авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Транспорт ионов через мембрану при наличии низкоинтенсивного свч - излучения

На правах рукописи

Артемова Диана Георгиевна ТРАНСПОРТ ИОНОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ПРИ НАЛИЧИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ 01.04.04 - Физическая электроника 03.01.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Волгоград - 2013 2

Работа выполнена на кафедре «Физика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Шеин Александр Георгиевич.

Официальные оппоненты: Байбурин Вил Бариевич, доктор физико-математических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (СГТУ), заведующий кафедрой «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»;

Лобышев Валентин Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, специализированный учебно-научный центр Москов ского государственного университета им. М.В. Ломоно сова, заведующий кафедрой «Физика».

Ведущая организация Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН).

Защита состоится «28» ноября 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу:

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного техниче ского университета.

Автореферат разослан «_» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Долгое время считалось, что воздействие ЭМ полей на биологические объекты вызвано локальным нагревом тканей (термическое действие), однако в последние годы было показано, что биологическое воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ) проявля ется и при сверхмалых интенсивностях (ниже пороговой величины теплового эффекта - мВт/см2), когда средний по объму нагрев тканей не является определяющим (менее чем на 0,10С) или пренебрежимо мал [1].

Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, по лучили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными [2], то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически сла бо изучены.

В ряде работ [3, 4, 5] теоретически показано, что электромагнитные волны сантиметрового диапазона (СВЧ) могут рассматриваться как влияющие на процессы в биологических объектах, поскольку частоты колебаний клетки лежат в широком диапазоне – от единиц гигагерц до де сятков терагерц, перекрывая СВЧ, КВЧ и терагерцовый диапазоны.

Трудность решения вопроса воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты за ключается в том, что пока не найдено единого подхода к изучению данной проблемы. Кроме того, совершенно неясно, каким образом биообъект формирует отклик на сверхвысокочастот ное воздействие и может ли он сам генерировать высокочастотное колебания. Представляет определенный интерес поиск подходов к созданию физических моделей, описывающих процесс взаимодействия ЭМИ указанных диапазонов с биологическими объектами в целом и живой клеткой и ее структурами, в частности.

В процессах жизнедеятельности важную роль играют биологические мембраны, которые яв ляются основой жизнедеятельности клеток (основной структурной единицы живого организма).

В частности, важна роль мембранных пор как каналов обмена клетки веществом и энергией с окружающей средой или другими клетками. Поэтому понимание процессов воздействия ЭМИ на биологические объекты можно рассматривать со стороны действия ЭМИ на мембранные по ры.

В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологический объект, и построение теории, позволяющей описать этот процесс хотя бы в рамках ограничен ных представлений, являются актуальной задачей.

Исследования в рамках данной работы были поддержаны аналитической ведомственной це левой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со среда ми и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета, а так же проекта № 2.1.1/ «Исследование воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой ин тенсивности на биологические системы».

Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени накоплен большой объм биологических эффектов, найденных экспериментально или предсказанных теоретиче ски, относящихся к проблеме механизмов воздействия низкоинтенсивного излучения на биоло гические системы различной сложности организации. Существует несколько основных концеп ций, объясняющих механизмы действия ЭМИ на биологические объекты различного уровня организации.

Рассмотрение проблемы биологического действия СВЧ-излучения впервые было предприня то М.Б. Голантом и Н.Д. Девятковым. В 1966 году под руководством академика Н.Д. Девяткова в НПП "Исток" создана первая в СССР лаборатория медицинской электроники, разработки ко торой в настоящее время продолжает НПП "Исток-Система". В этом же году была опубликова на первая научная работа, посвященная необычным эффектам воздействия низкоинтенсивных (менее 10 мВт/см2) электромагнитных волн миллиметрового диапазона на биологические объ екты. Основой для проведения такого эксперимента было изобретение и запуск в серийное про изводство в НПО Исток, г. Фрязино первых в мире широкодиапазонных генераторов на основе вакуумных приборов СВЧ типа ламп обратной волны [М.Б. Голант, Р.Л. Виленская, Е.А. Зюли на и др.]. Н. Д. Девятковым, совместно с Э. А. Гельвичем, В. Н. Мазохиным и др. разработаны теоретические основы и созданы аппараты СВЧ-гипертермии, выполняющие локальную элек тромагнитную гипертермию злокачественных новообразований. В настоящее время данное на правление активно развивается и теоретические наработки Н. Д. Девяткова и его коллег вопло щены в выпускаемые ныне во ФГУП «НПП Исток» установки.



Информационная гипотеза, разработанная школой академика Н. Д. Девяткова [Н.Д. Девятков, О.В.Бецкий, Н.Н. Лебедева] получила косвенное теоретическое подтверждение в работе извест ного немецкого физика Г. Фрлиха, который несколько позже и независимо от российских уч ных впервые высказал и обосновал мысль об электромагнитной когерентности в биосистемах, обратил внимание на тот факт, что собственные колебания мембран клеток, в соответствии с их физическими свойствами являются источниками ЭМИ. Есть все основания считать, что коге рентные колебания по Г. Фрлиху и акустоэлектрические колебания в плазматических мембра нах клетки есть одно и то же физическое явление (О.В.Бецкий и др., 2002).

