Список литературы. 165 Список сокращений.
Введение
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы. Слабые электромагнитные поля (ЭМП) являются экологически значимым фактором внешней среды, влияющим на многие биологические процессы. Живые организмы на планете постоянно находятся под воздействием повсеместно присутствующих естественного геомагнитного и искусственных слабых магнитных полей (МП). Частотно-амплитудный диапазон этих полей широк, велико разнообразие вызываемых ими биологических эффектов.
К настоящему времени в области исследования биологического действия слабых МП накоплен огромный экспериментальный материал, свидетельствующий 'о высокой чувствительности живых систем к их воздействию. Существенный прогресс в понимании процессов, лежащих в основе механизмов биологического действия .слабых МП, а также в принципах формирования биологически активных полей, произошел в середине 80х годов и был связан, прежде всего, с работами А. Либова с соавт.(1985-1996). В этих работах впервые было ясно показано, что эффекты действия слабых комбинированных постоянного и переменного низкочастотного МП наблюдаются преимущественно при определенных, теоретически предсказуемых значениях частот переменной компоненты поля, соответствующих, по крайней мере формально, циклотронным частотам ряда ионов, прежде всего Са +, К+ и Mg2+. Один из основных эффектов действия слабого поля, зарегистрированный этими авторами, заключался в том, что воздействие низкочастотного (порядка десятков Гц) переменного МП на фоне слабого постоянного поля, сравнимого по величине с геомагнитным полем (десятки мкТл), проявляло себя в изменении концентрации ионов Са2+ во вне- и внутриклеточных средах. Действием этого механизма целый ряд авторов объясняет самые различные эффекты слабых МП в биосистемах: изменение подвижности диатомовых водорослей (B.R. McLeod et al., 1987), изменение условно-рефлекторной
деятельности животных (J.R. Thomas et al., 1986), стимуляцию и подавление различных репарационных процессов (C.F. Blackman et al., 1994; К.А. Jenrow et al., 1995; B.B. Леднев и др., 1996).
Однако экспериментальные результаты, полученные в лабораториях А. Либова и его последователей, и, как следствие, разработанные на их основе теоретические модели, касались в основном действия относительно больших переменных компонент МП (десятки мкТл), в реальных условиях окружающей среды встречающихся крайне редко. Биологические эффекты и механизмы действия слабых геомагнитных (магнитные бури) и техногенных (магнитные помехи высоковольтных линий передач и транспорта) возмущений амплитудой от единиц нТл до мкТл, преимущественно присутствующие в окружающей среде, в теоретических и экспериментальных работах этого направления практически не рассматривались. Помимо этого обстоятельства в вышеуказанных работах в качестве основных мишеней действия слабых полей предполагались неорганические ионы, преимущественно ионы свободного либо связанного с белками Са2+. Не изучалась возможность настройки полей на «циклотронный резонанс» других биологически активных ионов, в частности органических, в том числе ионных форм молекул ряда аминокислот, заряженных в естественных физиологических условиях. Вследствие этого обстоятельства, до сих пор недостаточно полно были изучены возможные молекулярные мишени и механизмы биологического действия слабых МП.
Таким образом, до сих пор остаются неясными: механизм «циклотронного резонанса»; пороговые величины действия полей; мишени действия (помимо неорганических ионов), которые претерпевают изменения под действием полей определенных частот и амплитуд.
Помимо фундаментального значения решение этих вопросов имеет большое прикладное значение, в особенности для научного обоснования санитарных норм, связанных с проблемой электромагнитной безопасности населения и использования МП в медицине.
