На эту статью можно ссылаться, ее адрес в интернете:          www.biophys.ru/archive/congress2006/pro-p21.htm

 

Амплитудная зависимость биологических эффектов крайне слабых переменных магнитных полей с частотой 60 Герц

Белова Н.А., Ермакова О.Н., Ермаков А.М.1, Леднев В.В.

 

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Россия,

142290, Пущино, ул. Институтская,3

Тел. (4967) 73-94-75, факс (4967) 33-05-53, e-mail: belova@iteb.ru

1Пущинский Государственный Университет, Россия, 142290, Пущино

 

Введение

К настоящему времени твердо установлено, что низкочастотные переменные магнитные поля с амплитудами (величинами магнитной индукции) равными или превышающими 10 мкТл способны индуцировать биологические эффекты в ряде биосистем. Такие поля широко используются в медицине, в частности, для ускорения процессов регенерации мягких и костных тканей. Однако, в повседневной жизни, население, как в быту, так и на производстве подвергается воздействию значительно более слабых или крайне - слабых переменных магнитных полей (КС ПеМП) как техногенного, так и природного происхождения. Амплитуда фоновых магнитных полей промышленных частот (50-60 Гц) в большинстве жилых домов находится в диапазоне от 0.01 до 1-2 мкТл, но на рабочих местах некоторых предприятий может достигать 5-6 мкТл. Появляется все больше экспериментальных доказательств того, что КС ПеМП оказывают существенное воздействие на ряд биологических процессов. [1-16]. Важно отметить, что в абсолютном большинстве случаев эксперименты с ПеМП и, в частности, с КС ПеМП выполняются на фоне постоянного магнитного поля Земли, величина магнитной индукции которого ,  0 мкТл. Соответственно, в общем случае термин КС ПеМП означает, что используется комбинированное магнитное поле, содержащее постоянную и крайне слабую переменную компоненты. Учет этого обстоятельства важен для понимания физического механизма воздействия КС ПеМП на биологические системы. Тем не менее, термин “биоэффекты КС ПеМП” часто используется для краткости, а также с тем, чтобы подчеркнуть специфичность механизма действия таких полей.

Следует отметить, что влияние ПеМП c амплитудами не менее 10 мкТл на свойства биосистем, как правило, не вызывает сомнений. Вместе с тем некоторые авторы отрицают даже принципиальную возможность биологического действия ПеМП с амплитудами <10 мкТл [8, 17]. Вопреки утверждениям о том, что “…существование биологических эффектов низкочастотных магнитных полей c амплитудами < 2 мкТл представляется невероятным в рамках современной физики и биологии…” [8], появляется все больше экспериментальных данных относительно влияния КС ПеМП на свойства биосистем. Примечательно, что важные данные относительно влияния синусоидального магнитного поля (ВАС =1.7 мкТл, fАС = 60 Гц) на онкостатическое действие мелатонина в культуре раковых клеток груди человека [4] были независимо проверены и подтверждены еще в трех лабораториях [5, 7, 14, 15].

Несмотря на определенный, хотя и чрезвычайно медленный, прогресс в получении экспериментальных доказательств биологической эффективности некоторых типов КС ПеМП, практически отсутствуют какие-либо обоснованные представления о возможных механизмах биоэффектов таких полей. В свою очередь, для построения теоретических моделей взаимодействия КС ПеМП с биосистемами и для проверки их достоверности необходимо иметь экспериментальные данные о зависимости величины биоэффектов от параметров используемого магнитного поля.

Ранее мы получили данные, согласно которым КС ПеМП с амплитудами в области микротеслового, нанотеслового и пикотеслового диапазонов оказывают существенное воздействие на свойства биологических тест-систем как животного, так и растительного происхождения, а именно – на скорость регенерации планарий (Girardia tigrina), а также на скорость развития гравитропической реакции в сегментах стеблей льна (Linum bienne) [18, 19]. Мы нашли определенные закономерности в зависимости величины биоэффектов от соотношения амплитуда/частота - наличие резко выраженных «пиков» и “провалов” биологической эффективности КС ПеМП при определенных значениях соотношения амплитуда/частота, а также сохранение величины биоэффектов при одновременном пропорциональном изменении амплитуды и частоты поля [18, 19].

