и биофизическая концепция возникновения и поддержания зеркальной асимметрии живого мира.
Экспериментально выявлены биофизические эффекты воздействия игральных электромагнитных и магнитных полей низкой интенсивности на основные процессы жизнедеятельности организма (на типичных примерах).
Обоснована возможность использования киральных полей для создания перспективных методов КВЧ-терапии и магнитотерапии, качественно отличающихся по своей терапевтической эффективности от ныне используемых в немедикаментозной медицине.
Практическая значимость и внедрение результатов исследования. Полученные результаты могут быть использованы в теоретической и экспериментальной биофизике ив медико-биологических исследованиях при дальнейшем изучении отклика организма на воздействие низкоинтенсивных электромагнитных и магнитных полей природного и искусственного (технического) происхождения. В. прикладном значении полученные результаты биофизических экспериментов и клинической апробации открывает новое направление в КВЧ-терапии и магнитотерапии: использование для-лечения заболеваний по широкой нозологии вращающихся ЭМИ КВЧ и МП, что существенно увеличивает терапевтическую эффективность данных методов немедикаментозного лечения. Разработанная гамма аппаратов создает физико-техническую базу для реализации этих методов.
Основные результаты внедрены в научно-исследовательские работы в области биофизики, медицины, медицинского приборостроения, а также в учебный процесс в следующих организациях и учреждениях России и Украины: ГУП НИИ новых медицинских технологий (Тула), Тульский государственный университет, Донецкий государственный медицинский университет (Украина), Волгоградский государственный университет, Южно-Российский государственный университет (Новочеркасск), Ростовский государственный медицинский университет (Ростов-на-Дону),. Институт «Трансмаг» НАН Украины (Днепропетровск), Самарский государственный медицинский университет, Сургутский государственный университет.
Работа выполнена в рамках целевых программ, в которых участвовал ГУЛ НИИ НМТ в 1999-2004 гг., в частности, ее результаты использованы при выполнении заказных НИР «Кальб», «Отмель-2М», «Шунгит-Био», «Веер-НМТ» (по заказу «KRUNGSLAM .St.Carlos Medical Centre, Таиланд, Бангкок), проект МНТЦ № 1023, а также в рамках международного научного сотрудничества: Институт «Трансмаг» НАН Украины, Днепропетровская областная клиническая больница, НИИ гастроэнтерологии НАН Украины (Днепропетровск).
Основные положения, выносимые на защиту. В соответствии с поставленной целью и задачами, на защиту выносятся следующие положения:
— создание непротиворечивой электродинамической и биофизической концепции возникновения зеркальной асимметрии биоорганического мира; ее теоретическое и экспериментальное доказательство;
— экспериментальное исследование воздействия низкоинтенсивных вращающихся магнитных полей на процессы жизнедеятельности;
— экспериментальное исследование воздействия электромагнитных высокочастотных полей с D- и 1,-формами киральности на процессы жизнедеятельности;
— разработка биофизических и физико-математических моделей взаимодействия киральных электромагнитных и магнитных полей с биообъектами;
— создание аппаратуры для биофизического эксперимента и клиническая апробация КВЧ-терапии и магнитотерапии с использованием вращающихся полей.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены и обсуждены на научных мероприятиях различного уровня в период с 1996 по 2004 гг., в том числе: Первый, Второй и Третий международные симпозиумы «Биофизика полей и излучений и биоинформатика» (Тула, 1996, 1998 и 2000.); Международный конгресс
-п-«Медицинские технологии на рубеже веков: медицина-биология— техника-экономика», МБТЭ 97 (Тула, 1997); Постоянно действующий семинар Московского НТОРЭС им. А.С.Попова «Электродинамика ОИС СВЧ и биоэнергоинформационные технологии» (Москва, 1997-2004.); XXVT и XXVII Конференции профессорско-преподавательского состава ТГПУ им. Л.Н. Толстого (Тула, 1999, 2000); Всероссийская научно-практическая конференция (НПК) «Проблемы физико-математического образования в педагогических вузах России на современном этапе» (Магнитогорск, 1999); Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика-99» (Санкт-Петербург,, 1999); Московская НПК «Научные, прикладные и экспериментальные проблемы психофизики на рубеже тысячелетий» (Москва, 1999); Всероссийская научная конференция, посвященная 70-летию ТулГУ «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2000); «Четвертая научная конференция молодых ученых и аспирантов ОИЯИ» (Дубна, 2000); XVIII и XXII Научные сессии, посвященные Дню радио (Тула, 2001, 2004); I Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2001); II Международная НПК «Современная.техника и технологии в медицине и биологии» (Новочеркасск, 2001); X Международная школа-семинар «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот» (Москва, 2002).
