, Физические механизмы воздействия СВЧ

На правах рукописи
L
Никулин Роман Николаевич
,
Физические механизмы воздействия С В Ч - излучения
низкой интенсивности на биологические объекты
Специальности:
01.04.04 - Физическая электроника
03.00.02 - Биофизика
I
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
'
кандидата физико-математических наук
ВОЛГОГРАД-2004
Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом
университете на кафедре физики.
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
профессор Шеин Александр Георгиевич.
Научный консультант:
доктор биологических наук,
Лебедева Наталья Николаевна.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Бецкий Олег Владимирович.
доктор физико-математических наук,
профессор Крючков Сергей Викторович.
Ведущая организация:
Саратовское отделение Института Радиотехники и
Электроники РАН.
Защита диссертации состоится " 9 " декабря 2004 г. в 12 часов на заседа­
нии диссертационного совета К212.028.01 при Волгоградском государственном
техническом университете по адресу: 400131, г. Волгофад, пр. им. В.И. Лени­
на, 28 в ауд. 209.
С
диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского
государственного технического университета.
Автореферат разослан "
" ноября 2004 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Евдокимов А.П.
;U^f--^
9,2s ОсР I/
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РАБОТЫ
Актуальность исследования
Современная наука находится на высоком уровне развития и отвечает на
многие вопросы о строении и свойствах различных объектов Вселенной. Не­
смотря на это, существует большой класс явлений, точное объяснение которых
в рамках современных представлений естествознания пока является затрудни­
тельным.
Быстрое развитие науки и техники в последнее столетие привело к резко­
му увеличению количества факторов, тем или иным образом влияющих на
функционирование живых организмов, включая человека. Одним из интерес­
нейших и в то же время наименее изученных вопросов современной науки яв­
ляется проблема воздействия неионизирующего электромагнитного излучения
радиодиапазона низкой интенсивности на биологические системы.
За последние 50 - 60 лет возник и сформировался новый значимый фак­
тор окружаюп1ей среды - электромагнитные поля (ЭМП) антропогенного про­
исхождения, и, как отмечено в [Л1], мощность излучения техногенных источ­
ников превышает мощность естественных источников. Действительно, с каж­
дым годом возрастают уровни мощности ЭМИ, создаваемые всевозможными
искусственными источниками, такими, как теле- и радиопередающие центры,
гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы ра­
диосвязи, в том числе системы сотовой и спутттиковой связи, различные элек­
тробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры
и т.д.), а также технологические установки в промышленности. В то время как
живые организмы были окружены электромагнитными полями есгесгвенных
источников мшшионы лет и в процессе эволюции успели к ним адаптироваться,
искусственно созданные электромагнитные поля являются новым фактором ок­
ружающей среды, и пока неизвестно, какое именно действие (положительное
или отрицательное), он оказывает на процессы метаболизма, протекающие в
биологических системах. Также наука не дает пока однозначного ответа на во­
прос о механизме этого действия.
О важности данной физической проблемы говорит тот факт, что в Рос­
сийской Академии наук на отделении "Физики и астрономии" в Научном совете
РАН по проблеме "Физическая электроника" (научный руководитель - акаде­
мик РАН Гуляев Ю.В.) создана секция "Биологические эффекты миллиметро­
вого излучения» (научный руководитель - профессор Бецкий С В . ) , цель рабо­
ты которой заключается в изучении процессов, происходящих при воздействии
электромагнитного излучения крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона на
биологические объекты, поскольку в последние годы основное внимание ис­
следователей было уделено этому диапазону, как наиболее перспективному для
терапевтических и диагаостических целей [Л2].
Но и сантиметровый диапазон длин волн нельзя игнорировать. Главным
образом это связано с тем, что подавляющее большинство современных радио­
электронных приемо-передающих устройств в о ф т и к ЦМРПЯКЛЧМЦЯЧавигаБМЫИОТЕКА
1
ции, связи, телевидения работают в этом диапазоне, в связи с чем, живые орга­
низмы постоянно находятся под воздействием электромагнитных полей санти­
метрового диапазона.
Трудность решения вопроса воздействия С В Ч - излучения на биологиче­
ские объекты заключается в том, что пока не найдено единого подхода к изуче­
нию данной проблемы.
Несмотря на это, в послевоенное время накоплен достаточно большой
экспериментальный материал, позволивший разделить все эффекты воздейст­
вия электромагнитного излучения С В Ч на живые организмы на два большие
класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте на­
блюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности более 10
мВт/см^, а нагрев тканей при этом превосходит величину Cl^C, в противном
случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при
воздействии мощных электромагнитных полей С В Ч на биологические объекты
получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с эксперименталь­
ными данными, то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой
интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о фи­
зических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интен­
сивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одно­
клеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные
подходы к решению данной проблемы.
Создание общей теории проблематично, прежде всего, потому, что ЭМП
оказывает воздействие на всех уровнях организации живой материи, начиная с
электронного и кончая биосферным, причем на каждом из уровней имеют ме­
сто принципиально различные механизмы и явления.