Теоретический анализ полученных экспериментальных данных показал, что величина биоэффектов КС ПеМП в использованном нами диапазоне частот и амплитуд зависит от параметра , где  - величина гиромагнитного отношения для данного типа магнитного момента, а ВАС и fАС – соответственно, величины магнитной индукции и частоты переменной компоненты магнитного поля [19]. Мы показали, что экспериментальная зависимость величины биоэффектов от частоты переменной компоненты (в диапазоне от 10 до 320 Гц) при постоянной амплитуде (ВАС = 1.6 мкТл) хорошо аппроксимируется теоретической кривой при  величине  = 42.578 Гц/мкТл, соответствующем гиромагнитному отношению ядерных спинов атомов водорода. Зависимость величины биоэффекта от параметра является полиэкстремальной: хорошо выраженные максимумы имеют место при = 0.9; 2.75 и менее выраженные - при 4.5 и 6.1; биоэффекты отсутствуют при значениях = 1.8; 3.8; 5.3; 6.7 [19].

Для оценки возможной биотропности магнитных полей промышленной частоты особый интерес представляют данные относительно зависимости величины биоэффектов от амплитуды переменной компоненты поля при фиксированной частоте. Ниже мы приводим экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что для относительно малых значений амплитуд переменной компоненты поля (ВАС < 8-10 мкТл) положения максимумов и минимумов (нулей) величины биоэффектов совпадают с таковыми, полученными при изучении упоминавшейся выше частотной зависимости.

 

Методы и техника эксперимента.

Техника получения МП

Экспонирование всех изучавшихся тест-систем в КС ПеМП с величиной магнитной индукции ВАС осуществляли на фоне постоянного магнитного поля, ВDC. Переменное (синусоидальное) магнитное поле, ориентировали коллинеарно вектору постоянного поля Земли. Переменную компоненту создавали с помощью катушечной пары Гельмгольца диаметром 39 см. Для подачи переменного напряжения на катушку Гельмгольца использовали генераторы Г4-153 и Г6-28. Контрольные тест-системы находились в постоянном МП Земли. Требуемую величину магнитной индукции переменной компоненты поля задавали, используя коэффициент передачи катушки Гельмгольца, равный 10 мкТл/1В, где 1В – амплитуда (пик) синусоидального напряжения, подаваемого на катушку.

Использовали КС ПеМП с величинами:

fАС = 60 Гц, 0.1 мкТл < ВАС < 140 мкТл, ВDC = 42.0 мкТл

Величина фонового переменного магнитного поля на частоте 50 Гц в месте постановки экспериментов составляла 15 нТл. Опыты проводили в интервале температур 20-22 0С.

 

Тест-система 1: регенерирующие плоские черви (планарии Girardia tigrina).

Исследуемый биопроцесс: скорость регенерации ампутированной головной части планарий.

Метод регистрации эффекта КС ПеМП: измерение площади вновь образовавшейся регенерировавшей головной части планарий с помощью метода компьютерной морфометрии.

Подготовка планарий к эксперименту. Работа выполнена на плоских червях – планариях Girardia tigrina (бесполая лабораторная раса животных). Червей содержали при комнатной температуре и кормили раз в неделю личинками двукрылых. Для экспериментов отбирали особей длиной 7–8 мм и прекращали их кормление за неделю до опытов. Ампутацию головной части тела планарий проводили глазным скальпелем под бинокулярной лупой. Отсекали приблизительно 1/5 часть тела, содержащую головной ганглий, после чего регенерантов помещали в стеклянные стаканчики объемом 50 мл по 30 штук в каждый стаканчик.

Морфометрический анализ регенерации. Для измерения кинетики роста бластемы в экспериментальных и контрольных животных использовали метод прижизненной компьютерной морфометрии, основанный на регистрации фотоконтраста между старыми (пигментированными) и новыми (прозрачными) частями тела планарий. В каждой экспериментальной и контрольной группе было по 30 животных. Каждую особь фотографировали в косом свете бинокуляра через 3 сут после ампутации. Фотографирование животных одной группы занимало в среднем 30 мин.

