9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

542

ВАРИАНТЫ РЕАГИРОВАНИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ

НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО

МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Л.

П.

АРКОВА

1,2

ОССИЯ

И.

Р.

НЯЗЕВА

2,3

ОССИЯ

В.

ОСТОВ

ОССИЯ

М.

А.

ОЛЬШАКОВ

1,2

ОССИЯ

Томский государственный университет, Томск,

Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск,

Сибирский государственный медицинский университет, Томск, e-mail: Zharkova_Lubov@mail.ru

Аннотация. В докладе рассматриваются результаты экспериментального исследования био-

логического действия наносекундного импульсно-периодического микроволнового излучения (10

ГГц, длительность импульса 100 нс, пППМ до 1500 Вт/cм

). Проанализированы биологические эф-

фекты воздействия по различным индикаторным показателям (окислительная модификация липидов

и белков в печени и крови мышей, импеданс клеток крови и митохондрий, уровень активных форм

кислорода в гепатоцитах и митохондриях) в зависимости от частоты повторения импульсов.

Abstract. In contents of the report is presented the biological effects of nanosecond pulsed-periodic

microwave radiation (10 GHz, pulse duration of 100 ns, peak power density of 1500 W/cm

). The biological

effects were estimated on the various indicator parameters (oxidative modification of lipids and proteins in

the liver and blood of mice, the impedance of blood cells and mitochondria, the level of reactive oxygen

species in hepatocytes and mitochondria). The dependence of biological effects on of pulse repetition fre-

quency was analyzed.

В настоящее время отчетливо проявился интерес к

исследованию биологического действия наносекундно-

го импульсно-периодического микроволнового излуче-

ния (ИПМИ). Известно, что мощные микроволновые

импульсы длительностью несколько десятков наносе-

кунд влияют на прорастание семян пшеницы и ячменя,

на некоторые показатели мембран эритроцитов и плаз-

мы донорской крови [1], на сократительные свойства

миокарда и электрическую активность нейронов [2], на

поведение крыс и состояние гемато-эцефалического

барьера [3]. Кроме того, было показано, что 40-

минутное воздействие микроволновыми импульсами

длительностью 180 нс (8.8 ГГц, 65 кВт/имп., частота

повторения 50 Гц) не оказывает генотоксического дей-

ствия на эритроциты лягушки и лейкоциты человека

[4]. И наконец, работами авторов настоящей статьи

было обнаружено, что однократное кратковременное (5

– 10 минут) воздействие ИПМИ влияет на развитие

дрозофилы [5, 6], пролиферацию опухолевых клеток

[7, 8], биохимические показатели крови и печени крыс

и мышей [9, 10].

Целью настоящей работы было проанализиро-

вать основные закономерности реагирования гепато-

цитов, клеток крови и митохондрий из печени мы-

шей выявленных в экспериментах по воздействию

ИПМИ с мощными импульсами наносекундной дли-

тельности. Такое излучение характеризуется высо-

кой интенсивностью в импульсе при малых средних

значениях, что не исключает специфичность его

биологического действия. Поэтому существует необ-

ходимость понимания основных закономерностей и

особенностей реагирования клеток на такого рода

воздействие. Результаты такого анализа принципи-

ально важны при эколого-гигиеническом нормиро-

вании импульсно-периодических факторов, их ис-

пользовании в медицине, ветеринарии, биотехноло-

гии и других сферах применения.

Проанализированные в данной работе результа-

ты получены в экспериментах на мышах при соблю-

дении всех норм гуманного обращения с лаборатор-

ными животными [11]. Животные, суспензии их клеток

или митохондрий подвергались однократному воздей-

ствию 4000 импульсов с частотами 4-25 имп./c. Источ-

ником ИПМИ служил генератор на основе магнетрона

МИ-505 (10 ГГц, импульсы 100 нс, пППМ 100-

1500 Вт/cм

). Эффекты воздействия оценивались по

уровню окислительно-модифицированных липидов и

белков, активных форм кислорода (АФК), импедансу

в облученных образцах по отношению к ложнооблу-

ченным.

Поскольку частота повторения импульсов явля-

ется важнейшим биотропным фактором [12, 13], ос-

новной упор при проведении анализа был сосредото-

чен на выявлении зависимости эффектов от частоты

повторения импульсов (рис. 1).