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, анализе современного состояния проблемы, выдвижении и доказательстве концепции возникновения зеркальной асимметрии живого мира,, постановке биофизических экспериментов и анализе их результатов, постановке (схема, методология, выбор нозологических: групп заболеваний) клинической апробации, разработке методологии КВЧ-терапии и магнитотерапии с использованием киральных полей, разработке функциональных и принципиальных электрических схем аппаратуры эксперимента и клиники.
Асимметрия макромира: нарушение симметрии в астрофизике
Мы берем определяющие признаки в кавычки по той причине, что они характеризуют только размеры, но не фундаментальные основания. Такое гипотетическое пятое взаимодействие называют гнперцветом, мсташетом, техницветом и т.п. (Schrempp В. et !., 1985; см. [И]). Это принцип, который мы условно называем принципом иерархического включения, характерен для любого материального структурирования. В предыдущем разделе мы подробно остановились на фундаментальных истоках нарушения симметрии в микромире. Это, конечно, существенно и для организации живой материи (основной предмет нашего интереса), но в большей степени - для структурирования всего мироздания. В то же время, учитывая космопланетарный феномен жизни на Земле (по В. П. Казначееву [9]), можно утверждать, что реальная асимметрия (в том числе выраженная зеркальная асимметрия) макромира оказала и оказывает определяющее влияние на живую материю. Отсюда и тема настоящего раздела работы. Калибровочные теории и струны — аспект структурирования Вселенной. Теории великого объединения, рассмотренные в предыдущем разделе, объясняют сущность структурирования Вселенной на первоначальном этапе — то есть на момент большого взрыва (см. рис. 1.1). Именно в момент большого взрыва зародилась и фундаментальная асимметрия. Это наш исходный момент. Поскольку же на этом этапе вещество и поле еще не выделялись в самостоятельную эманацию, то и сфера действия теорий суть астрофизика элементарных частиц. Основная сложность в построении единой теории SUGRA (см. рис. 1.1) заключается в трудности получения калибровочных теорий, описывающих, в числе прочих взаимодействий, и гравитацию.
На сегодняшний день это решается в рамках теории суперструн [11 - 13, 24]. На рис. 1.4 приведена генеалогия развития теорий гравитации. Тяготение Ньютона есть первый шаг; здесь гравитация есть «безвременное» поле, то есть действующее мгновение. Далее, Эйнштейн в ОТО полагал, что тяготение вызвано кривизной (х, у, z, /)-пространства-времени; о неполной адекватности ОТО уже говорилось выше. Квантовая гравитация предполагает обмен гравитонами, что также делает теорию расходящейся. Наконец, в теории струн (суперструн) -предполагается, что тяготение вызывается обменом замкнутыми струнами. М. Каку [13] образно поясняет появление самого термина: теория суперструн объединяет различные взаимодействия и частицы по тому же принципу, по которому «скрипичная струна дает единое описание музыкальных тонов». А описание именно всех четырех взаимодействий и необходимо для адекватного описания ранней Вселенной в модели большого взрыва. Сразу оговоримся, что вряд ли когда теория суперструн будет проверена экспериментально, ибо в этой теории энергии струн принимаются чудовищно большими - свыше массы Планка тр/=1,2-10 ГэВ (!?). Именно при таких энергиях и проявляется (в теории) природа струн. Поясним: масса Планка есть энергия, на уровне которой возникает необходимость в квантовании -4s гравитации. На рис. 1.5 приведены иллюстрации, определяющие понятие суперструны. На рис. 1.5, а, б пространственно-временная диаграмма взаимодействия двух струн А и В (D и Е - конечные продукты взаимодействия) представлена в соотнесении с диаграммой Фейнмана для «обычного» квантового взаимодействия частиц. Как показали Green М. and Schwarz J. (1986; см. [11]), суперструнная теория описывается в 10 измерениях с использованием групп внутренней симметрии SO(32) или E8Eg. Именно такая (высокая) размерность обеспечивает суперструнам калибровку и независимость от гравитационных аномалий . Основой суперструнной теории является суперсимметрия (кстати, экспериментально также не доказанная). Возбуждение струны суть вращения, вибрации или возбуждения внутренних степеней свободы, интерпретируемые физически как экспериментально наблюдаемые элементарные частицы.