Развиваемый нами подход к решению вышеуказанной совокупности проблем (определение пороговых значений МП, частотно-амплитудных диапазонов биологической активности, определение мишеней и молекулярных механизмов биологического действия слабых МП) обозначен в работах, показавших возможность выраженного избирательного действия очень слабых (порядка сотых долей мкТл) переменных компонент МП на фоне более сильного постоянного МП (десятки-мкТл)г обусловленную, прежде всего, кооперативными эффектами на циклотронных частотах ряда ионов аминокислот в водных растворах, такими как: увеличение ионного тока (В.В. Новиков, 1994, 1996; В.В. Новиков, М.Н. Жадин, 1994; V.V. Novikov, A.V. Karnaukhov, 1997; M.N. Zhadin, et al., 1998), инициация в этих условиях ряда химических реакций -поликонденсации свободных аминокислот (В.В. Новиков, 1994,1998; В.В. Новиков, А.С. Лисицын, 1996,1997) и реакции гидролиза ряда белков и пептидов (В.В. Новиков и др., 1997, Ю.П. Швецов и др., 1998, В.В. Новиков, Е.Е. Фесенко, 2001). Разрабатываемые на основе предлагаемого подхода алгоритмы формирования слабых комбинированных постоянного и переменного МП, позволили обнаружить возможность регулировки ДНК-белковых взаимодействий в биологических и модельных системах, заключающуюся, в частности, в повышении доступности ДНК хроматина к действию ДНКазы 1, за счет снижения, при воздействии слабых МП, функциональной активности различных структурных белков хроматина (гистоновых и негистоновых) - ингибиторов этой ДНКазы (В.В. Новиков и др., 1997; Е.Е. Фесенко и др., 1997). Полученные результаты свидетельствуют о возможности индукции направленных модификаций ключевых молекулярных процессов, в том числе, непосредственно детерминирующих функционирование клеточного генома, при действии слабых МП.
Найденные нами экспериментальные модели и подходы позволили определить пороговые значения величин слабых МП, выявить частотно-амплитудные «окна» их активности, а также исследовать мишени действия
и молекулярные механизмы изменения структуры и функциональной активности этих мишеней на уровнях живого организма и ряда физико-химических систем.
На данный момент имеется совокупность экспериментальных фактов, которые являются сильным аргументом в пользу роли водной фазы в реализации биологических эффектов слабых МП и ЭМП (В.В. Новиков и др. 1999; Е.Е. Фесенко и др., 2000; В.В. Новиков, Е.Е. Фесенко, 2001; Е.Е. Фесенко и.др., 2002; Е.Е. Fesenko, A.Ya. Gluvstein, 1995; Е.Е. Fesenko et al.r 1995 и др.). В этой связи, исследование роли водной фазы в рецепции и развитии ответа организма на действие слабых МП в настоящее время особенно актуально.
Вся выявленная нами совокупность экспериментальных фактов (выраженные биологические эффекты очень слабых МП, передача ряда эффектов через водную среду и др.), обнаруженные чувствительные тест-системы, в частности: деление планарий (В.В. Новиков и-др., 2001) и опухолевый процесс у экспериментальных животных (В.В. Новиков и др., 1996), свидетельствуют о необходимости проведения работ, направленных на детальное изучение биологических эффектов очень слабых МП, сопоставимых по характеристикам с геомагнитным фоном, и исследование механизмов их действия.
Цель работы. Основной целью настоящей работы явилось обнаружение и детальное исследование высокоамплитудных эффектов действия слабых магнитных полей (МП) на биологические и физико-химические системы, определение наиболее активных параметров этих полей, их пороговых значений, частотно-амплитудных диапазонов биологической активности, а также поиск и исследование мишеней действия слабых МП и молекулярных механизмов изменения функциональной активности этих мишеней.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести выбор объектов и моделей исследования, чувствительных к действию слабых МП. В качестве основных моделей были выбраны процесс деления планарий и опухолевый рост у мышей с перевиваемыми опухолями. Основными объектами исследования явились животные: планарий и среда их обитания (водная фаза), а также мыши и их органы (головной мозг, как непролиферирующая или слабо пролиферирующая ткань), активно пролиферирующие клетки животных (клетки карцинома Эрлиха), а также водные растворы хроматина, растворы гистоновых белков хроматина, растворы ДНК, растворы рекомбинантных обратных транскриптаз (ОТ) вирусов саркомы Рауса (RSV) и иммунодефицита человека (HIV-I), растворы ряда других протеинов: ангиотензина 1, А и В цепей инсулина быка, $-амилоидного протеина, апротинина, цитохрома С, карбоангидразы, бычьего сывороточного альбумина и водно-солевые растворы.
