Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Воздействие электромагнитного излучения на водные растворы и биологические системы

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Воздействие электромагнитного излучения на водные растворы и биологические системы"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ГГо ОД

На правах рукописи УДК 621.317; 532.783+536

Гапочка Михаил Германович

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор А. П. Сухоруков, кандидат физико-математических наук, доцент А. И. Костиенко. доктор физико-математических наук, профессор В. И. Лобышев, доктор физико-математических наук, профессор В. Н. Каданцев. кафедра биофизики биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Защита диссертации состоится 19 марта 1998 года в 1630 часов на заседании диссертационного совета К.053.05.77 в МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, ауд. 5-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан 19 февраля 1998 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

К.053.05.77 в МГУ им. М. В. Ломоносова

кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие жизни на земле происходит на фоне электромагнитного излучения (ЭМИ) как космического, так и земного происхождения. С начала двадцатого века стали создаваться мощные источники когерентного ЭМИ для радиосвязи, локации, различных применений в промышленности, медицине, быту.

К такому излучению растительный и животный мир, а также сам человек не смогли адаптироваться за столь короткий период времени (с момента появления источников ЭМИ), исчисляемый несколькими десятилетиями. Все это привело к тому, что ЭМИ искусственного происхождения стало биосферным фактором, существенно изменяющим экологическую обстановку на нашей планете, оказывающим воздействие на живые объекты и сферу их обитания.

Последние три десятилетия широко ведутся исследования по изучению воздействия низкоинтенсивных (плотность потока мощности меньше 10 мВт/см2) ЭМИ различных диапазонов волн на биологические объекты разной степени организации. Такое воздействие иногда называют нетепловым, так как нагрев исследуемой биосферы не превышает 0,1 °К. Последовательность работ в изучении этой проблемы можно представить в виде двух основных периодов: первый - с середины семидесятых по конец восьмидесятых годов - включает эксперименты с микроорганизмами и животными, второй - с 1978 года, когда экспериментальные данные легли в основу клинического применения.

Как показывает накопленный экспериментальный материал, последствия воздействия низкоинтенсивного ЭМИ оказываются более существенными, чем теплового. Важным является и то, что порог мощности низкоинтенсивного ЭМИ, при котором уже наблюдаются эффекты его воздействия, едва превышает уровень естественного электромагнитного фона (10"19-10-21Вт/М2 -Гц).

Несмотря на проводимые исследования механизмов воздействия нетеплового ЭМИ на биологические системы разного уровня организации, имеющийся экспериментальный и теоретический материал не дает подробной биофизической информации о механизмах взаимодействия микроволнового излучения с биологическими системами. Эта проблема включает в себя комплекс радиофизических, технических и физико-математических задач.

Поэтому исследование влияния и механизмов действия ЭМИ искусственного происхождения на биологические объекты является важной задачей, решение которой может существенно отразиться на эволюции биосферы.

Цель работы состояла в изучении механизмов действия нетеплового ЭМИ на водные растворы и биологические объекты.

В соответствии с поставленной целью было намечено решение следующих задач:

1. Исследование влияния ЭМИ на некоторые физические свойства водных растворов (оптическая плотность, оптическая активность, спектры ЯМР Н и время спин-решеточной релаксации Т, КР - спектры, спектры флюоресценции).

2. Изучение влияния ЭМИ на токсичность водной среды для гидробионтов.

3. Иммунологическая оценка КВЧ-терапии.

4. Исследование комбинированного действия ЭМИ оптического и миллиметрового диапазонов на рост одноклеточных организмов.

£7»«<11>то ИЛЛХ111/1

1. В работе определены и исследованы некоторые физические свойства жидкой воды и водных растворов, изменяющиеся после воздействия ЭМИ, такие как оптическая плотность, спектры ЯМР Н и время спин-решеточной релаксации Т,

2. Выявлено снижение токсичности растворов фенола, меди и кадмия при их облучении ЭМИ для гидробионтов.

3. Определен один из механизмов действия КВЧ-терапии на иммунную систему.

4. Обнаружено взаимодействие ИК лазерного облучения (ЛО) и КВЧ-облучения при их совместном действии на развитие одноклеточных организмов. Показано определяющее значение последовательности облучения и ЛО по отношению к КВЧ-облучению.

5. Предложен единый механизм действия ЭМИ для выявленных эффектов, состоящий в одновременном процессе образования и распада кластерных и клатратных структур водных растворов.

Практическое значение работы. Полученные данные о снижении в результате КВЧ-облучения токсичности растворов воды с различными токсикантами (например, медь, фенол, кадмий) могут быть положены в основу применения ЭМИ для уменьшения токсичности сточных вод.

КВЧ-облучение может найти применение для стимулирования выделения гормонов, необходимых для работы иммунной системы. КВЧ и лазерная терапия, обладающая иммуннокорректирующим эффектом, может быть использована для лечения ряда заболеваний, обусловленных плохой экологической обстановкой (например, аллергия). Использование ЭМИ дает возможность получить определенные свойства воды (КВЧ-облученная вода повышает иммунный статус у мышей).

Воздействие ЭМИ на биологические объекты может уменьшить или исключить вредное последствие ЭМИ другого диапазона длин волн.

ЭМИ позволяет менять скорость роста культуры клеток (это важно, например, при лечении опухолевых процессов).

