ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Нецветов Максим Вікторович

УДК 577.3

Взаємодія біологічних систем зі змінними магнітними полями, електричними струмами та механічними коливаннями як екологічними чинниками

Спеціальність 03.00.16 – екологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі біофізики біологічного факультету Донецького національного університету

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Хиженков Павло Костянтинович

Донецький національний університет

доцент кафедри біофізики

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Ємельянов Ігор Георгійович

Інститут зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України

завідувач відділу популяційної екології та біогеографії

кандидат біологічних наук

Решетило Остап Степанович

Інститут екології Карпат НАН України

відділ популяційної екології

молодший науковий співробітник

Провідна установа: Таврійський національний університет ім. В.І. Вернадського Міністерства освіти і науки України, м. Сімферополь

Захист відбудеться “11” грудня 2002 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: вул. Наукова, 13, корпус 17, ауд. 611, м. Дніпропетровськ, 49050.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: вул. Наукова, 13, м. Дніпропетровськ, 49050.

Автореферат розісланий “7” листопада 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.О. Дубина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останній час однією з основних проблем екології вважається збереження структурно-функціонального різноманіття біологічних систем різних рівнів інтеграції, що великою мірою залежить від різноманіття в комплексі абіотичних чинників (Емельянов, 1999). Серед екологічних чинників особливе значення мають такі, як природні електромагнітні поля, електричні струми та механічні коливання, котрі існували протягом всієї історії життя на Землі (Пресман, 1968; Протасов и др., 1982; Романов, 1983; Черных, 1986) і тісно пов’язані між собою та з іншими чинниками (Космическая экология, 1985; Черняк, 1975). Залежність електромагнітного фону від сонячної активності дозволяє вважати його відповідальним за біологічні ефекти останньої (Темурьянц, Владимирский, Тишкин, 1992). У зв’язку з цим актуальним та необхідним є вивчення закономірностей взаємодії біоти з такими складовими комплексу абіотичних екологічних чинників, як електромагнітні поля, електричні струми й механічні коливання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі біофізики Донецького національного університету в межах теми науково-дослідної роботи “Дослідження та розробка заходів відновлення антропогенно трансформованих екосистем Південного Сходу України”, (№ державної реєстрації 0102U001900).

Мета роботи – встановити загальні закономірності й особливості впливу магнітних полів, механічних коливань й електричних струмів як екологічних чинників на біологічні системи організменного та системи суборганізменного рівнів організації.

Задачі:

1. Дослідити вплив механічних коливань на фізичні властивості ґрунтів (вертикальне переміщення колоїдів – лесіваж) і електричні властивості розчинів, а також з’ясувати зміни ростових показників проростків ячменю під впливом низько- й наднизькочастотних магнітних полів, електричних струмів і механічних коливань.

2. Встановити реакції тваринних організмів як цілого на електромагнітні поля та механічні коливання, а саме: а) виявити напрямок змін тривалості життя лабораторних мишей у критичних умовах при впливі змінних магнітних полів різних частот, які відповідають мікропульсаціям геомагнітного поля 1,5 Гц, основній частоті іоносферного хвилеводу 8 Гц і кратній їй – 24 Гц, а також основній промисловій частоті 50 Гц; б) визначити реакції поведінки мишей на механічні коливання низьких і наднизьких частот.

3. Вивчити реакції тваринних організмів на механічні коливання, електричні струми та електромагнітні поля на рівні органів, тканин та окремих клітин, а саме: а) визначити особливості відновлення кінцівок голчастих тритонів і м’яких тканин мишей під впливом змінних магнітних полів; б) виявити реакції ізольованих еритроцитів крові пацюків і людини на змінні магнітні поля; в) встановити можливість порушення іонного гомеостазу в тканинах головного мозку мишей під впливом низько- й наднизькочастотних змінних магнітних полів, електричних струмів і механічних коливань.

4. Якісно описати механізм біологічної дії змінних магнітних полів шляхом генерації електричних струмів у живих організмах.

Об’єктом дослідження були біологічні системи організменного й системи суборганізменного рівнів, а саме насіння й проростки ячменю звичайного Hordeumребристі тритони Pleurodelesлабораторні миші Musізольовані еритроцити лабораторних пацюків Rattusі людини; а також зразки ґрунтів (чорнозему звичайного).

