Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы влияния электромагнитного излучения на биологические системы
1.1 Общие сведения об электромагнитных излучениях
1.2 Основные характеристики электромагнитных излучений персональных компьютеров
1.3 Влияние электромагнитного излучения на биологические системы
1.4 Зависимость биологических эффектов от параметров электромагнитного излучения
1.5 Нормирование параметров электромагнитных полей
1.6 Биотестирование воздействия электромагнитных полей
1.7 Хронические методы исследований биологических эффектов электромагнитных полей
1.8 Способы экстраполяции экспериментальных исследований
1.9 Резюме по разделу
2 Материалы и методы исследований
2.1 Источники электромагнитных полей и способы их измерений
2.2 Методы исследования биологического действия электромагнитного излучения персональных компьютеров
2.2.1 Метод оценки воздействия ЭМИ ПЭВМ на горизонтальную двигательная активность крыс
2.2.2 Метод оценки воздействия ЭМИ ПЭВМ на выработку условного пищевого рефлекса у крыс
2.2.3 Метод оценки воздействия ЭМИ ПЭВМ на пролиферацию инфузорий Paramecium caudatum
2.2.4 Метод оценки воздействия ЭМИ ПЭВМ на ингибируемый рост колоний дрожжей Sacharomyces
2.2.5 Метод оценки воздействия ЭМИ ПЭВМ на физиологию развития Danio rerio
2.2.6 Статмокинетический метод оценки пролиферативного статуса клеточных популяций зародышей Danio rerio
2.2.7 Вариабельность ритма сердца пользователей ПЭВМ
2.3 Статистический анализ данных
3 Биологические эффекты длительного воздействия электромагнитного излучения персональных компьютеров
3.1 Влияние длительного воздействия ЭМИ ПЭВМ на эмоциональную реактивность крыс
3.2 Влияние длительного воздействия ЭМИ ПЭВМ на долговременную память крыс
4 Биотестирование электромагнитного излучения персональных компьютеров
4.1 Влияние ЭМИ ПЭВМ на размножение клона инфузорий Paramecium caudatum
4.2 Влияние ЭМИ ПЭВМ на проницаемость мембран дрожжей Sacharomyces
4.3 Влияние ЭМИ ПЭВМ на вылупляемость Danio rerio
4.4 Влияние ЭМИ ПЭВМ на частоту сердечных сокращений личинок Danio rerio
4.5 Влияние ЭМИ ПЭВМ на пролиферацию клеток раннего зародыша Danio rerio
4.6 Методические рекомендации по применению методов биотестирования
5 Оценка влияния электромагнитного излучения на организм человека
5.1 Экстраполяция данных биотестирования
5.2 Экстраполяция данных хронических исследований с крысами
5.3 Влияние экологической обстановки рабочего места пользователя ПЭВМ на вариабельность ритма сердца
Заключение
Выводы
Список используемой литературы
- Основные характеристики электромагнитных излучений персональных компьютеров
- Методы исследования биологического действия электромагнитного излучения персональных компьютеров
- Влияние длительного воздействия ЭМИ ПЭВМ на долговременную память крыс
- Влияние ЭМИ ПЭВМ на проницаемость мембран дрожжей Sacharomyces
Введение к работе
Естественный электромагнитный фон Земли является необходимым эволюционно-сложившимся условием для нормальной жизнедеятельности биосистем (Казначеев и Михайлова, 1985; Frey, 1993). Однако напряженность ЭМП искусственного происхождения уже превышает напряженность естественных на несколько порядков (100–10000 раз) и неуклонно растет (Григорьев, 2000), вызывая нарушения адаптационно-компенсаторных возможностей организма, а в некоторых случаях, приводит их к истощению, что является причиной необратимых последствий на экосистемном уровне (Василевский, 1979; Григорьев и др., 2003; Макарьин и др., 2011).
Организм человека осуществляет свою деятельность путем ряда сложных процессов и механизмов биоэлектрической регуляции. В связи с этим, электромагнитная среда обитания может рассматриваться как источник помех жизнедеятельности человека и экосистем. Возникает проблема биоэлектромагнитной совместимости – проблема влияния технических средств-источников ЭМП на живые организмы и экосистемы в целом. В последнее время, в связи с развитием информационных технологий, широко обсуждается вопрос о безопасности ЭМИ (Григорьев и др., 1999; Usman et al., 2011) технических средств, обеспечивающих эти технологии. Электромагнитные поля признаны одним из антропогенных факторов, загрязняющих окружающую среду. Накопленные данные по влиянию таких полей на клеточном уровне разнородны и неоднозначны (Гапеев и Чемерис, 1999; Гриняев, 1999).
Мировой научной общественностью признано, что ЭМП искусственного происхождения являются важным значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью (Григорьев и др., 2003). Анализ планов отраслей связи, передачи и обработки информации показывает, что в ближайшем будущем будет нарастать использование технических средств, генерирующих электромагнитную энергию в окружающую среду.
Развитие компьютерной техники, с точки зрения гигиены труда, привело к двум важным последствиям: появились рабочие места нового типа, оснащенные электронными устройствами, генерирующими и излучающими широкий спектр (Сынзынис и Ильин, 1997) опасных для здоровья ЭМП; резко расширился круг людей, подвергающихся воздействию указанных полей. Следовательно, появилась необходимость изучения влияния этих технических средств на экологическую обстановку рабочего места пользователя, основной вклад в экологическую обстановку которого вносят ЭМП (Кураев и др., 2000; Мырова, 2008). Особенностью этих источников является создание равномерной зоны “радиопокрытия”, что является ничем иным, как увеличением фона ЭМИ в окружающей среде (Григорьев и др., 2003).
