Содержание к диссертации
Введение 4
1. Проблема воздействия ЭМИ СВЧ низкой интенсивности на биологиче
ские организмы 13
1.1. Характеристика диапазонов электромагнитных волн .13
1.2. Особенности и основные закономерности воздействия ЭМИ СВЧ
на биологические объекты 22
1.3. Электрические и магнитные свойства тканей биологических объ
ектов 26
1.4. Подходы к построению модели воздействия СВЧ - излучения
низкой интенсивности на биологические объекты 30
2. Термодинамический подход к описанию процесса воздействия ЭМИ
СВЧ на биологические объекты 41
3. Резонансные частоты электромагнитных колебаний клетки (электроди
намический расчет) 51
3.1. Н - колебания сферического резонатора 54
3.1.1. Нахождение Нг—й компоненты 54
3.1.2. Определение составляющей Е&. 55
3.1.3. Нахождение EQ-U компоненты разложением в ряд 58
3.2. Е - колебания в сферическом резонаторе 62
3.2.1 .Определение Д.-ОЙ составляющей поля 62
3.2.2. Составляющая Ее 62
3.3. Анализ полученных результатов 64
3.4. Резонансные частоты мембраны 67
4. Моделирование электрических процессов, происходящих в живой
клетке, представленной в виде схемы замещения 69
4.1. Эквивалентные схемы замещения клетки 81
4.2. Определение области резонансных частот клетки 83
5. Воздействия электромагнитного излучения на мембранный транспорт
веществ 86
5.1. Изменение транспорта ионов через мембрану (электродиффузион
ная теория) 88
5.2. Дискретный способ описания пассивного транспорта веществ че
рез мембраны 102
Выводы 113
Список использованной литературы 116
Введение к работе
Актуальность исследования. Современная наука находится на высоком уровне развития и отвечает на многие вопросы о строении и свойствах различных объектов Вселенной. Несмотря на это, существует большой класс явлений, точное объяснение которых в рамках современных представлений естествознания пока является затруднительным.
За последние 50-60 лет возник и сформировался новый значимый фактор окружающей среды - электромагнитные поля (ЭМП) антропогенного происхождения [1, 2]. Мощность излучения техногенных источников превышает мощность естественных источников. Действительно, с каждым годом возрастают уровни мощности электромагнитного излучения (ЭМИ), создаваемые всевозможными искусственными источниками, такими, как теле- и радиопередающие центры, гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры и т.д.), технологические установки в промышленности. В то время как живые организмы были окружены электромагнитными полями естественных источников миллионы лет и в процессе эволюции успели к ним адаптироваться, искусственно созданные ЭМП являются новым фактором окружающей среды и пока не известно, какое именно действие (положительное или отрицательное), они оказывают на процессы метаболизма, протекающие в биологических системах. Одним из интереснейших и в то же время наименее изученных вопросов современной науки является проблема воздействия неио-низирующего ЭМИ радиодиапазона низкой интенсивности на биологические системы. Наука не дает пока однозначного ответа на вопрос о физических механизмах этого явления [4].
О важности данной физической проблемы говорит тот факт, что в Российской Академии наук на отделении "Физики и астрономии" в Научном сове 5
те РАН по проблеме "Физическая электроника" (научный руководитель - академик РАН Гуляев Ю.В.) создана секция "Биологические эффекты миллиметрового излучения» (научный руководитель - профессор Бецкий О.В.), цель работы которой заключается в изучении процессов, происходящих при воздействии электромагнитного излучения крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона на биологические объекты, поскольку в последние годы основное внимание исследователей было уделено этому диапазону, как наиболее перспективному для терапевтических и диагностических целей [5 — 7].
Но и сантиметровый диапазон длин волн нельзя игнорировать. Главным образом это связано с тем, что подавляющее большинство современных радиоэлектронных приемо-передающих устройств в области радиолокации, навигации, связи, телевидения работают в этом диапазоне, в связи с чем, живые организмы постоянно находятся под воздействием электромагнитных полей [8].
Трудность решения вопроса воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты заключается в том, что пока не найдено единого подхода к изучению данной проблемы.
Несмотря на это, в послевоенное время накоплен достаточно большой экспериментальный материал [9 — 25], позволивший разделить все эффекты воздействия электромагнитного излучения СВЧ на живые организмы на два большие класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности более 10 мВт/см2, а нагрев тканей при этом превосходит величину 0.1 С, в противном случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными [26], то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о физических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интенсивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одноклеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные подходы к решению данной проблемы [24, 28 — 38].
Создание общей теории проблематично, прежде всего, потому, что ЭМП оказывает воздействие на всех уровнях организации живой материи, начиная с электронного и кончая биосферным, причем на каждом из уровней имеют место принципиально различные механизмы и явления. [3]
В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологические объекты, и построение теории, позволяющей описать этот процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются актуальной задачей.
Целью исследований является изучение физических механизмов взаимодействия электромагнитного поля высокой частоты с биологическими объектами и определение тех процессов жизнедеятельности, на которые влияет внешнее ЭМП, определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие.