Предметом дослідження були реакції рослинних й тваринних систем на вплив вібрацій, електричних струмів і магнітних полів низьких і наднизьких частот, процес вертикального переміщення колоїдів у ґрунті й електричні властивості розчинів.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач було проведено експериментальні модельні дослідження з використанням рослинних і тваринних організмів та застосуванням експериментального обладнання для одержання вібрацій, електричних струмів і магнітних полів екологічно значущих частот (Космическая экология, 1985), що задаються. В експериментах щодо впливу вібрації на механічне перенесення колоїдів в якості моделі ґрунту використовували пінополіуретан губчатої структури з розмірами пор до 100-200 мкм і сферичні частки поліметилметакрилату діаметром від одиниць до десятків мікрометрів. Використовані змінні магнітні поля мали амплітуду Н 15–60 Е, електричні струми 5 мА в експериментах із рослинами і 10 мкА – з тваринами. Вплив індукованих змінним магнітним полем електричних струмів на організми досліджували на експериментальній моделі, в якій амінокислоти (цвітерйони) були змодельовані кульками з однією напівсферою, зробленою з магнітонаповненого пластику, а другою – без магнітного наповнювача. Осадження кульок до активного субстрату моделювали введенням постійного магніту. Для отримання змінних магнітних полів та електричних струмів використовували генератор Г6-27. Весь опрацьований матеріал було оброблено статистично.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено, що механічні коливання з частотами 1-100 Гц й амплітудами ~1 мм мають вплив на швидкість вертикального переміщення колоїдів у ґрунті, генерують електричні струми; при цьому збільшення амплітуди коливань призводить до розширення ефективних діапазонів частот. Показано, що найбільш значущий, з екологічного погляду, вплив змінних низько- й наднизькочастотних (f=1-50 Гц) магнітних полів (Н=15-60 Е), електричних струмів (I=10-14 мкА) і механічних коливань (амплітуда 0,5-3 мм) на рослинні організми полягає в посиленні, нейтральному ефекті або послабленні біологічної дії інших зовнішніх чинників, зокрема хімічних речовин – стимуляторів й інгібіторів росту. Вперше з’ясовано, що змінні магнітні поля як екологічний чинник неоднозначно (залежно від частоти) впливають на тривалість життя тварин у критичних умовах (підвищена концентрація NaCl у раціоні): при f=8 Гц виживання зменшується в середньому вдвічі, при 50 Гц на 20% збільшується. Вперше показано, що низько- та наднизькочастотні слабкі магнітні поля, електричні струми та механічні коливання призводять до істотних порушень іонного гомеостазу в тканинах головного мозку, зменшуючи концентрацію кальцію та збільшуючи концентрацію магнію. Виявлено неоднозначний вплив змінних магнітних полів на швидкість процесів регенерації кінцівок тритонів залежно від частоти поля, віку тварин та стану сонячної активності. Вперше на експериментальній моделі доведено, що нелінійні залежності впливу змінних магнітних полів на молекулярні процеси (синтез білку та інші) пояснюються впливом індукованих магнітним полем у живих тканинах змінними електричними струмами.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі у Донецькому національному університеті під час викладання таких курсів: 1) “екологічна біофізика”; 2) “моделі біологічних процесів”; 3) “великий практикум з біофізики”. Дані, отримані в ході виконання цієї роботи, а також розроблені методики виконання експериментів можуть бути використані для розробки ефективних методів клінічної медицини, а саме для стимулювання репаративної регенерації пошкоджених тканин, зниження набряку та набубнявіння травмованого головного мозку.

Особистий внесок дисертанта. Всі експерименти були проведені в співавторстві з іншими дослідниками. Дисертант особисто брав участь у розробці загальної методики й постановці всіх експериментів, що проводилися в межах цієї роботи, а також в обробці й обговоренні отриманих результатів.

Апробація результатів. Представлені результати дослідження апробовані на:–

Кримських міжнародних семінарах “Космічна екологія й ноосфера” в 1997 році й “Космос і біосфера. Фізичні поля в біології, медицині й екології” в 2001 році (м. Партеніт, Крим);–

8-ій Пльоській міжнародній конференції з магнітних рідин у 1998 році (м. Пльос, Росія);–

4-ій міжнародній конференції з квантової медицини в 1999 році (м. Донецьк, Україна);–

3-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції “Студент і викладач” у 1999 році (м. Сімферополь, Крим);–

науковій конференції “Екологiя кризових регiонiв України” в 2001 році (м. Дніпропетровськ, Україна).

Публікації. Результати проведених досліджень опубліковано в 9-и статтях у наукових журналах (у тому числі 5-и фахових біологічних), у 2 ох статтях у збірниках наукових робіт, 6-и публікаціях у збірниках тез доповідей і матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, основної частини, що містить три розділи, висновків, списку використаної літератури (170 джерел). У дисертації наведено 26 рисунків та 3 таблицi. Основний текст дисертації – 129 стор., загальний обсяг – 150 стор. комп’ютерного набору.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір теми дослідження, її актуальність, наукову новизну, визначено мету і завдання, з’ясовано методи дослідження, об’єкт і предмет дослідження, розкрито практичне значення роботи, висвітлено апробацію результатів та публікації.