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на Всесоюзной конференции «Физика и конверсия» (Калининград, 1991 г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Применение СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследованиях» (Саратов, 1991 г.), на 1-м съезде фтизиатров и пульмонологов Украины (Киев, 1993 г.), Научной конференции «Сверхслабые взаимодействия в природе, технике, обществе» (Москва, 1993 г.), Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы адаптации» (Москва, 1994 г.), Европейской микроволновой конференции (Болонья, 1995 г.), Международной конференции по лазерным методам в биологии (Ираклион, 1996 г.), V и VI Всероссийской школе-семинаре

«Физика и применение микроволн» (Красновидово, 1995 и 1997 гт.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 146 страницах, содержит 35 рисунков, 11 таблиц, список литературы содержит 94 библиографических ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.

Часть 1. Теоретические и экспериментальные исследования структуры и свойств воды.

Здесь изложены последние данные о структуре воды с точки зрения теории и экспериментальных данных. По современным представлениям вода на молекулярном уровне, по крайней мере при нормальных температурах, представляет собой единую структуру, наряду с которой имеются отдельные микрокластеры, стабилизированные транспортом протонов. В воде могут образовываться относительно большие кластеры, в которых реализованы все связи каждой молекулы воды. Локальные свойства кластеров отличаются от глобальных свойств окружающей сетки Н-связей. Ответственной за необычные свойства воды разумно считать непрерывную сетку водородных связей, поскольку именно наличие Н-связей отличает ее от других природных растворов. Таким образом, во внешних электромагнитных полях может появиться возможность стабилизации кластерных или клатратных структур посредством укрепления водородных связей протонами, которые мигрируют по поверхности кластера.

Обсуждается возможность объяснения некоторых линий поглощения миллиметрового диапазона в атмосфере наличием кластерных или клатратных структур в насыщенном водном паре. Экспериментальные масс-спектроскопические исследования также подтверждают наличие молекулярных кластеров в паре.

Проведен сравнительный анализ экспериментальных методов исследования свойств воды, таких как колебательная и электронная спектроскопия, измерение дипольных моментов, ЯМР, ИК и КР спектроскопия.

Часть 2. Влияние электромагнитного излучения на биологические объекты разной степени организации.

Проведенный анализ исследований по воздействию ЭМИ на биосистемы разных уровней организаций позволил выявить некоторые закономерности биологических эффектов. Они заключаются в следующем:

1. В большинстве случаев биологические эффекты не зависят от интенсивности ЭМИ, в диапазоне от небольшой пороговой величины (10~9 Вт / см2 ) до интенсивности, приводящей к заметному нагреву биосреды.

2. Действие электромагнитных микроволн на биологические объекты и процессы может быть как резонансным, так и нерезонансным. В тех случаях, когда отклик имеет резонансный характер, биологический эффект наблюдается в узких интервалах частот с ширинои резонанса (1010 1)Г,ц.

3. Устойчивый, не исчезающий после прекращения облучения биоэффект носит в большинстве случаев кумулятивный характер, так как для достижения биоэффекта необходимо облучение более 0,5 часа или многократно.

4. Для животных биоэффект связан с косвенным воздействием ЭМИ на макроструктуры живого (органелла, клетка, орган и т.д). Во многих случаях облучаемая область биообъекта и прореагировавшая находятся на значительном расстоянии друг от друга по сравнению с тем, на котором энергия излучения полностью диссипирует. Это является следствием работы механизмов разной физической природы в живых системах.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования.

Во всех экспериментах водные растворы, культуры одноклеточных организмов облучали в тефлоновых стаканчиках, а взвесь лейкоцитов и клетки тимического эпителия - в стеклянных. Облучение проводилось со стороны дна стаканов. Объемы облучаемой жидкости изменяли в зависимости от задач эксперимента от 2-3 до 1 ООО мл.

В качестве источника ЭМИ использовали промышленные генераторы Г4-141, Г4-142, Р2-65 и Р2-69, медицинскую установку «Явь», СВЧ-печь "Электроника" и магнетронный генератор СВЧ с держателем для образца внутри волновода. Каналирование электромагнитной энергии осуществлялось с помощью волноводного тракта, в состав которого входили аттенюатор, фазовращатель, контрольный измеритель мощности и сменные рупоры. Интенсивность миллиметрового излучения была нетепловой (< 10 мВт/см2).

Источником лазерного излучения в настоящей работе служил лазер типа "Колокольчик" с длиной волны к = 1.3 мкм и мощностью 20 мВт.

Облучение биологических объектов в диапазоне КВЧ проводилось в ближней зоне излучателя. Так как неоднородность распределения поля в этой зоне может быть одной из причин эффектов облучения, было исследовано распределение электромагнитного поля диапазона КВЧ в слое воды у дна чашки Петри, проводившееся с использованием измерителя КСВН и ослабления панорамного Р2-65 и оригинального тефлонового зонда.

Для выполнения задачи по исследованию свойств водных растворов были использованы следующие методы: КР - спектроскопия; спектроскопия - ЯМР; оптическая спектроскопия; магнитооптические методы исследования.

В качестве водных растворов использовались бидистиллированная, дистиллированная и водопроводная вода, питательная среда Кратца-Майерса и культура водорослей.

Исследования спектров оптической плотности водных растворов проводились на стандартном спектрофотометре «AMINCO DW2000» и на спектрофотометре " Hitachi 557 " с чувствительностью 1*10"3 О.Е., в диапазоне от 190 до 900 нм. Спектры флуоресценции были сняты на спектрофлуоримегре

б

Jobin Jvon 3CS. Химический сдвиг протона Н измерялся относительно внутреннего стандарта - гексаметилдиоксана на спектрографе "Tesla-BS-497". Спектры комбинационного рассеяния снимались лазерным KP- спектрометром. Измерение вращения плоскости поляризации облученной воды производилось на оригинальной магнитооптической лазерной установке.

