НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Черенков Олександр Данилович

УДК 632.935.4:621.396.652

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ

РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИХ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЙ

ТА СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ БІООБ'ЄКТІВ

ПРИ ОБРОБЦІ ЇХ НИЗЬКОЕНЕРГЕТИЧНИМИ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМИ ПОЛЯМИ

У СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВІ

05.20.02 -

застосування електротехнологій

в сільськогосподарському виробництві

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті сільського господарства Міністерства аграрної політики України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Кучин Лев Федорович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, професор кафедри загальної електротехніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Романовський Іван Якимович, Український державний університет харчових технологій;

доктор технічних наук, професор Мурзін Володимир Костянтинович, Полтавський державний сільськогосподарський інститут, завідувач кафедри механізації та електрифікації тваринництва;

доктор технічних наук, доцент Водотовка Володимир Ілліч, Спеціальне конструкторське бюро "Спектр" Державного Комітету промислової політики України, начальник відділу радіотехнічних вимірювань

Провідна установа: Таврійська державна агротехнічна академія Міністерства аграрної політики України, кафедра енергетики, м. Мелітополь

Захист відбудеться "11" жовтня 2000 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул.. Героїв оборони 15, навчальний корпус 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул.. Героїв оборони 11, навчальний корпус 10, читальний зал

Автореферат розісланий "30" серпня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.Т. Лут

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальність теми. Подальший розвиток сільського господарства і пов'язаних з ним галузей неможливо уявити без застосування ефективних електротехнологій, спроможних підвищити продуктивність цих галузей і якість їх продукції на основі принципово нових технічних засобів.

Одним із перспективних напрямків вирішення цієї проблеми є використання впливу електромагнітних випромінювань на деякі біологічні об'єкти рослинництва та тваринництва з метою підвищення врожайності зернових і зернобобових культур, лікування тварин, боротьби з бур'янами і комахами, сушіння насіння і плодів, знищення бактерій і грибів у тепличному грунті, пастеризації молока і санації тваринницьких приміщень, переробки сільськогосподарської продукції, обробітку грунту для підвищення родючості. У світовій практиці існує декілька шляхів використання електромагнітної енергії у технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

Один із них пов'язаний із високим рівнем електромагнітної енергії, дія якої на біологічні об'єкти обумовлена тепловими ефектами. Теплові методи впливу на біологічні об'єкти не завжди можуть бути застосовані і потребують значну кількість енергії.

Іншим підходом є глобальний інформаційний вплив на біооб'єкти низькоенергетичними електромагнітними полями (ЕМП) НВЧ діапазону із спеціально сформованим спектром випромінювання. Застосування низькоенергетичних ЕМП для впливу на біологічні об'єкти пов'язано з найменшими витратами енергії при максимальному впливі на інформаційні процеси життєдіяльності біооб'єктів, що залежать не від рівня енергії випромінювання, що діє, а від відповідних модуляційно-часових і частотних параметрів поля, конкретних для кожного біологічного об'єкта з урахуванням стимулюючого або інгібіруючого ефекту. Актуальність цих досліджень підтверджується роботами за кордоном, що пов'язані з цілеспрямованим дослідженням інформаційного впливу електромагнітних полів НВЧ-діапазону не тільки на тварини і рослини, але і на людину у військових цілях для здобуття негативного впливу. Наукові дослідження в цьому напрямку активно ведуть університетські центри в Рочестері, Буффало, Майамі, Айові, Тафті. Це визначає необхідність проведення робіт із досліджень інформаційного впливу випромінювань НВЧ діапазону на біологічні об'єкти з метою захисту об'єктів від цих випромінювань. Отримані експериментальні результати підтверджують наявність біологічних ефектів від впливу електромагнітних полів як на тепловому, так і на низькоенергетичному рівнях потужності. У той же час проведений аналіз робіт вітчизняних і закордонних науковців доводить, що лише в деяких дослідженнях розглядаються питання низькоенергетичного впливу електромагнітних полів на біологічні об'єкти з метою створення електротехнологій у сільськогосподарському виробництві.

У багатьох розглянутих роботах відсутня розробка методологічних принципів вивчення впливу інформаційних електромагнітних полів на біологічні об'єкти; недостатньо вивчається питання створення математичних моделей, спроможних дати аналітичний опис процесів, що відбуваються при такому опромінюванні на клітинному, молекулярному й організменому рівнях організації біооб'єктів; немає достовірних методик у вивченні низькоенергетичного (інформаційного) впливу електромагнітного випромінювання на організм тварин і комах (шкідників сільського господарства); немає методології визначення чисельних значень біотропних параметрів, спроможних викликати оптимальний відгук біооб'єктів у відповідності з очікуваним біологічним ефектом.

Попередні теоретичні й експериментальні дослідження показали, що бажана зміна ходу інформаційних процесів у біологічному об'єкті можлива тільки при оптимальному поєднанні значень біотропних параметрів діючого електромагнітного поля (ЕМП). Визначити оптимальні біотропні параметри з використанням узвичаєних методів досить важко і, крім того, для їх визначення необхідні інтервали часу, обчислюванні роками.

Із зазначеного випливає, чому численні реальні і практичні ефекти в рослинництві, одержувані методом випадкових проб, не можуть дати оптимальних, статистично достовірних даних, бути основою для теоретичних побудов, не мають достатнього відтворення і, отже, не знаходять широкого застосування в практичній діяльності. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є розробка математичних моделей, на основі яких визначався б можливий діапазон змін біотропних параметрів, а оптимізацію цих параметрів проводити за допомогою спеціальних автоматизованих систем.

