CC BY
71
ИНФОРМАЦИОННЫЕ
УДК528.811 (1-021)
ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ НИЗКОИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ НА СЕМЕНА РАСТЕНИЙ И КОРИНЕБАКТЕРИИ
КОВАЛЕНКО О.И., КИВВА Ф.В., КАЛИНИЧЕНКО С.В.
Рассматриваются возможности модификации биологической активности исследуемых объектов и отличия биологического отклика в зависимости от их исходного состояния. Описываются особенности воздействия ЭМП в дискретных полосах КВЧ-диапазона и широкополосными шумовыми сигналами, а также зависимость эффективности воздействия от общей энергетической нагрузки. Показывается возможность частично восстанавливать утраченные свойства БО посредством ЭМП.
Введение
В течение 2003-2006 гг. проведены радиофизические исследования влияния широкополосных электромагнитных полей (ЭМП) низкой интенсивности на биологические объекты (БО) разных классов (семена растений и микроорганизмы) в зависимости от их исходного состояния. Облучение БО проводилось в дискретных полосах крайневысокочастотного диапазона (КВЧ) прямошумовым сигналом, в сверхвысокочастотном (СВЧ) и КВЧ диапазонах с равномерным спектром, а также фрактальным шумовым сигналом, применяемым в информационно-волновой терапии (ИВТ). Для контролируемого изменения исходных показателей семена растений подвергались тепловому воздействию, а штаммы бактерий - ультрафиолетовому облучению (УФО).
В настоящее время не вызывает сомнения факт влияния внешних ЭМП низкой интенсивности на возникновение, эволюционное развитие, адаптацию и существование живого на Земле [1, 2].
Особый интерес представляет внешнее воздействие на БО низкоинтенсивного излучения в дискретных полосах КВЧ-диапазона и широкополосных шумовых сигналов, которые связанны с резонансами биомакромолекул и их отдельных составляющих [3-5]. Предполагается, что в процессе эволюции БО использовали КВЧ диапазон для внутренней регуляции. Это объясняется тем, что рассматриваемое излучение,
продуцируемое в основном Солнцем, частично рассеивается и поглощается атмосферой, в том числе кислородом, озоном, водяным паром.
Впервые на возможность такого синергизма обратила внимание группа российских учёных во главе с Де-вятковым Н.Д. [7]. Предложенная модель рассматривает механизмы тр ансформации на мембр анах клеток электромагнитных колебаний в акустические, обладающие более высокой проникающей способностью вглубь тканей и, как следствие, влияющие на внутренние регуляторные, в том числе ферментативные реакции, на состояние клетки in vitro и органов в целом.
В работах Г. Фрьолиха [6] это предположение получило теоретическое подтверждение , суть которого сводится к тому, что отдельные участки плазматической мембраны и вся мембрана живой клетки находятся в естественном возбужденном колебательном состоянии в КВЧ-диапазоне. Есть основания считать, что когерентные колебания по Фрьолиху и акустоэлектрические колебания в плазматических мембранах клетки - связанные физические явления, а соотношения между когерентностью и некогерентностью -адаптационный резерв БО [8].
Интенсивность электромагнитных колебаний, которые излучаются электрическими диполями плазматической мембраны клетки, равняется приблизительно 10-23 Вт в узкой полосе частот. Исходя из гипотезы “управление функциями” для живых клеток, такая низкая интенсивность является значимой величиной, поэтому предполагается, что клетки должны быть, согласно принципу взаимности, чувствительными к внешним излучениям с мощностью такой же величины [9].
В ряде случаев эффект действия внешних излучений нетепловой интенсивности на БО определяется тем, что эти излучения имитируют собственные информационные (управляющие) сигналы, вырабатываемые организмом в период, когда происходит нарушение условий их нормального функционирования. Поэтому интерес представляют исследования возможности посредством воздействия ЭМП восстанавливать утраченные свойства БО.
Согласно предположениям, высказанным Ю.В.Го-товским [10], помимо специфических особенностей внешнего воздействующего фактора, реакция организма определяется его индивидуальными осо бенно-стями. Если система работает на уровне максимума своих возможностей, то дальнейшая стимуляция снижает этот уровень и, напротив, если исходный уровень функционирования низкий - дополнительная стимуляция может повысить его. В законченной форме эти эмпирические соображения были обобщены и сформулированы в виде «правила исходного уровня» и экспериментально подтверждены С.М. Лейтесом (правила «Вильдера-Лейтеса») [11, 12]. Это в полной мере относится к адаптационным реакциям, типология которых во многом зависит от соотношения интенсив-
РИ, 2007, № 2
111
ности действующего фактора и порога чувствительности к нему [13].
Роль гомеостаза в формировании реакции организма на внешнее воздействие в рамках «правила исходного уровня» рассмотрена Г.Дришелем [14], Дж. Виль-дером и др. [15, 16]. Из него следует, что отклонение организма от состояния равновесия приводит в действие механизмы, направленные на возвращение к исходному уровню, причём этот процесс, как правило, является колебательным [10]. Таким образом, важно учитывать, что эффективность электромагнитных воздействий зависит от исходного уровня организма и направлена на поддержание функции гомеостаза.
Согласно литературным данным, электромагнитное излучение оказывает различное влияние на показатели биологической активности исследуемых объектов. Например, наблюдаются изменения устойчивости семян растений к неблагоприятным факторам, модификация их всхожести и скорости роста корневой системы и стеблей. Чувствительными к ЭМП являются микробные культуры. Отмечаются изменения скорости роста бактерий, их генетических характеристик, биохимической активности, показателей адгезии, степени проявления токсигенных свойств и др. [17, 18].
