CC BY
72Физика живого, Т. 17, N01, 2009. С.98-104.
© Колесников В. Г., Древаль Н. В., Каменев Ю. Е., Корж В. Г.
УДК 573.1
ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ УЧАСТКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПЕКТРА НА РЕАКЦИЮ ВОДОРОСЛЕЙ ОТКРЫТЫХ ВОДОЁМОВ ХАРЬКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Колесников В. Г., Древаль Н. В., Каменев Ю. Е., Корж В. Г.
Институт радиофизики и электроники им. А Я Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, Украина, 61085 [email protected], [email protected], [email protected]
Поступила в редакцию 10.10.2008
Проанализирован электромагнитный отклик одноклеточных водорослей на влияние излучения субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на протяжении 1999 - 2009 г.г. Проведено сравнение экспериментальных данных с некоторыми характеристиками солнечной активности (числом солнечных пятен). Показано, что суспензия микроводорослей обладает чувствительностью к этому параметру космической погоды.
Ключевые слова: терагерцовое лазерное излучение, миллиметровый диапазон радиоволн, электромагнитный отклик водорослей, солнечные пятна.
ВВЕДЕНИЕ
Все представители биосферы, в том числе водного мира - животные, растения, водоросли их ареалы, формы существования, биологические циклы, размеры, длительность жизни, их энергетический баланс, биопродукция связаны в первую очередь с абиотическими факторами. Первостепенно Солнце устанавливает на Земле равновесие жизненно важных химических реакции живой биологической системы.
Наибольшую интенсивность непрерывный спектр Солнечного излучения имеет в области длин волн X = 430 ^ 500 нм. Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн X =100^400 нм. Остальная энергия разделена между видимой X = 400 760 нм и инфракрасной
X = 760 ^ 5000 нм областями спектра. Наблюдаемое солнечное радиоизлучение на метровых и дециметровых волнах возникает в солнечной короне, рентгеновские лучи исходят, в основном, от верхних слоёв атмосферы и короны.
Терагерцовый (субмиллиметровый) диапа-зон с длинами волн X = 1 мм 100 мкм также принадлежит непрерывному спектру солнечного излучения (рис. 1). Хотя этот спектральный
диапазон характеризуется сильным ослаблением пропускания излучения в атмосфере Земли (рис. 2), и коэффициент затухания а = 0,08 дБ/м [2, 3], он интересен с точки зрения наличия линий поглощений, обусловленных колебательными и вращательными модами атомов белковых молекул вещества [4, 5], а также межмолекулярных
колебаний водородных связей в биологической системе [6].
Рис. 1. Распределение мощности в спектре солнечного излучения на расстоянии 1 а.е. ГП.______________________
А
0,01 0,1 1 10 10 3 у.ТГц
Рис. 2. Ослабление потоков электромагнитного
излучения госл при прохождении через атмосферу на уровне моря [7].
Кроме того, субмиллиметровый диапазон важен для изучения еще и по той причине, что в его спектре находятся более 98 % фотонов от
наблюдаемых Галактик, что позволит устанавливать в том числе и их возраст [8].
Известно, что 30 % мощности прямого
Солнечного излучения достигает Земной поверхности и 18 % - в виде рассеянного
атмосферой излучения [9]. Средняя плотность мощности Солнечного излучения, которая охватывает освещаемую поверхность Земли и определяет, в том числе, и температуру Земли равную Т = 293 К, составляет Wсp. = 3,288 • 10-2 Вт/см2 [10]. В области миллиметрового и
субмиллиметрового диапазонов длин волн на 1 см2 освещаемой поверхности верхней границы атмосферы Земли (Т = 5785 К) поступает N ~ 6,1 • 1011 см-2/с фотонов. При температуре окружающей среды Т ~ 300 К, в указанной выше спектральной области, на площадь в 1 см2 поступает N ~ 1,5 • 1015 фотонов/с [11].
