Дистанционное межклеточное взаимодействие

А.В. Будаговский
Дистанционное
межклеточное
взаимодействие
А .В . Будаговский
ДИСТАНЦИОННОЕ МЕЖКЛЕТОЧНОЕ
ВЗАИМ
МОСКВА
НПЛЦ «ТЕХНИКА»
2004
УДК 577.34:577.357:615.849.19
ББК 28.071
Б 90
Б 90
Будаговский А.В.
Дистанционное межклеточное взаимодействие. —М.: Н П Л Ц
«Техника», 2004. - 104 с.
ISB N 5-94789-062-3
Книга посвящена полевой (нехимической) форме коммуникации
биологических систем. Наиболее ярко этот феномен проявляется в виде
так называемого дистанционного межклеточного взаимодействия
(ДМВ) - передачи биорегуляторных сигналов без посредства молеку­
лярных и ионных носителей информации или механических контактов.
В книге анализируется генезис представлений о биологических полях,
рассматривается их роль в функционировании живых организмов. При­
водятся результаты исследований, доказывающие реальность феноме­
на ДМВ и физическую (электромагнитную) природу его регуляторных
сигналов. Показано, что коммуникационным каналом дистанционно­
го взаимодействия может служить эндогенное когерентное излучение.
Описаны оригинальные эксперименты, иллюстрирующие способность
клеток генерировать когерентные фотоны и детектировать (выделять)
их на фоне более мощной стохастической помехи. Предложены физи­
ческие модели ДМВ и голографической индукции морфогенеза с ис­
пользованием лазерного высококогерентного излучения.
Большое внимание в книге уделяется методическим вопросам. Даны
рекомендации по расчету параметров когерентного излучения и пла­
нированию биофизических экспериментов с применением лазеров. Кни­
га может представлять интерес для специалистов в области биофизики,
фотобиологии, биотехнологии, лазерной терапии, а также студентов,
изучающих биологию и медицину.
ББК 28.071
Рецензенты:
д. б. н. JI.B. Белоусов, МГУ;
д. б. н. В.А. Веселовский, МГУ;
д. ф.-м. н. А.А. Аникьев, М ГАУ
ISBN 5-94789-062-3
© А.В. Будаговский, 2004
© Издательство НПЛЦ «Техника», 2004
©Оформление ООО «Издательство «Триада», 2004
UDK 577.34:577.357:615.849.19
Budagovsky A.V.
D istan t in tercellu lar in teractio n . - М .: N P L C «T echnika». 104 p.
ISBN 5-94789-062-3
The book attem pts to focus attention on field (non-chemical) form of
com m unication of biological systems. This phenom ena is m ore evidently
p ro n o u n c e d in d is ta n t in te rc e llu la r in te ra c tio n - tra n s m is s io n o f
bioregulatory signals not associated with molecular and ionic carriers of
inform ation. Genesis o f concept on biological fields is analyzed and their
role in living organism s functioning is under consideration. R esults o f
investigations confirm the existence o f distant intercellular interaction and
physical (electromagnetic) nature o f its regulatory signals. Endogene coherent
irrad iatio n seem to be a com m unicative channel o f distant interaction.
Original experiments show ability o f cells to generate coherent photons and
detect them on the background o f stochastic noise. Physical models of distant
intercellular interaction and holographic induction o f m orphogenesis with
use o f laser (high coherent) irradiation have been proposed.
M ethods, recom m endations for calculation of param eters o f coherent
irradiation and planning biophysical experiments with laser application are
presented. The book is o f interest for specialists in biophysics, photobiology,
biotechnology, laser therapy and also students studying biology and medicine.
Reviewers:
prof. L.V. Beloussov, M GU
prof. V.A. Veselovsky, MGU
prof. A.A. Anikiev, M GAU
3
Памяти выдающегося ученого и человека
Александра Михайловича Кузина
посвящается
Список используемы х сокращ ений
В БИ
ДМВ
КВЧ
КХ
ЛИК
НКИ
-
вторичное биогенное излучение
дистанционное меж клеточное взаимодействие
крайневы сокие частоты
криптохром
лазерны й исследовательский комплекс
низкоинтенсивное когерентное излучение (излучение оптичес­
кой области спектра, обладаю щ ее больш ей статистической
упорядоченностью , чем рассеянный солнечный свет, и интен­
сивностью, не вызывающ ей тепловой деструкции биоструктур)
О К Г - оптический квантовы й генератор
П О Л - перекисное окисление липидов
П РФ - природны й радиационны й фон
СВЧ - сверхвы сокие частоты
С Ф Э - стохастический фазовы й экран
Ф Х - ф итохром
Ц Х - цитохром
Э М П - электром агнитны е поля
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Знание механизмов межклеточных контактов и взаимодействий яв­
ляется необходимым условием понимания важнейших биологических
процессов: эмбрио- и морфогенеза, дифференцировки и регенерации
тканей, роста и развития организмов. Особое место среди межклеточ­
ных отношений занимают такие, которые происходят на расстоянии
сотен и тысяч микрон без посредства молекулярных или ионных сигна­
лов. В литературе за ними закрепилось название «дистанционное (или
дистантное) межклеточное взаимодействие» (ДМВ). Носителем инфор­
мации в этом случае должно выступать поле, однако до сих пор остается
неясным, какова его физическая природа и биологические функции.
Экспериментальные исследования показали, что дистанционные вза­
имодействия живых организмов могут осуществляться посредством чрез­
вычайно слабых сигналов электромагнитного излучения радио- и опти­
ческого диапазонов. Природный фон, представляющий собой помеху,
имеет в этих спектральных областях существенно большую интенсив­
ность, что, как полагали, делает такой информационный канал совер­
шенно неработоспособным. Вопреки ожиданиям, эффект ДМ В оказал­
ся достаточно хорошо воспроизводим на организмах различного уров­
ня организации и степени сложности. Однако накопившиеся противо­
речия, как в теоретических, так и практических вопросах, привели к по­
тере внимания к полевой коммуникации клеток. Не в малой степени этому
способствовали впечатляющие достижения молекулярной биологии, ка­
залось бы, давшие ответ на все существующие вопросы.
В конце прошлого столетия к полевой проблематике вновь возник
интерес. Причина заключалась в появлении целой серии фундаменталь­
ных работ Н.Д. Девяткова, А.М . Кузина, Ф.-А. П оппа (F.-A. Рорр). Во
многих публикациях этих и других авторов основным аргументом в
пользу существования полевой формы отношений живых организмов
явились результаты экспериментов по ДМВ. Таким образом, нехими­
ческое дистанционное взаимодействие занимает важное место в про­
6
блеме эндогенной полевой регуляции биосистем и, по сути, является
ключом к ее пониманию.
Несмотря на обилие публикаций, посвященных ДМВ, нам не уда­
лось обнаружить ни одного емкого обзора. В какой-то мере мы поста­
рались восполнить существующей пробел и проанализировали ряд ра­
бот, представляющих интерес с позиций полевой регуляции. В этой
монографии уже известные сведения дополнены результатами собствен­
ных исследований и некоторыми обобщениями, в которых сделана
попытка ответить на три следующих вопроса: действительно ли суще­
ствует феномен полевой формы ДМВ, если да, то какие механизмы
обеспечивают функционирование этого коммуникационного канала и
какова его биологическая роль?
А втор вы раж ает искреннюю п ризнательность профессорам
А.А. Аникьеву, Л.В. Белоусову, В.А. Веселовскому, В.Е. Перфильеву
за детальное обсуждение настоящей работы и ценные замечания, по­
зволившие существенно улучшить ее содержание. Особые слова бла­
годарности хочется сказать своим коллегам О.Н. Будаговской,
Г.А. Гуди, Р.П. Евсеевой, С.В. Муратовой, Н.М. Туровцевой за их ог­
ромную помощь в проведении экспериментов и подготовке рукописи.
7
1. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
О «БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЯХ»
П роблем а поля живых организм ов, являю щ аяся на протяжении
многих десятилетий предметом острых дискуссий и всестороннего изу­
чения, до сих пор остается неразрешенной. Уже в начале прошлого века
стало ясно, что не все взаимодействия биологических систем можно
представить в рамках молекулярного или ионного обмена и механи­
ческих контактов. Особые трудности возникли в понимании связи ге­
нетической программы клетки с формообразованием целостного орга­
низма в процессе его онтогенеза. Д ля описания этого механизма ис­
пользовали такие обобщ ающие понятия, как «энтелехия» Г. Д риш а
(1915), «д ин ам ически п р еф о р м и р о в ан н а я м орф а» А .Г . Г урви ч а
(Gurwitsch, 1914), «организаторы» Г. Ш пемана (Spemann, 1924), «фи­
зиологические градиенты» Ч.М . Ч айлда (Child, 1924, 1941), «креоды»
К.Х. Уодцингтона (1970). Несмотря на различия в терминах, во всех
случаях подразумевали существование некоторого «генерализующего
начала», определяющего целостность и неразрывность развития жи­
вых организмов. Пытаясь объяснить природу явления, «...биологи не
смогли придумать ничего лучшего, как постулировать наличие мор­
фогенетического поля, которое определяет облик образуемой структу­
ры» (Уоддингтон, 1964, с. 184).
В биологическом контексте поле впервые упоминается Г. Ш пеманом (Spemann, 1921) - «organizationsfeld», но приоритет в создании те­
ории биологического поля, безусловно, принадлежит А.Г. Гурвичу,
посвятившему этой проблеме наиболее плодотворные годы своей р а­
боты (Gurvitsch, 1922; Гурвич, 1944). Он отмечал, что «...идея поля воз­
никает из необходимости признания пространственных взаимоотно­
шений между молекулами, не вытекающих из их ближнедействия» (Гурвич, 1991, с. 162). Возможность взаимодействия биосистем без посред­
ства химических или механических сигналов, т. е. в полевой форме,
экспериментально показана еще в 1923 г. (Gurvitsch, 1923). Было еде-
лано предположение, что между активно делящимися клетками возни­
кает связь посредством так называемого митогенетического излучения.
П о своим свойствам оно близко к ультрафиолетовому излучению чрез­
вычайно низкой (десятки квантов в секунду) интенсивности. Однако
оставалось неясным, каким образом биологическим системам удается
обнаруживать столь слабые сигналы на фоне существенно более мощ ­
ной помехи, которой является естественный свет. Ч тобы разреш ить
противоречие, А.Г. Гурвич предположил, что коммуникационные фун­
кции выполняет особое поле нефизической природы , названное им
биополем: «Наша формулировка основного свойства биологического
поля не представляет по своему содержанию никаких аналогий с изве­
стными в физике полями (хотя, конечно, и не противоречит им)» (Гур­
вич, 1991, с. 166). Согласно его теории, с клеткой связано непрерывно
существующее поле, имеющее векторный характер и специфичную для
каждого вида анизотропию . Складываясь по векторному закону, кле­
точные поля определяют пространственную упорядоченность частей и
общую форму целого организма.
Представления о полях биологических систем были весьма попу­
лярны среди эмбриологов и морфологов 30-50-х годов. В различных
трактовках они использовались Г. Ш пеманом, Дж. Гексли, Р. и М. Сноу
и др. для описания процессов морфогенеза. Так, например, П. Вейсс
(Weiss, 1939; 1950) полагал, что поле присуще организму, как целому и
представляет собой изменяющуюся систему сил (векторов). В процессе
онтогенеза оно расчленяется на соподчиненные поля, которые служат
факторами детерминации новообразую щ ихся тканей и органов. К он­
цепция П.Г. Светлова (1978) строилась на базе формативных раздра­
жителей - внутренних и внешних. Они управляют процессом развития
и определяют целостность организма: «...раздражитель, воспринятый
какими-то рецепторами, трансформируется в силовую конструкцию,
т. е. морфогенное поле. Далее каждый элемент реагирующей системы,
попадая в действие поля, приобретает собственный потенциал и уча­
ствует в общем эффекте» (Светлов, 1978, с. 249). Несмотря на широкое
использование термина «поле», его природа и механизм регуляции ос­
тавались отвлеченными понятиями. Как метко заметил Э. Синнот (1963,
с. 474), этот термин «...всего лиш ь название, а отнюдь не объяснение».
Реальную физико-химическую основу поле приобретает в работах
Н .К. Кольцова. П о его мнению, «...активированное (например путем
оплодотворения) яйцо представляет собой силовое поле, в разных пун­
ктах которого поддерживается та или иная меняющаяся в процессе
развития разница потенциалов» (Кольцов, 1936, с. 559). В процессе раз­
вития зароды ш а «...поле не разрывается, а только осложняется, диф­
ференцируется благодаря установлению межклеточных границ» (там
же, с. 560). Точка зрения Н .К. К ольцова на морфогенетическое поле во
многом созвучна с представлениями Г. Ш пемана, Ч.М . Чайлда, П. Вейс9
са, но имеет от них и существенные отличия. Важным шагом вперед
явилось утверждение о физической природе силового поля зародыш а,
его неразрывности и связи с биохимическими процессами в клеточных
системах. Развивающ ийся организм уже не представляется индиффе­
рентным, «нуллипотентным» по отношению к полю, а является непос­
редственным его источником. Также большое значение имеет введе­
ние понятия «силовое поле внешней среды (гравитационное, световое,
химическое)». Это поле, точнее сумма природных полей, «...оказывает
существенное влияние на внутреннее поле яйца и зародыша» (К оль­
цов, 1936, с. 583).
Биоэлектрические поля как фактор формообразования живой м а­
терии рассматривались Г. Берром, Ф. Норсропом, Э. Синоттом, Э. Лун­
дом (Burr, N orth ro p, 1939; Burr, Sinnott, 1944; Lund, 1947), C.H. М аслобродом (1973). Согласно концепции Г. Берра, в основе биологической
организации леж ат биопотенциалы, на что, в частности, указывает
обнаруженная им взаимосвязь между формой организма и его элект­
рическим полем. Однако Г. Берру не удалось ответить, причиной или
следствием морфогенетических процессов является это поле.
Развитие биофизики существенно повлияло на формирование пред­
ставлений о биологических полях. Они приобрели более физический
облик, но самое главное - получили надежное экспериментальное под­
тверждение. Исследования 60-80-х годов позволили установить нали­
чие у живых организмов специфических рецепторов и связанных с ними
регуляторных систем, чувствительных к различным типам излучений.
Бы ла показана способность клеток генерировать электромагнитные
излучения. В результате появились объективные основания говорить о
биорегуляторной роли эндогенных физических полей. Их природа,
механизм генерации и частотный спектр весьма различны: от механи­
ческих (акустических) колебаний до электромагнитных волн радио- и
оптического диапазонов. По мнению С.Э. Ш нолля (1967), одним из воз­
можных источников акустических волн служат конформационные ко­
лебания макромолекул. Разделение и перенос зарядов (электронный и
ионный транспорт, донорно-акцепторные переходы и т. п.), лежащие в
основе многих жизненно важных процессов, позволяю т говорить о
клетке как об «электрической машине» (Сент-Дьерди, 1971). В соот­
ветствии с законами электродинамики она должна быть чувствитель­
на к электромагнитным полям (ЭМ П). С обранный А.С. Пресманом
(1968) обш ирный экспериментальный материал говорит о разнообра­
зии реакций живых организмов на ЭМ П . Им показано, в частности,
что электромагнитные поля могут участвовать в передаче биологичес­
кой информации, выполняя коммуникационные функции как внутри
клетки, так и в межклеточном (межорганизменном) взаимодействии.
А.С. Пресман обращ ает внимание на значение когерентности излуче­
ния, обеспечивающего коммуникационный канал. Он отмечает, что
10
«при таком способе информационной связи она может осуществляться
сравнительно слабыми сигналами ЭМ П и быть достаточно надежной
на фоне помех и шумов» (Пресман, 1968, с. 232).
Более глубоко биорегуляторная роль когерентных электромагнит­
ных волн низкой (дотепловой) интенсивности исследовалась Н.Д. Девятковым, М .Б. Голантом, О.В. Бецким. Им удалось выявить суще­
ственное влияние когерентного излучения крайне высоких частот (КВЧ)
на различные функциональные процессы в клетках и установить спо­
собность живых организмов генерировать такое излучение (Девятков
и др., 1981; Голант, 1986; Девятков, Голант, 1987; Девятков, Голант,
Бецкий, 1991). В этих работах не только подробно рассматривается фе­
номенологическая сторона проблемы полевой регуляции биосинтеза,
но и дается ее теоретическое обоснование. Согласно выдвинутой кон­
цепции, «действие когерентных КВЧ-излучений на живые организмы
сводится к управлению происходящими в них процессами адаптивно­
го роста (восстановительным процессам и процессам приспособления
к изменяющимся условиям функционирования)» (Девятков и др., 1991,
с. 26). В неживой природе такое (именно когерентное) КВЧ-излучение
отсутствует, но оно может возникать в живой клетке. М еханизм его
генерации связан со структурно-функциональной перестройкой био­
мембран, в результате которой возникаю т КВЧ акустоэлектрические
волны. Часть их попадает в окружающее пространство и осуществляет
межклеточные взаимодействия, другая часть участвует во внутрикле­
точной регуляции. Анализ экспериментального материала и физикоматематическое моделирование колебательных процессов белок-мембранных комплексов позволили установить, что «...возбуждение ин­
тенсивных когерентных колебаний может инициироваться отклонени­
ем от нормы, связанным с резкими деформациями клеточных мемб­
ран» (там же, с. 75). Подтверждением этого вывода служит повышение
чувствительности клеток к КВЧ-излучению при патологии (Девятков
и др., 1991). Однако в теории биорегуляторных функций когерентных
КВЧ-излучений остается откры ты м вопрос о связи электромагнитных
полей с генетическим аппаратом клетки и их роли в ф ормообразова­
нии живых организмов.
Понятие когерентности используется при решении морфогенетичес­
ких проблем, но уже в несколько другом, голографическом аспекте.
Одними из первых голографические представления для описания био­
логических процессов применили В.М. Инюшин и П.Р. Чекуров (1975).
Они предположили, что «...когерентное излучение несет в себе голог­
рамму состояния объекта» (с. 66). К сожалению, приведенное обосно­
вание этого тезиса выходит за рамки физических понятий и вряд ли
может считаться научным: «Голограмма, «вмороженная» в биоплаз­
му, вероятно, и есть биополе» (там же, с. 57). Более успешно гологра­
фические принципы использовали для объяснения работы м озга и
11
нейронных сетей (Либерман и др., 1986). Опираясь на эти представления,
В.П. Казначеев, П .П . Гаряев, А.А. Васильев, А.А. Березин (Казначеев и
др, 1990) выдвинули гипотезу солитонно-голографического генома, ус­
танавливаю щую полевую связь между геном и признаком. Согласно
этой гипотезе, хромосомы выступают, «...как носители голографичес­
ких решеток - многомерны х нелинейных супергенов» (Гаряев, 1994,
с. 66). Восстановление (прочтение) голограммы собственными излуче­
ниями клеток является основой формообразовательного процесса: «При
таком многоволновом автосканировании генома восстанавливается
полиморфная система полевых образов, дающих пространственно-вре­
менную информацию для самоорганизации биосистемы на всех ее уров­
нях» (там же, с. 69). Голографическая концепция морфогенеза весьма
интересна, но нуждается в прямой экспериментальной проверке. К ро­
ме указанных выше, существует еще целый ряд оригинальны х гипо­
тез биорегуляторной роли различных полей, например, высказанные
Н .И . Кобозевым (1971), Э.Н. Чирковой (1994), Е.И. Нефедовым и др.
(1995). Однако они не стали предметом нашего рассмотрения.
Особое место в развитии представлений о биологических полях за­
нимают межклеточные отношения, проходящие за пределом действия
ван-дер-ваальсовых сил и без посредства молекулярных или ионных
носителей информации. Этот феномен был открыт и детально описан
А.Г. Гурвичем (Gurwitsch, 1923; 1926). Негативно воспринятый орто­
доксальными биологами, он, тем не менее, получил надежное экспери­
ментальное подтверждение и стал основным аргументом в пользу су­
ществования полевой формы коммуникаций биологических систем. В
настоящее время накоплен большой фактический материал по дистан­
ционному взаимодействию живых организмов, но он нуждается в сис­
тематизации и критическом анализе. Особый интерес, на наш взгляд,
представляю т ф отобиологические аспекты этого явления, которы е
могут служить ключом к пониманию проблемы «биологических по­
лей» в целом.
12
2. ДИСТАНЦИОННОЕ МЕЖКЛЕТОЧНОЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАК ФОРМА
ПОЛЕВОЙ РЕГУЛЯЦИИ БИОСИСТЕМ
М ежклеточные взаимодействия являются необходимым элементом
биологической эволюции. Н а это указывает универсальность и разно­
образие форм их проявления. Они осуществляют коммуникационные
отношения как у простейших, так и у многоклеточных организмов. По
принципу организации взаимодействия могут быть близкодействую­
щими и дистанционными. В первом случае клеточные поверхности на­
ходятся на расстоянии действия ван-дер-ваальсовых сил (около 10 нм)
(Васильев, М аленков, 1968). При этом информационные сигналы пе­
редаются путем деформационных напряжений, возбуждения поверх­
ностных рецепторов или же трансмембранного молекулярного и заря­
дового обмена. Во втором случае взаимодействие происходит на су­
щественно большем расстоянии, при котором непосредственный кон­
такт клеточных поверхностей становится невозможным. Здесь инфор­
мационный обмен осуществляется посредством выделяемых в межкле­
точную среду сигнальных молекул-мессенджеров или генерируемых
клетками электромагнитных полей. Если химические, электрические и
механические межклеточные отношения имеют вполне удовлетвори­
тельное описание (Конев, Мажуль, 1977; Белоусов, 1987; Robertson, 1993;
Алберте и др., 1994), то коммуникационные процессы на полевом уров­
не не столь очевидны и требуют дальнейших исследований. За этим клас­
сом явлений в литературе утвердился термин дистанционное (или дис­
тантное) межклеточное взаимодействие (ДМ В).
Такое название нам кажется не совсем удачным. Дистанционная
связь между отдельными клетками и целыми организмами может уста­
навливаться и не полевым путем, а посредством выделяемых во вне­
шнюю среду продуктов биологического синтеза. Молекулы, выполня­
ющие сигнальные функции, как правило, имеют высокую подвижность
и низкий порог рецепции. Гормоны, локальные химические медиато­
13
ры, антитела животных осуществляют коммуникационные функции на
расстояниях от долей миллиметра до нескольких метров, распростра­
няясь в ничтожно малых концентрациях (гормоны порядка 10~8 М) (Ал­
берте и др., 1994). А ттрактанты и репелленты обладаю т еще большим
дальнодействием. Для растений характерны такие летучие метаболи­
ты, как этан, этилен, фитонциды, терпены (Работнов, 1983). С их помо­
щью быстро и на значительном удалении устанавливается опосредо­
ванная (дистанционная) связь между различными организмами. П о­
этому аллелопатическую форму регуляции бывает трудно отличить от
полевой, проходящей без перемещения в пространстве молекулярных
носителей информации. Кроме того, термин ДМ В подразумевает вза­
имное (обоюдное) действие клеток друг на друга. Однако в большин­
стве известных случаев имело место (или, по крайней мере, наблюдали
в эксперименте) лишь однонаправленное воздействие без установле­
ния двусторонних отношений. В дальнейшем традиционную аббревиатуру - ДМ В - будем использовать с учетом сделанных замечаний.
Полевая (нехимическая) форма дистанционного межклеточного вза­
имодействия была обнаружена А.Г. Гурвичем в изящ ном опыте с ко­
решками лука (Gurwitsch, 1923; 1926). Активно делящиеся клетки кон­
чика корня на расстоянии 2-3 мм индуцировали митоз в меристематической ткани другого, химически изолированного от него корня. Из
многочисленных экспериментов следовало, что информационный сиг­
нал передается посредством низкоинтенсивного излучения, имеющего
слабое поглощение в кварце, сильное в стекле, хорошее отражение от
зеркальной металлической поверхности и узкую диаграмму направлен­
ности. Было сделано предположение об оптическом (ультрафиолето­
вом) диапазоне излучения и о его регуляторной роли при делении кле­
ток. Дальнейшие исследования показали, что таким свойством обла­
даю т не только корешки лука, но и различные клетки, ткани и органы
растительного и ж ивотного происхождения (Белоусов и др., 1970).
Посредством митогенетического излучения возникала дистанционная
связь, как между однотипными, так и существенно различающимися в
генетическом отношении организмами. Сигнал от биологического ис­
точника - индуктора - воспринимался биологическим приемником детектором на расстоянии до нескольких миллиметров, при этом меж­
ду ними мог быть исключен лю бой контакт, кроме оптического. Н аи ­
большее распространение в качестве биодетектора получили дрожже­
вые культуры, в которых подсчитывали изменение числа митозов при
облучении каким-либо индуктором.
Результаты экспериментов А.Г. Гурвича надежно воспроизводились
во многих зарубежных лабораториях (ГурвичА .Г., Г урвичЛ .Д ., 1943),
однако сам феномен вызывал к себе весьма неоднозначное отношение.
Большие трудности и противоречия возникли при попытках аппара­
турной регистрации митогенетического излучения и определении его
14
сп ектр ал ьн о го со став а и з-за крайне низкой интенсивности света
(Франк, 1982; Петухов, 1983). Ситуацию усложнило еще и то, что в ис­
следованных интервалах длин волн излучали не только активно деля­
щиеся клетки, но и дифференцированные ткани, растворы аминокис­
лот, липидов, Д Н К и др. (Белоусов и др., 1970). Все это позволило го­
ворить о слишком расширенном толковании митогенетического излу­
чения, охватывающим, по всей видимости, несколько типов хемилюминесценции различной природы и биологических функций (Барен­
бойм и др., 1966; Ж уравлев, 1972).
Удивительно, что столь важное свойство, как направленность из­
лучения, не вызвало долж ного интереса. К ончик кореш ка лука - ло­
кальный псевдоточечный источник - должен был образовать волну со
сферическим фронтом и, следовательно, высокой расходимостью. Од­
нако зарегистрированная еще в первых экспериментах узкая диаграм ­
ма направленности луча (Gurwitsch, 1923; 1926) указывает на высокую
пространственную упорядоченность (когерентность) поля. Обратили
внимание на это лиш ь в 1975 г. В.М. Инюшин и П.Р. Чекуров (1975)
при анализе собственных опытов по фотографической регистрации ми­
тогенетического излучения корешков лука. С позиций когерентности
можно рассмотреть и замечание Г.М. Ф ранка (1982) о существенно
большей эффективности биоиндуктора в сравнении с искусственными
источниками ультрафиолетовой радиации, имеющими сходные энер­
гетические параметры. В.Г. Петухов (1983) отмечает, что многие опы­
ты Гурвича проходили при естественном (дневном) освещении, спектр
которого включает весь митогенетический диапазон длин волн. То есть
на биодетектор попадает достаточное количество квантов ультрафио­
летовой области спектра. Однако стимуляция митозов возникает лишь
при добавлении к ним ничтожно слабого (1-100 квантов см-2 с-1) излу­
чения от биоиндуктора. Этот парадокс существенно затруднил биоло­
гам понимание механизма полевых коммуникационных отношений
живых организмов.
Опыты А.Г. Гурвича и его школы не были единственными, в кото­
рых регистрировали ДМ В. Оригинальные исследования провел К. Бак­
стер (Backster, 1968). Ему удалось в полностью автоматизированном
эксперименте зафиксировать скачок биопотенциала листа растения,
возникавш ий в момент искусственного прекращения жизни морской
креветки. Естественно, что какой-либо механический или гальваничес­
кий контакт между этими организмами отсутствовал. Дистанционное
взаимодействие наблю дали не только между отдельными организма­
ми, но и внутри больших групп или целых сообществ. Например, ре­
зультативность предпосевной лазерной обработки семян возрастает при
их последующей «отлежке» в течение нескольких недель (Чернов, 1989;
Якобенчук, 1989; У маров и др, 1991). По мнению авторов этих работ, в
массе семян возникает спровоцированное когерентной накачкой вто­
15
ричное излучение, генерализующее эффект стимуляции. Весьма веро­
ятно, что и само вторичное излучение также обладает достаточно вы­
сокой статистической упорядоченностью. К ак показали эксперимен­
ты с листьями растений, кратковременное воздействие света иниции­
рует в них эмиссию когерентны х ф отонов (P opp,et al.,1981; 1993;
Bajpai,1999). Следует отметить хорошее теоретическое обоснование
полученных результатов и возможность их экстраполяции на различ­
ные организмы (Рорр, 1995; 2000; Bajpai, 2000).
М.В. Голованов и Б.В. Дерягин (1983) приводят данные о коопера­
тивном поведении лимфоцитов человека, которые в растворе хлорис­
то го н атри я о бразую т уп орядоченны е периодические структуры .
М .Б. Голант с соавторами (1988) объясняет такое поведение клеток ге­
нерацией ими когерентных электромагнитных колебаний миллимет­
рового диапазона длин волн. В результате диполь-дипольного взаи­
модействия возникаю т дальнодействующие силы притяжения и оттал­
кивания, уравновешивающие друг друга на определенном расстоянии.