Учитывая, что исследования влияния ЭМП в КВЧ-диапазоне проводились только с непатогенными или условно-патогенными для человека микроорганизмами, актуальным является изучить влияния ЭМП на патогенные микроорганизмы, которые способны провоцировать инфекционные заболевания, в частности, дифтерию [19, 20].
Цель работы: исследовать биологические реакции и возможности модификации показателей биологической активности семян растений и микроорганизмов внешним низкоинтенсивным электромагнитным полем. Выявить общие тенденции и различия в изменении биологического отклика исследуемых объектов.
Задачи:
1. Изучить особенности биологического отклика на внешнее воздействие ЭМП в зависимости от начального состояния БО, добиться контролируемого снижения исходных показателей путём применения внешнего угнетающего фактора (тепло, УФ).
2. Сравнить эффективность воздействия в дискретных полосах КВЧ-диапазона прямошумовым сигналом в СВЧ-КВЧ-диапазонах, а также фрактальным сигналом в широкой полосе частот от высоких (ВЧ) до СВЧ.
3. Определить наличие дисперсионной зависимости величины биологического отклика от частоты и времени воздействия электромагнитного сигнала.
4. Выяснить индивидуальную чувствительность БО в зависимости от сорта семян и вида бактерий к внешним физическим воздействиям.
1. Аппаратура и методика измерений
Обработка ЭМП БО проводилась на специально изготовленном измерительном стенде.
Источниками облучения в дискретных полосах КВЧ-диапазона использовались стандартные генераторы Г4-141 (37,5-53,57 ГГц) и Г4-142 (53,57-78,33 ГГц), излучающие мощность Р < 5 мВт. БО располагались в раскрыве рупоров R1 и R2, площадь каждого из которых составляла ~ 40 см2, при плотности потока мощности (ППМ) @ 0,1 мВт/см2 и неравномерности облучения не более 3 дБ.
Для обработки прямошумовым КВЧ-сигналом применялся генератор Я5Х-272, работающий в шумовом режиме немодулированных колебаний в диапазоне частот f=25,86-37,50 ГГц (СВЧ-КВЧ), при среднем значении спектральной плотности мощности шума (СПМШ) 61±12 kT0, с погрешностью не более ±10%, где k=1,38 10-23 (Дж/К) - постоянная Больцмана, а То - температура К.
Волноводный выход генератора шума нагружался стандартным рупором площадью сечения 30 см2. Исследуемые объекты помещались на расстоянии 57 см от плоскости апертуры, т.е. в ближней зоне.
В качестве источника фрактального шума использовался прибор ИВТ-“Порог”, разработанный фирмой “Биополис” (г. Киев), излучающий в широкой полосе частот: от ВЧ до СВЧ. В нём спектральная плотность шума изменялась по закону f -n, где n - дробные числа в диапазоне 2 - 4. Общая плотность потока мощности генератора не превышала предельно-допустимыхуров-ней, установленных для населения Украины.
Тепловая обработка семян проводилась в водяном термостате типа U10 (Ultra - thermostat), позволяющем обеспечить постоянство заданной температуры с точно стью ±0,5 оС.
Обработка бактерий ультрафиолетовым излучением проводилась ртутно-кварцевой лампой ДРТ 230.1187, со спектральной плотностью шума 64kTo. При проращивании семян для обеспечения постоянной температуры (±1 оС) и исключения экранирующего действия металла использовался специально изготовленный воздушный термостат из материала, обладающего низкой теплопроводностью и без экранирования ЭМП.
Объектами для исследования выбраны семена пшеницы «Одесская-267» урожая 2001 г., а также штаммы токсинообразующих коринебактерий: C.d.gravis tox+, C.d.mitis tox+, C.d.belfanti tox+, C.ulcerans tox+, выделенные у больных и носителей за период 2000 -2003 гг.
Изучение биологического отклика на внешнее воздействие ЭМП проводилось в зависимости от исходного состояния БО.
Семена пшеницы облучались в дискретных полосах КВЧ-диапазона 40,0; 42,2; 50,3; 58,0; 61,0 и 64,5 ГГц шумовым КВЧ- и фрактальным сигналами в течение времени (Т) 1 час; в полосах частот 50,3; 58,0 шумо-
РИ, 2007, № 2
112
выми КВЧ- и фрактальным сигналами в течение 5-ти мин., 2-х и 3-х часов. Тепловая обработка проводилась при t=50, 52-60оС.
Предварительная подготовка и наблюдение за семенами проводились в соответствии с ГОСТом [21]. Влияние ЭМП на семена оценивалось по изменению энергии прорастания (Эп - количество проросших семян после 72 часов наблюдения, в %) средней длины корней в каждой партии (Ьср, в мм) и их среднеквадратическому отклонению (СКО) за это же время.
Влияние ЭМП на коринебактерии в зависимости от исходного состояния оценивалось по изменению кинетики роста [22].
Штаммы бактерий облучались в дискретных полосах КВЧ-диапазона 40,0; 42,2; 50,3; 58,0; 61,0 и 64,5 ГГц в течение 1-го часа.
В качестве фактора повреждения микроорганизмов проводилась их обработка УФО в течение 30 и 50 мин. Исследуемые объекты располагались на расстоянии L»15 см от источника УФ в пробирках, изготовленных из кварцевого стекла, прозрачного в УФ диапазоне волн.
Время между предварительным угнетением и электромагнитным воздействием составило 5 мин.
Статистическая обработка полученных результатов осуществлялась по критерию Стьюдента с использованием программы «Биостат».