При исследовании влияния электромагнитного излучения низкой интенсивности на токсичность водной среды для гидробионтов в качестве токсикантов были использованы широко распространенные загрязнители природных водоемов - медь, кадмий (в виде растворов их солей C11SO4 и CdCl2) и фенол. Тест-объектами в этих и других опытах служили культуры одноклеточных организмов: культуры' бактериологически чистой зеленой водоросли Scenedesmus quadricauda, выращенная на среде Кратца-Майерса при температуре 22-24^С, рН~7.6-н7.8 и освещенности ~ 1000 лк. (для посева использовали десятидневную культуру; исходная плотность клеток посевного материала (инокулят) составляла 2 млн кл/мл), и культура инфузории Spirostomum ambiquum, которую выращивали на минеральной среде следующего состава: KCl - 4 мг/л; MgCl2 2Н20 и СаС12 2Н20 - по 5 мг/л; NaHC03 - 7 мг/л и NaCl - 35 мг/л. Кормом для простейших служили пивные дрожжи из расчёта 550 мг/л. Для опытов использовали 7-дневную культуру; исходная плотность клеток - 15 особей на 10 мл среды. О влиянии облучения на питательную среду, токсичность водных растворов, рост одноклеточных судили по изменению численности клеток водорослей и простейших. Численность водорослей определяли на ФЭК-56, а простейших - в камере Богорова под бинокуляром.

Длительность экспериментов для водорослей не менее трех недель, для простейших - две недели.

Для изучения особенностей КВЧ-воздействия in vitro на лимфоциты периферической крови больных аллергическими заболеваниями и исследовании влияния КВЧ-облучения in vitro клеток тимического эпителия у больных брали из вены кровь, отделяя на желатине лейкоциты от эритроцитов. Взвесь лейкоцитов облучали в стеклянных стаканчиках в течение 30 мин. Подсчитывали количество субпопуляций лейкоцитов с помощью моноклональных антител (CD3, CD4, CD8, B-клетки, и NK-клетки).

Аналогичным образом облучали клетки тимического эпителия, полученного из тимуса человека. Культивация клеток тимического эпителия осуществлялась вместе с тимоцитами в течение 5 суток. Затем надосадки отделяли и в них определяли концентрацию гормонов тимулина и а^тимозина.

В эксперименте на мышах (CBAxC57BL) F-гибридах водопроводную воду подвергали воздействию КВЧ-излучения, после чего, не позднее чем через два часа, этой водой поили две группы мышей. Опыт продолжался в течение 2-х месяцев. Животных иммунизировали эритроцитами барана (0.5 мл 5% суспензии) и через 4 суток в их селезенках определяли количество антителообразующих клеток (АОК) методом локального гемолиза.

Третья глава посвящена исследованию влияния ЭМИ на физические свойства водных растворов.

P/Po

Часть 1. Экспериментальные исследования жидкой дистиллированной, бидистиллированной воды и питательной среды Кратца-Майерса. § 1. Исследование распределения электромагнитного поля в слое воды у дна чашки Петри.

Проведенные исследования показали изменение рельефа распределения поля в зависимости от частоты (рис. 3.1). Полученные распределения не могут быть причиной рассматриваемых в работе эффектов.

§ 2. Спекгрофотометрические и ЯМР-исследования.

Микроволновое облучение нескольких видов с различными характеристиками жидкой бидистиллированной и дистиллированной воды не вызывает изменений оптической плотности в диапазоне 350-900 нм, а в диапазоне 190350 нм приводит к ее увеличению (на всех спектральных графиках по оси ординат

1111 Us*

D=240mkm,F=31.50GHz

P/Po

>

D=240mkm,F=34.24GHz P/Po

отложена

оптическая

плотность

относительных

I-In

рис. 3.1

единицах Причем данные

изменения носят сходный характер для воды, облученной как мощным импульсным излучением (рис. 3.2), так и низкоинтенсивным непрерывным. В случае облучения мощными

микроволновьми импульсами на спектрах видно характерное возрастание оптической

плотности облученной воды вплоть до 190 нм. Для воды, облученной низкоинтенсивным (рис. 3.3) непрерывным

микроволновым излучением, также наблюдается рост

МО

Рис. 3.2 Спектры воды, облученной мощным импульсным излучением. 1 - контроль, 2 - дистиллированная вода, 3 - бидистиллированная вода

оптической плотности в ближней УФ-области.

Увеличение оптической плотности воды в ультрафиолетовой части спектра может быть связано с возбуждением электронной конфигурации молекулы воды. Таким образом, полученные результаты позволяют говорить об изменениях в самой молекуле воды, вызванных микроволновым излучением. Данные

изменения оказываются долгоживущими, так как спектры оптическои плотности снимались через двое суток после облучения. Возможно, этот факт является решающим в подготовке фотолиза воды в процессах световых реакций фотосинтеза.

ЯМР-исследования воды

заключались

в сравнении сдвига Н и спин-решеточной

Т. облученных

химического времени релаксации образцов с контрольньми (необлученными).

В спектрах зафиксировано смещение протонного пика облученных образцов Д5 (табл. 3.1) в сильное поле относительно контроля.

Смещение сигнала ЯМР Н в

Рис. 3.3

Спектры дистиллированной воды, 1 - контроль, 2 - облучение 61,22 ГГц

3 - облучение 53,57 ГГц,

4 - облучение 42,25 ГГц

сильное поле означает увеличение электронной плотности на протонах молекул воды, что обычно наблюдается при разрушении Н-связей Ох-Нх.-.Оу между молекулами воды.