Електромагнітний фон як екологічний чинник та середовище існування живої речовини

Природні електромагнітні поля є необхідною складовою частиною абіотичного компоненту екосистем. Електромагнітний фон Землі складається з постійного геомагнітного поля з джерелом, що знаходиться всередині Землі, й змінного, обумовленого наднизькочастотними – до 5 Гц – варіаціями (пульсаціями) геомагнітного поля та низькочастотними, обумовленими сумарною грозовою діяльністю (Пресман, 1968; Яновский, 1978; Казначеев, Михайлова, 1985; Космическая экология, 1985; Михайлова, 2001). Магнітне поле Землі утворює магнітосферу, яка зазнає тиску сонячного вітру, що призводить до зміни радіусу сферичної порожнини Земля–іоносфера. Оскільки основні власні (шуманівські) частоти цієї порожнини визначаються висотою нижньої межі іоносфери, то зміна частот електромагнітного фону відбувається після збурень на Сонці. Це викликає зрушення фізіологічних показників живих організмів. Живий організм є автоколивальною системою, на яку мають вплив зовнішні геофізичні чинники, серед яких, окрім сонячної активності і електромагнітного поля, виступають механічні коливання й електричні струми та інші, які теж є коливальними системами (Владимирский, Кисловский, 1982; Космос и биологические ритмы, 1995). Таким чином, зміни основних частот електромагнітного фону, що викликаються процесами на Сонці, призводять до змін у коливальній системі середовище–організм. У межах теорії коливань, а також у силу принципу альтернативного різноманіття абіотичного й біотичного компонентів екосистем (Емельянов, 1999), зміни параметрів однієї зі зв’язної коливальних систем (середовища існування) призводить до зміни параметрів іншої коливальної системи (біологічної). Параметри середовища помешкання регулярно змінюються в циклі сонячної активності, зокрема, як було зазначено вище, змінюються властивості шуманівських частот електромагнітного фону. У зв’язку з цим постає нагальна необхідність у вивченні екологічного значення природних електромагнітних полів залежно від їхньої частоти. Крім того, електромагнітні випромінювання техногенного походження можуть порушувати вирівняність в комплексі абіотичних чинників. Відповідно до принципу альтернативного різноманіття (Емельянов, 1999) це повинно призводити до зменшення або зростання біологічного різноманіття. Оскільки електромагнітні поля як екологічний чинник нерозривно пов’язані з механічними коливаннями й електричними струмами, що поширені у середовищі існування живих організмів (Пресман, 1968; Черняк, 1975; Takebe, Shiga, Kato, Masada, 2001), і внаслідок наявності механізмів генерування хоча б одним із цих чинників решти в самій біологічній системі, організмі (Гак, Комаров, Жгенти, 1971, Хиженков, Макмак, Миронова, Свирчков, 1998; Степанян и др., 1999), постає необхідним дослідження та порiвняння екологічного значення трьох вищезазначених чинників.

Вплив на рослинні організми механічних коливань, змінних електричних струмів і магнітних полів як екологічних чинників

Функціонування як фітоценозів в цілому, так і окремих організмів рослин нерозривно пов’язане зі взаємодією інших компонентів біогеоценозів (Сукачев, 1964; Зон, 1964; Белова, Травлеев, 1999). Це зумовлює можливість впливу таких екологічних фізичних чинників, як вібрації (або механічні коливання) на рослинні організми як безпосередньо, так і через зміну фізичних властивостей ґрунтів чи розчинів. Відомо (Белова, Травлеев, 1999), що процес лесіважу має велике значення в процесі ґрунтоутворення, а фізична природа цього явища (механічне переміщення колоїдів у ґрунті) дозволяє припустити, що наявні в біогеоценозах вібрації найрізноманітнішого походження можуть впливати на переміщення мікрочасток у ґрунті. Крім того, відомо й те, що механічні коливання води призводять до зміни її електричних властивостей, а саме імпедансу (Степанян и др., 1999). Цей факт дозволяє припусти думку, що механічні коливання призведуть до змін властивостей також і водних розчинів хімічних речовин з навколишнього середовища рослин.

Для підтвердження висловлених вище положень були проведені лабораторні дослідження переміщення у ґрунті (чорнозем звичайний, зріз 10 – 30 см) контрастних за кольором синтетичних мікрочасток (одиниці мікрометрів) сферичної форми. Встановлено, що дія вібрацій з частотою 30 Гц і амплітудою до 0,5 мм є чинником, що призводить до швидкого (35 – 40 секунд) вертикального переміщення мікрочасток у колонці ґрунту (діаметр 1 см, довжина 5 см). Дослідження частотних залежностей швидкості переміщення мікрочасток від вібрацій, проведене на моделі ґрунту, дозволило встановити, що ефективний діапазон частот є тим ширшим, чим вищим є значення амплітуди. Крім того, з ростом амплітуди коливань зростає й кількість ефективних діапазонів частот (рис. 1).

Рис. 1. Залежність часу (t) проникнення мікрочасток у модель ґрунту від частоти (f) механічних коливань при різних амплітудах: 0,6 мм (–о–);

1,5 мм (-?-); 3 мм (—х—).

У результаті проведених досліджень на 10%-их розчинах хлориду натрію і органічної солі свинцю було встановлено, що в результаті механічних коливань в цих розчинах генеруються електричні струми (одиниці мікроампер). Залежність сили електричних струмів від частоти коливань для різних розчинів якісно не змінюється (коефіцієнт кореляції >0,95) і є нелінійною (рис. 2), що дозволяє припустити залежність конкретної форми отриманих кривих не від розчиненої речовини, а від параметрів ємності, в якій вони знаходяться, та від властивостей води (Степанян и др., 1999).