2. Обсуждение результатов воздействия
Проводилось облучение низкоинтенсивным ЭМП семян пшеницы «Одесская - 267» урожая 2001 г. с высокими исходными показателями в контроле Эп=93,5±3,6%, Lср=25,6±6,5 мм. Исследуемая партия семян не испытывала предварительных грубых физических воздействий, поэтому условно можно считать, что их состояние соответствует норме. Экспериментальные данные, представленные в табл. 1, свидетельствуют о наличии биологического отклика исследуемого посевного материала в состоянии «норма» при определённых режимах облучения.
Как видно из табл.1, имеет место зависимость величины биологического отклика от времени воздействия сигнала. Анализ изменения энергии прорастания семян пшеницы «Одесская - 267» показал, что облучение в течение 1 часа не приводит к достоверным изменениям результатов. В этом случае наблюдается общая тенденция стимуляции показателей. При оценке средней длины корней достоверные изменения происходят при облучении в дискретных полосах частот 42,2; 50,3 и 58,0 ГГц, так, L^ увеличилось примерно в 1,3 раза. Воздействия в частотных диапазонах 61,0; 64,5 ГГц и шумовыми сигналами к достоверным изменениям показателей не приводят и в среднем способствуют угнетению L^. Уменьшение времени экспозиции сигнала до 5-ти минут и его увеличение до 2-х и 3-х часов оказалось более эффективным, при этом наблюдается угнетение всех исследуемых показателей.
Таблица 1
Влияние ЭМП на показатели биологической активности семян пшеницы «Одесская - 267» урожая 2001 г. (*- р<0,05; ** - р<0,01)
Режим воздействия ЭМП Показатели биологической активности
Эп, % L^, мм
f, ГГц Т, ч. Эп СКО Цр СКО
конт] роль 93,5 3,6 25,6 6,5
50,3 0,08 93,8 2,4 23,0 3,7
58,0 0,08 86,0 ** 4,8 9 3 ** 2,5
КВЧ шум 0,08 92,6 5,4 18,4 ** 2,0
ИВТ 0,08 90,6 * 4,9 11,6 ** 4,8
40,0 1 94,7 5,0 30,1 7,0
42,2 1 94,0 1,6 32,0 * 2,6
50,3 1 95,3 1,8 32,3 * 5,0
58,0 1 93,9 3,5 30,2 * 3,7
61,0 1 94,7 4,2 25,2 8,8
64,5 1 95,5 2,5 17,3 * 2,5
КВЧ шум 1 94,7 3,1 23,8 3,6
ИВТ 1 95,0 4,1 24,6 7,7
50,3 2 86,5 ** 3,3 20,2 * 2,3
58,0 2 89,7 ** 5,3 17,2 * 4,1
КВЧ шум 2 87,4 ** 6,6 21,3 5,0
ИВТ 2 88,5 ** 3,9 11,3 ** 5,4
50,3 3 88,3 ** 4,3 19,5 * 5,5
58,0 3 89,3 * 3,1 20,2 * 2,8
КВЧ шум 3 89,6 * 4,3 17,3 * 3,7
ИВТ 3 88,3 ** 3,2 20,2 * 4,1
РИ, 2007, № 2
113
Достоверные результаты при 5-минутном воздействии ЭМП на семена пшеницы получены при обработке в частотном диапазоне 58,0 ГГ ц (Эп уменьшилась в 1,1 раза, Ьср - в 2,8 раза) фрактальным шумовым сигналом (Эп - в 1,03 раза, Ьср - в 2,2 раза) и шумовым сигналом в КВЧ-диапазоне, где изменения наблюдаются только при оценке Ьср (в 1,2 раза). Облучение в течение 2-х и 3-х часов привело к достоверному угнетению при всех режимах воздействия. Наибольшее снижение Эп (в 1,1 раза) наблюдается при f=50,3 ГГц 2 часа, а наибольшее снижение Ьср - при облучении фрактальным шумовым сигналом 2 часа (в 2,3 раза).
Оценка экспериментальных данных выявила наличие дисперсионной зависимости от частоты излучения,
которая особенно прослеживается в изменении средней длины корней. Наибольшие флуктуации биологического отклика от частоты излучения наблюдаются при 5 -минутном облучении. Воздействие в частотном диапазоне 50,3 ГГц не вызывает достоверных изменений L ср по отношению к контролю, а в диапазоне 58,0 ГГц шумовым КВЧ-сигналом и фрактальным шумом приводит в разной степени к угнетению рассматриваемого показателя в 2,8; 1,2 и 2,2 раза соответственно. При увеличении экспозиции сигнала до 3-х часов дисперсионная зависимость от частоты менее выражена. Так, при облучении в диапазонах 50,3; 58,0 шумовым КВЧ-сигналом и фрактальным шумом угнетение L ср составляет 1,3; 1,6; 1,5 и 2,0 раза соответственно. Следует отметить, что биологический отклик
Таблица 2
Влияние ЭМП на семена пшеницы «Одесская-267» урожая 2001 г., предварительно подвергшиеся тепловому воздействию (* - р<0,05, ** -р<0,01)
Режимы воздействий Показатели биологической активности
