Содержание к диссертации
Ввсдсі і ис 4
1 Современное состояние вопроса 12
1.1 Выводы по главе 31
2 Анализ акустических колебаний клетки 32
2.1 Нахождение собственных функций для внутренности сферы 34
2.2 Сферически симметричные колебания 37
2.2.1 І Іродольпьіе колебания мембраны 37
2.2.2 Поперечные колебания мембраны 39
2.3 Сферически несимметричные колебания 41
2.3.1 1 Іродольные колебания мембраны 41
2.3.2 Поперечные колебания мембраны 46
2.4 Учет вязкости протоплазмы 47
2.5Численный анализ 49
2.5.1 Симметричные колебания клетки 49
2.5.1.1 Продольные колебания мембраны 50
2.5.1.2 Поперечные колебания мембраны 53
2.5.2 1 Асимметричные колебания клетки 54
2.5.2. і ! Іродольньїе колебания мембраны 54
2.5.2.2 і Іоперечпьіе колебания мембраны 56
2.5.3 Расчет частот колебаний с учеіом вязкости иротогшазмы 58
2.6 'Зксперимепталыгая проверка вычисления акустических колебаний
клетки 59
2.7 Выводы по главе 60
3 Динольное представление мембраны 62
3.1 Излучение диполя Герца 63
3.2 Излучение связки диполей 1 ерца 66
3.3 Численное решение излучения связки диполей Герца 73
3.4 Выводы по главе 84
4 Возможные механизмы воздействия электромагнитных волн на клетку... 86
4.1 Влияние акуегичееких колебаний на транспорт ионов через мем бра і іу 86
4.2 Связь акустических и электромагнитных колебаний через давление на поверхности мембрані)! 87
4.2.1 Расчёт длин волн 90
4.3 Изменение частот при изменении вязкости протоплазмы 92
4.4 Изменение частот при изменении пор в мембране 93
4.5 Изменение частот при изменении температуры межклеточной жидко- сти 99
4.6 Резонанс 101
4.6.1 Импульсное воздействие 107
4.6.2 Сумма двух гармонических воздействий 110
4.6.3 Сравнение резонансных свойств двух воздействий 114
4.7 Вы вод ы и о г j і а вс 11.5
Выводы 116
Список испол ьзован ной литературы 119
Введение к работе
Актуальность исследования. Изменения окружающей среды, происходящие в )поху научно технической революции, предъявляют новые требования к разработке социально-гигиенических аспектов ее охраны, к обоснованию тех принципов, которые должны быть положены в основу взаимоотношений человека и среды. Внешняя среда, к которой человек приспособился в процессе эволюционного развития, в результате бурного роста производительных сил так изменяется, что приспособительные возможности человека оказываются недостаточными для нормального существования в новых теологических условиях.
В связи с этим актуальной задачей становится изучение реакций организма па изменившуюся среду. К числу факторов, подлежащих изучению, относится электромагнитное излучение, поскольку волны, излучаемые самыми различными источниками, создают вокруг нашей планеты непрерывно изменяющееся, но почти постоянно действующее электромагнитное поле. Хотя этой проблеме посвящено много публикаций [1 - 7], проводились и проводятся исследования о взаимодействии электромагнитных волн сверх высокочастотного диапазона с биологическими объектами, начиная от простейших организмов и закапчивая человеком 8, остается много неясных вопросов в связи со сложностью самого объекта исследований и непредсказуемости его реакции на внешнее воздействие.
Исследования именно 1 этом диапазоне объясняются тем, что он является наиболее перспективным в терапевтических и диагностических целях и, кроме того, СВЧ - излучение является самым распространенным на нашей планете 9. Это обусловлено тем, что в настоящее время, им буквально пронизано все пространство, поскольку подавляющее большинство современных радиоэлектронных приемопередающих устройств в области радиолокации, навигации, спят, телевидения, радио работают именно в сантиметровом диапазоне.ля рассмотрения задач, связанных с изучением процессов, происходящих і? биологическом объекте на разных уровнях организации при воздействии излучения крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона в Российской Академии паук па отделении "Физики и астрономии" в Научном совете РАН по проблеме "Физическая электроника" (научный руководитель - академик РАН ГО.В. Гуляев) создана секция "Биологические эффекты миллиметрового излучения» (научный руководитель - профессор Вецкий О.В.), а работы по данному направлению включены в планы фундаментальных и поисковых работ многих ведущих научных организаций и вузов (ИРЭ РАН, МГУ, МВТУ им. Баумана, і5 том числе и ВолгГТУ, и др.). Существующие различные гипотезы о механизмах биологического влияния электромагнитных полей можно обобщить в два основных направления термического (теплового) и петермического действия 3.