Источник терагерцового излучения - HCN-лазер, использующий в качестве активной среды смесь метана и воздуха, имеет общее давление ~ 1,5 мм рт. ст. Средний и амплитудный разрядный ток равен 0,25 А и 0,6 А, соответственно. Плотность мощности излучения HCN-лазера W = 1,5 мВт/см2, количество излучаемых фотонов на 10 мм2 доступной поверхности суспензии клеток N ~ 0,28 • 1019 фотонов/с [12].
В различных слоях солнечной атмосферы наблюдается явление периодически возникающей солнечной активности, включающего в себя факелы и пятна в фотосфере, флоккулы в хромосфере, протуберанцы в короне, а также солнечные вспышки. Эти процессы происходят благодаря возрастанию магнитного поля вещества Солнца, представляющего собой намагниченную плазму. Одной из последних выдвинутых гипотез относительно явлений происходящих на Солнце является гипотеза, в основе которой стоит модель так называемого “конвейерного течения”. На Солнце “конвейерное течение” электропроводящего газа переносит солнечное вещество по направлению от экватора к полюсам со скоростью около 1 м/с, затем оно опускается ко дну конвективной зоны на глубину 200 тыс.км и течет обратно к экватору; на экваторе оно поднимается, замыкая круг [13]. Именно солнечное “конвейерное течение” управляет циклом солнечных пятен. Благодаря этому подходу ученые успешно воспроизводят не только данные об интенсивности последних солнечных циклов, но и предсказывают интенсивность предстоящего максимума солнечной активности.
Известно, что интенсивность процессов жизнедеятельности живых систем разных уровней организации от одноклеточных организмов [14] до высокоорганизованных представителей класса птиц [15], млекопитающих [16] и человека [17] зависит не напрямую от солнечной активности, а от экологических факторов (биологическая активность слабых электромагнитных воздействий и сверхмалые дозы химических веществ), контролируемых солнечной и геомагнитной активностью [18]. Водоросли - продуценты органического вещества водных экосистем, не являются исключением, при этом эффективность процесса фотосинтеза зависит прежде всего от поступления водорослям солнечной радиации и необходимого количества биогенных элементов.
Распределение фитопланктона, в состав которого входят и одноклеточные водоросли, достаточно неоднородно и зависит от географического местоположения - биомасса водорослей заметно повышается в средних широтах обоих полушарий (V = 10 г/м3 и более), затем достигает минимума в центральных круговоротах (часто составляет всего лишь V =
0,001 г/м3) и вновь повышается до V = 0,1 г/м3 и более у экватора [19], причем у берегов концентрация водорослей гораздо выше, чем в трофогенном слое открытого океана.
Процессы роста водорослей зависят, через климатические условия, от солнечной активности, что проявляется в периодическом возникновении токсических явлений «цветения» воды [20]. При этом некоторые специалисты по водным ресурсам приходят к выводу, что интенсивность процессов развития сине-зеленых водорослей, которая могла бы быть приостановлена понижением температуры воды и повышенным водообменном,
компенсировалась солнечной активностью [21].
Целью настоящей работы является изучение электромагнитного отклика одноклеточных водорослей открытых водоёмов Харьковской области при влиянии волн субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов с учетом параметров солнечной активности (числом солнечных пятен).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования служили
одноклеточные водоросли открытых водоёмов Харьковской области; основной процент составили представители отдела зеленые водоросли из родов Chlamydomonas, Scenedesmus, а также из отдела цианобактерии - Mycrocystis. Забор образцов воды осуществляли пластиковыми пробирками с прибрежной зоны водоёмов, переносили в контейнерах в фотореактор и сохраняли при
температуре t = 25 °С и освещении 6,6 - 7,4 Вт/м2. образцов представлены в таблице 1. Также были
Морфологическую оценку одноклеточных использованы альгологически чистые культуры
водорослей проводили под световым микроскопом водорослей.
х600. Размер, форма и концентрация исследуемых
Таблица 1.