тепловое ЭМП Эп, % L^, мм
t, oC Т, мин. f, ГГц Т, ч. Эп СКО Цр СКО
контроль 93,5 3,6 25,6 6,5
50 10 96,7 2,3 25,8 3,8
50 10 40,0 1 90,0 * 3,5 27,0 3,9
42,2 1 90,7 3,1 29,8 1,6
50,3 1 91,0 1,4 32,1 2,5
58,0 1 94,7 1,2 31,1 2,4
61,0 1 95,0 4,9 34,5 * 1,5
64,5 1 95,7 2,5 30,5 3,9
52 10 92,5 5,0 24,4 3,7
52 10 40,0 1 87,3 5,8 27,7 2,5
42,2 1 96,0 5,3 26,7 1,5
50,3 1 91,7 4,7 29,0 3,6
58,0 1 88,7 3,1 25,7 2,2
61,0 1 88,0 2,7 26,0 3,6
64,5 1 88,0 5,3 23,3 3,5
53 10 77 4 ** 6,9 17,6 * 4,6
53 10 40,0 1 96,0 ** 2,0 25,3 * 0,2
42,2 1 92,0 * 2,8 21,9 0,2
50,3 1 94,0 * 2,8 22,4 2,6
58,0 1 88,3 * 1,5 21,0 3,0
61,0 1 92,0 * 2,8 20,6 1,5
64,5 1 91,0 * 4,2 20,0 2,8
55 10 52,2** 12,5 8,1 * 3,6
55 10 40,0 1 64,0 6,0 9,9 2,3
42,2 1 66,0 5,7 9,2 1,4
50,3 1 64,0 7,2 11,4 2,2
58,0 1 62,0 8,4 12,2 1,2
61,0 1 60,7 5,0 9,0 2,7
64,5 1 59,3 6,1 11,7 3,5
56 10 37,0 ** 12,4 6,2 * 3,3
56 10 50,3 0,08 32,4 6,2 6,8 1,8
58,0 0,08 35,0 3,7 7,3 1,8
КВЧ шум 0,08 31,0 3,8 4,8 1,4
ИВТ 0,08 32,4 8,2 6,8 3,4
50,3 1 44,8 ** 8,2 9,0 ** 3,2
58,0 1 48,4 ** 7,5 8,1 * 2,4
КВЧ шум 1 50,9 ** 8,1 8,4 * 1,2
ИВТ 1 52,6 ** 11,1 10,2 ** 2,8
114
РИ, 2007, № 2
Продолжение табл. 2
50,3 2 51,8 ** 9,5 10,5 ** 2,5
58,0 2 52,2 ** 8,8 9,8 ** 3,5
КВЧ шум 2 48,7 ** 7,9 8,7 * 2,1
ИВТ 2 50,6 ** 8,2 9,5 * 1,7
50,3 3 61,6 ** 8,2 12,4 ** 2,1
58,0 3 49,6 * 9,0 11,4 * 2,0
КВЧ шум 3 51,7 ** 6,6 12,9 ** 4,5
ИВТ 3 49,2 * 10,0 10,5 * 2,5
57 10 11,1 ** 6,3 2,8 * 2,6
57 10 50,3 1 14,4 5,7 3,2 1,1
58,0 1 13,0 3,7 5,2 3,9
КВЧ шум 1 23,7 * 6,7 5,9 1,3
ИВТ 1 13,6 4,1 6,6 * 1,9
58 10 5,4 ** 5,6 2,2 * 1,4
58 10 50,3 1 9,8 3,6 3,1 1,1
58,0 1 10,0 4,7 2,6 0,8
КВЧ шум 1 16,0 * 4,9 2,7 1,4
ИВТ 1 10,2 5,4 3,4 * 0,5
59 10 3,3 ** 2,1 1,4 * 1,3
59 10 50,3 1 3,3 1,2 0,5 0,0
58,0 1 4,0 0,0 0,7 0,3
КВЧ шум 1 4,0 0,0 0,6 0,2
ИВТ 1 3,3 2,3 0,6 0,1
60 10 1,6 ** 1,7 1,0 * 1,2
60 10 50,3 1 2,8 1,1 0,5 0,0
58,0 1 1,3 1,0 0,3 0,3
КВЧ шум 1 3,2 1,8 0,5 0,0
ИВТ 1 1,7 0,8 0,4 * 0,2
на внешнее ЭМП проявляется в уменьшении стабильности результатов в исследуемых партиях, т.е. наблюдается увеличение СКО. Это особенно заметно при оценке средней длины корней пшеницы после облучения фрактальным шумом.
Интерес представляет изучение биологического отклика семян растений на внешнее ЭМП, исходные показатели которых отличались от состояния « норма» из-за предварительного воздействия на них различных физических факторов. В качестве угнетающего фактора на семена применялась их тепловая обработка. Результаты облучения семян после предварительного теплового воздействия приведены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, тепловая обработка семян растений в зависимости от применяемого режима способна оказывать угнетающее и стимулирующее действие (рис.1,2).
Так, после обработки семян пшеницы t=5 0 оС наблюдается тенденция увеличения Эп и Ьср. Достоверное угнетение происходит при температуре нагрева больше 53 оС. Следует отметить, что при снижении Эп отмечается увеличение неустойчивости результатов. Так, при t=54 оС энергия прорастания снизилась до 63 %, а СКО составило 15,4 %, что в 4 раза больше, чем в контроле (см. рис.1). По мере дальнейшего повышения температуры и, соответственно, снижения Эп отмечается уменьшение СКО. При оценке Ьср слабое тепловое воздействие (t=50-53 оС) приводит к стаби-
Рис. 1. Изменение Эп и СКО семян пшеницы «Одесская-267» урожая 2001г. в результате теплового воздействия
РИ, 2007, № 2
115
Рис. 2. Изменение Lcp и СКО семян пшеницы «Одесская-267» урожая 2001 г. в результате теплового воздействия
лизации результатов, т.е. СКО уменьшается по сравнению с контролем при соизмеримых средних значениях длины корней. Увеличение температуры нагрева и связанное с этим уменьшение Ц.р приводит соответственно к снижению СКО (см. рис.2). Таким образом, тепловая обработка позволяет контролируемо влиять на исходное состояние исследуемых биологических показателей семян растений.
