CC BY
422
Раздел 6 БИОИНФОРМАТИКА
УДК 577.3
З.Х-М. Хашаев, А.Ф. Кожокару, Э.М. Шекшесв ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕННОЙ ЭМИ ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ НА РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Введение
При рассмотрении различных вопросов экологии и медицины, анализируя механизмы действия ЭМИ различного происхождения и природы на биологические объекты, нельзя обойти вопрос действия ЭМИ непосредственно на воду, составляющую 70-90% от общей массы живых существ. Важным свидетельством в пользу предположения об акцепторной роли воды при действии ЭМИ на живые организмы является факт поглощения 90-98% энергии ЭМИ водой [Пресман, 1968]. Ряд работ свидетельствует о том, что низкоинтенсивное ЭМИ может вызывать изменения физических и оптических свойств воды и способности ее связываться с ионами, молекулами и частицами, сохраняющимися во времени. Однако, лишь в единичных работах показано, что эти изменения воды могут играть роль в биологическом эффекте ЭМИ на клеточном и физиологическом уровнях. В исследованиях, ранее проведенных в ИБК РАН, было показано, что солевой раствор может сохранять память о воздействии слабого ЭМИ мм диапазонам и изменять активность одиночных Са-активирусмых К-каналов в культуре почек в течение 10-20 минут после его облучения, причем объект при этом НС облучали[Ревепко е1а1., 1995].
Цель настоящей работы исследовать роль возможных изменений воды, индуцированных радиочастотным ЭМИ мм диапазона, в изменении ряда показателей роста и развития растительных объектов, а также протонного и метаболического обмена у клеток этих объектов.
Исследованиям действия мм ЭМИ невысокой интенсивности на растительные клетки посвящены лишь отдельные работы, связанные с изменением транспорта ионов Н+, СГ [Катаев и др., 1993], величины мембранного потенциала, pH цитоплазмы [Петров, Бецкий 1989], соотношения регуляторов роста и со стимулирующим действием ЭМИ на продуктивность [ Ковалев и др. 1995].
В то же время растительный объект имеет ряд преимуществ перед животным объектом при исследовании механизмов действия ЭМИ. Так, он позволяет регистрировать реакции, имеющие высокую чувствительность к действию ЭМИ транспорт электронов, реакции протонного обмена и синтеза АТФ, поглощение кислорода, фотовосстановление НАДФ* и др. Растения не подвержены влиянию стрессовых факторов и слабых неконтролируемых внешних воздействий, поэтому состояние растительного объекта не вносит столь существенного влияния в эффекты ЭМИ, как при исследовании на животных, что повышает воспроизводимость и надежность данных, причем полученные данные не требует решения проблем экстраполяции. Растительный материал является легкодоступным, недорогостоящим, на нем возможны серийные исследования биологического действия на целом растении, на его отдельных частях, клетках и субклеточных структурах. Все это особенно важно при массовых экспериментах.
Материалы и методы
В большинстве экспериментов использовали семена пшеницы сорта Мироновская-808 и Заря (в некоторых опытах - семена подсолнечника). Каждый опыт состоял из трех групп семян: 1) контроль проращивание семян без облучения; 2) опытная группа облучали только дистиллированную воду, затем в нее помещали предварительно замоченные в необлученной дистиллированной или водопроводной воде необлученныс семена; 3) дополнительный контроль облучались только сухо-воздушные семена или предварительно замоченные в необлученной дистиллированной или водопроводной воде, затем проращивались в необлученной воде.
Образцы содержались на протяжении всего опыта в равных условиях при комнатной температуре или в термостате при 22-25 °С. Вода для проращивания семян добавлялась через определенные промежутки времени после облучения, соответственно 0,5, 5, 10, 30, 60 и 180 мин., чтобы выявить время сохранения “памяти” облученной воды.