Морфологические параметры и концентрация микроводорослей
Род водорослей Форма Размер (мкм) Концентрация (тыс кл /л)
Chlamydomonas сферическая 5 - 7 3S40
Scenedesmus удлиненные плоские пластинки 18 - 25 (длина) 4 - 6 (ширина) 1560
Microcystis шаровидная 3 - 7 1600
Воздействие на биологическую систему осуществлялось субмиллиметровым и
миллиметровым излучениями, генерируемыми терагерцовым HCN-лазеpом (X = 0,337 мм, P = 1,5 мВт/см2) и генератором Ганна (X = 7,96 мм, P = 2,5 мВт/см2 ), соответственно.
Миллиметровое излучение, приходящееся на область дисперсии диэлектрической
проницаемости свободной воды (/ = 37,7 ГГц), является не только фактором воздействия на биологический объект, но в тоже время служит детектором состояния этого объекта по реакции на изменение количества свободной и связанной воды. При этом энергия электромагнитного кванта этой частоты на два порядка меньше энергии водородной связи белковых образований водных суспензий. Поэтому в первой части исследований (период измерений 2000 - 2003 г.г.)
воздействующим агентом было модулированное по частоте миллиметровое излучение (/м0дул. = 1,1 кГц). При этом оценивалось изменение гидратации водорослей в дни с разной солнечной активностью по действительной части (е) комплексной диэлектрической проницаемости (е*).
Несмотря на то что терагерцовое излучение, приходящее от Солнца, испытывает сильное ослабление в земной атмосфере, тем не менее оно может обладать ключевым (спусковым) фактором в жизнедеятельности различных биологических объектов, в частности, микроводорослей, благодаря тому, что энергия электромагнитного кванта терагерцовой части излучения близка к энергии водородных связей белковых макромолекул. Это напрямую связано с солнечной активностью, генерирующей терагерцовую часть спектра с определенными модуляционными частотами, которые являются тригерным механизмом для начала определенных процессов жизнедеятельности микроводорослей. Поэтому во второй
серии экспериментов (период измерений 2004 -2009 г.г.) терагерцовое лазерное и миллиметровое излучения были промодулированы по амплитуде; выбор частот модуляции, а также методика проведения измерений электромагнитного отклика нативных клеток подробно описаны в [22].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результат обработки экспериментальных данных за период 2000 - 2005 г.г. представлен в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, на альгологически чистых культурах одноклеточных микроводорослей прослеживается связь между интегральным параметром s' , который показывает соотношение свободной-связанной воды в клеточной системе и макроскопическим параметром “sunspot number”, характеризующим уровень солнечной активности, при этом коэффициент корреляции (r) составил 0,71.
Исследование уровня электромагнитного отклика (U, дБ) суспензии одноклеточных водорослей при воздействии терагерцового излучения частотой f = 0,89 ТГц мощностью P = 2,7 мВт/см2 проводились в дневное время, на образцах, взятых в июне 2009 г.из открытых водоёмов Харьковской области. Были взяты дни с различными “sunspot number”, значения которых составили, соответственно, 05.06.2009 г. - 17 и 11.06.2009 - 0. В общей сложности было проведено 9 сессий опытов в период с 10.00 до 13.00.
Известно, что низкоинтенсивные миллимет-ровые волны по отношению к микроводорослям обладают стимулирующими свойствами, проявляющихся в существенной интенсификации фотосинтетических процессов и сопрово-ждающихся повышением выделения кислорода и содержания в клетках фотосинтезирующих пигментов, увеличением экскреции органических соединений в среду, изменением реакционной способности экзометаболитов, изменением транспорта ионов.
Таблица 2.
Гидратация чистых культур микроводорослей (s' под действием миллиметрового излучения (f несущ.= 37,7 ГГц, /модол. = 1,1 кГц) на фоне количества солнечных пятен “sunspot number”
Дата Время Чистая культура Образец из водоёма s' sunspot number Воздействующий фактор (мм, мм + ТГц)
21.01.1999 10.30 Chlamydomonas reinhardtii Dang. 22,78 91 мм
11.12 Scenedesmus quadricauda Turp. 22,79 91 мм
12.00 Microcystis aeruginosa Kuetz. em Elenk. 22,79 91 мм
19.11.2001 12.15 Chlamydomonas reinhardtii Dang. 22,62 181 мм
12.30 Microcystis aeruginosa Kuetz. em Elenk. 22,57 181 мм
12.40 Scenedesmus quadricauda Turp. 22,17 181 мм
21.10.2005 13.00 Образец из водоёма 22,81 15 мм
13.10 Образец из водоёма 22,78 15 мм + ТГц
Рис. 3. Электромагнитный отклик одноклеточных водорослей при комплексном воздействии миллиметрового (4одул. = 1,1 кГц) и терагерцового (йодул. =475 Гц) излучений 05.06.2009 г. (б/л - режим без лазерного облучения, л/о - режим лазерного облучения суспензии).