Взаимную координацию движения парамеций, инфузорий и других
простейших также связывают с электромагнитным полем, отмечая воз­
можную роль его когерентности (Пресман, 1968).
Более сложные дистанционные отношения рассматривает И.С. М ар­
ченко (1973) на примере лесных сообществ. Он полагает, что в густых
древесных насаждениях полевая регуляция влияет на общую тополо­
гию вегетирующих растений. Д ля доказательства им предложен «Спо­
соб исследования взаимодействия биополей в лесных экосистемах»
(М арченко, 1978). В основе феномена, по мнению М арченко, лежит взаимооблучение активно делящихся клеток, в частности, при образова­
нии раневых каллусов. Однако данные эксперименты не позволяю т
однозначно говорить о полевой форме контактов. ДМ В могло осуще­
ствляться и на химическом уровне, в рамках аллелопатических отно­
шений, весьма развитых в фитоценозах лесных экосистем.
П олностью исклю чить химическую компоненту дистанционного
взаимодействия удалось В.П. Казначееву и его сотрудникам (1972;
1978; 1981) в опытах с «зеркальным цитопатическим эффектом». К он ­
тактирую щ им и объектами служили культуры животных тканей, изо­
лированны е в кварцевых колбах с питательной средой. Ч асть куль­
тур - индукторы - подвергались действию экстремальных факторов
(ультрафиолетовое облучение, отравление сулемой, вирусное зараж е­
ние), вызываю щ их гибель клеток. В интактных культурах, исполняв­
ших роль биодетекторов, нормально пролиферирую щ ие клетки так ­
же начинали гибнуть, если в течение нескольких часов имели опти­
ческий контакт с пораженной культурой. «Зеркальный» (наведенный)
цитопатический эффект наиболее надежно регистрировался, когда в
качестве индуктора и детектора использовали клетки гомологичны х
тканей. Между разнородными образцами он был значительно слабее или
16
не проявлялся вовсе. Величина его также зависела от гелиогеомагнитной обстановки: активности солнца, геомагнитных возмущений,
географической ш ироты и т.п. В силу этого в различны е годы и даже
месяцы межклеточные взаимодействия могли происходить с различ­
ной степенью выраженности (Казначеев и др., 1978; 1981). М еханизм
ДМ В, по мнению В.П. К азначеева, связан с генерацией клетками элек­
тром агнитного излучения, наиболее вероятно, в ультрафиолетовой
области спектра. Он полагает, но не подтверж дает эксперименталь­
но, что такое излучение имеет высокую когерентность.
Интересным объектом для изучения оптического канала связи ока­
зались светящиеся организмы, в частности таиландские светляки. Как
выяснилось, окисление лю циферина у них подчиняется сложному рит­
му и может регулироваться извне. Ф.-А. Поппу (Рорр, 1992) удалось
зарегистрировать синхронизацию частоты и интенсивности вспышек
хемилюминесценции двух изолированных особей Pteropteryx malacoe,
имеющих между собой оптический контакт. При нарушении контакта
введением непрозрачной заслонки синхронизация мерцания прекращ а­
лась.
Д ля исследования оптического канала дистанционного взаимодей­
ствия была предложена оригинальная инкубационная камера (М олча­
нов, 1985; M olchanov, G alatsevl995). В ней крестообразно располагали
пять идентичных тканевых препаратов: два контроля, два детектора и
в центре - индуктор. Все образцы разделяли тонкими (0,1 мм) кварце­
выми стеклами, при этом между индуктором и контролями устанавли­
вали дополнительно непрозрачные перегородки. Эксперименты про­
водили на эксплантах молочных желез кормящих самок белых мышей.
Воздействие на индукторы физиологически активных веществ (ацетилхолина, норадреналина и др.) приводило к изменению интенсивности
свободно-радикальных реакций и влияло на характер хемилюминес­
ценции клеток. Результатом оптического контакта с ними явилось су­
щественное в сравнении с контролем увеличение секреции белка в де­
текторных культурах. А.А. М олчанов отмечает (1985, стр. 72), «...что
примененный методический подход... позволяет исключить все типы
взаимодействия между тканевыми препаратами индуктора и детекто­
ра, кроме световых, в диапазоне 100-1000 нм».
А.Ф. Киркин (1981) также демонстрирует существование полевого
(нехимическсго) канала дистанционных контактов. В качестве дока­
зательства он использовал известную зависимость активности клеток
от густоты посева на питательную среду (Голубинский, 1945; Linskens,
1967), но в модифицированном варианте. В экспериментах А.Ф. Киркина «густая» культура клеток крысиной опухоли ХС стимулировала
пролиферацию клеток в «редкой» культуре через дно полистирольных
чашек Петри. Специально принятые меры: полная герметизация ча­
шек и изотопный контроль массопереноса практически исключали воз­
17
можность химического взаимодействия, в том числе и посредством ле­
тучих продуктов метаболизма. Опыты А.Ф. К иркина заставляю т ина­
че взглянуть на применяемый в биотехнологии метод сокультивирования хорош о и плохо растущих клеточных культур, так называемый
метод «няньки». Считается, что положительный результат связан с эф­
фектом «подкормки», т. е. с гормональной регуляцией (M uir et al., 1958).
В пользу этого говорит усиление деления редко посаженных клеток при
добавлении к ним культурального фильтрата (бесклеточного раство­
ра) «густой» культуры. Однако доказательство химической связи не
отрицает наличие полевой и вывод, сделанный биотехнологами (М у­
ромцев и др., 1990) об отсутствии физического взаимодействия при сокультивировании клеток и тканей, входит в противоречие с работами
В.П. Казначеева, А.А. М олчанова, А.Ф. Киркина и др.
Ш ирокий комплекс исследований ДМ В был проведен в М еждуна­
родном институте биофизики (In tern atio n al Institute o f Biophysics,
Germany). Д ля этой цели использовали ставшую уже классической схе­
му эксперимента (Рорр, 1992). В светонепроницаемую камеру помещ а­
ли два биологических образца, один из которы х играл роль индукто­
ра, другой детектора. Между ними исключалась возможность хими­
ческого взаимодействия, но оставался оптический канал связи, пере­
крываемый непрозрачной заслонкой. Хемилюминесценцию образцов
одновременно и независимо измеряли ш ирокополосными (200-800 нм)
фотоэлектронными умножителями. В процессе эксперимента индуктор
возбуждали химическим или физическим раздражителем, что повышало
интенсивность его хемилюминесценции. Это излучение, попадая на
биодетектор, инициировало в нем комплекс химических реакций, н а­
блюдаемых в индукторном образце. Например, дыхательный взрыв,
спровоцированный добавлением форболового эфира в суспензию нейтрофилов свиньи, вызывал усиление эмиссии фотонов и в другой квар­
цевой кювете с такими же клетками (Shen X., et al., 1995). В детектор­
ной культуре нейтрофилов регистрировали образование супероксидрадикалов, свидетельствующее об изменении окислительного метабо­
лизма клетки. При закрытой заслонке (отсутствие оптического кон­
такта) аналогичные явления не наблю дали, и детектор вел себя как
интактный контроль. А вторы этой работы полагаю т, что нехимичес­
кие коммуникационные процессы осуществляются посредством коге­
рентных электромагнитных полей, генерация которых биополимера­
ми описывается теорией Р. Дике (Dicke, 1954). В аналогичных опытах с
динофлагелятами P. elegans, возбуждаемыми импульсами электричес­
кого тока, информационным каналом ДМ В могло служить излучение
видимой области спектра (Chang J.J. et al., 1995). У становка желтого
светофильтра (G G 495) между индуктором и детектором не препятство­
вала синхронизации хемилюминесценции этих объектов. Наличие фо­
тоумножителей, работаю щ их в режиме счета фотонов, позволило оце­
18
нить статистические свойства излучения находящихся в камере образ­
цов. Используя этот аппаратурный комплекс, Л .В. Белоусов обнару­
жил, что «...свечение целого оплодотворенного яйца обладает высо­
кой когерентностью, в то время как у неоплодотворенного яйца, ку­
сочков скорлупы и изолированного желтка была низкая когерент­
ность...» (Belousov, 1995, р. 168, перевод).
Важное значение для понимания механизма полевого взаимодействия
имеет предложенная А.М. Кузиным (1995а) концепция радиационного
гормезиса. В ее основе лежат представления о стимулирующем действии
малых доз ионизирующего излучения (Кузин, 1977) и биорегуляторной
роли природного радиационного фона (ПРФ) (Кузин, 19956). Искусст­
венное уменьшение фона достоверно снижает функциональную актив­
ность живых организмов, а его повышение в границах малых доз, на­
оборот, приводит к значительной стимуляции. По мнению А.М. Кузи­
на, клетка в процессе эволюции не только адаптировалась к существую­
щему уровню ионизирующей радиации, но и сумела использовать этот
вид энергии в коммуникационных целях. При действии малых доз, точ­
нее, малых интенсивностей облучения компонентами ПРФ большую био­
логическую роль играет не ионизация молекул, а их возбуждение. Опи­
раясь на работы Р. Дике, Ф-А. П оппа , М. Раттемеера, К.Х. Ли (Dicke,
1954; Popp et al., 1981; Popp, Li, 1993; Popp, 1994; Rattemeyer et al., 1981;
Li, 1992), A.M . Кузин делает предположение (1995 б, стр. 136), «...что
при возбуждении биомакромолекул, находящихся в живых системах в
конденсированном состоянии, высокоэнергетическими квантами атом­
ной радиации также будут образовываться поляритоны, длительное
время испускающие когерентное излучение с большей длиной волны,
лежащее в ультрафиолетовой области спектра». Для подтверждения этих
выводов А.М . Кузин и его сотрудники (1994,19956,1996; 1997а) исполь­
зовали модель дистанционной связи биосистем. Различные индукторы
(семена редиса и овса, почки сирени, пекарские дрожжи, белок куриных
яиц, шерсть животных и др.), возбужденные у-излучением “ Со, вызыва­
ли на расстоянии порядка 1 см существенное (в 1,3-2,1 раза) усиление
функциональной активности биодетектора, которым служили прорас­
тающие семена редиса (Rafanus sativus L . ) . В то же время необлученные
индукторы заметного влияния на них не оказали. В ряде экспериментов
полностью исключали химическую связь между детектором и индукто­
ром благодаря герметизации последнего в кварцевых кюветах (Кузин и
др., 19976). Эффект имел место при наличии оптического контакта че­
рез среду, прозрачную для ультрафиолетового излучения (воздух, квар­
цевое стекло), и не исчезал в течение 2-6 часов после у-облучения индук­
тора. Важно отметить, что индуктор сохранял способность к генерации
вторичного излучения лишь в нативном состоянии. При его инактива­
ции, например высокой температурой, дистанционное взаимодействие
не наблюдали (Кузин и др., 1996).
19
Еще раз отметим: исследования, проведенные как у нас в стране,
так и за рубежом, убеждают в реальности феномена дистанционного
межклеточного взаимодействия. Его полевая природа подтверждается
большим числом экспериментов, в которых удалось корректно устра­
нить или скомпенсировать дистанционную передачу химических сиг­
налов. Как показали прямые физические измерения, само поле во мно­
гих случаях являлось низкоинтенсивным излучением оптической об­
ласти спектра. Целый ряд фактов указывает на его высокую статисти­
ческую упорядоченность. Именно это объединяет два, казалось бы,
совершенно различных явления: полевую коммуникацию биосистем и
лазерную стимуляцию функциональной активности живых организмов.
В основе каждого из них лежат механизмы управления биологически­
ми процессами посредством низкоинтенсивного когерентного излуче­
ния (НКИ). Таким образом, решение прикладных задач лазерной те­
рапии и лазерных био- и агротехнологий в теоретической части сво­
дится к изучению полевой регуляции биосистем. Понять принципы ее
организации можно лишь с учетом всех известных проявлений и функ­
ций. Учитывая слабую изученность вопроса, особую роль приобрета­
ю т корректные экспериментальные исследования. Главным действую­
щим фактором в них выступает Н КИ . Грамотное представление пара­
метров такого излучения вызывает определенные трудности. Домини­
рование упрощенного подхода к формированию и описанию когерен­
тных полей привело к низкой воспроизводимости опытных данных и
противоречивой трактовке полученных результатов. Ч тобы избежать
этого, в исследованиях с применением Н К И целесообразно придержи­
ваться принятого в физике формализма. Знакомство с ним необходи­
мо и для понимания методологии экспериментов, описанных в четвер­
той и пятой главах.
20
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ АППАРАТ
РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ
КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ
ЭКСПЕРИМЕНТАХ
Анализ состояния проблемы убеждает, что исследовать механизм
лазерной стимуляции невозможно без регистрации полной совокупно­
сти параметров действующего фактора. В физике достаточно полно
разработан аналитический аппарат описания когерентных электромаг­
нитных полей (Ахманов и др., 1981; Звелто, 1979; Перина, 1974; Ярив,
1980). Однако он не нашел должного применения в биологических эк­
спериментах. Связано это с тем, что понимание специального форма­
лизма требует определенной подготовки. Ниже сделана попытка пред­
ставить аналитический аппарат описания когерентных полей и лазер­
ных пучков в предельно простой форме. Он вытекает из сложившихся
в физике представлений и адаптирован для решения практических за­
дач биологического содержания.
К вантовы е генераторы - лазеры - являются наиболее удобным (но
не единственным) источником вы сококогерентного оптического из­
лучения. С амо слово Л А ЗЕР представляет собой аббревиатуру ан г­
лийской ф разы L ight A m plification by the S tim ulated E m ission o f
R adiation, что означает: усиление света с помощ ью вынужденного
излучения. Все квантовы е генераторы выполнены по типовой функ­
циональной схеме, вклю чаю щ ей блок накачки, рабочее (активное)
вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии и оптичес­
кий резонатор. В активном веществе за счет энергии, поступающей
от блока накачки, создается инверсия населенности электронных уров­
ней - неравновесное распределение возбужденных состояний атомов
или молекул. П ри возбуж дении рабочего вещ ества, помещ енного
внутрь резонатора, возникает стимулированное излучение с высокой
21
корреляцией фаз фотонного коллектива. (Принципы работы кванто­
вых генераторов описаны в монографиях Б. Лендьела,1964; Е.Ф. Ищен­
ко и Ю .М. Клименкова, 1968; О. Звелто, 1979). Х арактеристики поля
квантовых генераторов зависят от конструктивных особенностей кон­
кретной модели. Л азеры , применяемые в биологии, медицине и сель­
ском хозяйстве различаю тся длиной волны, мощ ностью излучения,
типом генерации (непрерывный или импульсный), м одовой структу­
рой пучка, поляризацией, когерентностью и т. д. К орректное (допус­
каю щ ее воспроизведение) описание режимов лазерного облучения
долж но содержать количественную оценку двух групп параметров:
энергетических и статистических. Знание этих величин еще не гаран ­
тирует появление стимуляционного эффекта, но позволяет грамотно
провести его поиск и оптимизацию .
3 .1. Расчет энергетических парам етров
лазерного излучения
Энергетические парам етры определяю т количество энергии, пе­
реносим ое лазерны м пучком. Н аиболее важны ми среди них являю т­
ся мощ ность излучения, ее распределение в продольном и попереч­
ном сечениях пучка, длина волны или частота излучения. Д ля им­
пульсны х лазеров необходимо добави ть такж е инф орм ацию о дли­
тельности и периоде следования импульсов, а в ряде случаев и их
форме. П ри известных оптических свойствах биологического объек­
та и его полож ении в потоке излучения эти п арам етры позволяю т
рассчитать количество поглощ енной энергии, что бы вает важным
во м ногих экспериментах. В биологии часто использую т газовы е
лазеры мощ ностью от единиц до десятков м илливатт (табл. 3.1). В
последние годы особенно популярны стали полупроводниковы е л а ­
зеры . Они сущ ественно деш евле и удобнее в эксплуатации. Их физи­
ческие свойства и методы применения в медицине подробн о изло­
жены в м онограф ии С.В. М осквина (2003). Д ля измерения мощ нос­
ти лазеров сущ ествую т специальны е методы и приборы (Росс, 1969;
Х ирд, 1970; И змерение энергетических парам етров и характеристик
лазерного излучения, 1981; К ириллов и др. 1983). О братим вним а­
ние на частое несоответствие реальной величины этого п арам етра
значению , указанном у в паспорте лазера, что служит источником
ош ибок в биологических экспериментах.
М ощность излучения является необходимым, но не единственным
параметром для определения поглощ енной энергии. Не менее важно
знать распределение энергии по сечению лазерного пучка в зоне рас­
положения объекта.
22
Т а б л и ц а 3.1.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ, ПОЛУЧИВШИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Марка
лазера
ЛГ - 72
ЛГ - 78
ЛГН - 208
Л Г - 52 - 1
ЛГ - 7 9 - 1
ГН -1 5
ЛГН - 115
ЛГ - 75
Л Г Н - 111
ЛГН - 104
Г Н -5 0
Л Г -3 8
ЛГН - 222
ЛГ - 126
ЛГН - 113
ЛГ - 70
Л Г -6 2
ГККЛ-Ю В
ГКЛ - 25В
ЛГН - 503
Л ГН -410
ЛГН - 504
ЛГ - 21
SpectraPhysics - 196
SpectraPhysics - 124
Длина
волны, нм
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
633,8
632,8
1150
3390
632,8
1150
3390
440
440
441,6
440
4880
325
325
337,1
Мощность
излучения, мВт
0,5
2
2
8
15
15
15
25
25
50
50
50
55
10
5
5
15
3
3
40
100
15
55
1000
2
15
5
одномодовая
одномодовая
одномодовая
одномодовая
одномодовая
многомодовая
одномодовая
многомодовая
632,8
2
одномодовая
632,8
15
одномодовая
Модовая
структура
одномодовая
многомодовая
одномодовая
одномодовая
одномодовая
одномодовая
многомодовая
многомодовая
многомодовая
многомодовая
многомодовая
одномодовая
одномодовая
многомодовая
многомо'довая
23
3 .2 . Р аспределени е энергии в лазерном пучке
Распределение энергии или м ощ ности в лазерном пучке оп ред е­
ляется свойствам и активн ого р езон атора, представляю щ его собой
рабочее вещ ество, заклю ченное между двумя п араллельны м и зер ­
калам и. К ван ты света, отраж аясь от них, м н огократн о проходят
через активную среду с инверсией населенности электронны х у р о в ­
ней, что п ри вод и т к усилению вы нуж денного излучения. Ч асть его,
через п о лу п р о зр ачн ое переднее зеркал о, вы ходит наруж у в виде
узкого, слаборасходящ егося пучка. В таком резон аторе м огут су­
щ ествовать р азли чн ы е стаци он арн ы е кон ф и гурац ии эл е к тр о м а г­
н и тн ого поля, назы ваем ы е м одам и или типам и колебаний. С и м во­
лически их п рин ято об озн ачать как Т Е М рч, где р и q - число изм е­
нений н ап равлен ия поля в ор то го н ал ьн о м сечении пучка по к аж ­
д ой из к о о р д и н ат. Н есколько ти п ов п оперечны х м од излучения
представлены на рис. 3.1. А нализ м одовой структуры поля п р о ве­
ден с п ом ощ ью л азерн ой установки Л И К -25 (Б уд аговская и др.,
2001). И сточн иком излучения служил гелий-неоновы й л азер Л Г-52.
Ю стировкой (перестройкой) его р езо н ато р а ф орм и ровали р азл и ч ­
ное распределение энергии в поперечном сечении пучка. Р еги стр а­
цию л азерны х пучков осущ ествляли прям ой проекцией на ф о то ­
пленку или же с пом ощ ью циф ровой видеокам еры , подклю ченной
к персон альном у ком пью теру.
Кроме поперечных существуют еще и продольные моды, определя­
ющие ширину частотного спектра излучения. Но в условиях стацио­
нарного режима генерации их влиянием на распределение энергии в
лазерном пучке можно пренебречь и в последующем они не будут рас­
сматриваться. Большинство применяемых в биологии лазеров имеют
многомодовый режим генерации (табл. 3.1). Распространенность та ­
ких моделей связана с невысокой стоимостью в сравнении с одномодо­
выми той же мощности, но из-за этого страдает качество проводимых
исследований. Облучаемые организмы или их части попадаю т как в
области с высокой напряженностью поля, так и в межмодовые проме­
жутки, где излучение отсутствует. Учитывая, что число и конфигура­
ция мод самопроизвольно изменяются в процессе тепловой перестрой­
ки резонатора, рассчитать, а тем более воспроизвести в последующем
такое воздействие не представляется возможным. Использование мно­
гомодовых лазеров оправдано лишь при облучении больших массивов
биологических объектов (зерна, плодов, вегетирующих растений в
поле), где изначально не требуется точное определение энергетичес­
кой нагрузки на каждый отдельный организм. В этом случае оценка
режима облучения и полученного стимуляционного эффекта будет но­
сить интегральный характер.
24
Т Е М 00
суперпозиция двух мод
Рис. 3.1. Фотографии лазерных пучков с разной конфигурацией поперечной моды.
Слева - моды резонатора с круглыми зеркалами. Справа - моды, полученные
при его частичной расстройке
В экспериментах, направленных на исследование механизма фоторегуляторного действия когерентного излучения, предпочтительно ис­
пользовать одномодовые лазеры, например ЛГ-38, ЛГ-222, ГН-15 и др.
(табл. 3.1). П оле их активного резонатора в поперечном сечении име­
ет радиальную симметрию с максимальной напряженностью в цент­
ре и постепенным снижением к периферии без четких границ. Оно
зад ается реж им ом ген ераци и одной (нулевой) п оперечной моды
Т Е М да, имеющей гауссов профиль лазерного пучка. В этом случае рас­
пределение амплитуды поля в плоскости Z ортогональной оптичес­
кой оси описывается известным уравнением А ( г ) = А д ехр[ -(г/г_)2]
(Я рив, 1980). Распределение интенсивности (плотности мощ ности)
излучения имеет вид:
1(г) = А 2(г) = 10 ех р [-2 ( г / г / ] .
(3.1)
За условную границу такого пучка принимаю т характеристический
радиус г_, значение которого соответствует уменьшению амплитуды
поля в е, а интенсивности излучения в е2 раз относительно максималь­
ных значений. То есть, при г = г., 1(г j = 1д ехр (-2 ) ~ 0,135 1д. Полная
мощность Рд, содержащаяся в моде Т Е М (Ю
, может быть получена ин­
тегрированием выражения (3.1):
°о2п
Р„ = J j 1п ехр [ -2 ( r / r f ] г dr d(p = 0,51д л г /,
00
где 1д - интенсивность излучения на оси пучка в сечении Z. Следова­
тельно,’ /„0 = 2 P0 J n гz 2,7 а.
I ( г ) = 2Рд/ к г 2ехр[ - 2 ( r / r j 2].
(3.2)
Д ля расчета энергетической нагрузки на исследуемый объект Рг не­
обходимо дважды проинтегрировать распределение поля на его повер­
хности. Если объект радиусом г расположен в центре пучка, то
г 2л
Pr = J J 2Рд/ п г 2 ехр[ - 2 (r /r J 2] г dr d(p = Рд {1 - ехр[ - 2 (r /r J 2]}. (3.3)
О0
Решение уравнения (3.3) требует знания двух величин: мощ ности
излучения лазера Рд и характеристического радиуса пучка г_ в плос­
кости расположения объекта. М ощ ность излучения несложно опре­
делить посредством прямых измерений (Хирд, 1970; К ириллов и др.,
1983). Сущ ественно труднее выяснить характеристический радиус
пучка г,. Экспериментальные методы оказываю тся недостаточно точ­
ными и весьма громоздкими. П оэтому в биологических эксперимен­
тах крайне важен правильны й расчет геометрических парам етров
лазерного пучка.
26
3 .3 . А налитическое описание геометрии
л азерн ы х пучков
В процессе распространения лазерный пучок изменяет свой харак­
теристический радиус по гиперболическому закону (Фокс, Ли, 1963;
Когельник, Ли, 1978):
rz2 = r02 [1 + (X z / л г02) 2],
(3.4)
где г0 - радиус перетяж ки, т. е. наименьш ее поперечное сечение л а ­
зерного пучка, a z - удаление от этого сечения. И з зависимости (3.4)
следует, что в продольном сечении огибаю щ ая лазерного пучка по
заданному уровню , наприм ер е~2, имеет гиперболическую форму. П е­
ретяж ка мож ет находиться как внутри, так и вне резон атора, в зав и ­
симости от его конструкции. О пределяю щ ими парам етрам и явля­
ются радиусы кривизны зеркал R •, R 2 и расстояние между ними Ь.
Различаю т несколько характерны х типов резонаторов: кон ф окал ь­
ный (R j = R , = b) ; п лоски й
= Л., =
; концентрический
( R j= R 2 - Ь/2); полусферический ( R t - b, R 2 - °°). в общем случае,
при п роизвольны х значениях R p R 2 u b полож ение и величина пере­
тяж ки, а такж е радиусы пучков г 1 и г2 на поверхности соответствую ­
щих зеркал (рис. 3.2) задаю тся следующей системой уравнений (К о­
гельник, Л и, 1978):
Рис. 3.2. Геометрические характеристики лазерного пучка в резонаторе произ­
вольной конструкции
27
m1 = [b (R 2- b ) ] / ( R , + R 2-2b)-,
(3.5a)
m2 = [ b ( R , - b ) ] / ( R I + R 2-2b);
(3.56)
r* = (Х/л)2[b (R j - b) (R 2- b) (R , + R 2- b)] / (R , + R 2- 2b)2- ( 3 . 5b )
r/ = (XR,/n)2 [ b (R 2- b ) ] / [ ( R , - b ) (R , + R 2- b ) J ;
(3.5r)
r / - (XR / л ) 2 [b (R , - b ) J / [ (R 2- b) ( R 1+ R 2- b )].
(3.5д)
Н еслож но п оказать, что в симметричном резон аторе, т. е. при
Rj = /?, = R, перетяжка будет располагаться в центре между зеркалами,
а ее размер определится следующим образом: г 2 = (X/2n)[b (2R - Ь ) ] 1/2.
Д ля конфокальной конструкции (R ,= R 2 = b) получим хорошо извест­
ное выражение:
г 2 = (Х Ы 2л).
(3.6)
Во многих лазерах переднее (выходное) зеркало имеет существенно
меньшую кривизну, чем заднее, т. е. Л, » R r Тогда, в соответствии с
(3.5а) и (3.56), ntj -> Ь, а т 2 —» 0, т. е. перетяжка смещается в сторону
выходного зеркала и в предельном случае (R , = °°) будет лежать в его
плоскости. Д анная конструкция существенно упрощ ает вычисления,
т. к. отсчет z можно вести непосредственно от переднего зеркала ре­
зонатора, а величина гд будет соответствовать половине указанного
в паспорте прибора диам етра пучка.
При неизвестных конструктивных параметрах лазерного резонатора
можно воспользоваться иным алгоритмом расчета г . Радиус кривизны
волнового фронта 9l(z) является функцией расстояния от перетяжки (Звелто, 1979; Когельник, Ли, 1978): Sl(z) = z [1 + (n r 02/X z)2]. П ри z —> О
9l(z) —> оо; т. е. в перетяжке волновой фронт становится плоским. Н аи­
большая его кривизна будет при значении z = л г 2/Х, которое принято на­
зывать радиусом дифракционной расходимости или границей ближней и
дальней зон источника излучения. В этом сечении 3t(z) = 2 л г 2/Х (Бути­
ков, 1986). Ближняя зона (\ z\ « л г 2/Х) характерна тем, что размер лазер­
ного пучка меняется незначительно и остается близким к величине пере­
тяжки rQ. В дальней зоне | z\ » л г 2/Х, соответствующей области дифрак­
ции Фраунгофера, граница пучка может быть аппроксимирована прямой
линией, расположенной под углом (рг к оси z (Ярив, 1980):
(pr = arctg (Х / л г 0п) ~ Х / л г цп,
| z\ »
л г 2/Х,
(3.7)
где п - показатель преломления среды, в которой распространяется луч.