Облучение ЭМП семян растений, исходные показатели которых отличаются от состояния «норма», приводит к следующим результатам (см. табл.2). Предварительная тепловая обработка при t=50 оС способствует увеличению в среднем Эп до 96,7%. Последующее воздействие ЭМП в дискретных полосах частот КВЧ-диапазона в большинстве случаев не привело к значи-
мым изменениям. При этом наблюдается выр аженная тенденция снижения Эп. Достоверное уменьшение до 90 % было достигнуто при о блучении в полосе частот 40,0 ГГц 1 час, что в 1,1 раза ниже Эп в контроле. Оценка изменения средней длины корней показала, что после теплового воздействия она незначительно возросла. Последующее облучение ЭМП в большинстве случаев также не привело к достоверным изменениям, но при этом сохраняется стабильная тенденция увеличения L^ в среднем в 1,2 раза.
В результате предварительного теплового воздействия на семена пшеницы при t=52 оС средняя Эп была снижена до 92,5 %. Последующее воздействие ЭМП, как и в первом случае, не привело к достоверным изменениям Эп, в большинстве случаев наблюдалась
Рис. 3. Изменение Эп и СКО при облучении ЭМП семян пшеницы «Одесская-267» урожая 2001 г., предварительно
подвергшихся тепловому воздействию
Рис. 4. Изменение L^ и СКО при облучении ЭМП семян пшеницы «Одесская-267» урожая 2001 г.,
предварительно подвергшихся тепловому воздействию
116
РИ, 2007, № 2
тенденция уменьшения, за исключением полосы вблизи f=42,2 ГГ ц. Средняя длина корней при этом стремилась к увеличению в среднем в 1,1 раза.
Достоверное снижение исходных показателей наблюдалось при t=53 оС, Эп уменьшилась в 1,2 раза и составила 77,4 %, а Ьср изменилась в 1,5 раза и составила 17,6 мм. Дальнейшее облучение ЭМП в течение 1 часа вызвало достоверное увеличение Эп при всех исследуемых режимах в среднем в 1,2 раза. После облучения Эп стала соизмерима с изначальным контролем (93,5 %). Наибольшее увеличение Эп до 96 % наблюдалось при воздействии в полосе частот 40,0 ГГц, наименьшее - при f=58,0 ГГц (Эп=88,3 %). Отмечалось увеличение Ьср, в среднем в 1,2 раза, но достоверное изменение произошло только при воздействии в полосе частот 40, 0 ГГц. В этом случае увеличение составило 1,4 раза (Ьср =25,3 мм), что соизмеримо по величине с контролем (Ьср = 25,6 мм).
Дальнейшее снижение биологических показателей путём теплового воздействия t=55 оС способствовало угнетению Эп в 1,8 раза (52,2 %), а Ьср в 3 раза (8,6 мм). В результате последующего воздействия ЭМП Эп увеличилась в 1,2 раза, Ьср в 1,3 раза. При этом изменения оказались не достоверными, что может быть объяснено уменьшением стабильности результатов (Эп: СКО = 12,5 %, Ьср: СКО = 3,3 %) после теплового угнетения в данном режиме.
Предварительная тепловая обработка семян растений t = 56 оС вызвала снижение Эп в среднем до 37 % (в 2,5 раза), Ьср до 6,2 мм (в 4 раза), при этом значение СКО уменьшилось по сравнению с предыдущими результатами при нагреве t = 55 оС (см. рис. 1, 2).
При воздействии ЭМП в течение 5-ти мин. на предварительно угнетенные БО достоверных изменений исследуемых показателей не обнаружено. В среднем наблюдалась тенденция угнетения Эп и стимуляция Ьср. Увеличение времени облучения до 1-го часа привело к достоверной стимуляции Эп в среднем в 1,3 раза и Ьср в 1,4 раза. Воздействие ЭМП 2 часа в среднем стимулировало Эп в 1,4 раза и Ьср в 1,6 раза, а при 3 -часовой обработке Эп возросла в 1,4 раза, а L ср в 1,9 раза, т.е. наблюдается увеличение эффективности воздействия миллиметрового излучения с увеличением времени экспозиции.
Следует отметить зависимость биологического отклика от частоты излучения (рис.3) и немонотонную зависимость от времени облучения. Так, максимальное увеличение Эп до 61,1 % (в 1,7 раза) относительно теплового угнетения наблюдалось при f = 50,3 ГГц 3 часа, минимальный эффект Эп = 44,8 % (в 1,2 раза) наблюдается при облучении в том же частотном диапазоне, но в течение 1 часа. Противоположная тенденция прослеживается при обработке семян фрактальным шумом. В этом случае облучение 1 час в данном частотном диапазоне оказалось самым эффективным - Эп = 52,6 % (в 1,4 раза), а 3-часовое воздействие фрактальным сигналом оказалось наименее эффективным - Эп = 49,2 % ( в 1,3 раза).
При оценке L^ наибольшему её увеличению способствует облучение шумовым сигналом в течение 3-х часов, когда средняя длина корней составила 12,9 мм, что в 2,1 раза больше длины корней после их теплового угнетения. Хороший результат получен при облучении в диапазоне частот 50,3 ГГц 3 часа - L^ =
12.4 мм (в 2 раза). Наименьшее увеличение средней длины наблюдается при облучении f=58,0 ГГ ц - шумовым КВЧ-сигналом, где L^ = 8,1 и 8,4 мм ( в 1,3 и
1.4 раза) соответственно (рис. 4).
После облучения предварительно угнетённых семян в среднем увеличивается стабильность результатов, т.е. снижается СКО. Наибольший разброс данных, как при оценке Эп, так и L^ наблюдается при обработке семян фрактальным шумом, где СКО меняется от 7,9 до 11,1 % и от 2,5 до 3,5 мм (табл. 2). Угнетение семян тепловым воздействием 57 оС приводит к снижению Эп до 11,1 % (в 8,4 раза), а L^ до 2,7 мм (в 9,5 раза). Последующее воздействие ЭМП стимулирует Эп в 1,5 раза, а L^ в 1,9 раз. При этом достоверные изменения наблюдаются только при облучении шумовым КВЧ-сигналом (Эп - в 2,1 раза, L^ - в 2,2 раза) и фрактальным сигналом (Ъср - в 2,4 раза).
