Отражение иерархии биологических объектов в особенностях влияния на них электромагнитных полей

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 537. 63+57. 03
С. В. Сурма, В. Е. Стефанов, Б. Ф. Щеголев
Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2007, вып. 2
ОТРАЖЕНИЕ ИЕРАРХИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ОСОБЕННОСТЯХ ВЛИЯНИЯ НА НИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Воздействие электромагнитных полей (ЭМП) на биологические объекты зависит не только от характеристик этих полей (частота, напряженность), но и от самих объектов, сложности их организации и текущего состояния, Однако учет сложности и состояния биологических объектов затруднен отсутствием единых средств их описания, следствием чего является практически полная эмпиричность исследования влияния ЭМП на данные объекты. Такой подход не только не позволяет выявлять общие механизмы воздействия ЭМП на биологические объекты, но и затрудняет оценку значимости конкретного ЭМП на весь организм.
Для решения указанных задач в настоящей работе предлагается подход, основанный на представлении биологических объектов в виде иерархических систем. В отличие от существующих способов построения иерархии биологических объектов, в основу выделения иерархических уровней положены не функциональные критерии, а однозначное соответствие структура — функция. Получаемая при этом совокупность иерархических уровней будет отражать сложность биологического объекта, его функционирование — сводиться к взаимодействию отдельных уровней, а учет внешнего влияния — определяться соотношением характеристик структур отдельных иерархических уровней и параметров внешнего ЭМП. Такой подход позволяет по местоположению интересующего нас компонента в иерархической форме представления биологического объекта не только предварительно оценить возможный диапазон эффективного действия внешнего ЭМП и тем самым сократить время на экспериментальные исследования, но и оценить его значимость как на остальные компоненты, так и на весь биологический объект в целом.
Воздействие ЭМП на биологические объекты различной степени сложности исследуется уже достаточно длительное время. Накоплен большой экспериментальный материал, сделаны определенные попытки его обобщения по различным критериям [1, 2]. Однако можно констатировать, что специфика влияния ЭМП на биологические объекты не позволяет известными способами отразить все возможные механизмы такого процесса. Отметим лишь некоторые особенности воздействия ЭМП. Во-первых, ЭМП влияют на биологические объекты практически во всех диапазонах частот электромагнитных колебаний. Эффективность такого воздействия, как правило, зависит от интенсивности или напряженности ЭМП (Н) и частотного диапазона. Поскольку величина квантов энергии ЭМП определяется частотой, то регистрация их воздействия на биологические объекты легче проявляется в областях сверхвысоких и крайне высоких частот, которым посвящено наибольшее количество исследований. Однако уменьшение частоты и интенсивности не означает полного прекращения рассматриваемого процесса — так называемый эффект действия слабых и сверхслабых полей [3, 4]. Во-вторых, чувствительность биологических объектов к слабым полям напрямую зависит от сложности и целостности самих объектов. Чем биологический объект «проще» в структурной и функциональной организации, тем меньшей чувствительностью он обладает. Существую-
© С. В. Сурма, В. Е. Стефанов, Б. Ф. Щеголев, 2006
щая градация невелика и обычно совпадает с функциональным критерием выделения иерархических уровней: биологический объект в целом — органы или их совокупность -ткани — отдельные клетки. В-третьих, глубина проникновения электромагнитных колебаний в биологический объект обусловливается и физическими свойствами «среды» объекта, но не превышает ¼ длины волны (А,). Это означает, что глубина проникновения миллиметровых и выше по частоте волн ЭМП небольшая и эффект их действия носит не прямой, а косвенный характер. Таково, например, воздействие лазерного излучения, лежащего в диапазонах 3−400 ТГц (низкие и высокие инфракрасные частоты) и 750−3000 ТГц (низкие ультрафиолетовые частоты).
Отдельно следует сказать о влиянии слабых постоянных и низкочастотных ЭМП на биологические объекты. Примером такого поля служит магнитное поле Земли. Обладая значительной проникающей способностью (большая длина волны), геомагнитное поле влияет непосредственно на все компоненты любого биологического объекта. Однако низкая напряженность геомагнитного поля (Я — 0,4 Э на экваторе и Н — 0,7 Э на полюсах) делает его воздействие пока малопонятным (механизмы действия через маг-ниторецепторы, которые обнаружены не у всех биологических объектов, здесь не рассматриваются). Отклонения напряженности геомагнитного поля от некоторой «нормы» (естественные и наведенные магнитные аномалии) даже в небольших пределах вызывают фиксируемые нарушения функционирования биологических объектов, практически на всех уровнях его организации, начиная от координации движения [5] и кончая диф-ференцировкой клеток отдельных тканей или онкологическими заболеваниями [6].