В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механиз­
мов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой
интенсивности на биологические объекты, и построение теории, позволяющей
описать ЭТ01 процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются
актуальной задачей.
Целью исследований является изучение физических механизмов взаи­
модействия электромагнитного поля высокой частоты с биологическими объек­
тами и нахождение тех процессов жизнедеятельности, на которые влияет внеш­
нее ЭМП, определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие.
При реализации поставленной цели решены следующие основные задачи:
- показано, что термодинамический подход только качественно определяет
закономерности воздействия С В Ч излучения на биологические объекты;
- рассмотрена модель клетки и получены выражения, позволяющие опреде­
лить собственные частоты электромагнитных колебаний такой системы;
- проведены исследования по определению резонансных (собственных) час­
тот клетки и ее структур (протоплазмы, мембраны);
-предложен физический механизм воздействия электромагнитного поля
С В Ч низкой интенсивности на процессы транспорта ионов через мембраны
клеток и разработан метод расчета величины ионного тока при наличии
внешнего высокочастотного поля;
- проведен цикл исследований по влиянию внешнего Э М П с заданными па­
раметрами на транспорт ионов СГ, К*, No*.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- показано, что скорость генерации энтропии может выступать как один из
важных критериев качества воздействия электромагнитного излучения на
биологические объекты;
-определены собственные частоты колебаний мембраны, протоплазмы и
клетки в целом;
- впервые установлены диапазоны частот Э М колебаний, в пределах кото­
рых имеет место резонансное взаимодействие внешнего поля и биологиче­
ской системы и показаны особые роли СВЧ, 1СВЧ и терагерцового диапа­
зонов в процессах взаимодействия Э М П с живыми организмами;
-впервые предложен физический механизм воздействия внешнего С В Ч поля на процесс транспорта ионов через мембраны клеток;
-впервые установлены параметры ЭМП, при которых наблюдается наибо­
лее эффективное воздействие на процессы ионного транспорта, а также
пороговые значения мощности, при которых начинает проявляться изме­
нение силы ионного тока по сравнению с контролем;
- показано, что в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для диапазона
крайне высоких частот, существует порог значений потока мощности, ни­
же которого даже при длительном времени воздействия результатов воз­
действия не наблюдается.
Практическая ценность заключается в том, что
-разработанные численные модели клетки и ее составляющих позволяют
определять их резонансные частоты и, следовательно, корректно выбирать
диапазон частот, в рамках которого целесообразно проводить эксперимен­
тальные исследования;
- доказана роль сантиметрового диапазона длин волн в реализации биологи­
ческих эффектов;
- предложенная модель позволяет оценить параметры излучения, влияющие
на процессы ионного транспорта веществ заданного вида.
Внедрение результатов работы. Работа велась в рамках НИР «Исследова­
ние взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами
и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемая на ка­
федре физики Волгоградского государственного технического университета в
рамках плана перспективных и фундаментальных работ.
Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналити­
ческой аргументацией полученных теоретических положений с использованием
классических физических законов, достаточным количеством результатов, кор­
релирующих с экспериментальными и литературными данными.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Модель биологической клетки, ее мембраны и протоплазмы, предназначен­
ная для определения резонансных частот указанных систем.
2. Физический механизм воздействия внешнего С В Ч - поля на процессы ион­
ного транспорта веществ, и модель, позволяющая определять параметры по­
ля и вычислять значения сил ионных токов в зависимости от этих парамет­
ров.
3. Метод определения параметров внешнего С В Ч - излучения, способствую­
щих максимальной воздействию Э М П заданного диапазона.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семи­
нарах кафедры Физики ВолгГТУ (2001 - 2004 гг.), на научно-теоретических
конференциях ВолгГТУ (2000 - 2004 гг.), на V, V I , VII и V I I I Региональных
конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгофад,
2000 г., 2001 г., 2002 г., 2003 г.), на V I Традиционной научно-технической кон­
ференция стран СНГ: Процессы и оборудование экологических производств
(Волгоград, 2002 г.); результаты исследования были представлены на «Феде­
ральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи Рос­
сии по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.),
на Десятой Всероссийской Научной Конференции Студентов-Физиков и моло­
дых учёных (Москва, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных ра­
бот, из них восемь - тезисы докладов на Всероссийских, Международной и ре­
гиональных научно-технических конференциях, семь - статьи. Список работ
приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, за­
ключения, списка литературы из 130 наименований, включает 26 рисунков и 19
таблиц. Общий объем диссертации составляет 129 страниц.
Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил аналитическое и
численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным
руководителем: провел анализ экспериментальных исследований, построил и
исследовал эквивалентные схемы клеток и определил диапазоны частот, в пре­
делах которых можно ожидать реакции клетки на внешнее воздействие, полу­
чил аналитический вид формул, описывающих изменение силы ионного тока от
параметров внешнего С В Ч - поля, провел численные расчеты. Основные науч­
ные резульгаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в соавторстве с
научным руководителем профессором Шейным А.Г
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель, зада­
чи и методы исследования, научная новизна, теоретическая и практическая зна­
чимость работы, а также формулируются основные положения, выносимые на
защиту.