Тепловое воздействие на живой организм рассматривается как нагрев, то есть как влияние изменения температуры на этот организм. Гораздо интереснее нетепловос воздействие электромагнитного излучения на живой организм. Это возможно только в случае излучения низкой интенсивности (плотность потока мощности 200 мкВт/см", которая повышает температуру облучаемого вещества па величину 0,1 Г С 8). В некоторых случаях к биологическим системам применяются чисто физические теории (а не биофизические, биологические, химические и т. д.), которые не всегда учитывают иерархическую структуру и сложность живых организмов. Многие авторы полагают, что характер взаимодействия электромагнитных полей и организма, количество поглощенной им энергии определяются электрическими свойствами тканей органов и систем, которые в настоящее время хорошо из весті і ы и понятны. Таким образом, эффекты, которые могут быть вызваны мало интенсивным нолем, заслуживают внимания.
Необходимо отметить, что излучение СВЧ диапазона (3...30 ГГц) проникает 1 биологический объект на глубину, определяемого толщиной скин слоя 8 = (7i/"p.if 7) ", где/ - частота излучения; п.-относительная магнитная проницаемость среды; а - электрическая проводимость. Для сред с проводимостью а 10" (Ом-м)" на частоте/ 3 ГГц (длина волны 10 см) глубина проникновения равна всего 1 мм 10. Поэтому реакция объекта должна быть обусловлена возбуждением рецепторов па этой глубине с последующей передачей воздействия па другие клетки. Таким образом., при изучении механизмов непосредственного воздействия электромагнитного СВЧ - поля низкой интенсивности на биологические объекты особое внимание необходимо уделить процессам, происходящим в живом организме на молекулярном и клеточном уровнях. С другой стороны, клетка основная строительная единица P.CCX живых организмов 11, 12. Всякой живой клетке соответствуют электромагнитные и акустические колебания, па которые могут влиять электромагнитные волны.
Существование клеточных и молекулярных источников упругих воли предполагается, по еще недоказано экспериментально. Считают, что хорошо наблюдаемые периодические колебания объемов клеток, митохондрий, ядер, макромолекул белков могут приводить к генерации акустических волн в среде. Предварительная теоретическая оценка даст диапазон излучений для ферментов 10 • 10 11 щ для эритроцитов человека - 0,2 30 Гц 113].
Гстсствсппо, что понимание механизмов действия электромагнитного поля на молекулярном и клеточном уровнях еще не дает утвердительного ответа о влиянии электромагнитной энергии на весь организм, но является важным звеном в изучении этих механизмов, физиологической и генетиче ской оценке возникших биологических эффектов, а также имеет теоретическое значение.
Целью исследований является теоретическое исследование акустических колебаний биологической клсіки, а также возможных сопутствующих эффектов, поиск механизмов влияния электромагнитных волн низкой интенсивности на эти колебания.
При реализации поставленной цели решены следующие задачи: на основании рассмотренной модели клетки получены выражения для определения частот собственных акустических колебаний биологической клетки; определены зависимости величин напряженности и индукции ноля, источником которого являются колеблющиеся вместе с мембраной заряды, от времени и радиус-вектора; предложены и качественно рассмотрены возможные механизмы влияния электромагнитных полей низкой интенсивности на биологические объекты. Научная новизна работы заключается в следующем: определены собственные частоты продольных и поперечных акустических колебаний мембраны; показана возможность генерации клеткой переменных электрического и магнитного поля; получены и численно решены уравнения, позволяющие найти зависимости напряженности и индукции поля, генерируемого клеткой, от времени и координаты; предложено объяснение роли акустических колебаний клетки в процессе транспорта ионов чере -s мембрану; предложены возможные причины изменения частот акустических колебаний клетки при воздействии IT а. нее электромагнитных волн; в рамках резонансного возбуждения акустических колебаний клетки внешним высокочастотным электромагнитным полем, предложена идея «пространственно-временного резонанса»; предложены возможные виды внешнего электромагнитного воздействия на биологическую клетку, при котором возникает пространственно-временной резонанс.