Таким образом, микроволновое излучение приводит к сдвигу ЯМР-сигнала Н в сильное поле, что соответствует изменению параметров Н-связей, увеличению электронной плотности на протоне молекулы воды. Это позволяет так же, как и по спектрофотометрическим данным предположить изменения в конфигурации электронной оболочки молекулы воды.

Таблица 3.1

Номер способа А6 (Гц)

облучения

Контроль -

1 32±2

2 38±2

3 34±2

Результаты измерения времени Т, показали, что в пределах ошибки время Т, увеличилось только у воды, облученной импульсным источником.

Увеличение времени спин-решеточной релаксации протонов свидетельствует об уменьшении подвижности ядер водорода в молекуле Н20, что возможно является свидетельством изменения параметров Н-связей и самой молекулы воды.

Облучение среды Кратца-Майерса (рис. 3.4). В области от 300 до 900 нм наблюдается увеличение оптической плотности по сравнению с необлученным образцом. Изменение оптической плотности имеет периодический характер с периодом около 153 нм. Максимумы оптической плотности дифференциального спектра приходятся на 315.5, 440.1, 605.3, 774.7 нм. Также наблюдался периодический характер дифференциального спектра облученной среды Кратца-Майерса в области от 340 до 600 нм с периодом около 35 нм.

Различия между дифференциальными спектрами КВЧ-облученной среды Кратца-Майерса и облученной последовательно КВЧ+ЛО наблюдаются в

области 230 нм (облучение КВЧ+ЛО дает большее увеличение оптической плотности), а в области 190-230 нм КВЧ-облучение способствует большему «просветлению» образца в исследуемом диапазоне.

Рог>тттт»«г I самл тгд /

А К1/А

дифференциальными спектрами среды Кратца-Майерса, подвергшейся последовательному облучению КВЧ+ЛО, и облученной лазером в области 250-600 нм нет (нет и изменений в оптической

плотности). При 230 нм наблюдается пик, более глубокий у образца, подвергнутого ЛО ' (повышение оптической плотности), и в диапазоне 109-230 нм «просветление» образца, подвергнутого последовательному облучению КВЧ+ЛО.

Часть 2. Изучение влияния ЭМИ на оптические свойства культуры одноклеточной зеленой водоросли Зсепейезтт quadricauda.

Для этого объекта исследовали дифференциальные спектры оптической

плотности. Был проведен ряд экспериментов с различными временами воздействия ЭМИ на культуру. Спектры снимали в нулевой (рис. 3.5), первый (рис. 3.6) и восьмой (рис. 3.7) дни развития популяции. Все объекты облучали в день посева культуры (в нулевой день). Объекты не отстаивали и не разводили. Для снятия спектров оптической

плотности использовали

Результаты изменения в спектрах оптической плотности можно обобщить следующим образом:

1) Во всей области 270+800 нм оптические плотности облученных образцов по сравнению с контрольным уменьшаются, причем с ростом культуры эффект усиливается.

рис. 3.4

Нулевой день, 1 час

' 1 -.....-1---- 1 Ьсог! 81

Ш1

:я

рис. 3.5

кварцевые кюветы.

ю

2) Во всех дифференциальных спектрах от 270 до 600 нм можно выделить несколько более или менее ярко выраженных максимумов «просветления»: в областях 290,335,435,480 нм.

3) На ранних этапах развития популяции на «просветление» спектров оптической плотности существенное влияние оказывает время воздействия облучения на объекты. С увеличением времени облучения «просветление» спектров оптической плотности усиливается. На более поздних этапах этот эффект практически исчезает.

В четвертой главе изучено влияние ЭМИ на токсичность водной среды для гидробионтов. Полученные нами ранее данные о снижении токсичности среды

для водорослей под влиянием КВЧ-

облучения не

позволяют выявить мишень действия ЭМИ, так как КВЧ-облучение может менять как свойства самого токсиканта, так и устойчивость культуры водорослей. Для ответа на этот вопрос были

поставлены полнофакторные эксперименты.

Часть 1. Исследование влияния КВЧ-облученш на токсичность меди, кадмия и фенола для одноклеточной зеленой водоросли Ъсепейезтш quadricauda.

Проведены 3 серии экспериментов (для каждого из токсикантов), по восемь вариантов в каждой серии (полный фактор эксперимента 23). Варьировали облучение трех компонентов культуры водорослей и их комбинаций: питательная среда (С), инокулят (И), токсикант (Т).

Первый день, 1 час

'ми 11 1. ,№.21: -мш;

2. «1.8»: ■й.ЗН-М

: V 2 I

' 1 1 , , }есЫ!

/ 1

»211 «9 рис. 3.6 588 №

восьмой день, 1 час

рис. 3.7

1. (С+И+Т) - не облучены(ио). 2. С - облучена(о)+Ино. 3. (С+И)0. 4, Т0+(С+И)Н0- 5. (С+Т)0+ИН0. 6. (С+И+Т)0. 7.ТН0+(С+И)0. 8. Со+(И+Т)Н0. К -чистая культура водорослей (без токсиканта и но).

На основании предварительных экспериментов были выбраны следующие условия облучения: время облучения О) - 30 минут; длина волны: для металлов (Сё, Си) - А. = 7 мм, для фенола - X = 5.6 мм.

Контрольная ко всем экспериментам культура водорослей развивалась без токсиканта и без облучения - К.

Результаты этой части работы свидетельствуют о том, что облучение культуры ЭМИ на стадии инокулята практически не влияет на их устойчивость к токсическим воздействиям фенола, меди и кадмия. Но при этом обнаружен принципиально важный результат: возможность снижения токсичности среды под влиянием КВЧ-облучения. При этом эффект снижения зависит от того, какой из компонентов среды (раствор токсиканта или сама среда) или их сочетания облучены.