Таким образом [11, 12], весь спектр известных (и неизвестных пока) частиц генерируется на основе единственной фундаментальной струны с 10-ю степенями свободы, из которых четыре — это 4-пространство-время, остальные 6 измерений пока необъяснимы и требуют построения новой (специальной) геометрии. Более того, для нашей Вселенной необходима компактификация (ненаблюдаемость) этих 6 измерений. Струна с планковской массой (энергией) генерирует состояние (октавы) уже с m mpf= m«mpi, то есть наблюдаемые в экспериментах частицы. Заметим, что в струнной теории генерируется и один безмассовый гравитон со спином 2, а также состояния с экзотическими свойствами, например, магнитный заряд, который в теории Максвелла отсутствует. 4х Именно эти аномалии (см,[11—13] и др. лит-ру) мне позволяет учитывать гравитацию в моделях U( 1), S U(2) и S 11(5) (см. рис. 1.1). -Топология струн может представляться струнами с открытыми концами, на которых расположены их квантовые числа (см. выше), а также замкнутыми петлями с «размазкой» чисел по струне. Если описывать замкнутые струны группой симметрии SO(32) или E8Eg, то такая система содержит 496 генераторов [11]. Поясним сущность описания группой Е8Е8: в одной Е8-группе содержится вся физика нашего мира и экспериментально наблюдаемого микромира, то есть миров с массой m«mpi. Другая же из объединенных Е8- группа проявляется в нашей Вселенной (о других вселенных - только догадки!) в гравитации. Именно из последнего следует и существование теневой (темной) материи. Ниже мы вернемся к этому интереснейшему моменту, пока же заметим, что сосуществование «обычной» и темной материи во Вселенной можно рассматривать как глобальную астрофизическую асимметрию. Другой источник глобальной асимметрии: в струнных теориях (хотя бы суперструны в. своей внутренней структуре и ассоциировалось с суперсимметрией) изначально заложен, на наш взгляд, в том, что обе группы - SO(32) или Е8Ез должны последовательно нарушаться [11, 12] для того, чтобы суперструнная теория включала в себя: GUT-модель (см. рис. 1.1) при 15 т 10 ГэВ. А нарушение группы суть глобальное нарушение симметрии. Еще раз вернемся к рис. 1.5. В суперструнной теории все взаимодействия описываются разрывом струны или объединением двух струн A UB = [ (рис. 1.5, а,б); на рис. 1.5,6 схематично показан генерируемый струной двумерный мировой лист, причем последний может иметь возмущения (опять же нарушение симметрии!); на рис. 1.5,в эти возмущения описываются дырами в мировых листах. Обычно в литературе [11 - 13] струны трактуются как чисто математическое понятие. Однако всякая абстракция должна допускать и физическую интерпретацию, как минимум, на качественном уровне. Это положение в истории науки еще никем и никогда не опровергалось. В [24] была приведена иллюстрация к физическому процессу генерации струной мировых листов.
Наиболее наглядный, хотя и косвенный, пример — это разряд молнии (рис. 1.6, а). Хотя энергия, сосредоточенная в «токе» молнии {1т), неизменно меньше энергий космических струн на момент большого взрыва, но молния - суть плазменный шнур или плазменная струна, которая, развертываясь, порождает (аналогия развертке мирового листа) акустическое поле \уак (гром), ионизирующее излучение (превращающее кислород атмосферы в озон) и достаточно сильное движущееся магнитное поле Н, которое инициирует поле электромагнитное \Е,Н}. Таким образом, на границе «молния-атмосфера» имеем резкий фазовый переход между плазмой и установившейся газовой средой атмосферы. Еще большую аналогию дает процесс взрыва шаровой молнии. Теперь перенесем, этот механизм на рождение и структурирование v Вселенной (рис. 1.6, б). - В концепции Большого взрыва первоначально в центре Вселенной (точнее, мирового объема, в котором должна структурироваться Вселенная) существовала предматерия - начальная сингулярность с бесконечно большой плотностью (и энергией). Как она образовалась? — Скорее всего при сжатии предыдущей Вселенной (эта же циклическая участь со времени ожидает и нашу Вселенную), Далее сценарий расписываем, следуя изложенному в [11]. Приблизительно во время 10 с от большого взрыва (что соответствует энергии 1019 ГэВ), то есть к концу планковского времени, когда радиус Шварцшильда и комптоновская длина волны одного порядка, а гравитация: описывается в квантовом представлении, частицы являются ультрарелятивистскими, а Вселенная находится в радиационно-доминантной фазе I (рис. 1.6, б). При падении энергии до 1015 ГэВ спонтанно нарушается GUT-симметрия (см. рис. 1.1), а термодинамическое равновесие покидают тяжелые калибровочные Х- и Y- бозоны. Вторичное нарушение симметрии имеет место при энергиях порядка 300 ГэВ — это соответствует возрасту Вселенной 1QT6 секунд, аннигилируют кварки и антикварки, а излишек кварков порождает всю существующую ныне барионную материю.