Практическая ценность заключается в том, что
разработанная математическая модель клетки позволяет определить частоты собственных акустических колебаний и, соответственно, облегчает поиск диапазона частот внешнего электромагнитного ноля, в котором необходимо проводить экспериментальные исследования;
предложены вилы внешнего электромагнитного сигнала, при котором может возникать пространствснно-врсмсниой резонанс, то есть должен иметь место биологический эффект.
Внедрение результатов работы. Работа велась в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемая на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета і? рамках плана перспективных и фундаментальных работ.
Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с исполъ зовапием классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными, а также совпадением экспериментальной проверки определения собственных частот акустических колебаний упругой сферы, заполненной жидкостью с теоретическими расчетами.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Математическая модель биологической клетки, предназначенная для определения частот собственных акустических колебаний клетки.
2. Моделі; мембраны, представляющей собой набор диполей Герца.
3. Гипотеза «пространственно-временного резонанса» и возможные способы достижения этого резонанса.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2005 -- 2006 гг.), на X Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005 г.); результаты исследования были представлены на «Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.).
Публикации (в хронологическом порядке):
1. Харлапов, Л. В. Взаимодействие электромагнитных воли с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами [Текст] / А. В. Харлапов, 11. В. Грсцова. Р. II. Никулин //Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи России по естественным наукам. Каталог представленных на конкурс проектов и работ. Саратов. 2003. С. 170 172.
2. Харламов, Л. В. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами [Текст] / А. В. Харлапов, II. В. Грсцова, Р. II. Никулин // Федеральная итоговая научно-техп. копфер. творческой молодёжи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. Матер, копфер. М. 2003. С. 66 67.
3. Шеин. Л. Г. Расчет акустических колебаний клетки [Текст] / А. Г. Шеин, Л. В. Харлапов, Р. И. Никулин // Биомедитгинские технологии и радиоэлектроника. 2005. № 3. С. 18 25.
4. Харлапов, Л. В. Акустические колебания клетки и влияние на нее электромагнитных волн низкой интенсивности [Текст] // X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тезисы докладов - Волгоград: I5! \ К «І Іолитехник». 2005. С. 250 251.
5. Никулин, Р. II. Расчет собственных частот электромагнитных колебаний клетки [Текст / Р. II. Никулин, Л. В. Харлапов // Физическая метрология. Вестник Поволжского отделения Метрологической Академии России. 2005. № 7. С. 29 -13.
6. Шеин, А. Г. Поперечные акустические колебания клетки и влияние на нес электромагнитных волн низкой интенсивности [Текст] / А. Г. Шеин, А. В. Харламов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2006. №4. СЮ 15.
Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: вывел аналитические выражения для определения частот собственных акустических колебаний клетки и провел их численный анализ; провел опыты, подтвердившие правомерность использования получившихся аналитических выражений для определения резонансных частот акустических колебаний клетки; предложил гипотезу о генерации клеткой электромагнитных воли посредством колебаний зарядов вместе с мембраной, получил аналитические выражения для этих воли и провел их численный анализ; предложил механизмы изменения частот акустических колебаний клетки под. действием -электромагнитного ноля и связи акустических и электромагнитных колебаний клетки через распределение давлений на поверхности мембраны; выдвинул и предложил пути реализации гипотезы «пространственно-временного резонанса». Основные научные результаты, содержащиеся 15 диссертации, опубликованы в соавторстве с научным руководителем профессором Шейным Л.Г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех лгав, заключения, библиографии, включает 124 страницы, 44 рисунка и 8 таблиц.