Первая глава является обзором литературы по теме диссертации. В ней
приведен анализ диапазонов электромагнитных волн с точки зрения их влияния
на биологические системы. Перечислены основные физические особенности
электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, которые отличают их
от колебаний остальных участков спектра. Приведены особенности и основные
закономерности воздействия Э М И С В Ч на биологические объекты. Представ­
лены элек1рические и магнитные свойства тканей биологических объектов.
Систематизированы исследования, посвященные биологическому воздействию
микроволн. Приведено детальное описание физического механизма, объяс­
няющего резонансное запасание энергии при облучении электромагнитными
волнами миллиметрового диапазона при высоких значениях добротности, при­
надлежащего Г. Фрёлиху. Сформулированы задачи, решению которых посвя­
щена данная работа.
Вторая глава посвящена применению термодинамического подхода [ЛЗ] к
описанию процесса воздействия Э М И С В Ч на биологические объекты. Этот
подход рассматривает биологический объект как термодинамически открытую
систему, которая обменивается с окружающей средой энергией и массой. В ы ­
ражение для предельного электронного КПД процесса преобразования энергии
Э М В имеет вид:
^-^i^^E^^Ubp),
(1)
V
где p = c^G /inhv^, п' ~ предельный электронный КПД, к - постоянная Больцмана, Т- температура по шкале Кельвина, v- частота электромагнитного поля,
с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка, G^ - спектральная плот­
ность излучения.
График зависимости предельного электронного КПД от спектральной
плотности поглощенного излучения имеет вид, изображенный на рис. 1. Лучше
привести на одном графике и данные эксперимента.
Показано, что если правильно определить понятие предельного коэффи­
циента полезного действия по результатам эксперимента, можно произвести
сопоставление теоретических данных и экспериментальных результатов. Для
этого необходимо найти некоторую численно фиксируемую величину, характе­
ризующую ответную реакцию биологического объекта на воздействие электро­
магнитного поля сверхвысокой частоты.
При определении зависимости ответной реакции семян злаковых культур
от энергетической характеристики воздействующего электромагнитного излу­
чения сантиметрового диапазона в качестве численно фиксируемой величины
выбрано число взошедших семян. Величиной, для которой приводятся все
функциональные зависимости, является отношение N/No^ где Nn - число поса­
женых семян, N- число взошедших семян.
0^
0*
07
0*
/
9S
43
01
'
/
1
0^
01
jT
У""^
1
f
Лаяр*Фи слеггр^икмсй п я т н и с т л о т v t t w r o мипчвмм
Рис 1. Зависимость предельного электронного КПД от спе1пральной плотности поглощен­
ного излучения (слева - теоретическая кривая, справа - экспериментальная)
Сопоставление усредненных результатов исследований всхожести семян
яровой пшеницы при различных параметрах облучения с теоретическими, по­
лученными в рамках описанного подхода позволяют сделать вывод, заклю­
чающийся в том, что в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для диапазона
крайне высоких частот, существует порог значений потока мощности, ниже ко­
торого даже при длительном времени воздействия, количество проросших се­
мян находится в пределах данных контроля. Следует отметить, что при этом
существует и порог по величине потока энергии, меньше которого даже при
достаточно больших значениях потока мощности эффект повышения всхожести
семян не наблюдается.
В третьей главе приводится методика вычисления собственных частот
электромагнитных колебаний клетки. Для решения поставленной задачи биоло­
гическая клетка рассматривается в виде сферического резонатора с идеально
проводящими стенками и заполненного изотропным диэлектриком с диэлек­
трической проницаемостью 1 S Б < 81. Далее обосновывается допустимость
рассмотрения стенок (границ) биологической клетки в качестве проводящих
поверхностей.
На основании однородных уравнений Гельмгольца
V'H„+k'H„=0,
V^E„ + eE„=0,
(2)
где к ~ —sfsfi = ш^Е^ц^ец с учетом граничных условий получены выражения в
сферических координатах, позволяющие определить собственные частоты ко­
лебаний рассматриваемой системы. Эти выражения для радиальных компонент
векторов НтлЕ имеют одинаковый вид
ЯДг,е,ф);£Д/-,е,ф) = — ^ У
,(A:-/-)Pi"4cose)-cos(w(p + a ) ,
(k-rf^ "*2
(3)
Собственные частоты колебаний могут быть определены, если известно волно­
вое число к, которое, в свою очередь, определяется из уравнения ./„^j^(/tr) = 0 ДЛЯЯ-ВОЛН
или
—
-57-^ i (^)
= О - для Е-волн.