Угол (рг (рис. 3.2) определяет расходимость лазерного пучка, точнее
28
каждой из симметричных его половин. Н а практике за расходимость
(энергетическую расходимость) потока излучения нередко принимают
угловую ширину пучка, равную (pd = 2<рг. Она отраж ает изменение не
радиуса, а диаметра пучка. Пренебрежение таким нюансом служит ис­
точником типичных ошибок в количественных расчетах. Обычно в пас­
портных данных прибора расходимость указываю т по уровню огра­
ничения 0,5. В приведенных выше формулах граничным считали уро­
вень е~2. Для их согласования следует воспользоваться коэффициентом
пересчета, равным 1,698, т. е. (pd = l,698((pd) os (Кириллов и др., 1983). С
учетом этой поправки величина перетяжки определится из соотноше­
ния (3.7), как:
г0 = Х /л <рг = 2Х / л <pd = 1,18 Х /л ( (pd) 05,
(3.8)
где (<pjg5— р асх о д и м о сть (угл овая ш и ри н а) пучка по уровню о г­
р ан и чени я 0,5; а п ~ 1, т. к. луч р асп р о стр ан яется в газо в о й среде
активн ого р езо н ато р а. П ри известном значении гд по формуле (3.4)
рассч и ты вается р азм ер светового пучка на п р о и зв о л ь н о м р ас сто ­
янии от л азер а. Н а ч ал о м отсч ета служ ит полож ен ие перетяж ки,
ко то р о е зад ается уравн ен иям и 3.5а и 3.56. Если для и сп о л ь зо в а­
ния этих со о тн ош ен и й не х в атает и сходной и н ф орм ац и и , то не­
обходи м о оп р ед ел и ть р азм ер эк в и в ал ен тн о го ко н ф о к ал ьн о го р е­
зо н а т о р а Ьэ. П оле в так о м условн ом р езо н ато р е п олн остью с о о т ­
ветствует р еальн ом у, с н еизвестны м и п ар ам етр ам и , а п еретяж ка
н аход ится на расстоян и и 0,5Ьэ от зеркал. И сп ол ьзуя соотн ош ени е
( <Pd) 1/2 - 2(Х1п2/л b j ' /2 р ад , вы веденное Д ж . Б ой дом и Д ж . Г о р д о ­
ном (1963) для угл о во й ш и ри ны пучка в д ал ьн ей зоне к о н ф о к а л ь ­
н ого р езо н ат о р а , получим :
Ьэ = 4Х 1 п 2 /{л [(% ) 05П = 2, 77Х/{л [ ( %) 05] 2} ,
(3.9)
гДе (Фа)0.5 ~ паспортное значение расходимости пучка. Для уровня е~2
уравнение (3.9) преобразуется к виду: Ьэ = 2Х /л (р2 = 2гд/(рг. Если за на­
чало отсчета принять плоскость Z*, в которой находится выходное зер­
кало лазера, то z = z* + O^b^ = z* + r0/(pr. В случае приближенных рас­
четов удобно воспользоваться упрощенной формулой для оценки раз­
мера пучка (Кириллов и др., 1983):
r j z * ) = 0,5d + z* (pr = 0,5d + 0,85 z * ((pJoy
где z* - удален и е от л а зе р а , a d - д и ам етр п учка
зеркале.
(3.10)
н а вы ходном
29
Н а основании (3.8 -3 .1 0 ) для каждого из уровней ограничения пуч­
ка можно составить по системе уравнений:
уровень ограничения
е-2
уровень ограничения
0,5
г0 = Х/л<рг ;
r0 = l,1 8 X /{ n ((p d) 0S};
(3.11a)
bЭ= 2 Х /л (р2
;
тг >
Ьз = 2,77Х/{л[((pd) 05J 2};
(3.116)
z = z* + Х /л (рг2;
z = z* + 1,39Х/{л[(<Pd) 0S] г};
(3.11b)
r_(z*) = 0,5d + z*(pr\
rz(z*) = 0,5d + 0,85z*((Pd) oy (3.11r)
Данные соотношения позволяют провести расчет геометрических
параметров пучка на основании паспортных данных прибора. В ближ­
ней зоне излучателя для определения характеристического радиуса
необходимо использовать не выражение (3.10), а указанное выше (3.4).
Д ля дальней зоны (| z\ » л г 2/Х) это выражение можно упростить без
существенной погрешности:
г 2 = г 2[1 + (X z / л г 2) 2] ~ (X z /лГд)2, т.к. Х\ г \ / л г 2 »
1.
(3.12)
Расходимость излучения газовых лазеров весьма незначительна и со­
ставляет тысячные доли радиана. Поэтому даже на расстоянии в десятки
метров диаметр пучка будет исчисляться миллиметрами. Так, например,
широко распространенный лазер ЛГ-222 имеет выходной диаметр пучка
1,6 мм и расходимость 5x10 4 рад. Расчет по формуле (3.10) показывает,
что на экране в 10 метрах от лазера будет сформировано пятно радиусом
всего 5 мм при уровне ограничения ег2. Для обработки сравнительно круп­
ных объектов требуются большие размеры светового пучка. Достигнуть
этого можно с помощью линзы или системы линз. Их установка в опти­
ческом тракте не повлияет на гауссову форму распределения энергии в
световом пучке, но может изменить кривизну волнового фронта. Чтобы
описать распределение поля за линзой, надо определить положение и раз­
мер новой перетяжки (рис. 3.3), т. е. вычислить с, и гг (Предполагается,
что с0\ гди фокусное расстояние линзы / уже известны.) Для этого можно
воспользоваться следующей системой уравнений (Звелто, 1979):
C0 = f ± ( r 0/ r , ) ( f 2- f 02)>'2
с , = / ± ( r / r 0) ( f 2- f 2) 1'2
f 0 ~ л Гог,/Х
30
(3.13)
Рис. 3.3. Фокусировка лазерного пучка тонкой линзой (пояснения в тексте)
В фокальной плоскости линзы распределение интенсивности Т Е М ()0
моды описывается выражением (М илер, 1979):
1(г) = / 0 ехр[ - 2 ( л rD/2Xf)2],
(3.14)
где D - диам етр пучка, падаю щ его на линзу, / - е е фокусное рассто­
яние. Сравнивая (3.4) и (3.14), несложно показать, что характеристи­
ческий радиус пучка по уровню е~2в этом сечении равен:
rf = 2 X f / я D или rf = X f / л гz],
(3-15)
где rzi ~ Радиус лазерного пучка в плоскости расположения линзы, а
r/ ~ ri ~ радиус перетяжки в фокальной плоскости линзы.
Р аспределение поля в ф окал ьн ой плоскости линзы (объекти ва)
имеет свою особенность: оно п одоб н о распределению в д альн ей
зоне пучка. И з этого следует, что расходи м ость пучка после линзы
(п р ео б р азо ван н о го пучка) м ож но определить по ан алоги и с (3.7)
как (р * = arctg (Х /л г ) ~ Х /л г П од стави в значение г из (3.15), п о ­
лучаем:
<P,* = r J f .
(3.16)
Стоит обратить внимание на два допущения. Во-первых, предпола­
гается, что ср * достаточно мал и условие параксиальности лучей выпол­
няется, т. е. tg (р* ~ (р*. Во-вторых, новая перетяжка пучка лежит вбли­
зи фокальной плоскости линзы и имеет характеристический радиус, мало
31
отличающийся от г.. Д ля практических расчетов с этим можно согла­
ситься. В противном случае следует воспользоваться более громоздки­
ми вычислениями системы (3.13). Поле после линзы описывается таким
же образом, как и поле исходного лазерного пучка. При этом новым
началом отсчета будет служить фокальная плоскость, а величина пере­
тяжки определится из уравнения (3.15). С учетом переноса начала коор­
динат выражение (3.4) обеспечит расчет характеристического радиуса в
произвольном сечении, удаленном на z2 от фокальной плоскости.
Облучение биологических объектов предполагает наличие некото­
рой оптической системы, формирующей поток излучения с заданными
параметрами. В простейшем случае это может быть линза, установлен­
ная на определенном расстоянии от лазера (рис. 3.3). Предложим сле­
дующий формализм для описания геометрических характеристик ко­
герентного пучка в такой системе (табл. 3.2):
Т а б л и ц а 3.2.
СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ
Параметр
перед линзой
после линзы
радиус перетяжки
г0 = (ЬЪз/ 2 п )
rf = X f / m zl
радиус пучка
расходимость
пучка
( r j 3 = гЦ1 + (X z / m 1)>] (rJ 2 = r j[ l + (Xz2/n rj)2J
(рг ~ Х / ш 0
V'r = r j f
Данный формализм носит наиболее общий характер, но его легко
упростить применительно к частным случаям. Так, например, распо­
ложив линзу (объектив) около выходного окна лазера, для определе­
ния г _} можно воспользоваться паспортным значением размера пучка,
т. е. rzI ~ 0,5d. Для короткофокусных линз (J < 10мм) дальняя зона бу­
дет находиться менее чем в миллиметре от фокальной плоскости. Сле­
довательно, практически во всех случаях справедливым становится
следующее выражение:
rz2 — Xz2/ п rf ~ 0,5d z j f .
(3.17)
Оценим, насколько возрастет расходимость пучка за линзой. Углы
(р * и <рг задаю т геометрические размеры пучка в дальней зоне, т. е. за
пределами диф ракционного радиуса. С учетом этого их отношение
будет равно:
(p*/(pr = n r (jrzl/ X f = z l/ f .
32
(3.18)
Величина zy на несколько порядков превосходит / , следовательно, во
столько же раз возрастет и расходимость пучка.
У равнени я (3.4) и (3.5а-3.5в) с вы сокой точностью оп исы ваю т
геом етрию л азер н о го пучка. О дн ако не всегда удается вы яснить
все исходны е п арам етры акти вн ого р езо н ато р а. Т огд а следует о б ­
р ати ться к п риближ енной системе уравнений (3.11), использую щ ей
п асп ортн ы е д ан ны е п ри б ора. Н али чие линзы , установлен н ой по
ходу л у ч а, тр еб у ет д о п о л н и тел ьн о реш ен ие систем ы уравн ен и й
(3.13). В практических расчетах целесообразно восп ользоваться и з­
лож енны м вы ш е ф орм али зм ом , ко то р ы й в оговорен ны х случаях
сводится к более простом у вы раж ению (3.17). К онечной целью д а н ­
ных п р ео б р азо в ан и й является оп ределен и е х ар актери сти ч еск ого
радиуса г,. Знание этого п ар ам етр а п озвол яет рассчитать расп р е­
деление интенсивности излучения в зад ан н о м сечении л азерн ого
пучка.
Сравнивая величину г_ с размерами обрабатываемого объекта, мож­
но оценить долю используемой мощности, а также пространственную
неравномерность облучения. Д ля этого уравнения (3.1) и (3.3) преоб­
разуем к виду, удобному для графического представления:
Ia/ I 0 ~ eXP [ - 2 (a/rz)2] ’
Pa/ P o = l - e x p [ - 2 ( a / r f J ,
где / 0и 1а - плотность мощности (интенсивность излучения) в центре и
на периферии облучаемого объекта, Рд - полная мощность излучения,
Ра- мощность, падающая на объект, а - радиус аксиально расположен­
ного объекта. П роведя соответствующие вычисления, получаем два
графика в безразмерных значениях координат (рис. 3.4). Как следует
из этого рисунка, энергия излучения наиболее полно используется, ког­
да объект соизмерим или крупнее характеристических размеров лазер­
ного пучка (a/rz > 1). О днако в этом случае плотность м ощ ности в
различны х точках его поверхности будет различаться в несколько
раз, т. е. TV Ig « 1. Возникает неопределенность в оценке режима об­
лучения, что препятствует корректному проведению эксперимента. Для
решения задачи необходимо оценить допустимые пределы неравномер­
ности светового воздействия.
3 .4 . Расчет области равномерного облучения
Геометрия лазерных пучков имеет весьма сложную форму. Даже в
простейшем случае генерации одной поперечной моды ТЕМ 00 ампли33
0,05
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
а /г 2
Рис. 3.4. Равномерность облучения поверхности объекта (Iа / I ) — (1) и доля
падающей на него мощности [Ра / P J - (2), в зависимости от соотношения ради­
уса объекта а с характеристическим радиусом пятна г . (Объект установлен в
центре лазерного пучка ТЕМ00 моды)
туда поля является нелинейной функцией координат (г, г). Получить
аналитическое описание распределения плотности мощности в таком
пучке можно, проведя подстановку уравнения (3.4) в (3.2). После соот­
ветствующих преобразований находим:
I ( г, z) = {2Р0/[ я г д2 (1 + A2z2/ я 2гд4) ] } ехр {-2r 2/ [ г 2 (1 + X2z2/ n 2r04) ] }. (3.19)
Графическое представление этого уравнения позволяет видеть су­
щественную неравномерность распределения поля как вдоль, так и
поперек лазерного пучка (рис. 3.5). В корректном эксперименте следу­
ет создавать световой поток с заданной интенсивностью в области рас­
положения биологического объекта или выбранной группы объектов.
Здесь с определенной точностью должно сохраняться постоянство па­
раметров облучения. Назовем эту часть лазерного пучка областью рав­
номерного облучения (ОРО). Наибольшее относительное изменение ин­
тенсивности света во всем ее объеме не должно превосходить некоторой
величины <5. Значение 8 устанавливается как допустимая погрешность в
определении интенсивности облучения в пределах 5... 10 процентов. В
34
Рис. 3.5. Двухмерное распределение интенсивности в лазерном пучке ТЕМ00 моды,
рассчитанное по формуле (3.19) при следующих параметрах: длина волны излуче­
ния 632,8 нм; мощность генерации лазера 1 мВт; характеристический радиус в
перетяжке 1 мм
больш инстве случаев разм еры об лучаем ого объекта сущ ественно
превосходят диам етр исходного лазерного пучка. Д ля создания ОРО
достаточной величины следует увеличить расходим ость п отока из­
лучения.
Учитывая аксиальную симметрию Т Е М 00моды, область равномер­
ного облучения можно представить в виде цилиндра радиусом А г и
высотой Az. Облучаемый объект или актуальная его часть не должны
выходить за пределы этой области. В качестве базового используем
сформулированное выше определение допустимой погрешности интен­
сивности облучения
8= '( Im a x - 1m in /)И. Наибольш ее значение плотности
*'
мощности в некотором сечении Z , с координатой z будет на оси пучка.
Наименьшее - в следующем по ходу луча сечении Z 2 с координатой
35
z2 =z + Az и удалении от оптической оси на величину Аг. Таким обра­
зом, <5 = [l(0 ;z) - I(A r; z + A z ) ] / 1 ( 0;z). Без учета потерь при отраже­
нии и поглощ ении света:
1 - 8 - [ z /(z + A z ) ]2 ехр[ -2 A r 2/<p2(z + A z ) 2].
(3.20)
Это уравнение имеет два неизвестных: Az и Аг или z и (рг, в зависимо­
сти от того, что считать параметрами. Д ля его решения необходимо
ввести дополнительные условия.
Рассмотрим три наиболее характерных в экспериментальной прак­
тике случая.
1. Облучение плоского объекта (колонии микроорганизмов, листья
растений, тонкий слой семян). Если ширина объекта существенно пре­
восходит его толщину, можно пренебречь изменением интенсивности
излучения вдоль оси Z, т. е. Az —> 0. Тогда выражение 3.20 примет вид
1 - 8 = ехр[ - 2 A r 2/(p2z2] . Несложные преобразования позволяют полу­
чить следующую зависимость:
Аг/г, = [ -0,51п(1 - 8 )] ш ~ (8 /2 )1/2, где r_ = (pr z.
(3.21)
2. Облучение узкого протяженного объекта (кювета с суспензией
клеток, черенки растений, плантации или гряды с. х. культур). В этом
случае объект расположен вдоль или под небольшим углом к оси Z и
имеет малую ширину. Пренебрегая изменением интенсивности излуче­
ния в поперечном сечении пучка, т. е. Аг —> 0, получим:
A z /z = 8/(2 - 8)
(3.22)
3. Облучение объемного, достаточно прозрачного объекта (плоды,
ягоды; суспензиальные растворы , культуры in vitro). При равенстве
ш ирины и толщ ины
о б ъ е к т а р е а л и зу е т с я со о тн о ш е н и е
2Ar = Az. О братим внимание на то, что, согласно (3.22), Az/z « 1. С
у ч ето м эт и х у сл о в и й в ы р а ж ен и е (3.20) п р и в о д и т с я к виду
1 - 8 = ехр[ - A z 2/2(p2z2]. Дальнейшие преобразования позволяют по­
лучить:
A z /z = (28)т срг.
(3.23)
Имея в виду, что A z = 2Аг и (prz = г_, приходим к первому случаю, а
именно, Ar/r_ - ( 8 /2)1'2. Таким образом, если объект расположен от пе­
ретяжки на расстоянии, существенно большем, чем его собственные
размеры (z » A z ) , то можно пренебречь снижением интенсивности в
продольном сечении пучка.
36
Уравнения (3.21) и (3.23), с учетом (3.7) и (3.12), являются достаточ­
ными для определения ОРО. Они позволяю т решить и обратную зада­
ч у рассчитать параметры лазерного пучка, обеспечивающие равномер­
ное облучение объекта с заданными размерами. Представим это сле­
дующим образом:
Лг = ( 8 / 2 ) 1/2г:
= (28)'/2(pr z
гг = X z / n r 0
(3.24а)
<рг = Х/п г0
(3.246)
В качестве примера проведем количественную оценку ОРО в световом
пучке лазера ЛГН-222 на расстоянии 1 м от его выходного зеркала. Из
паспортных данных прибора известно: длина волны генерации 632,8 нм,
мощность излучения 55 мВт, диаметр пучка 1,8 мм, энергетическая рас­
ходимость 5 х 10 4рад. Будем считать удовлетворительной неравномер­
ность облучения в 10 %, т. е. 8 = 0,1. Д ля выбора расчетных формул
необходимо выяснить границу дальней зоны. Согласно (3.7) и (3.8),
гдз » 0,44Х/((pd) 05 ~ 2,5 м. Следовательно, заданное расстояние 1м на­
ходится в ближней зоне и для расчета характеристического радиуса
пучка в этом сечении необходимо использовать уравнения (3.4), (3.8) и
(3.11в). Проведя замену угла (рг на указанный в паспорте угол ( (pd) (1_и
выполнив соответствующие вычисления, получаем значения основных
геометрических характеристик лазерного пучка:
радиус перетяжки по уровню е~2
ro = ^ ^ ^ 7l( (Pjo.s ~ 473,5 мкм;
удаление заданного сечения
от перетяжки
z = z* + 1,39Х/п[(<Pd) 05] 2 ~ 2,12 м;
характеристический радиус
по уровню ет2
г = Г0{[1+ (Xz/ я г 2) 2] } 1/2= 1,02 мм.
Расчет по приближенной формуле (3.11 г) дает завышенное значе­
ние г_ — 1,325 мм. Н а это следует обратить внимание, т. к. дальняя зона
действительно расположена вдали от лазера, как правило, в несколь­
ких метрах от выходного зеркала. Н а основании (3.24а) и (3.246) про­
ведем о ц ен к у р а зм е р о в О Р О . О н и будут р ав н ы : Лг = 228м км ,
Лг = 456 мкм. То есть равномерно (достаточно равномерно) будут об­
лучаться только объекты диаметром менее 0,5 мм. Это приемлемо для
облучения отдельных колоний микроорганизмов, мелких семян или
небольших групп клеток. Во многих случаях требуются значительно
большие размеры ОРО.
37
Р асч ет п ар ам етр о в р а в н о м е р н о го о б луч ен и я б и о л о ги ч е ск и х
объектов, располож енны х в чаш ке П етри диам етром 90 мм. Вели­
чине Лг — 90/2 = 45 мм соответствует характеристический радиус пучка
г=(8/2)~,/2А г = 201,2 мм. Для лазера ЛГН-222 получить такое значение г.
можно лишь на расстоянии 105 м от выходного зеркала. Необходимо
увеличить расходимость пучка с помощью короткофокусной линзы. Х о­
рошие результаты обеспечивают стандартные объективы от микроско­
па, например ЛОМ О 40 х 0,65. Он имеет фокусное расстояние 4,25 мм и
достаточную апертуру, чтобы не диафрагмировать световой пучок. Во
многих экспериментах объектив устанавливался на расстоянии 1 м от
лазера. Как было показано выше, характеристический радиус в этом се­
чении равен г = 1,02 мм. Тогда согласно (3.16), расходимость лазерно­
го пучка за линзой определится как <р* = r4 / f ~ 0,24 рад. Дальняя зона
начинается вблизи фокуса линзы. Следовательно, определить удаление
искомого сечения с характеристическим радиусом г_ = г., = 201,2 мм от
фокальной плоскости можно по формуле z2 - г_2/(р* ~ 0,84 м. Такое рас­
стояние вполне допустимо для практической реализации.
Плотность мощности (интенсивность излучения) в зоне расположения
объекта будет с точностью до 8 соответствовать 1д = 2Р()/ п г 2 ~ 0,9 Вт/м2.
В лазерной стимуляции растений такая плотность мощности является
типичной. Д ля ее понижения достаточно выбрать иное сечение пучка с
большим характеристическим радиусом.
Увеличить значение парам етра 10 можно двумя путями. Во-первых,
использовать более мощный лазер, что не всегда доступно. Выбранная
модель ЛГН-222 и так относится к наиболее мощным. Во-вторых, со­
кратить расходимость пучка или расстояние до объекта. При этом плот­
ность мощности возрастет, но и увеличится неравномерность облуче­
ния. Следует искать компромисс.
Д ля расчета мощности, содержащейся в ОРО достаточно восполь­
зоваться выражением (3.3):
Роро = Р0 {1 - exp [~ 2(A r/rJ2]} = P J 1 - е х р ( - 8 ) ] « 5 Р ,
(3.25)
В области равномерного облучения содержится лишь незначитель­
ная часть мощности, равная 8, т. е. 5... 10 процентов от Рд. Такова цена
корректно поставленного эксперимента, но в каждом конкретном слу­
чае стоит задуматься в какой степени ее стоит платить?
3 .5 . У странение и скаж ен ия л азерны х пучков
в оптическом тракте
Приведенный аналитический аппарат отражает идеализированное со­
стояние физических процессов. В реальных условиях оптические элементы
38
а
в
г
Рис. 3.6. Фотографии поперечного сечения одномодового (а, б) и многомодового
(в, г) лазерных пучков без фурье-фильтрации (а, в) и с фурье-фильтрацией (б, г).
(Фотографии выполнены таким же способом, что и на рис. 3.1)
вносят фазовые и амплитудные искажения волнового фронта. Связано это
как с поглощением, рассеиванием и диафрагмированием излучения, так и
наличием загрязнений - микрочастиц, осевших на поверхностях линз и зер­
кал. Рассеяние когерентного излучения на фазовых неоднородностях опти­
ческого тракта сопровождается интерференцией волн, принадлежащих к
разным дифракционным порядкам. Это приводит к заметным искажениям
распределения поля в лазерном пучке (рис. 3.6 а, в).
Ч тобы устранить помеху, необходимо подавить высшие простран­
ственные частоты, т. е. убрать все дифракционные максимумы кроме
нулевого. Такая проблема реш ается с помощ ью пространственного
фурье-фильтра. Он представляет собой малоапертурную диафрагму,
установленную за линзой в зоне перетяжки пучка (рис. 3.3). Размер
отверстия диафрагмы должен соответствовать диаметру первого тем­
ного кольца дифракционной картины и связан следующим соотнош е­
нием с величиной рассеивающих и поглощающих частиц (Милер, 1979):
d0 = 2,44 Я / / dH,
(3.26)
гд£ Лф ~ диаметр отверстия фурье-фильтра; dH- диаметр неоднороднос­
тей, например, рассеивающих частиц, осевших на оптических поверхно­
39
стях; / - фокусное расстояние линзы. Через такое отверстие проходит
основная часть когерентного пучка, а рассеянное и некогерентное (фо­
новое) излучение экранируется. В результате интерференция исчезает и
восстанавливается исходный профиль пучка (рис. 3.6 б, г; рис. 3.7).
Согласно уравнению (3.26), для устранения искажений, вызванных
непрозрачными частицами диаметром 200 и менее микрон, в одномо­
довом пучке гелий-неонового лазера (Я = 0,6328 мкм) могут быть при­
менены линза с фокусным расстоянием 4 мм и точечная диафрагма с
отверстием 31 мкм. Это решение не единственное. Из уравнения вид­
но, что с увеличением разм еров загрязняю щ их частиц необходимо
уменьшать отверстие фурье-фильтра или увеличивать фокусное рас­
стояние линзы. Важно определить, какое соотношение этих элементов
дает наилучшие результаты в экспериментальной практике.
Оптимизация подавления помех в оптическом тракте лазерных облучательных установок проведена методом технического моделирова-
0 -I
0
25
^
т
т
,
50
75
100
125
Перемещение точечного фотоприемника, мм
Рис. 3.7. Распределение интенсивности излучения в поперечном сечении лазер­
ного пучка ТЕМ00 моды. Входная апертура фотоприемника 0,5 мм, шаг сканиро­
вания 1 мм, фокусное расстояние объектива 4,25 мм, диаметр отверстия фурьефильтра 35 мкм. 1 - теоретическая форма распределения; 2 - пучок, прошед­
ший фурье-фильтрацию. 3 - пучок без фурье-фильтрации. (За 100 % интенсив­
ности излучения принято значение максимума теоретического распределения)
40
ния
что для объективов с фокусным расстоянием 4.. .5 мм
диафрагмы диаметром 35...40 мкм обеспечивает качествен­
н у ю фильтрацию высших пространственных частот. П ри использова­
н и и объективов с больш им фокусным расстоянием (8...9 мм) размеры
фурье-фильтра увеличиваются до 60. ..70 мкм.
Качество подавления помех определено экспериментально, путем ска­
нирования поперечного сечения пучка точечным фотоприемником. Зна­
чения теоретической кривой рассчитаны по формулам (3.2) и (3.17). Как
следует из графиков рис. 3.7, распределение интенсивности излучения при
наличии фурье-фильтра (кривая 2) приближается к теоретическому (кри­
вая 1). Без фурье-фильтра (кривая 3) форма поперечного сечения лазерно­
го пучка существенно отклоняется от гауссовой. Искажения столь значи­
тельны, что оценка интенсивности облучения биологических объектов
может в несколько раз отличаться от истинного значения. Таким обра­
зом, фурье-фильтрацию следует считать необходимым условием коррек­
тного эксперимента с когерентными источниками излучения.
Элементы оптического тракта (линзы, призмы, зеркала и др.) вно­
сят кроме фазовых и амплитудные искажения. Они связаны с поглощ е­
нием в стекле, отражением и рассеиванием на оптических поверхнос­
тях. Эти процессы существенно зависят от длины волны излучения. В
случае видимого света и ближнего инфракрасного излучения (Я < 2 мкм)
поглощением в стекле можно пренебречь, но необходимо учесть отра­
жение на границах раздела сред. При нормальном падении луча поте­
ри света в плоскопараллельной пластине составляют приблизительно
10.. .12% (Таблицы физических величин, 1976). Рассеяние заметную роль
будет играть только на зеркалах, поэтому их лучше заменять призма­
ми полного внутреннего отражения.
Работа с ультрафиолетовым излучением требует применения специаль­
ной кварцевой оптики, в противном случае потери энергии могут оказать­
ся слишком большими. Область прозрачности различных марок кварцево­
го стекла начинается со 180.. .220 нм (поглощение менее 10% на 1 см опти­
ческого пути), в то время как у обычных стекол нижняя граница пропуска­
ния лежит в районе 320.. .350 нм. Дорогостоящие и дефицитные кварцевые
линзы могут быть заменены сферическими зеркалами с внешним напыле­
нием. Металлические покрытия (серебро, алюминий) имеют высокий ко­
эффициент отражения в широком спектральном диапазоне.
Коэффициент пропускания сложного оптического тракта (Кп), со­
стоящего из различных элементов, может быть определен по формуле
(П анов и др, 1980):
У становлено,
отверстие
т
Кпр =
где р. - коэф фициент отраж ения на границе раздела воздух - стекло
i - го оптического элемента, а - коэффициент поглощ ения (п оказа­
41
тель ослабления) оптических деталей толщ иной /г., R. - коэф ф ици­
ент отраж ения зеркальны х покры тий, т - количество оптических
элементов в оптическом тракте прибора. Х отя потери излучения при
прохож дении каж дого оптического элемента не велики (5... 15%), но
в слож ном оптическом тракте происходит значительное ослабление
мощ ности лазерного пучка. П оэтом у при организации облучения ее
следует изм ерять непосредственно в зоне располож ения объекта.
Расчет, формирование и измерение энергетических характеристик
лазерного облучения биологических объектов является необходимым,
но не достаточным условием корректного проведения эксперимента.
Не менее важно знать статистические параметры светового потока.
Именно с ними связана специфика лазерной стимуляции функциональ­
ной активности живых организмов, а также основные противоречия в
понимании механизма этого явления.
3 .6 .
К оличественны й ан ализ статистических
парам етров квазим онохром атического излучения
Свет различного спектрального состава оказывает неодинаковое
действие на растительные организмы (Конев, Болотовский, 1979). Их
ответная реакция зависит не только от средней длины волны Acj, но и
ширины спектра1АЛ. Фитохромная регуляция проявляется в сравнитель­
но узких интервалах длин вон. Во многих экспериментах для достиже­
ния стимуляционного эффекта использовали излучение с АЛ ~ 8... 16 нм,
которое называли монохроматическим, но не когерентным (Кару, 1985;
Кару и др., 1982; 1983; Лобко и др, 1985; Гамалея и др., 1988). Данное
определение неправомочно. Источники, имеющие конечную ширину
спектральной линии, следует считать квазимонохроматичными и квазикогерентными. С трого говоря, лазерное излучение также относится
к этой категории. В реальных экспериментах имеет место частичная
монохроматичность и частичная когерентность действующего на био­
логический объект поля. Чтобы избежать ош ибок и противоречий, не­
обходимо от интуитивных, качественных понятий перейти к количе­
ственной оценке данных параметров. Сделать это можно посредством
корреляционных функций, описывающих статистические свойства слу­
чайных полей, к которы м относится и квазимонохроматичесая свето­
вая волна.