Изображения регенерирующих планарий вводили в компьютер с помощью видеокамеры. Используя специальную программу, определяли площадь  всей планарии и площадь  прозрачной регенерирующей бластемы (рис.1). Результаты этих измерений использовали для вычисления среднего (по 30 регенерантам) значения индекса регенерации = для контрольных и опытных животных.

Рис. 1. Схема измерения индекса регенерации планарий; s – площадь вновь образовавшейся ткани (бластемы); S – площадь всего тела планарии; s/S – индекс регенерации.

 

Величину биоэффекта поля определяли согласно выражению:

где  и  – стандартные ошибки cредних величин.

 

Тест-система 2. Сегменты стеблей проростков льна.

Исследуемый биопроцесс: гравитропический изгиб апикальных участков сегментов льна, сопровождающий их поворот из вертикального в горизонтальное положение.

Метод регистрации эффекта КС ПеМП: измерение среднего угла изгиба апикального конца сегмента относительно горизонтальной плоскости.

Подготовка сегментов растений: Проростки льна (Linum bienne) выращивали из семян в термостате при 26 0С в полной темноте в течение 3–5 сут в специальных растильнях. Через 3–4 сут стебли льна достигали длины 3–4 см. От верхушек стебля льна отрезали листья так, что отрезки содержали только апикальную часть стебля длиной 25 мм.

Стимуляция гравитропического ответа. Отрезки стеблей льна раскладывали в чашки Петри диаметром 90 мм на фильтровальной бумаге, смоченной 2 мл дистиллированной воды, по 20 отрезков на чашку. Положение базальных концов отрезков фиксировали, накладывая на них силиконовые кольца. Как в «опыт», так и в «контроль» ставили по 2 чашки Петри. Примерно через 30 мин горизонтально расположенные отрезки начинали изгибаться, так что через 2–3 ч угол изгиба составлял несколько десятков градусов. Величину гравитропического ответа определяли путем измерения среднего по числу отрезков угла изгиба (отклонения конца отрезка от горизонтальной плоскости, (рис.2)) , где  – стандартная ошибка средней величины. Измерения проводили через 2–3 ч после начала опыта с помощью транспортира. Величину эффекта МП выражали как относительную разницу (в %) между средними углами  и  гравитропического изгиба сегментов, измеренных, соответственно, в опытных, т.е. экспонированных в КС ПеМП, и в контрольных образцах, согласно выражению

где  и  – стандартные ошибки средних величин углов изгиба.

Рис. 2. Схема измерения угла гравитропического изгиба в сегментах стеблей льна.

 

Результаты и обсуждение.

Ранее мы показали, что величина биоэффектов, I, КС ПеМП описывается выражением:

                                 (1)

где  - константа,  аргумент функций Бесселя, =42.578 Гц/мкТл - гиромагнитное отношение ядерного спина атомов водорода,  и  - соответственно, магнитная индукция и частота переменной компоненты комбинированного магнитного поля. Как видно из рисунка 3 и 4, выражение (1) удовлетворительно аппроксимирует экспериментально наблюдаемую зависимость величины биоэффектов от амплитуды, , переменной компоненты КС ПеМП при постоянной частоте, равной 60 Гц. В соответствии с выражением (1) наибольшие величины биоэффектов, т.е. активация скорости регенерации планарий и гравитропического изгиба в сегментах стеблей льна, достигаются, в частности, при значениях , равных 0.9 и 2.75 соответственно, в то время как при , равных 1.8 и 3.8 эффект КС ПеМП отсутствует. Полученные результаты подтверждают ранее сделанный нами вывод о том, что именно спины ядер атомов водорода являются первичными мишенями воздействия КС ПеМП, использованного нами в экспериментах. Заметим, что согласно выражению (1) величина биоэффектов КС ПеМП для данного типа магнитного момента полностью определяется соотношением амплитуда/частота поля и практически не зависит от точной величины постоянного магнитного поля.