Анализ существующих концепций возникновения зеркальной асимметрии живого мира
В дальнейшем догадка Пастера, что оптическая активность БМ, то есть несимметричность живого мира, обусловлена свойствами биомолекул по отношению к операции зеркального отражения, уже не опровергалась. А в силу принципа перенесения признаков симметрии в веществе при: переходе с микроскопического иерархического уровня на макроскопический [77], объясняется и нарушение симметрии макроскопических живых объектов: как, например, лежащий на правой ладони человека кусок необработанного кварца своей формой повторяет симметрию микрорешетки этого минерала, так и; физиологическое отличие правой руки человека от его левой обусловлено нарушением симметрии составляюших его организм биомолекул, В: первую очередь молекулы ДНК с ее правосторонней симметрией. Именно тот факт, что сложные молекулы, не обладающие, как правило, плоскостью и центром симметрии, могут существовать в диссимметричных (по Пастеру), то есть в зеркальных конфигурациях, и дает возможность нарушения зеркальной симметрии, что и наблюдается в мире живого: как на микроуровне биомолекул, так ив наблюдаемом человеком живом макромире. Сам homo sapiens есть воплощенная асимметричность. Но все же дело не только и не столько в такой архитектуре живого существа, но в специфике всех без исключения процессов жизнедеятельности живого организма и его отклика на внешнее воздействие (раздражение), обуславливаемой киральностью его биомолекул. Поэтому вопрос о возникновении асимметрии живого вещества имеет не только академический интерес, но является практическим для современной биологии и медицины на уровне изучения процессов жизнедеятельности, их корректировки и поддержания — в клинической медицине. Как следует из наиболее полного на сегодняшний день и авторитетного обзора по исследованию физических причин нарушения симметрии живого мира [75], адекватный ответ пока не получен.
В настоящей работе предлагается оригинальная трактовка, являющаяся логически и физически непротиворечивой. Учитывая, что работа рассчитана прежде всего на биологов и биофизиков, в ней не приводится полное доказательство выдвигаемой концепции, включающее в себя операции достаточно сложной математики, а изложение материала ограничивается понятийным аппаратом с доказательствами на качественном уровне. 2.2. Анализ существующих концепций возникновения зеркальной асимметрии живого мира Выше мы определились, что киральность живого микромира обуславливается асимметрией биомолекул, причем последние могут обладать более чем одним асимметричным центром. При одном центре асимметрии существуют только два зеркальных изомера молекулы: правый (D) и левый (L). Соответственно, мы говорим о D- и L-формах киральности конкретного изомера биомолекулы. Общее название этих конкретных изомеров -энантиомеры. Однако большинство биомолекул являются более сложными и имеют -центров асимметрии; например, молекула рибозы имеет к=4 (рис. 3) [1] с центрами С . В этом случае имеем N= 2к = 16 изомеров или 2м = 8 пар D- и L-энантиомеров; одна из таких пар и есть рибоза (другие 7 пар есть молекулы вещества с совершенно иными свойствами), нуклеиновые производные от которой, наряду с дезоксирибозой, являются звеньями ДНК и РНК. Возможны два варианта существования энантиомеров Эо и Зі. в конкретном веществе: Эд = Эь — это рацемическая смесь, и Эо Э -киральное вещество. Рацемическая смесь, то есть когда вещество не проявляет киральных свойств, той же оптической активности, характерна для неживого мира, а киральность, то есть асимметрия, выраженно характерна для биоорганического мира. Отсюда и специфические свойства этого мира - от биомолекул до самых сложных структурированных организмов; поэтому понятен и так интересующий биологов и широкий круг естественников вопрос о причинах такой асимметрии живого. И, добавим мы, вопрос о механизме своего рода поддержания киральности живого мира. Уточним следующий аспект: по-преимуществу живой мир «тяготеет» к D-форме киральности; соответственно, живые организмы более чувствительны к воздействию L-факторов. Это мы условно назовем «принципом Фарадея» и ниже к нему вернемся. Теперь, на основе обзора [75] и ряда других источников, посмотрим: что же на эти вопросы может ответить современная биофизика, физика, биология и биохимия? Понятно, что прежде всего внимание исследователей привлекает правовинтовая двунитевая (антипараллельная) структура ДНК, далее — структура РНК и функциональные носители информации с ДНК-фрагментами.