Численный анализ показывает, что резонансные длины волн лежат в ин­
тервале от сотых до десятых долей миллиметра. Резонансные длины волн для
Е-колебаний и для Я-колебаний имеют одинаковый порядок. В некоторых ра­
ботах [например, Л2] отмечается, что критические длины волн биоклетки пред­
положительно лежат в основном в миллиметровом, а также в субмиллиметро­
вом диапазоне. Таким образом, теоретически полученные значения достаточно
близко лежат к описываемым в литературе экспериментальным данным. Разли­
чие значений на порядок имеет место, по-видимому, в связи с тем, что данная
модель биоклетки сильно идеализирована: не учитывались потери на провод­
никах и диэлектрике, а также не учитывались анизотропные свойства прото­
плазмы.
В четвертой главе построена модель мембраны, протоплазмы и клетки в
целом, позволяющая при заданных параметрах вычислить резонансные частоты
этих систем. Поставленная в данной главе задача решалась посредством пред­
ставления мембраны и протоплазмы в качестве схем замещения, а клетка пред­
ставлялась как последовательное соединение схем для мембраны и протоплаз­
мы. Электрические параметры клетки и ее составляющих были или взяты из
литературных источников, или вычислены на основании известных параметров.
Для мембраны и протоплазмы были предложены схемы замещения, изобра­
женные на рис. 2.
0Ь.
_/^)ф\Ь^
—1
iB-
•)
»)
»»
Рис. 2. Эквивалентные схемы клеючной мембраны (или протоплазмы), соответствующие ре­
зонансу токов и напряжений
Для каждой из схем были получены вьфажения, позволяющие определить
ее резонансные частоты электромагнитных колебаний. Максимально допусти­
мые значения параметров клетки и ее составляющих: диаметр клетки dc =2Л0'
м, электрическая емкость мембраны С„=210''' Ф, сопротивление мембраны R„
=10'* Ом, сопротивление протоплазмы Rp = Ю'Ом, относительные диэлектри­
ческие проницаемости мембраны £;,, = 9 и протоплазмы Sp = 80. Результаты чис­
ленного моделирования приведены в табл. 1.
Исходя из приведенных в табл. 1 данных, следует, что диапазон частот ко­
лебаний клеточной мембраны и протоплазмы занимает субмиллиметровый,
миллиметровый и сантиметровый диапазоны длин волн. Из табл. 1 видно, что
частоты колебаний мембраны (и протоплазмы), представленной с помощью
двух различных схем (рис. 2) совпадают с большой точностью (по крайней ме­
ре, до трех знаков после запятой), т.к. слагаемое (ЛС) ^ в выражении для часто-
10
ты схемы «la» оказывается мало по сравнению с (LC)'', которое входит в вы­
ражение для частоты схемы «16», т.е. (iC)"' »{RC)'^.
Таблица 1
Результаты расчета резонансных частот мембраны и протоплазмы клетки, представленных в виде схем замещения, изображенных на рис 2
Параметре
минималь­
ным значе­
нием
Резонансная частота v, Г Г ц
Мембрана
Схема 1а
Схема 16
Индуктивность протоплазмы
-
6.335
6.335
6.335
126.7
R„^l<f Ом
R^^IO'OM
С„=1(Г"Ф
Ос - la" м
Вт ^2
е„ = 40
Протоплазма
Схема 1а
Вое,
42.46
6.335
2.987
-
6.335
6.335
6.335
126.7
R„^l(f Ом
R^^I&OM
С„-1(Г"Ф
Ос = 1(Г*м
6.335
^11 = 2
2.987
е, = 40
6.335
42.46
42.46
1 42.42
42.46
424.6
42.46
6.335
Индуктивн эсть протоплазмы: L^
Схема 16
60.05
42 J
С/
НИ
1111
1111
1111
11109
ИИ
1571
Как отмечалось выше, эквивалентную схему замещения клетки можно
получить путем последовательного соединения схем для мембраны и прото­
плазмы. Таким образом, возможны четыре случая (рис. 3).
!jeu6pmtt преявкиама
"■^чЭ"^
мыбрака
tpemommutt
ЧЗ-^'^ЧЭ"'^
Н
иечбрама
II
прощотягна
-'ТЦГ^
меубгхта
пратопяялиа
Рис. 3. Эквивалентные схемы клетки
Аналогично тому, как это было сделано для схем замещения мембраны и
протоплазмы, для каждой из схем замещения клетки, изображенных на рис. 3,
получены выражения, позволяющие определить резонансные частоты электро­
магнитных колебаний. Результаты численного моделирования приведены в
табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета резонансных частот клетки, представленной в виде схем замеще­
ния, изображенных на рис. 3
Параметр
с мини­
мальным
значением
Схема «а»
Vl
Резонансная частота v, Г Г ц
Схема
Схема «в»
«б»
V2
V
VI
Схема
«г»
V
V2
Индуктивность протоплазмы: L ^^-^^С„
-
Л„=/0' Ом
R„^](fOM
с„-1а"Ф
д = /а" м
Ет=2
ео = 40
6.346
6.346
6.346
17.17'
6.335
2.987
6.340
19.22
19.22
19.22
20.6?
