Введение к работе
2.1. Актуальность проблемы
Первые данные по нехимическим дистантным взаимодействиям биологических объектов появились более 80 лет назад в работах А.Г.Гурвича по т.н. митогенетическому эффекту (МГЭ) [Gurwitsch, 1923]. Феномен МГЭ состоит в изменении ритма клеточных делений в культурах микроорганизмов, культурах клеток и тканях многоклеточных организмов при оптическом контакте с рядом биологических или химических систем. Явление МГЭ многократно подтверждено и детально исследовано в этой и других лабораториях в СССР, Италии, Германии, Нидерландах и США (обзор ранних работ см. в: [Залкинд, Франк, 1930; Гурвич А. и Л., 1934; Rahn, 1936]). Несколько появившихся работ с отрицанием МГЭ [Hollaender a. Claus, 1937; Westenberg, 1937; 1941] были выполнены с серьезными отклонениями от методики и опровергнуты в ответной критике [Залкинд, 1937; Гурвич А. и Л., 1948].
В дальнейшем феномены, связанные с дистантным нехимическим взаимодействием наблюдали неоднократно:
ускорение роста клеток и микроорганизмов при оптическом контакте культур [Киркин, 1981; Grassoetal., 1991; Wainwright et al., 1997; Trushin, 2003];
стимуляция созревания спор бактерий [Николаев, 1992, Nikolaev et al., 2006];
пространственная ориентация клеток при оптическом контакте с другой культурой [Albrecht-Buehler, 1991; 1992; 1994; 1997; 2000];
стимуляция секреции клеток молочной железы при оптическом контакте культур [Молчанов, 1985; Moltchanov, Golantzev, 1995];
изменение содержания белка, активация транскрипционного фактора NFkB и изменение морфологии актинового цитоскелета и плотных контактов в культуре клеток при оптическом контакте с культурой, находящейся под действием перекиси водорода [Farhadi etal., 2007];
появление цитопатического эффекта в культуре клеток при оптическом контакте с культурой, зараженной вирусом [Казначеев с соавт, 1972];
аномальное развитие зародышей морского ежа при оптическом контакте с культурой бактерий [Magrou I. et М., 1927; 1932];
изменение скорости развития и процента аномалий зародышей вьюна при оптическом контакте кладок икры разных стадий развития [Бурлаков с соавт, 1999; 2000];
стимуляция сверхслабой люминесценции образцов крови при их оптическом контакте [Voeikov, Novikov, 1997; Xun Shen etal., 1994];
синхронизация ритмов сверхслабой люминесценции динофлагеллят [PoppF.-A. etal, 1992];
различные биологические эффекты, вызываемые т.н. вторичным биогенным излучением [Кузин с соавт, 1994].
Общее для всех этих эффектов — отсутствие химического носителя. Явления дистантного взаимодействия наблюдаются при разделении объектов пластинками из кварца [Gurwitsch, 1923; Будаговскии, 2004; Бурлаков с соавт, 1999]; стекла [Albrecht-Buehler, 1992; Trushin, 2003; Farhadi et al., 2007] и исчезают при их замене на матовые пластинки из того же материала [Будаговскии А.В., 2004; Trushin М., 2003]. В ряде случаев доказано участие электромагнитных волн: УФ [Гурвич А. и Л., 1934; 1945], ИК [Albrecht-Buehler, 1991; 2000]; получены спектры дистантного взаимодействия [Frank, Rodionow, 1932]. Показано, что сверхслабое излучение от физических источников того же спектрального диапазона, что и предполагаемое излучение биологических объектов, действует аналогично последнему [Frank, 1929; Chariton etal., 1930; Albrecht-Buehler, 1991, 1994].
Авторы [Кузин с соавт, 1987; Бурлаков с соавт, 1999; Voeikov and Novikov, 1997; Молчанов, 1985] также предполагают электромагнитную природу эффекта; Ю.А.Николаев (1992) допускает участие акустических волн.
Впервые с помощью физических детекторов электромагнитное излучение
5 биологических объектов зарегистрировано от «индукторов» МГЭ [Rajewsky, 1930; 1931; Frank, Rodionow, 1932] (обзор работ см. в [Гурвич, 1966]). Однако серьезное развитие проблема сверхслабого излучения получила после работ [Colli, Facchini, 1954; Тарусов с соавт, 1961; Владимиров, Львова 1964], в основном в исследованиях школы Б.Н.Тарусова. Показано, что во всех биологических объектах и в ряде модельных систем постоянно идут процессы свободно-радикального окисления, являющиеся источниками сверхслабой хемилюминесценции в видимой области спектра [Тарусов и др. (ред.), 1972; Журавлев, 1972; Владимиров, Шерстнев, 1989].
В работах школы Б.Н.Тарусова эти процессы рассматривали как чисто деструктивные. Позже показано, что их определенная интенсивность необходима для нормального функционирования клетки (см. обзор [Voeikov, 2001]), открыто ферментативное производство активных форм кислорода [Babior et al., 1973; Krieger-Brauer, Kather, 1995] и их влияние на важнейшие клеточные процессы [Downs et al., 1998; Chiarugi et al., 2003; Gordeeva et al., 2004]. В настоящее время NO и О? рассматривают, наряду с Са2+, как основные вторичные мессенджеры в клетке [Khan and Wilson, 1995; Droge, 2002; Saran, 2003]. Ряд авторов [Воейков, 2003; Новиков, 2004] связывает регуляторную роль АФК с излучением при их рекомбинации.
Однако до настоящего времени механизмы дистантного взаимодействия остаются неизвестными. Электромагнитное излучение от большинства биологических объектов имеет очень низкую интенсивность: по данным разных авторов ~102 квант/см2сек [Rajewsky, 1930; 1931], ~103 квант/см2сек [Frank, Rodionow, 1932], ~0,5—5 квант/сек [Журавлев, 1972]. По оценке [Рорр, 1992], мощность электромагнитного взаимодействия биологических объектов лежит в диапазоне 10~17—10~15 Вт (эквивалентно ~10—103 квант/сек в диапазоне ближний УФ — ближний ИК).
Наиболее дискуссионный вопрос в этой области: как столь слабый сигнал может оказывать специфическое действие (стимуляцию клеточных делений или физиологических функций, изменение скорости развития и его аномалий) на фоне световых потоков значительно более высокой интенсивности?
В школе А.Г.Гурвича обращали особое внимание на спектр излучения и «режим» взаимодействия объектов: периодическое прерывание, экранирование отдельных частей и др. Авторы [Залкинд и Франк, 1930; Гурвич А. и Л., 1934] предполагали, что излучение, вызывающее МГЭ,
происходит отдельными квантами или группами квантов, а получение максимального эффекта связано с определенной корреляцией их появления.
В работах [Орел и Дзятковская, 2000; Бурлаков, 1999; Beloussov, 2002; 2006] использовали Фурье-анализ и автокорреляционный анализ спонтанного излучения зародышей вьюна, клеточных культур и др. (диапазон 200—800 нм). Авторы подтверждают, что излучение происходит отдельными группами квантов, находят характерные частоты их появления (~103—103 Гц) и указывают на корреляции в спектре этих частот. В [Orel et al., 2004] показано, что автокоррелограммы Фурье-спектров механоиндуцированного излучения крови раковых больных более хаотичны, чем у здоровых людей. По утверждению [Загускин, 2007], чувствительность биосистем к внешним сверхслабым воздействиям также связана не с «магическими частотами», а с общей структурой их набора.
В работах [Рорр, Ke-hsuch, 1993; Bajpai, 1999; Рорр et al. 2002] предполагается, что излучение биологических объектов обладает особыми квантовыми свойствами: высокой степенью когеррентности, свойствами т.н. сжатого света и др., а их оптическое взаимодействие может проявляться в снижения суммарной интенсивности излучения (т.н. субрадиации) [Рорр, 2006]. Последнее согласуется с результатами, полученными на зародышах вьюна [Белоусов с соавт, 2003].
Тем не менее, вопрос о механизмах дистантного нехимического взаимодействия остается нерешенным. Не исследованы корреляции различных свойств излучения биологических объектов и их способности индуцировать дистантные биологические эффекты. Практически отсутствуют систематические измерения излучения от основных модельных объектов биологии по ходу их развития. Большинство работ связано с оптическим взаимодействием или излучением клеточных культур или кладок икры. При этом оптический контакт клеток или зародышей внутри культуры или кладки затрудняет выявление эффекта от взаимодействия между ними и может влиять на суммарное излучение.
2.2. Цели и задачи исследования
В связи с изложенным были поставлены следующие цели и сформулированы задачи исследования.
7 Цель: определить, возможно ли и за счет чего оптическое взаимодействие зародышей X.laevis.
Задачи:
Определить роль оптических контактов для развития отдельных зародышей X.laevis: сравнить развитие зародышей с нормальными и нарушенными оптическими контактами по основным морфологическим критериям.
Зарегистрировать излучение отдельного зародыша X.laevis в спектральном диапазоне 200—800 нм на разных стадиях развития. Провести анализ основных свойств этого излучения.
Зарегистрировать излучение зародышей X.laevis при их оптическом взаимодействии.
2.3. Научная новизна работы
Работа впервые проведена на индивидуальных яйцеклетках и зародышах. Использован эмбриональный материал от одного из модельных объектов современной биологии развития — шпорцевой лягушки Xenopus laevis D audi п.
Впервые показано оптическое взаимодействие зародышей X.laevis в период дробления, влияющее на темп и пространственно-временную скоррелированность развития.
Впервые измерено сверхслабое излучение зародышей X.laevis от оплодотворения (ст. 1) до стадии хвостовой почки (ст. 24). Показано, что несмотря на равенство фону по средней интенсивности, излучение зародышей имеет свои стадио-специфичные спектры Фурье. В период дробления (ст. 1—4) ССИ зародышей выше фона по мощности на группе частот в диапазоне 0,01—50 Гц и ниже фона в диапазоне 0,1—500 Гц; на ст. 8 (средняя бластула) обнаружены группы частот в ССИ зародышей в диапазонах 0,01—50 Гц и 0,1—500 Гц. Их появление совпадает со временем внезапной активации генома зародыша — mid-blastula transition.
Показано снижение интенсивности суммарного излучения при оптическом взаимодействии зародышей X.laevis.
Разработано и успешно применено программное обеспечение для
8 поточной цифровой обработки сигналов со статистическим анализом.
2.4. Практическое значение работы
Показанное оптическое взаимодействие зародышей X.laevis позволяет исследовать явление сверхслабого излучения биологических объектов на этом объекте — стандартном, удобном в использовании и хорошо изученном при нормальном развитии.
Использованный метод наблюдения за индивидуальным развитием зародышей позволяет строго и детально исследовать их оптическое взаимодействие.
Разработанное программное обеспечение позволяет быстро, строго и в автоматическом режиме анализировать сверхслабое излучение разных объектов.
Анализ излучения зародышей потенциально является мощным экспресс-методом определения их состояния и взаимодействия.
2.5. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были изложены на конференциях:
III Международной конференции «Электромагнитные поля и излучения в биологии» (Калуга, 2005);
IV Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (СПб, 2006);
VII Международной крымской конференции «Космос и биосфера» (Судак, Крым, 2007);
на летних школах по «биофотонике и ее применению» (Международный институт биофизики, Нойсс, Германия, 2006 и 2007);
на заседании кафедры эмбриологии Биологического факультета МГУ.
2.6. Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
2.7. Объем и структура диссертации