Автоматизована система усуває суб'єктивність, створює по заданій програмі можливість одержання різноманітних структур ЕМП, дає змогу знайти та визначити оптимальні значення відгуків біооб'єктів, сигналізує про їхню наявність, дозволяє відтворити режим та зробити зміну програм.

У світлі відзначеного зрозуміла актуальність теми дисертаційної роботи, у якій вирішується важлива для теорії і практики проблема одержання нових науково обгрунтованих теоретичних і експериментальних результатів на основі використання низькоенергетичних ЕМП НВЧ діапазону для передпосівної обробки насінь зернових культур, лікування маститу у корів, керування динамікою популяції шкідливих комах, одночасно із створенням автоматизованих систем для визначення оптимальних біотропних параметрів для конкретного виду біооб'єктів.

Із зазначеного випливає доцільність проведення досліджень у вказаному напрямку, що дає можливість одержання пріоритетної для України інформації.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розробка теоретичних основ ресурсозберігаючих електротехнологій при впливі низькоенергетичних ЕМП на біологічні об'єкти і використання отриманих результатів у електротехнологічних процесах сільськогосподарського виробництва для передпосівної обробки насіння, лікування тварин, керування динамікою популяцій шкідливих комах, а також розробки і створення автоматизованих систем для визначення біотропних параметрів ЕМП, що викликають цілеспрямовані зміни в розвитку біооб'єктів під час опромінення їх ЕМП.

Об'єкт дослідження. Вплив низькоенергетичних ЕМП на біооб'єкти сільського господарства з метою інгібірування або стимулювання їх життєдіяльності.

Предмет дослідження. Ресурсозберігаючі електротехнології лікування тварин, передпосівної обробки насіння, пригнічення шкідливих комах низькоенергетичними ЕМП та технічні системи визначення параметрів ЕМП, що викликають зміни у розвитку біооб'єктів.

Методи дослідження. Грунтуються на розробках теоретичної й математичної фізики, принципах електродинаміки, засобах біофізики, методах і засобах польових досліджень із насінням зернобобових культур, методах і засобах ветеринарних медичних досліджень під час проведення експериментів із тваринами.

Аналіз стану проблеми показав, що для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі.

1. Розробити математичну модель впливу низькоенергетичних електромагнітних випромінювань КВЧ - діапазону на біофізику мембранних процесів у клітинах шкідливих комах сільського господарства.

2. Розробити математичну модель течії крові тварин для створення методик лікування їх низькоенергетичними полями НВЧ-діапазону.

3. Провести теоретичний аналіз взаємодії електромагнітного випромінювання з біооб'єктами на основі квантової теорії.

4. Теоретично дослідити і розробити датчики для контролю хемілюмінесценції біологічних об'єктів сільськогосподарського призначення при взаємодії їх із низькоенергетичними ЕМП.

5. Теоретично дослідити і розробити принципи побудови автоматизованих систем для виміру хемілюмінесценції біологічних об'єктів.

6. Зробити експериментальну перевірку отриманих теоретичних результатів із метою оцінки їхньої достовірності щодо інформаційного впливу електромагнітних випромінювань на тваринні і рослинні організми.

7. Розробити елементи електротехнології, на основі застосування низько-енергетичних ЕМП, для передпосівної обробки насіння квасолі, лікування маститу у корів, керування динамікою популяцій шкідливих комах.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в даній роботі:

визначені нові закономірності в зміні мембранного потенціалу клітин під впливом зовнішнього електромагнітного поля;

розроблена математична модель течії крові тварин за умови існування зовнішніх ЕМП з метою створення методів лікування цих тварин низькоенергетичними полями НВЧ-діапазону;

на основі квантової теорії одержало подальший розвиток обгрунтування вибору значень біотропних параметрів електромагнітного поля при його впливові на біологічні об'єкти сільськогосподарського призначення;

на основі розв'язання інтегральних рівнянь, методом введення функцій Гріна і ньютонівського потенціалу, для біооб'єктів різноманітної форми визначені основні параметри перетворювачів, що вимірюють хемілюмінесценцію біологічних об'єктів, як відгук на вплив низькоенергетичних ЕМП;

теоретично досліджені і розроблені принципи побудови автоматизованих систем для вимірювання хемілюмінесценції біооб'єктів у залежності від рівня сигналів, які досягають рівня внутрішніх шумів системи;

отримані нові експериментальні результати по застосуванню низькоенергетичних ЕМП НВЧ-діапазону для передпосівної обробки насінь квасолі, лікування маститу у корів, гноблення шкідливих комах (борошняний хрущак, кільчастий коконопряд).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з загальноукраїнськими науковими програмами: загальноукраїнською науково-технічною програмою на 1991-1995 р. “Розвиток досліджень і використання НВЧ - енергії в АПК країни”; постановою кабінету міністрів України від 22.06.1994 р. №429 “Про реалізацію пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки”.