Рис. 4. Электромагнитный отклик одноклеточных водорослей при воздействии модулированного терагерцового (йодул. = 475 Гц) излучения без модуляции миллиметрового 05.06.2009 г. (б/л - режим без лазерного облучения, л/о - режим лазерного облучения суспензии).
Рис. 5. Электромагнитный отклик одноклеточных водорослей при комплексном воздействии миллиметрового (4одул. = 1,1 кГц) и терагерцового (йодул. = 475 Гц) излучений 11.06.2009 г. (б/л - режим без лазерного облучения, л/о - режим лазерного облучения суспензии).
Рис. 6. Электромагнитный отклик одноклеточных водорослей при воздействии модулированного терагерцового (4одул. = 475 Гц) излучения без модуляции миллиметрового 11.06.2009 г. (б/л - режим без лазерного облучения, л/о - режим лазерного облучения суспензии).
Например, в экспериментах со спирулиной (БртИпа platensis) при оптимальном подборе биотропных параметров, наблюдали при воздействии миллиметрового излучения
увеличение выхода биомассы по сравнению с контролем до 250 %. Для зеленой водоросли (Platymonas \iridis) наибольший прирост биомассы при оптимальных условиях облучения составлял примерно 170 %. Тогда как при химических методах стимуляции приращение биомассы составляло 25-30 %. [23]. Кроме того, имеются данные о том, что фотосинтетическая активность водорослей тесно связана с состоянием воды в клетке и уровнем гидратации клеточных структур, при этом максимально гидратированными являются интенсивно фотосинтезирующие культуры микроводорослей [24 - 26].
На рис. 3 представлены результаты измерений электромагнитного отклика одноклеточных водорослей, взятых из открытых водоёмов, при комплексном воздействии миллиметрового (/м0дул. =
1,1 кГц) и терагерцового (/модул. =475 Гц)излучений.
Из дневного хода представленного 4-мя сессиями с 11.28 до 12.23 заметно что уровень сигнала уменьшается в среднем на 2 дБ, переходя
через минимум в 12.05. Характер “запоминания”
водорослевыми клетками электромагнитного
воздействия не определен и индивидуален в каждой сессии. При этом под “запоминанием” мы понимаем, сохранение значения в', по крайней мере, на том же уровне после воздействия
терагерцового излучения, или последующее
уменьшение гидратации.
При переходе к режиму непрерывного миллиметрового излучения (/модул = 0) наблюдается эффект “запоминания” клетками терагерцового воздействия (рис. 4).
Следующая серия экспериментов была
проведена в день, когда регистрировалось
минимальное количество солнечных пятен
(11.06.2009) (рис. 5).
На рис. 5 представлены три сессии с
комплексным воздействием миллиметрового (/модул. = 1,1 кГц) и терагерцового (/модул. = 475 Гц) излучений. Анализ экспериментальных данных показал переход через минимум между 10.42 и
11.17, при этом наблюдается устойчивый характер “запоминания” воздействия электромагнитного излучения терагерцового диапазона клетками водорослей.
При переходе к режиму непрерывного миллиметрового излучения (/м0дул= 0) также
наблюдается эффект “запоминания” клетками терагерцового воздействия, что сопровождается увеличением гидратации (рис. 6).
Предварительная обработка полученных данных с помощью программ накопления
электромагнитного отклика живой системы из под шумов, с последующей обработкой с применением быстрого Фурье преобразования, показала корреляцию между “sunspot number” и электромагнитным откликом суспензии водорослей, при этом коэффициент корреляции был положителен и составил r = 0,87.