2. Найти параметры слабых комбинированных постоянного и переменного МП, обладающие высокой' биологической активностью. В качестве таковых на основе экспериментальных данных был выбраны параметры, заключающийся в формальном соответствии частот переменной поличастотной компоненты МП условию циклотронного резонанса для ионных форм молекул ряда заряженных в естественных условиях
аМИНОКИСЛОТ, При СООТНОШеНИИ ВеЛИЧИН ВПмп/ВпеМП(амп) ~1000 И
индукции постоянной компоненты МП в диапозоне 20 - 100 мкТл.
3. В процессе исследований на мышах с трансплантированной опухолью решался ряд промежуточных задач:
а) Провести подбор совокупности адекватных методов и критериев оценки результатов противоопухолевого действия МП. В качестве базовых методов были использованы традиционные методы структурного и ультраструктурного анализа в совокупности с методами
динамического наблюдения за состоянием животных-опухоленосителей и опухолевой тканью.
б) Провести экспериментальный и теоретический анализ и подбор параметров и режимов воздействия МП для получения выраженного противоопухолевого эффекта.
в) Провести динамическую оценку структурных и ультраструктурных реакций опухолевой ткани, в частности реакции клеточного ядра опухолевых клеток, и окружающих опухоль тканей организма в ответ на воздействие МП.
4. Развить новый подход к анализу механизмов биологического действия слабых МП, ориентированный на исследование свойств водных растворов различных биологически активных молекул, например, белков и пептидов при воздействии на них очень слабых МП с переменной низкочастотной компонентой порядка десятков нТл и постоянного МП, сравнимого по величине с геомагнитным полем.
Научная новизна. В работе преложен новый алгоритм формирования слабых комбинированных постоянного и переменного МП, заключающийся в формальном соответствии частот переменной поличастотной компоненты МП условию циклотронного резонанса для ионных форм молекул ряда заряженных в естественных условиях аминокислот, при соотношении величин Впмп/Впемщамп) -1000 и индукции постоянной компоненты МП в диапазоне 20 - 100 мкТл. Показано, что воздействие МП, сформированными по этому алгоритму, обладает высокой биологической активностью.
В опытах на планариях Dugesia tigrina получены новые данные, свидетельствующие о чувствительности процесса морфогенеза у планарии к воздействию слабыми и сверхслабыми МП. Показано, что изменение параметров МП или их компенсация позволяет вмешиваться в процесс морфогенеза и изменять его интенсивность. Полученные данные свидетельствуют о возможности эффективного управления рядом биологических процессов с помощью слабых МП с переменной
10
компонентой порядка десятков нТл. В опытах на этой тест-системе впервые зарегистрированы детальные частотно-амплитудные зависимости величины эффекта от параметров МП в «нанотесловом» диапазоне переменной компоненты поля, а также определины минимальные или близкие к ним пороговые величины биологической активности этой компоненты.
В работе обоснован и проведен выбор параметров МП, посредством которых удается подавить или замедлить развитие экспериментальных опухолей на ранних этапах их развития у лабораторных животных, что показывает наличие собственной противоопухолевой активности у этого физического фактора. Показано, что воздействие МП с определенными параметрами и временными режимами воздействия, вызывает комплекс структурных и ультраструктурных изменений в опухолевой ткани.
Показана возможность регулировки ДНК - белковых взаимодействий с помощью слабых МП в биологических системах и в модельных экспериментах. Полученные результаты свидетельствуют о возможности индукции направленных модификаций ключевых молекулярных процессов, в том числе, непосредственно детерминирующих функционирование клеточного генома, при действии слабых МП' на биологические объекты.
Развит новый подход к анализу механизмов биологического действия слабых МП, ориентированный на исследование свойств водных растворов различных биологически активных молекул (например, белков и пептидов) при воздействии на них очень слабых МП с переменной низкочастотной компонентой порядка десятков нТл и постоянного МП, сравнимого по величине с геомагнитным полем.
Впервые показано, что слабые комбинированные МП существенно ускоряют процессы гидролиза ряда белков и пептидов. Исследованы концентрационная зависимость, динамика процесса, зависимость амплитуды этого эффекта от параметров МП.
На различных тест-объектах (планарии, растворы протеинов) впервые показана передача, по крайней мере, частичная эффектов
11
действия слабых МП через предварительно обработанную МП водную фазу (водно-солевые растворы), что указывает на важную роль водной среды в механизмах реализации эффектов слабых МП и их рецепции.