На фоне значительного ряда работ по действию электромагнитного излучения на живые ор ганизмы возникло новое направление, заключающееся в действии этого фактора на фотосинте зирующие объекты [Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н.] и реакционные центры фотосинтезирующих бактерий.

Методы воздействия модулированных электромагнитных полей на биологические системы разного уровня организации, а так же исследование транспортных процессов в клетках с ис пользованием ионселективных электродов проводятся в Федеральном государственном бюд жетном учреждении науки Институте Биофизики Клетки Российской Академии Наук в лабора тории биологических эффектов неионизирующих излучений [Пашовкин Т.Н., Алексеев С.И.].

Несмотря на многочисленные гипотезы, выдвинутые относительно первичных механизмов действия излучения на биологические объекты, многие из них имеют неразрешимые противо речия и допущения, что не вносит ясности в изучаемый вопрос.

Целью работы является исследование физических механизмов взаимодействия электромаг нитного поля высокой частоты с биологическим объектом и определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие, выявление закономерностей влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, применение методов физической электроники для анализа процессов транспорта ионов через мембрану.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

1) проведены исследования, подтверждающие резонансный характер взаимодействия СВЧ излучения с зернами пшеницы и определены частоты, на которых наблюдается это явление;

проведен цикл исследований по влиянию внешнего ЭМП с заданными параметрами на рост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций зерен пшеницы;

2) обнаружены закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране, а следовательно, и процессы жизнедеятельности клеток.

3) предложена модель, основанная на представлении физических процессов при движении заряженных частиц, позволяющая изучать процессы, происходящие при воздействии внешне го низкоинтенсивного СВЧ – излучения;

4) обоснована возможность использования данной модели для описания ионного транспор та через биологическую мембрану;

5) произведено моделирование распределения потенциала и траекторий частиц в канале мембраны, учитывающее наличие липидных головок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) показано, что частотнозависимый характер взаимодействия может выступать в качестве одного из важных критериев, описывающих воздействие электромагнитного излучения на био логический объект;

2) установлены частоты поглощения ЭМ колебаний, в пределах которых имеет место резо нансное взаимодействие внешнего поля и исследуемого биологического объекта;

3) впервые предложена модель, позволяющая рассматривать процессы ионного транспорта через мембранную пору с учетом принятой структуры липидной мембраны, и как следствие возможность управления ионным током посредством наложения внешнего ЭМ поля с заданны ми параметрами.

Научная и практическая ценность:

1) проведено комплексное исследование и разработаны новые подходы, связанные с анали зом воздействия СВЧ-излучения на различные процессы в биологическом объекте;

2) раскрыты некоторые стороны механизмов действия СВЧ-излучения;

3) доказано влияние СВЧ диапазона длин волн в воздействии на изучаемый биологический объект;

4) Резонансные частоты поглощения СВЧ-излучения биологическим объектом, определен ные в экспериментальной части работы, позволят в дальнейших исследованиях в данном на правлении корректно выбирать частоты, на которых целесообразно проводить облучение ис следуемых образцов;





5) предложенная модель позволяет проследить процесс ионного транспорта через мем бранную пору при воздействии низкоинтенсивного СВЧ – излучения и дат возможность управления этим процессом.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы была использована сле дующая методология исследований.

В экспериментальном исследовании использовался статистический метод, дающий возмож ность получить среднестатистические результаты и обобщить их на основе большого количест ва экспериментального материала;

для расчета распределения потенциала и решения задачи электростатики использовался метод конформных отображений;

при построении картин рас пределения потенциала применялись современные методы компьютерного моделирования;

для проведения расчетов и анализа процессов транспорта ионов применялись математические ме тоды, используемые в физической электронике.

Достоверность результатов исследования обусловлена достаточным количеством резуль татов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными, строгой аналитиче ской аргументацией полученных теоретических положений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты экспериментального исследования по влиянию СВЧ-излучения низкой ин тенсивности на рост, всхожесть и скорость фотосинтетических реакций исследуемого биологи ческого объекта, подтверждающие резонансный характер такого взаимодействия.

2) Закономерности влияния ЭМИ СВЧ диапазона на размер пор в мембране.

3) Модель для описания ионного транспорта через мембранную пору, созданная на основе представления движения заряженных частиц в пространстве со сложными границами, обосно вание возможности ее использования.