За планами НДР і ОКР, проведеними в ХДТУСГ, були виконані такі науково-дослідні роботи, що мають безпосередній зв'язок із темою дисертаційної роботи:

"Дослідження впливу тривалої дії імпульсного ЕМП різної інтенсивності на мікроорганізми, комах та рослини”, шифр “Экос”, № Э9/62, заст. наукового керівника теми, держзамовлення грунтується на рішенні Державного Комітету Ради Міністрів СРСР № 330 від 01.12.90 р., генеральний договір № 421/1391 від 29.05.91 р. з військовою частиною № 7796; “Розробка методів і засобів контролю впливу фізичних чинників на біологічні об'єкти”. шифр “Контроль”, № К9/92, науковий керівник; науково-дослідна робота "Урожай", № 5283, відповідальний виконавець; “Розробка технічних засобів для вивчення електрофізичних властивостей біологічних систем у міліметровому діапазоні довжин хвиль”, № 5781; “Обгрунтування технічних вимог до блоків спеціалізованої апаратури для біологічних досліджень”; “Дослідження впливу НВЧ-енергії на біологічні об'єкти", № 3492, відповідальний виконавець; "Технологія підвищення врожайності сільськогосподарських культур та продуктивності тварин", №У92/2051, відповідальний виконавець.

Зазначені результати мають як наукову, так і практичну вагу при розробці електротехнологій, заснованих на впливі низькоенергетичних електромагнітних полів на біологічні об'єкти сільського господарства.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення результатів досліджень полягає у створенні методики теоретичного дослідження впливу електромагнітних полів на течію крові і його елементи; у створенні моделі, що відбиває процеси електромагнітного впливу на мембранний потенціал клітин; у створенні моделі, на основі квантових взаємодій електромагнітного випромінювання біооб'єктів, для визначення діапазону можливих значень біотропних параметрів ЕМП; на підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблена високочутлива автоматизована система для вивчення механізму впливу низькоенергетичних ЕМП на біологічні об'єкти і визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП для цілеспрямованого перетворення біооб'єктів сільського господарства.

Експериментально доведено, що передпосівна обробка насіння квасолі “Харківська - 8” низькоенергетичними ЕМП на частоті 51,7 ГГц, із щільністю потоку потужності 20 мкВт/см2 та експозицією 25 хв., призводить до збільшення довжини стебла на 8 - 11 см і врожайності на 1,4 - 1,6 ц/га в порівнянні з контролем.

Опромінення личинок і лялечок борошняного хрущака ЕМП із параметрами: частота 38,7 ГГц, щільність потоку потужності 400 мкВт/см2, експозиція 10 хв. призводить до зменшення кількості лялечок при окуклюванні до 82,8 % у порівнянні із контролем, окуклювання відбувається з затримкою на 5 - 6 днів, вихід імаго личинок, що окуклились із дефектом, складає 100 %.

Встановлено, що вихід імаго кільчастого шовкопряда з патологіями при впливі ЕМП на частоті 31,3 ГГц із щільністю потоку потужності 1 мВт/см2 склав 75 штук або 93,7 % стосовно контролю.

Доведено, що немедикаментозне лікування маститу у корів можна здійснювати на основі застосування низькоенергетичних ЕМП із параметрами: частота 3,1 ГГц, щільність потоку потужності 10 мВт/см2, експозиція 10 хв. із дворазовим опроміненням на добу.

Сприятлива дія електромагнітного випромінювання при лікуванні маститу у корів підтверджується на клітинному рівні і складає 90 % для клінічної форми хвороби вимені і 100 % - для субклінічної та реагуючої позитивно.

У цілому отримані результати, поряд із відомими, формують науково-технічну базу для розробки нових електротехнологій у сільськогосподарському виробництві.

Результати роботи були реалізовані:

У господарствах КСП “Мрія” і ТОВ “Колос” Вовчанського р-ну Харківської області. Економічна ефективність від використання низькоенергетичних ЕМП для лікування маститу у корів і впливу на борошняного хрущака склали 15,5 і 16,2 тис. грн. у рік, відповідно (Акти впровадження).

Передпосівна обробка насіння квасолі “Харківська-8” низькоенергетичними ЕМП дозволила одержати сорт квасолі, придатної для механізованого збирання, і збільшити врожайність на 1,4 - 1,6 ц/га (Акт упровадження).

Від упровадження результатів наукових досліджень у ЦКБ “Протон” отримано економічний ефект 6 тис. грн. (Довідка про впровадження).

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації отримані здобувачем особисто. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному:

у наукових працях [3 - 7, 9, 10, 12, 30 - 32] автору належить розробка й обгрунтування математичних моделей, що описують досліджувані процеси; у роботах [1, 2, 8, 11 - 14, 18, 20 - 23] автору належить розробка систем виміру і їхній теоретичний аналіз; у роботах [ 15 - 17, 19, 22, 24 - 28. 33, 34] автору належить обгрунтування гіпотез і розробка методів застосування ЕМП у технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

Апробація результатів дисертації. Головні результати дисертації повідомлено та обговорено на республіканській науково-технічній конференції “Електротехнології в сільськогосподарському виробництві” (м. Ташкент, 1990 р.); на семінарі “Застосування НВЧ - енергетики в народному господарстві” (м. Харків, НТТ ім. А.С. Попова 1992 р.); на міжнародній конференції “Теорія і техніка антен. НВЧ технології в с/г виробництві” (Харків, ХДТУРЕ, 1995 р.); на міжнародній ювілейній науково-технічній конференції “Енергетика сільськогосподарського виробництва” (м. Харків, ХДТУСГ, 1998 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (м. Київ, ІМЕСГ УААН, 1998 р.); на науково-технічній конференції “Енергетика сільськогосподарського виробництва” (м. Харків, ХДТУСГ, 1999 р.); на виставці-ярмарку “Наука Харківщини 2000”, Диплом третього ступеня “Технічні засоби контролю НВЧ-впливу на біологічні об'єкти”; на міжнародній науково-технічній конференції “MicroCAD - 2000. Інформаційні технології: наука, техніка, технології, освіта, здоров'я" (Харків, ХДПУ, 2000 р.).

