Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биофизические механизмы действия магнитного поля

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Аристархов, Владимир Михайлович

ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснован СТВ-мехаиизм влияния СНЧ ЭМП на радикальные процессы окисления фосфолипидов и резонансно-накопительный эффект этих полей на орга-низменном уровне.

2. Сформулированы закономерности трансформации первичных молекулярных изменений в биосистемах, вызванных действием МП, на клеточный и органный уровни и определены понятия первичного механизма действия МП и биологического эффекта.

3. МП на организменном уровне активирует процесс перекисного окисления мембранных липидов, измененяя содержание перекисей, антиоксидантов, окисляемость липидов и мембранную проницаемость для ионов натрия и калия.

4. При ферментативном и индуцированном Ге*2 - аскор-батом перекисного окисления липосом и мембран клеточных органелл обнаружено, что магнитный эффект накопления МДА изменяет знак и величину от температуры и концентрации липида.

5. Показано, что не имеется изменений кинетических параметров реакции ЛДГ при действии СНЧ ЭМП и реагирующих систем НЬ02 и НЬСО в ПМП напряженностью 1200 Э.

6. Обнаружено, что при воздействии МП на клеточные системы возрастает интенсивность пассивных (по градиенту концентрации) потоков калия и натрия асцитных клеток и эритроцитов, уменьшается концентрация СР в асцитжых клетках, что свидетельствует о снижении свободной энергии системы "клетка-среда".

7. Изменение стационарной концентрации ионов натрия, калия клеток мышц и печени при действии ПМП коррелирует с изменением мембранного потенциала покоя.

8. ПМП уменьшает частоту сокращения изолированного сердца лягушки.

9. Показано, что импульсное СНЧ ЭМП частотой 8 Гц вызывает как обратимые, так и не восстанавливающиеся за определенный период времени изменения в ЭКоГ и ЭКГ животных в зависимости от экспозиции и степени синхронизации по частоте потенциалов мозга, замедляет двигательную активность наиболее выражено при 800 гамм и экспозиции 3 часа.

10. Действие МП на метаболизм клеточных систем в рамках выбранных нами клеточных моделей представлено обобщенной схемой, по которой продукты окисления мембранных липидов изменяют активность ферментативной транспортной системы, увеличивают пассивную проницаемость мембраны, уменьшают периферийный заряд.

11. Неинвазивное воздействие МП на живой организм предопределяет п неинвазивное исследование эффектов как метод ИКС детектирования глюкозы в крови человека и мониторинг воздействия МП в реальном времени при диагностике и корректировании патологических состояний.

12. Кинетические эффекты ПМП в радикальных реакциях ПОЛ могут возникать в слабых и сильных полях, причем в сильных полях дополнительно могут возникать ориен-тационные эффекты, существенные для диффузно-лимитируемых ферментативных реакций и жидкокристаллических структур.

Список опубликованных работ по теме диссертации: 1.Пирузяк л.А., Аристархов В.М. Возможные энергетические механизмы, сопровождающие возникновение биопотенциала. / / Изв.АН СССР, сер.биол.,1969- №1,-С.69 85.

V 2.Пирузян Л.А., Аристархов В.М. Об участии свободных радикалов в генерации мембранного потенциала. //Изв. АН СССР, сер. биол., 1971- №5,-С. 697-703 .

3.Маркузе И.и., Аристархов Б.М., Пирузян Л.А. Действие ПШ1 на развитие асцитной опухоли саркома-37. //В сб.: Магнитное поле в медицине. Фрунзе.1974- т.100,-С. 111-112.

4.Маркузе И.И., Аристархов В.М. , Пирузян Л.А. Влияние ПМП на обменные процессы опухолевых клеток,// В сб.: "Влияние магнитных полей на биообъекты", Калининград Л975-С.83-84.

5.Маркузе И.И., Аристархов В.М. , Пирузян Л.А. Исследования действия постоянного магнитного поля на показатели электролитного равновесия внутренней среды организма.// В сб.:. "Применение магнитных полей в клинике, Куйбышев,1976-С.91-93.

V 6.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П. Поверхностный клеточный потенциал в растворах электролита при равномерном и дискретном зарядах.// Изв.АН СССР, сер.биол.,1973- № 1,-С. 52-59

V 7.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П., Симо-нян С.З. Изменение содержания железа в органах и тканях интакгных животных и животных опухоленосиге-лей при действии постоянного магнитного поля.// Изв.АН СССР, сер.биол.,1974- № 3,-С.429-432.