Виходячи з цього, було проведено дослідження впливу механічних коливань на рослинні організми з використанням однакових з попередніми експериментами ємностей та розчинів. Замочування протягом 4-ох годин насіння ячменю в 10%-их розчинах хлоридів натрію, барію, кальцію, а також оцтовокислого свинцю при дії вібрації призвело до якісно схожих змін ростових показників.

Частотні залежності схожості та середніх довжин ростків відносно до контролю для всіх розчинів корелюють з залежностями сили електричних струмів (r від 0,6 до 0,8), що генеруються внаслідок дії вібрацій (див. рис. 2). Збільшення концентрації розчину органічної солі свинцю призвело до падіння схожості та середніх довжин практично до нуля при частотах вібрації від 30 до 50 Гц (рис. 3). При використанні чистої води для замочування дія вібрацій на ростові показники була відсутня.

Рис. 2. Залежність сили електричного струму (І) від частоти (f) вібрації розчинів (10%): хлориду натрію (-?-), оцтовокислого свинцю (–¦–).

Рис. 3. Зміна показників схожості (N) і довжин ростків (L) відносно контролю (відповідає одиниці на осі N, L) під впливом механічних коливань (~1м) різних частот (f) під час замочування у розчині (А – 10%; Б – 20 %) оцтовокислого свинцю.

Вплив змінних електричних струмів та магнітних полів з частотами, що відповідають природним полям, залежним від сонячної активності (Космическая экология, 1985), на показники схожості та середніх довжин при замочуванні в 10%-их розчинах оцтовокислого свинцю також був різним залежно від частоти. При цьому частотні залежності ростових показників при дії магнітного поля й електричних струмів знаходяться в антикореляції (r<–0,6). Так, найбільше зменшення відносно контролю середніх довжин ростків ячменю на ~60% було при дії магнітного поля з частотою 8 Гц; при цій же частоті електричних струмів середні довжини зросли більш, ніж удвічі. У той же час використання замість розчину солі свинцю гумату натрію при дослідженні впливу на насіння ячменю магнітних полів призвело до змін середніх довжин ростків у напрямку, протилежному до попереднього (r<–0,9).

Таким чином, механічні коливання мають вплив на фізичні властивості ґрунтів, прискорюючи процес вертикального переміщення колоїдів, генерують електричні струми в водних розчинах хімічних речовин. При цьому мають місце складні частотні залежності відзначених змін від механічних коливань. Генеровані вібраціями струми призводять до більшої або меншої сприйнятливості рослинних організмів до хімічних речовин в оточуючому розчині. Вплив змінних електричних струмів і магнітних полів малих амплітуд (І=5 мА, Н=30 Е) полягає в зміні ефекту біологічної дії хімічних речовин.

Вплив на організми тварин механічних коливань, змінних електричних струмів і магнітних полів як екологічних чинників

Велика кількість досліджень щодо значення геліогеофізичного становища як екологічного чинника в популяційних процесах носить здебільшого статистичний характер і стосується в основному циклічних різких змін динаміки чисельності популяції. Зв’язок кореляції таких популяційних явищ зі змінами сонячної активності достатньо відомий. Однак, оскільки основним посередником таких взаємодій вважається зміна електромагнітного фону, котрий також корелює з сонячною активністю, актуальним постає проведення досліджень можливості впливу саме електромагнітних полів на ці процеси. Одним із перспективних напрямів дослідження є виявлення залежності смертності (або виживання) тварин при дії екстремальних чинників. Оскільки під час різкого збільшення популяції гризунів велика кількість чинників як біотичної, так і абіотичної природи, стають лімітуючими, то вибір такого чинника не має суттєвого значення. У наших дослідженнях у ролі екстремального (лімітуючого) чинника було застосовано збільшення концентрації NaCl до концентрації 17 г на літр, за якої лабораторні миші (1, 2 – 1,5 роки) виживали не більше 30 днів. Виявлено, що при щоденній експозиції протягом 4-5 годин в магнітному полі при частоті 8 Гц тривалість життя тварин зменшується в середньому вдвічі порівняно з контролем. Дія магнітних полів з частотами 1,5 та 24 Гц на тривалості життя тварин не відобразилась, а при 50 Гц цей показник збільшився на 19%.

Добре відомо, що тварини володіють здатністю до компенсації дії абіотичних екологічних чинників як шляхом реакцій фізіологічних, біохімічних, так і реакцій поведінки (Одум, 1975). Поведінка як один із основних компонентів у механізмах адаптації до зміни зовнішнього і внутрішнього середовища організму (Лоренц, 1998) може бути важливим об’єктом під час вивчення екологічної значущості механічних коливань. Під час проведення експерименту на частоті вібрації 50 Гц було виявлено сильну аверсивну реакцію в тварин, яка не затухала протягом усього часу експерименту (30 хв). При інших значеннях частот тварини зберігали той вид поведінки, який є характерним для них у даний період доби. У природному середовищі зовнішні вібрації можуть слугувати ключовим стимулом для запуску форм поведінки, котрі в даних умовах є необхідними для збереження виду, наприклад, негативний сейсмотропізм.