Дальнейшее угнетение - t = 58 оС и последующее воздействие ЭМП способствует частичному восста-давлению Эп в среднем в 2,1 раза по сравнению с угнетёнными теплом семенами (Эп = 5,4 %), а L^ - в
1.4 раза по сравнению с результатом после угнетения, когда L^ =2 мм. Достоверные изменения в этом случае получены при облучении шумовым КВЧ и фр актальным сигналами.
Восстановление посредством миллиметрового излучения биологических показателей после их теплового угнетения при t = 59 оС составляет в 1,1 раза (Эп) и в 1,7 раза (L^), при этом достоверных изменений не отмечается.
Воздействие ЭМП на семена пшеницы после их теплового угнетения t = 60 оС также малоэффективно. Это связано с тем, что данный режим является губительным для семян Эп = 1,6 %, т.е. уменьшается в 58,4 раза, L^ = 0,6 мм - в 42,7 раза. В результате этого дальнейшая стимуляция оказывается невозможной, поскольку семена практически полностью теряют всхожесть.
Таким образом, низкоинтенсивное ЭМП при облучении семян растений оказывает неспецифическое воздействие, которое проявляется в изменении Эп и L^. При этом отмечается уменьшение стабильности результатов в партиях при определенных режимах воздействия, особенно фрактальным шумом. Отмечается отличие биологического отклика от начального состояния БО. Облучение семян, имеющих высокие исходные показатели, приводит в большинстве случаев к их угнетению. Важным является тот факт, что электромагнитное воздействие на ослабленные семена приводит к частичному восстановлению их утраченных свойств. Величина восстановления зависит от степени повреждения семян. Следует отметить поро-
РИ, 2007, № 2
117
говый характер данного эффекта, т.е. после определённого уровня угнетения эффект восстановления проявляется слабее, либо вообще исчезает. Полученные результаты свидетельствуют о наличии дисперсионной зависимости от частоты облучения и от времени экспозиции. Отметим экспериментальный факт, что с увеличением времени облучения в дискретных полосах КВЧ-диапазона наблюдается тенденция увеличения эффективности воздействия, а при облучении фр актальным шумом имеет место о бр атная тенденция - снижение эффективности воздействия.
Отдельная серия экспериментов по воздействию миллиметрового излучения в зависимости от исходного состояния проводилась на микроорганизмы. В данном случае облучению в течение 1-го часа подвергались бактерии, находящиеся в состоянии «норма» и предварительно угнетённые физическим фактором. В качестве угнетающего фактора на показатели биологической активности культур токсинообразующих коринебактерий применялось УФ-излучение. Эффективность воздействия оценивалась по изменению колониеобразования. Результаты эксперимента приведены в табл. 3.
Согласно полученным данным облучение ЭМП в течение 1 -го часа на бактерии в состоянии «норма» не привело к достоверным изменениям исследуемого показателя.
Обработка УФ в течение 30 мин. снижает колониеобразование в среднем в 31 раз относительно контроля. Наибольшему угнетению, в 34 раза, подверглись C.ulcerans tox+ с исходными показателями колоние-обр азования 9,8 6Ч109 КОЕ/мл. Наименее подверженными УФ-облучению оказались C.d.belfanti tox+, где угнетение составило в 28,9 раза при начальных показателях 9,83.109 КОЕ/мл. Обработка УФ в течении 5 0 мин. практически приводит к гибели всех бактерий.
Таким образом, влияние УФ-излучения является одним из факторов, который приводит к стрессу и, как следствие, к снижению способности бактерий образовывать колонии.
Согласно экспериментальным данным, приведенным в табл. 3, облучение ЭМП штаммов бактерий, исходные показатели которых были снижены в среднем в 31 раз относительно контроля посредством У Ф, вызвало повышение исследуемого показателя. При этом эффективным оказалось воздействие во всех частотных
Таблица 3
Влияние КВЧ-излучения на колониеобразование в тест-культурах токсинообразующих коринебактерий,
предварительно подвергшихся влиянию УФО (* - р<0,001)
Воздействия КОЕ/мл (М±т)
Фактор Т,мин. C.d.gravis tox+ C.d. mitis tox+ C.d.belfanti tox+ C.ulcerans tox+
Контроль 9,81+0,28-109 9,79+0,32-109 9,83±0,29-109 9,86+0,27-109
40,0 ГГц 60 9,8 ±0,31?109 9,82 ±0,30?109 9,82 ±0,29?109 9,84 ±0,27?109
42,2 ГГц 60 9,78 ±0,33?109 9,81 ±0,30?109 9,81 ±0,29?109 9,83 ±0,28?109
50,3 ГГц 60 9,78 ±0,32?109 9,80 ±0,29?109 9,81 ±0,27?109 9,84 ±0,29?109
58,0 ГГц 60 9,79 ±0,31?109 9,82 ±0,30?109 9,80 ±0,29?109 9,84 ±0,27?109
61,0 ГГц 60 9,79 ±0,32?109 9,82 ±0,29?109 9,81 ±0,28?109 9,84 ±0,28?109
64,5 ГГц 60 9,80 ±0,31?109 9,81 ±0,30?109 9,81 ±0,28?109 9,82 ±0,30?109
УФ 30 0,33+0,021-109* 0,32+0,021 -109* 0,34+0,021-109* 0,29±0,022-109*
УФ+ 40,0 ГГц 30 1,93 ±0,11?109* 1,94 ±0,1?109* 1,92 ±0,12?109* 1,92 ±0,12?109*
60
УФ+ 42,2 ГГц 30 3,96 ±0,11?109* 3,94 ±0,12?109* 3,96 ±0,11?109* 3,95 ±0,11?109*