Оказалось, что воздействие ИПМИ с частотой

13 имп./с приводит к увеличению содержания АФК в

цитоплазме гепатоцитов, что обеспечивает высокий

уровень в них окисленного белка. Кроме того, воз-

действие с такой же частотой повторения импульсов

снижает импеданс митохондрий, что, по-видимому,

указывает на увеличение проницаемости их мембран

и выход ионов из матрикса. Это подтверждается со-

кращением объема митохондрий вследствие оттока

воды из них (рис. 1). После облучения целого орга-

543

низма мышей ИПМИ с частотой повторения 13

имп./с через 24 и 72 часа наблюдается задержка зре-

лых активных сегментоядерных лейкоцитов в крови,

при этом стимуляции лейкопоэза не происходит. Та-

кое воздействие можно считать положительным, по-

скольку оно способствует экономии резервов орга-

низма. ИПМИ с частотой 25 имп./с снижает показа-

тели окислительных процессов в крови и печени

мышей, облученных in vitro, через 24 часа после воз-

действия, но через 72 часа после воздействия эти

показатели возрастают на 20-30%. Это может быть

связано с экстренной активацией антиоксидантной

защиты сразу после облучения. Подобное действие

приводит через 72 часа к истощению возможностей

антиоксидантной системы, вследствие чего уровень

окислительно-модифицированных липидов и белков

в облученных тканях становился выше этого показа-

теля у ложнооблученных животных.

ПОЛ в крови (24часа)

ПОЛ в крови (72часа)

карб.белок в крови (24часа)

карб.белок в крови (72часа)

карб.белок в гепатоцитах

(24часа)

карб.белок в гепатоцитах

(72часа)

ПОЛ в гептоцитах (24часа)

супероксид в гепатоцитах

Н2О2 в гепатоцитах

Н2О2 в митохондриях

импеданс гепатоцитов

импеданс митохондрий

оптическая плотность

митохондрий

импеданс эритроцитов

импеданс лейкоцитов

зрелые нейтрофиллы в

крови

ПОЛ в крови (24часа)

ПОЛ в крови (72часа)

карб.белок в крови

(24часа)

карб.белок в крови

(72часа)

карб.белок в гепатоцит

(24часа)

карб.белок в гепатоцит

(72часа)

ПОЛ в гептоцит (24часа)

ПОЛ в гептоцит (24часа)супероксид в гепатоцит

Н2О2 в гепатоцитах

Н2О2 в митохондриях

импеданс гепатоцитов

импеданс эритроцитов

импеданс лейкоцитов

зрелые нейтрофиллы в

крови

Рис. 1 Обобщенные данные по эффектам воздействия ИПМИ с частотой повторения 13 имп./с (А) и 25 имп./с

(Б). Представлены нормированные значения измеряемых показателей (пунктирная линия), показатели в ложнооб-

лученной группе приняты за 1 (сплошная линия).

Таким образом, в зависимости от частоты повто-

рения импульсов, однократное кратковременное воз-

действие ИПМИ способно оказывать влияние на ор-

ганизм животного и протекающие в нем клеточные

процессы. Эффект может кратковременно проявлять-

ся непосредственно после воздействия или же сохра-

няться в течение продолжительного времени (72 часа).

Воздействия с разными частотами повторения им-

пульсов оказались эффективными в разной степени с

точки зрения величины и выраженности биологиче-

ской реакции. Наиболее эффективно влияют ИПМИ с

частотами 13 и 25 имп./с.

Выявленные эффекты проявляют себя разнона-

правленным образом или реализуются со знакопере-

менными динамиками (рис. 2) в зависимости от режима

облучения. Разнообразие форм реагирования может

означать, что воздействие наносекундным ИПМИ вли-

яет как минимум на два одновременно протекающих

процесса противоположных по своему регулирующему

влиянию на регистрируемые показатели. Если они

имеют разные чувствительность к воздействию и кине-

тику реагирования, то их соотношение в формировании

эффекта будет определять его величину и направлен-

ность (рис. 2). Например, показатели окислительной

модификации биополимеров зависят от соотношения

интенсивности одновременно-протекающих про- и

антиоксидантных процессов.

Анализ позволил обратить внимание на вариант

отсутствие реакции на ИПМИ (рис.2, Г), что наблю-

далось по многим использованным показателям. Не

исключено, что это не является фактом отсутствия

эффекта. В подобном случае, разнонаправленные

реакции мишеней, ответственных за формирование

эффекта, по-видимому, компенсируют друг друга.

На самом деле, даже в отсутствие регистрируемого

эффекта, клетка реально подвергается воздействию и

расходует свои ресурсы. Ранее такие формы реаги-

рования были описаны для воздействия радиочас-

тотного излучения и повышенной температуры на

электрическую активность нейронов моллюсков [13]

544

и в работе [14] при исследовании влияния ИПМИ на

опухолевые клетки и клетки селезенки.