Реальные физические излучатели имеют хотя и существенно раз­
личаю щ ую ся, но вполне определенную (конечную) статистическую
упорядоченность своего поля (Борн, Вольф, 1973; Джейкман, 1978;
' В радиофизике часто используется термин «полуширина спектра» или «полуши­
рина спектральной линии», что соответствует ширине контура спектральной линии
на уровне половинной амплитуды спектрального распределения.
42
Гудмен 1988) Она описывается взаимной функцией когерентности
первого п орядка1:
Г"> (г,, r2; t r t2) = < Е ( rr tt) Е * (r2, t2) >,
(3.27)
где E( r t) - случайное поле в пространственно-временных точках 1 и 2
с координатами г,, t, и r2, t2. Корреляционная функция стационарного
поля не зависит от вы бора'начала отсчета времени, а определяется ве­
личиной т = t2- 1 ,, т. е. Г<‘>(гр r2; tr t2) = Г<‘>(г,, #у т). При стягивании
радиус-векторов в одну точку (г, - г 2) говорят об автокорреляцион­
ной функции или автокогерентности в заданной точке г Н ормирован­
ное значение корреляционной функции стационарного оптического
потока интенсивностью 1(г) принимает вид (Борн, Вольф, 1973):
Y(rr г2; т = t2-1 ,) = Г<‘>(rv г2; т)/[Г<» (г,, /у 0) Г<‘>(гг г2; 0 ) Г ,
(3.28)
где Г (,) (гг г,; 0) = 1(г,) и Г п> (г2, г2; 0) = I ( г2) - автокорреляционные
функции в точках поля 1 и 2 при значении т = t2- t I = 0.
Д ля сравнения статистики различных излучений используют абсо­
лютную величину этой функции у = \у (гг г2; т)\ < 1 , получившую на­
звание степень когерентности. По определению, полностью когерент­
ными считают поля, у которых у = 1 при любых гр г„ г, некогерентны­
ми, если у = 0 (за исключением г/ = г, и/или = t2). Естественно, что в
природе таких полей нет. Более того, полностью некогерентный повер­
хностный источник вовсе не излучает (Гудмен, 1988). Свет реальных
физических излучателей (лазерных и тепловых) является частично коге­
рентным, т. е. занимает некоторое промежуточное значение (0 с у< 1).
Рассмотрим некоторые случаи, имеющие важное практическое зна­
чение. При выполнении условия E(r, t) = E J r ) E t(t) выражение (3.27)
для стационарного поля можно представить в виде произведения двух
функций (Ахманов и др., 1981):
У
г2; т) = Г а>(гу г2) Г<»(т).
В указанных границах пространственная и временная когерентнос­
ти не влияют друг на друга, т. е. факторизуются и могут рассматри­
ваться раздельно. С учетом (3.28)
У(г , г2) = | Г<» (Гр r2) / (1112) т | и у(х) = | Г<» (г) / (I) 12) 1'21. (3.29)
различных источниках порядок корреляционной функции определяется поразному. В частности, Я. Перина (1974) функцию в пространственно-временных
координатах относит ко второму порядку. Мы будем придерживаться терминоло­
гии, принятой в монографии С.А.Ахманова с соавт. (1981)
43
Обе корреляционные функции являются убывающими и их можно
характеризовать некими значениями аргументов гк и tk, при которых соб­
ственные значения функций уменьшаются в определенное число раз, н а­
пример в 2 раза или в е2 раз. Параметры г и tk получили название ради­
уса корреляции и времени когерентности поля. Они отражают статисти­
ческие свойства излучения и позволяют установить связь между спект­
ральными и корреляционными характеристиками излучения.
Степень когерентности можно установить экспериментально. Для это­
го необходимо воспользоваться интерферометром и измерить видность
интерференционной картины при различных значениях t2 - или г2 - гг
Видность или контраст полос V определяется известным выражением
V - (1 Im ax - 1 m m. ') / (' ! m ax + 1min'. ),5 где / m ax и Iпип. - экспериментально
определенг
r
ные максимальная и минимальная интенсивности интерференционной
картины. В свою очередь, V -
2Ш ~ 2 , ,
I у| (Перина, 1974). При / ; = / 2
h + 12
I
V = I у\ =
- , где и 12 - интенсивности интерферирующих лучей.
лД А
Если воспользоваться, например, интерферометром Майкельсона с ам­
плитудным делением исследуемого пучка на интерферирующие лучи, то
можно определить функцию временной когерентности Г а>( т) и, соот­
ветственно, тк. Интерферометр Ю нга, с делением пучка по фронту, обес­
печит измерение пространственной корреляционной функции Г 0>(гг г2)
и радиуса корреляции излучения тк. Такие измерения достаточно трудо­
емки и требуют специальной техники. Поэтому во многих случаях целе­
сообразнее использовать расчетные методы.
Квазиплоская (слаборасходящаяся) квазимонохроматическая вол­
на, распространяющаяся вдоль оси Z, записывается в аналитической
форме:
E(r, z, t) = A ( r ) ехр i(a>0 1 - к ^ ) ,
(3.30)
где А (г) - комплексная амплитуда волны, г - радиус-вектор, лежащий
в плоскости, перпендикулярной оси Z, к = к - волновой вектор вол­
нового числа к 0 = 2п/Хд, (од и Хд - средняя частота и длина волны излу­
чения. Такую волну можно представить суперпозицией плоских моно­
хроматических волн, у которых волновые вектора к. составляют неко­
торы е малы е углы 0 с осью Z . Если их поперечны е ком поненты
к ’У = кJ sinQх ,у ~ к и„ 0 х , у , то половинная ширина углового спектра волны
(3.30) определяется как А в х у = А к х //сД А х м ан о в и д р ., 1981). (Для изот­
ропного поля к = к - к и A d = A fc /k ) . В принятых условиях ширина
44
частотного спектра Лео « со0. Теорема Винера-Хинчина позволяет устаНг.НМтт. связь между спектральными и корреляционными параметрам и
и з л у ч е н и я
И з нее следует: т4 Л(0 ~ 1 и гк Л в ~ Я. В основе преобра­
зований подобного рода лежит тот факт, что корреляционная функ­
ция случайного стационарного процесса является фурье-трансформантой его спектральной плотности, т. е.
Г (г) =
f Gfd)) ехр (ion) dco;
L
G(co) = —
J
Г(т) e x p ( - i m ) dr,
n °
где G(a>) - волновой спектр, описывающий распределение случайного
процесса по частотам со. Рассмотрим вначале, как пространственная
когерентность (пространственная поперечная корреляционная функция)
влияет на геометрические характеристики светового пучка.
В фундаментальной монографии С.А. Ахманова с соавт. (1981) по­
лучен ряд соотношений, которые полезно использовать при анализе
статистических свойств действующего на биологический объект излу­
чения. Так, например, полуширина углового спектра по уровню е~2про­
странственно ограниченной (пространственно неоднородной) частич­
но когерентной волны задается уравнением
Л в - ( 2 / к а) [(1 + 2 а2/ г к2) ] ,/2,
(3.31)
где а - радиус пучка со случайными пространственными флуктуация­
ми интенсивности. Выделим два крайних случая.
1. Пучки с низкой пространственной когерентностью (гк « а).
Типично для тепловых источников излучения со сравнитель­
но большой апертурой. Согласно (3.31)
Л в = 2 Л / к г к.
(3.31а)
В этом случае угловой спектр и, следовательно, расходимость
определяются радиусом корреляции и не зависят от размера
пучка.
2. При значительной пространственной когерентности (гк» а),
характерной для одномодовых лазеров, уравнение (3.31) при­
обретает вид:
Л в = 2/к а = Х/па.
(3.316)
То есть расходимость не зависит от радиуса корреляции и
определяется его размером пучка. Заменив а на г0, получаем
известное выражение (3.7) для дальней зоны лазерного излу­
чателя с нулевой модой.
45
Важно определить, каким образом изменяется радиус корреляции в
процессе распространения пучка. Для этого необходимо воспользоваться
теоремой Ван-Циттерта-Цернике, определяющей связь поперечной кор­
реляционной функцией поля с начальным распределением интенсивнос­
ти излучения. Пусть пространственно ограниченная волна, имеющая
равном ерное распределение интенсивности, представляется в виде
l( r ) = I при r < c i w l ( r ) - 0 при г > а. Примером может служить поток
света теплового источника, пропущенный через круглую диафрагму
диаметром 2а. Указанная теорема дает следующее значение модуля нор­
мированной корреляционной функции (Джейкман, 1978)
Yfs, z) = 2 \ J I(kas/z) / (kas/z) | ,
где J / k a s / z ) - ф ункция Бесселя. Радиус корреляц и и определяется
из условия kas/z = 1, при s = гк (А хм анов и д р ., 1981, Т а р а с о в ,1976).
Т огда:
(3.32)
rk(z) = X z /2 n a - 0,16X/a,
где a - a / z ~ угловой радиус источника излучения, что соответствует
y(s,z) = 0,88. Первое нулевое значение корреляционная функция при­
обретает при kas/z = 3,83, т. е. при s - О,61 Х/а. (Данное выражение также
используется для определения радиуса корреляции (Перина, 1974; Бу­
тиков, 1986), но оно является менее строгим.) Таким образом, источ­
ник с однородной интенсивностью излучения создает пучок, в кото­
ром высокая пространственная когерентность прослеживается внутри
окружности радиусом s - гк = О,16Х/а. Когерентные эффекты будут
наблюдаться и при больших значениях s, вплоть до s — 0,61 X /а. Как
следует из (3.32), радиус корреляции линейно возрастает по мере уда­
ления от источника излучения радиусом а.
Для частично когерентных пучков, имеющих распределение интен­
сивности по поперечному сечению/(V,) =1дехр( - 2 г 2/а2), где а - началь­
ный радиус пучка по уровню е 2, модуль нормированной корреляци­
онной функции имеет вид (Ахманов и др., 1981)
Отсюда радиус корреляции по уровню е ~2 определится как:
r j z ) = 2Xz/na.
(3.33)
С равнивая (3.12) и (3.33), можно заметить, что радиус диф рагиру­
ющего пучка изменяется по тому же закону, что и его корреляцион­
ный радиус. Их отношение равно некоторой постоянной величине и,
46
меняется в процессе распространения пучка (Ахманов и др., 1981). И ными словами:
соответственно, не
rk(z )/a (z) = r j a = С,
(3.34)
где г и а - начальные значения радиуса корреляции и размера пучка.
Соотношение (3.34) имеет важный физический смысл, т. к. указывает на
статистический инвариант пучка. При прохождении по оптическому
тракту, содержащему линзы и зеркала, радиус корреляции продолжает
оставаться одной и той же долей радиуса пучка в любом сечении.
До сих пор мы рассматривали частично когерентные, квазимонохроматические пучки света. Принято полагать, что лазерное излучение обла­
дает высокой пространственно-временной когерентностью. Но это зак­
лючение нельзя считать безусловно верным. Так, например, радиус кор­
реляции существенно ограничен числом поперечных мод N. С.А. Ахмановым с соавт. (1981) предложены расчетные формулы для определения
радиуса корреляции многомодовых лазерных пучков с N » 1:
rk —2а (In N ) / N ,
для резонатора с плоскими зеркалами размером 2а;
(3.35а)
гк = ( 4 з r J / N ' /2, для резонатора со сферическими зеркалами.
(3.356)
Такие зависимости характерны для полупроводниковых и многих
гелий-неоновых лазеров. По мере увеличения числа мод статистика л а­
зерного излучения будет приближаться к гауссовой. Совершенно иная
картина наблю дается при генерации одной поперечной моды типа
ТЕ М ^. В этом случае корреляционная функция незначительно убыва­
ет на масштабе характеристического радиуса пучка, то есть г> > г_, а
Y(s) = 1, при s = гк. К ак мы уже отмечали ранее, расходимость таких
пучков не зависит от радиуса корреляции и определяется явлениями
дифракции (3.316). При использовании гелий-неоновых лазеров с не­
известным числом поперечных мод удовлетворительные результаты
дает соотношение г, ~ г
Гу
к
z
Для волны (3.30) время корреляции тксвязано с частотным спект­
ром соотношением (Борн, Вольф, 1973) Асотк = 2тс. Отсюда следует весь­
ма важное выражение
к = с \ = я /м я ,
(3-36)
где Хд - длина волны в максимуме спектрального распределения, АХ интервал длин волн, соответствующий частотному интервалу Асо, с скорость света в среде распространения волн. С учетом условия факто­
ризации (3.29) величины тк и гк определяют объем когерентности поля
к как часть пространства, в котором сохраняется статистическая связь
47
случайных процессов. Численно Vk равно произведению площади ко­
герентности А к~ г 2 на длину когерентности L k, т. е.
(3.37)
Применение данной формулы ограничено условием факторизации,
которое нарушается при удалении от источника на расстояние боль­
шее
= ( Ыд/Асо)ка2. В этом случае пространственно-временная кор­
реляционная функция описывается выражением Г(т) ~ ехр[ - s 2/(4 czтк)]
(Ахманов и др., 1981). Воспользовавшись определением радиуса кор­
реляции по уровню е~2, можно получить:
(3.38)
К ак видно из (3.38), радиус корреляции приобретает зависимость
от времени когерентности и их нельзя рассм атривать обособленно.
О днако это наступает лиш ь при очень больших значениях z. П ростой
расчет показы вает, что даж е для низком онохром атического пучка
(Асо/со0 = 0,1) диаметром 2а = 0,1 м условие факторизации наруш а­
ется в 300 км от источника излучения. То есть данный случай не пред­
ставляет практического интереса.
Из формализма описания когерентных полей следует, что между
статистическими параметрами тепловых и лазерных источников излу­
чения нет принципиальных различий. Они появляются лиш ь в высших
порядках когерентности. Определить это можно, например, посред­
ством статистики фотоотсчетов (Спектроскопия оптического смеше­
ния, 1978, Глаубер, 1966). Зарегистрированное в течение некоторого
времени количество фотонов для теплового источника будет описы­
ваться распределением Бозе-Эйнш тейна, а для одномодового лазер­
ного - распределением П уассона (Перина, 1974). С ростом числа попе­
речных мод эти различия сглаживаются в сторону низкокогерентного
излучения. В какой степени высшие порядки когерентности могут ска­
заться на биологических процессах, пока неизвестно. В то же время
стимулирующее действие монохроматического, а потому и когерент­
ного, света подтверждается большим количеством экспериментальных
работ, которые будут рассмотрены ниже.
К орректные эксперименты по изучению лазерной стимуляции фун­
кциональной активности живых организмов невозможны без расчета,
формирования и количественной оценки полной совокупности п ара­
метров облучения. Она обязательно должна включать в себя как энер­
гетические, так и статистические характеристики поля. Применяя опи­
санную методологию, был проведен комплекс исследований, давших
некоторое представление о механизме биорегуляторных функций ко­
герентных электромагнитных полей (главы 4 и 5).
48
4.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
4 .1 .
П рим енение лазерного излучения
для стимуляции дистанционного м еж клеточного
взаим одействия
И з обзора, приведенного во второй главе, следует, что дистанци­
онное взаимодействие клеток может осущ ествляться посредством
электромагнитных полей, при этом целый ряд ф актов указывает на
их высокую статистическую упорядоченность (когерентность'). В боль­
шинстве случаев для наблю дения ДМ В требовалось искусственное
возбуждение биоиндуктора. С этой целью применяли различны е хи­
мические и физические раздраж ители: биологически активные веще­
ства, яды, нагрев, электрический ток, ионизирующ ее излучение и др.
П ри всем многообразии инициируемых ими процессов в конечном
счете происходило изменение в окислительном метаболизме клетки,
сопровождаю щееся усилением хемилюминесценции. В реакциях сво­
боднорадикального окисления элементарные экзотермические акты,
являющиеся эмиттерами фотонов, не коррелированны между собой,
и такое излучение долж но носить стохастический характер. В то же
время в процессе ды хательного взры ва при общем усилении сверх­
слабого свечения клеток B.JT. Воейкову и И.В. Баскакову (1994) уда­
лось зарегистрировать некоторую компоненту сверхслабого свечения
с синхронизацией фаз (статистической упорядоченностью ) эмиссии
многих десятков фотонов. Возникает вопрос: излучение какой при­
роды выполняет коммуникационную функцию при дистанционном
взаимодействии клеток? Д ля ответа на него следует применить ф ак­
49
тор, повыш аю щ ий активность биоиндуктора, но одновременно п ро­
являющ ий антиоксидантны е свойства. Таким раздраж ителем может
быть высококогерентное излучение гелий-неоновых лазеров. Его дей­
ствие снижает уровень свободнорадикального окисления и, следова­
тельно, интенсивность спонтанной хемилюминесценции (Девятков и
др., 1987; Гончарова и др., 1994). Если при этом лазерная обработка
клеток такж е будет стим улировать Д М В , то тогда мож но сделать
вывод, что спонтанная хемилюминесценция является лишь сопутству­
ющим процессом , а ком м уникационнная функция осущ ествляется
излучением другой природы.
Наши эксперименты по дистанционному взаимодействию (Будагов­
ский и др., 2001) были организованы по традиционной схеме. Биоло­
гические объекты, исполняющие роль индуктора, подвергали действию
раздражителя, который изменял их функциональную активность. После
этого индуктор располагали в зоне оптического контакта (на прямой
видимости) с биологическим детектором. Его состояние предваритель­
но не модулировалось и соответствовало норме. В качестве контроля
использовали точно такие же объекты, как и детектор, но не имевшие
оптического контакта с индуктором. О наличии дистанционного взаи­
модействия судили по различию функциональных состояний детекто­
ра и контроля через несколько часов культивирования в одинаковых
условиях.
О бъектом облучения служ ила п ы льца виш ни п ен сильванской
(Cerasuspensylvanica L.) и гибрида сливы домашней (Prunus domestica L . ) .
Мужской гаметофит этих культур активно реагирует на лазерное из­
лучение, что позволяет сравнительно легко получить существенные
различия между опытом и контролем. В качестве источников когерен­
тн о го и злучения и сп ол ьзовал и гел и й -н еон овы е л азеры (Л Г-113;
ЛГН-222; ЛГН-303), настроенные на режим генерации одной попереч­
ной моды Т Е М 00 с длиной волны 632,8 нм. Ф ормирование светового
потока заданной интенсивности осуществляли при помощи перестра­
иваемого коллиматора с фурье-фильтром. Последний был необходим
для устранения высших пространственных частот, возникающих в оп­
тическом тракте из-за дифракционных помех. В результате принятых
мер излучение обладало высокой пространственно-временной когерен­
тностью, а его распределение в поперечном сечении пучка имело гаус­
сов профиль. Плотность мощности в зоне облучения, ее неравномер­
ность, а также количество энергии, поглощ енной объектом, рассчиты­
вали с учетом распределения поля в дальней зоне одномодового пучка
(глава 3). В каждом эксперименте облучение пыльцы, служившей в даль­
нейшем индуктором, проходило на нескольких режимах. Длительность
облучения изменяли в диапазоне от 0,5 до 24 минут при фиксированной
плотности мощности, не превышавшей 12 Вт/м2. Такие параметры облу­
чения не могли привести к деструктивным процессам и заметному нагре50
rv клеток О биологической эффективности воздействия судили по
ппопастанию пыльцевых зерен. Д ля этого готовили следую щие ци­
тологические препараты . П оверхность предметных стекол разм ером
25 х 75 мм п окры валась тонким слоем питательной среды, содерж а­
щей 0 8% агара, 15% сахарозы и 0,001% борной кислоты. Н а застыв­
шую среду высевали пыльцу со средней плотностью 20 зерен на квад­
ратны й миллиметр. Далее препараты размещали во влажных камерах:
чаш ках Петри или специально изготовленном герметичном боксе с
ячейками на 64 стекла. Инкубация проходила при температуре 28 °С в
течение 24 часов. После этого пыльцу инактивировали хлороформом
и по стандартной методике (Паушева, 1974) определяли ее прорастаемость. Принимая во внимание замечание В.П. Казначеева (1978, 1981)
о сезонном характере проявления ДМВ, эксперименты проводили в раз­
ные годы и различные месяцы. Даты обработки пыльцы вишни: 15.06.87;
8 .0 7 .8 8 ; 2 5 .0 5 .9 5 ; 28.06.95; 01.08.95 и 16.04.96; сливы: 18.07.88. Всего было
проведено три серии эксперим ентов. П осле каж дой серии м етоди ­
ку ко р р екти р о вал и , что будет отраж ено по ходу обсуж дения р е­
зу л ьтато в.
В первой серии пыльцу облучали на предметных стеклах сразу же
после ее нанесения на питательную среду. Во время обработки полови­
ну стекла вдоль большей стороны закрывали непрозрачным экраном.
Находящаяся за ним пыльца не подвергалась действию лазерного из­
лучения и служила биодетектором. Функцию индуктора выполняла
пыльца, расположенная на освещенной половине стекла. В качестве
интактного контроля использовали полностью необлученные препа­
раты. В предыдущих экспериментах была установлена нелинейная,
причем многомодальная зависимость ответных реакций биосистем от
длительности лазерного облучения (Budagovsky, 1995). П оэтому для
надежного воспроизведения эффекта применяли временной ряд экспо­
зиций: 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 12; 16; 24 мин. После облучения препараты со
снятыми экранами размещ али по одному в закрытых чашках П етри на
весь период инкубации (24 часа). Таким же образом располагали и кон­
трольные препараты. П ри анализе прорастаемости пыльцы просмат­
ривали по 50 независимых полей зрения на облученных и необлученных частях стекла, а также на контрольных препаратах с интактной
пыльцой. Типичные результаты для этой серии опытов представлены
на рис. 4.1. К ак видно из графиков, прорастание пыльцы вишни пен­
сильванской сущ ественно различалось по годам. Ее низкая функ­
циональная активность в 1987 г. была связана с аварией на Чернобы ль­
ской АЭС. Выпавшие весной 1986 года радиоактивные осадки приве­
ли к значительному /^-загрязнению поверхности листьев, побегов, цвет­
ковых почек, что негативно сказалось на формировании мужского гаметофита плодовых культур. Прорастание пыльцы вишни пенсильван­
ской в поставарийном году снизилось по абсолютной величине до 5%
51
■O'
п
3
с
<D
s
я
снЗ
еой
а
о
а
С
4
8
12
16
Длительность облучения, мин
О
4
8
12
16
20
24
Длительность облучения, мин
Рис. 4.1. Дистанционное взаимодействие пыльцы вишни (А) и сливы (Б) при раз­
личных длительностях лазерного облучения: И - индуктор (облученная пыльца);
Д - детектор (необлученная пыльца, имевшая связь с облученной); К - контроль
(необлученная пыльца, оптически изолированная от индуктора)
(нижняя ro vnna кривых на рис. 4.1 А). Через несколько месяцев за счет
дезактивации положение стабилизировалось, и уже в
1988 г о л у развитие генеративных клеток соответствовало норме. В обоих
случаях лазерное облучение вызывало стимуляцию физиологических про­
цессов особенно заметную на ослабленны х организм ах 1987 года.
К ак и у других объектов, ответная реакция пы льцы виш ни и сливы
имела сложную , м ногом одальную зависим ость от длительности об ­
лучения Н а оптим альны х реж имах, соответствую щ их характери с­
тическим временам стимуляции, ее прорастание в 2 ...4 раза превы­
шало уровень интактного контроля. Н еоблученная пыльца, располо­
женная н а этих же стеклах с теневой (заэкранированной) стороны ,
для больш инства препаратов такж е показала статистически зн ачи ­
мые различия с контролем. Н априм ер, в опыте с пыльцой сливы при
одноминутном облучении различия детектора с контролем существен­
ны с уровнем значимости а < 0,001. Ф ункциональная активность об­
работанного лазерным излучением индуктора и необработанного де­
тектора, наоборот, была практически одинаковой. Уровень значимос­
ти нулевой гипотезы весьма высок (а > 0,4), а рассчитанное значение
критерия Ф иш ера меньше критического даж е для доверительн ого
уровня Р = 0,90 (F = 0,58 < F Kp = 2,81). В целом ответная реакция ин­
дуктора и детектора имела весьма похожий вид временных зависимо­
стей. Коэффициент корреляции между этими кривыми у сливы оказал­
ся равным 0,83, а у вишни в 1987 г. достиг 0,93.
Столь заметное совпадение функциональной активности детектора и
индуктора говорит о наличии дистанционного взаимодействия, возникаю­
щего между пыльцевыми зернами в пределах одного препарата. Такое яв­
ление наблюдали на многих (но не «всех) режимах, и оно было особенно
выражено в области коротких (0,5.. .4 мин) длительностей облучения. Рас­
стояние, на котором происходило взаимодействие, составляло в среднем
12,5 мм, однако оставалось неясным, носили ли эти коммуникационные от­
ношения полевой характер. Чтобы исключить возможность передачи ин­
формационного сигнала посредством диффундирующих в питательную
среду регуляторных метаболитов, была изменена методика облучения.
Во второй серии экспериментов облученную и необлученную пыльцу
вишни пенсильванской располагали на отдельных препаратах, целиком
покрывая их рабочую поверхность. Между облучением пыльцы и ее посе­
вом на стекла с питательной средой выдерживали интервал 30 минут, при
этом обе процедуры проходили в разных помещениях, что исключало зас­
ветку детекторов и контролей рассеянным когерентным излучением от
лазера. Во время инкубации на дне каждой чашки Петри находилось два
препарата, один - с облученной пыльцой - индуктор; другой - с необлученнои - детектор. Контрольные препараты, также по два, размещали в
тдельных чашках. Всего было проведено три независимых эксперимен• в мае, июне и августе 1995 г. с пыльцой, собранной в конце апреля
естественной
53
этого же года. В каждом эксперименте лазерную обработку проводили на
трех режимах: 30, 60 и 120 секунд при плотности мощности 10 Вт/м2.
Полученные результаты подтвердили наличие дистанционного вза­
имодействия в системе двух изолированных препаратов с облученной
и необлученной пыльцой. В разные месяцы эффект наиболее устойчи­
во воспроизводился при длительности воздействия на индуктор 30 се­
кунд. Заключался он в существенной (в 3-5 раз) и статистически значи­
мой (а < 0 ,0 0 1 ) по отношению к контролю стимуляции функциональ­
ной активности как индуктора, так и сопряженного с ним биодетекто­
ра (табл. 4.1).
В работе А.А. Гурвич (1986) показаны синхронизация и простран­
ственная координация процессов, связанных с митогенетическим из­
лучением. Вероятно, для развития полевых коммуникационных отно­
шений помимо стимуляции необходима еще и качественная перестройка
в сообществе транслирующих клеток. В наших экспериментах это вы­
разилось в большей согласованности прорастания пыльцевых зерен
индуктора и детектора по сравнению с интактным контролем. Н апри­
мер, во всех трех вариантах опыта, проведенного в июне, размах вари­
ационных кривых одинаков, но характер распределений имеет между
собой мало общего (рис. 4.2). Если в контрольных препаратах редко
встречаются поля зрения с интенсивно прорастающей пыльцой, то у
препаратов детектора, наоборот, во всех случаях присутствуют функ­
ционально активные зерна с хорошо выполненными пыльцевыми труб­
ками (рис. 4.3). Еще раз отметим, что эти препараты практически оди­
наковы. Различие заключается лишь в том, что детектор мог «видеть»
индуктор, а контроль нет.
В условиях дистанционного взаимодействия вариабельность про­
растания пыльцы у индукторов и детекторов оказалась в 2-3 раза ниже,
чем в интактном контроле. Так, например, у индуктора она составила
45%, у детектора - 31%, а в контроле - 102%. Это указывает на коопе­
ративный характер пролиферации клеток, прямо или косвенно возбуж­
денных низкоинтенсивным когерентным излучением.
В данной серии экспериментов контакт между индукторами и де­
текторами через питательную среду был полностью исключен - взаиТ а б л и ц а 4. 7.
ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ ЭФФЕКТА ДИСТАНЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПЫ ЛЬЦЫ ВИШ НИ по МЕСЯЦАМ
Прорастание пыльцы, %
Варианты опыта
Индуктор
Детектор
Контроль
54
май
42,8 ± 2,6
42,8+ 2,8
14,3 ±3,9
июнь
26,1 ± 1,7
33,6 ± 1,5
10,5 ± 1,3
август
46,5 ±2,6
40,1 ±1,6
8,1 ±0,7
П рорастание пыльцы, %
Рис. 4.2. Распределение микроскопических полей зрения (увеличение 8x10) по
прорастанию пыльцевых зерен вишни на препаратах с искусственной питатель­
ной средой. Время лазерного возбуждения индуктора - 30 сек. Обозначение
кривых такое же, как на рис. 4.1
Рис. 4.3. Пыльца вишни (увеличение 20x10). Непроросшие - 1 и проросшие - 2
пыльцевые зерна с пыльцевыми трубками - 3
55
модействующие препараты не касались друг друга. В то же время нельзя
игнорировать возможность инф орм ационного обмена посредством
летучих компонентов метаболизма, что и было учтено в следующих
опытах. Д ля выделения в чистом виде полевой компоненты ДМ В не­
обходима или совершенная химическая изоляция индукторов и детек­
торов, или, наоборот, общая газовая среда в системе: «индуктор-детектор-контроль». Естественно, что в обоих случаях между соответ­
ствующими образцами должна сохраняться оптическая связь. Так как
по поводу спектральных характеристик излучения, обеспечивающего
полевое взаимодействие, нет единого мнения, мы постарались избежать
ограничения области прозрачности оптического тракта введением каких-либо изолирующих материалов (стекло, кварц, полистирол). Т а­
кую возможность представляет только второй вариант схемы опыта.
Д ля его реализации был изготовлен герметичный бокс с ячейками на
64 п реп арата и каналам и для свободного газообм ена между ними
(рис. 4.4). Индукторы и детекторы фиксировали на расстоянии 3 мм
«лицом» (пыльцой) друг к другу. Также попарно располагали контроли. С обратной, нерабочей стороны все стекла экранировали тонкой
алюминиевой фольгой, препятствующей паразитной засветке. Облу­
чение проходило как и в предыдущей серии экспериментов и на тех же
режимах. Во время инкубации в боксе находилось 24 оптически сопря­
женных пары «индуктор-детектор» (по 8 для каждой экспозиции) и еще
8 пар интактного контроля, расположенных между ними. Наибольш ий
эффект стимуляции и дистанционного взаимодействия, как и ранее,
наблю дали при экспозиции 30 секунд.
Статистический анализ результатов показал, что оптически сопря­
женные клетки индуктора и детектора не различаются по функциональ­
ной активности (а > 0,87). Рассчитанное значение критерия Фишера
F = 0,03 намного меньше критического F Kp = 3,90 при доверительном
уровне Р = 0,95. В то же время у препаратов детектора и контроля, в
равной степени не подвергшихся предварительной лазерной обработ­
ке, но разделенных металлическими экранами, прорастание пыльцы раз­
личалось с высокой надежностью (а < 0.001). Это также подтверждает
критерий Фишера F p = 23,71 » F xp = 3,90. Важно отметить, что все стек­
ла находились в общей газовой среде и не имели друг с другом механи­
ческих контактов. Полученные результаты указывают на ведущую роль
не химической, а полевой формы дистанционного взаимодействия в
модельных сообществах пыльцевых зерен, используемых в данном эк­
сперименте. Этот вывод, вероятно, справедлив и в отнош ении двух
первых серий экспериментов, в которы х связь посредством молеку­
лярны х носителей не была полностью исключена или скомпенсиро­
вана.
Проведенные исследования выявили способность мужского гаметофита плодовых растений к полевой (нехимической) форме дистанцион56
к
v:
и
Д
j
Г
. Г
"1
J
к.
д
С
V-
к
Рис. 4.4. Схема расположения препаратов в герметичном боксе. 1 - светонеп­
роницаемый защитный экран, 2 - предметное стекло с тонким слоем питательной
среды, 3 - пыльца нанесенная на поверхность питательной среды. (Бокс изготов­
лен Г.А. Гуди)
ного взаимодействия. Наиболее ярко это проявляется в кооперативном
характере пролиферативных процессов оптически сопряженных клеток.
Пыльца, прорастание которой предварительно стимулировали лазерным
излучением, повышает функциональную активность необлученных пыль­
цевых зерен на расстоянии, в сотни раз превосходящем их диаметр. Ве­
роятно, в норме такое возбуждение транслирующих клеток происходит
за счет эндогенных процессов. Однако в условиях эксперимента для на­
дежной регистрации феномена требуется искусственное раздражение био­
индуктора. Во многих случаях ДМ В наблюдали на фоне резкого повы­
шения интенсивности спонтанной хемилюминесценции, вызванной ды ­
хательным взрывом или иным усилением окислительного метаболизма
клетки (Molchanov, Galantsev, 1995; Shen X. et al., 1995 и др.). Соответ­
57
ственно, делался вывод об участии именно этой формы сверхслабого
свечения в коммуникационном процессе.
В своих исследованиях для возбуждения биоиндуктора мы исполь­
зовали лазерное излучение, активирующее антиоксидантную систему
клетки. Кратковременное воздействие такого фактора снижает уровень
перекисного окисления липидов и интенсивность спонтанной хемилю­
минесценции (Девятков и др., 1987; Гончарова и др., 1994). К ак пока­
зали эксперименты, эффект дистанционного взаимодействия проявля­
ется при этом не в меньшей степени, чем при дыхательном взрыве. Сле­
довательно, полевые контакты не зависят от уровня спонтанной хеми­
люминесценции, носящей по своей природе стохастический характер.
Данный вывод хорошо согласуется с фактами, на которых мы акценти­
ровали внимание во второй главе. Они в той или иной мере указывают
на высокую статистическую упорядоченность поля, участвующего в
ДМВ. Механизм генерации такого поля связывают с кооперативным воз­
буждением электронных состояний макромолекул, в частности Д Н К (Быховский, 1973; P oppet al., 1984; Popp, Li, 1993; Popp, 1995; 2000; Rattemeyer
et al., 1981). М ожно предположить, что биохемилюминесценция нео­
днородна по своим статистическим свойствам и представляет собой
суперпозицию нескольких типов оптического излучения различной
природы. Наиболее' вероятно, коммуникационную функцию, т. е. фун­
кции «биополя», выполняет именно когерентная ее составляю щ ая.
Однако это требует более строгого доказательства.
4 .2 . Экспериментальное доказательство
статистической упорядоченности излучения,
осущ ествляю щ его комм уникационны е функции
Вопрос статистической упорядоченности излучения является ключе­
вым как для понимания механизма дистанционного межклеточного вза­
имодействия (ДМВ), так и природы вторичного биогенного излучения
(ВБИ). Автор теории ВБИ А.М. Кузин поставил перед нами задачу най­
ти экспериментальное подтверждение обоснованного им положения о
когерентности биогенного излучения. Такой эксперимент был проведен
в 1996 году на базе отдела биофизики В Н И И Г иС П Р(К узинидр., 19976).
Для решения поставленной задачи мы предложили использовать фазо­
вые экраны, выполненные из одинакового материала, но имеющие раз­
личную структурную организацию. Один из них должен быть упорядо­
ченным и вносить постоянный сдвиг фаз в проходящий сквозь него по­
ток фотонов. Такой экран не влияет на когерентность излучения. Дру­
гой необходимо сделать неупорядоченным, со случайной статистикой
распределения центров рассеяния (стохастический фазовый экран 58
г ф Э л Его присутствие нарушает корреляцию фаз в фотонном коллек­
тиве Рабочая гипотеза строилась следующим образом: если ВБИ обла­
дает большей когерентностью, чем естественный рассеянный свет, и бла­
годаря этому свойству выполняет свою коммуникационную функцию,
то указанные типы экрана должны по-разному повлиять на эффект дис­
танционного взаимодействия. Организация индукции ВБИ и его регис­
трация проходили по методике, разработанной А.М. Кузиным (1997).
Индуктором служила свежая донорская кровь здорового человека. Ее
ст а б и л и зи р о в ал и геп ар и н о м (а н т и к о а гу л я т о р о м ) и п о д в ер га л и
у-облучению 60Со на ради ац ион н ой установке РХМ -у-20. В качестве
б иодетектора использовали семена редиса сорта Ж ара, располож ен ­
ные на влажной фильтровальной бумаге в чашках Петри диаметром
100 мм. Об эффекте дистанционного взаимодействия судили по пред­
ложенному А.М . Кузиным индексу роста ИР, который определяли как
И Р = £ х 100 / N, где Z - суммарная длина всех проростков каждой по­
вторности опыта, N - общее количество проросших и не проросших се­
мян в данной повторности. Индекс роста подсчитывали через 48 часов
культивирования в темноте при температуре 28 °С. Эксперименты про­
водили со свежей донорской кровью (1 час после отбора) и выдержан­
ной в течение 48 часов в холодильнике при температуре 4 °С.
Отличительной чертой данного эксперимента являлось то, что излу­
чение одного и того же биоиндуктора попадало на биодетекторы через
фазовые экраны с различной структурой. Достигалось это с помощью
стандартной фотометрической кюветы из кварцевого стекла, у которой
две противоположенные грани прозрачны, а две остальные матирова­
ны. Все грани одинаково слабо поглощ аю т свет, но матированные рас­
сеивают его, снижая пространственную когерентность излучения. Пос­
ле заполнения кюветы у-облученной кровью, ее боковые стенки стано­
вятся фазовыми экранами (фильтрами) для ВБИ. Саму кювету герме­
тично закрывали крышкой и устанавливали в центре чашки Петри, раз­
деленной на четыре сектора непрозрачными экранами (рис. 4.5). П ро­
тив каждой грани в границах своего сектора находился биодетектор влажные семена редиса. Н а детекторы 1 и 3 биогенное излучение индук­
тора попадало через стохастический (неупорядоченный) фазовый экран,
а на детекторы 2 и 4 - через упорядоченный. Другие формы оптическо­
го взаимодействия исключены экранами. Контроль организован таким
же образом, но кровь в кювете не была возбуждена у-облучением. Соранные контрольные и опытные препараты (чашки Петри с семенами
и кюветами с кровью) оставляли в термостате на 48 часов, в течение ко­
торых проходило прорастание семян и осуществлялось дистанционное
падигвое взаимодействие между индуктором и детектором.
езультаты эксперимента свидетельствуют, что упорядоченный и
неупорядоченный фазовые экраны по-разному влияли на процесс ДМВ
ф ис. .6 ). Стимуляция функциональной активности семян была значи59
1
Рис. 4.5. Схема эксперимента по влиянию фазовых экранов различного типа на
дистанционное взаимодействие клеток. И - индуктор, донорская кровь здорово­
го человека. Д 1...Д 4 - детекторы, семена редиса. 1 - чашка Петри, 2 - кварце­
вая кювета с кровью, 3 — замоченные семена редиса, на подложке из фильтро­
вальной бумаги, 4 - непрозрачные перегородки.
14
□2
13
12 i
11
\
1° ]
9 !
8
7
6
-
5 iI
4 4
Контроль
Упорядоченный
экран
Неупорядоченный
экран
Рис. 4.6. Прорастание семян редиса под действием ВБИ, прошедшего через упо­
рядоченный или неупорядоченный фазовые экраны. 1 - свежая кровь. 2 - кровь,
хранившаяся двое суток при температуре 4 °С.
60
е п ротив нематированных граней, т. е. там, где фазовые
искаж ения поля носили регулярный характер.
К о л и ч е с т в е н н ы е оценки н аб лю д аем ого эффекта сделаны сред­
ствам и дисперсионного анализа. И ндекс роста семян детекторов Д 1
и Л 3 о т д е л е н н ы х от и ндуктора СФ Э, несущ ественно отличался от
кон трольн ого показателя. К ритерий Ф иш ера, полученный р асчет­
ным путем меньше критического значения при доверительном уровне
р _ о 9 5 (р = 4,32 < F Kp = 5,99). П рорастан и е семян у детекторов Д 2
и Д 4, связанны х с индуктором оптическим трактом с упорядочен­
ным фазовы м экраном , достоверно превосходило контроль. У ровень
значим ости нулевой гипотезы а « 0,001, a F p - 180,81 >> F Kp —5,99
при Р = 0,95. В этом случае на долю случайны х ф акторов в диспер­
сии р езультати вного п ризнака п риходится всего 3,2%. Т о гд а как
дистанционное взаимодействие на 96,8% контролирует полученный
результат. В целом эксперимент п оказал, что между индуктором и
детектором возникало дистанционное взаимодействие. О днако н а ­
дежный хар актер оно имело только в случае упорядоченного ф азо ­
вого экрана, т. е. при сохранении исходной статистики излучения,
осущ ествляю щ его ком м уни каци он ную ф ункцию . С ледовательн о,
вторичное биогенное излучение об ладает д остаточн о вы сокой к о ­
герентностью , и именно это его свойство является необходимы м ус­
ловием Д М В.
Представляет интерес оценить, в какой мере эффект ДМ В зависит
от функционального состояния биоиндуктора. Для этой цели исполь­
зовали свежую донорскую кровь и выдержанную в течение двух суток
при пониженной температуре. Во втором случае ее клетки сохраняют
жизнеспособность, но их активность становится ниже. Планирование
эксперимента и обработка его результатов были проведены средства­
ми двухфакторного дисперсионного анализа.
А нализ влияния дестабилизирующих факторов
В данном эксперименте использовали два фактора, которые влия­
ют на эффект ДМВ:
- Ф актор А. Ф азовый экран. Градации фактора: упорядочен­
ный экран (А,) и неупорядоченный экран (А,).
- Ф актор Б. Состояние индуктора. Градации фактора: функционально-активное состояние - свежая кровь (Б ^ и состояние
с пониженной активностью - кровь после искусственного ста­
рения (Б2).
И спользовали следую щ ий план эксперимента:
Б,
61
Результаты дисперсионного анализа (табл. 4.2) показываю т, что на
эффект ДМ В оба фактора оказываю т статистически значимое воздей­
ствие. Степень влияния факторов А и Б приблизительно одинакова, а
их взаимодействием можно пренебречь. Существенность различий в
ответной реакции биодетекторов, как при изменении типа фазового
экрана, так и функционального состояниях биоиндукторов, доказы ва­
ется низким значением уровня значимости нулевой гипотезы. Это же
подтверждает и рассчитанный критерий Ф иш ера (F ), превосходящий
критическое значение (F ) при доверительном уровне Р = 0,99. Таким
образом, подавление функциональной активности клеток и снижение
когерентности их биогенного излучения препятствую т проявлению
эффекта ДМ В.
Т а б л и ц а 4 .2 .
ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
И сточник
вариации
Статистическое
влияние, %
Уровень
значимости
Критерий
Фиш ера, F P
Критерий
Фишера, F Kp
Ф актор А
34,2
0,002
16,30
9,33
Ф актор Б
39,8
0,001
19,03
9,33
Взаимодействие
факторов А и Б
0,9
0,523
0,43
9,33
Случайные
факторы
25,1
62
5 БИОРЕГУЛЯТОРНЫЕ ФУНКЦИИ
КОГЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ
5 .1 . Роль когерентности оптического излучения в
биоком м уникационны х проц ессах
Дистанционное межклеточное взаимодействие наблюдается у орга­
низмов различного уровня организации, как прокариот, так и высших
эукариот, что говорит об эволю ционной устойчивости, а, следователь­
но, и о биологической значимости такого коммуникационного кана­
ла. Накопленные об этом феномене сведения даю т достаточный мате­
риал для анализа и построения концепции полевой регуляции биосин­
теза. Ф ормализуем задачу в рам ках ком муникационного процесса,
рассматривая поле, осуществляющее ДМ В как некий информ ацион­
ный канал. Гипотетическими характеристиками такого канала долж ­
ны быть:
- высокая плотность информационного потока;
- слабое затухание сигналов во внутри- и внеклеточном простран­
стве;
- наличие селективно поглощ аю щ их приемников (рецепторов)
сигналов;
- сфера действия не менее размера клетки;
- высокая помехоустойчивость.
Данные предположения подтверждаются следующими свойствами
биологических систем. По оценкам Р. Ситлоу (1964) и В.П. Казначеева
(1981), плотность информационного потока, который участвует в уп­
равлении клеточным метаболизмом, не менее 109 бит/сек. Такую ско­
рость передачи сигналов может обеспечить несущая частота, соответ­
ствующая коротковолновому радио- и оптическому диапазонам элект­
63
ромагнитных волн. Исследования, проведенные научными школами
А.Г. Гурвича, В.П. Казначеева, Ф.-А. П оппа (F.-A. Рорр), А.М. Кузи­
на, приводят к выводу, что каналом связи в ДМ В служат низкоинтен­
сивные электромагнитные поля оптической области спектра. (Это ни в
коей мере не исключает участие и других видов излучения, например,
СВЧ, КВЧ и др.) М ногие биохимические реакции инициируются кван­
тами света или сопровождаются излучением. Ф отобиологические про­
цессы играю т важную роль в различных цепях управления, вплоть до
экспрессии генов (Kuhlemeier, 1987; Chamovitz, 1996). В видимой обла­
сти спектра клетки в целом достаточно прозрачны, но они обладают
специальными акцепторами фотонов - фитохромом (ФХ), криптохро­
мом (КХ), цитохромом (ЦХ), родопсином и др., возбуждение которых
приводит к активации различных регуляторных систем организма. П ри­
мером могут служить фототаксис бактерий, фотоморфогенез и фото­
периодизм растений, ритинальные процессы высших животных. В этой
же области спектра происходит и биохемилюминесценция - сверхсла­
бое свечение клеток, вызванное их жизнедеятельностью (Баренбойм и
др., 1966; Ж уравлев, 1983; Веселовский, Веселова, 1990). Таким обра­
зом, есть основание полагать, что эндогенное электромагнитное излу­
чение оптического диапазона может выполнять функции «биополя» в
контексте представлений, рассмотренных в первой главе. Однако су­
ществует серьезное препятствие в объяснении механизма этого явле­
ния. Оно связано с тем, что хемилюминесценция живых организмов
имеет чрезвычайно низкую интенсивность, на много порядков меньше
естественной освещ енности. С огласно экспериментальным данны м
А.Г. Г урвича (1991), Г.М . Ф ран ка и др. (1982), В.П. К азначеева и
Л .П . М ихайловой (1981), F.-A . Рорр (2000), оптические потоки, осу­
ществляющие ДМ В, не превосходят нескольких сот фотонов в секунду.
Ж изнедеятельность лю бых организмов происходит в условиях при­
родного электромагнитного фона, обладаю щ его высокой интенсивно­
стью в широком диапазоне частот и, соответственно, низкой статисти­
ческой упорядоченностью. И з радиофизики известно, что слабые сиг­
налы в присутствии такой помехи удается детектировать лишь при их
достаточной когерентности (Ахманов и др., 1981). Следовательно, про­
блема «биополя» со всеми его противоречиями и уникальными свой­
ствами должна заключаться в высокой статистической упорядоченно­
сти электромагнитного поля, осуществляющего биокоммуникацион­
ную функцию. В результате возникаю т два вопроса, имеющие принци­
пиальное значение для понимания механизма эндогенной полевой ре­
гуляции: способны ли клетки или субклеточные структуры генериро­
вать когерентное оптическое излучение и способны ли они различать
статистическую упорядоченность действующих на них полей?
Большое количество экспериментальных исследований позволяет
на первый вопрос ответить положительно. Растворы пигментов, в час64
хлорофиллов а и б, используют в качестве активного вещества
тности д ейпольд и др.^ 1979). При фотовозбуждении такой смеси
Ла3е*ентов создается инверсия населенности электронных уровней, обесПечиваю щ ая вынужденное (когерентное) излучение. К ак показали
О К Читакян и М.Г. Щ ерев (1982), накачка некоторых типов лазеров
вполне эффективно осуществляется с помощ ью обычного солнечного
света. Аналогичные процессы могут происходить и в витальных усло­
виях Так, например, на фоне естественной освещенности у различных
растений обнаружена когерентная компонента люминесценции листь­
ев (Bajpai, 1999).
Т еоретически об осн овано (Бы ховский, 1973; Р орр, 1979; 1995;
2000; Popp, Li, 1993; B ajpai, 2000) и эксперим ентально подтверж де­
но (P o p p etal., 1981; R attem eyer et al.,1981; Nagl, Popp, 1983; Popp, 1994;
Belousov, 1995), что под действием стохастических ф акторов би оп о­
лимеры в конденсированной фазе образую т кооперативны е возбуж ­
денные состояния, релаксирую щ ие с излучением когерентны х ф ото­
нов. В эксперименте, описанном в четвертой главе, было п оказано,
что поле, вы полняю щ ее ком м уни каци он ную функцию , об л ад ает
определенной статистической упорядоченностью . Это заставляет
предполож ить способность живых организм ов не только ген ери ро­
вать, но и распозн авать оптические потоки, имеющие достаточн о
высокую когерентность. Косвенным подтверждением может служить
зависимость электроф изиологической реакции листьев растений от
величины статистической упорядоченности света (М аслоброд, 1973;
Д евятков и др., 1975).
Вопрос о специфичности реакций биосистем на когерентное излу­
чение остается до сих пор предметом дискуссий. Значение статисти­
ческой упорядоченности (когерентности, монохроматичности, поляри­
зации) света для фотобиологических процессов доказывается В. А. Д уб­
ровским с соавт., (1982); Ю .Д. Березиным с соавт., (1983); И.М . Байбековым с соавт., (1991); А.И. Ларю ш иным, В.Е. И лларионовым, (1997)
и др. В то же время способность клеток различать когерентность дей­
ствующего излучения отрицается рядом исследователей: Н.Ф. Г ам а­
лея с соавт., (1983, 1988); Т.Й. Кару с соавт., (1985, 2000); В.В. Л обко с
соавт., (1985). Их возражения основаны на результатах сравнения био­
логического действия лазерных и тепловых источников света. В этих
работах с помощью монохроматоров (светофильтров, дифракционных
решеток и т. п.) вырезали узкую спектральную линию шириной 10-14 нм
с максимумом на длине волны генерации лазера. Такое монохромати­
ческое излучение считали «некогерентным», а лазерное - «когерент­
ным». Н а основании сходства эффектов стимуляции функциональной
активности клеток при использовании этих источников был сделан
вывод: «Результаты экспериментальных работ, в которых проводилось
корректное сравнение воздействия когерентного и некогерентного света
65
на биообъекты, свидетельствуют о том, что когерентность света дей­
ствительно несущественна» (Лобко и др., 1985, с. 370). П ринципиаль­
ная ош ибка такой точки зрения заключается в делении света на коге­
рентный и некогерентный без указания количественной меры этих по­
нятий. С помощ ью аналитического аппарата, представленного в тре­
тьей главе, проведем оценку когерентности квазимонохроматического
излучения в типичном для описанных примеров случае.
Рассчитаем объем когерентности для квазим онохром атической
волны , полученной от теплового источника с помощ ью диф ракцион­
ного монохроматора. Пусть его входная апертура равн а 2а = 10 мм,
база z = 2 м, средняя длина волны Я0 = 633 нм, при ш ирине спектраль­
ной линии АЛ = 10 нм. Теорема В инера-Х инчина позволяет устано­
вить связь между спектральны ми и корреляционными парам етрам и
излучения: тк Асо ~ Л и гк АО ~ Я, где т, и гк- время когерентности и
радиус корреляции светового пучка (характеристические значения
аргумента степени когерентности); Асо и АО - ш ирина временного и
пространственного спектров излучения. Радиус корреляции соглас­
но выражения (3.32) равен гк ~ Л г/2п а = 40,2 мкм. В варианте расче­
та, предложенном Я. П ериной (1974), rk = 0,61Л /а = 154,4 мкм. Д ли­
на когерентности составит Lk = Л 2/АЛ = 40,1 мкм. К ак следует из ф ор­
мулы (3.37), в объеме поля (40,2 мкм)2 х 40,1 мкм будет сохраняться
высокая корреляция фаз ф отонного коллектива. Т акое излучение ни
в коей мере нельзя считать некогерентным. Отметим, что длина коге­
рентности и радиус корреляции рассеянного солнечного света всего
0,5 мкм.
У многомодового газового лазера длина когерентности достигает
нескольких сантиметров, однако радиус корреляции может оказаться
даже меньше, чем у коллимированного пучка света теплового источ­
ника. Например, воспользовавшись уравнением (3.356) для распрост­
раненного случая г_ - 2 мм и N ~ 104, получаем значение rk ~ 34,6 мкм.
Степень временной и пространственной когерентности у полупровод­
никовых лазеров может быть еще ниже. Данные примеры убеждают в
том, что в статистике света тепловых и лазерных источников излуче­
ния нет принципиальных различий. Они появляются только в высших
порядках когерентности. Н о, судя по данным, приведенным в работах
Т .П . Кару, Н.Ф . Гамалея, В.В. Лобко; такие различия не повлияли на
характер реакций биосистем.
Согласно проведенным расчетам, излучатели с монохроматорами,
описанные этими авторами, обеспечивали статистическую упорядочен­
ность поля на один-два порядка выше, чем у естественного освещения.
Полученные ими экспериментальные результаты не позволяют прийти
к однозначному выводу. Похожее биологическое действие лазерного и
монохроматического теплового источников может быть связано как с
нечувствительностью облучаемых клеток к когерентности, так и с тем,
66
о в о б о и х случаях она оказалась достаточной для проявления эффек­
та стим уляции. это^ неопределенносхи потребовало проведения специяпьногсГэксперимента (Budagovsky, 1995). Объектом исследования была
вы брана динамическая система «хозяин-паразит», в которой различа­
ю щ иеся по размеру клетки взаимодействовали по механизму индуци­
р ован н ого иммунитета. Такой системой служили плоды яблони Malus
domestica Borkh с находящимися на их поверхности спорами патоген­
ны х грибов P en icilliu m expansum Link, B otrytis cinera Pers., M ucor
racemosus Fres. и др. Эти инфицированные плоды подвергали кратков­
ременному воздействию квазимонохроматического света с высокой или
низкой когерентностью. В качестве источника излучения с высокой
когерентностью использовали гелий-неоновый лазер, настроенный на
генерацию одной поперечной моды T E M o o q (ЛЯ/А < < 10~3). Л ам п а
н акали ван и я с систем ой светоф ильтров и ф орм ирую щ ей оптикой
(А Л /А = 10~'; Тцв = 2700 °К) служила источником света с низкой коге­
рентностью. Энергетические параметры обоих квазимонохроматических источников устанавливали одинаковыми, а статистические суще­
ственно различались (табл. 5.1). М ощ ность излучения определяли с
помощью калориметрического измерителя И М О-2Н, имеющего основ­
ную погрешность не более 6%. Д ля оценки спектральных коэффициен­
тов пропускания светофильтров, служивших монохроматором, исполь­
зовали спектрофотометр СФ-26. Измерение и расчет параметров об­
лучения проводили в соответствии с рекомендациями Г. Хирда (1970),
О. Звелто (1979), С.А. А хманова с соавт. (1981).
П лоды облучали при температуре 18 °С и фоновой освещенности
30...40 лю кс, со зд аваем ой рассеянны м солнечны м светом . К о н т­
рольные плоды находились в таких же условиях, но при этом их тщ а­
тельно изолировали от монохроматического излучения. Н а момент
облучения средние разм еры клеток хозяина D x (эпидермальные и п а­
ренхимные ткани плода) были 40...50 мкм, клеток п аразита (споры
грибов) Dn - 3...8 мкм (рис. 5.1). Количество пораженны х плодов оп­
ределяли через 70 дней хранения при температуре 4 °С и относитель­
ной влажности 90%. Их экспертная оценка проходила по методике
Е.П. Ф ранчук (1986). К ритерием поражения плодов служило наличие
видимых симптомов грибны х заболеваний.
Действие квазимонохроматического света обоих источников суще­
ственно повлияло на состояние системы «хозяин-паразит». Реакция
организмов имела нелинейную, многомодальную зависимость от време­
ни возбуждения (Budagovsky, 1995). Отклик системы на свет с высокой и
низкой когерентностью был прямо противоположным (рис. 5.2). Лазер­
ная обработка на оптимальных по длительности режимах в 2...3 раза в
сравнении с контролем снизила заболевание плодов. При облучении
лампой накаливания, напротив, почти вдвое усилилось их поражение.