Публікації: Основні результати роботи опубліковані в 2 статтях, надрукованих у наукових часописах, у 18 статтях, надрукованих у науково-технічних збірках, у науковій монографії, у 4 депонованих роботах, у 3 тезах доповідей на наукових конференціях, у 2 патентах.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить 313 стор., список використаних літературних джерел містить 234 найменування на 20 стор., має 70 ілюстрацій на 37 стор., 5 таблиць на п'ятьох стор., 13 додатків на 33 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації; формулюється наукова проблема, що розв'язується; розкривається сутність і стан цієї проблеми; висвітлюється зв'язок роботи з програмами, планами та темами НДР; формулюється мета і наукові задачі дослідження, розв'язок яких забезпечує досягнення поставленої мети; визначається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; визначається особистий вклад здобувача в надрукованих роботах; дана інформація щодо апробації дисертаційних досліджень; наводиться перелік робіт, що надруковані з теми дисертації.

У першому розділі розглянуто застосування електромагнітного випромінювання в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва. Головними напрямками в проведених дослідженнях можна вважати передпосівну обробку насіння із метою одержання продукції з запланованими властивостями, стимулювання зростання, підвищення врожайності й стійкості до хвороб; боротьбу зі шкідливими комахами, бур'янами; сушку насінь і плодів; лікування сільськогосподарських тварин.

Проведений аналіз стану проблеми показує, що в даний час крім теплового існує також низькоенергетичний (інформаційний) вплив електромагнітного випромінювання на біологічні об'єкти сільськогосподарського призначення. При низькоенергетичному впливі ЕМП на біологічні об'єкти важливою є не тільки енергія ЕМП, що діє, але і його частота, поляризація, експозиція і модуляція.

Теоретичні й експериментальні дослідження останніх років, проведені під керівництвом А. Девяткова, С. Ситько, Є. Нефедова, Ф. Ізакова, О. Бляндур, В. Шахбазова, Е. Ісмаїлова, Б. Макаренко, Л. Кучина свідчать, що метаболічні процеси в біологічному об'єкті пов'язані з наявністю інформаційних процесів у ньому на основі ЕМП міліметрового діапазону довжин хвиль. З огляду на те, що основою всіх інформаційних обмінів у ноосфері є електромагнітне поле, варто погодитися з гіпотезою, відповідно до якої в мітохондріях процес біологічного окислювання завершується не створенням АТФ, а утворенням високочастотного ЕМП та іонізуючого протонного випромінювання, які у своїй нерозривній єдності і складають енергонасичене біополе живої клітини. Протонне випромінювання в клітині використовується для передавання енергії квантових взаємодій із ядрами атомів, причому протони, що несуть інформацію, відбивають специфічні спектри білкових молекул.

Новітні дослідження підтверджують положення і про електромагнітну основу передачі генної інформації. Активізація генів відбувається під впливом сигналів із цитоплазми та з клітинного оточення. Дія низькоенергетичного ЕМВ пов'язана з тим, що через його вплив молекулярні взаємодії не можуть бути абсолютно надійними. Ці помилки грають важливу роль при синтезі ДНК, тому що в послідовності основ ДНК укладена генетична інформація клітини. Здатність азотистих основ молекул різноманітних нуклеїнових кислот “пізнавати” одна одну шляхом нековалентної взаємодії є основою механізмів спадкоємності і мутацій.

Біологічна дія низькоенергетичного КВЧ випромінювання чітко виявлена на клітинному й організменому рівні і пов'язана з резонансним характером поглинання. Резонансний характер поглинання визначається тим, що між ядром клітини і клітинною оболонкою, заряджених різнополярно, знаходяться залізовмісні білки - вібратори, що здатні до резонансного прийому й ЕМВ.

Що стосується рівнів енергії, то для одержання запланованого біологічного ефекту рівень енергії низькоенергетичних ЕМП повинен перевищувати рівень слабких нековалентних зв'язків у макромолекулі: іонних взаємодій, водневих зв'язків і вандерваальсових взаємодій.

Пошуки первинних механізмів впливу низькоенергетичних електромагнітних полів на біооб'єкти повинні відбуватися одночасно поряд з вивченням функціонування клітин мембран, тому що вони грають вирішальну роль у життєдіяльності організму й, у першу чергу, чутливі до впливу зовнішніх фізичних чинників. При цьому слід відзначити, що досліджувані специфічні механізми впливів низькоенергетичних ЕМП можуть зумовлювати відповідні електричні й магнітні властивості мембран молекул і процеси із їхньою участю.

Відомо, що час життя біологічних ліпідних мембран обмежений і залежить від складу мембран та зовнішніх фізичних чинників. Слід додати, що в даний час цілком не вивченим аспектом у дослідженні електричних властивостей мембран є визначення ролі наведеного електричного потенціалу на стійкість мембран під дією низькоенергетичного електромагнітного випромінювання КВЧ діапазону.