60
УФ+ 50,3 ГГц 30 1,92 ±0,12?109* 1,92 ±0,12?109* 1,93±0,11?109* 1,92 ±0,12?109*
60
УФ+ 58,0 ГГц 30 1,93 ±0,11?109* 1,92 ±0,12?109* 1,94 ±0,11?109* 1,93 ±0,11?109*
60
УФ+ 61,0 ГГц 30 7,21 ±0,12?109* 7,34 ±0,11?109* 7,28 ±0,12?109* 7,26 ±0,12?109*
60
УФ+ 64,5 ГГц 30 1,89 ±0,13?109* 1,91 ±0,12?109* 1,90 ±0,1?109* 1,91 ±0,12?109*
60
УФ 50 0,0 0,0 0,0 0,0
УФ+ 42,2 ГГц 50 0,03 ±0,13?109 0,03 ±0,13?109 0,03 ±0,13?109 0,0
60
УФ+ 61,0 ГГц 50 0,03 ±0,13?109 0,03 ±0,13?109 0,03 ±0,13?109 0,0
0
Примечание: 109 - перерасчёт на степень разведения
118
РИ, 2007, № 2
Рис. 5. Изменение под действием КВЧ-облучения колониеобразования в тесткультурах токсинообразующих коринебактерий, предварительно облученных УФ: -контроль; - УФ; - 42,2 ГГц + УФ; - УФ+61,0 ГГц + УФ
диапазонах. В итоге утраченные свойства были восстановлены в 5 - 25 раз относительно уровня угнетения, в зависимости от частоты облучения.
Наиболее эффективными являются режимы облучения в частотных диапазонах 42,2 и 61,0 ГГц. Частота 42,2 ГГ ц способствовала восстановлению показателей в среднем в 12,4 раза, 61,0 ГГц - увеличение показателей в 22,8 раза, что всего в 1,34 раза ниже показателей, достигнутых в контроле (рис. 5).
При этом наблюдается тенденция, когда восстановление тем больше, чем ниже исходный уровень. Так, у штаммов C.ulcerans tox+ снижение способности колониеобразования после УФО было наибольшим (0,29Ч109 КОЕ/мл), последующее воздействие КВЧ-излучения в диапазонах 42,2 и 61,0 ГГц привело к увеличению показателей в 13,6 и 25 раз соответственно. C.d.belfanti tox+, которые менее всего подверглись УФ-угнетению (0,34109 КОЕ/мл), после воздействия КВЧ-излучения восстановили свои свойства в 11,6 и 21,4 раза соответственно.
Следует отметить, что восстановление утраченных свойств путём воздействия КВЧ-излучения было возможным только при угнетении до определённого порога. Так, после обработки УФ в течение 30-ти мин., когда исследуемый показатель снизился в среднем в 30,8 раза, последующее воздействие ЭМП способствовало его восстановлению. После обработки УФ в течение 50 мин., когда показатель колониеобразования снизился до нуля, воздействие ЭМП не оказало восстанавливающего эффекта.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что более чувствительными к внешним мм-излучениям являются микроорганизмы со сниженными исходными показателями. Показана возможность, на примере оценки колониеобразования, посредством ЭМП низкой интенсивности в дискретных полосах КВЧ-диапа-зона восстанавливать утраченные свойства микроорганизмов даже при относительно коротком времени облучения (1 час). Однако существует порог угнетения, после которого последующее восстановление не представляется возможным. Отмечена индивидуаль-
ная чувствительность к внешним воздействиям в зависимости от вида коринебактерий.
Выводы
1. Воздействие низкоинтенсивных ЭМП на БО вызывает неспецифический биологический отклик, который проявляется в изменении показателей их биологической активности.
2. Наблюдается зависимость биологического отклика от частоты излучения, ширины спектра и вида модуляции сигнала. Наиболее эффективным является воздействие в частотных диапазонах 40,0; 42,2; 50,3, 58,0; 61,0 и 64,5 ГГц, которые предположительно вызывают резонансные состояния. Обнаружена дисперсионная зависимость при облучении БО в дискретных полосах КВЧ-диапазона, что даёт возможность целенаправленно модифицировать показатели биологической активности.
3. Наблюдается немонотонная зависимость от времени воздействия низкоинтенсивного излучения.
4. Чувствительность БО к внешним воздействиям зависит от их исходного состояния. Наиболее чувствительными оказываются БО со сниженным жизненным уровнем, при этом существует биологический порог, выше и ниже которого внешние воздействия ЭМП на БО не будут эффективными.
5. Обнаружена возможность посредствам обработки низкоинтенсивным ЭМП восстанавливать утраченные свойства БО.
6. Различные классы БО (семена растений и микроорганизмы) индивидуально восприимчивы к идентичным внешним электромагнитным воздействиям.
7. Помимо наличия индивидуальной чувствительности к ЭМП выявлены общие закономерности, справедливые для БО, далеко отстоящих друг от друга по уровню организации, что свидетельствует об универсальной природе механизма воздействия.
Научная новизна. Впервые проведены сопоставительные измерения влияния ЭМП на БО далеко отстоящих классов. В качестве исследуемых объектов взяты патогенные микроорганизмы, в частности воз-
РИ, 2007, № 2
119
будители дифтерии. Разработаны методы целенаправленной модификации показателей биологической активности БО. Впервые рассмотрено влияние широкополосных ЭМП в дискретных полосах частот КВЧ-диапазона прямошумовым сигналом в СВЧ-КВЧ диапазонах и фрактальным шумовым сигналом.