В первой серии опытов облучения проводили радиочастотным генератором 4-141 как в работе [Fesenko etal., 1995], частота 42,25 Ггц, ППМ 2мВт/см2. Облучение проводили в чашках Петри диаметром 6 см, толщина слоя в чашке 1,8мм, объем раствора 5мл или в конической колбе, толщина слоя 2мм, объем раствора 10мл. Экспозиция ЗОмин. при комнатной температуре.
Во второй серии опытов ставилась задача проверить основные результаты первой серии опытов в случаях воздействия низкоинтенсивного облучения 5 и 25 мкВт/см2, частота 2-8 ГГц.
Результаты прямого действия ЭМИ на семена и опосредованного (через воду) представлены в виде ряда физиологических и биофизических показателей для контрольных и опытных образцов. Определялись изменения всхожести семян, суммарного веса семян и проростков, длины стебля и корневой системы после воздействия ЭМИ, начиная с 6-8 часов, до 5-7 суток, в некоторых случаях до 25 суток.
Одновременно проводили измерения pH в среде прорастания отражающий pH у поверхности ссмян и зародыша в процессе набухания и прорастания; использовали цифровой рН-метр с электродом “Orion” Суммарное количество вышедших в среду из семян ферментов (эстераз) определяли по изменению оптической плотности на спектрофотометрах “Specord-40” и “Perkin-Elmer”, причем использовали семена, предварительно замоченные в течение 16-19 часов и готовые к прорастанию, что необходимо для наибольшего выхода эстераз и максимальной их активности.
Показателем действия ЭМИ служили также изменения в развитии микрофлоры на поверхности семян и в среде по ходу экспериментов.
Все опыты проводили в 3-4 повторностях, спектрофотометрический анализ и измерения pH среды проводили двух-трехкратно. В работе приводятся результаты среднестатистических данных.
Результаты исследований
Первая серия опытов. В Таблице 1 показано в процентах прорастание семян пшеницы сорта “Мироновская-808 в предварительно облученной дистиллированной воде и в контроле (за 100% принималось 50 семян в чашке Петри).
Таблица 1.
Процент проросших семян пшеницы в различное время после начала их проращивания
NN п/п Вариант опыта Время регистрации числа проросших семян, часы
8 16 24 32 40 48 56 64 7
1 Контроль (без облучения) 10 20 35 48 63 72 100 100 1
2 Опыт 15 30 47 64 78 97 100 100 10
(облучалась
только
дистиллирован
ная вода)
3 Контроль 18 33 50 67 82 100 100 100 1
(облучались
только
семена)
Из Таблицы 1 видно, что проращивание семян в предварительно облученной дистиллированной воде ускоряет всхожесть семян по сравнению с необлученным контролем на 5-25% в первые двое суток после облучения. Проращивание облученных семян в необлученной воде привело к несколько большему ускорению всхожести семян. Следовательно, в облученной дистиллированной воде произошли физико-химические изменения, которые привели к активации всхожести семян почти также, как и при непосредственном облучении семян.
С целью выяснения длительности сохранения тех физико-химических изменений воды, которые вызывали ускорение всхожести семян, провели эксперименты, в которых предварительно облученная ЭМИ дистиллированная вода добавлялась к замоченным в обычной необлученной воде семенам через определенные промежутки времени (0,5-180мин.) после облучения. Использовались семена пшеницы сорта “Заря”. В Таблице 2 приводятся результаты одного из трех проведенных опытов, давших аналогичные результаты.
Таблица 2.