Нетепловое воздействие ЭМИ с плотностью потока энергии ≤ 100 Вт/м2 (Алиева и др., 2011), характерное для модулей ПЭВМ, представляет особый интерес для биологии, медицины и экологии, а его всестороннее изучение необходимо для выработки принципиально новой научной платформы для нормирования (ICNIRP, 1998). Вклад ПЭВМ и средств беспроводной передачи данных по протоколам «Wi-fi» и «Bluetooth» в экологическую обстановку рабочего места складывается из совокупности продуцируемых ими абиотических факторов, основным из которых является ЭМИ нетепловых уровней интенсивности (Кураев и др., 2000). Параметры электромагнитного поля в точке контроля являются результатом взаимодействия полей всех действующих источников (ПЭВМ в соседних помещениях, модули беспроводной передачи данных и т.п.) в зоне их охвата, а потому, являются непостоянными и не поддающимися прогнозированию. Оценка соответствия параметров ЭМП действующим гигиеническим и санитарным нормам (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03; СанПиН 2.2.4.1191-9603), как частного случая интегральной оценки качества окружающей среды, производится раздельным образом на основе результатов измерения интенсивности энергетических экспозиций ЭМИ (Колебания и волны…, 2006). Однако проведение качественного экологического мониторинга не всегда возможно ввиду множественности параметров этого фактора загрязнения (Binhi, 2003), а также необходимостью привлечения высококвалифицированных специалистов и высокой стоимостью реализации подобных технологий.
Результирующий отклик тест-системы на комбинированное воздействие абиотических факторов трудно предвидеть, используя только результаты физического измерения и его анализа. Таким образом, особо востребованными оказались методы интегральной оценки качества экологической обстановки, такие как биотестирование - процедура выявления загрязнения среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие факторы и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций. Благодаря простоте, оперативности и доступности, биотестирование получило признание во многих отраслях промышленности и ЖКХ. Общепризнанных биоиндикаторов электромагнитной среды в настоящее время не существует, а разработанные модели, как правило, чувствительны к тепловым эффектам ЭМИ и не пригодны для оценки информационных воздействий.
Решение актуальных проблем современной экологии, касающихся изучения биологического действия факторов различной природы и интенсивности, требует разработки тест-систем, отличающихся относительно низким порогом чувствительности и быстротой получения результата (Вишневский и др., 2007; Иголкина, 2009; Биологический контроль…, 2010), что, как правило, подразумевает использование простых по уровню организации организмов (эмбрионы, протисты, одноклеточные грибы и т.п.). Однако, в некоторых случаях, в целях проведения биотестирования используются более сложные модельные организмы.
Несмотря на востребованность методов биотестирования в ряде отраслей промышленности и актуальность проблемы интегральной оценки условий труда, в настоящее время не существует оперативных методов биотестирования электромагнитной обстановки, характерной для рабочих мест пользователей ПЭВМ и распространения беспроводных сетей передачи данных. Таким образом, актуальность настоящего исследования связана с низким качеством оперативной экологической диагностики ЭМИ, особенно информационной составляющей, традиционными методами, основанными на регистрации энергетических экспозиций ЭМИ, и заключается в необходимости разработки эффективных высокочувствительных методов биотестирования с использованием объектов различного уровня сложности.
Из представленного несоответствия актуальности проблемы и степени её проработанности и решения в отечественной и зарубежной прикладной науке, определена следующая научная задача данного исследования: разработка принципов и способов оперативного биотестирования экологического эффекта ЭМИ в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ, вызывающего изменения на уровне физиологии нервной системы.
Объектом исследования являются электромагнитные факторы экологической обстановки в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ. Предметом исследования являются закономерности влияния сверхслабого ЭМИ на интегральные биологические процессы на различных уровнях организации живых организмов.
Цель данной работы состоит в повышении чувствительности, оперативности и эффективности способов интегральной оценки неблагоприятных эффектов электромагнитного излучения в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ, различных по типам аппаратной загрузки, путем разработки методов биотестирования с использованием модельных систем различных уровней организации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1 разработать и экспериментально опробовать комплекс методов биотестирования, основанных на использовании организмов различного уровня сложности и онтогенетической зрелости;
2 экспериментально обосновать структурно-физиологические мишени воздействия сверхслабых ЭМИ;
3 исследовать влияние ЭМИ ПЭВМ на ряд интегральных и прогностических параметров физиологии нервной системы: эмоциональную реактивность, долговременную память крыс и вариабельность сердечного ритма пользователей ПЭВМ;
4 дать сравнительно-аналитическую оценку биологического эффекта ЭМИ ПЭВМ в различных режимах загрузки аппаратных средств (стандартная и с попеременной активацией модулей «Wi-fi» и «Bluetooth»);
Цели и задачи исследования решались посредством применения методологической базы, состоящей из длительных исследований с использованием млекопитающих, биотестирования с применением дрожжей, инфузорий и зародышей костистых рыб и оценке влияния ЭМИ ПЭВМ на физиологию человека-пользователя с применением метода ВРС.
Получены следующие научные результаты:
1 разработано пять методов биотестирования, обладающих оперативной чувствительностью к сверхслабым ЭМИ ПЭВМ;
2 получены результаты биотестирования экологических эффектов электромагнитного излучения в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ;
3 получены результаты исследований длительного воздействия ЭМИ ПЭВМ, различных по типам аппаратной загрузки, на ряд параметров нервной системы животных и пользователей ПЭВМ.
На защиту выносятся следующие положения:
1 разработанные методы биотестирования на основе использования организмов различного уровня сложности позволяют реализовать принципы динамичности и дифференцированности экологической диагностики ЭМИ в зоне рабочего места оператора ПЭВМ, что повышает её объективность, надежность и эффективность;
2 режим аппаратной загрузки ПЭВМ определяет дифференцированный биологический эффект, состоящий в значительном усилении последствий воздействия ЭМИ при загрузке модулей беспроводной передачи данных по протоколам «Wi-fi» и «Bluetooth»;
3 сверхслабые ЭМИ ПЭВМ и средств беспроводной передачи данных, при условии длительного (от пяти суток) непрерывного воздействия, являются причиной снижения уровня эмоционально-поведенческой реактивности, нарушения долговременной памяти, парасимпатического сдвига регуляции вегетативной нервной системы.