84.42
19.18
22.54
11 14
11.14
11.04
94.48
30.62
5.353
14.49
9.065
9.065
9.041
140.6
9.739
4.261
9.403
е^е.
51.15
51.15
51.13
175.9
434.0
51.07
66.44
Индуктивность протоплазмы: /.^ = —^
-
«„=/0* Ом
R„=1&OM
с.-кг'-'Ф
Dc = l(f м
«» = •?
е„-40
6.335
6.335
6.335
126.7
6.335
2.987
6.335
501.4
501.4
501.4
692.6
2204
501.4
583.3
11.42
11.42
11.32
133.5
30.70
5.382
14.85
9.033
9.033
9.009
138.0
9.738
4.258
9.379
—
11.14
11.14
11.14
94.48
30.62
5.353
14.49
^—
1335
1335
1335
3497
11350
1335
1737
11.42
11.42
11.42
133.5
30.70
5.382
14.85
- С„=8Ш'^Ф. Резонанс наблюдается только при емкости, большей указанной.
Эти данные показывают, что частоты колебаний клетки занимают полно­
стью сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн, а также часть субмил­
лиметрового диапазона. Очевидно, что именно воздействие на биологические
системы электромагнитными излучениями в указанных диапазонах длин волн,
окажется наиболее эффективным и приведет к максимальному биологическому
отклику (эффекту).
Основной вывод этой главы, заключается в том, что не следует игнориро­
вать сантиметровый диапазон длин волн (СВЧ - волны) при эксперименталь­
ном исследовании влияния внешних Э М П на живые организмы ввиду того, что
как показывают приведенные расчеты, С В Ч - диапазон также играет биологи­
ческую роль. Так, согласно приведенным выше данным, частоты колебаний
мембран клеток и самих клеток кроме миллиметрового и субмиллиметрового
диапазонов лежат в сантиметровом диапазоне длин волн, и только частоты ко­
лебаний протоплазмы клетки занимают лишь миллиметровый и субмиллимет­
ровый диапазоны.
Пятая глава посвящена построению модели воздействия электромагнит­
ного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на процессы пас­
сивного транспорта ионов через мембраны клеток. Основным методом решения
12
поставленной в этой главе задачи является учет составляющей силы ионного
тока, обусловленного ЭМП С В Ч в соответствующем уравнении, описывающем
пассивный транспорт ионов. В биофизике существуют два основных метода
описания пассивного транспорта ионов через мембраны: электродиффузионная
теория и теория абсолютных скоростей реакций [Л4].
Уравнение Нернста - Планка для силы тока имеет вид
I,.-4.Rlu,kJ^.n,I£-^\
(4)
\^ ах
кдТ ах J
где м, - подвижность иона, кв - постоянная Больцмана; Т - абсолютная темпе­
ратура; и, - концентрация; z - валентность иона; е - заряд электрона; <р - элек­
трический потенциал, называется уравнением электродиффузии (или уравнени­
ем Пернста—Планка) и описывает диффузию ионов в растворе или в гомоген­
ной незаряженной мембране. /?„ - радиус мембраны.
Предположив, что электромагнитное поле оказывает влияние на движе­
ние заряженных частиц, то при рассмотрении прохождения ионов из межкле­
точной среды через мембрану внутрь клетки необходимо учесть токи, созда­
ваемые этим полем, и в уравнении Нернста—^Планка добавить член, характери­
зующий поток ионов разных сортов, возникший вследствие действия С В Ч - из­
лучения.
Рассматривая элемент мембраны в качестве диодного промежутка, на
электроды которого подано электромагнитное поле с частотой о», находим, что
составляющая силы ионного тока, обусловленная наличием внешнего С В Ч поля имеет вид
дЕ
(5)
/в, = 4л-л;^ -аЕгде Rm - радиус мембраны,ст- удельная проводимость среды, Е - напряжен­
ность электрической составляющей электромагнитного поля. Данное выраже­
ние должно быть добавлено к уравнению Нернста-Планка.
Зависимость концентрации ионов от пространственной координаты п,(х)
определяется законом
z' Jnternal
External
"i
^External
Л
-1 ^ + 1.
(6)
Если предположить, что в пределах мембраны статический потенциал ф линей­
но зависит от координаты х, то зависимость потенциала от пространственной
координаты будет иметь вид (р(х) = 10 JC, где х меняется в пределах от О до rf
{d~10 HM=l(f м- толщина мембраны).
Таким образом, полная сила ионного тока через мембрану при наличии
внешнего СВЧ - излучения определяется согласно выражению
],=^A7iR„\-u,n,{x)e
к,:Т
1
dnjjx)
и,(д:)1, dx
d<p(x)
dx
+ Z.
оЕ + SEQая
dt
(7)
первое слагаемое, которого описывает силу ионного тока, обусловленную гра­
диентами концентрации и статического потенциала, а второе - наличием внеш­
него С В Ч - поля.