4) Моделирование распределения потенциала внутри мембранной поры и построение тра екторий движения ионов по предложенной модели.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на 47-ой внутривузов ской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2010 г.), 48-ой внутривузовской научной конфе ренции ВолгГТУ (февраль 2011 г.), Международной научно – практической конференции «Актуальные проблемы науки» (г. Тамбов, сентябрь 2011 г.), 49-ой внутривузовской научной конференции ВолгГТУ (февраль 2012 г.), XXV Международной научной конференции «Мате матические методы в технике и технологиях ММТТ-25 (май 2012 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в следующих рецензируемых журналах:

«Биомедицинская радиоэлектроника», «Миллиметровые волны в биологии и медицине», «Ак туальные проблемы науки», а также в сборниках тезисов конференций. Всего – 6 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследования соот ветствует паспорту специальности 01.04.04 - «Физическая электроника», а именно пункту 3 – «Вакуумная электроника, включая методы генерирования потоков заряженных частиц, элек тронные и ионные оптические системы»;

03.01.02 – «Биофизика», а именно пункту 2 – «Биофи зика клетки: биофизика мембран;

биофизика ионных каналов».

Личный вклад автора. Автором диссертации самостоятельно выполнено исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: проведена серия экспери ментальных исследований по определению частотно зависимого характера воздействия СВЧ – излучения низкой интенсивности на исследуемый биологический объект [1], определн диапа зон частот, в пределах которого можно ожидать реакции на внешнее воздействие [2,3], по строена модель, описывающая процесс ионного транспорта через мембранную пору, обоснова на возможность использования этой модели, получено распределение потенциала и картины траекторий частиц в канале мембраны с помощью предложенной модели [4].

Постановка задач, обсуждение результатов и формулировка выводов проведены совместно с научным руководителем профессором А.Г. Шеиным.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, включает 125 страниц, 66 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, степень разработанности темы исследования, науч ная новизна, научная и практическая ценность результатов исследования, сформулированы цель и задачи исследования, методы исследования, указаны положения, вносимые на защиту, а также приводится список конференций, на которых были апробированы результаты, представ ленные в диссертации.

Первая глава является обзором литературы по теме диссертации. В ней приведен анализ влияния излучений миллиметрового и сантиметрового диапазонов на живые организмы. Сис тематизированы исследования, посвященные применению СВЧ и КВЧ излучений в сельском хозяйстве в настоящее время, описаны основные направления применения ЭМИ СВЧ и КВЧ диапазонов в медицине.

Во второй главе описано экспериментальное исследование воздействия СВЧ – излучения низкой интенсивности на всхожесть, интенсивность роста и процессы фотосинтеза исследуемо го биологического объекта – непроращенных зерен яровой пшеницы не элитного сорта [1,5].

Приведены результаты исследования зависимости спектра зерен пшеницы в ближнем инфра красном диапазоне от продолжительности воздействия на них СВЧ - излучения низкой интен сивности [2,3]. Изложена постановка задачи и цель экспериментального исследования. Экспе риментальная установка, применяемая для облучения исследуемых образцов, состояла из гене ратора высокочастотных сигналов Г4-111, соединенного с рупорной антенной. Длительность облучения образцов составляла 30 минут. После облучения, исследуемые образцы были выса жены в грунт, в емкости по 50 зерен на глубину 1 – 1,5 см. Всего – 10 мкостей для каждой ис следуемой частоты внешнего воздействия. Ежедневно, в течении 10 суток, записывалось коли чество проросших зрен, после чего растение срезалось и определялись длины выросших рост ков, измеренные от основания стебля. Рядом с облученной партией абсолютно в идентичных условиях в том же количестве высаживалась необлученная (контрольная) партия, относительно которой затем строились гистограммы всхожести и роста. Для регистрации отклика на воздей ствие выбрано отношение числа взошедших семян после облучения к числу посаженных семян (всхожесть). В экспериментальном исследовании использовался статистический метод, дающий возможность получить среднестатистические результаты и обобщить их на основе большого количества экспериментального материала.

На рисунках 1 – 3 приведены гистограммы всхожести облученных зерен пшеницы в процен тах по отношению к всхожести необлученных зерен в контрольной партии для определенных в результате эксперимента резонансных частот.

Из анализа экспериментального исследования выявлено, что прорастание облученных зерен пшеницы в абсолютном большинстве случаев происходило раньше на несколько дней, в отли чие от контрольной партии. В результате ежедневного наблюдения за ростками было отмечено, что подавляющее число проростков облученных зерен появлялось на вторые - третьи сутки, контрольных – на пятые.

250 200 ноябрь ноябрь декабрь декабрь Всхожесть, % Всхожесть, % 150 январь январь февраль февраль март март апрель апрель май май октябрь октябрь 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Время, дни Время, дни Рисунок 1 – Гистограмма всхожести Рисунок 2 – Гистограмма всхожести облученной пшеницы в % относительно облученной пшеницы в % относительно контрольной партии (f=14 ГГц) контрольной партии (f=15 ГГц) ноябрь декабрь Всхожесть,% январь февраль март апрель май 100 октябрь 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Время, дни Рисунок 3 – Гистограмма всхожести облученной пшеницы в % относительно контрольной партии (f=16 ГГц) На рисунках 4 и 5 приведены гистограммы роста облученной пшеницы в процентах по от ношению к росту пшеницы в контрольной партии в зависимости от месяца проведения экспе римента и от частоты воздействующего излучения, соответственно.