67
Т а б л и ц а 5. 1
ПАРАМЕТРЫ ОБЛУЧЕНИЯ
Источник
излучения
Энергетические параметры
длина
волны
Л, нм
интен­
длитель­
сивность
ность
излуче­ облучения
ния
Т, сек
I , Вт/м2
Статистические параметры
Длина коге­
рентности
L k , мкм
радиус
корреляции
Г1с, МКМ
He-Ne
лазер
632,8
4
5; 10; 20;
30;
40; 60; 120
более 1000
более 1000
Лампа накали­
вания с моно^юмаюром
633
4
5; 10; 20;
30; 40; 120
5-8
8-10
менее 1
менее 1
Ф оновая
освещен­
ность
30-40 лк
Ранее было показано, что высококогерентное излучение лазеров спо­
собно повысить функциональную активность как клеток хозяина, так
и паразита (Бородин и др., 1996). М ожно предположить, что при взаи­
модействии таких клеток лазерная стимуляция защ итных реакций хо­
зяина сдерживает патогенный процесс и плоды повреждаются слабее,
Lh гк > 1000ц (лазер)
Рис. 5.1. Схематическое изображение размеров клеток, взаимодействующих в
динамической системе хозяин-паразит и их соотношение с параметрами коге­
рентности поля двух излучателей
68
Длительность облучения, с
Рис. 5.2. Реакция динамической системы «хозяин-паразит» на действие оптичес­
кого излучения с различной когерентностью. 1 — облучение высококогерентным
светом гелий-неонового лазера: rk, Lk> Dn, Dx; стимулируются оба компонента
системы. 2 - облучение квазимонохроматическим светом лампы накаливания:
Dп < г., Lk < Dx; стимулируются только клетки паразита. 3 - фоновая освещен­
ность: rk, Lk « Dn; Dx (контроль)
чем в контроле (кривая 1). Д ругая картина, наблю даемая при облуче­
нии светом теплового источника, говорит о возросш ей активности
только у клеток паразита (кривая 2). Таким образом , результаты экс­
перимента показы ваю т, что реакция растительны х клеток на квазимонохроматическое излучение зависит от его когерентности. Это под­
тверждает исходное положение о способности живых организмов раз­
личать степень статистической упорядоченности действующего на них
света.
5.2. Биологическая м ера когерентности
Сопоставление размеров клеток в системе «хозяин-паразит» со ста­
тистическими параметрами поля (рис. 5.1) приводит к выводу, что фун­
кциональная активность сильнее возрастает у клеток, полностью по­
мещающихся в объеме когерентности: Vk ~ rk2L k, (гк- радиус корреля­
69
ции, L k - длина когерентности). В случае лазера такое условие выпол­
няется по отношению к обоим компонентам системы.
При использовании квазимонохроматического света лампы нака­
ливания в объеме когерентности полностью помещаются только более
мелкие клетки паразита и только у них наблюдается существенное уси­
ление функциональной активности. Из этого следует, что величина
детектируемой области фазовых корреляций поля задана наибольшим
размером клетки D, а условие распознавания когерентного сигнала
имеет вид: L k; rk> D. Тогда параметр D, служащий порогом дискрими­
нации статистических свойств излучения, может быть принят за био­
логическую меру когерентности оптического излучения.
■Представляет интерес проанализировать с этих позиций результа­
ты фотобиологических экспериментов, в которых сравнивали действие
лазерных и тепловых источников света близкого спектрального соста­
ва (табл. 5.2). Такие исследования проводили на бактериях E.coli (Тифлова, Кару, 1986; Tiphlova, K aru, 1991); лимфоцитах крови человека
(Гамалея и др, 1988); культуре клеток НеЬа (Кару и др., 1983; Л обко и
др. 1985) и других объектах. Во всех рассмотренных случаях квазимонохроматическое излучение в диапазоне от 400 до 900 нм повышало
функциональную активность биосистем лишь при выполнении усло­
вия Lk> D (здесь rk не является ограничиваю щ им фактором, т. к. в опи­
санных оптических схемах с нелазерными источниками rk > L; ). При
этом неважно, какой источник - лазерный или тепловой - был исполь­
зован. К огда же имела место низкая когерентность (L k < D), например,
в эксперименте Ю .Д. Березина с соавт. (1983), фотостимуляцию не на­
блюдали. Это подтверждает, что бактериальные и животные клетки
также обладаю т способностью различать когерентность оптического
излучения.
Наличие стохастической помехи накладывает на параметр D допол­
нительное ограничение: он должен быть больше длины когерентности и
радиуса корреляции излучения, создающего естественный фон. У рассе­
янного света тепловых источников, в частности Солнца, длина когерент­
ности и радиус корреляции соизмеримы с длиной волны: L k; г. = lie/ к Т ~А,
где h - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная
температура (Ахманов и др., 1981). Порядок величины Ьк и г, не превосхо­
дит минимального размера абсолютного большинства клеток, и, следо­
вательно, такое условие оказывается принципиально выполнимым. Сле­
дует отметить, что требование нормировки когерентности по размеру клет­
ки D не исключает необходимых условий функционирования фоторегуляторных систем. Излучение должно поглощаться соответствующими
акцепторами, например ФХ, КХ, ЦХ, а сама клетка быть в состоянии из­
менить (повысить) свою функциональную активность.
Принципиальное отличие воздействия высококогерентного света от
стохастического (низкокогерентного) заключается, вероятно, в харак70
Т а б л и ц а 5.2
PFАКЦИЯ
Объект
облучения
E.coli
КЛЕТОК НА КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
С РАЗЛИЧНОЙ КОГЕРЕНТНОСТЬЮ
Источник
излучения
Д л и н а1
волны,
нм
Аг лазер
454,0
Культура
клеток
HeLa
М иокард
человека
Растите­
льные
клетки
>1000
2
+
He-Ne лазер
632,8
>1000
2
+
G a-As лазер
890
80
2
+
Ртутная лампа
404
16
2
+
454
21
2
+
633
29
2
+
560
22
2
+
632,8
>1000
8
+
Лампа
накаливания
Лимфоци­
ты
крови
человека
Длина
Размер Фотокогерен­
клеток, стиму­
тности2,
мкм
ляция
мкм
He-Ne лазер
633
40
8
+
Ксеноновая
лампа
550
30
8
+
415
17
8
+
He-Ne лазер
632,8
>1000
25
+
633
29
25
+
611
37
25
+
760
41
25
+
510
1,4
25
-
H e-Ne лазер
Г алогенная
лампа
632,8
>1000
50
+
633
3
50
H e-Ne лазер
632,8
>1000
40
■
Л ампа
накаливания
633
5
40
5
+
Ga-As
лазер
885
15
+
Лампа
накаливания
78
Ссылка
Тифлова,
1986
Tiphlova,
1991
Лобко,
1985
Tiphlova,
1991
Гамалея,
1988
Лобко,
1985
Кару,
1983
Березин,
1983
Budagovsky,
1995
Василенко,
1996
+ наличие фотостимуляции; - отсутствие фотостимуляции
2* " ho волны излучения в максимуме спектрального диапазона.
Метод расчета длины когерентности изложен в третьей главе.
71
тере первичных актов рецепции фотонов. Действие высококогерент­
ного, например лазерного, излучения приводит к синфазному возбуж­
дению хромопротеидов, что способствует кооперативному процессу
структурной перестройки биомембран и дискретному (триггерному)
изменению их регуляторных функций. В силу этого биологическая эф­
фективность когерентного (по критерию D) излучения может оказать­
ся достаточно высокой, чтобы позволить клеткам использовать сла­
бые световые потоки в коммуникационных целях.
Как было показано выше, живые организмы способны генериро­
вать когерентное излучение и детектировать (выделять) его на фоне
некоррелированной помехи, которой является естественная освещен­
ность. Чтобы когерентное излучение выполняло коммуникационную
функцию, оно долж но распространяться в гетерогенной среде клеточ­
ных структур без значительного снижения своей статистической упо­
рядоченности. Это считалось невозможным. К ак полагали, лазерное
излучение, проходя сквозь толщу живой ткани, уже через 200-500 мкм
лишается своей когерентности (Крылов, 1980).
Проведенные нами эксперименты (Будаговский и др., 1998; Budagovsky
et al., 2002) показали несостоятельность данного утверждения. П ри
распространении в биологических средах коррелированное излуче­
ние сохраняет достаточную для детектирования пространственную ко­
герентность на расстояниях в несколько миллиметров. Говорить о зна­
чительной потере временной когерентности вообщ е нет оснований,
т. к. скорость перемещения центров рассеяния в тканях живых орга­
низмах незначительна.
Генерация, распространение и прием когерентных сигналов явля­
ются необходимыми, но недостаточными условиями для участия элек­
тромагнитного поля в формировании биологических структур. Оно
должно быть некоторым образом организовано. Его морфогенная роль
может заклю чаться в нехимической трансляции (передаче) и простран­
ственной интерпретации информации, содержащейся в геноме.
5.3. Т рансляция и рецепция когерентны х сигналов
в клетке
Рассмотрим гипотезу о трансляции клеточным ядром (кольцевой
Д Н К прокариот) когерентных сигналов по принципу фазовой антенной
решетки (ФАР) (Будаговский, 1990). Антенны этого типа состоят из упо­
рядоченных в некотором объеме элементарных излучателей, работаю ­
щих когерентно. Ф азы отдельных излучателей изменяют с помощью
перестраиваемых линий задержки, что позволяет управлять простран­
ственно-временными характеристиками поля. Ф АР может иметь любую
форму - плоскую, цилиндрическую, сферическую, а ее излучение - уз72
памму направленности, которая способна перемещаться (скакую диагр ^ измеНения положения самой антенны. Дальность L синнирова ,к;о герентной) трансляции ФАР связана с ее габаритами следую­
щ и м соотношением: L = (12/ п л , где d - характеристический размер излу­
чающей поверхности, Я - длина волны генерации, п = 10. ..20 (числовой
о э ф ф и ц и е н т ) . Н а больших расстояниях (п < 10) начинаются сильные
флуктуации поля и потеря синфазности (Филиппов и др., 1994).
Очевидный интерес с позиций транслирующей ФАР вызываю т мо­
лекулы Д Н К , представляющие собой систему связанных электричес­
ких осцилляторов - диполей. Н аличие у них гипохромного эффекта
показывает влияние структурной упорядоченности мономеров на ха­
рактер возбуждения их электронных уровней (Смит, Хэнеуолт, 1972;
Векшин, 1988). Как показали Ф.-А. Попп, В. Н агл (Рорр et al., 1981;
Nagl, Рорр, 1983; Рорр, 1995) и др., такие молекулы способны генери­
ровать когерентные фотоны.
Возникает важный вопрос: зависят ли акты их испускания от гене­
тического кода? Между нуклеотидами в цепи Д Н К существует безизлучательный обмен энергией, например в виде триплет - триплетного
экситона. Его миграция, согласно фосфоресцентным измерениям, наи­
более вероятно идет в направлении цитозин - гуанин - аденин - тимин
и может быть приостановлена (тепловая диссипация) парамагнитным
ионом металла (C u2+, F e 2+, М п 2+ и др.), связанным с одним из основа­
ний (Конев, Болотовский, 1979). Движение возбужденного состояния
по полинуклеогидной цепи происходит в сторону невозрастаю щ их
энергетических уровней, например, от гуанина к тимину, но не наобо­
рот. Если на пути окажется основание с более высоким энергетичес­
ким уровнем, например цитозин, то образуется энергетическая ловуш ­
ка, в которой может произойти высвечивание фотона. Встреча с ионом
металла, наоборот, приведет к безизлучательной диссипации энергии.
В нативной конформации Д Н К время жизни возбужденных триплетных состояний достаточно велико (до 0,3 с), а их делокализация охва­
тывает десятки оснований (Смит, Хэнеуолт, 1972). Благодаря межнуклиотидному экситону, обладающему больш ой пространственно-вре­
менной свободой, возможна подстройка (фазировка) отдельных актов
излучения в соответствии с последовательностью азотистых основа­
ний, т. е. генетическим кодом. Такая ситуация хорошо согласуется с
принципом работы ФАР. Н етранскрибируемые фрагменты Д Н К , а
также интроны генов, роль которых до сих пор несовсем понятна, яв­
ляются, вероятно, теми самыми линиями задержки, что обеспечивают
синфазность работы элементарных излучателей в полинуклеотидной
Цепи. В результате последовательность нуклеотидов, т. е. генетическии код, получает отражение в пространственно-временных характе­
ристиках когерентного поля ядра. Однако может ли такая форма пере­
дачи информации быть воспринята клеточными структурами?
73
Рецепция когерентных сигналов предполагает не только поглощение
излучения, но и оценку его статистической упорядоченности. То есть, не­
обходим фазочувствительный приемник - фазовый детектор. На эту роль
наиболее подходят мембраны клетки. По данным В. Нагла и Ф.-А. Поппа
(Nagl, Popp, 1983), когерентное излучение Д Н К лежит в диапазоне
300...800 нм. В указанной области спектра поглощают различные хромо­
форы, ассоциированные с мембраной. Их возбуждение светом приводит
к конформационной перестройке сопряженных с хромопротеидами учас­
тков липидного бислоя и, как следствие, изменению физиологической ак­
тивности (проницаемости, деадсорбции регуляторных молекул и т. п.) био­
мембран (Конев, Болотовский, 1979; Овчинникова, 1993). Ю.Б. Гайдидей
и А.С. Трофимов (1990) указывают на то, что такие перестройки способ­
ны сохраняться в течение некоторого времени, т. е. носят устойчивый ха­
рактер. Еще ранее Г. Фрелих обосновал, что под действием внешнего воз­
буждения в биомембранах могут возникать когерентные колебания (Фре­
лих, 1977; Frohlich, 1980). Благодаря этому биологические мембраны спо­
собны воспринимать когерентные КВЧ поля и специфическим образом
реагировать на них (Девятков и др., 1991). Механизм регуляторного дей­
ствия лазерного (оптического) излучения также связывают с функциями
биомембран (Девятков и др., 1987). В работах С.Н. Маслоброда (1973);
Н Д . Девяткова с соавт. (1975); Ю.Д. Березина с соавт. (1983); И М . Байбекова с соавт. (1991) приводятся данные, свидетельствующие о большей
биологической эффективности высококогерентного, в частности лазер­
ного, света в сравнении со стохастическим (низкокогерентным). Так, на­
пример, для растительных тканей «...по амплитуде электрофизиологической реакции поляризованный когерентный свет оказался эффективнее по­
ляризованного некогерентного в 1,5 раза, неполяризованного некогерен­
тного - в 1,7 раза» (Девятков и др., 1975, с. 146). При этом не возникает
никаких новых явлений, качественно выходящих за рамки обычных фотобиологических процессов. Весьма показателен вывод, сделанный
С.М . Зубковой и JI.B. Михайлик (1997) при анализе функциональной ак­
тивности животных клеток: «Воздействие некогерентным излучением как
ИК-, так и красной области спектра одинаково по характеру с лазерным
излучением тех же диапазонов, но менее эффективно». Все это говорит о
таких свойствах мембран, благодаря которым клетки способны различать
фотонные потоки (поля) по степени их когерентности.
5.4. А кустическая модель кооперативного процесса
Для пояснения сущности кооперативных процессов в биополимерах
используем акустическую модель (рис. 5.3). (Проиллюстрировать это
наглядно на квантово-молекулярном уровне не представляется возмож­
ным.) В воде под действием внешних ультразвуковых колебаний возни74
Рис. 5.3. Фотографии осциллограмм акустического поля схлопываний кавитаци­
онных полостей (1) и проводимости кавитирующей водной среды (2). А -стохасти­
ческое состояние, отсутствует корреляция фаз элементарных процессов (схлопы­
ваний кавитационных полостей). Б - слабая корреляция фаз элементарных про­
цессов. В - сильная корреляция фаз элементарных процессов
75
кают разрывы сплошности жидкой среды - парогазовые кавитационные
полости. При определенных условиях они теряют устойчивость и резко
схлопываются, образуя локальные импульсы давления. Уподобим кави­
тационное акустическое поле полю световой волны. Тогда роль кван­
тов света будут выполнять парогазовые полости, а их схлопывания явятся
элементарными актами взаимодействия со средой. В данной модели вод­
ная среда эквивалентна хромофор-липидному комплексу биомембран,
поглощающего кванты света. Задача модели - проиллюстрировать ха­
рактер изменений свойств среды в зависимости от статистической упо­
рядоченности элементарных актов воздействия.
Акустическое поле в воде регистрировали миниатюрным зондом,
изготовленным на основе пьезокерамики. В зоне кавитации устанав­
ливали также электрический зонд. Он представлял собой два плоских
электрода, удаленных на расстояние 10 мм друг от друга. С его помо­
щью измеряли проводимость кавитирующей жидкости. Сигналы с зон­
дов через электрические схемы согласования и усиления подавали на
двухлучевой осциллограф.
Акустические и электрические характеристики среды зависят от ам­
плитуды и фазы пульсаций кавитационных полостей. При определен­
ных параметрах (частоте и мощности) ультразвуковых колебаний эле­
ментарные акты схлопывания полостей не коррелированны между со­
бой, т. е. происходят в произвольные моменты времени. Наличие паро­
газовых пузырей изменяет проводимость среды, но результирующее зна­
чение этого показателя остается постоянным во времени (рис. 5.3. А,
осциллограмма 2).
Н астройкой внешнего акустического поля, например изменением
частоты колебаний магнитостриктора, можно добиться синхронизации
динамики роста отдельных кавитационных полостей. Между элементар­
ными актами схлопывания появляется определенная связь, и они стано­
вятся когерентными (рис. 5.3. Б, осциллограмма 1). В результате общий
объем парогазовой фазы начинает периодически изменяться во времени
и возникает переменная составляющая электрической проводимости ка­
витирующей среды (осциллограмма 2). При дальнейшей настройке воз­
буждающего поля кооперативный процесс элементарных кавитацион­
ных актов становится еще более выражен, т. е. еще более когерентным
(рис. 5.3. В). Синхронизация фаз схлопывания полостей приводит к по­
явлению гармонической составляющей, модулирующей свойства иссле­
дуемой среды. В данном случае речь идет о проводимости, но это могут
быть и другие показатели. В биомембранах коррелированные по фазе
фотоны, вероятно, также приводят к кооперативному эффекту, затраги­
вающему свойства не только поглощающих участков, но и среды в це­
лом. Этот эффект может заключаться в структурно-функциональной
перестройке значительной части липидного бислоя и, как следствие, су­
щественному изменению регуляторных отношений в клетке.
76
Наличие порога дискриминации (биологической меры) когерент­
ности по наибольшему размеру клетки указывает на то, что весь ее
объем принимает участие в оценке статистических свойств действую­
щего излучения. Тогда фазовым детектором соответствующих разм е­
ров представляется мембранный пул клетки. Именно он будет ответ­
ственен за рецепцию сигналов, генерируемых Д Н К в виде когерентно­
го излучения. Из этого вытекает предположение, что ядро как транс­
лирующая Ф АР и мембранные структуры клетки в качестве фазочув­
ствительного приемника образуют полевой коммуникационный канал.
Некоторые свойства такого канала становятся понятными из анализа
ядерно-плазменного отношение Р. Гертвига (Hertwig, 1908).
5.5. А налитическое реш ение ядерно-плазм енного
отнош ения Р. Гертвига
Выше было сделано предположение, что ядро эукариот, заполнен­
ное полимерными цепями нуклеиновых кислот и гистонов, или оди­
ночную молекулу Д Н К прокариот при генерации фотонов можно рас­
сматривать как фазовую антенную решетку. Ее поле, имеющее подвиж­
ную диаграмму направленности, повыш ает функциональную актив­
ность определенных участков биомембран, регулируя тем самым ме­
таболизм клетки. Подтверждением такой точки зрения служит ядерно-плазменное отношение Р. Гертвига. Оно было открыто опытным
путем еще в 1908 году и с успехом используется цитологами до настоя­
щего времени. Сущность явления заключается в постоянстве отнош е­
ния между объемами ядра и цитоплазм ы функционально активных
клеток одного вида. То есть ядро имеет свою определенную сферу дей­
ствия. При дифференцировке эта пропорция нарушается в сторону уве­
личения доли цитоплазмы и такие клетки перестают делиться.
В рамках высказанной гипотезы удалось установить, что соотноше­
ние между ядром и цитоплазмой такое же, как между размерами антен­
ны и областью ее когерентной трансляции (Budagovsky, 2000). Путем
соответствующих преобразований было дано аналитическое решение
ядерно-плазменного отношения: N P = [ (2D /nX)m - 1]~‘, где N P - ядерно-плазменное отношение, D - размер клетки, Я - длина волны транс­
лирующего излучения. Сопоставление вычисленных по этой формуле зна­
чений с полученными экспериментально Я.Е. Хесиным (1967); С.М. Зуб­
ковой, В.И. Поповым (1993) и др. показало хорошее совпадение резуль­
татов (рис. 5.4). Таким образом, когерентное поле ядра - ФАР охваты­
вает весь объем митотически активной клетки, а в конце интерфазного
периода (ядро увеличено) распространяется и за ее пределы.
Дифференцировка, сопровождающаяся уменьшением ядерно-плазменного отношения, наоборот, приводит к росту клетки за пределы
77
60
1
--□ --2
- - - - А - ■- 3
50
Область
синфазной
трансляции
40
30
®
с£
К
20
Область
осцилляций
поля
Размер клетки, мкм
Рис. 5.4. Зависимость ядерно-плазменного отношения от размеров клетки, определунная аналитически - (1) и по результатам цитологических исследований
Я.Е. Хесина (1967) - (2), С.М. Зубковой и В.И. Попова (1993) - (3)
области синфазной трансляции ФАР. Часть цитоплазмы выходит из-под
полевого контроля ядра, и митотический индекс снижается в несколько
раз (рис. 5.5). Возможности полевой регуляции при этом будут ограни­
чены, что не противоречит новым, более узким функциям дифференци­
рованной клетки. Такое положение хорошо согласуется с ранее сде­
ланным выводом, что эффект фотостимуляции монохроматическим
светом наиболее выражен, когда клетка полностью помещается в объе­
ме когерентности поля.
5 .6. М одель голограф ической индукции
м орф оген еза
Рассмотрим возможный механизм участия когерентного электро­
магнитного поля в формообразовательном процессе живых организ­
мов. Примем в качестве основного допущения способность Д Н К излу­
чать фотоны, фазы которы х коррелированны между собой, а акты ис­
пускания детерминированы последовательностью нуклеотидов. Это ут­
верждение не бесспорно, но оно подтверждается рядом эксперименталь­
ных результатов и косвенных наблюдений, изложенных выше. При
достаточной взаимной когерентности суперпозиция излучений близ78
20
Область
синфазной
✓
/
ч
к
о.
05
CL
Размер клетки, мкм
Рис. 5.5. Соотношение между размерами ядра и клетки в культуре тканей табака
при различных значениях митотического индекса М х 10 ~3 (по данным К.З. Гам­
бурга и соавт. (1967). Пунктиром показана аналитически определённая граница
области синфазной (когерентной) трансляции Ф А Р
лежащих клеток приведет к образованию единой интерференционной
картины поля в виде локализованных в некотором объеме узлов и пуч­
ностей стоячих волн. Реакция находящихся в нем клеток будет зави­
сеть от напряженности поля в данной области пространства, что опре­
деляется топологией, фазой и интенсивностью отдельных излучателей.
Как предполагалось выше, параметры когерентного излучения клетки
связаны с ее генетическим кодом. Тогда объединенное интерференци­
онное поле должно стать автокоррелятором онтогенетической програм­
мы формирующегося организма. Поле влияет на функции клеток, что
в свою очередь приводит к изменению поля.
По своей физической сути такой коррелятор представляет собой ди­
намическую голограмму. Она отражает полевое взаимодействие отдель­
ных клеток и связывает их в единую систему организма. Каждая часть
волнового ф ронта голограммы содержит всю полноту информации о
топологии объекта и может быть использована для восстановления его
исходного образа. Нечто подобное имеет место в регенерационном про­
цессе, который, по мнению Э. Синнота (1963, стр. 264), заключается в
«...тенденции развивающегося организма воссоздать любую его часть,
удаленную или физиологически изолированную, и таким образом вос­
становить целостность организма».
Иную ситуацию следует ожидать при каком-либо изменении конфигу­
рации интерференционного поля. Возникающие при этом искажения то­
пологической информации должны привести к нарушению формообра­
зовательного процесса. Именно такое явление наблюдали в эксперимен­
тах по дистанционному взаимодействию эмбрионов рыб и амфибий (Бур­
лаков и др., 1999, 2000). Зародыши разных стадий развития химически
изолировали в кварцевых сосудах, но сохраняли между ними оптический
контакт. В результате полевого взаимодействия (любое другое было ис­
ключено) их развитие существенно отклонялось от нормы. При этом «...из­
менение оптических свойств биофотонных потоков между одними и теми
же взаимодействующими группами (вычленение определенных длин волн,
поляризация и смещение ее векторов) влияет на ... появление определен­
ных морфологических нарушений в развитии зародыша, например обра­
зование дополнительных осевых структур» (Бурлаков и др., 2000, стр. 44).
Следовательно, в формообразовательных процессах, как и в голографи­
ческих, значение имеет не только наличие поля, но и форма его организа­
ции. Необходимо отметить, что в основе морфогенеза лежат механичес­
кие и химические взаимодействия, которые достаточно глубоко изучены
(Белоусов, 1987). Однако имеющиеся факты не позволяют отрицать и по­
левой регуляции. По мнению Л .В. Белоусова, она является наиболее ран­
ней формой коммуникационных отношений биосистем.
Эффект голографической индукции морфогенеза был обнаружен
нами в экспериментах с плодовыми растениями (Будаговский и др.,
1995, 1997). Их каллусные ткани в культуре in vitro плохо регенериру­
ют даже при наличии в питательной среде необходимых гормонов. Сам
каллус выглядит полупрозрачной массой бессистемно делящихся кле­
ток, которые, несмотря на свою тотипотентность, редко переходят к
дифференцировке. Вероятно, это связано с отсутствием или недоста­
точной выраженностью детерминирующих сигналов? Такой объект как
нельзя лучше соответствует задачам голографического эксперимента.
При его планировании рабочей гипотезой служило предположение
о различном влиянии на морфогенетический процесс пространственно-модулированного (голограммы) и немодулированного (коллимиро­
ванный лазерный пучок Т Е М 00 моды) когерентного излучения. Для
корректировки возможных артефактов было заложено четыре различ­
ных варианта опыта (рис. 5.6). Все они проводились с использованием
однородного материала (клонально размноженных соматических тка­
ней вишни сорта Харитоновская) и в строго одинаковых условиях куль­
тивирования. В первом варианте каллусы не подвергали каким-либо воз­
действиям. Во втором - их кратковременно облучали низкоинтенсивным
когерентным светом гелий-неонового лазера (Я = 632,8 нм; Lk > 0,2м). В
третьем - каллусы культивировали вместе с индукторами - зелеными
побегами этого же сорта, полученными в культуре меристем. Такой
прием известен в биотехнологии как метод «няньки». Он обеспечивает
химическое взаимодействие сокультивантов через общую питательную
среду, что может стимулировать морфогенез каллуса. Четвертый ва80
вегетации
ii
индуктор
in
регенерант
IV
Рис. 5.6. Схема проведения эксперимента по голографической индукции морфоге­
неза. (Варианты опыта указаны римскими цифрами.) Первые три вар'ианта явля­
лись различными формами контроля. Оптическая схема четвертого варианта со­
ответствовала схеме записи объемной голограммы Денисюка. Плоской и волни­
стой линиями показаны волновые фронты опорного и объектного пучков. Источ­
ником когерентного излучения служил гелий-неоновый лазер ЛГ-222, генерирую­
щий одну пространственную моду на длине волны 632,8 нм
риант соответствовал третьему, но дополнительно культуру облучали
на лазерной установке по схеме записи объемной голограммы Д ени­
сюка. Этот тип голограммы образует систему стоячих волн при сложе­
нии двух движущихся навстречу друг другу когерентных световых пуч­
ков (рис. 5.7) (Денисюк, 1962). Первый пучок - опорный - идет непос­
редственно от лазера, падает на объект и рассеивается на его поверх­
ности. При этом возникает встречный волновой фронт второго - объек­
тного пучка. Он содержит в фазовой форме информацию о простран­
ственной структуре объекта. В результате интерференции опорного и
объектного пучков происходит превращение фазовой информации в
амплитудную, которая может быть зафиксирована некоторой фоточув81
Рис. 1. Схема образования волнового изображения.
5 — источник излучения; О — объект; С — волновая
поверхность излучения, падающего на объект; бъЬг,
Ьз — волновые поверхности излучения, отраженного
объектом; d x , d%, d 3 — поверхности пучностей стоя­
чих волн, образованных в результате интерференции
волны С с волнами b i , Ь%, Ьз
Рис. 5.7. Иллюстрация из работы Ю.Н. Денисюка (1962), объясняющая принцип
записи объемной голограммы
ствительной средой. В данном эксперименте такой средой служила каллусная ткань, а источником (индуктором) структурной информации дифференцированные ткани побега. При облучении по схеме записи
объемной голограммы Денисюка не все клетки каллуса, а лишь опре­
деленная их часть попадет в максимумы напряженности поля, т. е. под­
вергнется воздействию когерентного излучения. П ространственное
распределение этих максимумов, соответствующих пучностям интер­
ферирующих волн, отраж ает структурную организацию морфологи­
чески сформированной ткани побега - индуктора. Именно у таких (об­
лученных) клеток каллуса должно произойти преимущественное уси­
ление функциональной активности, и они в процессе дальнейшего де­
ления смогут образовать меристематические очаги - центры новооб­
разования дифференцированных тканей и органов.