Знання ж первинних, фізично обгрунтованих механізмів впливу низькоенергетичних ЕМП на біооб'єкти, а також закономірностей взаємозв'язку молекулярного і системного рівнів дозволить пояснити фазоспрямованість біоелектромагнітних ефектів, що особливо важливо в сільськогосподарському виробництві для передпосівної обробки насіння, боротьби зі шкідливими комахами, лікування тварин.

При дослідженні взаємодії ЕМП із біологічними об'єктами суттєве значення має вибір параметрів, що характеризують біологічну якість, як показник стану об'єкта.

З порівняльної оцінки характеристик існуючих методів і засобів контролю в області впливу електромагнітних і особливо низькоенергетичних полів на процеси життєдіяльності рослинних і тваринних організмів випливає, що найбільше інформативними й експресними методами серед багатьох інших є методи люмінесценції.

Як відомо, окисно-відновні реакції в біологічному об'єкті супроводжуються випромінюванням світла - хемілюмінесценцією. За власне світіння біооб'єктів можуть бути відповідні три типи реакцій: активних форм кисню, окислювання ліпідів, реакції за участю окису азоту. Ці реакції пов'язані з утворенням вільних радикалів у біооб'єкті. Дія на біологічний об'єкт низькоенергетичних ЕМП міліметрового діапазону призводить до утворення вільних радикалів, і тому хемілюмінесценція буде відбивати інтенсивність метаболічних процесів у біооб'єкті, як реакцію на дію ЕМП.

Аналіз показав, що існуючі методи і засоби виміру надслабкого світіння біологічних об'єктів не забезпечують необхідну чутливість і точність, можливість безупинної реєстрації, і, крім того, жоден з розглянутих пристроїв не дозволяє проводити виміри при безпосередньому впливі ниькоенергетичних ЕМП на біологічні об'єкти.

На підставі проведеного аналізу можна зробити висновок про те, що застосування низькоенергетичних випромінювань у технологічних процесах рослинництва і тваринництва пов'язано з найменшими порівняно з існуючими витратами енергії при найвищому впливі на інформаційні процеси життєдіяльності біооб'єктів, тому що основою життя є обміни речовин, енергії, інформації.

Проте слід зазначити, що ефективне використання низькоенергетичних ЕМП неможливо без розробки фізико-математичних моделей, що враховують параметри ЕМП та електрофізичні характеристики біооб'єктів, без створення автоматизованих систем для визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП і опрацювання експрес-інформації про їх вплив на біооб'єкти.

Другий розділ присвячено дослідженню впливу низькоенергетичних електромагнітних випромінювань НВЧ діапазону на біоенергетичні процеси, що відбуваються на клітинному рівні. Зокрема, розглянуто процеси, пов'язані зі зміною мембранного потенціалу на мембранах морфологічних елементів крові комах-шкідників сільського господарства (борошняний хрущак, кільчастий коконопряд).

Дуже складна електрична система крові знаходиться в безупинному і різноманітному русі по кровоносних судинах. У течії крові морфологічні елементи крові прагнуть зберегти свої основні фізичні параметри при можливих їхніх динамічних переміщеннях. Отже електростатична система крові балансує біля точки своєї рівноваги.

Зрозуміло, що посилення впливу НВЧ поля буде відбуватися із збільшенням розмірів клітини або в результаті кооперативної взаємодії декількох клітин. Механізм кооперативної взаємодії може бути обумовлений іонами, що оточують мембрану і слабко пов'язані з її поверхнею.

З наведених вище даних можна зробити висновок, що поки не існує універсальних моделей, що всебічно враховують усі явища на клітинному рівні під час впливу слабких електромагнітних полів на тканини. Важливою особливістю практично усіх моделей е те, що поверхня клітинної мембрани розглядається як найбільш імовірне місце здійснення розглянутих впливів.

Можна припустити, що процес, який існує в позаклітинному середовищі, містить у собі механізми, здатні інтегрувати слабкі поля на деякій відстані, і розвивається швидше по поверхні мембрани, ніж по її поперечному перерізу.

З аналізу експериментальних даних і теоретичних моделей випливає, що об'єднані процеси зв'язку поверхневих взаємодій із внутрішньоклітинними механізмами спочатку поширюються по поверхні мембрани, а потім інформація передається усередину клітини, що також являє собою новий механізм у моделях молекулярної біології процесів збудження.

З огляду на електричні властивості, що характеризують тканинні клітини і формені елементи крові, природно припустити, що зовнішні електромагнітні поля повинні спричиняти на них певний вплив. Внаслідок цього змінюється ступінь зв'язування К+, Са+ та інших іонів у мембрані (у тому числі й іонних каналах), а також виникають зміни фізико-хімічних властивостей поверхні мембрани (мікров'язкість, рН, поверхневий натяг, ефективний заряд). Є всі підстави припустити, що гнітюча дія електромагнітного випромінювання на комах пов'язана з утворенням локальних дефектів у мембранах морфологічних елементів крові.

Показано, що одним із чинників таких змін може стати порушення процесу дифузії речовини крізь мембрану. Зовнішні електромагнітні поля можуть збільшити або зменшити швидкість переносу іонів і змінити рівноважний електричний заряд на поверхні заряджених елементів крові.

Тому була розглянута математична модель дифузії речовини у внутрішню ділянку клітини з урахуванням дії низькоенергетичного електромагнітного випромінювання.