140 120 Интенсивность роста, % ноябрь Интенсивность роста, % декабрь f=14 ГГц январь 80 f=15 ГГц февраль f=16 ГГц март 60 апрель май октябрь т ль рь ль й рь рь рь р ма ма ра ва б яб ре б f=14 ГГц f=15 ГГц f=16 ГГц ка тя ян ев но ап де ок ф Рисунок 4- Гистограмма роста облучнной Рисунок 5 - Гистограмма роста облучнной пшеницы в процентах относительно пшеницы в процентах относительно контрольной партии контрольной партии (зависимость от месяца высадки) (зависимость от частоты) Результаты экспериментального исследования по воздействию ЭМИ СВЧ диапазона на всхожесть и интенсивность роста зерен пшеницы показали, что электромагнитное излучение сантиметрового диапазона оказывает на установленных резонансных частотах на зерна пшени цы как негативное (подавляющее всхожесть и интенсивность развития), так и позитивное (ус коряющее всхожесть и развитие ростков) влияние [1].

Другой задачей экспериментального исследования было изучение процессов фотосинтеза проросших ростков пшеницы. Как известно, срезанное растение некоторое время остается жи вым, и процесс фотосинтеза в нем происходит с выделением кислорода. В герметично закупо ренных пробирках, заполненных раствором бикарбоната натрия, через некоторое время дости гается насыщение раствора кислородом. В результате, измеряя давление в закрытой емкости, можно оценить, насколько интенсивно протекает процесс фотосинтеза.

На рисунках 6,7 приведены графики изменения давления с течением времени в пробирке со срезанными ростками пшеницы для разных месяцев проведения эксперимента [5]. Абсолютная График изменения давления с течением времени График изменения давления с течением времени (январь) погрешность при определении давления в пробирке не превышает величину 0,5 кПа.

(декабрь) 102, Давление, кПа контроль Давление, кПа 101,5 контроль f=14 ГГц f=14 ГГц f=15 ГГц f=15 ГГц f=16 ГГц 100,5 f=16 ГГц 100 99,5 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Время, мин Время, мин Рисунок 6 – График изменения давления с Рисунок 7 – График изменения давления с течением времени (декабрь) течением времени (январь) Анализ результатов эксперимента показал, что наибольшее увеличение давления в пробир ках во всех случаях наблюдалось зимой - в январе и феврале. В остальное время наблюдалось в основном незначительное изменение давление для всех образцов. Интересная особенность за мечена в январе (рисунок 7), когда наименьшее давление в самом начале эксперимента было внутри пробирки с растениями из контрольной партии. К концу эксперимента давление в этой же пробирке достигло наибольшего значения среди всех образцов.

Таким образом, в ходе проведенного экспериментального исследования по воздействию ЭМИ СВЧ диапазона на выбранный биологический объект установлено, что на процессы фото синтеза на выбранных резонансных частотах облучение производит в основном угнетающее действие. Кроме того, установлено, что при воздействии на частотах, способствующих увели чению показателей всхожести и интенсивности роста, скорость фотосинтеза замедляется, и, на оборот. На частотах облучения, подавляющих процессы роста и всхожести, скорость фотосин теза увеличивается [5].

Эта интересная особенность, возможно, наблюдается за счет наличия в изучаемом биологи ческом объекте, и живых организмов в целом, различных энергетических уровней биологиче ски активных макромолекул, которые соответствуют процессам развития растения и процессам фотосинтеза. Именно поэтому, воздействие на определенных частотах приводит к резонансно му взаимодействию с различными молекулами и их частями, ответственными за тот или иной биологический эффект. И, как следствие этого, активируются или процессы развития и роста растения, или процессы фотосинтеза.

По полученным в ходе экспериментального исследования результатам, можно видеть, что нетепловые эффекты воздействия ЭМИ СВЧ имеют резонансный характер взаимодействия (т. е.

существуют частоты, на которых воздействие положительно или отрицательно) [1]. Такой ре зультат экспериментального исследования подтверждает целесообразность дальнейшего изуче ния данного вопроса.

В третьей главе приведен расчет характерных размеров гидратированных ионов. Показано, что через мембрану способны проходить ионы, имеющие размеры, превышающие размер ион ного канала.