Практическая значимость работы. Полученные результаты создают основу для целенаправленного применения МП в медицинской практике. Как показано, подобранные режимы МП, обладают выраженной противоопухолевой активностью, а использованные в работе методы и критерии оценки могут быть адаптированы к условиям клиники.
Данные о снижении активности рекомбинантных ОТ вируса иммунодефицита человека HIV-I и вируса саркомы Рауса при действии на их водные растворы слабых МП, позволяют предположить, что воздействие МП может быть использовано в исследованиях, связанных с репродукцией вируса иммунодефицита человека при ВИЧ инфекции и при других заболеваниях, вызванных ретровирусами, включая и злокачественные новообразования.
Результаты опытов по определению частотно-амплитудных зависимостей и минимальных пороговых величин МП при исследовании ряда выявленных нами высокоамплитудных эффектов МП имеет большое прикладное значение, в особенности для научного обоснования санитарных норм, связанных с проблемой электромагнитной безопасности населения.
12
Глава I. Литературный обзор.
1.1. Основные аспекты биологического действия слабых и сверхслабых магнитных полей.
1.1.1. Источники МП е окружающей среде. Характеристика и частотно-амплитудные диапазоны МП.
В окружающей среде постоянно присутствуют ЭМП естественного и искусственного происхождения. Основными естественными ЭМП являются атмосферное электричество, ПМП Земли и геомагнитные вариации, возникающие при взаимодействии земного МП с межпланетной средой. В течение нескольких последних десятилетий уровень интенсивности электромагнитного окружения возрос за счет технических устройств, генерирующих ЭМП.
Электромагнитный спектр занимает область от 0 до 1020 Гц. Данная работа посвящена рассмотрению низкочастотных полей, частотный диапазон которых лежит в пределах от 0 до 300 Гц. В этих частотных диапазонах электрическую и магнитную составляющие можно рассматривать независимо. Экспериментальные и эпидемиологические данные, а также теоретические доводы говорят о том, что скорее магнитная, а не электрическая составляющая электромагнитных окружающих полей имеет отношение к.биоэффектам, так как МП может свободно проникать в ткани (Goldberg, Creasey 1991; Kaune, Anderson, 1989; Wertheimer, 1989).
Магнитные поля в окружающей среде генерируются электрическими токами. Источником естественного МП является ПМП Земли и геомагнитные вариации, возникающие при взаимодействии межпланетной среды с МП Земли. Постоянное магнитное поле генерируется токами, текущими на глубинах гораздо ниже земной коры. Величина ГМП меняется по земной поверхности от 35 мкТл на экваторе до 65 мкТл вблизи полюсов. Солнечная активность и связанные с ней возмущения межпланетной среды генерируют изменяющиеся во времени МП общепланетарного масштаба, главным образом, в диапазоне частот от 0 до 10 Гц. Пульсации ГМП в частотной области 0,001-10 Гц часто наблюдаются по всему земному шару с амплитудами 0,1-100 нТл (Птицына и др., 1998). Плазма солнечного
13
ветра, постоянно обтекающая Землю, создает вокруг Земли область, ограничивающую ГМП - магнитосферу. Приход на Землю высокоскоростного потока солнечной плазмы, генерируемого нестационарными процессами на Солнце, и связанной с ним ударной волны вызывает геомагнитные бури. Взаимодействие межпланетных возмущений с магнитосферой приводит к изменениям размеров магнитосферы, которые зависят от величины потока солнечной плазмы. Это позволяет проникнуть в магнитосферу новым частицам или ускорить заряженные частицы плазмы до энергий в несколько килоэлектронвольт. Так формируются сложные системы токов в магнитосфере и ионосфере. Во время больших геомагнитных бурь в течение 1-2 дней могут наблюдаться сильные флуктуации, обусловленные наложением эффектов от экваториального кругового тока и авроральных токов: амплитуды флуктуации поля составляют 200-300 нТл на низких широтах и достигают выше 1000 нТл на высоких широтах. Геомагнитные бури связаны с резким увеличением флуктуации поля во всех частотных диапазонах (Nishida, 1978; Polk, Fichten, 1962).