Розглянута модель дозволила визначити зміну об'єму формених елементів крові при порушенні балансу в концентрації іонів зовні й усередині цих елементів:

Це рівняння дозволяє визначити величину проникності для всіх речовин, що проходять крізь мембрану повільніше, ніж вода. Використовуючи поняття еквівалентного заряду, тобто помноживши ліву й праву частину рівняння (1) на множник одержимо вираз для потенціалу на мембрані, що знаходиться під дією електромагнітного випромінювання:

Із зміною потенціалу на мембрані пов'язані уявлення, відповідно до яких вихід із строю мембран під дією електромагнітного випромінювання обумовлений особливостями поведінки локальних дефектів, як-то: наскрізної пори в ліпідному шарі мембран. Звичайно, процес руйнації мембран пов'язують із досягненням параметрами системи деяких критичних значень, після чого процес відхилення цих параметрів стає незворотнім і призводить до руйнації мембран.

Критичний радіус ( ) дефекту в мембрані, при якому наскрізна пора не захлопується, дається співвідношенням:

Використовуючи вирази (2) і (3), було проведено розрахунки радіуса наскрізної пори в ліпідному шарі мембрани. Як випливає з розрахунків, руйнація мембран клітин елементів крові комах буде відбуватися під дією електромагнітного випромінювання з частотою 34-36 ГГц і амплітудою електричної складової Е0 у межах 20-25 мВ/мм.

У третьому розділі досліджена математична модель течії крові в нестаціонарних умовах з метою одержання інформації про біологічні процеси при лікуванні тварин низькоенергетичними електромагнітними полями НВЧ діапазону.

Науковим підгрунтям досліджень, що ведуться, слугує той факт, що електромагнітні процеси являються не супутніми, а суттєвими чинниками життєдіяльності будь-якого живого організму. Це означає, що при певній експозиції й поверхневій щільності потужності, а також при відповідних значеннях частоти модуляційних та поляризаційних характеристик електромагнітне випромінювання буде викликати бажаний терапевтичний ефект у тварин, що пов'язано також із швидкістю течії крові в тканинах хворих органів.

Аналіз стану питання по проблемі терапевтичної дії електромагнітного випромінювання на тварин показав, що в даний час немає обгрунтованих математичних моделей на органному і клітинному рівнях, відсутні теоретичні роботи з інформаційного впливу випромінювання на нервову й кровоносну системи тварин.

Питанням динаміки течії крові присвячена значна кількість досліджень. Проте їхнім суттєвим недоліком є те, що результати в них отримані в стаціонарній постановці задачі, тобто для течії крові, що не є функцією часу. Це значно обмежує застосування отриманих результатів і, зокрема, вони не придатні для оцінки явищ, пов'язаних із впливом на течію крові тварин при їх лікуванні низькоенергетичними ЕМП.

Для розв'язання цієї задачі скористуємося рівнянням гідродинаміки Нав'є-Стокса:

Сила виражає дію електромагнітного поля на пов'язані із середовищем заряд, струм і дорівнює

Кров у першому наближенні розглядалася як ньютонівська рідина, а течія крові вважалася ламінарною. Урахування серцевої ритміки і вазомоторики судин здійснюється через амплітуду прямокутних імпульсів, що діють на вході судин, і через перепад тиску по довжині судини. Прийняті допущення дозволили лінеаризувати вирази Нав'є-Стокса для подовжньої складової швидкості течії крові, в результаті чого задачу було зведено до розв'язання двох рівнянь у циліндричній системі координат:

Розв'язок системи рівнянь (6) було одержано у наступному вигляді:

Розрахунки отриманого виразу (7) показали, що для досягнення терапевтичного ефекту при лікуванні маститу у корів варто використовувати низькоенергетичні ЕМП із параметрами: частота 3,1 ГГц; щільність потоку потужності 10 мВт/см2; експозиція 10 хв.

У четвертому розділі розглянуто вплив низькоенергетичних ЕМП на можливість рекомбінації радикальних пар у біологічних об'єктах.

Дослідження магнітних і електричних властивостей біологічних об'єктів (мембрани, течія крові і т. Ін.) дають підставу думати, що під дією низькоенергетичних ЕМП цілком можливі орієнтаційні ефекти поля, пов'язані з рекомбінацією радикальних пар у біологічних об'єктах. Фізичний механізм можливого впливу низькоенергетичних ЕМП на радикальні реакції в біосистемах складається з того, що в молекулярних конденсованих системах із двох парамагнітних часток спостерігаються нерівноважні процеси, у перебігу яких виявляється інтеркомбінаційна спінова конверсія в парах часток, що реагують. Незважаючи на те, що енергія низькоенергетичних ЕМП може бути порівняна з енергією теплового руху, електромагнітне випромінювання може змінити спіновий стан контактної пари.

Реакції такого типу можуть відбуватися в біологічних системах, наприклад, при переносі електронів по колу цитохромів і пов'язаній із ними реакцією окисного фосфорилювання, при переносі електронів у реакціях циклу Кребса, при переносі електронів під час фотосинтезу.

Стан молекули, що знаходиться під дією зовнішнього електромагнітного поля, описується рівнянням Шрьодінгера:

В цьому випадку розв'язок рівняння (8) будемо шукати у вигляді:

Наведена хвильова функція описує нестаціонарний стан системи молекул, яка не має певного значення енергії. Виконуючи вимірювання енергії системи, у тому числі й тієї, що була випромінена завдяки рекомбінації вільних радикалів, ми будемо змінювати становище системи, приводячи її до стаціонарного стану з одним із можливих певних значень енергії, що дозволяються рівнянням Шрьодінгера. Ймовірність знайти систему в одному із стаціонарних станів визначається квадратом модуля коефіцієнта :

. (10)

Таким чином, виходячи з уявлень про квантові взаємодії біологічного об'єкта з низькоенергетичним електромагнітним випромінюванням, був отриманий точний розв'язок рівняння Шрьодінгера, який дав імовірність рекомбінації пари вільних радикалів у незбудженій молекулі під впливом зовнішнього електромагнітного випромінювання в залежності від його частоти, а також зсуву його частоти стосовно власної частоти ЕМВ біооб'єкта:

Вирази (11) і (12) визначають залежність від часу і зсуву частоти, а також від часу й абсолютного значення частоти, відповідно, ймовірності рекомбінації вільних радикальних пар і пов'язаної з цим хемілюмінесценції, викликаної впливом зовнішнього електромагнітного випромінювання.

Використовуючи вирази (11) і (12), були проведені розрахунки ймовірностей переходу молекул із збудженого стану у незбуджене для течії крові тварин, сільськогосподарських шкідників синатропів (Tenebrio molitor, Malacosma neustria) і для насіння квасолі при обробці його зовнішніми ЕМП у визначеному діапазоні частот із зміною щільності потоку потужності, часу експозиції, зсуву частоти зовнішнього електромагнітного випромінювання стосовно власної частоти випромінювання молекули речовини.

За розрахунками для вимірювання хемілюмінесценції біологічних об’єктів в сільськогосподарському виробництві варто застосовувати низькоенергетичні ЕМП із параметрами:

частота f = 3,199015 ГГц, щільність потоку потужності Р= 10 мВт/см2 - для крові тварин;

частота f = 31,38026-38,88215 ГГц, щільність потоку потужності Р = 0,4-0,5 мВт/см2 - для шкідливих комах;

частота f = 51,790265 ГГц, щільність потоку потужності Р = 20 мВт/см2 - для насіння квасолі.

У п'ятому розділі проведено теоретичний аналіз вимірювального перетворювача для контролю хемілюмінесценції біологічних об'єктів.

Вибір люмінесценції біологічних об'єктів у якості інформаційного параметра, що характеризує вплив ЕМП нетеплових рівнів потужності, обумовив проведення досліджень по створенню вимірювального перетворювача (ВП), у якому б забезпечувалося ефективне опромінення біологічних об'єктів ЕМП.

Для вирішення цієї задачі розглянуто ВП на основі двох розсіювачів, що поміщені у відрізок прямокутного хвилеводу. Перший розсіювач - досліджуваний біологічний об'єкт, його місце розташування постійне, а другий - металева сфера, що переміщується.

Підбираючи відповідним чином відстань між біологічним об'єктом і металевою сферою, можна одержати максимальну інтенсивність ЕМП у точці розташування біологічного об'єкта.

Визначення відстані між розсіювачами пов'язано з розв'язанням електродинамічної задачі по розподілу ЕМП усередині і поза досліджуваного об'єкта з урахуванням його лінійних розмірів, форми, шаруватої структури і неоднорідності.

У роботі досліджена дифракція електромагнітних хвиль на багатошарових біологічних об'єктах на основі інтегральних рівнянь, еквівалентних рівнянням Максвелла, разом із граничними умовами як на межах прошарків, так і на межі направляючої електродинамічної структури.

Значення полів, що стоять зліва у виразах (15), залежать від положення точки . Якщо ця точка знаходиться усередині об'єму V, що займається біооб'єктом, то поля, які стоять зліва, являють собою поля в цьому тілі, тобто ті ж поля, що і під знаком інтеграла справа. У цьому випадку (15) є не що інше, як лінійні інтегральні рівняння, що визначають електромагнітне поле усередині біологічного об'єкта з діелектричною і магнітною проникностями e і m0. Якщо ж точка знаходиться поза областю V, то (15) є рівняннями, що визначають повне поле через поле випромінювання (перший додаток) і розсіяне поле (другий додаток).

Розсіяне поле можна визначити через електричний і магнітний потенціали Герца і за допомогою відомих співвідношень:

Для розв'язання поставленої задачі, з використанням рівнянь (15) і (17), були визначені електромагнітні поля всередині біологічного об'єкта, а також розсіяні на ньому. Вирази для внутрішніх електромагнітних полів біооб'єктів у нульовому наближенні мають вигляд:

Елементи матриці визначаються наступними виразами:

Так, у випадку витягнутого еліпсоїда, :

Якщо ж еліпсоїд сплюснутий, то b = c < a й

З огляду на те, що у вимірювальному перетворювачі використовується хвиля Н10, а сам біологічний об'єкт і металева сфера розташовані посередині широкої стінки хвилеводу, було отримане розв'язання (15) і (17) для визначення відстані l між біологічним об'єктом і металевою сферою, при якому в місці розташування біооб'єкта буде максимальна інтенсивність електромагнітного поля:

Проведені розрахунки по виразу (23) дозволили визначити відстань між біологічним об'єктом і металевою сферою для довжин хвиль 5...11 мм і змін від 4 до 20, відстань при цьому змінювалася в інтервалі від 0,5 мм до 6 мм.

Отримані результати теоретичних досліджень можуть бути використані для створення трансформаторів опору у хвилеводних трактах пристроїв, що створюються для використання впливу ЕМВ на біологічні об'єкти.