Согласно современным представлениям, селективность мембраны, прежде всего, определя ется радиусом транспортируемого иона. Ионы, радиус которых превышает радиус канала, не способны проходить через канал вследствие такого несоответствия. Однако, ионы, обладающие меньшим радиусом, по сравнению с радиусом канала, также не всегда могут пройти через ка нал. Этот эффект объясняется тем, что ионы в водном растворе всегда находятся в гидратиро ванном состоянии и при прохождении через мембранную пору теряют воду послойно. Опреде лено, что прохождение иона через мембрану осуществляется в одной гидратной оболочке. По скольку именно в таком состоянии радиус проходящего иона соответствует радиусу мембран ной поры, через которую осуществляется транспорт.

Несмотря на то, что такие рассуждения об избирательной проницаемости мембраны являются наиболее распространенным в современной общей физиологии, тем не менее данные представ ления о переносе ионов совершенно не учитывают сложную структуру биологической системы и обязательное наличие внутренних структурных элементов мембраны, несомненно влияющих на процессы ионного транспорта.

Глава содержит описание подходов к построению модели воздействия СВЧ излучения низ кой интенсивности в предположении, что основным фактором является прохождение ионов че рез биологические мембраны.

В четвертой главе представлено исследование влияния СВЧ - излучения на размер пор в мембране и выявление основных закономерностей такого воздействия. Вычислено, что раз ность потенциалов, создаваемая СВЧ полем на поверхности мембраны может быть сравнима с собственным мембранным потенциалом клетки.

Формула для энергии поры как функции радиуса имеет вид:

С E (r ) 2r r 2 В 1 0, 2 (1) М где - линейное натяжение периметра поры, - натяжение мембраны, В - диэлектрическая проницаемость воды, М - диэлектрическая проницаемость мембраны, С0 – емкость единицы поверхности бездефектного участка мембраны, – разность потенциалов (складывается из соб ственного мембранного потенциала и потенциала, создаваемого СВЧ полем).

На рисунке 8 показана зависимость энергии поры от ее радиуса при различных потенциалах.

Анализ кривых показывает, что с увеличением радиуса энергия поры растт, поскольку уве личивается периметр поры, и одновременно энергия уменьшается пропорционально росту по верхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. В результате, появляется кри вая с максимумом, что позволяет количественно оценить критические параметры мембраны (критический радиус поры, высоту энергетического барьера).

Рисунок 8 - Энергия поры как функция радиуса при различных значениях мембранного потен циала, рассчитанная по формуле (1): =10-8Н, =10 Н/м, м=9, в=81, С0=10 Ф/м Из рисунка видно, что с увеличением потенциала, энергия уменьшается и максимум смеща ется влево.

Вычислена зависимость среднего времени жизни мембраны от потенциала, которая выража ется формулой:

E C 2 (2) k БT ( ) t Ae Ae k БT, где А - константа. Анализ показывает, что форма зависимости t ( ) гораздо более чувствительна к изменению параметра, чем к изменению.

Без наложения СВЧ поля величина t составляет от 1 мс до 1 с для долгоживущих пор. При наложении поля эта величина уменьшается или увеличивается в зависимости от направления приложения добавочного потенциала.

Важным выводом является тот факт, что СВЧ - излучение способно влиять на размеры де фектов в виде пор и на их дальнейшую судьбу. Критический радиус изменяется от 0,89 нм при =0,1 В до 0,2 нм при =1,0 В Таким образом, наводимый СВЧ полем потенциал, ввиду своей сравнимости с природным ста тическим потенциалом (~ 0,1 В), способен воздействовать на размеры пор, не вызывая разру шения мембраны, и составляет 0,089-0,892 В. Такое воздействие будет способствовать ускоре нию или замедлению ионного транспорта в зависимости от направления приложения внешнего потенциала. Среднее время жизни поры составляет величины от 1 до 100 мс.

С использованием модели критической поры показано, что СВЧ воздействие изменяет раз меры пор, тем самым, воздействуя на ионный транспорт через мембрану.

Пятая глава содержит описание понятия «мембранный потенциал», а так же включает де тальное рассмотрение существующих теорий и анализ их недостатков для описания транспорта веществ через мембрану, необходимое для дальнейшего рассмотрения основных вопросов дис сертации.

Существует два основных подхода к описанию прямого прохождения заряженных частиц: дис кретный и непрерывный.

Уравнение (3) называется уравнением электродиффузии или уравнением Нернста—Планка, оно описывает диффузию ионов в растворе или в гомогенной незаряженной мембране [7].

k T d dn J n u e B 1 i z (3) i i e n dx i dx i i В предположении, что электромагнитное поле оказывает влияние на движение заряженных частиц, в рамках электродиффузионной теории, выражение для силы тока имеет вид:

d k T dn E 0 E I i 4Rm 2 ni ui e B 1 i zi dx t (4) e ni dx Первое слагаемое в (4) описывает составляющую полного тока, обусловленную градиентом концентрации, второе - градиентом статического потенциала, третье и четвертое - наличием внешнего СВЧ-поля [3].

Согласно электродиффузионной теории движение ионов через мембрану представляется как движение заряженных независимых и невзаимодействующих между собой частиц.

