CC BY
37ЭФФЕКТЫ И ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП СВЕРХНИЗКИХ ЧАСТОТ НА СЕМЕНА ПШЕНИЦЫ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ИХ НАБУХАНИЯ И ПРОРАСТАНИЯ.
Аксенов С.И. (aksyonov@biophys.msu.ru), Булычев А.А, Грунина Т.Ю., Горячев С.Н., Туровецкий В.Б.
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, Москва 119899, Воробьевы горы
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о механизмах нетеплового воздействия электромагнитных полей сверхнизкой частоты на различные процессы в организмах занимает важное место в общей проблеме взаимодействия ЭМП с живыми системами. Его актуальность определяется тем, что к данному диапазону относятся не только промышленные частоты, значения полей которых в крупных городах на несколько порядков превышают их значения в сельской местности. В том же диапазоне находятся и частоты геомагнитных и космофизических флуктуаций, с которыми связывают не только различные биологические эффекты, но и ряд явлений социального характера [1-4]. Здесь же находятся частоты модуляции, заметно усиливающей эффекты ЭМП высоких частот [5]. Однако, при наличии обширного числа данных по биологическим эффектам ЭМП сверхнизкой частоты [1-4], их интерпретация и даже сами полученные результаты продолжают вызывать дискуссии. Это связано, прежде всего, с неопределенностью данных о механизмах преобразования в клетке весьма низкой энергии ЭМП. Такие механизмы должны объяснить не только саму возможность получения биологически значимого ответа на ЭМП, но и необычный характер наблюдаемых при этом зависимостей. Последнее, в частности, относится к механизмам, определяющим специфичность эффектов геомагнитных и космофизических флуктуаций, хотя большие по амплитуде воздействия не приводят к таким результатам. Подобные зависимости вообще характерны для эффектов ЭМП в организмах с отсутствием у них пропорциональной зависимости от величины поля, наличием максимальных эффектов при некоторых значениях поля и даже ростом биологических эффектов при уменьшении его амплитуды [1-4]. Решение данного парадокса, учитывая особенно малую энергию воздействия ЭМП сверхнизкой частоты на каждую из отдельных биологических структур, имело бы принципиальное значение для всей проблемы взаимодействия ЭМП с живыми системами.
Для объяснения подобной зависимости эффектов ЭМП в организмах необходимо, с одной стороны, чтобы в клетке существовали механизмы, обеспечивающие усиление столь слабых воздействий за счет различных нелинейных процессов, а также их концентрирование на клеточных структурах с высокой чувствительностью к таким эффектам. С другой стороны, в клетке должны происходить процессы, которые могли бы ограничить или ослабить воздействие ЭМП при росте его амплитуды (если речь не идет о тепловых эффектах). Эти задачи не были решены в моделях, связывающих эффекты ЭМП в организмах с их воздействием на некоторые характеристики мембран [6,7].
Принципиально другие возможности возникают при рассмотрении вызванных переменным ЭМП нестационарных процессов в клетке и в примембранном слое, которые будут происходить в случае, когда ионы под действием ЭДС, наводимой этим полем внутри клетки, проходят за его период лишь часть расстояния между клеточными мембранами. Такие условия, в частности, соблюдаются для полей и частот геомагнитных флуктуаций. Исходя из данных для подвижности ионов К+ в воде при 18° С 64 ом см / г экв [8], имеем, что при обычных для таких флуктуаций частотах { = 0,1 Гц и менее и напряженностях поля Е
= 1-10 в/м ионы К+ проходят за период под его воздействием порядка 1 мкм, что сопоставимо или меньше размера клетки. Согласно данному предположению значения в/м за период колебаний промышленных частот должны быть на 3 порядка выше, что в общем совпадает с известными данными по биологическим эффектам таких полей [4]. В этом случае периодическое движение ионов в неоднородной среде клетки должно приводить к различным нелинейным эффектам и к появлению градиента концентрации ионов в примембранном слое, чему способствует повышенная вязкость данного слоя и наличие в нем дополнительных зарядовых взаимодействий. Кроме того, за счет трансмембранного селективного обмена ионов (с учетом резких различий концентрации ионов №+, ^ и Са++ по разные стороны мембраны) в этом слое может измениться и величина рН, причем подобные эффекты относятся именно к случаю слабых ЭМП сверхнизких частот [9]. В свою очередь, изменения в примембранном слое влияют на переходы слабосвязанных периферических белков в воду или обратно, что за счет увеличения в воде числа степеней свободы для ряда групп в макромолекулах белков и, соответственно, энтропии системы, должно быть связано с малым изменением свободной энергии [10,11]. Более длительное воздействие за период ЭМП сверхнизких частот по сравнению с высокими частотами будет способствовать преодолению активационного барьера для таких переходов. В частности, длительность воздействия ионов на электростатическое взаимодействие между мембраной и периферическими белками, по-видимому, определяет специфику влияния на клеточные процессы ионов Са++, имеющих в 3000 раз большую константу связывания с мембраной по сравнению с ионами Mg++ [11].
Известно, что многие периферические белки связаны с мембраной лишь электростатическими взаимодействиями и что для перехода некоторых из них в воду достаточно повысить ионную силу всего до О,15 М [12] или же изменить рН на десятые доли единицы. Так повышение рН на 0,5 ед. может стимулировать деление клеток [13], причем ряд его стадий проходит и при ингибировании процессов биосинтеза [14], указывая на присутствие участвующих в этих стадиях структур ранее в связанном состоянии. Переходы белков в цитоплазму при разных воздействиях объясняют [11] и многочисленные данные по изменению вязкости цитоплазмы, светорассеяния и распределения красителей в клетке, наблюдаемые при активации практически любых метаболических процессов [15,16]. Имеются и прямые данные в пользу высвобождения периферических белков при разных слабых воздействиях, включая импульсные ЭМП сверхнизкой частоты [17]. Ряд других примеров, показывающих чувствительность таких переходов к различным слабым воздействиям приведен в литературе [11,12,18].
В то же время при воздействии более сильных внешних ЭМП ионы имеют достаточно времени для преодоления всего расстояния между мембранами. Этот случай приводит к стационарному распределению индуцируемых извне напряжений, в соответствии с сопротивлением участков цепи. Тогда практически все такое напряжение будет падать на мембране, где оно составит лишь малую долю от уровня мембранных шумов. В другом же варианте - нестационарного случая слабых полей, напряжение, индуцируемое внешним полем, распределяется по объему клетки и там его относительная доля значительно выше чем на мембране, причем здесь имеет значение не падение напряжений, а более высокая проводимость растворов ионов внутри клетки по сравнению с мембраной. Это должно приводить и к более заметному влиянию даже слабых полей на ионный ток.
Таким образом учет нестационарных процессов, связанных с движением ионов в межмембранном пространстве позволяет подойти к выявлению механизмов, определяющих необычный характер зависимости биологических эффектов от амплитуды ЭМП. При этом появление таких эффектов будет зависеть не от амплитуды, а от отношения амплитуды к частоте ЭМП, когда сверхнизким частотам соответствуют и очень малые амплитуды полей. В качестве же факторов, особенно чувствительных к воздействию ЭМП сверхнизких частот будут служить переходы белков из связанного в свободное состояние и обратно и изменение
рН в клетке после такой обработки. Экспериментальная проверка указанных положений является задачей настоящей работы.