Анализ результатов численного моделирования, проведенного в рамках
предложенной модели, приводит к выводу, что существует пороговое значение
плотности потока мощности С В Ч поля, при котором величина ионного тока
при отсутствии этого ПОЛЯ и при его наличии остается практически неизмен­
ной, что подтверждает ранее экспериментально установленный [Л5] пороговый
характер процесса влияния Э М И на биологические системы.
Для более точного определения значений удельной проводимости ионного
канала получено выражение, отражающее зависимость удельной проводимости
от разности потенциалов на мембране и разности концентраций ионов по обе ее
стороны:
2zF<p
п1"'е
^fp-^'P^l
0-, =
RT
iFq)
+e
RT
'^[nf^-n^'Ynf^'
Л2
RT
ВТ
Jnt
Ext
+ n:
(8)
_j
V
J
Использование формулы (8) показало, что имеет место плавное нараста­
ние величины ионного тока вблизи значения пространственной координаты
Х=0, что соответствует физической сущности явления. Следует отметить, что
без использования указанного выражения для расчета тока, обусловленного на­
личием С В Ч - поля, наблюдается скачкообразное изменение силы тока ионов
вблизи Х=0, что не вполне соответствует физическому смыслу явления.
Однако существуют явления, которые нельзя объяснить в рамках пред­
ставлений о свободной диффузии. Например, взаимодействие и насыщение
ионных потоков, а также блокировка канала при высоких концентрациях элек­
тролита. С целью преодоления указанных трудностей в последнее время сфор­
мировалась новая теория, в основе которой лежат общие физические принципы
[Л4]. В этой теории транспорт ионов рассматривается как серия последователь­
ных перескоков через энергетические барьеры в канале и уравнение для потока
ионов выводится на основе теории абсолютных скоростей реакций Эйринга.
Выражение для силы ионного тока в рамках данной модели имеет вид
^fiV
li=4nRit-Zik^iFl
2kgT
ще
_
«/0^
2к,Т
(9)
где Rm - радиус мембраны, z, - зарядовое число иона, к^, - значение константы
скорости, F - число Фарадея, / - длина канала по которому движется ион, и, и
п,о - концентрации ионов по одну и другую стороны мембраны, е - заряд элек­
трона, (р- потенциал на мембране, kg- постоянная Больцмана, Т- абсолютная
температура.
14
Таким образом, если ток через канал определяется скоростью переноса
ионов через основной энергетический барьер, расположенный в центре мем­
браны, то вольт - амперная характеристика имеет форму гиперболического си­
нуса: с ростом напряжения на мембране проводимость возрастает.
Очевидно, что наличие внешнего С В Ч - поля будет изменять потенциаль­
ный барьер для иона, поэтому следует учесть этот факт в дальнейших рассуж­
дениях. Напряженность электрической составляющей С В Ч - поля Ee^(x,t) пред­
ставим в виде
X
Eg^{x,t) = EQe ^cos{u)t~l<x + a).
где EQ-
(10)
амплитудное значение высокочастотной составляющей
напряженности электрического поля, Р - поток мощности действующего поля.
В о время положительного полупериода поля потенциальный барьер уменьша­
ется на величину
V, = -0.44
Т4е
а во время отрицательного
^/M^^
(11а)
увеличивается на величину
Ze\E\h
(116)
^'
it, Г
Кроме того, в выражение (9) необходимо добавить слагаемое, определяе­
мое выражением (5), которое представляет собой силу тока ионов, наведенного
внешним С В Ч - полем. Таким образом, окончательно имеем
Ii=A7rRl-\ziKiFl
(fv-vi)
-(fv+v/i)
aE + s£Q—ot
(12а)
во время положительного полупериода поля и
li^AnR^ZiKiFl
[b'-Vi]
е^
'/0«
-(i -r+V2
'-пте ^
аЕ + EEQ
дЕ_
dt
(126)
- во время отрицательного. Особенностью влияния С В Ч поля является перио­
дическое изменение высоты потенциального барьера, т.е. высота потенциаль­
ного барьера становится функцией времени.
Анализ численных результатов показывает, что силы ионных токов, в ы ­
численные с учетом внешнего воздействия не более, чем на несколько процен­
тов превышают значения сил ионных токов, вычисленных без учета С В Ч - из­
лучения (рис. 4). Этот факт приводит к мысли о том, что низкоинтенсивное
электромагнитное излучение сверхвысокой частоты способствует возникнове­
нию в биологическом организме ионных токов, величины которых лежат в пре­
делах значений ионных токов, присущих здоровому opi анизму. Например, если
концентрация некоторого иона в организме понижается, то, следовательно, по-
15
нижается и величина соответствующего ионного тока. Подействовав при этом
внешним С В Ч - полем, станет возможным увеличить силу ионного тока, доведя
ее до нормы, присущей здоровому организму. При этом нельзя не отметить,
что, если в организме наблюдаются «нормальные» концентрации того или ино­
го иона, то посредством нетеплового С В Ч воздействия не удастся достигнуть
многократного превышения значения ионного тока над нормальным значением.