Представление о линейной зависимости потенциала от расстояния в первом приближении оправдано по отношению к тонким мембранам с толщиной 10 нм, другие же предпосылки электродиффузионной теории в случае ионного транспорта нарушаются.

Мембрана не является однородной фазой для движения ионов, поскольку перенос ионов че рез мембраны осуществляется через специализированные участки - ионные каналы, представ ляющие собой липопротеиновые комплексы сложной структуры.

В узких каналах (натриевый — 0,31 * 0,51 нм, калиевый — 0,45 * 0,45 нм) невозможна неза висимая диффузия, а допустимо только однорядное движение ионов. Вследствие узости поры в канале могут происходить сильные ион-ионные взаимодействия. Таким образом, существуют явления, которые нельзя объяснить с помощью представлений о свободной диффузии.

В последнее время сформировалась новая теория - дискретный способ описания транспорта веществ через мембраны [6]. Основным выводом по данной главе является утверждение о том, что существующие теории не могут дать исчерпывающее объяснение процессу ионного транс порта, поскольку имеют в описании наличие серьезных упрощений, а выведенные математиче ские соотношения справедливы только для искусственных мембран.

В шестой главе предлагается собственная модель поры мембраны [4]. Для этого уточняется геометрия поры и мембраны с учетом строения липидных мембран. Известно, что расстояние между соседними головками равно 0,88 нм. Получаем, что в пределах толщины мембраны умещается 3-4 липидные головки (рисунок 9). Все характерные размеры приведены на рисун ке. В связи с этим распределение электрического поля по толщине поры можно рассматривать по аналогии с электронной лампой с пятью электродами - пентодом.

На рисунке 10 изображена пентодная модель поры. Там же приведены геометрические раз меры системы.

Рисунок 9 – Геометрия поры Рисунок 10 – Пентодная модель поры В результате выполненного расчета распределения потенциала по толщине поры, получены следующие соотношения [6]:

2x 4x 2x 2y U 1 (Qk * Qc * ln 1 2* ) cos L 2 0 L 2 L L 4x 4 2x 2 2y 2* (5) Qd * ln cos L L 2 L LL 4x 4 2x 2 2y 2* B Qz * ln cos L L 2 L LL Для определения структуры электростатического поля вдоль канала поры получены соотно шения:

R 2 Qc ln 2 sin c U c 2 0, Qk L L R 2 ( ) 2 Qd ln 2 sin c U d 2 0, Qc Qk L L L (6) R 2 ( ) 2 2 ( ) Qc Qd Qz ln 2 sin c 0, Qk L L L L 2 ( ) 2 2 ( ) 2 ( ) U a 2 0.

Qc Qd Qz Qk L L L L Определяя из системы (6) неизвестные величины зарядов Qk, Qc, Qd и Qz и подставляя их в (5) получено выражение для расчета распределения потенциала в плоском пентоде. Численный расчет значений производился на ЭВМ.

Шестая глава включает компьютерное моделирование распределения потенциала в пентоде и биологической системе, а так же их сравнение. Учитывая закон подобия для электростатиче ских систем, для некоторой поры мембраны расстояния между соседними липидными головка ми, которые в данной схеме эквивалентны расстоянию между электродами, и размер сечений головок выбираются равными (в миллиметрах): = 0,5 (мм), =2,5 (мм), =3,5 (мм), =4, (мм), шаг навивки сеток L=1 (мм), радиус сетки Rc=0,00500 (мм). Для заданных параметров пентода картина распределения потенциала приведена на рисунке 11 [6]. С учетом параметров, характерных для живой биологической системы (расстояния между электродами (толщина мембраны): = 0,6 (нм), =0,9 (нм), =1,8 (нм), =2,4 (нм), расстояние между липидными го ловкам L=0,8 (нм), размер головки Rc=0,1 (нм)), получается следующая картина (рисунок 12).

Рисунок 11 – Картина распределения Рисунок 12 – Картина распределения потенциала в плоском пентоде потенциала в модели плоского пентода Сравнивая изображения на рисунках 11 и 12, можно придти к выводу, что на обоих рисунках наблюдается схожее распределение потенциала в системе. Это свидетельствует о том, что предложенная пентодная модель поры может достаточно хорошо описать распределение по тенциала вдоль поры в мембране.

В шестой главе так же приведен расчет времени пролета частицы между электродами. Его 2md величина описывается выражением.

eU Для определения траекторий движения частиц используется выражение (7), полученное при решении уравнения движения:

eU 0 (t t ) cost sin t sin t x(t ) (7) md 2 0 0 Здесь d - расстояние катод – сетка, сетка – сетка, сетка – анод. Данное выражение справедли во как для триода, так и для ламп с большим количеством сеток, поскольку учитывается малая проницаемость сетки и переменная составляющая действующего потенциала определяется только переменным напряжением на сетке, т.е. U д U 0 sin t.

Движение частиц сильно зависит от соотношения между фазой напряжения и моментом на чала движения t0.