Облучение раствора токсического вещества перед его добавлением в культуру водорослей снижает его токсичность независимо от вида вещества. Однако, степень этого эффекта зависит от токсиканта. Так, облучение раствора Си (табл. № 4.1) в

концентрации, Таблица № 4.1

иигибирующей рост Влияние КВЧ-облучения и меди на численность клеток I водорослей на 30%, полностью снимает токсичность меди. Облучение раствора фенола и Сс1 снижает их токсичность на 30% и в два раза соответственно. При этом следует отметить, что фенол и кадмий ингибировали рост водорослей

соответственно в 2.5 и 4 раза. Поэтому мы считаем, что эффект снижения токсичности раствора вещества для водорослей под влиянием облучения связан с его концентрацией. Существует пороговая для облучения концентрация вещества, позволяющая полностью снимать его токсичность для водорослей, что может служить ключевым моментом в обосновании ПДК этих соединений.

Заслуживает особого внимания влияние облучения собственно среды на токсичность добавляемого в нее вещества. Во всех трех случаях облучение питательной среды перед добавлением в нее необлученных водорослей и токсиканта приводила к различным результатам в зависимости от токсиканта: токсичность фенола увеличивалась, меди - уменьшалась, а токсичность кадмия практически не изменялась.

культуре (млн. клеток/мл)

№№\сутки 7 11 15 23 29 35

1 3.7 4.3 4.7 8.3 12.7 15.7

2 6.1 8.4 11 15.7 18.5 20.5

3 5.7 7.9 10 13.9 17.3 20.6

4 4.1 5.1 5.9 12.3 16.4 19.2

5 4.5 5.6 7.7 11.3 14.4 17.9

6 3.8 4.8 6.5 11.7 15.5 18.1

7 3.5 4 4.7 8.6 12.7 15.1

8 4.8 5.6 7.3 12.5 16.1 20.2

К 5.1 7.5 9.5 13.5 17.4 19.5

120 -

во -

Часть 2. Исследование влияния КВ Ч-облучения на токсичность меди для инфузории 8р1гоь1отит атЫдиит.

Оценку влияния КВЧ-облучения на токсичность меди проводили на основе анализа кривых роста в контрольных и опытных культурах инфузорий.

Контрольная кривая роста характеризуется 3-дневной лаг-фазой, увеличением численности клеток в лог-фазе вплоть до 12 суток, отсутствием стационарной фазы и довольно резким отмиранием всей культуры.

Данные о воздействии меди на культуру простейших разного возраста говорят об отчётливой зависимости между возрастом культуры инфузорий и их устойчивостью к действию токсиканта. Эта зависимость носит синусоидальный характер и не связана с численностью клеток. При этом наименьшей устойчивостью обладает инокулятная и 8-дневная культуры. Добавление же токсиканта в 5-дневную культуру приводит, с одной стороны, к увеличению скорости роста простейших, а с другой стороны, к более быстрому их отмиранию. В то же время 10-12-дневные культуры после добавления в них меди развиваются практически так же, как в контроле.

Подобная картина

М, млн [мл наблюдается и при облучении

простейших. Главное отличие состоит в том, что стимуляция роста инфузорий наблюдается при облучении не у 5-, а у 8-дневной культуры. Следует подчеркнуть, что от опыта к опыту эти значения суток (5 и 8) могут изменяться, но они никогда не совпадают, что говорит о наличии специфической

чувствительности инфузорий к действию облучения и токсиканта.

Результаты влияния

облучения на токсичность меди представлены на рис. 4.1. В этой серии экспериментов все опытные культуры были облучены в день постановки эксперимента, а токсикант добавляли в указанные выше точки по кривой роста.

Данные этих экспериментов позволяют, на наш взгляд, достаточно чётко ответить на вопросы, поставленные в этой части.

Во-первых, обнаружено влияние электромагнитного излучения на токсичность меди для культуры простейших: облучение уменьшает самое сильное токсическое проявление выбранной концентрации меди, добавленной в инокулятную культуру инфузорий, и усиливает стимулирующее действие меди, добавленной в 5-дневную культуру.

40 -

Сутки Рис. 4.1

Рост культуры инфузории Зр^якШтит атЫяиит при комбинированном действии облучения и токсиканта. Сплошная линия - необлученная культура без токсиканта (контроль), 1 - добавление токсиканта к облученной культуре в нулевой день, 2 — на пятый день, 3 - на восьмой день, 4 - на десятый день, 5 - на двенадцатый день

Это свидетельствует не только о наличии взаимодействия между КВЧ-облучением и токсикантом, но и о положительном для роста простейших характере этого взаимодействия. Последнее подчёркивает и то, что каждый из

НЧЛИМП 'It'UCTRYinTmiY fli'l 1,'Т'ПППи R ИТЧПЧ!,WiV'ru Па-ЭОТ-ГТМР nr^i-TOTi I'll IV

---------- .------J-------- I-----X-------------- ' - -----------"rv - " 1--------. . . . - -. j-----> , .------ ..

Во-вторых, снижение токсичности меди наблюдается только у инокулятной культуры, что может свидетельствовать о наличии зависимости между взаимодействующими факторами и фазой роста простейших.

Кроме того, облучение инфузорий перед добавлением в их культуру меди позволяет им развиваться по нормальной кривой роста и формировать полноценную популяцию, о чём свидетельствует появление стационарной фазы, отсутствующей при воздействии только одного фактора - токсиканта.