ВЫВОДЫ
1. Обнаружена корреляция между числом
солнечных пятен и гидратацией суспензий одноклеточных водорослей, при этом чем меньше количество солнечных пятен, тем меньше гидратация суспензии микроводорослей.
2. Терагерцовое излучение может выступать в
роли тригерного механизма для изучения
влияния солнечной активности в лабораторных условиях. Этот вывод также требует
подтверждения с проведением измерений в течении достаточно длительного периода
времени.
Авторы выражают свою благодарность проф. С. А. Масалову, д.ф.-м.н. А. И. Фисуну и к.ф.-м.н.
0. И. Белоусу (Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук, г. Харьков) за проявленный интерес к работе и полезные обсуждения.
Литература
1. Kaplan H. Practical applications of infrared thermal sensing and imaging equipment // SPIE. Optical Eng. Press, Bellungham, USA.- 1999.- 164 p.
2. Жевакин С. А., Наумов А.П. Распространение см, мм и субмм радиоволн в земной атмосфере // Изд.вузов. Радиофизика, 1967.- Т. 10, №9/10, С. 1213-1243.
3. Электроника и радиофизика мм и субмм радиоволн. Под редакцией А. Я. Усикова . Киев. Наукова думка, 1986.- 365 с.
4. Walther M.,. Plochocka P., Fischer B. Collective vibrational modes in biological molecules investigated by terahertz time-domain spectroscopy. // Biopolymers.
- 2002.- Vol. 67, № 4-5.- P. 310 - 313.
5. Yu B., Zeng F., Yang Y. Torsional Vibrational Modes of Tryptophan Studied by Terahertz Time-Domain Spectroscopy// Biophysical Journal.- 2004.- Vol. 86.
- P. 1649 - 1654.
6. E. Pickwell-MacPherson. Biomedical application of terahertz pulsed imaging and spectroscopy //
International Conference on laser application in life sciences, 4-6 December 2008, Taiwan.- P. 40.
7. Lettington A. H., Blankson I. M., Attia M., Dunn D. Review of imaging architecture // Proc. SPIE.- 2002.4719.- P. 327 - 340.
8. Leisawitz D., Danchi W.C., DiPirro M. J., Feinberg L.D. Scientific motivation and technology requirements for the SPIRIT and SPECS far-infrared and submillimeter space interferometers // Proc. SPIE.-2000.- 4013.- P. 36-46.
9. Кондратьев К. Я., Москаленко Н. И. Тепловое
излучение планет.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
- 262 с.
10. Сизов Ф. Ф. Фотоэлектроника для систем видения в “в невидимых” участках спектра. Киев: Академпериодика, 2008, 458 с.
11. Dicke R.H., Beringer R., Kyhl R. L., Vane A.B. Atmospheric absorption measurements with microwave radiometer // Phys.Rev.- 1946.- 70.- P. 340 - 348.
12. Kamenev Yu. E., Kuleshov E. M. Characteristics of the application of retroreflectors in submillimetre laser cavities // Quantum Electronics. - 1995.- Т. 25 (8).
- P. 817 - 818.
13. Geophysical Research Letters.- 2006.- Vol.33.- №5. -P. L05102.
14. Бержанская Л. Ю., Бержанский В. Н., Белоплотова О. Ю., Пильникова Т. Г., Метляев Т. Н. Биолюминесцентная активность бактерий как индикатор геомагнитных возмущений // Биофизика.-1995.-Т.40, №4.- С. 778 - 781.
15. Schreiber D., Rossi O. Observation of homming behavior of pigeons during geomagnetic storm of solar origin // Monit. Zool. Ital.- 1979.- Vol. 13, № 2-3.
- P. 215 - 216.
16. Чибисов С. М., Бреус Т. К., Левитин А. Е., Дрогова Г. М. Биологические эффекты планетарной магнитной бури // Биофизика.- 1995.- T 40 №5.- С.959 - 968.