Построим по формуле (7) пространственно – временную зависимость x(t,t0) положения час тиц, влетающих в поле в различные моменты t0. На рисунке 13 t 0, T, T, T, T, где Т – период 12 6 4 изменения U(t).

Из рисунка видно, что некоторые частицы достигают электродов после нескольких колеба ний. Зависимость скорости от координаты для частиц разного знака приведена на рисунке 14.

Рисунок 13 – Пространственно – Рисунок 14 – Зависимость скорости временная диаграмма движения частиц x(t,t0) частицы от координаты (сплошная линия – при переменном напряжении U(t) усредненное значение для частиц положительного знака, пунктирная линия – отрицательного знака) В пространстве сетка – анод при сверхвысоких частотах время пролета увеличивается и ста новится сравнимым с периодом. В этом случае за время движения электронов происходит зна чительное изменение разности потенциалов между электродами. Разность потенциалов между сеткой и анодом равна U E U sin(t ) U E 1 sin(t ) U д д a a a U Здесь U д - действующий потенциал сетки,. В рассматриваемом случае пентода, вели a E a чина действующего потенциала мала, и ее влиянием можно пренебречь. Тогда можно записать следующее уравнение движения d 2x E m 2 a 1 sin(t ) (8) d dt Интегрируя (8) один и два раза, получим следующие выражения для скорости и пути соот ветственно:

e Ea (t t ) cos(t ) cos(t ), V (t ) m d x 0 e Ea 1 (t t ) 2 sin(t ) sin(t ) (t t ) cos(t ) x(t ) (9) m 2d 2 0 0 0 Из (8) видно, что тормозящий полупериод переменного поля между сеткой и анодом начина ется при t и заканчивается при t 2.

На рисунке 15 приведена картина траекторий частиц в пентоде по формулам (7) и (9).

Используем для расчета траекторий характерные размеры биологической системы (рисунок 10).

На рисунке 16 изображены траектории частиц через мембрану, рассчитанные по модели пен тода с использованием методов физической электроники. Изменение напряжения на сетках по зволяет фокусировать электронный поток (рисунок 17).Таким образом, давая возможность управлять ионным током через мембрану за счет изменения параметров системы.

Рисунок 15 – Траектории Рисунок 16 – Движение Рисунок 17 – Фокусировка частиц в высокочастотном частиц через мембрану электронного потока пентоде В работе доказано, что воздействие внешнего СВЧ – излучения способно влиять на размер мембранных пор, увеличивая или уменьшая размер дефекта в зависимости от направления при ложенного потенциала. Таким образом, увеличивая размер поры вплоть до критического радиу са, имеющего значение от 0,89 нм при =0,1 В до 0,2 нм при =1,0 В (не вызывая разрушение мембраны) можно добиться увеличения количества частиц, проходящих через мембрану, уско ряя тем самым процесс ионного транспорта в биологической системе. Предложенная модель позволяет наглядно моделировать процесс транспорта частиц с использованием наперед задан ных параметров внешнего воздействия и дает возможность управления ионным током с учетом выбранных параметров.

Основные результаты исследования.

1) Экспериментально определены резонансные частоты взаимодействия СВЧ – излучения с исследуемым биологическим образцом. Так, из исследуемого диапазона частот от 6 до 18 ГГц, резонансными оказались частоты 14, 15 и 16 ГГц. Облучение зерен пшеницы ЭМИ СВЧ на этих частотах производит на показатели роста и всхожести как положительное, так и угнетающее действие. При этом облучение на частотах, подавляющих процессы роста и всхожести, ско рость фотосинтеза увеличивается.

2) Анализ экспериментальных данных показал, что прорастание облученной пшеницы в аб солютном большинстве случаев происходит раньше на несколько дней, в отличие от контроль ной партии не облученных зерен. Увеличение показателей интенсивности роста и всхожести наблюдается в ноябре, декабре и мае. Наименьшая интенсивность роста и всхожесть наблюда лась у зерен в зимний период - в январе и феврале.

3) СВЧ - излучение способно влиять на размеры мембранных пор. Критический радиус из меняется от 0,89 нм при =0,1 В до 0,2 нм при =1,0 В. Определено, что наводимый СВЧ полем потенциал, в виду своей сравнимости с природным статическим потенциалом (~ 0,1 В), спосо бен воздействовать на размеры дефектов, не вызывая разрушения мембраны, и составляет 0,089-0,892 В. Такое воздействие способствует ускорению или замедлению ионного транспорта в зависимости от направления приложения внешнего потенциала.

4) Предложена модель мембранной поры для описания процессов ионного транспорта через биологическую мембрану при воздействии ЭМ излучения СВЧ диапазона. Модель основана на наличии сходства между структурой пентода и ионного канала клетки, что позволяет по анало гии с распределением потенциала в электронной лампе получать распределение потенциала в мембранной поре. При этом в биологической системе роль сеток выполняют липидные головки.