В пятой главе проведена иммунологическая оценка КВЧ-терапии.

При исследовании иммунного статуса было изучено влияние КВЧ-терапии на розеткообразующую функцию лимфоцитов периферической крови больных, у которых определяли три параметра: количество Т и В клеток и количество малорецёпторных клеток, имеющих 3-4 рецептора на лимфоцит. Эти параметры определяли до проведения у больных КВЧ-терапии, после КВЧ-терапии и после КВЧ-облучения лимфоцитов in vitro.

Количество Т-лимфоцитов резко снижается у двух групп больных, у третьей группы больных это количество повышается. Количество малорецепторных Т-лимфоцитов напротив увеличивается. Эти два явления отражают единый процесс, а именно, снижение количества рецепторов на поверхности лимфоцитов под влиянием КВЧ-терапии, причем некоторые Т-клетки совершенно теряют рецепторы, и тогда мы отмечаем сокращение числа Т-лимфоцитов. Остальные клетки, в свою очередь, имеют сниженное число рецепторов - вместо 5-8 только 3-4 рецептора на лимфоцит. В пользу этого предположения говорит и тот факт, что количество рецепторов снижается и под непосредственным облучением КВЧ-волнами взвеси лимфоцитов в пробирке. Причем это снижение отмечается даже у тех больных, у которых не отмечается такового снижения после КВЧ-терапии.

Механизм реализации эффекта КВЧ-терапии связан, на наш взгляд, с воздействием ЭМИ на экспрессию поверхностных рецепторов лимфоцитов.

В связи с предположением о том, что КВЧ-излучение воздействует не столько на биологические объекты, сколько на воду, содержащуюся в них, нами были поставлены следующие задачи:

1. Изучить особенности КВЧ-воздействия in vitro на лимфоциты периферической крови больных аллергическими заболеваниями.

2. Исследовать влияние КВЧ-облучения in vitro клеток тимического эпителия, полученного из тимуса человека.

3. Изучить действие КВЧ-облученной воды на уровень гуморального иммунитета в эксперименте на мышах.

Результаты экспериментов показали, что КВЧ-излучение воздействует на некоторые субпопуляции лимфоцитов, причем количество Т-хелперов и В-клеток при этом снижается, а количество NK-клеток, напротив, увеличивается. Таким образом, мы подтвердили полученные выше результаты с помощью

метода розеткообразования другим более современным методом с применением моноклональных антител, что дало нам возможность говорить о конкретных субпопуляциях клеток, подверженных влиянию КВЧ-излучения. В том и другом случаях речь идет о воздействии КВЧ-излучения на экспрессию поверхностных рецепторов лимфоцитов.

КВЧ-излучение оказывает разнонаправленное влияние на выделение гормонов из клеток тимического эпителия. Причем, выделение одного из них -тимулина супрессировано при использовании двух длин волн, в то время, как количество сц-тимозина в надосадках резко возрастает (табл. 5.1).

При изучении влияния КВЧ-облученной воды на активность гуморального иммунитета нами получены следующие результаты. Уровень активности гуморального иммунитета в группе мышей, употреблявших воду, облученную длиной волны X = 5.6 мм, более чем в 2 раза превышал уровень активности в контрольной группе (разница статистически достоверна). В то время, как уровень гуморального иммунитета в 3 группе (вода облучалась длиной волны X = 7.1 мм) был несколько ниже аналогичного уровня в контрольной группе, однако, разница ТАБЛИЦА 5.1 была статистически

Результаты исследования содержания сц-тимозина в надосадках недостоверной.

Результаты экспериментов говорят о том, что КВЧ-излучение оказывает регистрируемое влияние на состояние иммунитета как на уровне лимфоцитов периферической крови человека, так и на уровне первичных и вторичных

лимфоидных органов.

В шестой главе обсуждается исследование комбинированного действия ЭМИ инфракрасного и миллиметрового диапазонов на рост одноклеточных.

Для изучения комбинированного действия КВЧ и ЛО (после предварительных экспериментов) были выбраны следующие параметры излучения:

а) КВЧ-облучение - А. = 5 мм, время облучения - 15 мин;

б) лазерное облучение - X = 1.3 мкм, время облучения - 45 с.

Обработка ЛО культуры инфузорий, предварительно облученных КВЧ, полностью снимает ингибирующий эффект КВЧ-облучения. С другой стороны, КВЧ-облучение несколько ухудшает рост инфузорий, предварительно обработанных ЛО. Но в обоих вариантах прослеживается определяющий эффект ЛО (рис. 6.1).

культур клеток тимического эпителия.

Клеточный Концентрация

состав гормона

Контроль клетки тимического эпителия (1*104ун™моцнты (1*107) 4.23 нг/мл

Х.=5.6мм, -II- 524.46 нг/мл

1=15мин

Х-=5.6мм, -II- 337.0 нг/мл

1=30мин

\=7Лмм, -II- 357.89 нг/мл

1=15мип

Х.=7.1мм, — 1 1 — 459.80 нг/мл

1=30мин

При последовательном облучении водорослей эффект взаимодействия также проявляется и, хотя он менее значителен, чем для простейших, но повторяется от опыта к опыту. Причем в том случае, когда КВЧ-облучение приводит к

1.

эффект КВЧ-облучения.

В другом случае, когда угнетающего действия КВЧ-облучения на рост

водорослей не наблюдается,

взаимодействие КВЧ+ЛО приводит к увеличению численности клеток. Независимо от эффекта воздействия КВЧ-облучения последующее ЛО всегда стимулирует рост одноклеточных организмов.