Научная новизна исследования состоит в том, что впервые:
1 обоснованы и испытаны способы снижения порога электромагнитной чувствительности дрожжей Sacharomyces и инфузорий Paramecium применительно к ЭМИ ПЭВМ путем неполного ингибирования роста колоний и повышения генетической и онтогенетической однородности популяции, соответственно;
2 разработан и опробован метод оценки пролиферативного статуса популяций эмбриональных полипотентных клеток, основанный на наведенном метафазном блоке;
Теоретическая значимость результатов работы:
1 доказана оперативная чувствительность ряда тест-реакций к ЭМИ ПЭВМ; 2 определены соответствующие мишени ЭМИ ПЭВМ на клеточном и системном уровнях.
Практическая значимость результатов работы:
1 разработаны и внедрены новые методы биотестирования, позволяющие проводить оперативный анализ электромагнитного загрязнения окружающей среды сверхслабой интенсивности;
2 представлены рекомендации по дифференциальному применению разработанных методов и перспективы их практического использования;
3 определены временные пределы эффективного применения ряда тест-реакций для биотестирования.
Диссертационное исследование соответствует п. 2.1 “ Факториальная экология – исследование влияния абиотических факторов на живые организмы в природных и лабораторных условиях с целью установления пределов толерантности и оценки устойчивости организмов к внешним воздействиям, возникающим в результате строительной хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ.” и п. 2.4 “Экология человека – изучение общих вопросов взаимодействия человека и биосферы, исследования влияния условий среды обитания (в том числе созданной в результате строительной, хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ) на человека” паспорта специальности 03.02.08 – “Экология”.
Основные положения диссертации изложены в виде: 6-ти докладов на научно-практических конференциях, докладе на заседании секции «Биология развития» Санкт-Петербургского Общества Естествоиспытателей (2007 г.), докладах на заседаниях научно-технического совета ФГУП «ГосНИИПП» (2011, 2012 гг.), отчета по инициативному исследованию ФГУП «ГосНИИПП (2010 г.).
Материалы диссертации реализованы в научной работе ФГУП «ГосНИИПП» (Акт об использовании), учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета (Справка о практической ценности), практической деятельности сети ветеринарных клиник «Вега» (Акт о внедрении), научной и производственной деятельности ООО «АТГ Сервис Ген» (Акт о реализации).
По результатам работы опубликовано 5 статей в научно-исследовательских журналах и 5 тезисов докладов в сборниках конференций.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и выводов. Объем работы составляет 150 страниц, включая 23 таблицы и 45 рисунков. Список литературы включает 202 источника, 98 из которых - на иностранных языках.
Основные характеристики электромагнитных излучений персональных компьютеров
Электромагнитное излучение, создаваемое ПЭВМ, имеет сложный спектральный состав в диапазоне от 0 до 3000 МГц (Мырова, 2008). Спектр ПЭМИ представляет собой сумму спектров отдельных источников и зависит как от положения регистрирующего устройства, так и от характеристик излучающего оборудования, его режима работы, вида программного обеспечения и даже выполняемых им операций.
Для портативных ПЭВМ свойственны два режима электропитания - от встроенного аккумулятора и от сети. В первом режиме, как показали измерения (Мырова, 2008), интенсивность излучения меньше. В режиме электропитания от сети портативный компьютер излучает электрическую составляющую переменного электромагнитного поля, мало отличающуюся по интенсивности от ВДТ.
Характер ПЭМИ источников, определяется, прежде всего, параметрами токов протекающих по излучающим цепям, их (цепей) излучательной способностью и условиями прохождения ПЭМИ в точку контроля. Эти параметры зависят от множества факторов. Часть из них изменяется во времени как, например спектральный состав. Мощность электромагнитного поля в точке контроля определяется по правилу суммирования мощностей (2). (P=P1+P2+P3+…+Pn.) (2) Так, суммируется мощность, излучаемая каждым проводником в шине за счет переходного затухания линий (переизлучения), если рассматривать конкретную шину. Аналогично суммируется мощность от всей совокупности источников. При суммировании происходит суммирование спектров излучения каждого источника.
Специфика влияния ПЭВМ на работоспособность и здоровье пользователя принципиально изменялась с развитием технологий создания вычислительной техники. Так, ПЭВМ последних десятилетий ХХ века представляли собой ВДТ с использованием мониторов с электронно-лучевой трубки в качестве основного элемента вывода информации. ВДТ представляли значительную опасность для пользователей: показаны значимые угнетающие эффекты на зрение, психоэмоциональный статус пользователей (Тарасова и др., 1995) и аэроионный состав воздуха (Григорьев и Степанов, 1997; Григорьев, 1996). В настоящее время, электронно-лучевые мониторы производятся для специфических работ (дизайн и т.п.), а в подавляющем большинстве случаев им на смену пришли жидкокристаллические мониторы, лишенные практически всех перечисленных недостатков ВДТ. Таким образом, основным экологически значимым фактором для рабочего места пользователя осталось ЭМП модулей хранения, обработки и передачи данных.