Рис. 2. Варианты реагирования живых систем на

воздействие ИПМИ. А – вариант, когда после воз-

действия регистрируется снижение показателя, Б –

после воздействия регистрируется увеличение пока-

зателя, В – динамика изменения регистрируемого

показателя знакопеременна, и через некоторое время

может вернуться к исходному состоянию, Г – пока-

затель не изменяется. Темная и светлая стрелки –

процессы, влияющие на показатель, интенсивность

их влияния пропорциональна толщине стрелки.

Таким образом, амбивалентные эффекты на воз-

действие ИПМИ с мощными импульсами наносе-

кундной длительности и реализация их со знакопе-

ременной динамикой указывают на то, что реакции

на такое воздействие имеют сложный характер и

обусловлены существованием нескольких чувстви-

тельных клеточных мишеней и рядом механизмов

реализации эффекта.

Работа поддержана проектами АВЦП №

2.1.1/2777, № 2.1.1/13778.

Литература

1. Лонин Ю.Ф. Магда И.И. Сильноточные ре-

лятивистские ускорители ИПЭНМУ ННЦ ХФТИ и

их применение // Problems of atomic science and tech-

nology, 2008. – V. 5. – P. 85-90.

2. Pakhomov A.G., Mathur S.P., Belt M., Murphy

M.R. Dose dependencies in bioeffects of extremely high

peak power microwave pulses. Electromagnetic fields:

Biological effects and hygienic standardization, Geneva:

World health organization, 1999. – P. 325 -334.

3. Amourette C., Lamproglou I. Diserbo M., Cre-

tallaz C., Fauquette W., Leveque P., Joffre-Geoges A.

Effect of pulsed modulated microwaves on behavior and

blood-brain barrier in adult rat preliminary results // Ab-

stracts of BEMS-symposium, 2009. – P. 21.

4. Чемерис Н.К., Рубаник А.В., Гапеев А.Б.

Импульсные микроволны с большой пиковой мощ-

ностью не генотоксичны и обладают противовоспа-

лительным действием // Рroceedings 17-th Crimean

Conference Microwave& Telecommunication Technol-

ogy. Sevastopol, 2007. – Р. 33 – 35

5. Большаков М.А., Бугаев С.П., Коровин С.Д.,

Евдокимов Е.В., Климов А.И., Ростов В.В., Пегель

И.В., и др. Воздействие мощного микроволнового

излучения наносекундной длительности на некото-

рые биологические объекты. //Доклады РАН, 2000. –

Т. 371. – № 5. – С. 691-695.

6. Большаков М.А., Либрихт О.К., Князева

И.Р., Ельчанинов А.А., Климов А.И., Ростов В.В.

Продолжительность жизни и фертильность дрозофи-

лы после импульсно-периодического рентгеновского

облучения на постэмбриональных стадиях развития

// Радиационная биология. Радиоэкология, 2007. –

Т. 47. – № 1. – С. 22-27.

7. Rostov V.V., Bolshakov M.A., Buldakov M.A.,

Cherdyntseva N.V., Eltchaninov A.A., Litvyakov N.V.,

Klimov A.I., Korovin S.D. Suppression of division of

tumor cells exposured to nanosecond powerful micro-

wave or X-ray pulse trains // Published in Proc. Of 2-nd

European Pulsed Power Simposium, DESY, Hamburg,

Germany, 2004. – P. 62-66.

8. Litvyakov N.V., Rostov V.V., Buldakov M.A.,

Afanas’ev K.A., Astapenko A.N., Kutenkov O.P.,

Cherdyntseva N.V. Apoptosis-Indusing Effect of Pulse

Periodic X-rays on Tumor Cells // Biophysics, 2005. –

Vol. 5(l). – P. 51-58.

9. Большаков M.A., Коровин М.С., Гриднева

В.И., Ельчанинов А.А., Климов А.И., Ростов В.В. //

Экспериментальная и клиническая гастроэнтероло-

гия, 2005. – № 3. С. 70-74.

10. Bol’shakov M.A., Knyazeva I.R., Rostov V.V.,

Korovin M.S., Neverova L.P. (Zharkova L.P.),

Afanas’ev K.V., Klimov A.I. Initiation of free-radical

oxidation in albino mice by exposure to pulse periodic

microwaves and x-rays // Biophysics, 2005. – Vol. 50. –

Suppl. 1. – P. 104-109.

11. Euroguide on the accommodation and care of

animals used for experimental and other scientific pur-

poses. FELASA. 2007. – p.17.Adey W.R. Biological

effects of electromagnetic fields // Journal of Cell Bio-

chemistry, 1993. – V. 51(4). – P. 410-416.