Процент проросших семян пшеницы при различных промежутках времени между предварительным облучением дистиллированной воды и началом проращивания в ней
необлученных семян
NN Вариант опыта Промежу- ток времени, мин Время регистрации числа проросших семян, часы 6 12 18 24 30 36 42 48 72 120 168
1 контроль (без облучения) 14 28 44 54 65 77 77 78 76 7 70
2 Опыт (облучение только диет воды) 0,5 24 44 62 76 80 84 88 91 91 8 85
То же 5 20 36 56 74 77 79 82 84 82 8 80
То же 10 16 20 52 70 75 78 76 77 84 8 80
То же 30 14 24 46 60 70 75 73 75 76 8 80
То же 60 12 24 46 54 63 66 71 69 72 6 60
То же 180 12 24 46 52 61 64 67 68 70 6 60
Из Таблицы 2 следует, что облученная ЭМИ вода, добавленная к замоченным семенам в наибольшей степени стимулирует прорастание семян при добавлении ее сразу (через 5 мин) после облучения (на 7-22%), в меньшей степени - через 5 (на 6-12%) и 10 мин. (6-10%). Через 30 мин. и более эффекта ускорения всхожести не наблюдалось. Следовательно, физикохимические изменения, индуцированные облучением в дистиллированной воде и вызывающие ускорение всхожести, сохраняются менее 30 мин.
Такая же закономерность отмечена и в характере изменений веса семян сорта “Заря” на первые сутки и биомассы проростков в последующие сроки наблюдения (Таблица 3).
Таблица 3
NN Вариант опыта Время, мин Время регистрации веса прорастающих семян, сутки
1 3 5 7
1 Контроль (без облучения) 3,30 5,05 6,70 6,30
2 Опыт (облучали только дистиллированную воду) 0,5 3,70 5,75 7,50 7,50
То же 5 3,60 5,30 7,40 7,40
То же 10 3,60 5,20 7,50 7,00
То же 30 3,45 4,80 7,60 7,60
То же 60 3,32 4,70 6,45 6,00
То же 180 3,30 4,70 6,40 6,02
Исходный вес семян пшеницы сорта “Заря” в среднем составляет 2,220г. Через сутки набухания вес семян в контроле достигает 3,300 г. Из Таблицы 3 следует, что добавление к семенам облученной дистиллированной воды уже на первые сутки стимулирует увеличение веса бухающих семян на 400 мг по сравнению с контрольными образцами, что свидетельствует о более активном поглощении воды опытными образцами. В дальнейшем, эта разница с контролем все более увеличивается и достиг ает 1200мг уже за счет более ускоренного роста проростков. Такое активирующее влияние облученной воды уменьшается при увеличении промежутка времени между ее облучением и началом проращивания в ней необлученных семян и через час разницы с контролем уже не было.
Следовательно, данные изложенного эксперимента также доказывают, что индуцированные облучением физико-химические изменения дистиллированной воды сохраняют свою биологическую активность лишь в течение 30 минут.
В отдельной дополнительной контрольной серии опытов мы получили данные для сравнения влияния облучения семян в дистиллированной воде с данными предыдущего эксперимента ( все условия экспериментов были идентичными). При сопоставлении данных по весу семян, облученных в дистиллированной воде в течение 30 минут, с данными по весу семян, к которым была добавлена вода, облученная в течение также 30 минут, сразу после облучения (через 0,5 мин.) (Таблица 3), выяснилось, что стимуляция в первом случае на 1, 3, 5, 7 сутки составляет 9,4%, 20%, 19,7% и 19,4%, соответственно, а во втором - 12%, 14%, 12% и 19% по отношению к контролю в эти же сутки каждого опыта. Следовательно, при облучении семян в воде наблюдается более быстрая динамика увеличения веся семян, что, по-видимому, можно объяснить за счет дополнительного поглощения энергии ЭМИ семенами и активацией ряда ферментов и стимуляторов роста семян при облучении.
Облучение ЭМИ воздушно-сухих семян, содержащих 11% воды, при этих же условиях опыта даег невысокое изменение в скорости прорастания семян и в увеличении биомассы проростков. Увлажнение же семян (пшеницы и других культур) в течение одного часа усиливает влияние ЭМИ на всхожесть (на 10-15%) и на скорость прорастания семян, а при увеличении времени замачивания влияние ЭМИ становится еще больше.