Особый вклад в спектр ЭМИ ПЭВМ вносят беспроводные устройства передачи данных, например, по протоколам Wi-fi и Bluetooth. Для модулей беспроводных сетей стандарта iEEE 802.11 (Wi-fi) заявлены (Рошан и Джонатан, 2004) следующие характеристики: частота излучения составляет 2,4 ГГц, мощность - 0,1 Вт. По данным измерения напряженности электрического поля (Usman et al., 2011), напряженность электрического поля ЭМИ (при использовании различных технических средств с модулем «Wi-fi») составляет 0,37-5,63 В/м, что соответствует стандартам ICNIRP (ICNIRP, 1998), которые предписывают порог в 61 В/м. Устройства беспроводной связи на основе протокола передачи данных iEEE 802.15.1 (Bluetooth) делят по трем классам мощности: 1, 2 и 3 (по степени её убывания). Мощность передатчиков первого класса соответствует таковым для мобильного телефона стандарта GSM. Частотный диапазон устройств составляет 2,4-2,4835 ГГц, а длина волны, соответственно составляет 0,125 м. Характеристики мощности излучения трех классов устройств приведены в таблице 2. Таблица 2 Характеристики мощности излучения устройств передачи данных по протоколу iEEE 802.15.1 (Bluetooth), цит. по (Рошан и Джонатан, 2004) Класс мощности Эффективная переносимая мощность (мВт) Максимальная переносимая мощность (мВт) Минимальная переносимая мощность (мВт) Дальность действия (м) 1 100 76 1 100 2 2,5 1,9 0,25 40 3 1 0,8 - Проводились (Kramer et al., 2005) измерения значений удельной поглощенной мощности пяти устройств беспроводной передачи данных Bluetooth: две различные Bluetooth USB антенны классов мощности 1 и 2, устройство PDA второго класса мощности и 2 различных устройства типа “hиs-free” третьего класса мощности. Результаты измерений приведены в таблице 3. Таблица 3 Результаты измерений некоторых устройств беспроводной передачи данных (источник: Kramer et al., 2005) Тип устройства Класс мощности Значение УМП (Вт/кг) USB антенна 1 0,466 USB антенна 2 0,0092 Устройство PDA 2 0,01 Устройства типа “hands-free” 3 0,00117 – 0,00319 Анализ зависимости значения электрического поля от расстояния до излучающего комплекса показал, что поле исчезает очень быстро при увеличении дистанции от излучателя (0,2 м – 5,5 Вт/м; 0,5 м – 0,5 Вт/м). Для всех типов соответствующих средств беспроводной передачи данных, значения электрического поля на расстоянии 0,2 м от излучателя от 20 до 150 раз меньше рекомендаций ICNIRP (ICNIRP, 1998).
Таким образом, спектр ЭМИ современных ПЭВМ складывается из частотных составляющих различного порядка: 50 Гц (блок питания), 1000 МГц (ОЗУ), 1,5 – 2,5 ГГц (процессоры, модули беспроводной передачи данных). В различных точках контроля, все компоненты устройств имеют определенную мощность ЭМП, которая складывается в единую для ЭМП ПЭВМ. 1.3 Влияние электромагнитного излучения на биологические системы Экспериментальные исследования свидетельствуют о высокой чувствительности биологических систем к слабым электромагнитным воздействиям любого диапазона частот, сравнимым по напряженности с естественными полями (Кураев и др., 2010). Наиболее характерными в динамике изменений реакции организма на хроническое воздействие ЭМИ (РЧ и СВЧ) являются: реакции центральной нервной (Холодов, 1975; Anghileri et al., 2006) и сердечно-сосудистой (Пресман, 1968; Borzsonyi et al., 2006) систем. Результаты экспериментов и литературные обобщения дают основание отнести нервную систему к одной из наиболее чувствительных (как по степени выраженности эффекта, так и по скорости его проявления) систем к воздействию ЭМП. Так, интенсивности ППЭ ЭМП СВЧ порядка 0,1 Вт/м2 и напряженности электрического поля порядка 0,0001 В/м достаточно для получения выраженных эффектов (Кураев и др., 2000). Исследования эффектов ЭМИ на нервную систему охватывают несколько аспектов: морфологический, электрофизиологический, цитологический, биохимический, этологический, психофизиологический и психологический (Lai H., 1994).
Клинико-физиологические исследования людей, работающих в условиях воздействия на организм ЭМП различных диапазонов, показали, что у них отмечаются нарушения высшей нервной деятельности, аналогичные результаты получены при работе с лабораторными животными (Лобанова и Гордон, 1960; Лобанова и Гончарова, 1971). Показано, что хроническое воздействие ЭМИ приводит к развитию таких негативных последствий, как болезнь Альцгеймера, болезнь двигательных нейронов и болезнь Паркинсона (WHO, 2007), которые сопровождаются гибелью специфических нейронов и могут быть классифицированы как нейродегенеративные заболевания. Многие исследователи (Холодов, 1975; Григорьев и др., 1999; Чиженкова, 2001) считают, что формирование системной реакции организма на облучение ЭМП происходит, прежде всего, с участием ЦНС.
Методы исследования биологического действия электромагнитного излучения персональных компьютеров
Оценка влияния сверхслабых ЭМИ ПЭВМ на биологические объекты проводилась в длительных экспериментах с млекопитающими и методами биотестирования (таблица 8). Экспериментальная проверка экстраполяционной силы разработанных методов осуществлялась посредством анализа параметров вариабельности ритма сердца пользователей ПЭВМ.
В качестве экспериментальных моделей длительного воздействия ЭМИ выбраны эмоционально-поведенческая реактивность и когнитивная функция мозга самцов белых беспородных крыс. В качестве методов исследования использовали, соответственно, автоматизированные тесты «Открытое поле» и «Трехлучевой лабиринт».