12. Григорьев Ю.Г. Роль модуляции в биоло-

гическом действии электромагнитного излучения.//

Радиационная биология. Радиоэкология, 1996. –

Т. 36. – № 5. – С. 659-669.

13. Большаков М.А., Алексеев С.И. Изучение

температурных реакций нейронов прудовика в зави-

симости от скорости их нагрева // Деп. ВИНИТИ.

№ 2116-И87. – 1987. – 12 с.

14. Булдаков М.А., Литвяков Н.В., Астапенко

А.Н., Афанасьев К.В., Большаков М.А., Ростов В.В.,

Чердынцева Н.В. Импульсно-периодические СВЧ и

рентгеновское излучения: влияние на клетки костно-

го мозга и селезёнки // Вестник Томского государст-

венного университета. Приложение: Материалы

конференции «Механизмы индивидуальной

адапта-

ции», 2006. – № 21. – С. 23-24.

545

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПЧЕЛ НА ЭМП ВЫСОКОВОЛЬНЫХ

ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Е.

К.

СЬКОВ

ОССИЯ

В.

А.

ОБОЕВ

ОССИЯ

Российский государственный аграрный заочный университет, ekeskov@yandex.ru

Чувашский государственный университет, stoboev@eandex.ru

Аннотация. Теплофизическим и акустическим методами проанализированы реакции пчел на ЭМП высоко-

вольтных линий электропередачи. Установлено, что электрическое и магнитное поля промышленной частоты,

активизирующие пчел, дестабилизируют внутригнездовой микроклимат, но не оказывают влияния на динамику

циркадных ритмов. Пчелы, находясь под высоковольтными линиями электропередачи, реагируют на изменения

ее нагрузки.

Abstract. Thermo-physical and acoustic methods analyzed reactions of bees on EMF high-voltage transmission lines. It

is established, that the electric and magnetic fields of industrial frequency which are making active bees, destabilize

within nest a microclimate, but do not render influence on dynamics circle rhythms. Bees, being under high-voltage

transmission lines, react to changes of its loading.

Введение

Естественный электромагнитный фон, являясь

первичным экологическим фактором, необходим для

нормального функционирования организмов незави-

симо от уровней их сложности. Но интенсивное

электромагнитное воздействие чаще всего дестаби-

лизирует физиологические функции и онтогенетиче-

ское развитие. Значительные аномалии ЭМП создают

высоковольтные линии электропередачи (ВЛ ЛЭП) [1,

2]. Воздушные ВЛ ЛЭП пересекают лесные массивы,

поля, водоемы и даже селитебные территории.

ВЛ ЛЭП, генерируя электрические и магнитные

поля промышленной частоты (50-60 Гц), модифици-

руют естественный электромагнитный фон, изменяя

его на разную величину в зависимости от расстояния

от линий и напряжения, под которым они находятся.

Под ЛЭП 6-35 кВ напряженность электрического

поля (ЭП) может достигать 0,5 кВ/м, а под ЛЭП 500

кВ – 50 кВ/м. Волны ЭМП в диапазоне звуковых ча-

стот и токи утечки интенсивно поглощаются почвой.

Поэтому на расстоянии 5 м от проекции крайних фаз

на землю напряженность ЭП у ЛЭП 330 кВ в зави-

симости от провисания проводов варьирует в преде-

лах от 3,5 до 5,0 кВ/м, у ЛЭП 500 кВ - от 7,6 до 8,0

кВ/м. В отличие от ЭП дальность распространения

магнитного поля (МП) зависит от величины проте-

кающего тока или от нагрузки линии. Поскольку

нагрузка ЛЭП непостоянна, соответственно ей изме-

няется уровень МП. Даже в течение суток напряжен-

ности МП под ЛЭП 330 кВ может изменяться от 10

до 100 А/м, а индукция – от 120 до 725 нТл. Под

ЛЭП 500 кВ она может достигать 2000 нТл [3].

ЭП и МП, генерируемые ЛЭП, отличаются от

природных электромагнитных аномалий могут спе-

цифически влиять на состояние биообъектов. Изуче-

ние этого входило в задачу настоящего исследова-

ния, выполненного на медоносной пчеле, успешно

использованной ранее в качестве тест-объекта элек-

тромагнитного загрязнения природной среды [1, 2,

4–6]. При этом предпринята попытка дифференци-

ровать эффект ЭП и ЭМП, использовав метод стати-

стики дробных моментов [7].