Обозначим и первый вопрос: почему нуклеотидные звенья ДНК и РНК (см. рис. 2.3) имеют D-форму, а ферменты состоят только из L-энантиомеров аминокислот? Что это? — Эволюционная биологическая закономерность или «случайный выбор» в эволюции о/сивого? Самое существенное, что с точки зрения стереохимии процесса считывания информации с ДНК такой «киральный антагонизм» необъясним, даже учитывая специфику наиболее действенного на молекулярном уровне слабого взаимодействия [75,78], И второй момент: исключая ДНК (РНК) и аминокислоты, все остальные, составляющие клетку, биомолекулы встречаются как в D-, так и в L-формах. jk Таким образом, случайность выбора энантиомерной формы если и возможна, то только на начальном этапе эволюции биомолекул, но никак не в процессе синтеза; так для ДНК синтез последней допускает не более одной ошибки на. 10 -г 10 звеньев [75]. А сам вопрос о истоках нарушения симметрии биоорганического мира ставится как временной: симметрия могла нарушиться в ходе химической либо предбиологической, наконец, в ходе собственно биологической эволюции. Например, абиогенная концепция происхождения жизни [24] предполагает первое. Этот же вопрос можно конкретизировать: как возникли гомокиральные , макромолекулы, структурная сложность которых адекватна сложности функциональных и информационных носителей в живом мире? [75]. То есть речь идет о нарушении зеркальной симметрии во всем живом мире Земли. Гомокиральные структуры в живом мире имеют иной, качественно более высокий, уровень сложности, например, по сравнению с макромолекулами химического уровня сложности. Если для последних при числе звеньев N 20 образование гомокиральных структур не требует специфических функций, то уже при N=130 (биоорганические молекулы) число всех возможных оптических изомеров M=2N приближается к числу 1040 - а это уже число всех биоорганических молекул на Земле (!) [75]. Именно- такой, биологический уровень сложности характерен для ДНК, РНК и энзимов, для которых в процессе эволюции уже нет реальной возможности «перебора» вариантов. Поэтому можно утверждать (Л. А. Блюменфельд, Г. Кастлер; см. [75]), что для таких биомолекул «запоминание случайного выбора» адекватно тому, что для целеуказания природы [1] в конструировании живого на Земле подходит любой вариант биомолекулы. А вот процессы жизнедеятельности уже подстраиваются под эти случайные «выпадения».
В соотнесении со сформулированным выше «принципом Фарадея» отметим очень важный вывод о том, что эволюция носителей информации; объектов (молекул) биологического уровня сложности возможна только при наличии специфических функций. Именно такой главенствующей функцией внешнего воздействия мы полагаем в излагаемой ниже гипотезе космопланетарный фактор. Здесь также следует учитывать, что среднее число ошибок в единичной і копии с биомолекулы не может превышать единицы — основное условие эволюции: сложных биомолекул [75]. Исходя из этого «условия запрета», рассмотрим основные гипотезы (концепции) возникновения киральной асимметрии. Естественным является рассмотрение связи гомокиральности и матричной репликации, учитывая, что цепи ДНК и РНК суть матрицы, на которых собираются комплементарные копии. То есть любая гомокиральная последовательность нуклеотидов есть матрица для сборки комплементарной реплики (R): ДНК:ит,ГД}= %ит ,Ц}...\т - пи РНК: {А,ТУД} = 5ЛДГ,ГЛ}... J Л) На вопрос о связи гомокиральности звеньев и матричного механизма считывания (2.1) генетической информации Гольданским В. И., Аветисовым В.А. и Кузьминым. В.В. [1986] (см. также [75]) получен ответ в том смысле, что между киральным дефектом реплики и неискаженным звеном гомокиральной матрицы невозможно комплементарное спаривание; более того, в окрестности локализации кирального дефекта реплика вовсе теряет матричный профиль (а вот в случае мутаций процесс (2.1) продолжается!). Таким образом, перенося эти рассуждения на весь живой мир в целом, можно утверждать, что случайный дефект киральности не мог стать причиной киральной асимметрии живого мира.
Экспериментальные исследования: материалы и методы
Эксперименты проводились в период с ноября 2001 г. по февраль 2002 г.. на половозрелых крысах — самцах линии. Wistar в возрасте 6...8 месяцев. Для создания ПМП использовались установки авторской разработки, показанные на фотографиях в следующей главе. За 48 часов до начала эксперимента крысы были прооперированы: выполнена гастростомия для создания условий прямого забора желудочного сока. Операция выполнялась под внутримышечным кетаминовым наркозом из расчета 0,1 мл/ 10 г веса животного. Для гастростомической трубки использовался катетер для внутривенного вливания типа «бабочка» в авторской модификации введения. Чтобы исключить возможность самостоятельного удаления крысой катетера, проксимальный конец его подкожно выводился на заднюю поверхность шеи, что, одновременно, является оптимальным для забора желудочного сока. При выполнении гастростомии в качестве доступа использовалась верхнесрединная лапоротомия. В области дна желудка, на его передней поверхности накладывался кисетный серозно-мышечный шов, в центре которого выполнялся разрез, через который конец гастростомической трубки вводился в полость желудка. Кисетный шов затягивали и дополнительно - с целью фиксации трубки - накладывали перитонизирующий серозно-мышечный шов. Были выполнены две серии экспериментов, по пять проб в каждой серии. В первой серии на крыс воздействовали D-ШЛП. (правовращающимся), во второй — Х-ПМП (левовращающимся).