Методы биотестирования разработаны (Мухачев и др., 2011; Носов и др., 2009; Носов, Мухачев и др., 2011), а некоторые специально адаптированы (Носов, Габай и др., 2011) для использования в целях быстрой оценки экологической обстановки на рабочем месте пользователя ПЭВМ, а также в целях выявления клеточных и тканевых мишеней воздействия ЭМИ. Использованы следующие методы биотестирования: 1 оценка пролиферации клона инфузории Paramecium caudatum; 2 оценка ингибируемого роста колоний дрожжей Sacharomyces; 3 оценка физиологии развития Danio rerio по параметрам вылупляемости и ЧСС. Выбор моделей (пролиферация инфузорий Paramecium caudatum, ингибированный рост дрожжей Sacharomyces и эмбриональное развитие рыбы Danio rerio) обусловлен тем, что одними из наиболее часто упоминаемых мишеней ЭМИ являются механизмы клеточного деления (Katsir et al., 1998), проницаемость клеточной мембраны (Мухачев и др., 2011) и эндогенные процессы регуляция работы сердца (Пресман , 1968; Borzsonyi et al., 2006; Varga, 2002), соответственно.
Тип эксперимента /Условия экспозиции Температура (С) Освещенность (лк) Уровень шума (дБА) Относит. влажность воздуха (%) Хронические эксперименты с крысами +22±1,5 12 ч.: 0-5 12 ч.: 300±15 65±5 60±15
В качестве объекта исследований использовали самцов белых беспородных крыс в возрасте 4-10 месяцев, полученных из питомника лабораторных животных «Рапполово» РАМН. Целью исследований являлась оценка влияния исследуемого фактора на эмоциональную реактивность животных. Задачей исследований являлось определение параметров горизонтальной двигательной активности (перемещение в плоскости манежа установки “Открытое поле”) (Hall, 1936). Экспозиция животных в ЭМП ПЭВМ осуществлялась беспрерывно. Животные каждой экспериментальной группы содержались в клетках, по 5 голов в каждой (Степаничев и др., 2004), на расстоянии 0,3 м от ПЭВМ (рисунок 1). Питьевая вода предлагалась без ограничения. Кормление проводилось раз в сутки, в день эксперимента – после предъявления манежа.
Для проведения экспериментов использовали вариант оригинальной автоматизированной установки “Открытое поле” (Габай и др., 2011), позволяющей отслеживать перемещения животного без участия экспериментатора.
Программное обеспечение, разработанное в соответствии с оригинальными алгоритмами, позволило не только производить удаленное наблюдение за животными (экспериментатор не является потенциальной помехой опыта), но и автоматизировать протоколирование и обработку данных, что, во-первых, повысило качество исследования, а во-вторых, позволило настроить особые параметры чувствительности системы.
Экспериментальная установка состоит из манежа и веб-камеры, подключенной к ПЭВМ с установленной на нем программой «OpenField 1.0». Экспериментатора и манеж с животным разделяет непрозрачный экран. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.
Программа автоматизации («OpenField 1.0») получает сигнал с видеокамеры, выделяет наиболее ярко освещенную область и рассчитывает усредненные координаты данной области. Запись координат происходит несколько раз в секунду (параметр задается в настройках программы). Информация записывается в log-файл, на основе которого программно строится кривая перемещения и вычисляются параметры эксперимента.
Перед началом опытов проверяли соответствие температуры воздуха экспериментального зала температуре вивария (допускалось отличие не более, чем на 1 С). Клетку с крысами переносили в экспериментальный зал, где подготавливали манеж (протирали этанолом, проверяли равномерность освещения), проверяли зону видимости установки, для чего последовательно помещали ярко освещенный предмет в разные участки манежа. При необходимости, корректировали параметры работы программы регистрации – порог яркости, процент регистрируемой площади объекта. Экспериментальные исследования проводились в одно и то же время с 12 до 15 часов.
Под выходом в центр подразумевается подход животного к центру манежа, на расстояние не более радиуса манежа. Центральной зоной считается круг с радиусом радиуса манежа в его центре. За двигательный акт принимается смещение центра оптического контура крысы на определенное расстояние, заданное в настройках программы «OpenField 1.0». В данном исследовании, это расстояние составляло 0,01 м.
Продолжительность одного предъявления манежа составляла 300 секунд, что обусловлено преобладанием эмоциональной составляющей поведения над исследовательской в этот промежуток времени (Маркель, 1981).
Животное переносили в центр манежа и накрывали контейнером из непрозрачного материала на 120 секунд. Затем контейнер снимали и запускали программу регистрации на 300 секунд. По завершению опыта животное возвращали в клетку, манеж чистили от болюсов и лужиц.
В качестве звукового сопровождения эксперимента, для предотвращения отвлечения животного от посторонних шумов и звуков, использовали белый шум с уровнем шума 35 дБА. Проведено две хронические экспериментальные серии с использованием восьмидесяти животных.
Оценивалась скорость выработки условного пищевого рефлекса у самцов белых беспородных крыс и выявление вероятных отличий по этому показателю между экспериментальной группой и контролем в случае длительного воздействия экспериментального фактора.
В качестве объектов исследования использовали самцов белых беспородных крыс в возрасте семи месяцев, полученные из питомника «Рапполово» РАМН. Целью исследования являлась оценка воздействия экспериментального фактора на когнитивную функцию мозга. Задачей исследования являлась оценка динамики выработки условного пищевого рефлекса контрольных и экспериментальных животных.
Условия экспериментальной экспозиции животных соответствовали таковым для теста «Открытое поле» (рисунок 1), за тем исключением, что количество корма определяется отдельно, в зависимости от этапа работы и группы животных.
Для проведения экспериментальных исследований был использован автоматизированный комплекс «Трехлучевой лабиринт» (Носов, Мухачев и др., 2011). Программное обеспечение, разработанное в соответствии с оригинальными алгоритмами, позволило автоматизировать процессы предъявления условного стимула, пищевого подкрепления, протоколирование данных и их обработку. Достигнутая автоматизация позволила одному оператору одновременно обслуживать четыре экспериментальные установки, что повысило производительность экспериментального комплекса и значительно сократило временной интервал предъявления лабиринта для всех крыс.