Приводимые в литературе данные о возможных механизмах воздействия ЭМП на биологические объекты основываются либо на известных физических явлениях, которые могут иметь место в «биологических средах», либо на предположениях, проверяемых оригинальными исследованиями. Приведем лишь некоторые из них: 1) внешние ЭМП индуцируют токи в межклеточной среде, что приводит к электрохимическим изменениям в компонентах клеточных мембран (гипотеза Т. С. Тенфорда [7]) — 2) магнитное поле (сила Лоренца) вызывает отклонение траектории движения ионов К+, Mg2+, Са2+ через ионные каналы мембраны (концепция А. Р. Либоффа [8]) — 3) ЭМП воздействуют на связанные ионы (прежде всего Са2+), регулирующие скорость ключевых для клетки биохимических реакций (теория магнитного параметрического резонанса в биосистемах или кальмодулиновая гипотеза В. В. Леднева [9]) — 4) основой электромагнито-рецепции в живых клетках может быть биогенный магнетит (теория Дж. Киршвинка и Дж. Гоулда [10]) — 5) процессы, происходящие в клетке, зависят не только от химических превращений, но и от конфигурации цепей связи внутри этих структур, которые являются слабыми и могут легко разрушаться внешним ЭМП (концепция биологической плазмы Сент-Дьерди [11]).
Большинство предполагаемых механизмов касается воздействия ЭМП на относительно простые (в рамках целого биологического объекта) структурные образования -клетки. Механизм действия на отдельную клетку затем просто переносится на все остальные более крупные образования. Считается, что таким образом можно уйти от сложной неоднородности биологических объектов. Однако это не совсем правильно. Представление биологического объекта в виде некоторой системы накладывает определенные ограничения и на его элементы. Если клетка является одним из элементов системы, то ее функционирование или свойства будут определяться не только ее внутренней структурой, но и ближайшим окружением, точнее, их текущим взаимодействием. Так, свойства отдельно взятой клетки печени полностью не совпадают со свойствами таких же
клеток в ткани. Аналогично и в отношении воздействия на них внешних ЭМП. Следовательно, поиск механизмов возможного действия ЭМП на биологические объекты в целом нельзя сводить только к уровню их влияния на отдельные клетки. Необходимо учитывать и их структурные образования, и отношения между ними. Поэтому логичен переход к иерархической форме представления биологических объектов. Именно такая форма представления позволяет не только понижать сложность отдельных компонент на иерархических уровнях, но и принимать во внимание их взаимодействия в виде отношений иерархических уровней.
Материалы и методы исследования. Способ представления биологических объектов в виде многоуровневых иерархических систем не новый. Однако в существующих иерархиях в основу их выделения положен лишь функциональный признак, что явно не достаточно. Получаемые при этом уровни не отражают структурной организации компонент биологического объекта, а значит, не могут полностью описывать и их свойства, хотя известно, что структура и свойства или функции любого объекта, в том числе и биологического, взаимосвязаны. Так, авторы [12] уже говорят о некотором единстве структуры и функции, но иерархию представления живого организма в виде уровней «биомакромолекула — клетка — ткань — орган — система органов -организм» корректируют лишь двумя дополнительными уровнями: «надмолекулярные комплексы — клеточные органеллы».
В основу предлагаемого нами выделения иерархических уровней положено однозначное соответствие структура — функция [13]. Это позволяет не только иметь структурную «поддержку» любой функции на каждом иерархическом уровне, а значит, и дает возможность ее описывать, но и свести функционирование объекта в целом к взаимодействию отдельных иерархических уровней, без всяких дополнительных функций регуляции и центров управления, как в [12]. Сложность всего биологического объекта в целом при этом оценивалась количеством получаемых иерархических уровней. При таком иерархическом представлении биологического объекта влияние внешних ЭМП может быть сведено как к соотношению характеристик структур отдельных иерархических уровней и параметров внешнего ЭМП, так и к влиянию ЭМП на связи между такими уровнями.