Для відповіді на питання, наскільки сильне виснаження викликає півгодинний вплив вібрації з частотою 50 Гц, досліджували її вплив на фізичну витривалість тварин (методом плавання). Після першого плавання дослідні тварини показали приблизно однаковий з контрольними час активності (8-10 хв). Після другої експозиції у віброкамері (після 1-годинного відпочинку) час активності дослідних тварин скоротився, у контрольних – збільшився. Після третьої експозиції дослідні миші залишалися активними у воді не більше 1,5 хв, контрольні тварини продовжували плавати протягом 10 хв, не показуючи ознак втоми, після чого дослід припиняли.

Реакції організмів тварин на вплив магнітних полів на рівні тканин та органів було досліджено на процесах регенерації кінцівок ребристих тритонів. Порівняльне дослідження показників швидкості й морфофункціонального розвитку регенератів тритонів, які кожного дня по 10-15 годин протягом усього процесу регенерації піддавалися впливу змінних магнітних полів (дослід) і без їхнього впливу (контроль), дозволило виявити, що найбільш чутливими до дії магнітного поля є нестатевозрілі тварини, тобто ті, в яких інтенсивність процесів росту та розвитку взагалі підвищена (рис. 4).

Крім того, було проведено вивчення швидкості появи гіпоморфної регенерації кінцівок тритонів при їхній багаторазовій ампутації. З’ясовано, що вплив змінного електромагнітного поля залежить не лише від частоти, але й від загального геліогеофізичного становища. Так, якщо в дослідженні, що було проведено в мінімумі сонячної активності, електромагнітне поле з частотою 50 Гц призвело до пришвидшення регенерації, то в дослідженні під час максимуму сонячної активності мало місце зниження швидкості регенерації і морфофункціонального розвитку регенератів. Гіпоморфна регенерація в дослідній групі (розвиток шипоподібних регенератів) проявилася вже після четвертої ампутації, а в контрольній групі всі регенерації, в тому числі й четверта, пройшли цілком нормально.

Вплив механічних коливань, змінних електричних струмів та магнітних полів як екологічних чинників на функціональне становище головного мозку досліджували за зміною концентрації іонів у тканинах мозку (рис. 5).

Рис. 4. Швидкість регенерації кінцівок ребристих тритонів (на осі ординат) при дії змінного магнітного поля (Н=30 Е) різних частот (вісь абсцис) відносно контролю (100%); для кожної частоти зліва зображено швидкість для нестатевозрілих тварин (1 місяць), справа – статевозрілих (17 місяців).

Було виявлено складну залежність концентрації основних фізіологічних іонів від частоти діючого чинника. Для всіх досліджуваних чинників характерною є дія, що проявляється в збільшені концентрації іонів магнію та зменшенні кальцію.

Вплив магнітних полів на функціональну активність ізольованих еритроцитів крові досліджували за їх гемолізом у розчинах NaCl. Виявлено, що осмотична резистентність крові пацюків після 4-годинного впливу в магнітному полі (Н=15-50 Е, f=6,5 Гц) має тенденцію до збільшення, що найбiльш виражено при концентраціях розчину для тестування, які наближаються до гіпотонічної.

Інкубація крові людини в магнітному полі протягом 4-ох годин (Н=15-50 Е і f=6,6 Гц, концентрація NaCl 40%) призводить до збільшення осмотичної резистентності еритроцитів в середньому на 11% для донорів з первинно низьким показником і зниженням в середньому на 13,9% для донорів з первинно високим цим показником. При інкубації крові людини в магнітному полі з Н=60-80 Е, f=8 Гц відсоток гемолізу не змінюється.

На експериментальній модельній залежності впливу змінного електричного струму від частоти на швидкість синтезу білку можна виділити декілька максимумів і мінімумів. Це свідчить про те, що при незмінних амплітудах генерованого магнітним полем у живих тканинах електричного струму його вплив на біологічні процеси, пов’язані з переміщенням молекул цвітерйонів, нелінійно зумовлюється його частотою, що якісно відповідає результатам дослідження регенерації кінцівок тритонів у магнітних полях.

Рис. 5. Залежності відносних концентрацій (С=Сдослід/Сконтроль) іонів кальцію, магнію, натрію та калію від частоти механічних коливань (зверху), електричних струмів (перше знизу), магнітних полів (друге знизу).

Висновки

1.Процес вертикального переміщення колоїдів у ґрунті індукується й пришвидшується при дії механічних коливань низьких та наднизьких частот (1 – 100 Гц). Для незмінних параметрів скелету й плазми ґрунту найбільш ефективні діапазони частот механічних коливань розширюються при збільшенні їх амплітуди. В водних розчинах солей металів при дії механічних коливань виникають електричні струми з силою (І) порядку одиниць мікроампер (дослідження проведено на розчинах хлориду натрію (10%) й оцтовокислому свинцю (10%)). Встановлено нелінійну залежність силу струму від частоти механічних коливань при їх незмінній амплітуді.