В окружающей среде постоянно присутствуют антропогенные низкочастотные МП (50-60 Гц и их гармоники), общий уровень которых за последнее время значительно возрос, особенно в индустриально развитых странах. Обычно техногенные поля на расстояниях в 30-100 м от источников сравнимы с естественными магнитными вариациями. Такие техногенные поля генерируются линиями электропередач (5 мкТл - под линиями, 1 мкТл - на расстоянии 50 м от линий) (Kavet, Bankc, 1986), средствами связи, бытовыми электрическими устройствами (от 1 мкТл до 2000 мкТл) (Bannett, 1994; Gauger, 1985) и т.д. и их интенсивность значительно превышает природную для аналогичного частотного диапазона (Carpenter, Ayrapetyan, 1994; Walrath et al., 1985). Эти поля генерируются, в основном, круговыми токами малого диаметра и их интенсивность быстро спадает почти до нуля на расстояниях менее 0,5 м. Однако вклад этих МП на промышленных частотах в общий уровень окружающей среды мал, так
14
как фазы полей переменного тока обычно близки и поэтому поля в значительной степени взаимно компенсируют друг друга. Самые сильные антропогенные МП большой пространственной протяженности в плотно населенной городской среде и на рабочих местах генерируются общественным рельсовым электротранспортом (1 мкТл на расстоянии 100 м от рельсового пути) (Но et al, 1979). Эти МП сильно отличаются от других техногенных на частотах 50-60 Гц. Для них характерны резкие временные изменения, импульсы и другие переходные явления, главным образом, на частотах менее 10 Гц. (Кудрин и др., 1995; Dietrich et al., 1993; Kaune et al., 1995; Ptitsyna et al., 1996a, 1997). Кроме того, рельсы электротранспорта, работающего на постоянном токе, будучи частью электрической цепи, являются источником токов растекания большой протяженности, которые генерируют значительные МП (Вишнев и др., 1995; Kazuo, 1977). Эти токи могут вносить существенный вклад в <* окружающую магнитную среду, так как концентрируются на
металлических поверхностях подземных трубопроводов, на коммуникационных кабелях и т.д., имеющих более высокую проводимость, чем земля. Однако реальное соотношение величин естественных и техногенных МП зависит от многих факторов (широты, геомагнитной активности, от характера распределения техногенных источников, подземных проводящих линий и т.д.) (Птицына и др., 1998).
Интенсивность МП с частотами менее 300 Гц, типичными для нашего окружения, обычно ниже или такого же порядка, что и интенсивность земного ПМП (30-50 мкТл) и они рассматриваются как слабые. Микропульсации переменной составляющей ГМП составляют величину порядка долей процента либо нескольких процентов от этого значения, преимущественно в частотном диапазоне от 0 до 25 Гц. Учитывая это обстоятельство, очевидно, что основной частотно-амплитудный диапазон возможных биотропных параметров переменной компоненты ГМП сосредоточен в пределах 0,01-1,0 мкТл по амплитуде и до нескольких десятков герц по частоте (Новиков, 1998).
15
1.1.2. Биологические эффекты геомагнитных полей.
На современном этапе развития науки интенсивно исследуется взаимосвязь внешней среды и организма, что находит свое отражение в сфере изучения процессов адаптации и экологических проблем. Этим обусловлен выраженный интерес исследователей к факторам физической природы, влияющим на процессы, протекающие в биосфере. Частью их, действующей постоянно в процессе эволюции и обусловившей саму возможность развития жизни на Земле, являются факторы космического происхождения, активным компонентом которых является комплекс явлений, входящий в понятие - солнечная активность.
Совокупность данных, характеризующих факт наличия и роль гелиобиологических связей, впервые осмыслил наш соотечественник А.Л. Чижевский (1976). Проблема воздействия космофизических процессов на биологические объекты, поставленная в 20-е годы этого века А.Л. Чижевским (1976), продолжает быть актуальной и в настоящее время. Существует много исследований, проводимых на биосистемах всех уровней (физико-химические процессы, клетка, организм в целом, популяция), которые подтверждают влияние вариаций солнечной активности на биологические процессы. Известно, что одним из-основных компонентов солнечной активности является солнечное электромагнитное излучение (Мустель, 1971). В настоящее время доказано, что циклы солнечной активности находят проявление в вариациях МП Земли. Анализ возможных проявлений солнечной активности в отношении биологических объектов и сопоставление их с геофизическими изменениями дали возможность Б.М. Владимирскому с соавторами (1971, 1994, 1998) и Н.А. Темурьянц с соавторами (1992) высказать предположение о том, что сигналы, ответственные за рассмотренный тип гелиобиологических связей, тождественны с увеличением напряженности ПеМП Земли. Из сказанного следует, что флуктуации ГМП в ряде случаев отражают вариации солнечной активности и, возможно, являются одним из механизмов,
16
опосредующих ее воздействие на биологические объекты. С другой стороны, многие исследователи констатируют наличие тесных связей между возмущениями ГМП и изменением состояния биологических объектов различных уровней организации.