Нами был также измерен pH среды прорастания семян, отражающий pH в цитоплазме клеток проростков и клеточной стенки семян, который, в свою очередь, может изменять активность метаболических реакций этих клеток. Первоначальный pH свежеприготовленной воды составлял 4,75-5,0. В облученной дистиллированной воде pH изменялся в кислую сторону на 0,005-0,007 ед. Через 6 часов наблюдения pH среды в контрольном образце (при добавлении к необлученным семенам необлученной воды pH практически не изменялся и составлял 5,0, а в опытных образцах (добавление облученной воды к необлученным семенам) через 0,5, 5 и 10 минут после ее облучения, pH составлял 5,62, 5,72 и 5,12, то есть существенно изменялся в щелочную сторону. Указанное могло быть связано с сохранением в облученной воде физико-химических изменений, индуцированных ЭМИ. При дальнейшем наблюдении эта разница с контролем исчезала.
Спектрофотометрическим методом определяли также количество вышедших из семян белков, ферментов, метаболитов в ходе набухания и прорастания воздушно-сухих и замоченных семян пшеницы при добавлении к ним необлученной (контроль) и облученной (опыт) воды через разные интервалы времени после облучения. Было выяснено, что в первые часы наблюдения после добавления облученной воды через 0,5, 5 и 10 минут после ее облучения к предварительно замоченным семенам оптическая плотность максимумов спектров не изменяется, вплоть до 6-8 часов наблюдения, затем наступает быстрый рост выхода белков , а к 10-16 часам он становится в 2 раза больше по сравнению с контролем. В образцах с водой, добавленной через 30 минут, рост выхода белков превышал контроль в 1,5 раза, а в дальнейшем не отличался от контроля. Следовательно, индуцированные облучением физикохимические изменения дистиллированной воды существенно ускоряли выход белков из прорастающих семян. При облучении семян в необлученной воде эти процессы проходят в значительно более поздние сроки.
Вторая серия опытов. Эта серия опытов проводилась с целью выяснения существования памяти воды при низкоинтенсивных воздействиях ЭМИ 2-8 Ггц. В них применялась такая же методика биологического эксперимента с проращиваемыми семенами как и в первой серии экспериментов и изучали те же показатели. Однако, облучение проводили при интенсивностях воздействия в 80 и 400 раз более низких, то есть при 5 мкВт/см2 и 25 мкВт/см2 В этих
опытах по прорастанию в дистиллированной и водопроводной воде под действием низкоинтенсивного воздействия ЭМИ, которые проводили^ на семенах пшеницы и подсолнечника, наиболее чувствительных из 15 испытанных нами видов семян, впервые удалось подтвердить это предположение. В опытной группе использовались необлученные семена пшеницы, которые проращивались в облученной дистиллированной воде. В контрольной группе облучались семена в необлученной дистиллированной воде, в которой они и проращивались.
Проросших семян через одни сутки было в опыте 18%, а в контроле 20% при использовании облучения 25 мкВт/см2. Вес семян с проростками увеличился на 11 сутки проращивания в опыте на 31%, в контроле на 25%.
Обсуждение
В результате проведенных нами экспериментов показано, что дистиллированная вода, облучавшаяся в течение 30 минут ЭМИ радиочастотного диапазона, стимулирует прорастание семян пшеницы без облучения самих семян, обуславливая их переход от состояния покоя к активному метаболическому состоянию, что связано с определенной последовательностью биохимических и регуляторных процессов. Эта стимуляция проявлялась в повышении всхожести семян, в увеличении веса семян, длины корней и проростков.
Указанное свидетельствует об индуцированных ЭМИ изменениях в физико-химическом состоянии дистиллированной воды. Об этом также свидетельствуют изменения pH облученной дистиллированной воды (на сотые доли единиц pH в кислую сторону ). Эффект облученной дистиллированной воды на прорастающие семена был близок или аналогичен воздействию электромагнитного излучения радиочастотного диапазона.
Этот эффект проявлялся в процессе всего периода проращивания семян. Особенно выраженное влияние облученной дистиллированной воды было по увеличению выхода из семян в среду прорастания белков, ферментов, стимуляторов роста и метаболитов, изменяющих суммарную оптическую плотность среды прорастания. Она возрастала в2 раза по сравнению с контролем. Одновременно смещался в опыте и pH среды прорастания семян в щелочную сторону на 0,5-0,6 единиц pH, в то время как в контрольных пробах он не изменялся.