2. Схожість і середні довжини ростків насіння ячменю Hordeumпісля дії змінних низько- і наднизькочастотних магнітних полів, електричних струмів, механічних коливань як екологічних чинників під час замочування (4 години) у розчинах солей металів (хлориди барію, натрію, кальцію та оцтовокислого свинцю) можуть збільшуватися, зменшуватися або не змінюватися в нелінійній залежності від частоти порівняно зі схожістю й середніми довжинами насіння, які не зазнавали дії цих фізичних чинників.

3. Тривалість життя лабораторних мишей Musодного віку й статі (самці) у критичних умовах (1,7%-ий питний розчин хлориду натрію) при впливі змінних магнітних полів (Н=30-60 Е) зменшується при частоті 8 Гц, збільшується при частоті 50 Гц й не змінюється при частотах 1,5 и 24 Гц.

4. Реакція поведінки лабораторних мишей Musна механічні коливання як екологічний чинник з частотою 50 Гц полягає в аверсії, що проявляється протягом не менш 30 хв; при зміні частоти більше ніж на 1-2 Гц і незмінній амплітуді (~1 мм) ця реакція відсутня.

5. Відновлення кінцівок ребристих тритонів Pleurodelesу період низької сонячної активності (1997 р.) пришвидшується при дії змінного магнітного поля (Н=30 – 60 Е) з частотою (f) 50 Гц, не змінюється при частотах магнітного поля (МП) 1,5; 8 і 24 Гц, за винятком дії МП з f=8 Гц на тритонів передпродуктивного періоду розвитку, коли мало місце пришвидшення регенерації. Дія магнітного поля з частотою 50 Гц у період високої сонячної активності (кінець 1999 – початок 2001 р.) призвела до нездатності повноцінно відновлювати втрачену кінцівку (гіпоморфна регенерація) після 4-разового відсічення кінцівок у тритонів на одному і тому самому місці; в тварин, що не зазнавали дії МП з f=50 Гц, гіпоморфізм відновлених кінцівок не відзначено. Загоєння м’яких тканин лабораторних мишей Musпришвидшується при дії змінного магнітного поля з частотою 50 Гц.

6. Реакція ізольованих еритроцитів крові пацюків Rattusодного віку й розміру на змінні магнітні поля (Н=15-50 Е; f=6,5 Гц; експозиція 4 години) екологічний чинник проявляється в збільшенні осмотичної резистентності, при цьому величина ефекту зменшується по мірі збільшення різниці між гіпотонічним розчином і розчином для тестування (0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1% NaCl). Реакція еритроцитів людини на дію магнітного поля (Н=15-50 Е; f=6,5 Гц) залежить від початкового рівня осмотичної резистентності (гемоліз у 0,45% розчині NaCl): при низькому гемолізі дія поля проявляється переважно в його збільшенні , а при високому – в зменшенні. При напрузі Н=60-80 T, частоті f=8 Гц магнітного поля й експозиції 1 година вплив магнітного поля на еритроцити людини на осмотичній резистентності в 0,45% розчині NaCl не відбивається.

7. Іонний гомеостаз у тканинах головного мозку мишей Musпорушується під впливом низько- та наднизькочастотних змінних магнітних полів (Н=30 Е; експозиція по 30 хв протягом 5 діб), електричних струмів (I ~10 мкА) і механічних коливань (амплітуда 0,6-1,5 мм) як екологічних чинників, що проявляється в збільшенні концентрації магнію й зменшенні кальцію.

8. Біологічна дія змінних магнітних полів може мати нелінійну залежність від частоти в низькому і наднизькому діапазонах внаслідок різних за силою впливів, що генеруються при цьому в живих тканинах, електричних струмів на біологічні процеси на молекулярному рівні.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИСВІТЛЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Хиженков П.К., Нецветов М.В. Морфология конечностей тритонов, регенерировавших в условиях действия низкочастотных переменных магнитных полей // Биологический вестник. – 2000. – № 1-2, С. 110-114.

2. Хиженков П.К., Нецветов М.В., Кисляк Т.П., Добрица Н.В. Изменение проницаемости мембран клеток семян ячменя для отрицательных органических ионов в зависимости от частоты действующего переменного магнитного поля // Доп. НАНУ – 2001. – №3. – С. 179 –180.

3. Хиженков П.К., Кузик А.В., Нецветов М.В., Добрица Н.В., Дрибан В.М. Ионофоретическая активность низко– и сверхнизкочастотных электрических токов // Доп. НАНУ. – 2001. – №5. – С. 165–167.

4. Нецветов М.В., Пузанова Е.Н., Хиженков П.К. Влияние низкочастотного магнитного поля на регенерацию конечностей Pleurodeles waltli при их многократной ампутации // Вiсник проблем бiологiї i медицини. – 2001. – №3. – С. 26–29.

5. Нецветов М.В., Хиженков П.К. Эколого-биологическая модель влияния переменных электромагнитных полей на выживание мышей в лимитирующих условиях // Екологія та ноосферологія. – 2002. – Т. 11. – №1-2. – С. 52–58.

6. Нецветов М.В., Хиженков П.К. О колебательном характере влияния переменных магнитных полей на процессы регенерации // Физика живого. –1999. – №2. – C.53–57.