Во всех случаях переваривающая активность пепсина исследовалась натощак. В качестве контроля использовали порцию желудочного сока, взятую у подопытной крысы непосредственно перед началом эксперимента. Далее крысу помещали в рабочую камеру установки и подвергали воздействию ПМП в течение 15 минут. Непосредственно после сеанса осуществляли забор порции желудочного сока. Исследование ферментообразующей функции проводилось параллельно двумя методами: унифицированным методом Туголукова, основанным на определении протеолитической активности пепсина по количеству расщепленного белка плазмы, и унифицированным методом Анисона-Мирского в модификации Черникова, основанного на способности пепсина расщеплять молекулу гемоглобина [113]. 3.3. Численная оценка результатов эксперимента Контрольное исследование протеолитической активности желудочного сока в первой серии эксперимента позволило установить, что переваривающая активноть пепсина по отношению к белкам плазмы крови составляет от 0,027 мг до 0,04 мг, средняя активность - 0,032 мг. После воздействия D-ПМП переваривающая активность возросла и составила 0,04... 0,08 мг, средняя — 0,053 мг. Соотношение средних показателей протеолитической активности пепсина по отношению к белкам плазмы в контроле показано на рис. 3.1,а. Определение протеолитической активности пепсина по отношению к стандартному гемоглобину также выявило возрастание активности фермента при воздействии ЧТМП; активность пепсина в контроле составила 0,6...1,2 мкг/л, среднее значение 0,66 мкг/л; в опыте активность пепсина возросла до 0,9...1,9 мкг/л, среднее значение 1,29 мкг/л (рис. 3.1,6). В табл. 3.1 представлены показатели протеолитической активности пепсина, полученные в пробах желудочного сока в первой серии эксперимента ()- ПМП). Во второй серии экспериментов использовалось L-ПМП; переваривающая активность пепсина по отношению к плазме в контроле составила 0,0451 ..0,06 мг, среднее значение 0,05 мг; в опыте наблюдалось снижение протеолитической активности до 0,04...0,05 мг, среднее значение 0,044 мг (рис. 3.1, в). При определении протеолитической активности пепсина по отношению к стандартному гемоглобину выявлена аналогичная динамика переваривающей активности фермента. В контрольных порциях желудочного сока переваривающая активность пепсина составила 0,58...0,8 мкг/л, среднее значение 0,75 мкг/л. В эксперименте снижение активности составило 0,52...0,75 мкг/л, среднее значение 0,63 мкг/л (рис. 3.1, г). В табл. 3.2 представлены показатели протеолитической активности пепсина, полученные в пробах желудочного сока во второй серии эксперимента (І-ПМП). Сравнивая динамику изменения активности пепсина при воздействии на подопытное животное D-ПМП. и /,-ПМП, можно отметить, что во втором случае (при явно выраженной тенденции) эти показатели ниже, что совпадает с результатами in vitro в [61]. Это имеет логическое объяснение: всякий векторизованный процесс (биологический, физический и пр.) при воздействии внешнего фактора имеет выраженную динамику при положительном, то есть совпадающем с вектором процесса, градиенте внешнего воздействия и сниженную динамику при отрицательном градиенте. В настоящей ситуации процесс активизации пепсина связывается с правосторонней симметрией молекул этого фермента, поэтому и наблюдаем в эксперименте: grad D-ПМП grad L-ПМП.
Другой, субъективный, момент: воздействие І-ПМП в $ эксперименте выполнялось генератором с меньшей интенсивностью ПОЛЯ. Выявленные в [61] in vitro и в настоящей работе in vivo биологические эффекты, формирующиеся как следствие воздействия на живой организм ПМП с D- и 1-формами киральности, свидетельствуют о решающем значении формы киральности в формировании ответной физиологической или патологической реакции. Изменение протеолитической активности ферментов желудочного сока подтверждает данные [66, 116] о возможности непосредственного воздействия ВМП на субклеточные, в том числе молекулярные, структуры. Зависимость активности пепсина от формы киральности свидетельствует о возникновении ответных реакций не только на организменном или тканевом уровнях, но и на молекулярном уровне регуляции процессов метаболизма, поскольку затрагивает каталитическую активность ферментов. В настоящем исследовании авторы не задавались целью решения задачи, касающейся тонких механизмов изменения каталитической активности. Тем не менее, возможно не лишены определенной степени правоты следующие объяснения механизмов протекания процессов. Рассматривая увеличение активности пепсина в эксперименте, можно утверждать о смещении //-равновесия по типу: То есть в этом варианте исходным является увеличение концентрации Н4", которые являются сублиматором для НС1. Увеличение же Н может быть связано с изменением направленности водородных связей под действием grad D-ПМП, Прочность водородной связи максимальна в случае, когда все вовлеченные в нее атомы расположены на одной прямой: Источником Н , в данном случае, скорее всего является вода межклеточного матрикса организма; именно она характеризуется наименее выраженным электрическим дипольным моментом. В молекуле воды атом кислорода приобретает частично отрицательный заряд, а атомы водорода - частично положительный заряд. В норме каждая молекула НгО связана с четырьмя другими молекулами, поскольку атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей, а атом водорода -в одной. Источником Н могут служить и другие молекулы, в которых н ковалентно присоединен к электроотрицательным атомам. Наконец, источником Н может быть как внеклеточная, так и внутриклеточная матриксная вода.