Подобное развитие взглядов свидетельствует о справедливости предположения основоположника гелиобиологии А.Л. Чижевского (1976) об электромагнитной природе фактора, осуществляющего взаимосвязь пространственно разобщенных элементов единой системы, включающей биосферу и Солнце. На сегодняшний день причинно-следственная цепочка, раскрывающая механизм этих связей, сводится к тому, что флуктуация солнечной активности приводит к возмущению магнитосферы (например, магнитная буря с внезапным началом), это в свою очередь отражается на структуре и напряженности естественного МП Земли, что и вызывает определенную реакцию организма.
' Убеждения А.Л. Чижевского основываются на анализе огромного количества фактического материала, показывающего прямую связь периодичности вспышек эпидемий и пандемий, эпизоотии, эпифитий с возмущениями физических факторов внешней среды, и на экспериментальном изучении, позволившем установить чрезвычайную реактивность микроорганизмов на солнечные возмущения и обнаружить эффект упреждения этих возмущений изменениями свойств коринобактерий, обосновать теорию электрического и магнитного взаимодействия структурных элементов крови, разработать теорию органического электрообмена. А.Л. Чижевским были приведены неоспоримые доказательства тесной связи биоритмов с циклами космотеллурической среды. Им установлена корреляция между циклами деятельности Солнца, магнетизмом Земли и миграционными процессами животных, рыб и насекомых; ростом, зацветанием и урожайностью растений и прочими явлениями в органическом мире, что позволило говорить о ГМП как универсальном синхронизаторе жизненных процессов (Чижевский 1931, 1976). Прямых экспериментальных доказательств,
17
подтверждающих роль ГМП как синхронизатора биоритмов, пока нет, но, если судить о его значении по эффектам магнитных бурь, нарушающих у человека и животных практически все физиологические процессы, или по обнаруженным в живой природе феноменам геомагнитотропизма, то среди бесчисленного множества гелиогеофизических факторов естественное поле Земли, бесспорно, может оказаться самым действенным датчиком времени (Павлович и др., 1991).
Наблюдения Чижевского в последующем были дополнены другими исследователями. Так, в работе Ю.Н. Ачкасовой с соавторами (1975) показано наличие связи между прохождением у Земли спектральной границы межпланетного МП и жизнедеятельностью бактерий. Отмечено, что максимальное подавление жизнедеятельности наблюдалось на вторые сутки после прохождения границ сектора. Аналогичный эффект имел место и во время магнитных бурь с внезапным началом.
Вариации ГМП сказываются и на жизнедеятельности растительного мира, например, в функциональной зависимости от геомагнитных возмущений находится ритмичность выделения органических веществ корнями растений, что связывается автором с изменением мембранной проницаемости (Дубров, 1972). Характерной особенностью поведения растений в отношении МП Земли можно считать магнитотропизм (Крылов, 1964; Павлович, 1991), под которым подразумевается способность реагировать на разные полюса МП Земли ориентацией корешков и семян, и различной интенсивностью роста. Различные навигационные эффекты, включающие ориентацию по магнитным силовым линиям, обнаружены у некоторых видов червей, насекомых, рыб, птиц (Дубров, 1974; Холодов, 1975; Marino, Becker, 1977; Semm, 1983).
Многочисленные литературные данные свидетельствуют о том, что особое значение для регуляции функциональной активности живых систем имеют вариации естественных МП в диапазоне низких и инфранизких частот (Дубров, 1974; Пресман, 1968). Согласно современным представлениям, эти МП обладают множественными биотропными |