В трех первых вариантах опыта, которые являлись различными типа­
ми контроля, органогенез не наблюдали. В четвертом варианте, и то лишь
в 2% случаев, происходило образование дифференцированных тканей,
органов, а затем и нормально развивающихся растений. Эксперимент
повторили на другом сорте вишни (Жуковская), обладающим большей
регенерационной способностью каллусов. Корректировке подверглась и
методика культивирования. Каллусы и побег-индуктор располагали в
одном сосуде с общей питательной средой, но варианты опыта были раз­
делены непрозрачными металлическими перегородками (рис. 5.8). Го­
лографическая схема не претерпела при этом существенных изменений,
т. е. каллус, находящийся по ходу коллимированного лазерного пучка
перед растением-индуктором, выполнял функции регистрирующей сре82
2
Рис. 5.8. Модифицированная схема голографического эксперимента. Все объекты
облучения находятся в одном стеклянном сосуде с питательной средой и разделе­
ны непрозрачными перегородками. 1 - контроль (без облучения), 2 - лазерное
облучение, 3 - лазерное облучение вместе с индуктором, 4 - облучение по схеме
записи объемной голограммы Денисюка.
ды. Результат оказался следующим: количество регеиерантов в контроле
составило 3,6 ± 2 % , в вариантах с лазерным (немодулированным) облуче­
нием, как с индуктором, так и без него, - 8,3 ± 5 ,6 % , а в случае голограм­
мы - 26,1 ± 9 ,2 % . Обе серии экспериментов проводили в многократной
повторности, причем общее количество задействованных в исследовании
эксплантов превосходило 1000 штук. Типичные результаты воздействия
немодулированного и пространственно-модулированного (голограммы)
лазерного излучения иллюстрирует рис. 5.9. Растения-регенеранты, по­
лученные с помощ ью голографии, были размнож ены биоте?днологом
Р.П . Евсеевой в культуре in vitro, адаптированы и высажены в грунт. В
настоящее время они нормально развиваются в полевых условиях, не от­
личаясь фенотипически от исходного сорта. Их плоды по морфологичес­
ким признакам также идентичны с исходным сортом (рис. 5.10).
Полученные результаты говорят о том, что совместно с биохимичес­
кой может существовать и полевая (голографическая) форма индукции
морфогенеза. Внутри каллуса происходило наложение двух встречных
когерентных пучков. Их интерференция образовала новое распределение
поля, отражающее структуру дифференцированных тканей побега. Это
сложно организованное поле стимулировало пролиферативные процес­
сы в строго определенных областях каллуса, которые, по всей видимости,
и явились инициальными зонами морфогенеза. Вероятно, аналогичным
образом интерференционное поле, возникающее при когерентном сложе­
нии волновых фронтов отдельных излучателей-клеток, участвует в фор­
мообразовательном процессе живых организмов. Еще раз подчеркнем, что
такой коммуникационный канал действует не обособлено и проявляет себя
в структурной организации живой материи лишь совместно с химически­
ми, механическими и электрическими регуляторными процессами.
83
Рис. 5.9. Состояние каллусных тканей через 30 дней вегетации в культуре от vitro
(в стерильных условиях, на искусственной питательной среде). Колбы расположены в
той же последовательности, что и варианты опыта на рис. 5.6. В четвертом вариан­
те - пространственно-модулированное (голографическое) облучение, из каллусной
ткани образовался побег-регенерант (указан стрелкой)
Опыты с голографической индукцией морфогенеза весьма трудо­
емки и сложны методически, что заставляет с особым вниманием и
настороженностью относиться к полученным результатам. Критерием
их истинности может служить воспроизведение в независимых лабо­
раториях. Произош ло это лиш ь спустя пять лет после первых публика­
ций. В Сибирском институте физиологии и биохимии растений СО РАН
был проведен весьма похожий эксперимент на каллусах пшеницы. Он
показал, «что в образцах, облученных модулированным излучением,
ризогенез достигал 93%, в то время как в опыте с обычным лазерным
излучением число каллусов, образовавш их корни, не превыш ало 80, а
в контроле 70%» (Саляев и др., 2001, стр. 34).
5.7. Различия в рецепции клеткой внеш них
и внутренних полей
Выйдя из Первичного океана, Ж изнь не покинула океан полей, ко­
торы й стал одним из важнейших факторов ее развития. В процессе эво­
люции произош ло не только приспособление к природным физичес­
ким полям, но и активное их использование в самоорганизации живой
84
Рис. 5.10. Практические результаты эксперимента по голографической индукции
морфогенеза плодовых растений. А - регенеранты вишни на искусственной пи­
тательной среде в культуре in vitro. Б - плодоносящее растение вишни, полученное из каллусной ткани методом голографической индукции. В - плоды конт­
рольного и опытного (регенеранта) растений морфологически идентичны. (Цена
деления масштабной линейки 5 мм)
материи. Рассматривая полевые (нехимические) формы управления
биологических систем, следует отличать два существенно разных яв­
ления: регуляторное действие экзогенных полей и коммуникационную
функцию полей эндогенного происхождения. В первом случае поля
существуют независимо от организма и служат ему сигнальными фак­
торами, позволяющими координировать внутренние процессы с усло­
виями внешней среды. В широком смысле речь идет о совокупности
всех полей, проникаю щих в клетку: гравитационных, электромагнит­
ных, тепловых, акустических и пр. Воздействуя на различные рецеп­
торные системы, они вклю чаю т и переключают метаболические или
эпигенетические цепи регуляторных реакций. В зависимости от пара­
метров этих полей (интенсивности, частотного диапазона, периодич­
ности и т. п.) происходят изменения в развертывании онтогенетичес­
кой программы организма и его гомеостатических реакциях.
85
Во втором случае поля (излучения) являются продуктом жизнедея­
тельности самого организма и необходимы ему в качестве оператив­
ного канала внутреннего управления. Энергетические возможности
клетки позволяю т генерировать ей лишь очень слабое излучение, ин­
тенсивность которого на много порядков ниже окружающего электро­
магнитного фона. Чтобы быть обнаруженным, оно должно обладать
достаточной когерентностью. Это обстоятельство и определяет основ­
ное различие в рецепции полевых сигналов экзогенного и эндогенного
происхождения. Нет оснований полагать, что в каждом случае работа­
ет своя, особая регуляторная система. Наиболее вероятно, трансфор­
мация внешних и внутренних полевых сигналов в химические проис­
ходит по одним и тем же цепям. Однако с учетом соотношения интен­
сивностей, коэффициент передачи (усиления) такого тракта должен
быть выше у полей с большей статистической упорядоченностью. Имен­
но этим можно объяснить существенные различия в биологической
эффективности когерентного и некогерентного (точнее, низкокогерен­
тного) света, которые наблю дали в экспериментах С.Н. М аслоброда
(1973); Н.Д. Девяткова с соавт. (1975); Ю .Д. Березина с соавт. (1983);
И.М . Байбекова с соавт. (1991), С.М . Зубковой и JI.В. М ихайлик (1997).
Выше мы рассматривали мембраны с ассоциированными хром о­
протеидами в качестве фазового детектора клетки, т. е. своеобразного
акцептора когерентности. Согласно выдвинутой гипотезе, он отвечает
за прием низкоинтенсивных когерентных сигналов биогенного проис­
хождения. Но эта же фоточувствительная система воспринимает и вне­
шние стохастические поля (естественный свет). Вероятно, белок-мембранные комплексы, как рецепторы излучений, имеют два режима р а­
боты. Один - обслуживает слабые эндогенные сигналы и проявляет
триггерные (дискретные) свойства. Величина ответной реакции в этом
случае долж на слабо зависеть от интенсивности излучения и будет в
большей степени определяться корреляцией фаз в фотонном коллекти­
ве. П ри достаточной когерентности действующего поля конформационная перестройка мембранных структур носит кооперативный харак­
тер. Это обеспечивает максимально возможный выход регуляторных
молекул (эффекторов, индукторов, репрессоров и т. п.) даже при не­
значительном числе поглощенных фотонов. П роверка данного пред­
положения проведена на растительных клетках с помощью высококоге­
рентного лазерного излучения (Budagovsky, 1995). Двадцатикратное из­
менение его интенсивности практически не повлияло на величину стимуляционного эффекта. Естественно, говорить о выполнении дозового за­
кона Бунзена-Роско здесь нет оснований.
Д ругой (аналоговы й) режим работы используется для рецепции
природных экзогенных полей. Их низкая когерентность делает коопе­
ративны й процесс маловероятным. Стохастические поля вызы ваю т
конформационные перестройки и, соответственно, изменение физио­
86
логической активности биомембран только в локальных зонах вокруг
возбужденных хромопротеидов (Конев, Болотовский, 1979). К оличе­
ство «горячих точек», в которы х происходит десорбция регуляторных
продуктов, будет пропорционально числу поглощ енных фотонов. Сле­
довательно, на этом режиме величина ответной реакции определяется
интенсивностью действующего излучения и его дозой. Особенно на­
глядно описанную зависимость иллюстрируют тропические реакции
злаков. Например, изменение интенсивности света в 1,5 раза приводит
почти к двукратному снижению концентрации ауксина на освещенной
стороне проростков овса (Конев, Болотовский, 1979, с. 171). Вероятно,
наличие двух режимов фоторецепции позволяет совершенно несхожим
по параметрам оптическим сигналам эндогенного и экзогенного про­
исхождения на паритетных условиях принимать участие в полевой ре­
гуляции биосинтеза клетки.
Еще раз обратим внимание на феномен так называемой лазерной
стимуляции. Он проявляется у организмов различного уровня органи­
зации и заключается в неспецифическом усилении их функциональной
активности. Н аличие естественной (стохастической) освещенности с
интенсивностью на несколько порядков большей, чем у лазерного из­
лучения, не препятствует развитию феномена. Объяснение универсаль­
ности и высокой биологической эффективности лазерного излучения
может заключаться в том, что его объем когерентности превосходит
размеры практически лю бых клеток и воспринимается ими как сигнал
эндогенного происхождения. Естественно, частота генерации света
должна соответствовать спектрам поглощения ассоциированных с мем­
браной хромофоров.
Предложим упрощенную схему управления клеточным метаболиз­
мом с учетом полевого коммуникационного канала (рис. 5.11). В каче­
стве примера ограничимся оптической областью спектра. Действие
внутренних и внешних сигналов вызывает в клетке изменение транс­
крипционной активности Д Н К . Согласно упомянутой выше концеп­
ции Ф .-А.Поппа, кинетические процессы в биополимерной цепи сопро­
вождаются генерацией высококогерентных фотонов. Такое излучение,
распространяясь в протопласте, частично поглощ ается хромопротеи­
дами, что приводит к структурно-функциональной перестройке био­
мембран. Аналогичным образом действует и поступающий извне сол­
нечный свет. Однако из-за его низкой когерентности квантовый выход
по конечным регуляторным продуктам будет меньше, чем у биогенно­
го излучения. Непоглощ енная часть эндогенных когерентных фотонов
распространяется за пределы протопласта и может участвовать в дис­
танционном межклеточном взаимодействии (ДМВ). Их не следует пу­
тать со спонтанной хемилюминесценцией, связанной со свободно-ра­
дикальным окислением. Кроме полевых сигналов действует множество
других раздражителей различной природы: химической, электричес87
Рис. 5.11. Регуляция клеточного м етаб о ли зм а с участи ем эндогенных
и экзогенных электромагнитных полей
кой, механической. Все они, в конечном счете, приводят к перераспре­
делению регуляторных метаболитов в клетке и, как следствие, диффе­
ренциальной экспрессии генов. Разветвленные цепи обратных связей
делаю т эти процессы устойчивыми в границах гомеореза (Уадингтон,
1970). Н аличие полевой компоненты не нарушает общепринятых пред­
ставлений о путях управления биосинтезом, но дополняет их опера­
тивным коммуникационным каналом.
М олекулярные основы функционирования живых организмов изу­
чены достаточно глубоко. С неменьшим вниманием исследуют энерге­
тические и регуляторные функции стохастических природных полей.
88
Процессы же, связанные с низкоинтенсивным когерентным излучени­
ем, нередко рассматриваю т как экзотические и не представляю щ ие
интереса. М ы придерживаемся иной точки зрения. Когерентные элект­
ромагнитные поля являются важным продуктом жизнедеятельности
клетки и необходимы ей в качестве одного из коммуникационных ка­
налов. Биологическая роль таких полей заключается, вероятно, в опе­
ративной передаче и пространственной реализации генетической ин­
ф ормации при ф ормировании целостного организма как на уровне
отдельной клетки, так и многоклеточных структур. П олевая форма
регуляции биологических систем не только не исключает химической,
но является прямым ее порождением и неотъемлемой частью. Обе они
представляют единый процесс в разных своих проявлениях, взаимо­
обусловленных и взаимозависимых. Недостаток знаний о механизмах
полевой коммуникации не должен вызывать скептического отношения
к столь сложной проблеме. Н апротив, это может служить стимулом к
ее всестороннему изучению.
89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многочисленные исследования, проведенные как у нас в стране, так и
за рубежом, убеждают в реальности феномена дистанционного межклеточ­
ного взаимодействия. Это явление наблюдают у организмов различного
уровня организации, что говорит об эволюционной устойчивости, а, сле­
довательно, и биологической значимости такого регуляторного канала. Его
полевая природа подтверждается большим числом экспериментов, в кото­
рых удалось корректно устранить или скомпенсировать дистанционную пе­
редачу химических сигналов. Как показали прямые физические измерения,
само поле является обычным электромагнитным излучением низкой интен­
сивности и не имеет ничего общего с загадочным «биополем». Основные
затруднения в понимании феномена связаны с объяснением того, как столь
слабые сигналы распознаются в присутствии природного электромагнит­
ного фона, обладающего в тысячи и миллионы раз большей интенсивнос­
тью? Именно это противоречие и породило сомнение в возможности поле­
вой коммуникации клеток. Данная проблема, как ни странно, имеет очень
простое решение, основанное на законах радиофизики: при наличии более
мощной стохастической помехи надежно распознаются только коррелиро­
ванные сигналы. Следовательно, ДМВ должно осуществляться электромаг­
нитными полями с достаточно высокой когерентностью. Из этого допуще­
ния вытекают два важных условия, необходимых для существования поле­
вого коммуникационного канала:
- способность клеток генерировать электромагнитные поля с дос­
таточно высокой когерентностью;
- способность клеток различать статистическую упорядоченность
действующего на них излучения, т. е. осуществлять селекцию
когерентных сигналов на фоне стохастической помехи.
Исследования двух последних десятилетий показали, что оба эти свой­
ства присущи живым организмам. В более ранних работах также встреча­
ются факты, косвенно указывающие на значение когерентности в био­
коммуникационных процессах. Однако они оставались за пределами об­
суждения или, наоборот, подвергались сомнению. Прямое доказательство
необходимости статистической упорядоченности поля в дистанционном
взаимодействии клеток получено в эксперименте со стохастическим фа­
90
зовым экраном из кварцевого стекла. Такой экран слабо поглощает свет,
но значительно нарушает его пространственную упорядоченность (коге­
рентность). Как оказалось, при введении СФЭ между индуктором и де­
тектором хорошо выраженный эффект взаимодействия исчезает.
Дистанционный канал биокоммуникаций не исчерпывается опти­
ческой областью спектра и может существовать в КВЧ- и СВЧ-диапазонах радиоволн (Девянков и др., 1991). Н о и в этих случаях когерент­
ность излучения является необходимым условием ДМВ. Таким об ра­
зом, многолетняя дискуссия о природе биологического поля превра­
щается в проблему когерентности эндогенных электромагнитных по­
лей живых организмов. В настоящее время эта проблема далека от раз­
решения, но некоторые ее аспекты становятся понятными из анализа
свойств дистанционного взаимодействия клеток. Обширный экспери­
ментальный материал позволяет сделать ряд обобщений:
• Дистанционные межклеточные взаимодействия могут происходить
без посредства молекулярных или ионных носителей информации,
т. е. на полевом уровне посредством электромагнитных полей.
• Такая форма коммуникационных отношений весьма универсаль­
на; она наблюдается как среди гомологичных, так и существен­
но разных организмов, например, между животными и расти­
тельными клетками.
• Сигналы, передаваемые посредством ДМ В, затрагиваю т ш иро­
кий спектр регуляторных реакций, влияя на метаболические, мор­
фологические и генетические процессы в клетке.
• Эффект взаимодействия зависит от функционального состояния
индуктора, детектора, расстояния между ними и длительности
оптического контакта.
• ДМ В наиболее ярко проявляется в критические периоды разви­
тия организма или в неблагоприятных условиях, например при
воздействии дестабилизирующих физических, химических или
биотических факторов.
• Низкие дозы ионизирующей радиации инициируют вторичные
фотохимические процессы, участвующие в ДМВ.
• Во многих экспериментах дистанционное взаимодействие наблю ­
дается на фоне усиления перекисного окисления липидов (ПОЛ),
однако эффективность работы коммуникационного канала не
коррелирует с интенсивностью спонтанной хемилюминесценции.
• В настоящее время отсутствуют данные о спектральном составе
ДМ В, но само взаимодействие удалось наблюдать в оптическом
и радиодиапазонах электромагнитного спектра.
• Когерентное излучение клеток аппаратурно зарегистрировано в
диапазоне длин волн 300-800 нм.
• Интенсивность излучения, осуществляющего коммуникационные
функции, значительно ниже естественных шумов.
91
• Реакция клеток на излучение с высокой и низкой когерентнос­
тью может существенно различаться.
• Нарушение когерентности излучения, выполняющего коммуни­
кационные функции, приводит к прекращению ДМ В.
• Пространственно-модулированное когерентное излучение ини­
циирует морфогенетические процессы в недифференцированных
тканях растений.
Указанный перечень далеко не полон и лишь в какой-то степени отра­
жает реальную картину ДМВ. Тем не менее, можно с достаточной уверен­
ностью говорить о когерентности полей, выполняющих биокоммуникаци­
онные функции. Согласно концепции А.М. Кузина, источником энергии
для их генерации служит природный радиационный фон (ПРФ), постоянно
действующий на биоту. Как показали многочисленные эксперименты, ма­
лые дозы ионизирующей радиации стимулируют индукцию полевых сиг­
налов. Исследования Ф.-А. Поппа (F.-A. Рорр) позволили установить спо­
собность биополимерных структур, в частности ДНК, генерировать коге­
рентные фотоны. В то же время Г. Фрелих (Н. Frohlich), Н.Д. Девятков,
Ю.Б. Гайдидей и др. указывают на возможность существования коопера­
тивных процессов в биологических мембранах и их триггерные свойства.
Это делает реальным предположение о фазовом детекторе клетки, способ­
ном различать статистическую упорядоченность электромагнитного излу­
чения. В оптической области спектра на такую роль, прежде всего, претен­
дуют белок-мембранные комплексы: хромопротеиды, ассоциированные с
липидным бислоем. Фотодетектор подобного типа должен обладать суще­
ственно большей чувствительностью именно к когерентному излучению,
что и наблюдается в экспериментах. Наличие в клетке условий, необходи­
мых для генерации и рецепции когерентных сигналов, полностью соответ­
ствует полевой концепции ДМВ. Биологические функции такого коммуни­
кационного канала заключаются, вероятно, в оперативном управлении и
координации территориально разобщенных биохимических процессов. Ко­
герентное поле выступает в качестве того самого «инженера развития»,
который, согласно Дришу, обеспечивает непрерывность и целостность
структурной организации живых организмов. Можно предположить, что
ядро эукариот (кольцевая Д Н К прокариот) не только является эмиттером
когерентных фотонов, но и формирует их излучение в виде поля с опреде­
ленной топологией. Пока остается неясным, каким образом конфигурация
поля связана с последовательностью нуклеотццов, т. е. генетическим ко­
дом. Но косвенные указания на такую связь есть. Другой дискуссионный
вопрос касается участия поля в морфогенетических процессах. Именно с
него начались исследования нехимического взаимодействия биосистем (гла­
ва 1). Оба эти вопроса, имеющие принципиальное значение для биологии, в
настоящее время далеки от разрешения и нуждаются в более глубоких ис­
следованиях. Хотелось бы надеяться, что данная небольшая монография
окажется полезной при их проведении.
92
ЛИТЕРАТУРА
Алберте Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. - Молекулярная биология клетки
Том 2. - М.: Мир, 1994. - С. 338-394.
Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радио­
физику и оптику. - М.: Наука, 1981. - 640 с.
Байбеков И.М., Касымов А.Х., Козлов В.И. и др. Морфологические основы
низкоинтенсивной лазерной терапии. - Ташкент: Изд-во Ибн Сины, 1991. 223 с.
Баренбойм Г.М., Доманский А.Н., Typoeepoe К.К. Люминесценция биополи­
меров и клеток. - М.-Л.: Наука, 1966. - 233 с.
Белоусов Л.В. Биологический морфогенез. - Москва: Изд-во МГУ, 1987. 238 с.
Белоусов JI.B., Гурвич А.А., Залкинд С.Я., Каппегисер Н.Н. Александр Гаври­
лович Гурвич. - М.: Наука, 1970. - 203 с.
Березин ЮД., Прочуханов Р.А., Ростовцева Т.И., Самсонова И.Е. Структур­
ные особенности действия низкоинтенсивного лазерного излучения на пере­
живающие ткани человека / / Доклады АН СССР. - 1983. - Т. 273. - № 3. С. 734-740.
Бойд Дж., Гордон Дж. Конфокальный резонатор со многими типами коле­
баний для квантовых генераторов миллиметрового диапазона / / Лазеры. Оп­
тические когерентные квантовые генераторы и усилители. Сб. статей. - М.:
Изд-во иностранной литературы, 1963. - С. 363-384.
Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.
Бородин И.Ф., Будаговский А.В., Будаговская О.Н., Гуди ГЛ. Использова­
ние когерентного электромагнитного излучения в производстве продукции
растениеводства / / Доклады РАСХН. -1996. - № 5. - С. 41-44.
Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Гончаров С.А. Опыт разработки и
применения лазерной техники для сельскохозяйственного производства и
научных исследований / / Основные итоги и перспективы научных исследо­
ваний ВНИИС им. И.В. Мичурина (1931-2001 гг). Мичуринск, 2001 г. - Т. 2. С. 159-174.
Будаговский А.В. Методические особенности облучения биологических
объектов когерентными полями оптического диапазона / / Сборник материа­
лов четвертой всесоюзной школы «Применение лазеров в биологии» (Киши­
нев, 2-6 окт. 1986 г.). - 1986 - С. 14-15.
Будаговский А.В. Трансляция генетической информации посредством ко­
герентных электромагнитных полей / / Проблемы интенсификации современ­
ного садоводства. - Мичуринск, 1990. - С. 172-174.
Будаговский А.В., Будаговская О.Н., Ленц Ф., Мировская А., Элькаует К.
Новый метод анализа функционального состояния культурных растений / /
Пути повышения устойчивости садоводства. - Мичуринск, 1998. - С. 98-113.
Будаговский А.В., Евсеева Р.П. Экспериментальная модель дистанционной
передачи морфогенетической информации в системе двух растительных тка­
ней с разной потенцией к дифференцировке / / Механизмы действия сверх­
малых доз. Тез. докл. II Межд. симп. - Москва, 1995. - С. 124-125.
Будаговский А.В., Евсеева Р.П., Муратова С.А. Применение голограммы
дифференцированного органа для индукции морфогенеза в культуре каллус93
ных тканей плодовых растений / / Биология растений in vitro, биотехнология
и сохранение генофонда. Тез. докл. Межд. конф. - Москва, 1997. - С. 79.
Будаговский А.В., Туровцева Н.И., Будаговский И.В. Когерентные электро­
магнитные поля в дистанционном межклеточном взаимодействии / / Биофи­
зика. - 2001. - Т. 46, № 5. - С. 894-900.
Бурлаков А.Б., Бурлакова О.В., Голиченков В А. Волновые дистантные взаи­
модействия развивающихся биосистем как основа биофотонной инженерии / /
Электромагнитные излучения в биологии. - Калуга, 2000. - С. 42-45.
Бурлаков А.Б., Бурлакова О.В., Голиченков ВА. Дистантные взаимодействия
разновозрастных эмбрионов вьюна //Д А Н . - 1999. - Т. 368. - № 4. - С. 562-564.
Бутиков Е.И. Оптика. - М.: Высшая школа, 1986. - 512 с.
Быховский В.К. О передаче когерентности в электронную оболочку биоло­
гических макромолекул и их комплексов / / Биофизика. - 1973. - Т. 18. Вып. 1. - С. 184-186.
Василенко В.Ф. Фоторегуляторное действие инфракрасного излучения на
фотоморфогенез и дыхание проростков пшеницы / / ДАН. - 1996. - Т. 347. № 3. - С. 411-413.
Васильев Ю.М., Маленков А.Т. Клеточная поверхность и реакция клеток. Ленинград: Медицина, 1968. - 293 с.
Векшин НА. Фотоника биологических структур. - Пущино, 1988. - 164 с.
Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений. Теоретические
и практические аспекты. - М.: Наука, 1990. - 200 с.
Воейков ВЛ., Баскаков И.В. Использование жидкостного сцинциляционного счетчика для анализа люминесценции клеточных суспензий. Дыхательный
взрыв нейтрофилов как коллективный процесс / / ДАН. - 1994. - Т. 334. № 2. - С. 234-236.
Гайдидей Ю.Б., Трофимов А.С. Ориентационная перестройка молекуляр­
ного слоя под воздействием электромагнитного облучения / / Биологические
мембраны. - 1990. -Т . 7. - № 12. - С. 1328-1332.
Гамалея Н.Ф., Шишко Е.Д., Яниш Ю.В. Новые данные по фоточувстви­
тельности животной клетки и механизму лазерной биостимуляции / / Докла­
ды АН СССР, 1983. - С. 224-227.
Гамалея Н.Ф., Шишко ЕД„ Яниш Ю.В. Чувствительность неритинальных клеток
животных и человека к видимому свету / / Молекулярные механизмы биологи­
ческого действия оптического излучения. - М.: Наука, 1988. - С. 189-198.
Гамбург К.З., Маркович В.Н., Варакина Н.Н., Токарева Э.В. Динамика деле­
ния и растяжения клеток культуры ткани табака на средах с а-нафтилуксусной кислотой (НУК) и без нее / / Рост и клеточная дифференцировка расте­
ний. - М.: Наука, 1967. - С. 139-149.
Гаряев П.П. Волновой геном. - М.: Общественная польза, 1994. - 280 с.
Глаубер Р. Оптическая когерентность и статистика фотонов / / Квантовая
оптика и квантовая радиофизика. - М.: Мир, 1966. С. 91-280.
Голант М.Б., Савостьянова Н.А., Тарасова Т.П. Роль генерации клетками
когерентных колебаний в организации клеточных ансамблей / / Электронная
техника. Сер. «Электроника СВЧ». - 1988. - Вып. 7. - С. 29-33.
Голант М.Б. Влияние монохроматических электромагнитных излучений
миллиметрового диапазона малой мощности на биологические процессы / /
Радиобиология. - 1986. - Т. 31. - Вып. 1. - С. 139-147.
94
Голованов М.В., Дерягин Б.В. О формировании и устойчивости периодичес­
ких суспензий ореолообразующих клеток / / ДАН. - 1983. - Т 272 - № 2 С. 479-480.
Голубинский И.Н. Взаимостимуляция при прорастании пыльцевых зерен / /
ДАН. Новая серия. - 1945. - Т. 48. - № 1. - С. 64-70.
Гончарова Л.Р., Покровская Л А., Ушакова И.П., Малькова Н.Ю. Роль антиоксидантных механизмов в реакциях организма на действие низкоинтенсивного
лазерного излучения / / Радиационная биология. Радиоэкология. - 1994 Т. 34. - Вып. 6. - С. 368-372.
Гудмен Дж. Статистическая оптика. - М.: Мир, 1988. - 528 с.
Гурвич А.А. Митогенетическое излучение биологических систем как пока­
затель регуляторного взаимодействия молекулярного и клеточного уровня / /
Успехи современной биологии. - 1986. - Т. 101. - Вып. 3. - С. 390-397.
Гурвич А.Г. Принципы аналитической биологии и теории клеточных по­
лей. - М.: Наука, 1991. - 288 с.
Гурвич А.Г. Принципы аналитической биологии и теории клеточных по­
лей. - М.: Наука, 1991. - 288 с.
Гурвич А.Г. Теория биологического поля. - М.: Советская наука, 1944. - 155 с.
Гурвич А.Г., Гурвич ЛД. Двадцать лет митогенетическому излучению / /
Успехи современной биологии. - 1943. - Т. 16. - Вып. 3. - С. 305-334.
Девятков НД., Бецкий О.В., Гельвич Э.А. и др. Воздействие электромагнит­
ных колебаний миллиметрового диапазона длин волн на биологические сис­
темы / / Радиобиология. - 1981. - Т. 21. - Выи. 2. - С. 163-171.
Девятков Н.Д., Голант М.Б. О выявлении когерентных КВЧ-колебаний,
излучаемых живыми организмами / / Медико-биологические аспекты милли­
метрового излучения. - М.: ИРЭ ФН СССР, 1987. - С. 126-130.