Результаты и их обсуждение. Если на иерархическую форму представления биологических объектов будут наложены особенности воздействия на них внешних ЭМП, о которых говорилось ранее, то получим картину (без соблюдения масштаба), показанную на рис. 1. Иерархические уровни условно обозначим: i,…, г — 1, г + 1, г + 2… Повышение сложности биологического объекта соответствует как увеличению количества иерархических уровней, так и росту его чувствительности к действию внешних ЭМП. Это означает с учетом зависимости кванта энергии ЭМП от частоты смещение чувствительности в область более низких частот. Приведенная на рис. 1 зависимость чувствительности (напряженность ЭМП, способная оказывать регистрируемое влияние на биологический объект) от сложности объекта свидетельствует о том, что с повышением уровня иерархии уменьшаются частота и напряженность ЭМП, достаточные для оказания влияния на биологический объект в целом.
Существующую зависимость чувствительности биологических объектов от их сложности можно показать и в другом виде, представленном на рис. 2 (результаты конкретных экспериментов приведены в [1, 14, 15]). Видно, что с повышением сложности биологического объекта (от субклеточных структур до целостного организма) увеличивается значимость влияния ЭМП низкой интенсивности и малых частот.
Таким образом, использование иерархической формы представления биологических объектов позволяет не только конкретизировать свойства отдельных компонент объекта по анализу их местоположения в иерархии, но и соотносить их с характеристиками внешнего ЭМП, отражая, тем самым, особенности внешнего воздействия в иерархии объекта.
Н, а/м Субклеточные
структуры
Рис. 2. Зависимость чувствительности биологических объектов от их сложности.
Summary
Surma S. V., Stefanov V. E., Shchegolev B. F. The reflection of biological object hierarchy in the features of electromagnetic field influence upon these objects.
The investigation of electromagnetic mechanism action upon the biological objects is as a whole reduced only the level of action on the separate cells. It is necessary to take into consideration both their structural formation and contacts between them as well. The hierarchy form of biological object representation permits not only to reduce the complexity of separate components in the hierarchy levels but also to take into account their interaction in the form of hierarchy level connection.
Литература
1. Бинги В. If. Магнитобиология: эксперименты и модели. М., 2002. 2. Пресман А. С. Электромагнитные поля и живая природа. М., 1968. 3. Бинги В. Н., Савин А. В. // Успехи физ. наук. 2003. Т. 173, № 3. С. 265−300. 4. Кострюкова Н. К., Гудков А. Б., Карпин В. А., Лавкина Е. С. // Экология человека. 2004. № 3. С. 55−59. 5. Баранский П. И., Гайдар А. В., Коховский П. В., Забудский И. А. // Неионизирующие электромагнитные излучения в биологии и медицине (БИО-ЭМИ-2002): Труды 2-й Междунар. конференции. Калуга, 11−13 ноября 2002 г. Калуга, 2002. С. 116−122. 6. Авилова И. А., Филист С. А. // Медико-экологические информационные техноло-гии-99: 2-я Междунар. науч. -техн. конференция. Курск, 1999. С. 76−78.7. Tenforde Т. S., Kaune W. Т. //Health Phys. 1987. Vol. 53. P. 585−606. 8. McLeod В. R., Smith S. D., LiboffA. R. //J. Bioelectricity. 1987. Vol. 6. P. 153−162. 9. Леднев В. В. // Биофизика. 1996. Т. 41, № 1. С. 224−232. 10. KirshvinkJ. L., Gould J. L. U Biosystems. 1981. N 13. P. 181−201. 11. Szent-Gyorgyi A. Bioenergetics. New York, 1957. 12. Курганов Б. И., ЛюбаревА. Е. // Биохимия. 1991. Т. 56, вып. 1. С. 19−32. 13. Сурма С. В. //Проблемы нейрокибернетики: Материалы 14-й Междунар. конференции по нейрокибернетике. Ростов-на-Дону, 2005. Т. 1. С. 219−222. 14. Барнс Ф. С. // Биофизика. 1996. Т. 41, вып. 4. С. 790−797. 15. Григорьев Ю. Г., Труханов К. А., Васин А. Л. // Электромагнитные поля и здоровье человека / Под ред. Ю. Г. Григорьева. М" 2002. С. 124−140.
Статья принята к печати 23 ноября 2006 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой