Доклад: Некоторые новые представления о причинах формирования стимулирующих эффектов КВЧ-излучения

Существует в то же время ряд работ, рассматривающих иные свойства КВЧ-излучения при действии его на спектр объектов от модельных систем до интактных организмов.

При применении КВЧ-излучения в комплексном лечении заболеваний сердечно-сосудистой системы показано, что миллиметровое излучение обладает выраженным антиоксидантным действием, причем изменение содержания продуктов перекисного окисления липидов и увеличение антиоксидантного потенциала крови коррелирует с клиническим эффектом проводимых процедур [34]. При исследовании показателей перекисного окисления липидов крови у больных нестабильной стенокардией было показано влияние ММ-терапии на нормализацию показателей и антиоксидантную систему организма [35].

Отмечалось, что усиление свободнорадикальных реакций в мембранах клеточных элементов крови ведет к изменению проницаемости мембраны эритроцитов. Рецепция ММ волн разными видами тканей, по-видимому, связана со свободнорадикальными реакциями типа перекисного окисления липидов [36]. Мы уже говорили о работах, где изучалось усиление перекисного окисления липидов в липосомах и бислойных мембранах, на коже лягушки, что связывалось с конвекцией на границах фаз [32].

Изменение активности перекисного окисления липидов и тиол-дисульфидного обмена по реакции конечных продуктов окисления с 2-тиобарбитуровой кислотой при облучении ММ волнами интактных животных наблюдалось в работе [37].

В интересных работах, вышедших в последнее время, рассматривается регуляция активности супероксиддисмутазы и образование реактивных форм кислорода в водных растворах под действием КВЧ-излучения [22, 38].

Авторы [22] показали, что при облучении Na₂ CO₃ /NaHCO₃ буфера СВЧ-полем 0,8 см диапазона (в сущности КВЧ-диапазона при lambda = 8 мм) в буфере образуются микромолярные концентрации перекиси водорода и, возможно, другие долгоживущие продукты, и предположили, что K - Ca - каналы активируются облученным буфером благодаря образующейся там перекиси водорода. В работе [38] было показано значительное образование реактивных форм кислорода, в частности, перекиси водорода в водных растворах под действием КВЧ-излучения, которые могут сохраняться в течение длительного времени и осуществлять опосредованное действие КВЧ-излучения на биосистемы.

Большинство имеющихся работ таким образом указывает на мембраны клеток различных объектов от растительных до мембран эритроцитов как на основное место приложения ММ излучения, где разворачиваются первичные механизмы, определяющие конечные эффекты действия. Различна, по мнению разных авторов, лишь суть механизмов, происходящих в мембранах. Приведенные литературные и наши данные по снятию действия КВЧ-излучения отсуствием О₂ , на наш взгляд, указывают на накопление в липидной фазе, в первую очередь мембран, перекисных и свободнорадикальных состояний, делая эту стадию воздействия КВЧ-излучения определяюще важной по сравнению с конвективным переносом веществ.

В наших экспериментах обнаружено исчезновение стимулирующего эффекта КВЧ-излучения на прирост биомассы S.platensis после добавления селенита натрия (Na₂ SeO₃ ) в концентрации 50 мг/л на 10 сутки культивирования (рисунок). Известно, что соединения селена проявляют значительную антиоксидантную активность и значит должны уменьшать концентрацию перекисных и свободнорадикальных состояний, что подтверждает высказанное нами положение. Согласно работе, селен включается в активные центры глутатионпероксидазы и пероксидазы [39]. Показано также, что присутствие селенита натрия индуцировало образование глутатионпероксидазы у Chlamydomonas [ 40].

Рассматривая действие миллиметровых волн нужно учитывать ряд их особенностей. Известно, что при использовании низкоинтенсивных электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с плотностью мощности порядка нескольких единиц, не более 10 мВт/см² общий нагрев облучаемого вещества (тепловой массаж) является, видимо, несущественным и составляет величину порядка 0,1 С [41], хотя есть исследователи, придающие ему определенное значение.

К тому же энергия кванта излучения, даже в этой коротковолновой части КВЧ диапазона, остается все еще меньше энергии теплового движения, что делает нагревание объектов проблематичным. Верхним энергетическим порогом нетепловых биологических эффектов ММ волн можно считать величину Р = 10 мВт/см² [42].

Таким образом, взаимодействие КВЧ-излучения с биологическими объектами, видимо, не обусловлено нагревом вещества.

Далее важно, что излучение в ММ диапазоне сильно поглощается различными веществами, в том числе водой и водными средами. Например, плоский слой воды толщиной 1 мм ослабляет излучение при lambda = 8 мм на 20 дБ [27], при длине волны 7,1 мм в 100 раз, а при длине волны 2 мм - в 10 000 раз.

Весьма важным нам всегда казалось несоответствие между малой величиной поглощенной энергии при однократном КВЧ-облучении фотосинтезирующих организмов и величиной "ответа", выражающейся в ускорении роста и значительном увеличении выхода биомассы. Это позволяет нам говорить об изменениях транспортной функции мембран, связанных, возможно, с наличием самоускоряющихся механизмов, развивающихся в их липидной фазе, как о важнейшей вероятной причине, влияющей на метаболизм облученных клеток, в том числе на проявление стимулирующих эффектов.

Если попытаться подсчитать поглощенную биологическим объектом энергию КВЧ-излучения, например, цианобактерией Spirulina platensis при однократном облучении ее в наших опытах, то следует, видимо, учитывать площадь облучаемой поверхности, мощность облучения и время воздействия. Например, облучение мы производили в круглых фторопластовых сосудах типа чашек Петри диаметром 5,5 см при мощности излучения порядка 2,2 мВт/см² и lambda = 8,34 мм. Тогда за время облучения, равное 30 мин (оптимальное время для стимуляции роста S.platensis ), чашка получит при однократном облучении, как показывает простой расчет, количество поглощенной энергии приблизительно равное 94 Дж или примерно 24 кал. Так как облучаемый объект находится в водной суспензии с толщиной слоя около 0,5 мм, то КВЧ-излучение ослабляется в этом слое, но и сами цианобактерии занимают при концентрации 0,03 г/л лишь небольшую часть облучаемого инокулята и все это, как нам кажется, дает основания уменьшить величину поглощенной энергии, как минимум, еще на порядок. При таких величинах нагревание объекта вряд ли может серьезно рассматриваться.

Тем не менее, как мы говорили, такое малое количество однократно поглощенной энергии вызывает как у прокариотных, так и у эукариотных фотосинтетических организмов такие весьма существенные последствия, как ускорение роста, увеличение выхода биомассы в 2-2,5 раза, увеличение количества пигментов в клетке до 3,5 раз, и уровня экскреции органических соединений в среду, что на наш взгляд свидетельствует о присутствии самоускоряющихся механизмов в развитии последствий облучения.

При изучении поглощения (выделения) ионов калия, натрия, хлора и нитрата в период роста цианобактерии S.platensis после воздействия КВЧ-излучения нами было показано, что концентрация ионов, особенно натрия и нитрата, в культуральной жидкости изменялась в зависимости от возраста культуры и параметров облучения [43 - 45].

Обнаружен двухфазный характер транспорта иона натрия у облученной культуры S.platensis . После облучения мы наблюдали изменения и в быстрой, и в медленной фазах кинетических кривых, отражающих транспорт натрия, что проявлялось уже на 10 сутки культивирования и зависело от параметров облучения. Определяющим для обоих типов транспорта является степень проницаемости поверхностной мембраны клетки [46]. Наши данные подтверждают мнение о том, что первичное действие КВЧ-излучения состоит в изменении проницаемости мембран и их транспортных свойств. Присутствие кислорода, очевидно, важно для возникновения изменений функционального состояния мембран, их проницаемости и для развития реакций последействия во времени, идущих по принципу самоускорения, как главных причин выраженного стимулирующего действия КВЧ-излучения на фотосинтезирующие объекты.

Подобные механизмы описывались ранее, например, при развитии первичных реакций лучевого поражения под влиянием гамма-излучения и представляли собой реакции цепного автокаталитического типа [21]. В пользу этого говорил ряд фактов, в частности, наличие несоизмеримости количества поглощенной энергии при действии гамма-излучения и ответной реакции организма позволило еще в 50 - х годах сформулировать гипотезу о решающей роли цепного окисления липидов в действии ионизирующей радиации, а затем - и в действии других повреждающих факторов [21]. Большой школой химиков было показано, что процесс образования перекисей липидов в подобных явлениях имеет цепной, свободнорадикальный механизм, характерный вообще для реакций окисления органических соединений непосредственно молекулярным кислородом [47].

Это не означает знака равенства в механизмах действия КВЧ-излучения и ионизирующей радиации, но некоторые внешние проявления имеют здесь сходство. Подобным действием обладает, по-видимому, и ультрафиолетовое облучение, вызывающее образование свободных радикалов в биологических системах и накопление перекисей. Ряд авторов отмечает, что УФ-облучение приводит к изменению транспорта ионов через мембрану: перекисное окисление липидов в мембранах приводило к повышению их проницаемости при сравнительно небольших дозах УФ [48]. Известно, что перекисное окисление связано также с потреблением кислорода, возможно поэтому при изучении действия УФ-облучения на биомолекулярные фосфолипидные мембраны [49] оказалось, что облучение в атмосфере аргона было значительно менее эффективным, чем в присутствии растворенного кислорода.

Весьма вероятно, что присутствие кислорода при КВЧ-облучении ответственно за дальнейшее образование и накопление радикальных и перекисных состояний и развитие автокаталитических реакций типа цепных, идущих в липидной фазе клеток, в первую очередь, мембран с накоплением конечных продуктов, приводящих к изменениям их функционального состояния, подобно тому, как это было показано ранее при облучении ионизирующей радиацией [21].

Таким образом, одной из причин нетеплового влияния КВЧ-излучения на биологические объекты может быть воздействие образуемой перекиси водорода, сильного акцептора электронов, способного регулировать функционирование многих ферментативных систем. Присутствие образующихся перекисей могло бы интенсифицировать процессы фотосинтеза вместе с накоплением пигментов, что мы и наблюдали в результате КВЧ-облучения [11]. Это хорошо совпадает со взглядами, согласно которым, фотосинтетический кислород формируется не из воды, а из пероксида водорода экзогенного и эндогенного происхождения [49, 50], и значит увеличение перекисей под действием каких-либо факторов в клетке соответствовало бы интенсификации фотосинтеза.

Вопросы пролонгированности действия КВЧ-излучения обсуждались в литературе, но не получили на наш взгляд окончательного толкования. Их пробовали связывать как с "памятью воды", так и с некими неизвестными свойствами клетки.

В работах [51] отмечается, что время "памяти" воздействия КВЧ-излучения на микроорганизмы даже при их постоянных пересевах может достигать нескольких месяцев, причем возвращение к исходным свойствам совершается постоянно. Наблюдается, по мнению авторов, "запоминание" организмом воздействий КВЧ на более или менее длительное время [52, 38].

По нашим данным действие КВЧ-излучения на фотосинтезирующие организмы имеет пролонгированный характер, постепенно ослабевая ко второму пассажу на фоне сохраняющегося повышенного количества пигментов в клетках (табл.1). Эти данные свидетельствуют о сохранении стимулирующего эффекта облучения на прирост биомассы при последующих пассажах облученной культуры S.platensis . В связи с этим представляло интерес выяснить, как меняется при этом фотосинтетическая активность. Оказалось, что она у облученных ранее культур гораздо выше контрольных, что совпадает с данными по приросту биомассы. К 30 суткам роста фотосинтетическая активность во всех вариантах выравнивалась (табл.2).

Табл.1. Пролонгированное действие стимулирующего эффекта КВЧ-излучения у S.platensis (биомасса в г/л)

Табл.2. Изменение фотосинтетической активности при пролонгированном действии КВЧ-излучения у S.platensis

Мы определяли также спектральные характеристики при пролонгированном действии КВЧ-облучения при длине волны 8,34 мм у культур P.viridis на 20 сутки в первом пассаже после облучения. Контролем служила необлученная культура. Результаты измерений представлены в табл.3. Видно, что увеличение количества пигментов, свидетельствующее об интенсификации процесса фотосинтеза в результате действия КВЧ-излучения при оптимальных параметрах, сохраняется в течение значительного времени, особенно при оптимальном времени облучения, равном 60 мин.

Табл.3. Пролонгированное действие КВЧ-излучения на структуру пигментов у зеленой водоросли P.viridis (lambda = 8.34 мм, P = 2,7 мВт/см₂ , первый пассаж)