Не лишено смысла и такое соображение: активное, не зависящее от концентрации Н , а соответственно и значения рН, превращение пепсиногена в пепсин под действием ПМП может быть следствием разрыва молекулярной цепи (3.1): H2N-CH-CO-NH NH-CH-COOH (3.2) П R (разрыв цепи) R1 Разрыв же связей в (5.2) с позиций физико-химических может ассоциироваться с еще большим правосторонним закручиванием биомолекул. Что же касается варианта стимуляции синтеза гастрина по цепи: гастрин — пепсиноген — пепсин, то такой механизм маловероятен, поскольку для запуска и осуществления этого процесса, ввиду его биохимической инерции, требуется достаточно длительное время экспозиции, во всяком случае, намного больше 15 минут настоящего эксперимента. Кроме того, этот механизм невозможен в эксперименте in vitro, что исключается результатами наших ранних исследований. Результаты исследований по воздействию ПМП на биосистемы, представленные в [61, 116] и в настоящей главе, а также в последующей главе — по разработке аппаратуры, фактически создают новое и чрезвычайно эффективное направление в магнитотерапии. Экспериментальное подтверждение активации пепсина при правом вращении ПМП и его угнетения при левом вращении в экспериментах in vitro к in vivo уже сейчас позволяет использовать этот эффект для лечения гастроэнтерологических заболеваний типа язвы желудка и язвы двенадцатиперстной кишки [116]. Однако данной нозологической формой перспективы применения вихревой магнитотерапии далеко не исчерпываются. В настоящее время выполняются экспериментальные исследования по воздействию ПМП на функции печени, поджелудочной железы и других органов. Выше вкратце были рассмотрены предполагаемые механизмы активации пепсина при воздействии D-ПМП. Они не дают однозначного объяснения.
Использование переменных магнитных полей с вихревой компонентой: исследование биотропных параметров
Выше уже была определена роль естественных (природных) магнитных полей в возникновении живого на Земле, откуда однозначно следует, что эти поля, особенно вращающиеся переменные магнитные поля (называвшиеся выше ПМП с вихревой компонентой (ВК)), являются биотропными, что позволяет использовать их в целях терапии. В настоящем разделе, на основе анализа работ, оцениваются биотропные параметры ПМП с ВК в контексте выработки требований к разработке высокоэффективной магнитотерапевтической аппаратуры. В процессе возникновения и эволюции живого электрические, магнитные и электромагнитные поля, будучи необходимым компонентом планетарного сценария развития жизни, не могли не стать полевым базисом («электромагнитным каркасом») собственной информационной системы живого организма. Почему именно ЭМП? - Здесь следует исходить из анализа четырех фундаментальных взаимодействий в природе: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного, соотношения между которыми «отрегулированы» природой в строгом отношении порядков величин силы действия (см. выше). Отсюда следует, что, отличаясь всего на два порядка от ядерных сил, то есть сильного взаимодействия, электромагнитное воздействие, равно как и гравитационное, в отличии от других типов взаимодействий, является нелокальным, то есть пронизывает всю совокупность материальных образований Вселенной. Будучи же «ответственным» за электронные процессы, электромагнитное воздействие регулирует все биохимические реакции - основу жизнедеятельности объектов живого мира. Поэтому природа и избрала низкоинтенсивные ЭМП в качестве полевого (материального) носителя биоинформации. Последняя есть информация внутриорганизменная, а также информация, которой обмениваются в структуре биосферы БО друг с другом. Наконец, это информация, получаемая БО от объектов окружающего мира: от света комнатной лампочки до сигналов космических объектов.