Влияние длительного воздействия ЭМИ ПЭВМ на долговременную память крыс
Показан угнетающий эффект воздействия ЭМИ ПЭВМ Sony на динамику выработки условного пищевого рефлекса. Как видно (рисунок 23), обе экспериментальные группы имеют сходный начальный уровень подготовки 51,32 и 50,32 % правильных выборов (контрольная и экспериментальная группы соответственно). Указанное означает исключительно случайный по-рядок посещения лучей со стимулом или без него (в каждом случае выбора животное может пройти в один из двух свободных лучей, так как в третьем находится само). В процессе подготовки, кривые выработки условного ре-флекса начинают расти. Первые достоверные отличия выявлены на вторые сутки экспозиции (рисунок 23). В контрольной группе в среднем совершено 55,61% правильных выборов. В экспериментальной группе лишь - 44,45 %. Впоследствии наблюдается рост кривых с достоверным отличием до пятна-дцатых суток. После значения исследуемого параметра в обеих группах начинает приближаться к предельным значениям. Поэтому скорость роста кривой контрольной группы, по естественным причинам, снижается. По видимости, отличия между группами сравнения, наблюдаемые с третьих по шестые сутки, вызваны влиянием ЭМИ на эмоциональную реактивность и исследовательское поведение животных. В экспериментальной группе уровень выработки условного рефлекса находится на уровне 45-55%. Потому, проявлением эффекта ПЭВМ на долговременную память мы считаем достоверные отличия с седьмых суток экспозиции, когда кривые обучаемости обеих групп (рисунок 23) имеют параллельный паттерн роста.
Данные, полученные в ходе проведения эксперимента со стационарной ПЭВМ Lenovo (рисунок 24), свидетельствуют о негативном влиянии ЭМИ на выработку условного пищевого рефлекса у крыс. Однако выраженность этого эффекта значительно ниже таковой в эксперименте с портативной ПЭВМ Sony (рисунок 23).
Так, первые признаки влияния в контрольной и экспериментальной группах наблюдаются не на вторые, а на пятые сутки экспозиции. В контроле крысы совершали 65,9% посещений лучей с условным раздражителем, тогда как в экспериментальной группе – 58,8%. Впоследствии, достоверные отличия наблюдаются эпизодически (8-10 и 14-е сутки эксперимента), тогда как большую часть времени (18 суток из 23-х) эффект воздействия не выявлялся. Рисунок 24. Влияние ЭМИ ПЭВМ Lenovo на скорость выработки условного пищевого рефлекса у самцов белых беспородных крыс. Данные представлены в виде m±CI. - достоверное отличие между группами, p 0,05.
Результаты данного эксперимента согласуются с заключением Мыровой (Мырова, 2008) о различной выраженности биологических эффектов стационарных и портативных ПЭВМ: так, при условии аналогичных технических характеристик, влияние ЭМИ ноутбуков зачастую выражено достоверно сильнее. Результаты экспериментов с ПЭВМ Sony и Lenovo показали, что после выработки условного пищевого рефлекса до состояния 80% правильных выборов лучей лабиринта, кривые групп сравнения приближаются друг к другу настолько, что значения процента выбора правильного луча в каждый момент времени достоверно не отличаются. Потому эксперимент по изучению воздействия ЭМИ модуля «Bluetooth» был сокращен по времени до 13 суток экспозиции. В этом эксперименте использован ПЭВМ Asus: его технические характеристики аналогичны таковым для модели Sony, а результаты биотестирований (раздел 4) не показали значимых отличий между ними. Рисунок 25. Влияние ЭМИ модуля Bluetooth (ПЭВМ Asus) на скорость выработки условного пищевого рефлекса у самцов белых беспородных крыс. Данные представлены в виде m±CI. - достоверное отличие между группами, p 0,05
Результаты, представленные на рисунке 25, свидетельствуют о непосредственном влиянии ЭМИ модуля беспроводной передачи данных «Bluetooth» на скорость выработки условного пищевого рефлекса у крыс. Достоверные отличия наблюдаются в первые сутки экспозиции (53,68 и 31,67 % правильных выборов лучей). В экспериментальной группе животных происходит не только задержка в росте кривой обучения, а ее падение ниже отметки в 50% (до десятого предъявления лабиринте). Последнее, по-нашему мнению, свидетельствует об активном избегании животными рукавов со световым стимулом, несмотря на предварительную адаптацию животных к обстановке лабиринта. Потому, по аналогии с результатами эксперимента с ПЭВМ Sony, признаками влияния ЭМИ модуля Bluetooth на выработку условного пищевого рефлекса мы считаем отличия с 7-х до 12-х суток экспозиции (за исключением шестых суток, когда в экспериментальной группе выявлен значимый разброс значений: стандартная ошибка среднего значения равна 7,0 при значении среднего 46,84).
Таким образом, активация модуля «Bluetooth» привела к более значительным изменениям в высшей нервной деятельности животных (сильная задержка в скорости выработки условного пищевого рефлекса, признаки тревожности), чем таковые при воздействии ПЭВМ в стандартном режиме загрузки аппаратных средств (согласно результатам экспериментов с ПЭВМ Sony и Lenovo). К настоящему моменту, аналогичных исследований (влияние длительного воздействия ЭМИ модуля «Bluetooth») не проводилось, так как предполагается что, ЭМИ модуля «Bluetooth» слишком слабы для оказания достоверного биоэффекта. Однако наши результаты подтверждаются данными экспериментов с различными моделями (McLeod et al., 1987; Muraji et al., 1992; Mehedintu и Berg, 1997), где показан выраженный биологический эффект при сходных параметрах напряженности ЭМП, а минимальное значение ППЭ ЭМИ, оказывающее значимый эффект на параметры поведения млекопитающих (рефлекс избегания у крыс) составляет 110-7 Вт/м2 (Kostitsky, 2001, цит. по Havas, 2007). Результаты трех хронических экспериментов по оценке влияния ЭМИ ПЭВМ на динамику выработки условнорефлекторной деятельности в трехлучевом лабиринте свидетельствуют о следующем: 1 ЭМИ ПЭВМ обладает негативным эффектом на скорость выработки условного пищевого рефлекса (и долговременную память крыс, соответственно), который проявляется на 7-8 сутки экспозиции; 2 ЭМИ стационарных ПЭВМ обладает меньшим эффектом, угнетающим выработку условного пищевого рефлекса в отличии от таковых при воздействии ЭМИ портативных ПЭВМ; 3 активация модуля беспроводной передачи данных «Bluetooth» приводит к дополнительному угнетающему эффекту по отношению к таковому при воздействии ЭМИ ПЭВМ в стандартном режиме загрузки аппаратных средств.