Практическая значимость. Экспериментальные данные свидетельствуют о возможности посредством внешних электромагнитных сигналов низкой интенсивности частично или полностью восстанавливать утраченные свойства БО, что обеспечивает стабильность биологических показателей. Наличие стимулирующего эффекта энергии прорастания и скорости роста растений при влиянии ЭМП является перспективным в разработке с/х технологий по увеличению всхожести семян, скорости роста и устойчивости их к неблагоприятным внешним физическим факторам. Стимуляция кинетики роста коринебактерий позволяет, в случае необходимости, способствовать накоплению микробной массы и получению отдельных продуктов метаболизма.
Литература: 1. Казначеев В.П., Михайлова Л.П. Биоинформационная функция естественных электромагнитных полей. Новосибирск.: Наука, 1985. 170 с. 2. Ми з у н Ю.Г. Магнитные бури и здоровье. Как сохранить здоровье в неблагоприятные дни. М.: Научно-практический центр “Экология и здоровье”, 1994. 176 с. 3. Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Котровская Т.И. Стохастический резонанс и проблема воздействия слабых сигналов на биологические системы // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2002. №3 (27). С.3-11.4.Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Лебедева Н.Н. Источники и свойства электромагнитных волн // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. №7. С.3-9. 5. ГембаВ.Н. Воздействия ЭМП на биологические организмы - общая концепция для различных спектров // Электроника и связь. Тезисы НПК. Май 1997. Вып.2. С.59-63. 6. Frohlich H. The biological effects of microwaves and related question. Advances in Electronics and Electron Physics., 1980. № 96. Р.56-61. 7. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. М.: Радио и связь, 1991. 167 с. 8. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н., Бецкий О.В., Гуляев Ю.В. Миллиметровые волны и фотосинтезирующие организмы. М.: Радиотехника, 2003. 175 с. 9. Манина Ж.Н., Бирюкова С.В., Грабина В.А., Фисун А.И., Федорова Л.Г., Рыжова Н.В. Изучение влияния низкоэнергетических электромагнитных полей (НЭМП) миллиметрового диапазона на ферментативные активности токсигенных ко-ринебактерий дифтерии // XII Международная научно-практич. конф.” Применение лазеров в медицине и биологии. Харьков, 1999. С. 13-14. 10. Готовский Ю.В., Перов Ю.Ф. Особенности биологического действия физических факторов малых и сверхмалых интенсивностей и доз. М. 2000. 191 с. 11. Лейтес С.М. Правило исходного уровня и его значение в физиологии и патологии // Кли-
нич. мед. 1934. Т.12, № 7. С. 954-967. 12. Лейтес С.М. Проблема регуляции обмена веществ в норме и патологии. Избр. труды. М.: Медицина, 1978. 224 с. 13. Плеханов Г.Ф., ВасильевН.В., Коляда Т.И., Ершов А.Ф., Рябчук Ю.А., Хорева С.А. Зависимость биосистемы на раздражитель от её исходного состояния // Бюл. СО АМН СССР. 1989. №2. С.83-87. 14. Дришелъ Г. Динамика регулирования вегетативных функций // Проблема регулирования в биологии. М.: Иностр. лит., 1960. С. 125-157. 15. Wilder J. Basimetric approach (low of initial value) to biological rhythms // Ann. N.Y. Acad. Sci., 1962. Vol. 98. Art. 4. P. 1211-1220. 16. Selbach H. The principle of relaxation as a special instance of the low of initial value in cybernetic function // Ann. N.Y. Acad. Sci., 1962. Vol.98. Art.4. P.1221-1228. 17. Шеин А.Г., Никулин Р. Н. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты // Биомедицинская радиоэлектроника. 2001. № 4. С.19-23. 18. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н. Некоторые новые представления о причинах формирования стимулирующих эффектов КВЧ - излучения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. №1. С.23-31. 19. Дрокина Т.В., Попова Л. Ю. Действие миллиметровых электромагнитных волн на люминисценцию бактерий // Биофизика. 1998. Т.43, Вып. 3. С.522-525. 20. Живые системы под внешним воздействием. Современные проблемы изучения и сохранения биосферы. Т.2 / Под. ред. Н.В. Красногорской. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. 440 с. 21. Методы определения энергии прорастания и способности прорастания. ГОСТ №10968-88. М. 5 с. 22. Наказ МОЗ СРСР № 535 від 22 квітня 1985 року “Про уніфікацію мікробіологічних (бактеріологічних) методів дослідження, які застосовуються в клінікодіагностичних лабораторіях лікувально-профілактичних установ”.
Поступила в редколлегию 20.04.2007
Коваленко Ольга Ивановна, младший научный сотрудник ИРЭ НАНУ. Научные интересы: исследование влияния электромагнитных полей высокой и низкой интенсивности на состояние веществ, а также биологических объектов разных классов организации. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 720-33-19.
Кивва Феликс Васильевич, д-р физ.-мат. наук, профессор, член Президиума Академии наук Прикладной радиоэлектроники, зав. отделом распространения радиоволн ИРЭ НАНУ. Научные интересы: распространение радиоволн, радиолокация, радиометеорология, распознавание образов, экология, радиоэлектронные системы. Автор и соавтор более 200 статей, 3 -х монографий и более 20 изобретений. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 720-33-19.
Калиниченко Светлана Викторовна, канд. мед. наук, научный сотрудник ИМИ им. И.И. Мечникова АМНУ. Научные интересы: исследования модификации биологической активности коринебактерий под действием внешних электромагнитных полей низкой интенсивности-.Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 720-33-19.
120
РИ, 2007, № 2