Другими словами можно сказать, что при пониженной концентрации ио­
нов внешнее С В Ч - излучение способствует усилению транспорта этих ионов
и, следовательно, увеличению силы ионного тока, которая в этом случае дости­
гает нормального значения, несмотря на низкую концентрацию ионов.
Рис. 4. Зависимости сил токов ионов С1, КяМа, вычисленных на основе теории абсолютных
скоростей реакций Эйринга без учета воздействия внешнего СВЧ - излучения (кривые 1,2,
3) и с учетом этого воздействия (кривые 2,4, 6) от пространственной координаты
Модель воздействия низкоинтенсивного С В Ч -излучения на процессы
пассивного ионного транспорта веществ через мембраны позволяет вычислить
величины ионных токов, которые не противоречат физическому смыслу, а так­
же дать объяснение наблюдаемой ранее и описанной в литературе особенности
воздействия Э М И на биологические объекты.
В заключении диссертации подведены итоги исследования, перечислены
полученные результаты и выводы.
В результате исследований получены следующие основные научные ре­
зультаты.
1. Скорость генерации энтропии может выступать как один из важных крите­
риев качества воздействия электромагнитного излучения на биологические
объекты. По сдвигу между значениями теоретической и экспериментальной
величинами спектральной плотности G^ и G^ можно оценить величину,
характеризующую скорость генерации энтропии вследствие необратимости
процесса взаимодействия С В Ч - излучения с биологическим объектом (в
данном эксперименте - зерном), которая определяет степень отличия КПД
реального преобразования энергии в исследуемом процессе от КПД идеаль-
16
ного преобразователя, иначе говоря, характеризует потери энергии. В част­
ности, из теоретического расчета следует, что на частоте 15,7 ГГц с^ = ^/.
G"'"^ «6.40 10"'^ Вт/Гц, в то время как экспериментальные данные дают ре­
зультат G^ * 1.63 • 10'" Вт/Гц.
2. Экспериментально определены значения мощности внешнего С В Ч - излуче­
ния, ниже которого не наблюдается воздействия электромагнитного поля в
заданном диапазоне частот даже при длительном времени облучения.
3. Существует и порог по величине потока энергии, меньше которого даже при
достаточно больших значениях потока мощности, эффекта воздействия
электромагнитного поля также не наблюдается.
4. Определены частоты собственных электромагнитных колебаний протоплаз­
мы, которые лежат в терагерцовом диапазоне длин волн.
5. Электромагнитные волны сантиметрового диапазона должны рассматри­
ваться как влияющие на процессы в биологических объектах, поскольку
частоты колебаний клетки, представленной в виде комбинации колебатель­
ных кончуров (схемы замещения), определяющиеся совокупностью величин
эквивалентных емкостей, индуктивностей и сопротивлений протоплазмы и
мембраны, лежат в широком диапазоне частот - от сверхвысокочастотных
до терагерцовых.
6. Предложен физический механизм воздействия внешнего С В Ч - поля на про­
цесс транспорта ионов через мембраны клеток.
7. Доказано, что наличие внешнего электромагниттюго излучения изменяет ве^шчинy тока ионов через мембрану.
8. Существует пороговое значение плотности потока мощности С В Ч поля, при
котором величина ионного тока при отсзтствии этого поля и при его нали­
чии остается практически неизменной. Это пороговое значение величины
плотности потока мощности С В Ч поля составляет порядка 10"''Вт/м^.
9. На основе теории абсолютных скоростей реакций Эйринга доказано, что при
пониженной концентрации ионов внешнее С В Ч - излучение способствует
усилению транспорта этих ионов и, следовательно, увеличению силы ионно­
го тока, которая в этом случае достигает нормального значения, несмотря на
низкую концентрацию ионов.
Ю.Если в биологическом объекте имеются «нормальные» концентрации того
или иного иона, то посредством нетеплового С В Ч воздействия не удается
достигну гь значительного превышения значения ионного тока над нормаль­
ным его значением.
Представленные в работе результаты показывают, что изучение физических
механизмов воздействия высокочастотного электромагнигного излучения на
биологические объекты и создание соответствующих математических моделей,
учитывающих сложный характер взаимосвязи в живом организме, представляет
не только чисто научный, но и практический интерес.
Более того, понимание, например, характера регуляции тока ионов в мем­
бране может явиться предпосылкой создания управляемых внешними полями
приборов на основе наноструктур.
17
Проведенные в данной работе исследования можно рассматривать как
один из шагов по дальнейшему пониманию представлений о физических меха­
низмах воздействия сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного излуче­
ний на биологические системы.
Цитируемая литература:
Л1. Павлов А.Н. Воздействие электромагнитных излучений на жизнедеятельностьУчебное пособие. М., Гелиос АРБ, 2002. - 224 с
Л2 Бецкий О В., Лебедева Н.Н. Современные представления о механизмах воздействия
низкоинтенсивных миллиметровых волн на биологические объекты // Миллиметровые волны
в биоло! ИИ и медицине. - 200]. - №3. - С. 5 - 19.