Исследования влияния ЭМИ на когнитивную функцию мозга посредством анализа динамики выработки условных рефлексов в экспериментальных установках типа лабиринт проводились неоднократно, в большинстве случаев был показан угнетающий эффект воздействия, что является подтверждением результатов настоящего исследования. Так, показано (Шевель, 2002), что ЭМИ ПЭВМ напряженностью 15 мВ/м при одночасовой экспозиции усиливает возбудительные процессы в ЦНС и сдвигает вегетативный гомеостаз в сторону парасимпатического преобладания, физиологическим проявлением чего является нарушение долговременной памяти. Большая выраженность воздействия ЭМИ портативных ПЭВМ относительно такового для стационарной ПЭВМ (Lenovo), по нашему мнению, заключается в следующем: 1 первые достоверные отличия показаны на вторые и пятые сутки для портативных и стационарной ПЭВМ, соответственно; 2 для стационарной ПЭВМ Lenovo достоверные отличия между группами сравнения показаны в пяти случаях из двадцати трех испытаний, тогда как для портативных ПЭВМ – в тринадцати из девятнадцати. Возможная причина наблюдаемых отличий – относительная низкая напряженность электрического и магнитного полей для стационарных ПЭВМ (таблица 7), что объясняется частичным экранированием защитным кожухом ПЭВМ части составляющих его ЭМП. Дополнительный эффект активации модуля «Bluetooth», показанный в настоящем исследовании, выражен значительно сильнее, чем непосредственный эффект ЭМИ портативного ПЭВМ (Мухачев и др., 2011). Однако, согласно устоявшимся современным представлениям, высокочастотное ЭМИ беспроводных передатчиков данных на основе протокола «Bluetooth» слишком слабы для того, чтобы оказать значимый эффект на биологические процессы и здоровье человека, соответственно. Возможные объяснения результатов воздействия модуля «Bluetooth» дает теория информационных воздействий ЭМП на биосистемы (Акоев и др., 1986; Григорьев, 1995), основанная на нетепловых и резонансных воздействиях ЭМП на биологические процессы. Такие реакции на воздействия сверхслабых ЭМП наблюдались на ряде биосистем. Так, описано ускорение роста высших растений (Muraji et al., 1992), дрожжей (Mehedintu и Berg, 1997), изменения в локомоции диатомовых водорослей (McLeod et al., 1987).
Влияние ЭМИ ПЭВМ на проницаемость мембран дрожжей Sacharomyces
В результате анализа данных экспериментов, показаны достоверные отличия между группами сравнения во всех экспериментальных сериях с портативными ПЭВМ по параметру ингибируемого роста дрожжевых колоний. Выявлено замедление роста колоний, подвергавшихся сочетанному воздействию ЭМИ ПЭВМ и антифугального агента. Эти отличия, по всей видимости, отражают влияние ЭМИ ПЭВМ на механизмы избирательной проницаемости клеточной мембраны. Активация модуля беспроводной передачи данных Wi-fi (таблица 15) привела к большему отклонению контрольной и экспериментальной групп (отношение медиан выборок – 0,62 и 0,34 для ПЭВМ Acer без активации модуля и с его активацией, соответственно), что свидетельствует о дополнительном влиянии исследуемого фактора.
Активация модуля беспроводной передачи данных Bluetooth (таблица 16) не привела к какому-либо отклонению в росте колоний (отношение медиан выборок – 0,66 как для ПЭВМ Asus без активации модуля, так и с его активацией), что свидетельствует об отсутствии дополнительного влияния ЭМИ модуля Bluetooth на проницаемость клеточной мембраны. Наибольший угнетающий эффект ЭМИ наблюдали в экспериментах с моделью Sony (таблица 14, отношение значений медиан в опыте и контроле – 0,43). Для ПЭВМ Acer и Asus (таблицы 12 и 13, соответственно) эти значения составляют 0,62 и 0,66, соответственно. Таким образом, показано: 1 ЭМИ портативных ПЭВМ оказывают негативное воздействие на ингибируемый рост дрожжевых колоний (снижение до 2,9 раз) посредством повышения проницаемости мембран; 2 активация модуля «Wi-fi» приводит к дополнительному угнетающему эффекту (снижение интенсивности роста клеток до 1,82 раз относительно ПЭВМ в стандартном режиме загрузки), активация модуля «Bluetooth» подобным эффектом не сопровождается; 3 наибольшим угнетающим эффектом обладает ПЭВМ Sony (снижение интенсивности роста клеток до 2,33 раз относительно физиологического контроля). Степень воздействия ЭМИ ПЭВМ в различных режимах загрузки аппаратных средств представлена на рисунке 34. Рисунок 34. Степень воздействия ЭМИ ПЭВМ в различных режимах загрузки аппаратных средств; показаны дополнительный угнетающий эффект ЭМИ модуля «Wi-fi» и его отсутствие для модуля «Bluetooth»
Приведенные результаты согласуются с данными некоторых исследований (Ager et al., 1992; Miyakoshi et al., 1999), где показано угнетение ингибируемого роста колоний дрожжей при различных параметрах ЭМИ. Работ по изучению влияния ЭМИ устройств беспроводной передачи данных с использованием похожих моделей до настоящего времени не опубликовано в открытой печати. 4.3 Влияние ЭМИ ПЭВМ на вылупляемость Danio rerio Результаты экспериментов с использованием ПЭВМ Acer, Asus, Sony, Toshiba и Lenovo приведены в таблицах 17-21, соответственно.