У шостому розділі розглянуто принципи побудови автоматизованих систем для виміру надслабкого світіння біологічних об'єктів, що знаходяться під дією низькоенергетичних ЕМП.

При низькоенергетичних рівнях ЕМП, що діють на біологічний об'єкт, систему виміру повинні відрізняти висока чутливість, вибірність і інтегральна оцінка величини, що вимірюється, висока надійність і невзаємодія датчиків із досліджуваною біологічною речовиною.

При хемілюмінесценції виникають дуже слабкі світлові потоки, і тому інтенсивність надслабкого світіння при вивченні впливу ЕМВ на найважливіші процеси життєдіяльності біологічних об'єктів може бути оцінена за допомогою "фотоелектронного помножувача" (ФЕП).

Функціональна схема системи вимірювання біохемілюмінесценції біооб'єктів складається з високовольтного блоку, вимірювального перетворювача, реєструючого пристрою, інтерфейсної плати, персональної ЕОМ, друкувального пристрою.

У розробленій установці застосований метод виміру вихідного сигналу ФЕП - метод лічби фотонів, що дозволило проводити ефективні виміри як спонтанної, так і індукованої низькоенергетичними ЕМП НВЧ-діапазону біохемілюмінесценції.

При виборі фотоприймача необхідно враховувати його швидкодію, інтенсивність хемілюмінесценції, що вимірюється, спектральна область, у якій здійснюються виміри.

При реєстрації слабких світлових потоків, індукованих низькоенергетичними ЕМП, рівень сигналу на виході ФЕП може бути порівняний із його власними шумами як по амплітуді, так і по інтенсивності. Такі сигнали не можуть бути вилучені без застосування спеціальних фільтрів. Задача вилучення сигналу на фоні шумів вирішувалася за допомогою теорії оптимальної фільтрації.

Для синтезу фільтра сигнал на виході ФЕП був описаний функцією:

Структурна схема оптимального фільтра наведена на рис. 1.

Рис. 1 - Структурна схема оптимального фільтра першого порядку

Для наведеної схеми були отримані вирази для дисперсії помилки фільтрації і коефіцієнта передачі фільтра в часі:

Як випливає з виразів (26) і (27), параметри і залежать від ширини спектра дії і рівня завади . При зменшенні спектральної щільності завади коефіцієнт збільшується, наближуючись до постійної величини в сталому режимі. Пояснюється це тим, що при малій інтенсивності завади основний внесок у помилку фільтрації вносить складова за рахунок проходження сигналу крізь фільтр. Для її зменшення необхідно підвищувати коефіцієнт передачі фільтра і розширювати смугу пропускання фільтра шляхом зменшення сталої часу .

Збільшення спектральної щільності завади призводить до збільшення помилки фільтрації і для її зменшення необхідно зменшити коефіцієнт передачі і збільшувати сталу фільтра , що призводить до звуження смуги пропускання фільтра.

У сталому режимі коефіцієнт передачі фільтра буде дорівнювати:

і його величина буде тим більше, чим більше відношення спектральних щільностей корисного сигналу і завади.

Для з'ясовування суті оптимальної фільтрації було отримано відношення сигнал/шум на виході фільтра:

На рис. 2 зображено залежність відношення сигнал/шум на виході оптимального фільтра.

Рис. 2 - Залежність відношення сигнал/шум

на виході оптимального фільтра для значень та

Як витікає з рис. 2, для одержання максимального відношення сигнал/шум на виході фільтра коефіцієнт передачі фільтра повинен бути малим на тих частотах спектра, де енергія сигналу мала в порівнянні з енергією завади, й істотним там, де переважає енергія сигналу.

Вибором сталої часу можна забезпечити співвідношення сигнал/шум на виході фільтра в межах від 20 до 30 разів для значень < 1.

У сьомому розділі викладено результати експериментальних досліджень по відпрацюванню блоків та вузлів системи виміру хемілюмінесценції: вимірювального перетворювача, фільтра, підсилювача, високовольтного джерела живлення, узгоджуючого пристрою.

Внаслідок проведених досліджень була створена система виміру хемілюмінесценції біологічних об'єктів, що знаходяться під впливом низькоенергетичних ЕМП, із такими параметрами: область спектральної чутливості 300-380 нм; чутливість з інтенсивності хемілюмінесценції 2 імп. /с; відносна похибка не більше 2 %.

Для дослідження з рослинами вибрані насіння цибулі (allinm sera) сорту “Сонячний”, селекції Українського інституту овочівництва і баштанництва м. Мерефи.

Клітини меристеми цибулі, що відрізняються значними розмірами хромосом, є зручними моделями для вивчення процесів розмноження клітин у нормі і після дії якогось фізичного чинника.

Насіння пророщували в чашках Петрі, що знаходились у термостаті при . Через 30 годин після замочування з загальної маси відбирали пророслі насіння по 150-200 шт. з довжиною кореня до 1 мм, частину яких залишали для контролю.

При проведенні експериментальних досліджень вимірювалися електрофізичні характеристики проростків (тангенс кута втрат, діелектрична проникність). За допомогою графічної залежності уточнювали відстань між розсіювачем та біооб'єктом у камері перетворювача для виміру хемілюмінесценції, забезпечуючи максимальну пучність ЕМП у місці розташування проростків, що опромінювалися.

Опромінення насіння цибулі і вимір хемілюмінесценції проводили в діапазоні частот 35...75 ГГц, із щільністю потоку потужності 20