ЛЗ. Чукова Ю.П Эффекты слабых воздействий. Термодинамический, эксперименталь­
ный (биоло! ический и медицинский), социа;1ьный, законодательный, межд>народный и фи­
лософский аспекты проблемы. - М.: Компания «Алее», 2002. - 426 с.
Л4. Рубин А.Б.. Биофизика: В 2-х кн.; Учеб. для биолог, спец. вузов. Кн. 2 М. Высш шк.
1987. - 303 с
Л5. Девятков Н.Д., Голант М.Б, Тагер А С Роль синхронизации в воздействии слабых
сигналов миллиметрового диапазона волн на живые организмы // Эффекты нетеплового воз­
действия миллиметровою излучения на биологические объекты / Под. ред. академика Девяткова Н.Д. - М., ИРЭ АН СССР, 1983. - С. 7 - 17.
Основные результаты исследования отражены в публикациях:
1
Никулин Р.Н. Исследование влияния нетеплового воздействия СВЧ - излучения санти­
метрового диапазона на биологические объекты // V Региональная конференция моло­
дых исследователей Волгоградской области: Сб. докладов. - Волгоград: РПК «Политехнию),2001.-с. 219-221.
2. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного
излучения на биологические объекты // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. №4.-С 19-23.
3. Никулин Р Н Модель взаимодействия СВЧ - излучения нетепловой интенсивности сан­
тиметрового диапазона с биологическими объектами // VI Региональная конференция
молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докладов. - Волгоград: РПК «По­
литехник», 2002. - с. 196 - 198.
4. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Возможности создания модели воздействия СВЧ - излучения
на биологические объекты // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2002 №4.-С. 9 15.
5 Шеин А.Г., Кривонос Н.В., Никулин Р.Н. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ - излу­
чения на зерновые как переключение биологического триггера // Физическая метроло­
гия. Вестник Поволжск. Отдел. Метроло!. Акад. России. 2002. Вьш. 4. - С. 81 - 86.
6 Шеин А.Г, Никулин Р.Н Электромагнитные поля СВЧ низкой интенсивности ангропогенного происхождения как один из важнейших экологических факторов современного
мира // VI Традиционная научно-техническая конференция стран СНГ: Процессы и обо­
рудование экологических производств: Тезисы докладов - Волгоград: РПК «Политех­
ник». - 2002. - с. 145 - 149.
7. Никулин Р.Н. Мембрана живой клетки как один из основных детекторов сверхвысоко­
частотного электромагнитного излучения низкой интенсивности в биологическом объек­
те // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области:
Тезисы докладов. - Волгоград: РПК «Политехник», 2003. - с. 229 - 230.
8. Шеин А.Г, Никулин Р Н Подходы к моделированию воздействия электромагнитного
поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на ионный транспорт веществ через
18
9.
10.
11
12
13
14
15
биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. №4.-с.4-11.
Харланов А. В., Грецова Н. В., Никулин Р. И. Взаимодействие электромагнитных волн с
пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Федеральная итого­
вая научно-техническая конференция творческой молодежи России по естественным,
техническим, гуманитарным наукам Материалы конференции - М - 2003. - с. 66 - 67
Харланов А В , Грецова И В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с
пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Всероссийский кон­
курс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи
России по естественным наукам. Каталог представленных на конкурс проектов и работ. Сараюв.-2003. с. 170-172,
Никулин Р.Н Моделирование воздействия электромагнитного поля сверхвысокой часто­
ты низкой интенсивности на пассивную составляющую ионного транспорта веществ че­
рез биологические мембраны // VIII Региональная конференция молодых исследователей
Волгоградской области: Тезисы докладов. - Волгоград- НПК «Политехник», 2004. - с.
239-241.
Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Моделирование воздействия низкоэнергсгического электро­
магнитного излучения сверхвысокой частоты на пассивную сосгавляющую ионного
транспорта веществ через биологические мембраны // Биомедицинские технологии и ра­
диоэлектроника. - 2004. - №4. - с. 4 - 11.
Шеин А.Г., Никулин Р Н. Подходы к решению вопроса о воздействии электромагнитно­
го излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона длин воли на биоло­
гические объекты // Физическая метрология. Вестник Поволжск. Отдел. Метролог. Акад.
России. 2003. Вып. 5. С. 66 ~ 74.
Никулин Р Н Расчёт резонансных частот электромагнитных колебаний клетки, пред­
ставленной в виде ijieKipH4ecKou схемы замещения // Физическая метрология. Вестник
Поволжск. Отдел. Метролог Акад России. 2003. Вып. 5. - С. 75 - 81.
Никулин Р.Н Модели воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты
низкой интенсивности на биологические объекты // Сборник тезисов Десятой Всерос­
сийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов:
В 2 т. Т.2 - Екатеринбург Красноярск, издательство АСФ России, 2004. - С. 848 - 850.
?
Подписано в печать&7.10.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №792
Типография РПК "Политехник"
Волгоградского государственного технического университета
400131, Волгоград, ул. Советская, 35
F «
V
■■■ /
11203 22
РНБ Русский фонд
2005-4
22517