При увеличении амплитуды 60Гц-поля до значений равных примерно 8-10 мкТл происходит смена знака биоэффекта – вместо активации скорости регенерации планарий происходит ее ингибирование. На рис.3 приведена лишь одна экспериментальная точка, характеризующая смену знака эффекта. Эффект ингибирования (снижение индекса регенерации s/S примерно на 20-30%) сохраняется при дальнейшем увеличении амплитуды – по крайней мере до 140 мкТл. Согласно простым теоретическим оценкам [20] смена знака эффекта может быть обусловлена тем, что при относительно больших амплитудах поля его биологическое действие обусловлено, главным образом, индуцируемым переменным током в тест-системе.

Представляется целесообразным сравнить выводы, полученные в настоящей работе с результатами работы [20], также посвященной изучению зависимости доза–эффект с использованием микротесловых полей. В указанной работе изучена зависимость ферментативной активности орнитиндекарбоксилазы в культуре клеток фибробластов, экспонированных в течение 4 ч в синусоидальном магнитном поле с частотой 60 Гц при различных значениях амплитуды поля. В результате выполненных исследований были сделаны следующие выводы: 1) зависимость величины ферментативной активности орнитиндекарбоксилазы от амплитуды поля может быть аппроксимирована сигмоидой; при этом 50 % от максимальной величины биоэффекта достигается при ~7 мкТл; 2) наблюдаемые эффекты являются результатом индукции электрического поля переменным магнитным полем; 3) величина порогового значения амплитуды КС ПеМП должна зависеть, в частности, от размеров и электрических свойств конкретной тест-системы и может существенно отличаться для различных типов тест-систем.

 

Рис. 3. Зависимость скорости регенерации планарий от индекса модуляции . Сплошной кривой представлена теоретически ожидаемая зависимость. Параметры поля: = 42 мкТл, = 60 Гц= 0.7; 1.3; 2.1; 2.5; 3.9; 5.4; 6.3; 7.4; 8.6; 9.8 микроТесла, что соответствует величинам = 0.5; 0.9; 1.5; 1.8; 2.75; 3.8; 4.5; 5.3; 6.1; 7.0.

Рис. 4 Зависимость величины гравитропического ответа в сегментах стеблей льна от индекса модуляции . Сплошной кривой представлена теоретически ожидаемая зависимость. Параметры поля: = 42 мкТл, = 60 Гц, = 1.3; 2.5; 3.9; 5.4 микроТесла, что соответствует = 0.9; 1.8; 2.75; 3.8.

 

 

В связи с пунктом 2 заметим, что, используя аналогичный тип магнитного поля и культуру клеток в качестве тест-ситемы, Дж.Харланд и Р.Либурди [7] пришли к выводу о том, что биоэффекты определяются магнитным полем, а не индукцией электрического поля. Отметим также, что в работе [20], так же как и в упоминавшейся нами выше серии работ по изучению влияния микротеслового поля на онкостатическое действие мелатонина в культуре клеток рака груди человека, использовалось КС ПеМП, создававшееся с помощью катушек Мэррита, экранированных от внешних магнитных полей (т.е. от постоянного магнитного поля Земли и переменных магнитных шумов) с помощью µ-металлических экранов [5, 7, 14, 15]. При этом величина остаточного постоянного магнитного поля Земли внутри экранов (в области локализации тест-систем) не превышала 0.1–0.2 мкТл. Таким образом, в этих экспериментах тест-системы подвергались воздействию крайне слабого синусоидального поля с частотой 60 Гц при почти полном отсутствии постоянного магнитного поля. Очевидно, однако, что в реальных условиях КС ПеМП взаимодействуют с биосистемами на фоне постоянного магнитного поля Земли. Известно, что эффекты КС ПеМП при отсутствии постоянного магнитного поля описывается выражением, существенно отличающимся от формулы (1) [21, 22]. Поэтому, несмотря на то, что достоверность экспериментальных данных, полученных в работе [20], не вызывает сомнений, возможность их использования для планирования эпидемиологических исследований и оценки их результатов представляется маловероятной.