Таким образом, было показано, что облученная ЭМИ дистиллированная вода способна передавать эффект воздействия ЭМИ биологическим системам, в данном случае участвующим в прорастании семенам. Эта способность сохранялась недолго, не более 30 минут по большинству показателям.
Выполненные нами опыты указывают на то, что вода, по-видимому, является основным акцептором и проводником энергии и информации ЭМИ при наблюдаемых нами н растительном объекте процессов. Подбирая время, мощность и , дозу облучения воды, время добавления воды, можно избирательно влиять на те или иные биохимические и
физиологические реакции, наблюдая их, как выполнено в наших экспериментах, по
интенсивности и кинетике всхожести и прорастания семян или по биофизическим и
электрофизиологическим показателям величины мембранного потенциала ионов Н4 интенсивности транспорта ионов Са2\ К+, Na+, СГ, величине pH цитоплазмы и внешней среды, регулирующим клеточный метаболизм и изменяющимся под влиянием внешних факторов.
Нами был измерен pH внешней среды, отражающий изменения внутриклеточного pH. Мы предполагаем, что механизм наблюдаемых нами под влиянием ЭМИ изменений pH в щелочную сторону, регистрируемых при прорастании семян [Bewley, Black, 1978], может быть связан с усилением откачки протонов из среды в клетки. Закисление матрикса растительных клеток может приводить к созданию градиента pH на тилакоидной мембране,
способствующему транспорту протонов внутрь хлоропластов и активации синтеза АТФ [Музафаров, Кожокару и др., 1986] , что приводит к активации метаболических процессов и скорости прорастания семян. Менее вероятен, на наш взгляд, механизм подщелачивания среды, высказанный Аксеновым [Аксенов, 1990] для талой и кипяченой воды, заключающийся в выходе из среды значительной части растворенных газов, н том числе углекислого газа, что приводит к выходу из клетки растворенных в ней газов и подщелачиванию в ней pH на 0,2 ед.рН; этим сдвигом pH авторы объясняют активацию процессов в клетках водорослей. Наше предположение согласуется сданными Петрова и Бецкого [Петров, Бецкий, 1989] об усилении активности Н* насосов в мембранах хлоропластов и изменении мембранного потенциала, связанных с изменением pH цитоплазмы при действии мм ЭМИ (5,6 и 7,1 Ггц, ППМБ ЮмВт/см2) на лист растения. Изменения транспорта ионов (СГ) под влиянием низкоинтенсивного мм ЭМИ показаны также на мембране водорослей [Катаев и др., 1993] и транспорта К+[Фесенко и др., 1995].
Обсуждая механизмы действия ЭМИ через дистиллированную воду, следует отметить возможность влияния ЭМИ на метаболизм и биохимические реакции клетки за счет изменения кластерной структуры воды при ее облучении [Fesenko et al, 1995]. Математические расчеты и модельные опыты, приведенные в [Andreyev et al, 1990], показывает, что слабое мм ЭМИ изменяет решетку молекул воды, связанных между собой водородными связями, определенным образом ориентируя цепочки диполей воды по отношению к полю, кроме того, может происходить увеличение протонной плотности в местах повреждений цепочек диполей и индуцироваться осцилляция диполей. Изменение структуры воды влечет за собой, в свою очередь, изменение конформации биомолекул, связанных с молекулами воды, например, в растворах родамина и сывороточного альбумина человека, эти изменения сохранялись во времени (до 9 часов) [Киселев и др., 1988] и могли бы приводить к изменению метаболической активности этих биомолекул.