При реализации поставленной цели решены следующие задачи:
- показано, что термодинамический подход только качественно определяет закономерности воздействия СВЧ излучения на биологические объекты;
- рассмотрена модель клетки и получены характеристики, позволяющие определить собственные частоты электромагнитных колебаний такой системы;
- проведены исследования по определению резонансных (собственных) частот клетки и ее структур (протоплазмы, мембраны);
- предложен физический механизм воздействия электромагнитного поля СВЧ низкой интенсивности на процессы транспорта ионов через мембраны клеток и разработан метод расчета величины ионного тока при наличии внешнего высокочастотного поля; проведен цикл исследований по влиянию внешнего ЭМП с заданными параметрами на транспорт ионов СГ, К\ Na+.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- показано, что скорость генерации энтропии может выступать как один из важных критериев характера воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты;
- определены собственные частоты колебаний мембраны, протоплазмы и клетки в целом;
- впервые установлены диапазоны частот ЭМ колебаний, в пределах которых имеет место резонансное взаимодействие внешнего поля и биологической системы и показаны особые роли СВЧ, КВЧ и терагерцового диапазонов в процессах взаимодействия ЭМП с живыми организмами;
- впервые предложен физический механизм воздействия внешнего СВЧ — поля на процесс транспорта ионов через мембраны клеток;
- впервые установлены параметры ЭМП, при которых наблюдается наиболее эффективное воздействие на процессы ионного транспорта, а также пороговые значения мощности, при которых начинает проявляться изменение силы ионного тока по сравнению с контролем;
- показано, что в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для диапазона крайне высоких частот, существует порог значений потока мощности, ниже которого даже при длительном времени воздействия результатов воздействия не наблюдается.
Практическая ценность заключается в том, что
- разработанные численные модели клетки и ее составляющих позволяют определять их резонансные частоты и, следовательно, корректно выбирать диапазон частот, в рамках которого целесообразно проводить экспериментальные исследования; - доказана роль сантиметрового диапазона длин волн в реализации биологических эффектов;
— предложенная модель позволяет оценить параметры излучения, влияющие на процессы ионного транспорта веществ заданного вида.
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 в рамках плана перспективных и фундаментальных работ.
Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Модель биологической клетки, ее мембраны и протоплазмы, предназначенная для определения резонансных частот указанных систем.
2. Физический механизм воздействия внешнего СВЧ - поля на процессы ионного транспорта веществ, и модель, позволяющая определять параметры поля и вычислять значения сил ионных токов в зависимости от этих параметров.
3. Метод определения параметров внешнего СВЧ - излучения, способствующих максимальной воздействию ЭМП заданного диапазона.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2001 - 2004 гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (2000 - 2004 гг.), на V, VI, VII и VIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2000 г., 2001 г., 2002 г., 2003 г.), на VI Традиционной научно-технической конференция стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 2002 г.); результаты исследования были представлены на «Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.), на X - ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (Москва, 2004 г.).
Публикации (в хронологическом порядке):
1. Никулин Р.Н. Исследование влияния нетеплового воздействия СВЧ - излучения сантиметрового диапазона на биологические объекты // V Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докл. - Волгоград: РПК «Политехник». 2001. - С. 219 - 221.
2. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты // Биомедицинская радиоэлектроника. 2001. — №4. — С. 19 - 23.
3. Никулин Р.Н. Модель взаимодействия СВЧ - излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона с биологическими объектами. // VI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докл. - Волгоград: РПК «Политехник», 2002. - С. 196 - 198.
4. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Возможности создания модели воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2002. №4. - С. 9 — 15.
5. Шеин А.Г., Кривонос Н.В., Никулин Р.Н. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ - излучения на зерновые как переключение биологического триггера // Физическая метрология. Вестник Поволжск. отдел. Метролог. Акад. России. 2002. Вып. 4. - С. 81 - 86. 6. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Электромагнитные поля СВЧ низкой интенсивности антропогенного происхождения как один из важнейших экологических факторов современного мира // VI Традиционная научно-техн. конфер. стран СИГ «Процессы и оборудование экологических производств». Тез. докл. - Волгоград: РПК «Политехник». 2002. - С. 145 - 149.
7. Никулин Р.Н. Мембрана живой клетки как один из основных детекторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности в биологическом объекте // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тез. докл. - Волгоград: РПК «Политехник», 2003. - с. 229 - 230.
8. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Подходы к моделированию воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на ионный транспорт веществ через биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003. №4. - С. 4 — 11.
9. Харланов А. В., Грецова Н. В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Федеральная итоговая научно-техн. конфер. творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. Матер, конфер. - М. 2003. - С. 66 - 67.
10. Харланов А. В., Грецова Н. В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // 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.
11. Никулин Р.Н. Моделирование воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на пассивную составляющую ионного транспорта веществ через биологические мембраны // VIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тез. докл. - Волгоград: РПК «Политехник», 2004. - с. 239 - 241.
12. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Моделирование воздействия низкоэнергетического электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на пассивную составляющую ионного транспорта веществ через биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2004. №4. - С.4-11.
13. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Подходы к решению вопроса о воздействии электромагнитного излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона длин волн на биологические объекты // Физическая метрология. Вестник Поволжск. отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Вып. 5. — С. 66 - 74.
14. Никулин Р.Н. Расчёт резонансных частот электромагнитных колебаний клетки, представленной в виде электрической схемы замещения // Физическая метрология. Вестник Поволжск. отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Вып. 5. -С. 75-81.
15. Никулин Р.Н. Модели воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на биологические объекты // Сборник тезисов Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тез.докл. В 2 т. Т.2 - Екатеринбург - Красноярск: Изд. АСФ России. 2004.- С. 848 - 850.
Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: провел анализ экспериментальных исследований, построил и исследовал эквивалентные схемы клеток и определил диапазоны частот, в пределах которых можно ожидать реакции клетки на внешнее воздействие, получил аналитический вид формул, описывающих изменение силы ионного тока от параметров внешнего СВЧ — поля, провел численные расчеты. Основные на 12
учные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в соавторстве с научным руководителем профессором Шейным А.Г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии, включает 129 страниц, 26 рисунков и 19 таблиц.