Заключение

Экспериментальные результаты, приведенные в данной статье и ранее [18, 19] показывают, что комбинированные магнитные поля с крайне слабыми амплитудами переменной компоненты способны оказывать существенное воздействие на свойства биологических тест-систем как животного, так и растительного происхождения. Очевидно, что полученные нами данные о зависимости величины биоэффектов КС ПеМП от амплитуды (при фиксированной частоте поля, равной 60 Гц) имеют важное значение как для выявления механизмов взаимодействия КС ПеМП с биосистемами, так и для планирования и оценки эпидемиологических исследований.

 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 04-04-97324-р2004наукоград и программы «Фундаментальные науки - медицине».

 

Литература

  1. Juutilainen J., Laara E., Saali K. // International Journal Radiation Biology & Relat. Stud. Physical Chemistry Medicine 1987. Vol. 52, № 5. P. 787-793.
  2. Berman E., Chacon L., House D. // Bioelectromagnetics. 1990. Vol. 11, №2. P. 169-187.
  3. Martin A.H. // Bioelectromagnetics. 1992. Vol. 13, №3. P. 223-230.
  4. Liburdy R.P., Sloma T.R., Sokolic R., Yaswen P. // Journal Pineal Research 1993. Vol. 14. P. 89-97.
  5. Luben R.A., Saraiya S., Morgan A.P. // Abstract A-1. Annual Review of Research on Biological Effects of Electric and Magnetic Fields from the Generation, Delivery & Use of Electricity. San Antonio, TX, 1996, Nov. 19-21.
  6. Новиков В.В., Швецов Ю.П., Фесенко Е.Е., Новикова Н.И. // Биофизика. 1997. Т. 42, № 3. С. 733-737.
  7. Harland J.D., Liburdy R.P. // Bioelectromagnetics. 1997. Vol. 18, №8. P. 555-562.
  8. Valberg P.A., Kavet R., Rafferty C.N. // Radiation Research. 1997. Vol. 148, №1. P. 2-21.
  9. Harland J., Eugstrom S., Liburdy R. // Cell Biochemistry and Biophysics 1999. Vol. 31, №3. P. 295-306.
  10. Persinger M.A., Cook L.L., Koren S.A. // International Journal Neuroscience. 1999. Vol. 100, №1/4. P. 107-116.
  11. Cook L.L., Persinger M.A. // Neuroscience Letters. 2000. 13/292, №3. P. 171-174.
  12. Белова Н.А., Леднев В.В. // Биофизика. 2001. Т. 46, № 1. С. 122-125.
  13. Новоселова Е.Г., Огай В.Б., Сорокина О.В. и др. // Биофизика. 2001. Т. 46, № 1. С. 131-135.
  14. Blackman C.F., Benane S.G., House D.E. // Bioelectromagnetics. 2001. Vol. 22, №2. P. 122-128.
  15. Ishido M., Kabuto M. // Carciogenesis. 2001. Vol. 22, №7. P. 1043-1048.
  16. Lednev V.V., Malyshev S.L. // Abstract Collection Bioelectromagnetics Society Annual Meeting, St Paul, Minnesota, USA. 2001. P. 3-4.
  17. Adair R.K. // Physical Review. A. 1991. Vol. 43. P. 1039-1040.
  18. Леднев В.В., Белова Н.А., Рождественская З.Е., Тирас Х.П. // Геофизические процессы и биосфера. 2003. Т. 2, № 1. С. 3-11.
  19. Леднев В.В. // Моделирование геофизических процессов. 2003. С. 130-136.
  20. Mullins J.M., Penafiel L.M., Juutilainen J., Litovitz T.A. // Bioelectrochemistry and Bioenergetics. 1999. Vol. 48. P. 193-199.
  21. Александров Е.Б., Константинов О.В., Перель В.И., Ходовой В.А. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1963. Т. 45, вып 3. № 9. С. 503-510.
  22. Леднев В.В. // Биофизика. 1996. Т. 41, № 1. С. 224-232.