Именно этот совокупный и; многокомпонентный информационный объект регулирует процессы гомеостаза организма, поддерживая его нормальное физиологическое функционирование. Рассматривая: высокоорганизованную биосистему, человека в первую очередь, как сверхсложную кибернетическую систему, можно утверждать, что эта система обрабатывает, воспринимает и передает информацию на основе материального носителя - низкоинтенсивного ЭМП.. Биофизические основы такого информационного регулирования на клеточно-молекулярном уровне рассмотрены, например, в [19]; на этом иерархическом уровне организма наиболее имманентными биосистеме являются ЭМП КВЧ (влияние на ориентационные, электростатические молекулярные связи, на дипольные взаимодействия, ионные и ионно-диполь-ныесвязиит. п.). Область имманентности ПМП более иерархически высокая: ориентация атомных групп и биомолекул» влияние на диффузионные процессы в клеточных мембранах, индуцирование дополнительных комбинационных переходов между электронными состояниями с различной спиновой мультиплетностью и пр.; в итоге же воздействие ПМП проявляется в виде макроэффектов на клеточном, чаще - на организменном уровне. В этом существенное отличие магнитобиологических эффектов от КВЧ- воздействий, что ниже и учитывается при разработке методов и аппаратурных средств магнитотерапии. Как показывает уже достаточно длительный по времени опыт использования магнитотерапии (клиника.и биологический эксперимент), ее недостаточно высокая эффективность обуславливается тем, что характеристики воздействующих магнитных полей не оптимизированы, в особенности это относится к неиспользованию ПМП с ВК (вихревых магнитных полей), ибо только последние, при соответствующем подборе частотно-временных и пространственно-временных характеристик (то есть модуляции и поляризации), могут быть - в смысле биотропности — оптимально согласованы с биофизикохимическими, физиологическими (в особенности с биоритмологическими) параметрами организма, которые и определяют структуру собственных полей организма. Таким образом, общефизический и общебиологический принцип взаимности требует выполнения идентичности частотно-временных S( o,t) и пространственно-временных S{x,y,z,i) собственных ПМП организма и терапевтического ПМП с ВК (рис. 4.4). Рассмотрим данный, первостепенной важности момент подробнее. Излучаемые биологически активными точками (БАТ) и рефлексогенными зонами (РГЗ) (Подшибякина, Захарьина-Геда) поля векторизованы, имеют свою ВК, а также сложным образом модулированы МОД {са, А} по частоте и амплитуде (рис. 4.4). Кроме того, водный матрикс организма, являющийся первичной мишенью для воздействующих (внешних) ПМП, имеет для структурированной воды спиральную форму с D- и L-формами вращательной симметрии, что и определяет морфогенез организма; это учитывается характеристикой киральности S(x) (рис. 4.4). Наконец, излучаемые БАТ и РГЗ поля являются - по несущей частоте — высококогерентными.
Последнее вытекает из того очевидного факта, что информацию несет модуляция и киральность, а несущая частота должна обеспечивать для них перцептивный (избирательный) канал информационного обмена. Таким образом, согласно схеме на рис. 4.4, полевая биотропность, то есть максимальная адекватность внешних полей и полей организма, обеспечивается подбором характеристик первого из них, а именно: поле должно обладать высоким уровнем информационной емкости, высокой спектральной плотностью модуляции, главное - высокой повторяемостью спектрального состава в течение длительного времени, то есть поддерживать соответствие в физическом моделировании трехмерным структурам полей. Это означает, что воздействующее поле должно иметь продольную, радиальную и тангенциальную, то есть вращательную, компоненту — быть вихревым. Структура излучаемых БАТ и РГЗ ЭМП достаточно хорошо изучена (см. [112]). Как показывают спектрометрические измерения биологического оптического излучения [66], длинноволновый поддиапазон (красный, оранжевый, желтый) обладает Z-поляризацией, а / -поляризация характерна для коротковолновой части: голубой, синий, фиолетовый. Что касается интересующих нас ПМП с ВК, имманентных организму, то их структура пока не изучена досконально. Однако, используя принцип подобия Нильса Бора, в основе которого (в полевом аспекте) лежит кратность всех колебательных процессов в живом веществе, можно предположить, что и в низкочастотном участке ЭМ-спектра, охватывающем основные физиологические ритмы (0 + І О4 Гц), ПМП также должны иметь ВК и выраженную D или X-форму вращения. Именно многовекторность воздействующих ПМП с ВК требуется для обеспечения пространственно-временного суммирования информационных сигналов на БО (рис. 4.5) [66]. Именно за счет такого суммирования обеспечивается высокая чувствительность биосистем; речь идет, понятно, об интегральной чувствительности, которая на несколько порядков выше чувствительности единичных рецепторов БО, поскольку, как это следует из законов теории информации, суммарное отношение сигнал / шум j 2 f/„,, 4N\pnoem), то есть пропорционально числу N элементарных приемников сигналов или числу М повторяемых сигналов S m. Как показано в [66], оба типа суммирования экспериментально обнаружены в живых организмах: в глазах для световых сигналов и в нервных клетках для низкочастотных ЭМ-сигналов.
С указанных позиций относительно малая эффективность современной магнитотерапии заключается в том, что для воздействия на организм пациента используются однонаправленные поля, то есть их вектор магнитной индукции лежит в одной плоскости. Поэтому в контексте настоящего исследования используются ПМП, содержащие постоянную и три векторные составляющие: осевую, радиальную и тангенциальную, то есть ПМП с ВК - вихревые поля. Также важно согласование поляризационных (киральных) характеристик ПМП с направлением меридианов и коллатералей в акупунктурной схеме организма [112]; последние характеризуются как центростремительной, так и центробежной симметрией. Отсюда следует важный вывод: в практической реализации «вихревой магнитотерапии» необходимо обеспечивать воздействие ПМП с двумя направлениями вращения поля (рис. 4.6). Таким образом, выше определены, исходя из биотропных параметров ПМП с ВК, специфические схемотехнические и схемно-конструкторские требования к соответствующей аппаратуре магнитотерапии. Отметим еще ряд характерных моментов с позиций биологического воздействия вихревых магнитных полей.