7. Нецветов М.В., Хиженков П.К., Авсянкин В.И. Экспериментальное моделирование нелинейных эффектов взаимодействия переменных магнитных полей с живыми организмами // Физика живого. – 2000. – №1. – С. 98–103.

8. Хиженков П.К., Зинкович И.И., Нецветов М.В. Магнитореактивность клеток крови животных и человека // Электронная обработка материалов. – 2001. – №1. – С. 50–56.

9. Хиженков П.К., Нецветов М.В., Соболев В.В., Соболев Д.В. Влияние переменного магнитного поля на течение гнойного раневого процесса и водно-солевой обмен у мышей // Электронная обработка материалов. – 2001. – №4. – С. 83–86.

10. Хиженков П.К., Нецветов М.В. Низкочастотные магнитные поля и процессы регенерации // Аспекты изучения биоразнообразия Донбасса: Сб. н. тр. Вып. 1.– Донецк: ДонГУ, 1998. – С.54–57.

11. Свирчков В.Н., Нецветов М.В., Хиженков П.К. Ферромагнитные композиционные имплантанты. Практическое использование // 8–я международная Плесская конференция по магнитным жидкостям. Сб. н. тр. – Плесс, 1998. – С. 181–184.

12. Нецветов М.В., Хиженков П.К. О Влиянии переменных магнитных полей на регенерацию конечностей у тритонов // Культура народов причерноморья. (Материалы III всеукраинской научно–практической конференции “Студент и преподаватель” Южно–Украинского института). – 1999. – №6 С. 503–504.

13. Хиженков П., Нецветов М., Свирчков В. Об особенностях регенерации органов и тканей у животных и человека под действием магнитных полей // Тез. докл. Крымский международный семинар “Космическая экология и ноосфера”. – Партенит, 1997. – С. 73.

14. Нецветов М.В., Хиженков П.К., Самофалов И.А. О зависимости биологической активности переменных магнитных полей от частоты // Материалы IV международной конференции по квантовой медицине. – Донецк, 1999. – С. 163–165.

15. Нецветов М.В., Хиженков П.К., Кузик А.В. Ионофоретическая активность низко- и сверхнизкочастотных механических колебаний // Тези доповідей міжнародної конференції “Екологiя кризових регiонiв України”. – Дніпропетровськ, 2001. – С. 86.

16. Нецветов М.В., Хиженков П.К., Кузик А.В. Ионофоретическая активность низко- и сверхнизкочастотных электрических токов // Тези доповідей міжнародної конференції “Екологiя кризових регiонiв України”. – Дніпропетровськ, 2001. – С. 87.

17. Netsvetov M.V., Khizhenkov P.K., Puzanova E.N. Influence of low–frequency magnetic field on Pleurodeles waltli extremity regeneration at their repeated amputation // Internetional Crimean Ceminar (ISC–2001) “Cosmos and biosphere. Physical field in biology, medicine and ecology”. Abstracts. – Partenit, 2001. – P. 88–89.

АНОТАЦІЇ

Нецветов М.В. Взаємодія біологічних систем зі змінними магнітними полями, електричними струмами та механічними коливаннями як екологічними чинниками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук зі спеціальності 03.00.16 – екологія. Дніпропетровський національний університет. Дніпропетровськ, 2002.

У роботі досліджено реакції рослинних і тваринних організмів на дію таких екологічних чинників, як змінне магнітне поле, змінний електричний струм та механічні коливання. Показано, що механічні коливання впливають на фізичні властивості ґрунту (лесіваж, електричні властивості). Відзначено неоднозначну та нелінійну залежність ростових показників рослинних біосистем від частот (1-100 Гц) досліджуваних чинників, які впливають на стійкість рослинних організмів до інших абіотичних чинників. В експериментах на тваринах показано неоднозначну залежність від частоти діючого чинника виживання, поведінки, вмісту іонів у тканинах мозку, функціональної активності ізольованих клітин крові, процесів регенерації органів та тканин. На експериментальній моделі досліджено, що на субклітинному, молекулярному рівні в механізмах взаємодії змінних магнітних полів та біосистем важливу роль відіграють генеровані в біосистемі електричні струми.

Ключові слова: екологічні чинники, магнітні поля, електричні струми, механічні коливання, біологічні системи.

Нецветов М.В. Взаимодействие биологических систем с переменными магнитными полями, электрическими токами и механическими колебаниями как экологическими факторами. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 – экология. Днепропетровский национальный университет. Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена изучению реакций биологических систем организменного и суборганизменного уровней растительного и животного происхождения на электромагнитные поля, электрические токи и механические колебания как экологические факторы.

Проведены исследования влияния механических колебаний на физические свойства почв (лессиваж, генерация электричества в растворах), в ходе которых показано различное изменение скорости проникновения коллоидов (синтетические сферы диаметром порядка единиц микрометров) сквозь модель почвы (пористый полиуритан) в зависимости от частоты (1-100 Гц) и амплитуды (0,6 – 3 мм) вибрации. Выявлены эффективные частотные “окна”, которые тем шире, чем выше амплитуда колебаний. Показано, что в растворах хлорида натрия и уксуснокислого свинца при действии механических колебаний генерируется электрический ток, амплитуда которого изменяется нелинейным образом в зависимости от частоты вибрации.