Результат совместного воздействия ЛО и КВЧ-облучения определен. Оказалось, что наиболее отчетливо стимулирующий эффект воздействия облучений на рост одноклеточных проявляется в варианте КВЧ+ЛО.

При совместном действии лазерного и КВЧ-облучения на развитие одноклеточных организмов

определяющее значение имеет последовательность их применения.

Особенно ярко это выявлено на простейших. Наиболее отчетливо эффект стимуляции роста

одноклеточных организмов проявляется тогда, когда ЛО культуры следует после КВЧ-облучения. При этом ЛО либо снимает ингибирующий эффект КВЧ, либо усиливает стимулирующий эффект КВЧ-облучения.

В заключении обсуждаются возможные механизмы действия ЭМИ, объясняющие рассмотренные в работе эффекты, состоящие в изменении структуры водных растворов при воздействии ЭМИ. Эти структурные изменения заключаются в одновременном образовании и распаде кластерных и клатратных структур.

Изменение физических свойств молекулы воды в этом процессе обуславливает рассмотренные в этой работе изменения физических свойств водных растворов.

Нами проведена оценка частот собственных колебаний в кластере из N молекул. Сделана оценка размера кластера, при котором минимальная собственная частота попадает в область миллиметровых волн (1-10 см"1). Для двух констант упругости при «шЬ =1 см"1 число молекул N. входящих в кластер, должно быть около N=70000 (для гитшЧ0 см"1 N=700) или 13500 (при £УШП=Ю см"1 N=135 молекул). Существование кластеров таких размеров теоретически

рис. 6.1

1 - КВЧ-облучение, 2 - КВЧ+ЛО, 3 - ЛО, 4 - ЛО+КВЧ, 5 - контроль

возможно. При этом для комбинированного воздействия КВЧ и ЛО определяющую роль играет ЛО и последовательность облучения, поскольку «малоразмерные» кластеры теоретически более стабильны и имеют частоты собственных колебаний и в инфракрасном диапазоне.

Снижение токсичности водных растворов является, на наш взгляд, результатом связывания клатратными структурами молекул токсиканта.

Изменение экспрессии поверхностных рецепторов лимфоцитов есть следствие уменьшения «рабочей поверхности» рецепторов.

Также в этой части работы рассматривается использование результатов работы для уменьшения или компенсации отрицательного влияния деятельности человека на биосферу (например, уменьшение токсичности сточных вод).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружено увеличение оптической плотности облученной бидистиллированной, дистиллированной воды и культуральной среды, причем у бидистиллированной воды это увеличение больше, чем у дистиллированной. При уменьшении длины волны ЭМИ оптическая плотность увеличивается для всех изученных образцов.

При комбинированном облучении культуральной среды (КВЧ+ЛО) ЛО увеличивает оптическую плотность образцов.

Для культуры одноклеточных водорослей выявлены следующие закономерности: а) во всей области 270+800 нм оптические плотности облученных образцов по сравнению с контрольным образцом уменьшаются, причем с ростом культуры этот эффект возрастает; б) во всех дифференциальных спектрах в области от 270 до 600 нм можно выделить несколько более или менее ярко выраженных максимумов «просветления»: в областях 290, 335, 435, 480 нм; в) на ранних этапах развития популяции на «просветление» спектров оптической плотности существенное влияние оказывает время воздействия облучения па объекты. С увеличением времени облучения «просветление» спектров оптической плотности усиливается. На более поздних этапах этот эффект практически исчезает.

Обнаружены сдвиг сигнала ЯМР Н в сильное поле, увеличение времени спин-решеточной релаксации Т, у облученной воды.

Во всех экспериментах обнаружена «память» воды на действие ЭМИ до 8 суток.

2. Выявлено влияние КВЧ-облучения на токсичность среды для водорослей и простейших. При этом облучение раствора токсического вещества перед его добавлением в культуру водорослей снижает его токсичность независимо от вида вещества. Однако степень этого эффекта зависит от токсиканта и его концентрации. Существует пороговая для облучения концентрация вещества, позволяющая полностью снимать его токсичность.

3. КВЧ-излучение оказывает существенное влияние на состояние иммунитета как на уровне лимфоцитов периферической крови человека, так и на уровне первичных и вторичных лимфоидных органов.

При этом уровень гуморального иммунитета зависит от длины волны ЭМИ.

КВЧ-излучение влияет на экспрессию поверхностных рецепторов конкретных субпопуляций лимфоцитов.

КВЧ-излучение оказывает разнонаправленное влияние на выделение гормонов клеток тимического эпителия.

4. При совместном действии ЛО и КВЧ-облучения на развитие одноклеточных организмов обнаружено их взаимодействие. Определяющее значение имеет последовательность облучения: КВЧ-облучение+ЛО или ЛО+КВЧ-облучение. Но в обоих вариантах прослеживается определяющий эффект ЛО.

5. Рассмотренные в рамках этой работы эффекты можно объяснить одновременным процессом образования и распада кластерных и клатратных структур водных растворов при воздействии ЭМИ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гапочка М. Г., Копцик С. В. Автоматизированная установка для измерения эффекта Фарадея и экваториального эффекта Керра статическим методом. // Тезисы Всесоюзного симпозиума по модульным информационно-вычислительным системам. Кишинев. 1985. С. 56.

2. Гапочка М. Г., Королев А. Ф., Костиенко А. И., Нестеренко С. П. Влияние облучения культуральной среды электромагнитными волнами миллиметрового диапазона низкой интенсивности на рост зеленой водоросли. // Препринт физического факультета МГУ. № 29. 1989.