Вместе с тем необходимо учитывать, что результаты экспериментов существенно зависят от выбора объекта для исследования. Величина ожидаемого эффекта может быть связана с состоянием организма, которое не всегда удается контролировать, в клетках параллельно проходит множество других процессов, которые могут реагировать на ЭМП в разных направлениях, возможны другие неучитываемые слабые воздействия и т. д., что приводит к снижению воспроизводимости результатов и их достоверности.
Исходя из указанных соображений для изучения эффектов ЭМП сверхнизких частот были выбраны семена пшеницы в ходе их набухания и начальных этапов прорастания. Выбор семян обусловлен тем, что их переход от состояния покоя к прорастанию на первых стадиях проходит в одном направлении - к высвобождению различных структур, и он связан с определенной последовательностью процессов - сначала идет формирование корней и лишь затем образуются проростки [19]. Поэтому подбирая время воздействия ЭМП на них можно в принципе избирательно влиять на те или другие реакции. В свою очередь, различная чувствительность к ЭМП у разных процессов в ходе прорастания семян позволяет проводить дифференциальные измерения, что повышает надежность регистрации именно эффектов ЭМП. Надежность регистрации повышается и за счет измерения нескольких показателей, которые могут быть сопоставлены между собой и данными контроля. Такими показателями являются: изменение рН вблизи поверхности зародыша семян и в объеме, гидролитическая активность ферментов эстераз, высвобождаемых в ходе набухания семян и кинетика выхода продуктов их реакции, а также число семян с проростками и с корнями, длины проростков и другие более косвенные биологические характеристики. Данные показатели измеряли после ЭМП обработки на разных этапах набухания и прорастания семян и в контроле для семян нескольких сортов пшеницы, отличающихся по своей всхожести.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве основных объектов для исследования использовали семена пшеницы сорта «Заря» с 95% и 20% всхожестью и сорта «Инна» с 80% и 50% всхожестью, а также семена нескольких других сортов пшеницы с различной всхожестью. Набухание семян проводили по общепринятой методике в чашках Петри ^ = 80 мм) с двумя слоями фильтровальной бумаги. Все семена в каждом эксперименте увлажняли в дистиллированной воде в общем объеме и перед ЭМП обработкой разделяли на 2 или больше (до 6) идентичных образцов, которые увлажняли 10 мл воды каждый (опытные и контрольные образцы). Образцы в разных типах экспериментов содержали 10 или 20 семян, которые располагали компактно в центре диска в случайной ориентации. В различное время после начала увлажнения в интервале между 1 и 30 час опытный образец однократно в течение 7 или 10 или 15 мин подвергали воздействию низкочастотного вращающегося магнитного поля (МП). Источником МП служила магнитная мешалка ММ-5. Чашку с семенами обычно помещали на поверхности мешалки, а в некоторых опытах в подвешенном на нити состоянии с удалением от поверхности мешалки на разное расстояние. Максимальная амплитуда МП в местоположении образца на поверхности мешалки составляла около 30 мТ ± 20% (от пика до пика) на частоте 30-33 Гц при форме, близкой к синусоидальной. МП измеряли по индуцированному напряжению в катушке по сравнению со стандартным образцом.
В других сериях опытов источником переменного МП служил аппарат для низкочастотной магнитотерапии МАГ-30-3, (Елатомский приборостроительный завод), применяемый в медицинских целях. Рабочая частота прибора 50 Гц с небольшой примесью третьей гармоники, максимальная амплитуда МП такая же как у магнитной мешалки и составляет 30 мТ ± 20%. Данный прибор использовали при сравнении эффектов кратковременной, в течение 15 мин, после 17 ч и 24 ч набухания, и длительной, в течение
вторых суток набухания, ЭМП обработки на процессы формирования корней и проростков в ходе прорастания семян. Для уменьшения тепловых эффектов прибор охлаждали водой снаружи, а между образцом и поверхностью прибора создавали воздушный зазор около 2 мм. При этом максимальные значения температуры в местоположении образца не превышали 27-28о С, что не выходит за оптимальные значения температур для проращивания семян пшеницы. Такая же температура поддерживалась в термостате, в который помещали семена, начиная со вторых суток набухания. Для исключения возможного отличия в световом режиме часть опытов была выполнена на свету при комнатной температуре, где были получены близкие относительные результаты. Семена обрабатывали ЭМП в чашках Петри непосредственно в ходе набухания, используя по 20 семян в каждой чашке (их число ограничено площадью ЭМП воздействия). Число семян с корнями и с проростками, а также длину проростков измеряли на шестые сутки после начала набухания.
Активность ферментов эстераз в ходе набухания семян пшеницы и ее изменение после обработки семян ЭМП определяли по эффективности гидролиза нефлуоресцирующего вещества флуоресцеиндиацетата (ФДА) до флуоресцеина (ФЛ) и выхода ФЛ в среду [20]. При этом по 10 семян пшеницы из контрольного и опытного вариантов на выбранной стадии набухания трижды промывали водой для удаления вышедших ранее продуктов утечки и заливали 3 мл воды, к которой добавляли 15 мкл 0.5% водного раствора ФДА. Спустя 50 мин отбирали пробы по 200 мкл раствора для флуоресцентных измерений. Снимали также кинетику выхода ФЛ через 1 и 2 ч после первого измерения.
Микрофлуориметрические измерения выполняли на люминесцентном микроскопе ЛЮМАМ-ИЗ с фотометрирующей насадкой ФМЭЛ 1А и диаметром фотометрируемого участка 150 мкм. Для возбуждения фпуоресценции применяли лампу КГМ 9-70 и светофильтры СЗС 21-2 и ФС 1-2, а для ее регистрации интерференционный светофильтр с максимумом пропускания при 520 нм и полуширине 12 нм и фотоумножитель ФЭУ-79.
Измерения рН у поверхности зародыша семян пшеницы в процессе их набухания проводили в используемой для набухания воде с помощью сурьмяного торцового микроэлектрода в стеклянной изоляции с диаметром кончика 10-20 мкм. Его положение изменяли посредством шагового механизма с шагом 1 мкм и контролировали с помощью микроскопа [21]. Кончик микроэлектрода располагали на расстоянии 5-10 мкм от поверхности зародыша семени, что позволило определять локальные изменения рН на более ранних этапах набухания семян до их проявления в объеме. Часть опытов сделана на отдельных семенах в течение всего срока набухания. В других экспериментах измеряли наряду с локальным объемное значение рН при удалении кончика электрода примерно на 5 мм от поверхности зародыша. Здесь эффект воздействия ЭМП, определяли через разность между локальными и объемными значениями рН и их различие в опыте и в контроле. Такой подход позволил существенно увеличить статистику измерений по сравнению с опытами, проводившимися на отдельных семенах в течение всего срока их набухания.
Статистическую обработку результатов выполняли с использованием программы Statgraphics и параметра Стьюдента р.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Влияние ЭМП обработки на активацию эстераз.
Активность эстераз в ходе набухания семян пшеницы, по нашим предположениям, должна проявляться спустя некоторое время после начала набухания, когда в клетках достигнута достаточно высокая оводненность и ферменты могут перейти из связанного в свободное состояние с ростом их активности. В это же время можно ожидать и повышения чувствительности данного процесса к ЭМП обработке. Такая картина действительно имеет место для семян сорта «Заря» с 95% всхожестью (Рис. 1А). Здесь каждая точка на кривых рис. 1 является результатом отдельного эксперимента. Измерения выхода в среду продуктов гидролиза эстеразами флуоресцеиндиацетата (ФДА) в флуоресцеин (ФЛ) показали, что в
начале набухания (до 6-8 ч) происходят сравнительно малые его изменения. Затем отмечено резкое увеличение выхода ФЛ в среду с максимумом между 15 и 18 ч набухания и последующим его спадом до примерно исходного уровня. При этом каждой из стадий проявления активности эстераз соответствуют количественные различия по чувствительности данной реакции к обработке набухающих семян на магнитной мешалке.
«
Н О
с
160' 14 0' 120' 100' 80' 60 40 20 0
А
д 6АДд дДДдд
д Л*
ЛИ"
I
......
• I
&
0
5
10 15 20 25 30
35 tчас
к н
о <
160' 140 120 100 80 60 40 20 0
Б
Т"
5
I
10
I
15
20
I
25
I
30
I
35
^час)
0
Рис. 1. Выход ФЛ из семян пшеницы сорта «Заря» с высокой (А) и низкой (Б) всхожестью на разных стадиях их набухания в контроле ( • ) и после 7 мин воздействия низкочастотного ЭМП ( А )
ММ-5 в течение 7 мин. Наибольшие эффекты ЭМП у семян с высокой всхожестью зарегистрированы именно на стадии возрастания активности эстераз и вблизи ее максимума, где эффект достигал 2-х раз и более при заметном разбросе данных в отдельных опытах. После 11 ч набухания сильная реакция на ЭМП обработку была отмечена во всех опытах, а начиная с 17-18 ч, когда отмечен спад активности, ЭМП уже слабо влияло на выход продуктов гидролиза (Рис. 1 А).
В семенах пшеницы сорта «Заря» с 20% всхожестью наблюдали иную картину (Рис. 1 Б). Здесь после начальной высокой скорости процесса гидролиза, вероятно связанного с выходом ферментов и продуктов их реакции из поврежденных клеток, потом происходит ее спад и, как в первых образцах семян, но на 10-12 ч позднее, достигается максимум выхода продуктов гидролиза. При этом сами ферменты, по-видимому, не выходят из семян, что следует из измерения их активности при добавлении ФДА в среду после удаления из нее набухших семян. В семенах с низкой всхожестью ЭМП обработка либо не меняла, либо даже уменьшала выход ФЛ в среду (Рис. 1 Б).
Для получения дополнительных сведений о природе и особенностях процесса активации эстераз были выполнены сравнительные измерения эффектов обработки ЭМП при расположении образца семян пшеницы сорта «Инна» непосредственно на поверхности мешалки и в подвешенном на нити состоянии, чтобы исключить эффекты вибрации. Определяли также зависимость выхода продуктов гидролиза ФДА от времени обработки и, кроме того, кинетику выхода ФЛ на разных стадиях набухания.
В семенах пшеницы сорта «Инна» с 80% всхожестью, т.е. со средним ее значением по сравнению с двумя видами семян сорта «Заря», положительные эффекты ЭМП обработки на выход продуктов гидролиза ФДА наблюдали в более широком интервале времен набухания, вплоть до 24 часов и выше. В этом интервале и были выполнены сравнительные измерения. Данные 28 опытов при расположении образца набухающих семян непосредственно на поверхности мешалки и в подвешенном вблизи нее состоянии показали, что эффект подвески составляет 0.64 ± 0.03 от суммарного эффекта, тогда как данные других 26 опытов при подвеске образца на расстоянии 1 см и 2 см от этой поверхности составили, соответственно, 0.68 ± 0.05 и 0.58 ± 0.05 от полного эффекта ЭМП обработки. Такое ослабление может быть частично связано с уменьшением амплитуды ЭМП. Но вибрация также дает некоторый вклад. Для дополнительной оценки эффектов вибрации вращающийся магнит был заменен на близкий по форме латунный диск и здесь в 19 проведенных опытах было получено 0.31 ± 0.05 от общего эффекта. Следовательно, основной наблюдаемый эффект активации эстераз (по крайней мере около 2/3 от общего эффекта) обусловлен воздействием переменного ЭМП и лишь отчасти вибрации, хотя в последнем случае какой-то вклад в эффект вносит поле, создаваемое вращающимся электромотором.
Основная роль эффектов переменного ЭМП была подтверждена и в опытах по исследованию кинетики выхода продуктов гидролиза ФДА из семян при разных временах их набухания в случаях помещения образца на подвеске или на поверхности мешалки. Измеряли также зависимость выхода ФЛ от длительности ЭМП обработки. Обработка в течение 7 или 15 мин практически не влияла на полученные результаты. При этом более полные измерения кинетики были выполнены для 15 мин. Они и показаны на рис 2, где каждая группа кривых соответствует различным часам набухания семян. Данные по кинетике выхода ФЛ в разных опытах сравнивали со значениями его выхода в контроле, измеренными через 50 мин после окончания отмывки семян от вышедших ранее продуктов и принятыми за начало координат. Другие точки на кривых соответствуют разности между этой величиной и измеренными значениями выхода ФЛ в контроле и в опытах с воздействием одного поля или поля вместе с вибрацией. Первые измерения всюду проводились через 50 мин после отмывки и затем спустя 1 ч и 2 ч после него.
А (отн. ед.)
t (час.)
Рис. 2. Кинетика выхода ФЛ из семян пшеницы сорта «Инна» на разных стадиях их набухания в контроле ( х ) и после 15 мин ЭМП обработки при нахождении образца на поверхности магнитной мешалки ( V ) и на подвеске ( • ), начиная с 50 мин после отмывки семян. Выход ФЛ измерен в относительных единицах. За нуль принято значение выхода ФЛ измеренное через 50 мин после отмывки. Время набухания показано на диаграммах.
Сравнение данных ЭМП обработки на поверхности мешалки и на подвеске показало, что при определенных количественных различиях характер кинетики выхода ФЛ для семян с 80% всхожестью практически одинаков в обоих случаях обработки и в то же время он качественно отличается от кинетики выхода в контроле (Рис. 2). В контроле при всех в временах набухания (от 4 до 30 ч) кинетика выхода ФЛ имеет линейный характер. Отмечено также нарастание общего выхода ФЛ с достижением его максимума к концу первых суток набухания, т. е. при промежуточных временах по сравнению с семенами 95 и 20% всхожести. Вместе с тем в обоих вариантах опытов линейная кинетика выявлена лишь в течение первых 12-13 ч набухания, а в последующие часы ее характер качественно изменяется. При нарастании различий выхода ФЛ между опытом и контролем в первых по времени измерениях, затем в обоих вариантах опытов происходит замедление выхода вплоть до того, что через 2 ч он становится ниже, чем в контроле. Характер такого замедления практически одинаков как при воздействии одного лишь поля, так и ЭМП вместе с вибрацией. Эти данные, наряду с наличием не только количественных, но и качественных различий опытных кривых по сравнению с контролем, служат еще одним доводом в пользу реальности наблюдаемых эффектов ЭМП, где решающую роль, по-видимому, играет наводимая этим полем ЭДС внутри клеток. Само же замедление выхода ФЛ показывает, что на измеряемый эффект на поздних стадиях набухания влияет также состояние мембранных структур, которое, в свою очередь, зависит от воздействия ЭМП обработки. На это косвенно указывает и отсутствие на обработанных ЭМП старых семенах плесени, которая обычно развивается на продуктах утечки из таких семян после нескольких суток набухания [22]. Ее отсутствие в опытах отмечено и для семян пшеницы с нулевой всхожестью, тогда как в контроле в тех же условиях плесень обычно активно развивалась. Эффект залечивания повреждений в мембранных структурах семян подтверждается также заметным увеличением всхожести и скорости прорастания семян [22].
Следовательно, обработка семян пшеницы ЭМП сверхнизкой частоты на стадии набухания, соответствующей активации ферментов эстераз, приводит к отчетливо выраженному увеличению скорости выхода ФЛ при заметно меньшем влиянии поля на более ранних стадиях и ослаблении эффектов на последующих стадиях. Время проявления эффекта зависит от состояния семян и их всхожести, а также от состояния мембранных структур, на которое, в свою очередь, по-видимому, влияет и ЭМП обработка. Указанные данные находятся в соответствии с предложенным механизмом воздействия ЭМП сверхнизкой частоты - его влиянием на высвобождение слабосвязанных белков с их активацией в водной среде.
Влияние ЭМП обработки на изменение рН у зародыша семян пшеницы
Дополнительные сведения о механизмах воздействия ЭМП сверхнизкой частоты дают измерения рН у поверхности зародыша семян пшеницы. На определенной стадии их набухания, помимо высвобождения связанных белков, вблизи зародыша происходят изменения рН, обусловленные откачкой протонов из окружающего объема для закисления внутренней среды в семенах [19]. Измерение рН в наших экспериментах проводили при расположении торца микроэлектрода в непосредственной близости от поверхности зародыша, но вне семени, что исключает какое-либо его влияние на изучаемые процессы. Эксперименты, выполненные на отдельных семенах пшеницы сорта «Заря» с 95% всхожестью в течение всего срока набухания, показывают, что в первые часы набухания происходит некоторое падение рН, по-видимому, связанное с утечкой солей из семян, а затем медленное и примерно через сутки резкое нарастание значений рН вблизи зародыша (Рис. 3). Начало такого нарастания рН у разных семян имеет заметный разброс и меняется в пределах нескольких часов.
10 20 30 40
Рис. 3. Кинетика изменения рН вблизи поверхности зародыша семян пшеницы сорта «Заря» с высокой всхожестью в ходе их набухания в контроле ( х ) и после 10 мин обработки полем магнитной мешалки в 2-х опытах ( + ) и ( ). Момент воздействия показан стрелкой.
Данный процесс оказался достаточно чувствительным к 10 мин ЭМП обработке на магнитной мешалке в ходе набухания семян. Но при этом реакция разных семян из-за их гетерогенности весьма различна и на ранних стадиях набухания лишь в некоторых опытах был выявлен эффект значительного ускорения изменений рН, которое происходило спустя несколько часов после ЭМП обработки (Рис. 3). Поэтому для получения более полной информации о влиянии такой обработки на величину рН дальнейшие эксперименты выполняли не на отдельных семенах в течение всего срока набухания, а для партий из нескольких десятков семян пшеницы сорта «Инна» с 80% всхожестью, набухавших в одном объеме и разделенных на 2 равные части непосредственно перед ЭМП обработкой. В Таблице 1 даны сводные результаты измерений локальных, у каждого семени образца и объемных значений рН после 10 мин ЭМП обработки семян на разных стадиях набухания в ходе продолжающегося после ЭМП обработки набухания опытных и контрольных образцов семян. Даны абсолютные значения рН объемного и рН локального в контроле и в опытах, разности между ними АрН в опытах и в контроле, а в трех последних столбцах разности значений АрН в объеме и у поверхности зародыша, вызванной ЭМП обработкой и, наконец, их разности А(АрН). Среднеквадратичную ошибку рассчитывали отдельно для абсолютных значений рН и для разности объемных и локальных значений рН.
Из Таблицы 1 следует, что в первые часы набухания происходит закисление среды за счет утечки из семян солей и других веществ. В результате после 8 и 9 ч набухания локальные значения рН, в том числе и при ЭМП обработке после 5 ч набухания имеют более низкие по сравнению с объемными значения рН. Эффект ЭМП обработки не отмечен и
Таблица 1
зменение p I у поверхности зародыша и в объеме в ходе набухания семян пшеницы после Э МП обработки на разных его стадиях
Время ЭМП обработки (ч Время измерения Число семян рН объемное контроль эксперим. рН локальное контроль эксперим. АрН (локал.-объемн.) контроль эксперим. Эффект (экспер. - контр.) АрН объемн. АрН локал. А(АрН)
5 ч 8 ч 10 (контроль) 7.40±0.08 7.15±0.04 -0.25±0.06
9 ч 10 (экспер.) 7.54±0.08 7.18±0.06 -0.35±0.14 -0.14±0.12 0.03±0.07 -0.10±0.15
9 ч 13 ч 10 (к) 6.93±0.03 7.04±.03 0.11±0.02
14 ч 10 (эксп.) 7.02±0.03 7.16±0.06 0.14±0.03 0.09±0.05 0.12±0.07 0.03±0.04
12 ч 16 ч 10 (к) из них 6.88±0.05 7.08±0.08 0.20±0.07
5 max 7.00±0.02 7.28±0.05 0.36±0.10
17 ч 9 (эксп) 6.94±0.02 7.35±0.06 0.41±0.05 -0.08±0.04 0.17±0.08 0.16±0.09
5 max 6.99±0.02 7.48±0.05 0.50±0.04 -0.05±0.04 0.12±0.08 0.12±0.11
18 ч 9 (эксп) 7.03±0.03 7.51±0.07 0.48±0.06 -0.01±0.04 0.22±0.09 0.18±0.08
5 max 7.09±0.04 7.63±0.10 0.59±0.06 -0.02±0.05 0.18±0.12 0.19±0.08
19 ч 10 (к) 7.06±0.03 7.39±0.06 0.34±0.05
5 max 7.16±0.02 7.53±0.05 0.42±0.04
17 ч 19 ч 5 (к) 0.29±0.12
20 ч 10 (эксп) 0.23±0.03 -0.07±0.15
21 ч 5 (к) 0.32±0.09
6 ч 22 ч 10 (к) 0.62±0.04
8 max 0.63±0.05
6 max 0.68±0.06
17 ч 10 (эксп) 0.67±0.12 0.05±0.13
8 max 0.78±0.11 0.15±0.12
18 ч 6 max 0.92±0.06 0.24±0.08
17 ч 22 ч 5 (к) 7.00±0.02 7.41±0.05 0.40±0.05
3 max 7.02±0.02 7.47±0.06 0.45±0.06
23 ч 9(эксп) 7.22±0.02 7.95±0.12 0.68±0.11 0.05±0.03 0.30±0.13 0.20±0.12
6 max 7.25±0.02 8.12±0.07 0.87±0.08 0.07±0.03 0.42±0.10 0.35±0.11
24 ч 5 (к) 7.34 7.88±0.04 0.55±0.05
3 max 7.34 7.93±0.04 0.59±0.07
10 (к) 7.17±0.02 7.65±0.05 0.48±0.07
6 max 7.18±0.02 7.70±0.06 0.52±0.07
20 ч 22,5 ч 5 (к) 7.14±0.08 7.56±0.09 0.41±0.06
3 max 7.22±0.12 7.66±0.12 0.53±0.09
24 ч 8 (эксп) 7.71±0.06 8.33±0.09 0.62±0.09 0.41±0.08 0.49±0.15 0.08±0.12
6 max 7.77±0.05 8.47±0.09 0.70±0.11 0.41±0.10 0.44±0.12 -0.04±0.16
25 ч 5 (к) | 7.45±0.05 8.13±0.20 0.67±0.21
3 max 7.51±0.07 8.37±0.09 0.95±0.04
10 (к) 7.30±0.05 7.84±0.12 0.54±0.11
6 max 7.36±0.08 8.03±0.08 0.74±0.11
после 9 ч набухания. Но уже через 13 и 14 ч набухания в контроле и в опыте наблюдается некоторый рост рН и здесь же, после обработки полем спустя 12 ч набухания, начинают проявляться и эффекты ЭМП. На данной стадии значения рН вблизи зародыша заметно превышают их объемные значения как в опытном, так и в контрольном вариантах. При этом реакция отдельных семян неоднородна, что видно при выборке из образцов по 5 семян, имеющих максимальные локальные значения рН в опыте и в контроле (см. Таблицу 1). ЭМП обработка практически не влияет на объемные значения рН, в отличие от локальных значений рН, изменение которых спустя 5 и 6 ч после ЭМП обработки уже выходит за пределы ошибок измерений как в пределах всего образца, так и в группах с более сильной реакцией, хотя полученный эффект пока еще статистически не достоверен.
ЭМП обработка семян после 17 ч набухания, спустя 3 ч еще не приводит к сколько-нибудь заметным эффектам. Слабое влияние в целом оказывает и обработка после 6 ч набухания, что можно видеть даже через 23 ч после начала набухания. Но здесь выделяются группы из 8 и 6 семян, показывающих более сильную реакцию на ЭМП обработку по сравнению с такими же по численности группами в контроле с максимальной разностью локальных и объемных значений рН (см. Таблицу 1).
В следующей серии ЭМП обработку проводили после 17 ч набухания семян, но при большем сроке наблюдения по сравнению с приведенным выше. Здесь после 23 ч набухания изменение рН наблюдали уже не только вблизи зародыша семени пшеницы, но и в объеме в целом, хотя в последнем случае они еще невелики. В то же время локальные изменения после ЭМП обработки у 6 семян с максимальными значениями рН по сравнению с 6 подобными семенами в контроле достигают 0,4 ед. рН и явно выходят за пределы тройной ошибки измерений (р<0,02).
Наконец, измерения на 24 ч набухания после ЭМП обработки на 20 ч и при расположении образца семян на подвеске выявили еще более заметные изменения. На этой стадии реакция семян становится более однородной и изменения рН после ЭМП обработки происходят и вблизи зародыша, и в объеме, причем в обоих случаях они превышают 0,4 ед. рН и явно выходят за тройную ошибку (р<0,02 и р<0,01). Следует отметить, что и абсолютные значения рН после ЭМП обработки оказались заметно выше таких значений в контроле, зарегистрированных даже спустя 1 ч после измерений опытной серии (Таблица 1).
Следовательно, кратковременное воздействие ЭМП сверхнизкой частоты приводит к отчетливо выраженному ускорению изменений рН в процессе прорастания семян пшеницы, которое происходит с запаздыванием на несколько часов. Последнее может быть связано с использованием ресурсов клеточной стенки, имеющей более кислую среду (буферная емкость) или с другими причинами. При этом на ранних стадиях набухания реакция разных семян неоднородна, тогда как к концу первых суток набухания такие различия заметно сглаживаются и практически все семена становятся чувствительными к ЭМП обработке, в том числе и к воздействию одного ЭМП при расположении образца семян на подвеске.
Особенности эффектов ЭМП на разных стадиях прорастания семян пшеницы.
Различный характер процессов на разных стадиях набухания и прорастания семян должен определять и разную эффективность влияния ЭМП обработки на этих стадиях, включая возможность как стимуляции, так и торможения метаболических процессов после такого воздействия. Для изучения возможных эффектов ЭМП разного знака были выбраны семена пшеницы сорта «Инна» с 50% всхожестью. Было выполнено 50 серий опытов по 15 мин. воздействию ЭМП сверхнизких частот (50 Гц, 30 мТ) после 17 ч набухания семян, 34 серии по такому же воздействию после 24 ч набухания и 20 серий по длительному ЭМП воздействию в течение вторых суток набухания. Полученные данные сравнивали с результатами 59 серий в контроле, причем один или несколько контролей могли быть общими для разных вариантов ЭМП обработки, выполненных в одни и те же дни.
Р(]Ч) А I Р(]Ч) II
12 10 8 6 4 2 0
12 10 8 6 4 2 0
1 1 Iii II
1 1 II ||
■1 1 II Nil ■
1 3 5 Б 79 11 13 15 17 19
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
В
1 1 -1 1 Ii
■ пп 1 Ii Ii
13 5 7 Г 9 11 13 15 17 19
t
■■Iii
E
1 3 5
9 11 13 15 17 19
| I
| | Ii
1 1 III ■
1 3 5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
N
I
1
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
N
-
■ 1 Ii i ■■
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
N
П1
■ Ii I 1 i
9 11 13 15 17 19
N
Рис. 4. Итоговое распределение Р(Ы) чисел семян N из 20 семян в опыте, давших проростки ( I ) или корни ( II ) на 6-ые сутки набухания в контроле ( А ) и после ЭМП обработки в течение 15 мин после 17 ч ( Б ) и 24 ч ( В ) набухания, а также после длительной обработки в течение вторых суток набухания ( Г ) семян пшеницы сорта «Инна» с 50% всхожестью.
Таблица 2
Средние значения числа семян пшеницы (из 20 семян) имеющих проростки и корни в контрольных образцах и в семенах после ЭМП обработки на разных стадиях набухания _
Число семян с проростками Различие с контролем Число семян с корнями Различие с контролем
Контроль 17 ч набухания 24 ч набухания В течение второго дня набухания 8,59 ± 0,35 10,32 ± 0.40 10.00 ± 0,52 8,10 ± 0,73 1,73 ± 0,55 (Р < 0,01) 1,41 ± 0,63 (Р < 0,05) - 0,43 ± 0,81 9,59 ± 0,40 12,30 ± 0,37 10,44 ± 0,56 10,05 ± 0,68 2,71 ± 0,55 (Р<< 0,01) 0,85 ± 0,68 0,46 ± 0,79
На Рис. 4 приведено итоговое распределение чисел семян, имеющих проростки или корни в контроле и разных вариантах опытов. Видно, что число таких семян в различных опытах и сериях меняется в весьма широких пределах. При среднем значении около 10 всходов из 20 семян в опыте число проросших семян в разных сериях меняется от 4 до 17, а число семян с корнями от 4 до 18. Все семена с проростками имеют корни, в отличие от семян с одними лишь корнями. Средние значения полученных чисел и статистический разброс данных в контроле и разных вариантах ЭМП обработки даны в Таблице 2.
Из данных Таблицы 2 следует, что ЭМП обработка после 17 ч набухания семян пшеницы, когда у них, по-видимому, начинается формирование корней, приводит к статистически достоверному превышению числа семян с проростками (р<0,01) и еще большему приросту числа семян с корнями (р<<0,01) по сравнению с контролем. ЭМП обработка после 24 ч набухания вызывает меньшие эффекты, хотя и приближающиеся в случае проростков к данным для 17 ч. Но при этом эффект для корней меньше примерно в 3 раза по сравнению с эффектом для 17 ч и едва выходит за пределы разброса результатов. В то же время длительная обработка полем семян на более поздней стадии - в течение вторых суток набухания, практически не влияет на число семян с корнями, но наряду с этим приводит к некоторому, хотя и статистически недостоверному снижению числа семян с проростками, формируемыми позже корней. Последний эффект оказывается более заметным (-1,30±1,00), если сравнение проведено с данными контроля не во всех, а лишь в сериях измерений, выполненных в одни и те же дни.
Такие же тенденции, даже более заметно выраженные, наблюдаются и для другого показателя - длины проростков, измеряемой на шестые сутки после начала набухания (Рис. 5). В связи с определенным разбросом длин проростков в разные дни опытов все результаты показаны в относительных единицах по сравнению с выбранными в качестве опорных средними значениями длин в контроле в каждой из серий измерений. При этом приведенные на Рис. 5 данные для 17 ч и 24 ч ЭМП обработки соответствуют результатам серий измерений, выполненных в одни и те же дни. Можно видеть, что наибольшее влияние на длину проростков оказывает ЭМП обработка после 17 ч набухания. Ускорение формирования корней воздействует и на длину проростков и средняя их длина здесь составляет 26,86±0,41 отн. ед. по сравнению с данными в одновременно выполненных сериях для контроля 19,42±0,41 и для 24 ч набухания 22,46±0,45 отн. ед.. Различие между данными опыта и контроля статистически достоверно (р<<0,01).
Следовательно, имеет место отчетливо выраженный стимулирующий эффект ЭМП обработки на 17 ч набухания, далеко выходящий за пределы тройного разброса средних Р(Ь) А
20
15
10
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
Ь отн.ед.
Б
25
20
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
Ь отн.ед.
В
25 20 15 10 5 0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
Ь отн.ед.
Г
25 20 15 10
Ж м 1м
мш —Ц-4+ УПЧ 11 ктугч 111111111111
Ь отн.ед.
Рис. 5. Итоговое распределение Р ( Ь ) длин проростков Ь семян пшеницы (в относительных единицах) на 6-ые сутки набухания в контроле ( А ) и после обработки низкочастотным ЭМП в течение 15 мин после 17 ч ( В ) и после 24 ч ( С ) набухания, а также после длительной обработки в течение вторых суток набухания ( Б ) семян пшеницы сорта «Инна» с 50% всхожестью.
значений длин проростков (р<<0,01). Эффект ЭМП обработки после 24 ч заметно меньше, причем здесь отмечено и более широкое распределение длин проростков, по-видимому, связанное с гетерогенностью семян, отличающихся по временам своего прорастания. Вместе
5
0
5
0
с тем ЭМП обработка в течение вторых суток набухания, когда уже наблюдается рост корней и проростков, начинающийся с растяжения клеток и их деления, демонстрирует не менее отчетливый эффект торможения ростовых процессов. Сравнение с данными контроля в одних и тех же сериях измерений показывает, что здесь средние значения длин проростков составляет лишь 15,04±0,62 отн. ед., тогда как в контроле имеем 19,42±0,59 отн. ед. Различие между этими величинами статистически значимо (р<<0,01).
Таким образом обработка семян пшеницы ЭМП сверхнизкой частоты приводит к резко отличным эффектам на разных стадиях их набухания и реализации генетической программы прорастания семян. В запуске и в реализации этой программы несомненно участвуют различные белки, последовательно высвобождаемые из связанного состояния и вступающие во взаимодействие с различными участками РНК и ДНК в ходе процесса набухания. В такие интервалы времени данные белки, по-видимому, становятся чувствительными к ЭМП обработке. Результатом подобных воздействий как раз и являются наблюдаемые эффекты стимуляции роста после ЭМП обработки. При этом воздействие поля на стадии начала формирования корней приводит к увеличению числа семян с корнями примерно на одну четверть, что, в свою очередь, стимулирует рост проростков, длина которых увеличивается на 40% по отношению к контролю. Данные эффекты проявляются заметно слабее на более поздней стадии, когда, по-видимому, начинается процесс формирования проростков. Здесь ЭМП обработка практически влияет только на число семян с проростками и на некоторое увеличение их средней длины, причем здесь отмечается более широкий разброс данных, по-видимому, связанный с гетерогенностью образцов семян, заметно отличающихся по всхожести и временам прорастания.
Наконец, следует выделить и отчетливо выраженный эффект торможения роста проростков при длительном воздействии ЭМП на еще более поздней стадии прорастания семян. Здесь уже происходит активный рост корней и проростков, который начинается с растяжения клеток и их последующего деления, причем в процессе деления происходит как сборка, так и разборка различных надмолекулярных структур, например, микротрубочек [14]. Наблюдаемый эффект торможения роста проростков при длительной ЭМП обработке семян на этой стадии дает основания считать, что эффекты ЭМП на процессы высвобождения и связывания разных структур отличаются по своей направленности. В целом это приводит не к стимулирующему, а к ингибирующему воздействию ЭМП на прорастание семян пшеницы.
ОБСУЖДЕНИЕ
Прежде всего следует остановиться на достоверности наблюдаемых эффектов ЭМП сверхнизкой частоты, в которых, как было показано, решающую роль играет воздействие именно электромагнитного поля, и в заметно меньшей степени вибрации. На достоверность эффектов ЭМП указывают не только значительные различия между данными опыта и контроля, отчетливо выходящие за пределы ошибок измерений, но и согласующийся с типом биологических процессов различный характер эффектов ЭМП на разных стадиях набухания и прорастания семян пшеницы. Это относится к разной чувствительности семян к ЭМП в ходе их набухания, к наличию эффектов как стимуляции, так и торможения биологических процессов, соответствующих их особенностям на разных стадиях прорастания, к качественному различию кинетики выхода продуктов реакции в контроле и в опыте после ЭМП обработки и т.д.. Наконец, все наблюдаемые виды эффектов ЭМП сверхнизкой частоты, по крайней мере не противоречат друг другу, а также предложенному нами механизму воздействия ЭМП на живые системы и не требуют для своего объяснения каких-либо дополнительных предположений.
Полученные данные показывают, что ЭМП обработка стимулирует активацию ферментов эстераз именно на той стадии, когда в ходе набухания семян в клетках достигнута высокая оводненность и там создаются близкие к равновесным условия между связанным и
свободным состояниями определенных белков. В результате на данной стадии происходит высвобождение ферментов эстераз и здесь даже слабое ЭМП воздействие, усиленное нелинейными эффектами, может стимулировать подобный процесс. Связь активации эстераз с их высвобождением из связанного состояния согласуется и с данными по высокой скорости гидролиза ФДА на начальной стадии набухания старых семян (Рис. 1Б), когда с поступлением воды происходит выход эстераз из поврежденных клеток в межклеточное пространство. С эффектами высвобождения эстераз, по-видимому, связано и появление нового пика их активности в старых семенах со сдвигом на 10-12 ч по сравнению с семенами с высокой всхожестью, так как формирование равновесных условий в клетках старых семян должно происходить с запаздыванием, лишь после прохождения восстановительных процессов. Следует отметить и тот факт, что в семенах с промежуточным значением всхожести максимум выхода ФЛ наблюдается также в промежуточном интервале времени набухания (Рис. 2) по сравнению с вышеупомянутыми видами семян. Косвенно с эффектами высвобождения белков, по-видимому, связано и изменение проницаемости мембранных структур после ЭМП обработки на тех же или более поздних стадиях набухания. На этой основе объяснимо и замедление выхода ФЛ из клеток со временем после ЭМП обработки, хотя по данным измерений рН у зародыша, скорее следовало ожидать роста выхода ФЛ из-за дополнительного закисления внутренней среды семян [20], наблюдаемого с определенным запаздыванием после ЭМП воздействия (Таблица 1). С эффектами уменьшения проницаемости мембран и восстановления барьерной функции поврежденных мембран в старых семенах после ЭМП обработки связано и падение выхода из них других веществ, которые могла бы использовать микрофлора. Это может объяснить также эффект ЭМП по заметному повышению всхожести старых семян [22], которая в значительной степени зависит от состояния мембранных структур [23-25]. Сам же механизм влияния ЭМП на барьерную функцию мембран за счет стимуляции высвобождения белков и возможно сложных надмолекулярных структур по существу аналогичен эффекту повышения вязкости цитоплазмы. Подобное повышение вязкости наблюдают, в частности, после повреждения мембран при введении в клетку микроэлектрода, а с ним, в свою очередь, связывают залечивание возникших повреждений [15.16]. Следует отметить, что воздействие ЭМП на барьерную функцию мембран происходит именно на той стадии, когда в клетках сформированы близкие к равновесным условия и после ЭМП обработки наблюдается увеличение выхода ФЛ с последующим его замедлением со временем.
Кроме того, на основе эффектов стимуляции высвобождения белков могут быть объяснены и результаты влияния ЭМП обработки на число семян с корнями и с проростками, а также на длину проростков при ее применении на соответствующих стадиях набухания семян. Хотя точное время начала таких процессов неизвестно, так как регистрируют лишь более их поздние стадии, связанные с появлением уже сформированных корней и проростков из семян, тем не менее очевидно, что каждый из процессов начинается заметно раньше и что в них принимают участие определенные белки, исходно присутствующие в семенах в связанном состоянии. В ходе процесса набухания они высвобождаются из такого состояния и в это время, по-видимому, становятся чувствительными к ЭМП обработке, причем различным временам набухания соответствуют и разные эффекты стимуляции роста корней либо проростков после ЭМП обработки. Наряду с ними, по-видимому, высвобождаются и другие структуры, влияющие на восстановление барьерной функции мембран, что в целом при воздействии на стадии формирования корней приводит к увеличению числа семян с корнями примерно на одну четверть А рост корней стимулирует и процесс роста проростков из семян с увеличением их длины на 40% по сравнению с данными измерений в контроле. Эффекты ЭМП обработки проявляются заметно слабее при ее воздействии на более поздней стадии, когда, по-видимому, начинается процесс формирования проростков. Здесь ЭМП обработка практически влияет только на число семян с проростками и на некоторый прирост их средней длины, причем в этом случае
отмечается более широкий разброс данных, по-видимому, связанный с гетерогенностью образцов семян, отличных по всхожести и времени начала прорастания. Последнее может объяснить и некоторый, хотя и статистически недостоверный прирост числа семян с корнями при ЭМП обработке на этой стадии.
Предлагаемый механизм влияния ЭМП обработки лежит в основе и отчетливо выраженного эффекта торможения роста проростков в ходе длительного воздействия ЭМП на еще более поздней стадии - в течение вторых суток прорастания семян. Здесь ЭМП практически не влияет на число семян с проростками и с корнями, поскольку на этой стадии начальные процессы уже запущены и происходит активный рост тех и других. Известно, что процессы деления клеток в ходе роста включают несколько стадий, при которых происходит как сборка, так и разборка различных надмолекулярных структур, например, микротрубочек [14]. Наблюдаемый эффект торможения роста проростков при длительной ЭМП обработке семян на данной стадии прорастания позволяет считать, что влияние ЭМП на процессы сборки и разборки различных надмолекулярных структур, по-видимому, отличаются по своей направленности. В целом это может привести к нарушению синхронности прохождения процесса деления, результатом которого является не стимулирующее, а ингибирующее воздействие ЭМП на прорастание семян пшеницы.
С предлагаемым механизмом влияния ЭМП на биологические процессы согласуется и еще один эффект - отчетливо выраженное ускорение изменений рН вблизи поверхности зародыша, а затем и в объеме в целом после такого воздействия. Данный процесс выявляется спустя несколько часов после ЭМП обработки и на более поздних стадиях набухания по сравнению с активацией эстераз. Подобное запаздывание может быть связано с особенностями развития процесса изменения рН, где проявляется суммарная реакция ряда клеток в разном исходном состоянии. На него может влиять и возможное использование ресурсов клеточных стенок, имеющих кислую среду, а также воздействие со стороны щитка [19]. Все это приводит к заметному разбросу данных для разных семян, особенно на сравнительно ранних стадиях набухания. Тем не менее и в данном случае процессы изменения рН происходят лишь после того, когда в клетках успели сформироваться равновесные условия и они становятся чувствительными к слабым ЭМП воздействиям.