Девятков НД., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль
в процессах жизнедеятельности. - М.: Радио и связь, 1991. - 168 с.
Девятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С. Физико-химичес­
кие механизмы биологического действия лазерного излучения '// Успехи со­
временной биологии. - 1987. - Т. 103. - Вып. 1. - С. 31-38.
Девятков НД., Лысиков В.Н., Маслоброд С.Н., Макеева Н.С., Боярских Г.В.
Исследование лазерного излучения как фактора, изменяющего электрическое
состояние растения / / Проблемы фотоэнергетики растений. Вып. 3 (физикотехнические вопросы). - Кишинев: Штиинца, 1975. - С. 142-158.
Денисюк Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волно­
вом фронте рассеянного им излучения //ДАН СССР. - 1962. - Т. 144, № 6. С. 1275-1278.
Джейкман Е. Корреляция фотонов / / Спектроскопия оптического смеше­
ния и корреляция фотонов / Под ред. Г. Камминса и Э. Пайка. - М.: Мир,
1978 . - С. 221-231.
Дриш Г. Витализм, его история и система. - СПб, 1915. - 272 с.
Дубровский В.А., Гусев В.В., Астафьева О.Г. О роли физических характе­
ристик лазерного излучения в поглощении света гемосодержащими биологи­
ческими молекулами / / Биофизика. - 1982. - Т. 27, Вып. 5. - С. 852-853.
Журавлев А.И. Субстраты и механизмы эндогенной (химической) генерации
возбужденных электронных состояний и сверхслабого свечения в тканях / / Сверх­
слабые свечения в биологии. - М.: Наука, 1972. - С. 17-32.
95
Звелто О. Физика лазеров. - М.: Мир, 1979. - 374 с.
Зубкова С.М., Михайлик Л.В. Красное и инфракрасное (ИК) излучение как
регуляторы активности геномов лимфоцитов тимуса / / I Международный кон­
гресс «Лазер и здоровье». - Лимассол. - М.: Фирма «Техника», 1997. - С. 9.
Зубкова С.М., Попов В.И. (1993) Морфофункциональное состояние кле­
ток Пуркинье мозжечка крысят при действии лазерного и ионизирующего
излучений / / Радиационная биология. Радиоэкология. - Т. 33. - Вып. 3(6). С. 790/0793.
Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излуче­
ния / Под ред. А.Ф. Котюка. - М.: Радио и связь, 1981. - 288 с.
Инюшин В.М., Чекуров П.Р. Биостимуляция лучом лазера и биоплазма. Алма-Ата: Казахстан, 1975. - 120 с.
Инюшин В.М., Чекуров П.Р. Биостимуляция лучом лазера и биоплазма. Алма-Ата: Казахстан, 1975. - 119 с.
Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. Советское
радио. - М., 1968. 472 с.
Казначеев В.П., Гаряев П.П., Васильев А.А., Березин А.А. Солитонно-голографический геном с коллективно-симметричным генетическим кодом. - Но­
восибирск: Институт клинической и экспериментальной медицины СО АМН
СССР (Препринт), 1990. - 50 с.
Казначеев В.П., Михайлова Л.П. Сверхслабые излучения в межклеточных
взаимодействиях. - Новосибирск: Наука, 1981. - 144 с.
Казначеев В.П., Михайлова Л.П., Стефанов С.Б. Исследование поведения
клеточного монослоя и клеточных дистанционных взаимодействий в услови­
ях высоких широт / / Научно-технический прогресс и приполярная медици­
на. - Новосибирск, 1978. - С. 133-134.
Казначеев В.П., Шурин C.I1., Михайлова Л.П., Игнатович Н.В. О межклеточ­
ных дистанционных взаимодействиях в системе двух тканевых культур, связан­
ных оптическим контактом / / Сверхслабые свечения в биологии. - М.: Наука,
1972. - С. 224-227.
Кару Т.Й. (1985) Фотобиохимия регуляции метаболизма клетки низкоин­
тенсивным видимым светом (Препринт). - Троицк. - 38 с.
Кару Т.Й. Первичные и вторичные клеточные механизмы лазерной тера­
пии / / Низкоинтенсивная лазерная терапия. - М.: ТОО «Фирма «Техника»,
2000. - С. 71-94.
Кару Т.И., Календо Г.С., Jlemoxoe B.C., Лобко В.В. Зависимость биологичес­
кого действия низкоинтенсивного видимого света на клетки HELA от коге­
рентности, дозы, длины волны и режима облучения / / Квантовая электрони­
ка. - 1983. - Т. 10. - № 9. - С. 1771-1776.
Кириллов А.И., Морское В,Ф., Устинов Н.Д. Дозиметрия лазерного излуче­
ния. - М.: Радио и связь, 1983. - 192 с.
Киркин А.Ф. Нехимические дистанционные взаимодействия между клет­
ками в культуре / / Биофизика. - 1981. - Т. 26. - Вып. 5. - С. 839-843.
Кобозев Н.И. Исследование в области термодинамики процессов инфор­
мации и мышления. - М.: Из-во МГУ, 1971. - 195 с.
Когельник Г., Ли Т. Световые пучки, резонаторы и гшты колебаний / / Спра­
вочник по лазерам / Под ред. акад. А.М. Прохорова. В 2-х томах. - Т. 2. М.: Сов. радио, 1978. - С. 11-24.
96
Кольцов Н.К. Организация клетки. - М.-Л.: Государственное издательство
биологической и медицинской литературы, 1936. - 652 с.
Конев С.В., Болотовский ИД. Фотобилогия. - Минск: Из-во БГУ, 1979. - 384 с.
Конев С.В., Мажулъ В.М. Межклеточные контакты. - Минск: Наука и
техника, 1977. - 288 с.
Крылов ОА. О путях изучения механизма действия лазерного облучения / /
Вопросы курортологии и физиотерапии и лечебной физкультуры. - 1980. № 6. - С. 1-5.
Кузин А.М. Вторичные биогенные излучения - лучи жизни. - Пущино,
1997(a) - 38 с.
Кузин А.М. Значение для биоты природных уровней атомной радиации / /
Успехи современной биологии. - 1995(6). - Т. 115. - Вып. 2. - С. 133-140.
Кузин А.М. Идеи радиационного гормезиса в атомном веке. - М.: Наука,
1995 (а). - 158 с.
Кузин А.М. Стимулирующее действие ионизирующего излучения на био­
логические процессы. - М.: Атомиздат, 1977. - 133 с.
Кузин А.М., Суркенова Г.Н., Будаговский А.В., Гуди Г.А. Вторичное биоген­
ное излучение у-облученной крови человека / / Радиационная биология. Ра­
диоэкология. - 1997(6). - Т. 37 - Вып. 4. - С. 577-580.
Кузин А.М., Суркенова Г.Н., Ревин А.Ф. Нативный белок, возбужденный градиацией в малых дозах как источник вторичных биогенных излучений / / Ра­
диационная биология. Радиоэкология. - 1996. - Т. 36. - Вып. 2. - С. 284-289.
Кузин А.М., Суркенова Г.Н., Ревин А.Ф. О значении дистанционного фак­
тора в радиационном гормезисе / / Радиационная биология. Радиоэкология. 1994. - Т. 34. - Вып. 6. - С. 832-837.
Ларюшин А.И., Илларионов В.Е. Низкоинтенсивные лазеры в медико-био­
логической практике. - Казань: Абак, 1997. - 276 с.
Лейпольд Д., Мори ГЛ., Кениг Р., Хоффман П. Активное вещество для лазе­
ра на красителях. А. с. СССР № 651438. Б.И. № 9. - 1979.
Лендъел Б. Генерация света с помощью вынужденного излучения. - М.:
Мир, 1964. 208 с.
Либерман ЕА., Минина С.В., Шкловский-Корди Н.Е. Роль электромеханичес­
кой и реакционно-диффузионной системы внутри нейронной переработки ин­
формации в работе мозга / / Биофизика. - 1986. - Т. 31. - Вып. 2. - С. 298-303.
Лобко В.В., Кару Т.Й., Летохов B.C. Существенна ли когерентность низкоин­
тенсивного лазерного света при его воздействии на биологические объекты / /
Биофизика. - 1985. - Т. 30. - Вып. 2. - С. 366-371.
Марченко И.С. Биополе лесных экосистем. - Брянск, 1973. - 31 с.
Марченко И.С. Способ исследования взаимодействия биополей в лесных
экосистемах. А. с. СССР № 613740 A01G23/00. 1978. Бюл. № 25.
Маслоброд С.Н. Электро-физиологическая полярность растений. - Киши­
нев: Штиинца, 1973. - 171 с.
Милер М. Голография. - Л.: Машиностроение, 1979. - 207 с.
Молчанов А А. Влияние световых межклеточных взаимодействий на ин­
тенсивность экструзии белка секреторными клетками молочной железы / /
Вестник ЛГУ. Биология. - 1985. - № 3. - Вып. 1. - С. 70-74.
Москвин С.В. Эффективность лазерной терапии. - М.: НПЛЦ «Техника»,
2003. - 256 с.
97
Муромцев Г.С., Бутенко Р.Г., Тихонечко Т.И., Прокофьев М.И. Основы сель­
скохозяйственной биотехнологии. - М.: Наука, 1990. - С. 178-183.
Нефедов Е.И., Протопопов А.А., Семенцов А.Н., Яшин А.А. Взаимодействие
физических полей с живым веществом. - Тула: Из-во ТулГУ, 1995. - 179 с.
Овчинникова Г.И. Структурная перестройка и перепое заряда в модельных
и биологических мембранах под воздействием микроволн / / Биологические
мембраны. - 1993. - Т. 10. - № 5. - С. 551-560.
Панов В.А., Кругер МЯ., Кулагин Г.В., Погарев Г.В. и др. Справочник конст­
руктора оптико-механических приборов. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.
Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М.: Колос, 1974. - 288 с.
Перина Я. Когерентность света. - М.: Мир, 1974. - 368 с.
Петухов В.Г. О физической регистрации и природе ультрафиолетового из­
лучения микроорганизмов / / Биохемилюминесценция. - М.: Наука, 1983. С. 210-221.
Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. - М.: Наука, 1968. 287 с.
Работное Т.А. Фитоценология. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - 292 с.
Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир, 1969. - 520 с.
Саляев Р.К., Дударева JI.B., Ланкевич С.В., Сумцова В.М., Выговский Ю.Н.,
Малое А.Н., Неупокоева А.В., Тимина О.О., Фещенко B.C. Влияние простран­
ственной структуры электромагнитного поля на эффективность лазерной био­
стимуляции / / Медицинская физика. - 2001. - № 11. - С. 34.
Светлов П.Г. Физиология (механика) развития. Т.1. Процессы морфогене­
за на клеточном и организменном уровнях. - Л.: Наука, 1978. - 279 с.
Сент-Дьерди А. Биоэлектроника. Исследования в области клеточной ре­
гуляции, защитных механизмов и рака. - М.: Мир, 1971. - 80 с.
Синнот Э. Морфогенез растений. - М.: Иностранная литература, 1963. 603 с.
Ситлоу Р. Поллард Э. Молекулярная биофизика. - М.: Мир, 1964. - 437 с.
Смит К., Хэнеуолт Ф. Молекулярная фотобиология. - М.: Мир, 1972. 272 с.
Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. / Под ред.
Г. Камминса и Э. Пайка. - М.: Мир, 1978. - 84 с.
Таблицы физических величин. Справочник. / Под ред. акад. И.К. Кикои­
на. - М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.
Тарасов Л.В. Физические основы квантовой электроники. - М.: Сов. ра­
дио, 1976, 368 с.
Тифлова О.А., Кару Т.Й. Действие излучения аргонового лазера и некоге­
рентного синего света на бактерии Escheria Coli / / Радиобиология. - 1986. Т. 26. - Вып. 6. - С. 829-832.
Уоддингтон К.Х. Морфогенез и генетика. - М.: Мир, 1964. - 308 с.
Уоддингтон К.Х. Основные биологические концепции / / Н а пути к теоре­
тической биологии. - М.: Мир, 1970. - С. И -38.
Филипов B.C., Пономарев Л.И., Гриднев А.Ю. и др. Антенны и устройства
СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под. ред. Д.Н. Вос­
кресенского. - М.: Радио и связь: 1994. - 592 с.
Фокс А., Ли Т. Резонансные типы колебаний в интерферометре квантового
генератора / / Лазеры. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - С. 326-362.
98
Франк Г.М., Харитон Ю.Б., Каннигиссер Н. О длине волны и интенсивно­
сти митогенетического излучения / / Биофизика живой клетки. - М • Наука
1982. - С. 161-185.
Франчук Е.П. Товарное качество плодов. - М.: Агропромиздат, 1986. - 269 с.
Фрелих Г. Когерентные возбуждения в биологических системах / / Био­
физика. - 1977. - Т. 22. - Вып. 4. - С 743-744.
Хесин Я.Е. Размеры ядер и функциональное состояние клеток. - М.: Ме­
дицина, 1967. - 424 с.
Хирд Г. Измерение лазерных параметров. - М.: Мир, 1970. - 540 с.
Чернов Г Д. О роли кооперативных межсемянных взаимодействий в про­
явлении эффекта лазерной активации / / Применение низкоэнергетических
физических факторов в биологии и сельском хозяйстве. Тезисы Всесоюзной
конференции. - Киров, 1989. - С. 48.
Чиркова З.Н. Волновая природа регуляции генной активности. Живая клетка
как фотонная вычислительная машина / / Успехи современной биологии. 1994. - Т. 114. - Вып. 6. - С. 659-677.
Читакян O.K., Щерев М.Г. Лазер с накачкой солнечной энергией. А. с. СССР
№ 904053. Б.И. № 5. - 1982.
Шнолль С.Э. Конформационные колебания макромолекул / / Колебатель­
ные процессы в биологических и химических системах. - М.: Наука, 1967. С. 22-41.
Якобенчук В.Ф. Эффективность светолазерного облучения семян / / Вест­
ник с.-х. науки. - 1989. - № 4 (392). - С. 123-128.
Ярив А. Квантовая электроника. - М.: Советское радио, 1980. - 488 с.
Backster С. Evidence of a primary Perception in Plant Life / / Intern. J. of
Parapsychology, N.Y. - 1968. - Vol. 10, № 4. - P. 329-348.
Bajpai R.P. Coherent nature of the radiation emitted in delayed luminescence
of leaves / / J. Theor. Biol. - 1999. - 198, № 3 - P. 287-299.
Bajpai R.P. Implications of biophotons and their coherent nature / / Biophotonics
and coherent systems. - Moscow University Press, 2000. - P. 135-140.
Beloussov L.V. Photon-em itting properties of developing hen eggs / /
Biophotonics. - М.: Biolnform Services, Co, 1995. - P. 168-189.
Budagovsky A. V. Principles of action of coherent electromagnetic fields upon living
organisms / / Biophotonics. - M: Biolnform Services, Co, 1995. - P. 233-256.
Budagovsky A.V. On the physical nature of «Biological fields»//Biophotonics
and coherent systems. - Moscow: University Press. - 2000 - P. 173-188.
Budagovsky A., Budagovskaya O., Lenz F., Keutgen A., Alkayed K. Analysis of
functional state of cultivated plants by means of interference of scattered light
and chlorophyll fluorescence. //Jo u rn a l of Applied Botany. - 2002. - Vol. 76. P. 115-120.
Burr H.S., Northrop F.S.C. Evidence for the existence of an electro-dynamic
field in living organisms / / Proc. Natl. Acad. Sci. - 1939. - 25. - P. 284-28.
Burr H.S., Sinnott E.W. Electrical correlates of form in cucurbit fruits / /
Amer. Jour. Bot. - 1944. - 31. - P. 249-253.
Chamovitz D.A., Deng X.-W. Light Signaling in Plants / / Critical Reviews in
Plant Sciences. - 1996. - Vol. 15. - P. 455-478.
ChangJJ., Popp F.-A., Yu W.D. Communication between dinoflagellates by means of
photon emission / / Biophotonics. - М.: Biolnform Services, Co, 1995. - P. 317-330.
99
Child С.M. Patterns and problems of development. - Chicago Univ. Press.,
1941. - 799 p.
Child C.M. Physiological foundations of behavior. - New York: H.Holt Co.,
1924. - 330 p.
Dicke R. Coherence in spontaneous radiation processes / / Phys. Rev. 93. (1954). P. 99-110.
Fru,hlich H. The biological effects of microwaves and related questions / /
Advances in Electronics and Electron Physics. - 1980. - Vol. 5. - P. 85-152.
Gurwitsch A.G. Das problem der zellteilung physiologisch betrachtet. - Berlin,
1926. - 221 p.
Gurwitsch A.G. Das problem der zellteilung physiologisch betrachtet. - Berlin,
1926. - 221 p.
Gurwitsch A.G. Der Vererbungs - mechanismus der Form / / Arch.
Entwicklungsmech. - 1914. - Bd. 39. - P. 516-577.
Gurwitsch A.G. Die Natur des spezifisxhen Erregers der Zellteilung //Arch.
Entwicklungsmech. - 1923. - Bd. 100. - H. 1/2. - P. 11-40.
Gurwitsch A.G. Die Natur des spezifisxhen Erregers der Zellteilung / / Arch.
Entwicklungsmech. - 1923. - Bd. 100. - H. 1/2. - S. 11-40.
Gurwitsch A.G. bber den Begriff des embryonalen Feldes / / Arch.
Entwicklungsmech. - 1922. - Bd. 51. - H. 3/4. - P. 383-415.
Hertwig R. bber neue Probleme der Zellenlehre / / Arch. Zellforsch. - 1908. № 1. - P. 1-32.
Kuhlemeier C., Green P.J., Chua N.-H. Regulation of gene expression in higher
plants / / Annual Review of Plant Physiology. - 1987. - Vol. 38. - P. 221-257.
Li K.H. Resent advanced in biophoton research / / Singapore: World Scientific,
1992. - P. 157-195.
Linskens H. Pollen / / Handbuch der Planzenphysiologie. -1967. - Bd. 18. S. 368-406.
Lund E.J. Bioelectric fields and growth. - University of Texas Press. Austin,
1947. - 391 p.
Molchanov A A., Galantsev V.P. / / Biophotonics. Moscow, Russia. - М.: Biolnform
Services, Co, 1995. - P. 341-347.
Muir W.H. Hildebrandt A.C., Riker A.J. The preparation, isolation end growth
in culture of single cells from higher plats / / Amer.J.Bot. - 1958. - Vol. 45. P. 589-597.
Nagl W., Popp F.A. / / Cytobios. - 1983. - Vol. 37. - P. 45-62.
Popp F.-A. Die Botshaft der Nahrung. Unsere Lebensmittel in neuer Sicht. Fischer Taschenbuch Verlag GmbH.: Frankfurt am Main, 1994. - 155 s.
Popp F.-A. Die Botshagtder Nahrung Unsere Lebensmitter in neuer Sicht. Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag GmbH, 1994. - 155 s.
Popp F.-A. Modern physical aspects of mitogenetic radiation (biophotons) / /
Biophotonics. - М.: Biolnform Servicer, 1995. - P. 86-98.
Popp F.-A. Photon storage in biological systems / / Electromagnetic Bio­
information (F.-A. Popp et al., Eds.). - Munic.h-Baltimore: Urban & Schwarzenberg,
1979, - P. 123-149.
Popp F.-A. Some essential question of biophoton. Reseach and probable answers / /
Recent advances in biophoton research and its applications. - World Scientific publishing,
Singapore, 1992. - P. 1-46.
100
Popp F.-A. Some features of biophotons and their interpretation in terms of
coherent states / / Biophotonics and coherent systems. - Moscow University
Press, 2000. - P. 117-133.
Popp F.-A., Li K.H. Hyperbolic relaxation as a sufficient condition of a
fully coherent ergodic field / / Int. J. Theor. Phys. - 1993. - Vol. 32. - № 9. P. 1573-1583.
Popp F.-A., Nagl W., Li K.H., Scholz W., Weingartner 0., Wolf R. Biophoton
emission. New evidence for coherence and DNA as source / / Cell Biophys. 1984. - Vol. 6. - P. 33-52.
Popp F.-A., Ruth B., BahrJ., Bohm J., Grass P., Grolig G., Rattemyer М., Schmidt
H.G., Wulle P. Emission of visible and ultraviolet radiation by active biological
systems. / / Collect. Phenom. - 1981. - Vol. 3. - P. 187-214.
Rattemeyer М., Popp F.-A., Nagl W. Evidence of photon emission from DNA in
living systems / / Naturwissenschalten. - 1981. - B. 68. - P. 572-573.
Robertson Cell-cell signaling in vertebrate development. - Academic press,
1993. - 238 p.
Shen X., Mei W.P., Xu X. / / Biophotonics. Moscow, Russia. - М.: Biolnform
Services, Co, 1995. P. 303-315.
Spemann H. Die Erzeugung tierischer C hinw endurch heteroplastische
embryonale Transplatation zwischen Triton crisratus und taeniatus / / Arch.
Entwicklungsmech d. Organismen. - 1921. - Bd. 48. - P. 533-570.
Spemann H. Uber Organisatoren in der tierischen Entwicklung / / Naturwiss. 1924. - Jg. 12. - P. 1092-1094.
Tiphlova О., Кат T. Action of low-intensity laser radiation on Escherichia
coli, CRC Crit / / Rev. Biomed. Engin. - 1991. - Vol. 18. - № 6. - P. 387-412.
Weiss P. Principles in the field of morphogenesis / / Quart. Rev. Biol. - 1950. 25. - P. 177-198.
Weiss P. Principles of development. - New York: H. Holt a.Co, 1939. - 601 p.
101
Содержание
Список используемы х сокращ ений............................................................5
П р еди сл ов и е..........................................................................................................6
1. Ф ормирование представлений о «биологических п о л я х »
8
2. Дистанционное межклеточное взаимодействие как форма
полевой регуляции биосистем ..................................................................... 13
3. Аналитический аппарат расчета параметров когерентного
излучения в фотобиологических эк сп ер и м ен тах.............................21
3.1. Расчет энергетических параметров лазерного излучения............. 22
3.2. Распределение энергии в лазерном пучке...........................................24
3.3. Аналитическое описание геометрии лазерных пучков...................27
3.4. Расчет области равномерного облучения........................................... 33
3.5. Устранение искажения лазерных пучков в оптическом тракте...........38
3.6. Количественный анализ статистических параметров
квазимонохроматического излучения .........................................................42
4. Экспериментальное моделирование дистанционного
взаимодействия биологических с и ст е м ................................................. 49
4.1. Применение лазерного излучения для стимуляции
дистанционного межклеточного взаимодействия...................................49
4.2. Экспериментальное доказательство статистической
упорядоченности излучения, осуществляющего
коммуникационные функции.......................................................................... 58
5. Биорегуляторные функции когерентны х электромагнитных
п о л ей .......................................................................................................................63
5.1. Роль когерентности оптического излучения
в биокоммуникационных процессах............................................................ 63
5.2. Биологическая мера когерентности..................................................... 69
5.3. Трансляция и рецепция когерентных сигналов в клетке............... 72
5.4. Акустическая модель кооперативного процесса.............................. 74
5.5. Аналитическое решение ядерно-плазменного отношения
Р. Гертвига.............................................................................................................77
5.6. Модель голографической индукции морфогенеза...........................78
5.7. Различия в рецепции клеткой внешних и внутренних п ол ей
84
З а к л ю ч ен и е.........................................................................................................90
Л и тер а т у р а ..........................................................................................................93
102
Contents
A bbreviations..........................................................................................................5
P r e fa c e ......................................................................................................................6
1. Concept on «biological field s»...................................................................... 8
2. D iatant intercellular interaction as a field regulation
o f b iosystem s......................................................................................................... 13
3. A nalytical calculation o f parameters o f coherent irradiation in
photobiological exp erim en ts........................................................................... 21
3.1. Energetic param eters o f laser irra d ia tio n .................................................22
3.2. Energy distribution in laser b e a m ..............................................................24
3.3. Analytical description of laser beam g eo m etry .......................................27
3.4. Calculation o f a region o f uniform irra d ia tio n .......................................33
3.5
Elim ination of laser beam distortion in optic t r a c t .............................. 38
3.6. Q ualitative analysis of statistic param eters o f quasim onochrom atic
irra d ia tio n ............................................................................................................... 42
4. Experim ental modelling distant interaction o f biological
s y s te m s ................................................................................................................... 49
4.1. Application of laser irradiation for induction of distant
intercellular in teraction....................................................................................
49
4.2. Experim ental evidence o f statistic ordering irradiation providing
communicative functioning................................................................................. 58
5. Bioregulatory functions o f coherent electrom agnetic fie ld s ............ 63
5.1. Role o f coherence of optic irradiation in biocommunicative
p ro cesses..................................................................................................................63
5.2. Biological measure of coherence................................................................ 69
5.3. Translation and reception o f coherent signals in a c e ll.....................
72
5.4. Aucustic model o f cooperative p ro c ess.................................................... 74
5.5. Analytical solution o f Gertwig nuclear-plasm a r a tio ............................ 77
5.6. H olographic induction o f m orphogenesis................................................78
5.7. Differences in external and inner field reception by a cell..................... 84
C o n clu tio n ..............................................
90
L itera tu r e..............................................................................................................93
А.В. Будаговский
Д И СТА Н Ц И О Н Н О Е М ЕЖ КЛЕТОЧНОЕ
В ЗА И М О Д Е Й С Т В И Е
Главный редактор издательства
С.В. Москвин
Издательство НПЛЦ «Техника». ИД № 04755 от 15.05.2001 г.
125367, Москва, а/я 33. Тел./факс (095) 254-9763.
E-mail: nplc@online.ru
ООО «Издательство «Триада». ИД № 06059 от 16.10.2001 г.
170034, г. Тверь, пр. Чайковского, 9, оф. 504. Тел./факс (0822) 42-90-22, 76-11-30.
E-mail: triada@tvcom.ru, triada@stels.tver.ru
http://www.triada.tver.ru
Подписано к печати 30.04.2004. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Уел. печ. л. 6,5. Тираж 1000 экз.
Заказ №1288.
Отпечатано на ГУРПП (г. Ржев, ул. Урицкого, д. 91)
Новое поколение лазерных терапевтических аппаратов
мерцательная аритмия, ишемическая болезнь сердца,
гипертоническая болезнь идр.
Заболевания периферических сосудов:, облитерирующие поражения сосудов конечностей,
флебиты, тромбофлебиты, варикозное расширение вен идр.
Заболевания бронхов и легких: острый и хронический бронхит, бронхоэктатическая болезнь,
пневмонии, бронхиальная астма идр.
Гастроэнтерология: язвенная болезнь желудка идвенадцатиперстной кишки идр.
Заболевания опорно-двигательного аппарата: ревматоидный артрит идр.
Хирургия: раны, перитониты, фурункулы, карбункулы, рожистые воспаления, ожоги идр.
Дерматология: нейродермиты, дерматиты, герпес, эрозии, витилиго и др.
Оториноларингология: отиты, хронический тонзиллит, тонзиллэктомия идр.
Гинекология: послеродовой эндометрит, неспецифические сальпингиты, бартолиниты и др.
Урология: циститы, мочекаменная болезнь, хронический простатит идр.
Неврология: невралгия тройничного нерва, неврит лицевого нерва, неврозы идр.
Стоматология: пародонтоз, периостит, гиперестезия эмали идр.
Сердечно-сосудистые заболевания:
Н а у ч н о -п р о и з в о д с т в е н н ы й
л а з е р н ы й ц е н тр
«ТЕХНИКА»
125367, а/я 33, Москва, Россия,
тел.: (09,5) 254-6901,250-5544,251-8947,
251,-7838; тел./факс: 254-9760,254-9763;
е-щэ№ nplc@onlftie.ru, http://www.mustangmed.ru
Эксклюзивные представители в регионах: Волгоград: ООО «Биотон В». Тел./факс (8442) 343 476.
Тольятти: ООО «Ладамедсервис». Тел./факс (8482) 727 329. Челябинск: МТЦ «Лазер». Тел./факс (3512) 909 140.
Региональные представители: Вологда: (8172) 233 935; Дели: (9111) 262 647 49;
ISBN 5 -9 4 7 8 9 -0 6 2 -3
Екатеринбург: (3432) 288 613,789 334, 604 201; Ижевск: (3412) 754 455, 373 399;
Киев: (050) 383 1082; Липецк: (0742) 412 298; Москва: (095) 158 9435, 935 8650, 796 9531,
267 0916; Новосибирск: (3832) 106 498,162 896,232 455; Омск: (3812) 316 544;
Пермь: (3422) 338 861,245 602; Петрозаводск: (8142) 768 431; Рига: (371) 7 583 816;
Ростов на Дону: (8632) 226 855; Санкт Петербург: (812) 567 40 6 0 ,3 2 8 3564,567 1815;
Сочи: (8622) 611 703; Тегеран: (21) 201 1321; Тула: (0872) 484 725, 309 568;
Тюмень: (3452) 329 493; Уфа: (3472) 501 352, 329 811; Харьков: (0572) 457 191