V8-Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П.Спектры поглощения белков асцитной опухоли С-37 и гемоглобина опухолевых и интактных животных при воздействии ПМП.// Изв.АН СССР, сер.биол.,1974- № 6,-С. 917-919. ч/ Э.Аристархов В.М,, Пирузян Л.А., Цыбышев В.П.УФ-спектры поглощения белков асцитической жидкости С-37 при действии постоянного магнитного поля.// Изв.АН СССР, сер. биол. , 1974- № 2,-С. 220-226,. Ю.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П.Влияние ПМП на белки асцитной опухоли саркома

37.// В сб.: "Магнитное поле в медицине", Фрунзе,1974- т.100,-С. 53-54.

11.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Маркузе И.И. Действие ПМП на распределение ионов натрия и калия в асцитной опухоли саркома-37.// В сб.:"Магнитное поле в медицине", Фрунзе,1974.-т.100,-С. 125-126.

12.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П. Влияние НМЛ на некоторые физико-химические свойства асцитной жидкости саркома-37.// Матер.3-го Всес.симп."Влияние магнитных полей на биообъекты, Калининград,1975.-С.132-133.

13.Аристархов В,М., Пирузян Л,А., Цыбышев В.П. Исследование изменений свойств асцитической жидкости опухоли С-37 при воздействии постоянного магнитного поля методом дисперсного анализа эритроцитов.// Изв.АН СССР, сер.биол.,1975.-N6,-С. 932-935.

14.Аристархов В.М., Пирузян Л.А. Некоторые теоретические предпосылки для объяснения влияния ПМП на водные растворы белков.// Матер.3-го Воес.симп."Влияние магнитных полей на биообъекты", Калининград, 1975. -С. 85-86.

15.Аристархов В.М., Цыбышев В.П., Пирузян

Л.А.Электрофоретическое исследование белков асцита саркома-37 при действии ПМП.// В сб.:."Влияние, магнитных полей на биообъекты",Калининград,1975.-С.84-85.

16.Аристархов В.П., Цыбышев В.П., Пирузян Л.А.Деиствне постоянного магнитного поля на растворы нуклеиновых кислот.// Матер.3-го Всес.симп."Влияние магнитных полей на биообъекты, Калининград,1975.

С.65-66.

17.Аристархов В.Ы., Пирузян Л.А. О возможном молекулярном механизме биологического действия магнитного поля.// В сб.: Физико-математические и биологические проблемы действия электромагнитных полей и ионизации воздуха". Из-во "Наука",М.,1975.-т.2,-С.179-182.

18.Аристархов В.М. , Пирузян Л.А.УФ-спектрофотометрия модельных жидкофазных систем биополимеров при действии магнитного поля.//Матер. 1-я нац.конф.по спектроскопии с международным участием, секция 0-12, Болгария, Солнечный берег,1976.-С.395-396.

19.Аристархов В.М. , Пирузян Л.А. Теоретическое обоснование влияния МП иа процессы, связанные с диффузией и ориентацией белковых молекул.//В сб:,"Применение магнитных полей в клинике", Куйбышев, 1976. -С. 91-93 .

20.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П. Исследование механизмов действия постоянного магнитного поля на физико-химические характеристики белков нормальных и опухолевых объектов.// Матер.2-ой нац.конф. по биомедицинской физике и технике с меж-дунар. участием, Болгария, София,1976. -С.9.

21.Аристархов В.М., Пирузян Л.А. Теоретические аспекты магнитотерапии.// В сб.:"Клиническое применение магнитных полей", Из-во "Удмуртия",

Ижевск,1977.-С.5-6. V22.Аристархов В.М., Пирузян Л.А. Роль биохимических процессов в ответных реакциях биосистем на воздействие магнитных полей.// Изв.-АН СССР, сер.биол.,1977.- № 6,-С.915-919. V23 .Аристархов В.М., Пирузян Л. А., Цыбышев В.П. Действие постоянного магнитного поля на растворы белков. //Изв.АН СССР, сер.биол.,1977.-С.44-53. 24.Аристархов В.М., Клименко Л.Л. Влияние магнитного поля на процессы перекисяого окисления липидов.// В кн."Применение МП в медицине, биологии и с/х", Сара. товский Ун-т,1978.-С.10-11.

V 25.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Цыбышев В.П. Физико-химические основы первичных механизмов биологического действия магнитного поля.// В сб. :иРеакция биологических систем на магнитные поля" Из-во "Наука", М.,1978.-С.6-25.

26.Аристархов В.П., Пирузян Л.А. Возможный молекулярный механизм биомагнитных эффектов геомагнитного поля.// Матер. 2-й Всес.конф.по адаптации человека к различным геогр.,климатич. и производственным условиям. СО АН СССР, Новосибирск,1978.-С.81-83. V27.Аристархов В.М., Пирузян Л.А., Тищенко В.Г. Исследование биологического действия низкочастотного импульсного электромагнитного поля.// Изв.АН СССР, сер.биол.,1978.- выл.I,-С.132-134.

28.Аристархов В.М. Критические замечания о теоретических обоснованиях биологических эффектов магнитного поля.// Изв.АН СССР, сер.биол.,1979.- вып.1,

С.122-123.

29.Аристархов В,М., Пирузян Л.А. Роль биохимических реакций в объяснении биомагнитных эффектов в слабых магнитных полях.// В науч.тр.Курского пед.ин-та, Курск,1978т.191,-С.85-86.

30.Аристархов В.М., Клименко Л.Л. Влияние ПМП на процессы перекисного окисления липидов в модельных системах.// Матер. 2-й Поволжской конф"Применение магнитных полей в клинической медицине и эксперименте", Куйбышев,1979.-С.141.

31.Аристархов В.М. Молекулярные механизмы биологических эффектов МП.// Матер.2-й Поволжской конференции: «Применение МП в клинической медицине и эксперименте», Куйбышев,1979.-С.18.

32.Аристархов В.М. Влияние ПМП на процессы перекисного окисления липидов.// В сб.:"Актуальные вопросы магнитобиологии и магнитотерапии", Из-во "Удмуртия", Ижевск,1981.-С. 16.

33.Конькова А.Ф., Шехаева О.И,,. Аристархов В.М., Пашкова Г.К., Магай И.А. Влияние МП на восстановление ритмичности катаболической и анаболической фаз метаболизма при термической травме.// Матер, обл. научн.-практ .конф. по магнитотерапии в травматологии и ортопедии, Оренбург,1982.-С.52-54.

34.Аристархов В.М. Влияние магнитного поля на радикальные реакции перекисного окисления фосфолипи-дов.//Матер.1-го Всес.биофизич.съезда, М.,1982.т.2,-С. 278.

ЗБ.Пирузян Л.А.,Аристархов В.М. Отчет ИХФ АН СССР,М.,1980.-С.20.

36.Пирузян Л.А.,Аристархов В.М. Отчет ИХФ АН СССР,М.,1981.-С.15.

37.Пирузян Л.А.,Аристархов В.М. Отчет ИХФ АН СССР,М.,1982.-С.17.

38.Аристархов В.М., Синева И.В., Меркулова Л.М. Влияние магнитного доля на изменение частоты сокращения и содержания серотонина изоли-рованного сердца лягушки. //Изв.АН СССР, сер.биол.,1983.-С.111-121.

39.Аристархов В.М., Клименко Л.Л., Деев А.И., Иване-ха Е.В. Влияние магнитного поля на процессы перекисного окисления липидов в фосфолипидных мембранах. //Биофизика,1982.- т.28,вып.5,-С.800-806. \Р 40.Аристархов В.М. Некоторые биохимические проблемы магнитобиологии и магнитотерапии. //В кн: Электромагнитные поля в биосфере, 1984, т.2, Из-во"Наука", М.,-С.256-261.

41.Аристархов В.М. Мембранные механизмы биоэффектов магнитного поля./В сб: ^Механизмы биологического действия электромагнитных излучений", Моск.обл, г. Пущино-на Оке, 1987.~C.18.

42.Аристархов В.М., Архипова Г.В., Пашкова Г.К. Изменение биохимических показателей мидий при комбинированном действии гипоксии, температуры и постоянного магнитного поля.// Известия АН СССР, сер.биол.,1988,-вып.1,-С.125.

V4З.Аристархов В.М. Фотоокрашивание многослойных ли-посом по радикальному механизму. ЖФХ.1991.-т.65,®7, -С.1940-1945.

У44.Аристархов В.М. Модель поверхностных центров окрашивания на липосомах.//Биофизика,1991.-Т.36,№3,-С.470-476. 45.Аристархов В.М. Кинетическая модель процесса окрашивания в дисперсии многослойных липо-сом.//ЖФХ.1992. -1.66, ® 7,- С.1880-1885.

4б.Аристархов В.М. Медленные фотопроцессы в дисперсии липосом. Биофизика, 1992,- Т.37, № 1,-С.73-78. 47.Аристархов В.М. Фотолипосома.//Матер. Международной конференции по фотохимии, Киев,1992.-С.136. 48.Аристархов В.М. Исследование изменений фоточувствительности растворов некоторых хромоионофоров кра-ун-эфиров при комплексовании с ионами металлов.// ЖФХ, 1997. -Т.71, № 10,- С.1907-1911. 49.Аристархов В.М., Балаховский И.С. К вопросу о бескровном определении глюкозы методом инфракрасной спектроскопии.// Матер. 3-го Международного Симпозиума "Неинвазивная диагностика",1997. Москва, 1997.-С.96-97.

50.Аристархов В.М., Балаховский И.С. Влияние глюкозы на инфракрасный спектр воды.//Клиническая лабораторная диагностика, 1998,- № 4,-С.18-24.

51.Аристархов В.М. Разработка нового неинвазивного мониторинга глюкозы в крови человека методом ближней инфракрасной спектроскопии.//Проект Международного Научного и Технологического Центра (МНТЦ), (www.istc, Database, # 1952).2000.-С.50.

52.Аристархов В.М. Разработка и изучение физических методов неинвазивного мониторинга диагностики и лечения диабета с помощью магнитного, электрического полей и лазера,//Проект МНТЦ,(www.istc, Database, #2266).2001.-С.50.

53.Aristarkhov V.M. The development of the noil-invasive monitoring for detection and recognition in water the chemical and biological agents by infrared spectroscopy methods.//Digest reports of the 4-th ISTC Scientific Advisory Committee Seminar on "BASIC SCIENCE in ISTC ACTIVITIES''', Akademgorodok, Novosibirsk, 2001, -P.47-57.

54 .Aristarkhov V.M. The research of the small perturbations of the water OH-overton spectra in near infrared area. Material ICP-XX International Conference on Photochemistry, Moscow, 2001,- РР13,- P.165.

Список используемых сокращений

АТС - антигемолитическое свойство

АЖ - асцитная жидкость

АК - асцитные клетки

ВМЭ- - биомагнитный эффект

ВБА - волны большой амплитуды

ГКН - система гипофиз - кора надпочечников

ДА — дофамин

17-КС - 17~кетостероиды

ЛДГ - лактатдегидрогеназа

МДА - малоновый диальдегид

НАДН - никотинамиддинуклеотид (восстановленный)

НЖК - ненасыщенная жирная кислота

НЧ - низкочастотный

НЧИ - низкочастотный импульсный

НЧИ МП - низкочастотное импульсное магнитное поле НЧМ - низкочастотномодулированный ПЗ - поверхностный заряд

ПОЛ - процессы перекисного окисления липидов ПП - потенциал покоя РП - радикальная пара СВЧ - сверхвысокочастотный

СНЧ ЭМП - сверхнизкочастотное электромагнитное поле

CP - свободные радикалы

СГВ - сверхтонкое взаимодействие

ТБК - тиобарбитуровая кислота

ЦНС - центральная нервная система

ХПЯ - химическая поляризация ядер

Э - эритроцит

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ и ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблемы магнитобиологии, как показывает современный уровень знаний в этой области, могут быть разделены на две категории.

К первой категории можно отнести проблемы, обусловленные крайне слабой изученностью первичных механизмов биологического действия МП, т.е. проблемы, порожденные отсутствием фундаментальных исследований в магнитобиологии. Основываясь на физической теории влияния МП, в представленной работе была сделана попытка обосновать и доказать действие МП на свободно-радикальные реакции перекисного окисления липидов и экспериментально проверить реальность этого влияния на молекулярном, клеточном уровнях и системных биологических моделях.

Проведенные исследования позволили установить, что первичный механизм биологического действия МП является молекулярным и основан на изменении кинетики и направленности биохимических реакций, протекающих через стадии образования радикальной пары, что радикальная. пара является детектором возмущающего действия МП на биохимическую систему. Изменение временного параметра взаимосвязанных или сопряженных биохимических реакций и пространственного распределения метаболитов и продуктов реакций при участии МП лежат в основе первичного механизма биологическою действия МП. Принципы системности молекулярного механизма, обоснованные в представленной работе, позволяют подойти к фундаментальным исследованиям в магнитобило-гии (Схема)

Схема. Механизмы и закономерности взаимосвязи биологических эффектов магнитного поля на различных уровнях организации биосистем.