С другой стороны, возможно, что ЭМИ может оказывать биологическое действие через воду за счет изменения степени связанности с ионами, молекулами, частицами; с молекулами вода может связываться как на их поверхности (гидратированная вода), так и внутри (в виде мостиков), поддерживая их конформацию. Так в наших экспериментах при действии
облученной воды на семена увеличивается количество воды, удерживаемой семенами (на 3-8мг/1 семя, Таблица 3). В работе [Новскова, Гайдук, 1996] на основании анализа спектров поглощения и диэлектрических спектров сделан вывод об увеличении связывания молекул воды с коллагеном кожи, в результате чего вода теряет свою подвижность. Возможно, что и в растении при действии ЭМИ увеличивается связь ее со структурными элементами клетками -микротрубочками и микрофиламентами (цитоскелетом), которые, как известно, активно участвуют в прорастании семян при увеличении связывания с водой [Хохлова и др, 1996] На основании экспериментальных данных Волельхут [Volelhut, 1969] выдвинул гипотезу, согласно которой коллоидные частицы окружены слоем связанной льдоподобной структурированной водой, а при воздействии ЭМИ происходит переход воды в жидкую фазу при поглощении энергии ЭМИ и уменьшается степень гидратации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Катаев A.A., Александров A.A. Тихонова Л.И., Берестовский Г.Н., Частотозависимое влияние миллиметровых электромагнитных волн на ионные токи водоросли Nitellopsis. Нетепловые эффекты. Биофизика, 1993, т. 38, Т 3, с. 446-461.
2. Киселев В.Ф., Салецкий А.М., Семихииа Л.П. О влиянии слабых магнитных полей на некоторые диэлектрические и оптические свойства воды и водных растворов. Теор.и экспер. химия, 1988, N 3, с.330-334.
3. Ковалев В.М., Курапов П.Г., Скоробогатов И.В., Cuyuieea А.Г Бощенюк Л.И. Влияние электромагнитных излучений на гормональный баланс, ростовые процессы и продуктивность растений и грибов. Тез. Докл.З-ей Межд.конф. «Регуляторы роста и развития растений». М., 1995, с.74-75.
4. Музафаров Е.Н., Кожакару А.Ф. и др. Анализ действия фенольных соединений на протонно-электронный транспорт и фотофосфорилирование в хлоропластах. Сб.: Свойства флавоноидов и их функции в метаболизме растительной клетки, Пущино, НЦБИ, 1986, с.76-95.
5. Новскова Т.А., Гайдук В.И. Связь спектров поглощения с вращательным движением молекул жидкой и связанной воды. Биофизика, 1996, т.41, N 3, с.565-582.
6. Петров И.Ю., Бецкий О.В. Миллиметровые волны в медицине и биологии. М., ИРЭ АН ССС, 1989, с.242-248.
7. Пресман A.C. Электромагнитные поля и живая природа, 1968, 288с.
8. Хохлова Л.П., Швалева А.Л., Волобуева О.В. Исследование состояния воды при действии модификаторов цитоскелета. Биофизика, 1966, т.41, N 3, с.590-595.
9. Fesenko Е.Е. Geletyuk V.l., Kazsachenko V.N., Chemeris N.K. Preliminary microwave irradiation of water solutions changes their channel-modifying activity. FEBS Letters, 1995, v.366, N 1, p.49-52
10. Volelhut P.O. Proc.Symp. «Biological effects and Health Implication of Microwave», 1969, p.98
УДК 28:693
E.B. Родзин РИСК-АНАЛИЗ ОРНИФАУНЫ АГЛОМЕРАЦИЙ
В 1981 г. цитогенетик из США Роберт Б.Каминг создает Международное Общество анализа риска (SRA) и учреждает международный журнал "Анализ риска" (Risk Analysis), ежеквартальный журнал "Вести о риске" (Risk newsletter). Было положено организационное оформление современной методологии риск-анализа. Начальные исследования связаны с биологическими, канцерогенными и мутагенными опасностями для человека. Позже развились идеи понимания основ риска, проблем безопасности, стратегий регулирования риска (оценки, алгоритмы и технологии управления риском), правового и экономического обеспечения