Показанные отличия между группами сравнения (контрольная и экспериментальная) для стационарной ПЭВМ Lenovo укладывались в 15%, а для портативных ПЭВМ в 26-30%. Выявлена задержка вылупляемости у зародышей, подвергавшихся воздействию ЭМИ ПЭВМ. Показанные отличия, по всей видимости, отражают комплексную задержку таких онтогенетических процессов как дифференцировка и пролиферация, так как причиной задержки вылупляемости может являться либо недоразвитие железы вылупления, либо недостаточное количество клеток для ее функционирования. Приведенные результаты согласуются с данными опубликованных исследований, правда, эти исследования были проведены на других частотах. Для доказательства возможного неблагоприятного действия ЭМИ компьютера на эмбриональную дифференцировку клеток (тканей) и детский организм французские исследователи (Youbicier-Simo et al., 1996) использовали модель зародыша курицы и новорожденных цыплят (Григорьев и др., 2001). В результате проведенных экспериментов было выявлено отчетливое негативное влияние ЭМИ компьютера на скорость развития и дифференцировку органов и тканей.
Достаточно много работ проводилось в области изучения влияния ЭМИ на пролиферацию. Так, Розенталь и Обе (Rosental и Obe, 1989) и Антонопулус с соавторами (Antonopulus et al., 1995) обнаружили в опыте на культуре клеток изменение на 10-15% хода клеточного цикла лимфоцитов человека (5 мТ, 50 Гц). В исследованиях группы Катсира (Katsir et al., 1998) обнаружены подобные явления после воздействия ЭМП частотой 50-100 Гц и интенсивностью 0,1 – 0,7 мТ. Сравнение экспериментальных данных таблиц 17-20 и 21 показывает меньший угнетающий эффект ЭМИ при экспозиции экспериментального материала в ЭМП стационарного ПЭВМ (Lenovo) относительно портативных ПЭВМ типа ноутбук (Acer, Asus, Sony, Toshiba), что показано на рисунке 35.
Различия в частоте сердечных сокращений зародышей между контрольными и экспериментальными выборками в четырех экспериментах с ПЭВМ Acer. Данные представлены в виде m±CI. - достоверное отличие между группами, p 0, Рисунок 37. Различия в частоте сердечных сокращений зародышей между контрольными и экспериментальными выборками в четырех экспериментах с ПЭВМ Asus. Данные представлены в виде m±CI. - достоверное отличие между группами, p 0,05
Рисунок 38. Различия в частоте сердечных сокращений зародышей между контрольными и экспериментальными выборками в четырех экспериментах с ПЭВМ Sony. Данные представлены в виде m±CI. - достоверное отличие между группами, p 0, Рисунок 39. Различия в частоте сердечных сокращений зародышей между контрольными и экспериментальными выборками в четырех экспериментах с ПЭВМ Toshiba. Данные представлены в виде m±CI. - достоверное отличие между группами, p 0, Рисунок 40. Отсутствие различий в частоте сердечных сокращений зародышей между контрольными и экспериментальными выборками в четырех экспериментах с ПЭВМ Lenovo. Отличия не достоверны.
Показаны достоверные отличия между выборками в экспериментальных сериях с портативными ПЭВМ – происходит снижение ЧСС личинки (рисунки 36-39). В опытах со стационарным ПЭВМ отличий между выборками не выявлено (рисунок 40).
Выявленные отличия (снижение ЧСС под воздействием ЭМИ ПЭВМ), отражают замедление процессов генерации нервных импульсов в системе водителей ритма сердца как результат преобладания парасимпатической регуляции вегетативной нервной системы (Михайлов, 2000; Mann et al., 2010). Так, высокая чувствительность к ЭМП сердечно-сосудистой системы по мнению некоторых исследователей (Пресман, 1968; Borzsonyi et al., 2006), обусловлена непосредственным воздействием ЭМП на поверхностные рецепторы и периферическую нервную систему.
В экспериментах с облучением изолированного сердца лягушки (Григорьев и др., 2003) был получен эффект изменения параметров функции сердца. В механизме наблюдаемых явлений, по-видимому, лежат обратимые нарушения ионной проницаемости возбудимых мембран сердца с развитием явлений типа холинергического эффекта и электрического рассоединения кардиомиоцитов. Иначе говоря, в облученных структурах сердца происходит снижение возбудимости нервных и мышечных элементов и нарушение процессов межклеточных взаимодействий, что зачастую приводит к нейронально зависимому урежению частоты сердечных сокращений и ослаблению сократительной функции сердца (Самохина и др., 1982).
Корректность использования данной модели для экстраполяции на организм млекопитающих подтвержден исследованиями К. Манн с соавторами (Mann et al., 2010), где, посредством ингибирования специфических (и общих для всех позвоночных) медиаторов парасимпатической и симпатической системы (атропин и пропранолол), показаны реакции по типу тахикардии и брадикардии, соответственно. Эффект по типу брадикардии на моделях лягушки и кролика показаны при значениях ППЭ ЭМИ 610-3 и 610-3 Вт/м2 , соответственно (Frey и Seifert, 1968, McRee, 1980, все цит. по Havas, 2007).
Научная новизна методики заключается в апробации автоматизации процесса видеорегистрации двигательной активности объекта (частей объекта) и использовании биотестирования для оперативного определения эффектов сверхслабых ЭМИ на уровне вегетативной нервной системы.