Разрабатываемые в работе теоретические положения магнитобиологии, касающиеся кинетики радикальных процессов в различных магнитных условиях окружающей среды, должны позволить расширить диапазон теоретических обоснований действия МП на биобъекты в прикладной и медицинской биофизике.

Ко второй категории проблем относятся те, которые обусловлены слабой изученностью ответных реакций биосистем на слабые внешние стимулы, включая МП, в силу недостаточной разработанности теории биосистем и недостаточного использования тех теоретических основ биосистем, которые в настоящее время считаются уже разработанными. Общехарактерным следствием такого состояния теории биосистем является значительная разнонаправленность биологических эффектов МП в практически идентичных экспериментальных условиях.

В представленной работе сформулированы некоторые закономерности трансформации первичного молекулярного изменения в биосистеме при действии МП на клеточный и органный уровни. Дано определение первичного механизма и биоэффекта МП как ответной компенсаторной, адаптационной реакции биосистемы на первичное воздействие МП. Очевидно, что отсутствие биоэффекта не должно означать отсутствие непосредственного действия МП на магниточувствительные биохимические процессы, на чем и основано понятие первичного действия МП на биологические системы.

Рассмотренные две категории проблем современной магнитобиологии тесно взаимосвязаны и взаимно дополняют друг друга в решении проблем магнитобиологии в целом. Проведенные исследования влияния слабых НЧ ЭМП и ГОШ на биологические системы различного уровня организации позволили подойти к пониманию механизма их действия и возникающих биоэффектов.

Возможно, что ряд полученных экспериментальных фактов, методических разработок и выдвинутых теоретических обоснований могут представлять, а часть из них уже используется в практике, интерес с течки зрения перспектив дальнейшего изучения воздействия МП на живой организм, а также для оценки стимулирующего действия этого фактора.

В целом предсказуемая универсальность действия МП открывает новые возможности для изучения биохимических процессов, лежащих в основе приспособительных, стрессорных и патологических состояний организма.

Неинвазивяое воздействие МП на живой организм предопределяет и неинвазивное исследование эффектов. Так возникла идея использования метода инфракрасной спектроскопии (ИКС) для исследования изменения концентрации ряда метаболитов в живом организме при действии МП. В первую очередь, важно определить структурное состояние воды в организме и растворенных в ней некоторых важных для жизнедеятельности веществ, к числу которых относится глюкоза. Для этого был разработан неинвазивный метод ИКС детектирования глюкозы в крови человека, используя ИК спектры воды (Аристархов с соавт., 1998, Аристархов, 2000 ).

Этот метод позволяет в реальном времени проводить мониторинг воздействия МП на оргакизм человека при диагностике и корректировании патологических состояний (Аристархов, 2001) . Одновременно отпадает необходимость проводить "острые" экспериментальные исследования, используя отдельные органы животных. Диагностическая картина осуществляется компьютерной обработкой биопотенциалов мозга, дозирования МП и обнаружения патологического очага(локализация нарушенного нормального состояния). При воздействии МП на организм неинвазивно исследуется и определяется структурное состояние воды с метаболитами, спектр биопотенциалов мозга и диагностическая картина, динамика содержания определенного метаболита (глюкоза) , мониторинг в реальном времени

Вышеперечисленное является основным практическим итогом теоретических и экспериментальных исследований представляемой работы, возведенное на современный уровень высоких технологий в двух научных проектах, представленных для реализации в Международный Научный и Технологический Центр (МИТЦ). Этот центр являеися наиболее перспективным инвестором дорогостоящих проектов среди известных международных гран-тодателей.

Итак, представленная работа вносит определенный вклад в зарождающиеся теоретические основы магнитобиологии на основе знания совокупности магнитных свойств и взаимодействий в молекулярных системах, биологических моделях, на которых получено экспериментальное подтверждение наличия или отсутствия магнитного эффекта. Позволяет систематизировать накопленный литературный экспериментальный материал, принадлежащий магнитобиологии, объяснить целый ряд известных фактов и предсказать новые биоэффекты МП, что имеет важное терапевтическое и гигиеническое значения, открывает перспективы исследования оптимального действия МП разных частот и напряженностей на самых различных биологических моделях - от реакции в пробирке до живого организма.