В экспериментах по замачиванию семян в растворах химических агентов, которые выступают как ингибиторы (свинец и др.) или стимуляторы (гумат натрия) роста, при действии переменных магнитных полей, электрических токов и механических колебаний как экологических факторов выявлены сложные нелинейные зависимости от частоты. Показано, что влияние магнитного поля в зависимости от частоты заключается в усилении, нейтральном действии или ослаблении биологического эффекта химических веществ – стимуляторов или ингибиторов роста.

Исследования влияния переменных магнитных полей, электрических токов и механических колебаний как экологических факторов на биосистемы животного происхождения проводилось на лабораторных мышах и крысах, а также изолированных красных клетках крови крыс и человека, тканях головного мозга мышей, регенерирующих конечностях иглистых тритонов. Проведено исследование на экспериментальной модельной системе эффектов нелинейного взаимодействия переменного магнитного поля и электрического тока на биосистемы молекулярного уровня организации.

Показано, что вибрации как экологический фактор при определенных частотах (около 50 Гц) являются ключевым стимулом для врожденных механизмов запуска аверсивной реакции мышей как формы поведения, направленной на сохранение вида. Вибрации с другими частотами в исследованном диапазоне (от 1 до 100 Гц, шаг 3-5 Гц) не вызывают аверсивной реакции и, более того, не являются помехой для поведенческой деятельности, характерной для времени проведения эксперимента в циркадном ритме животных. В то же время вибрации всех исследуемых частот (исключение – 16 Гц) способны приводить к нарушению ионного гомеостаза в головном мозге мышей. Степень таких изменений различна в зависимости от частоты вибрации, однако, направленность их практически не изменяется; похожая картина наблюдается и при воздействии электрическим током, и переменным магнитным полем. Для всех исследуемых факторов характерен эффект увеличения концентрации ионов магния и уменьшения кальция в головном мозге мышей.

Сверхнизкочастотные магнитные поля как экологический фактор могут оказывать неоднозначное непосредственное влияние на функциональную активность эритроцитов крови крыс и человека. Реакция эритроцитов на МП зависит от их возраста и степени изношенности, что отражает тестирование по шкале концентраций раствора хлорида натрия. Так, по мере приближения концентрации тестирующего раствора к гипотонической эффект магнитного поля увеличивается, т.е. его влиянию подвержены в наибольшей степени поврежденные или деформированные эритроциты. Для эритроцитов крыс характерным является увеличение осмотической резистентности после воздействия магнитным полем Н=15-50 Э, f=6,5 Гц. Магнитное поле тех же характеристик имело неоднозначный эффект для группы людей (42 человека). Так, в результате эксперимента было выяснено, что средний по группе показатель гемолиза после воздействия полем не изменяется, однако, индивидуальные реакции эритроцитов различных доноров происходили в двух разных направлениях: увеличения и уменьшение гемолиза. Увеличение данного показателя характерно для проб крови доноров с изначальным гемолизом ниже среднего группового значения, а уменьшение для проб с низким изначальным значением. Таким образом, магнитное поле явилось причиной снижения разнообразия в группе доноров по осмотической резистентности эритроцитов при неизменном среднем групповом показателе. После изменения параметров магнитного поля (Н=60-80 Э, f=8 Гц, инкубация 1 час) выявленный ранее эффект не наблюдался.

Изменение скорости регенерации органов и тканей у позвоночных животных под влиянием переменных магнитных полей зависит от их частоты, общего электромагнитного фона, стадии онтогенеза животного и его вида. Влияние магнитного поля как экологического фактора в зависимости от частоты может проявляться в ингибировании ростовых процессов, нейтральном действии либо в их ускорении.

Из результатов, полученных на экспериментальной модели, следует, что одним из возможных механизмов, ответственных за ускорение или замедление процессов, протекающих при регенерации, и нелинейной зависимости биологического действия электромагнитных полей экологически значимых частот, являются генерируемые магнитным полем в тканях организма переменные электрические токи.

Ключевые слова: экологические факторы, магнитные поля, механические колебания, электрические токи, биологические системы.

Netsvetov M.V. Biological systems interaction with alternative magnetic fields, electric currents and mechanical vibrations as ecological factors. — Manuscript.

A dissertation to honour a science degree of a candidate of biology — speciality 03.00.16 — Ecology. Dnepropetrovsk National University. Dnepropetrovsk, 2002.

This dissertation analyses the biosystems reactions dependencies of magnetic fields, electric current and vibrations frequency as ecological factors. It is shown vibration influence on vertical colloids movements in the soil have effective “windows” of frequencies, which are wider when the vibration amplitude is higher. In the experiments on plant are reveald complex nonlinear growing dependent of vibration, electric current and magnetic field frequencies and vibrations. The purpose of side of the given work was model research of alternative magnetic field, vibrations and electric current various frequencies influence on survival of mice contained on salty drinking, ion balance at brains, blood cells functional activities, regeneration