17. Паршина С. С., Долгова Е. М., Головачева Т. В., Токаева Л. К., Афанасьева Т. Н. КВЧ - терапия и солнечная активность // 14 Российский симпозиум с международным участием - Миллиметровые волны в медицине и биологии, Москва, 2 - 5 апреля 2007.-С. 94 - 96.
18. Чижевский А. Л. Космический пульс жизни.-М:Мысль, 1995.- 768 с.
19. Беклемишев К. В., Парин Н. В., Сёмина Г. И. Пелагиаль // Биология океана. М. : Наука, 1977. Т. 1 : Биологическая структура океана / под ред. М.Е. Виноградова. С. 219-261.
20. Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976. - 580 с.
21. Лето будет сине-зеленым // Газета Аргументы и факты, Челябинск, 18.06.2003.
22. Колесников В.Г., Древаль Н.В., Каменев Ю.Е., Комарь Г.И., Корж В.Г. Метод оценки электромагнитного отклика биологической системы при воздействии лазерного излучения // Физика живого.- 2008.- Т. 16, №2.- С. 70- 77.
23. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н., Лапшин О.М., Бецкий О.В. и др. Влияние комбинированного воздействия миллиметрового и сантиметрового ЭМИ на продуктивность микро водорослей / В сб. докладов
"Миллиметровые волны в медицине и биологии" (под редакцией академика Н.Д. Девяткова).
- М.: ИРЭ РАН, 1989. - C. 183-188
24. Parshikova T., Shchegoleva T., Kolesnikov V., Dreval N. The interrelation between photosynthetic activity of microalgae and state of water structuredness in cells / // International conference on photosynthesis and crop production: conf.proc.- Kiev, Ukraine, 2002.- P. 88.
25. Parshikova T., Sirenko L., Shchegoleva T., Kolesnikov V. Express control of growth and physiological state of microalgae / // International Journal on Algae.- 2002.-Vol. 4, №1.- P.106 - 117.
ВПЛИВ ДЕЯКИХ ДІЛЯНОК ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО СПЕКТРУ НА РЕАКЦІЮ ВОДОРОСТЕЙ ВІДКРИТИХ ВОДОЙМИЩ ХАРКІВСЬКОЇ ОБЛАСТІ
Колесников В.Г., Древаль Н. В., Каменев Ю. Е., Корж В.Г.
Проаналізовано електромагнітний відгук одноклітинних водоростей на вплив випромінювання субміліметрового та міліметрового діапазонів довжин хвиль на протязі 1999 - 2009 р.р. Проведено порівняння експериментальних даних з деякими характеристиками сонячної активності (числом сонячних плям). Показано, що суспензія мікроводоростей чутлива до цього параметру космічної погоди.
Ключові слова: терагерцове лазерне випромінювання, міліметровий діапазон радіохвиль, електромагнітний відгук водоростей, кількість сонячних плям.
INFLUENCE OF SOME AREAS OF ELECTROMAGNETIC SPECTRUM ON REACTION OF WATER-PLANTS OF THE OPENED RESERVOIRS OF KHARKIV AREA
Kolesnikov V.G., Dreval’ N. V., Kamenev Yu. E., Korzh V.G.
Microalgae electromagnetic response on influence of submillimetric and millimetric radiation was analyzed during 1999 -2009 years. Comparison of experimental data with some characteristics of solar activity (sunspot number) was realized. It is shown, that microalgae suspension has sensitivity to this space weather parameter.
Key words:: terahertz laser radiation, microwave region, microalgae electromagnetic response, sunspot number.
26. Паршикова Т. В., Сиренко Л. А., Щеголева Т. Ю., Колесников В. Г. Экспресс-контроль роста и физиологического состояния микроводорослей / // Альгология.- 2001.- Т.11, №3.- С. 403-413.
27. Девятков Н. Д., Гельвич Э. А., Голант М. Б., Реброва Т. Б., Севастьянова Л. А. Радиофизические аспекты использования в медицине энергетических и информационных воздействий электромагнитных колебаний // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1981. - Т.9. - С. 333.