Данная модель учитывает наличие нелинейного распределения потенциала внутри мембранно го канала, в отличие от существующих подходов, использующих приближение постоянного по ля.

5) Получено выражение для расчета распределения электрического поля в пентодной сис теме, разработана программа для получения распределения потенциала в системе и анализа траекторий частиц при прохождении через мембранную пору с применением методов, исполь зуемых в физической электронике.

Представленные в работе результаты показывают, что исследование физических механиз мов воздействия высокочастотного электромагнитного излучения на биологический объект представляет не только чисто научный, но и практический интерес.

Построение модели поры мембраны можно рассматривать как один из шагов к даль нейшему пониманию представлений о физических механизмах воздействия сверхвысокочас тотного излучения на биологические системы, в том числе и для создания микроминиатюрных приборов.

Список цитируемой литературы Костюк, П.Г. Биофизика [Текст]/П.Г. Костюк [и др.].– Киев: Высшая школа, 1988.– с.

2 Бецкий, О.В. Стохастический резонанс в медицине и биологии [Текст]/ О.В. Бецкий, Н.Н. Лебедева, Т.И. Котровская// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2003. – №1. – С. 3 – 9.

3 Никулин, Р.Н. Определение резонансных частот биологической клетки, представленной в виде эквивалентной схемы замещения [Текст]/Р.Н. Никулин// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2005. – №3. – с. 10 – 17.

4 Шеин, А.Г. Расчет акустических колебаний клетки [Текст]/ А.Г. Шеин, А.В. Харланов, Р.Н. Никулин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2005. – №3. – с. 18 – 25.

5 Никулин, Р.Н. Расчт резонансных частот электромагнитных колебаний клетки, пред ставленной в виде электрической схемы замещения [Текст]/Р.Н. Никулин // Физическая метро логия. Вестник Поволжск. Отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Вып. 5. – С. 75 – 81.

6 Рубин, А.Б. Биофизика: биофизика клеточных процессов [Текст]. Т.2./ А.Б. Рубин. – М.: Высшая школа, 1999.– 303 с.

7 Никулин Р.Н. Физические механизмы воздействия СВЧ – излучения низкой интенсивно сти на биологические объекты: Диссертация кандидата физ.-мат. наук.- Волгоград, 2004. – с.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Шеин, А.Г. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ – излучения низкой ин тенсивности на всхожесть и интенсивность роста зерен пшеницы/ А.Г. Шеин, Р.Н. Никулин, И.А. Ковалев, Д.Г. Артемова, Лыу Хуен Чанг, М.П. Никулина//Биомедицинская радиоэлектро ника. – 2009. - №4. – С.10-13.

2 Никулин, Р.Н. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ-излучения низкой ин тенсивности на БИК-спектральные характеристики зерен пшеницы/ Р.Н. Никулин, С.И. Нико лаев, И.О. Кулаго, В.В. Гамага, С.Н. Родионов, Д.Г. Артемова, М.П. Никулина, И.Е. Папыкин, Лыу Хуен Чанг//Биомедицинская радиоэлектроника. – 2010. - №6. - С.16-21.

3 Никулин, Р.Н. Исследование зависимости спектра зерен пшеницы в БИК диапазоне от продолжительности воздействия на них СВЧ излучением низкой интенсивности хемометриче скими методами/ Р.Н. Никулин, И.О. Кулаго, А.Г. Шеин, С.И. Николаев, С.Н. Родионов, Д.Г.

Артемова, М.П. Никулина, И.Е. Папыкин, Лыу Хуен Чанг // Биомедицинская радиоэлектрони ка. - 2011. - №6. - С. 22-26.

Статьи, материалы конференций:

4 Артемова, Д.Г. Один из вариантов модели поры мембраны / Д.Г. Артемова, Р.Н. Никулин, А.Г. Шеин // Миллиметровые волны в биологии и медицине. — 2009. — № 4. — C. 20-26.

5 Грецова, Н.В. Исследование воздействия ЭМИ СВЧ нетеплового уровня мощности на фо тосинтез ростков злаковых культур/ Н.В. Грецова, Д.Г. Артемова, А.В. Летяева//Актуальные проблемы науки: сб. науч. тр.. Часть 5, 2011. - С. 40-42.

6 Никулин, Р.Н. Моделирование распределения электрического поля в мембране посредст вом пентодной модели/Р.Н. Никулин, Д.Г. Артемова// Математические методы в технике и тех нологиях – ММТТ - 25: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: Т.4.: под общ. ред. А.А. Боль шакова.- Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012. – C. 96- Подписано в печать _. Формат 60х84 1/16.

Усл. п. л. 1,0. Печать офсетная. Бумага офсетная. Типография Издательства Волгоградского государственного тех нического университета. 400005, Волгоград, пр. им. В.И.Ленина, 27. Заказ №. Тираж 100 экз.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.