3. Гапочка М. Г., Костиенко А. И., Королев А. Ф., Мир-Касимов О. Р. Возможность существования неравновесных устойчивых структур воды, возникающих при воздействии электромагнитного излучения миллиметрового диапазона. // Тезисы доклада Всесоюзной научно-практической конференции «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях». Саратов. 1991. С. 138.

4. Гапочка М. Г., Королев А. Ф., Костиенко А. И., Нестеренко С. П. Воздействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на зеленую водоросль. // Тезисы Всесоюзной конференции «Физика и конверсия». Калининград. 1991.

5. Гапочка М. Г., Королев А. Ф., Костиенко А. И., Мир-Касимов О. Р., Тимошкин И. В. Экспериментальные исследования воздействия электромагнитных волн низкой интенсивности миллиметрового диапазона на жидкую воду. // Сборник трудов «Сверхслабые взаимодействия в природе, технике, обществе». 1993. С. 116.

6. Богова А. В., Гапочка М. Г., Орлов С. М., Полковникова Т. Н., Обручикова Н. К. Клиническая и иммунологическая оценка применения электромагнитного излучения низкой интенсивности у больных бронхолегочными заболеваниями. // В книге: I съезд фтизиатров и пульмонологов Украины, Киев. 1993. С. 197.

7. Гапочка М. Г., Королев А. Ф., Костиенко А. И., Сухоруков А. П.,

1997. С. 48.

18. Белая Т. И., Гапочка М. Г., Гапочка Л. Д., Сухоруков А. П., Шавырина О. Б. Влияние миллиметрового облучения низкой интенсивности на токсичность водной среды для культуры одноклеточных организмов. // Известия РАН. Сер. физическая. № 12. 1997. С. 2439.

19. Гапочка М. Г., Костиенко А. И., Сухоруков А. П., Ушаков М. А., Филиппов А. Н. Исследование распределения электромагнитного поля миллиметрового диапазона в слое воды чашки Петри. // Препринт физического факультета МГУ. № 5.1998.

20. Гапочка М. Г., Гапочка JI. Д., Костиенко А. И., Сухоруков А. П., Шайхалова Г. А. Влияния электромагнитных микроволн низкой интенсивности на оптические свойства одноклеточной зеленой водоросли Scenedesmus quadricauda. // Препринт физического факультета МГУ. № 6. 1998.

21. Гапочка М. Г., Гапочка Л. Д., Сухоруков А. П. Применение миллиметрового облучения низкой интенсивности для снижения токсичности водной среды. // Тезисы Третьего международного конгресса «Вода: экология и технология». 1998. (в печати).

ООП Физ. ф-та МГУ Зак. 14-80-98

Тимошкин И. В. Реакция жидкой воды на микроволновое воздействие. // Труды Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы адаптации». 1994. Прил.С. 2.

8. Сухоруков А. П., Гапочка М. Г., Тимошкин И. В., Тапочка JI. Д., Белая Т. И., Дрожжина Т. С., Карауш Г. А. Изменение токсичности водной среды под воздействием электромагнитного излучения низкой интенсивности. // Труды Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы адаптации». 1994. Прил.С. 3.

9. Гапочка JI. Д., Гапочка М. Г., Королев А. Ф., Костиенко А. И., Сухоруков А. П., Тимошкин И. В. Воздействие электромагнитного излучения КВЧ и СВЧ диапазонов на жидкую воду. // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 3, Физика. Астрономия.

1994. Т. 35. №4. С. 71.

10. Белая Т. И., Гапочка J1. Д., Гапочка М. Г., Дрожжина Т. С., Карауш Г. А., Сухоруков А. П. Комбинированное действие электромагнитного излучения оптического и миллиметрового диапазона на рост одноклеточных. // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 3, Физика. Астрономия. 1994. Т. 35. № 4. С. 68.

11. Гапочка JI. Д., Гапочка М. Г., Белая Т. И., Дрожжина Т. С., Карауш Г. А. Влияние электромагнитного излучения низкой интенсивности на токсичность среды для микроводорослей. // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 16, Биология. 1996. № 3. С. 25.

12. Gapochka М. G., Gapochka L. D., Korolev A. F., Kostienko А. I., Sukhorukov А. P., Timoshkin I. V., and Pulino A. The effect of microwave radiation on liquid water. // The 25th European Microwave Conference. 1995. V. 2. P. 849

13. Богова А. В., Гапочка M. Г., Орлов С. М., Полковникова Т. Н. Клиническая и иммунологическая оценка применения миллиметровых, волн у больных аллергическими заболеваниями. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 1995. С. 23.

14. Власов А. А., Гапочка М. Г., Кочергина Н. И., Орлов С. М., Шарова Н. И., Ярилин А. А. Особенности влияния электромагнитного излучения мм-диапазона на показатели системы иммунитета при аллергических процессах. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн».

1995. С. 28.

15. Богова А. В., Гапочка М. Г., Орлов С. М., Полковникова Т. Н. Применение КВЧ и лазерной терапии при лечении аллергических заболеваний. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 1995. С. 34.

16. Sukhorukov А. P., Gapochka М. G., Gapochka L. D., Korolev A. F., Kostienko A. I., Timoshkin I. V., and Pulino A. Water involvement in the photobiological action of coherent low intensity electromagnetic radiation. // International Conference on Laser Methods for Biological and Environmental Applications. 1996. P. 12.

17. Гапочка M. Г., Гапочка JI. Д., Костиенко А. И., Сухоруков А. П. Электромагнитное излучение как антропогенный фактор окружающей среды. // Груды VI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн».