CC BY
9
УДК 004.9:61
Н.В. ТИТОВА
Нащональний транспортний ушверситет
В О. НОВ1КОВ
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
М.В. БАЧИНСЬКИЙ
Тернопiльський нацiональний технiчний ушверситет iменi 1вана Пулюя
С.М. ГОРБАТЮК
Вiнницький нацiональний медичний унiверситет iменi М.1. Пирогова
ОСОБЛИВОСТ1 ВПЛИВУ ЛАЗЕРНОГО ТА ОПТИЧНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ НА Г1ДРОБ1ОНТИ
Стаття присвячена питанням впливу лазерного та оптичного випромтювання на ггдробюнти. Розглянуто основт фактори, що визначають бюлоггчний характер дИ лазерного випромгнювання на бюоб'ект. Шдтверджено, що найбшьший позитивний ефект дае використання низькоттенсивного лазерного випромгнювання. Наведено характеристики лазерного та оптичного випромтювань; результати дослгджень, пов 'язаних 1з впливом зазначених випромтювань на бюоб 'екти взагалг, I в т. ч. на ггдробюнти. Структура фотобгологгчного процесу представлена двома станами I амома стадгями. В1дзначено, що I лазерне, I оптичне випромгнювання е проявом тформацшноЧ природи, що пояснюе багато ефектгв, як ратше не отримували адекватного обгрунтування.
Ключевые слова: бюоб'ект, лазер, оптичне випромтювання, лазерне випромгнювання, експозицгя, мехашзм ди, фотобгологгчний процес, фотох1м1чна реакцгя, розствання, вгдбиття, фото продукт, бюхгмгчна реакцгя.
Н.В. ТИТОВА
Национальный транспортный университет
В.А. НОВИКОВ
Херсонский национальный технический университет
М.В. БАЧИНСКИЙ
Тернопольский национальный технический университет им. И. Пулюя
С.М. ГОРБАТЮК
Винницкий национальный медицинский университет имени Н.И. Пирогова
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО И ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ГИДРОБИОНТЫ
Статья посвящена вопросам влияния лазерного и оптического излучения на гидробионты. Рассмотрены основные факторы, определяющие биологический характер действия лазерного излучения на биообъект. Подтверждено, что наибольший положительный эффект дает использование низкоинтенсивного лазерного излучения. Приведены характеристики лазерного и оптического излучения; результаты исследований, связанных с влиянием указанных излучений на биообъекты вообще, и в т.ч. на гидробионты. Структура фотобиологического процесса представлена двумя состояниями и семью стадиями. Отмечено, что и лазерное и оптическое излучение является проявлением информационной природы, объясняет многие эффекты, которые ранее не получали адекватного обоснования.
КлючовI слова: биообъект, лазер, оптическое излучение, лазерное излучение, экспозиция, механизм действия, фотобиологические процесс, фотохимическая реакция, рассеяния, отражения, фото продукт, биохимическая реакция.
N.V. TITOVA
National Transport University of Ukraine
V.A. NOVIKOV
Kherson National Technical University
M.V. BACHYNS'KYY
Ternopil Ivan Pul'uj National Technical University
S.M. HORBATYUK
National Pirogov Memorial Medical University
FEATURES INFLUENCE AND LASER OPTICALON RADIATION HYDROBYONT
The article is devoted to the influence of laser and optical radiation on aquatic organisms. The main factors that determine the nature of the biological action of laser radiation on biological object. It is confirmed that the greatest positive effect is the use of low-intensity laser radiation. The characteristics of the laser and optical radiation; the results of studies related to the effect of radiation on biological objects mentioned at all, and including on aquatic organisms. The structure of the photobiological process is represented by two states and seven stages. It is noted that both laser and optical radiation is a manifestation of the nature of information, explains the many effects that previously had not received an adequate justification.
Keywords: biological object, optical radiation, laser radiation exposure, mechanism of action, biological processes, photochemical reactions, scattering, reflection, photo product, biochemical reactions range.
Постановка проблеми
Використання оптико-електронних та лазерних ceHCopiB у бюлоги та медицин може здшснюватися в шлькох напрямках, одним з яких е розробка на гх основi нових оптико-електронних та лазерних технологш для виявлення, iдентифiкацií, дослвдження i будови бiологiчних об'ектiв, а також, для вивчення природи процеав, що вiдбуваються в них [1].
Застосування оптико-електронних та лазерних сенсорiв у бiологií i медицинi засновано на використант широкого кола явищ, пов'язаних iз рiзноманiтними проявами взаемоди свiтла з бiологiчними об'ектами. Оптичне випромiнювання, так само як i звичайне свiтло, може вiдбиватися, поглинатися, розсшватися, перевипромiнюватися бiологiчним середовищем, i кожний iз таких процесiв несе шформацш про мiкро- i макроструктуру цього середовища, рух i форму окремих його складових. Червоне, шфрачервоне (1Ч) та ультрафiолетове (УФ) свило можуть виконувати фотобiохiмiчну дiю. Прикладами цього е фотосинтез рослин i бактерш, а також механiзм зору. Високоштенсивне свiтлове випромiнювання ультрафiолетового, видимого червоного та шфрачервоного дiапазонiв довжин хвиль робить руйнiвну (деструктивну) дш на бiологiчнi об'екти [1].
Таким чином, процеси, що характеризують види взаемодiй оптичного випромiнювання з бюоб'ектами, можна роздiлити на три групи. До першоГ ввдносять усi неспотворючi взаемодií (принаймнi, у межах похибок вимiрювань, що не здiйснюють помггаог' дií на бiооб'ект), до другого - процеси, у яких виявляеться фотохiмiчна дiя, i до третього - процеси, що призводять до фотодеструкцп.
Оск1льки ми маемо справу з живими об'ектами, то ^м фiзико-хiмiчних проявiв дií оптичного випромшювання, необхiдно враховувати його вплив i на процес функцiонування живо1' матери. Цей вплив визначаеться ступенем гомеостазу живого об'екта [2].
AH^i3 останшх досл1джень i публiкацiй
Ступiнь гомеостазу характеризуе стани i процеси, що забезпечують стабiльнiсть органiзму до зовшшшх втручань, вiн е функцiею еволюцшного розвитку i виявляеться найнижчим у бюлопчних молекул i найвищим в хребетних тварин.
Свiтло мало1' iнтенсивностi не запускае адаптацiйнi механiзми бiосистеми, з ростом штенсивносп спочатку це стосуеться гомеостазу живо1' системи на локальному рiвнi, потiм включаються загальнi адаптацшш i регуляцiйнi механiзми системи, що повшстю и ввдновлюють, дал1 вони вже не справляються з повним вщновленням i частково вiдбуваються незворотш процеси, що зростають i призводять до руйнацш у системi. Проте об'ект можна ще вважати «живим», але при високих штенсивностях, руйнаци виявляються настiльки значними, шо об'ект уже не може вважатися «живим» [2].
У дослвдах по порiвнянню поглинання червоного випромiнювання з рiзними фiзичними властивостями було встановлено, що просторова когерентнiсть не впливае на поглинання, а поляризоване випромшювання поглинаеться менш активно шж неполяризоване. Встановлено також, що розсшвання видимого свила при проходженнi його через бютканину значно перевищуе поглинання. Це означае, що лазерне свило мае досить високу здатнiсть проникнення в тканини.
На рис 1. представлено структуру факторiв, що визначають бiологiчний характер до лазерного випромiнювання на бюоб'екти [4]. В той же час бюлопчна дiя оптичного випромiнювання
характеризуеться додатково такими показниками: глибина проникнення, енерпя кванта, характер випромшювання (неперервний, 1мпульсний, комбшований), площа опромшення, щшьтстъ впливу променю, енерпя вщбиття, енерпя розсшвання тощо.
Формулювання мети дослiдження Анал1з лиературних джерел виявив, що вплив лазерного та оптичного випромшювання р1знопланово впливае на бюоб'екти. При плануванш розвитку пдробюнпв необхвдно ретельно проанал1зувати особливосп впливу р1зного роду випром1нювань на об'ект дослщження.
Метою роботи е анатз сукупносп взаемопов'язаних фактор1в випром1нювання на пдробюнпв.
Частота 1мпульс1в
Довжина 1мпульсу
Неоднорвдшсть розподшу енерги в перер1з1 променю
Енерпя випром1нювання в 1мпульс1
Рис. 1. Структура фактор1в лазерного випромшювання
Викладення основного матер1алу дослщження
Вплив лазерного та оптичного випром1нювання можна ощнювати за дозою експозици, яка визначаеться таким чином:
Д=Рсеред:Т, або Д=Ршп..Е-1Г, (1)
де Д - доза експозици;
Рсеред - середня потужнють низькоштенсивного лазерного випром1нювання (Н1ЛВ);
Р1мп - потужнють 1мпульса, Вт; Т - час експозици, с;
I - довжина 1мпульса, с; Б - частота 1мпульс1в, Гц [4].
Н1ЛВ мае стимулюючий ефект, який суттево залежить в1д поляризаци та штенсивносп випромшювання, часу 1 режим1в (безперервний, 1мпульсний, комбшований) впливу.
В той же час стутнь когерентносп випромшювання особливо! рол1 не вщграе, що дозволяе рахувати практично однаковими випромшювання свгглодюдного джерела 1 лазерного дюда, яш мають близью довжини хвиль. Це тдтверджено результатами дослщження комбшовано! ди свилодюдного (Х=450±15мм, синш спектр; Х=630±10мм, червоний спектр) 1 лазерного (Х=808мм, 1Ч спектр) джерел випромшювання, коли було встановлено, що найб1льш виражений синерпзм мав мюце при послвдовнш ди синього 1 червоного спектр1в. В той же час, зворотна послвдовшсть ефекту не дае [5].
При дослщженш впливу червоного 1 зеленого лазерних промешв на мотиля у водному середовищ1, було отримано приблизно однаковий ефект, але при цьому 1 червоний, 1 зелений промеш шдвищували температуру води, що сввдчило про те, що основний мехашзм ди лазерних промешв -тепловий. Також було встановлено, що червоний промшь „рознр1вае" воду в 4-5 раз1в сильшше, шж зелений [6].
Виб1ркова д1я свила, яка е найважлившою рисою фотобюлогп, полягае в ттм, що змшюючи довжину хвил можна виб1рково збуджувати 1 фотох1м1чно модиф1кувати р1зш бюмолекули. Це дозволяе зробити висновок, що для оцшки бюлопчно! ефективносп до свила обов'язково необхвдш шльшсш характеристики, 1 перш за все, - квантового виходу фотох1м1чно! реакци 1 спектра до [7].
Бюлопчн1 властивосп тканини
Час експозици
Функцю нальш особливосп тканини, що опром1нюеться
Бюлопчно значим1 змши тканин (структурш, функцюнальш, бюлопчш)
\
Доза, що поглинаеться
\
Довжина хвил1
Оптичш властивосп тканини
В [7] запропоновано квантовий вихщ фотохiмiчноl реакци визначати як сшввщношення
. N
3 = Т7' (2)
M
де N - кшьшсть пошкоджених молекул, М - кшьшсть кванпв, яш поглинуто.
Таким чином, як показано в [8], фотобюлопчш процеси проходять в два етапи: фiзичний - коли ввдбуваеться взаeмодiя хвилi свила з молекулами бiооб'eкта i бюлопчний - який фактично е реакщею ввдгуку бiооб'екта на дiю свила.
В свою чергу, зазначенi етапи передбачають дек1лька стадiй фотобiологiчного процесу [8]:
- поглинання кванту свила;
- внутршньомолекулярш процеси розмiну енергш (фотофiзичнi процеси;
- мiжмолекулярнi процеси переносу енергп збудженого стану;
- первинний фотохiмiчний акт;
- тепловi реакцп, що зак1нчуються утворенням стабшьних фотопродуктiв;
- бiохiмiчнi реакцп за учасп фотопродуктiв;
- загальнофiзiологiчний ввдгук на дш свiтла.
Якщо узагальнити всi аспекти взаемодп лазерного та оптичного випромiнювання, можна побачити, що одним з чиннишв, як1 визначають функцiональний стан органiзму та рiвень його фiзiологiчноl адаптацп, е регуляторний вплив електромагнiтного випромiнювання оптичного дiапазону[9]. Це пiдтверджуе тезу про те, що в бюлопчних тканинах тд дiею ЕМВ реалiзуються рiзноманiтнi фiзичнi ефекти, пов'язанi з поляризацiею, провщшстю бiоструктур, генерацiею власного ЕМП в т.ч. i на клiтинному рiвнi.
В роботi [10] показано ще одну властивють лазерного випромiнювання в червонш або iнфрачервонiй областях, яка полягае в симетричному дiленнi клиин ембрiона, що розвиваеться в окремш iкринцi i саме така симетрiя сприяе бiльш рiвномiрному росту ембрюшв по всiх напрямках. В результата на свiт з'являються крупн1, рiвнi i симетричнi передл1чинки, а дiя гел1й-неонового лазеру розглядаеться як своерщний iнформацiйний сигнал для гiдробiонтiв. Шдтвердженням шформацшно1 природи впливiв е те, що бюлопчш ефекти, як1 зумовлеш ними, залежать вже не ввд величини енергп, а вiд И шформацшного змiсту (ампл1туди, частоти, довжини, поляризацп, щiльностi потужностi тощо) i стану самого бiооб'екту [11,12].
Висновки
Таким чином, при формуваннi програм i виборi режимiв опромiнювання пдробюнпв, необх1дно враховувати сукупнiсть взаемопов'язаних факторiв, що характеризують дш такого опромiнювання:
1. Бiологiчних - бiологiчнi та оптичш властивостi i функцiональнi особливосп тканин, якi опромiнюються.
2. Енергетичних - iнтенсивнiсть i щiльнiсть до променя i викликана нею неоднорiднiсть розподiлу енерги в перерiзi променя, енерпя випромiнювання в iмпульсi, енергп ввдбиття i розсшвання.
3. Фiзичних - просторово! когерентностi i поляризаци випромiнювання, показник1в вiдбиття, розс1ювання i поглинання;
4. Експлуатацiйних - частота, довжина i потужнiсть iмпульсiв, режим i площа опромiнювання, час експозици i доза, яка поглинаеться.
Список використаноТ лiтератури
1. Медицинская лазерология / Ф. В. Баллюзек, М. Ф.Баллюзек, Ю. Д. Березин и др. - Спб: НПО «Мир и семья-95», ООО «Интерлайн». - 2000. - 168 с. - ISBN: 92-1-200050-9 978-92-1-200050-3.
2. Владимиров Ю. А. Физико-химические основы фотобиологических процессов: учебное пособие для мед. и биол. спец. Вузов / Ю. А. Владимиров, А. Я. Потапенко. - М.: Высшая школа, 1989. -199 с.
3. Электромагнитные поля и излучения // Безопасность жизнедеятельности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://studopedia.org/6-95287.html.
4. Крутик С.Ю. Особенности роста, развития и резистентности гидробионтов под воздействием низкоинтенсивного когерентного инфракрасного излучения: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. биологических наук. Специальность 03.00.18 - Гидробиология / Крутик Сергей Юрьевич ; МГУТУ. - М. - 2006. - 24 с.
5. Барулин Н. В. Развитие молоди рыб под влиянием оптического излучения низкой интенсивности различной длины волны / Н. В. Барулин, В. Ю. Плавский / Сахаровские чтения 2011 года: экологический проблемы ХХ1 века: материалы 11-й международной конференции, 1920 мая 2011 г., г. Минск. - Минск : МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2011. - С. 127.
6. Влияние красного и зеленого лучей на живые организмы // Информационный портал HintFox [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hintfox.com/article/vliianiia-lazernih-lYchei-na-zhivie-organizmi.html.
7. Потапенко В. Я. Действие света на человека и животных / В. Я. Потапенко // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 10. - С. 13-21.
8. Коробов А. М.Фототерапевтические аппараты Коробова серии «Барва»: техн. характеристики и метод. рекомендации. 2-е изд. // А. М. Коробов. В. А, Коробов, Т. А. Лесная. - изд. Второе, . -Харьков: ИПП «Контраст», 2008. - 176 с. - ISBN 966-88553-1-3.
9. Даниловских М.Г. Обоснование стимуляции биологических систем оптическим излучением нетепловой интенсивности в сельском хозяйстве / М. Г. Даниловских, Л. И. Винник // Сельское, лесное и водное хозяйство. - 2012. - № 12 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://agro.snauka.ru/2012/12/788. - ISSN 2226-213X.
10. Попова Э. К. Зачем рыбке лазер? / Э. К. Попова // Химия и жизнь. - 2006. - № 7. - С.54-59.
11. Фiзичнi основи бюмедично! оптики : монограф!я / С. В. Павлов, В. П. Кожем'яко, П. Ф. Колюник та ш. - Вшниця: ВНТУ, 2010. - 152с. - ISBN 978-966-641-383-6.
12. Фотоплетизмографiчнi технологи контролю серцево-судинно! системи [Монографiя] / С. В. Павлов, В. П. Кожем'яко, В. Г. Петрук, П. Ф. Колюник - Вшниця: УШВЕРСУМ-Вшниця, 2007. - 254с. - ISBN 978-966-641-211-2.