Наконец, следует отметить, что полученные данные по эффектам ЭМП обработки в семенах пшеницы важны не только для понимания механизмов воздействия ЭМП на живые системы. Они могут найти применение также для изучения молекулярных и физико-химических механизмов запуска процессов прорастания на тех стадиях, когда еще не регистрируются внешние признаки их прохождения.
Наши данные о зависимости биологических эффектов от создания внутри клетки квазиравновесных условий находятся в соответствии с результатами других авторов. Эти результаты подтверждают, что биологические эффекты ЭМП сверхнизких частот чувствительны к метаболическому состоянию клетки [26,27]. Смещение баланса внутри клетки в том или ином направлении приводит к повышению или к снижению чувствительности процессов к воздействию ЭМП.
Таким образом полученные нами экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с предполагаемыми механизмами воздействия низкочастотного ЭМП на биологические процессы. При этом весьма слабое в каждой точке внешнее воздействие проявляется практически во всем объеме клетки, но его эффекты в конечном счете, по-видимому, локализуются в значительно более узком примембранном слое и дополнительно усиливаются за счет различных нелинейных явлений. В результате там происходит изменение ионной силы и рН с последующим высвобождением или связыванием иммобилизованных на мембранах белков, что влияет на ход метаболических процессов. На основе данного физико-химического механизма удается объяснить также парадоксальную зависимость ЭМП эффектов в организмах, включая их чувствительность к геомагнитным и космофизическим флуктуациям. Этот механизм создает основу также для интерпретации
биологических эффектов ЭМП промышленных частот. Такие эффекты наблюдаются при напряженностях поля на три порядка более высоких по сравнению с геомагнитными флуктуациями [4], в соответствии с отношением частот данных ЭМП. Следовательно, нетепловые биологические эффекты ЭМП сверхнизких частот не имеют прямой связи с энергией ЭМП, которая может отличаться на несколько порядков величины на различных частотах. Предлагаемый механизм создает подход и для интерпретации как стимулирующих, так и ингибирующих эффектов ЭМП сверхнизких частот. Ингибирующие эффекты могут быть результатом десинхронизации сложных многоступенчатых процессов, особенно в случае длительного ЭМП воздействия, которая может быть вызвана противоположно направленными эффектами на разных стадиях такого процесса.
Данный механизм не исключает существования и иных эффектов ЭМП, особенно в других более высокочастотных диапазонах.
Работа поддержана Министерством науки России.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пресман А.С. Электромагнитные поля и жизнь. М., Наука, 1968
2. Владимирский Б.М., Сидякин В.Г., Темурянц Н.А., Макеев В.В., Самохвалов В.П. Космос и биологические ритмы, Гелиоритм, Симферополь, 1996
3. Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь, М., Мысль, 1976
4. Blank M. (Ed), Electricity and Magnetism in Biology and Medicine, San Francisco Univ. Press, San Francisco, CA, 1993
5. Gapeev A.B., Yakushina v.S., Chemeris N.K., Fesenko E.E. Modification of production of reactive oxygen species in mouse peritoneal neutrofils on exposure to low-intensity modulated millimeter wave radiation. Bioelectrochem.Bioenerg. 46,267-272,1998
6. Warnke U. Survey of some working mechanisms of pulsating electromagnetic fields. Bioelectrochem. Bioenerg. 27,317-325,1992
7. Liu D.S., Astumian R.D., Tsong T.Y. Activation of a and K pumping modes of (Na,K) ATPase by an oscillating electric field. J. Biol. Chem. 265,7260-7267,1990
8. Moelwyn-Hughes E.A. Physical Chemistry, Pergamon Press, London, New York, Paris, 1961
9. Riznichenko G.Yu., Plusnina T.Yu., Aksyonov S.I., Modelling of the effect of a weak electric field on a nonlinear transmembrane ion transfer system. Bioelectrochem. Bioenerg. 35,39-47,1994
10. Аксенов С.И. Роль воды в процессах функционирования функционирования биологических структур и в их регулировании. Биофизика 30,220-223,1985
11. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., Наука, 1990
12. Фридрих П. Ферменты: четвертичная структура и надмолекулярные комплексы. М., Мир, 1986
13. Nuccitelli К., Heiple J.M., Summary of the evidence and discussion concerning the involvement of pH in the control of cellular functions, In Intracellular pH: Its Measurement, Regulation and Utilization in Cellular Control, R.Nuccitelli, D.W. Deamer (Eds), Allen R.Liss, New York, 1982, pp 567-586
14. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М., Мир. т. 4, 1987
15. Гейльбрун Л. Динамика живой протоплазмы. М., ИИЛ, 1957
16. Александров В .Я. Реактивность клеток и белки. Л., Наука. 1985
17. Логинов В. А. Изменение заряда эритроцитарной мембраны при обработке импульсным магнитным полем. Биофизика 36,614-620,1991
18. Aksyonov S.I., Knox P.P, Kononenko A. A., Chamorovsky S.K., Rubin A.B. Mechanisms of hydration effects on the structural- dynamic and functional characteristics of photosynthetic membranes in various purple bacteria. Eur. Biophys. J. 26,461-470,1997
19. Bewley J.D.,Black M. Physiology and Biochemistry of Seeds in Relation to Germination. Vol. 1. Development, Germination and Growth, Springer Verlag, New York, Berlin, 1978.
20. Rotman B., Papermaster B.W. Membrane properties of living mammalian cells as studied by enzymatic hydrolisis of fluorogenic agents. Proc. Nath. Acad. Sci. USA 55,134-141,1966
21.Remish D., Bulychev A.A., Kurella G.A. The electrical and chemical components of the protonmotive force in chloroplast as measured with capillary and pH-sensitive microelectrodes, Biochim. Biophys. Acta 852,68-73,1986
22. Аксенов С.И., Булычев А.А., Грунина Т.Ю., Туровецкий В.Б. Механизмы воздействия низкочастотного магнитного поля на начальные стадии прорастания семян пшеницы. Биофизика 41,931-937,1996
23. Hoekstra F.A., Crowe J.H., Crowe L.M. Membrane behavior in drought and its physiological significance, In: Recent Advance in the Development and Germination of Seeds. Ed. Taylorson R.V., Plenum Press, N.Y., 1989, p. 77-88
24. Smirnov A.I., Golovina H.A., Yakimchenko O.E., Aksyonov S.I., Lebedev Ya.S. In vivo seed investigation by electron paramagnetic resonance spin probe technique. J. Plant Physiol. 140,447452,1992
25. Golovina E.A., Tikhonov A.N. The structural difference between the embryos of viable and non-viable wheat seeds as studied with the EPR spectroscopy of lipid-soluble spin lable. Biochim. Biophys. Acta 1190,385-392,1994
26. Walleczek J., Liburdy R.P. Nonthermal 60 Hz sinusoidal magnetic field exposure enhances Ca uptake in rat thymocytes. Dependence on nitrogen activation. FEBS Letters 271,157-160,1990
27. Tiunistra R., Goodman E.M., Greenbaum B. Protein kinase C activity in HL60 cells following exposure to magnetic fields and phorbol ester. Bioelectromagnetics 19,469-476, 1998