Материал и методы

Исследование выполнено на семьях медоносной

пчелы (Apis mellifera L.), содержавшихся в поликар-

бонатовых ульях. Их размещали под крайней фазой

ВЛ ЛЭП 500 кВ на высоте 0.5 и 1.5 м от поверхности

Земли. Ульи с пчелами контрольной группы находи-

лись примерно в 500 м от ЛЭП. В летний период

исследований в ульях подопытных и контрольных

семей находилось по 25 – 35 тыс. взрослых и такое

же количество развивающихся пчел. Осенью и зимой

в ульях находились только взрослые пчелы. Кормо-

вые запасы от лета к осени возрастали примерно от

10 до 20 кг.

Реагирование пчел на ЭП и ЭМП анализировали

по изменениям температуры и влажности в их гнез-

дах, а также по структуре генерируемых звуков.

Температуру и влажность в гнездах контролировали

измерительной системой, в которой использовались

датчики температуры (HEL-705), влажности (HIH-

4000) и углекислого газа (TGS 4161). Встроенная в

систему флэш-память позволяла дистанционно реги-

стрировать показания датчиков. Автоматическая

фиксация их показаний происходила через каждые

10 мин, для анализа которых использовали матема-

тические пакеты MathCAD и MATLAB.

В комплексе акустических анализов использо-

вали микрофонный зонд (модель 4182 фирмы

Bruel&Kjaer, Дания) с конденсаторным микрофоном

(чувствительность 3.16 mV/Pa). Для оцифровки аку-

стических процессов применяли звуковую карту с

частотой дискретизации 44100 Гц (Creative, SB E-

MU 1212M Retail). Обработка записанного сигнала,

осуществлявшаяся с использованием математиче-

ских пакетов Matlab и MathCAD, включала в себя

следующие процедуры: численное интегрирование

выделенных участков шума, что требовалось для

546

нахождения тенденций изменения временной струк-

туры шума; детектирование внутренних (т.е. ненавя-

занных исследователем) диагностических признаков;

кластеризацию выделенных участков по статистиче-

ски однородному признаку; визуализацию кластеров

методами, способствующими адекватной интерпре-

тации полученных результатов.

Для выделения статистически однородных ин-

формационно значимых участков звуковых процес-

сов анализировали последовательности ранжирован-

ных амплитуд относительных флуктуаций (ПРАОФ)

и тренды, получаемые с помощью процедуры опти-

мального линейного сглаживания (ПОЛС) с гауссо-

вым ядром, примененным к проинтегрированной

последовательности исходных данных [7]. Исполь-

зование последовательности ранжированных ампли-

туд позволяло выражать количественно

относитель-

ные флуктуации в терминах некоего «универсально-

го» набора редуцированных (подгоночных) парамет-

ров, входящих в приближенное аналитическое вы-

ражение для ПРАОФ. Они требуются для количест-

венного сопоставления произвольных участков аку-

стического шума. Увеличение числа подгоночных

параметров позволяло выявлять количественные

различия между двумя сравниваемыми участками

шума. При наличии несущественных различий опре-

деляли доверительный интервал, попадая в который

два сравниваемых участка становились «неразличи-

мыми». Функция обобщенного среднего (ФОС), вы-

раженная в терминах высших и дробных моментов,

позволяла прогнозировать возможное изменения

анализируемого случайного шума.

Результаты исследований

Пчелы, находившиеся под ВЛ ЛЭП, реагировали

на изменения ЭП и МП, связанные с локализацией

под линиями и их нагрузками. Реагирование на ЭМП

выражалось в дестабилизации внутригнездового

микроклимата и акустических процессов, сопутст-

вующих разным процессам жизнедеятельности пчел.

Микроклимат. Существенные изменения внутри-

гнездовой температуры и влажности воздуха проис-

ходили при приближении ульев к ЛЭП-500 кВ, на

что пчелы реагировали активизацией локомоций.

Наибольшая дестабилизация внутригнездовой тем-

пературы отмечалась в течение первых двух дней

локализации улья под крайней фазой ЛЭП. За первые

10 мин температура в зоне локализации расплода

возрастала от 35,1 до 36,5-37,6

С, а на периферии за

пределами расплодной зоны − до 39,7–40,6

С.

Нормализация внутригнездовой температуры

начиналась через 7-10 ч после помещения ульев под

ЛЭП. Однако до исходных значений температура не

опускалась и не достигала ее уровней в контрольных

ульях, превышая ее в наиболее термостабильной

(расплодной) зоне гнезда - на 0.6±0.2

С (рис. 1). В

последующие дни в прилетковой зоне гнезд темпе-

ратура устанавливалась на уровне 28,9–34,4

С, а в

центральной – в пределах 35,1–35,7

С, что превы-

шало ее исходные значения, а также в ульях, распо-

ложенных в 500 м от ЛЭП, на 0,8–1,0

С.

Рис. 1. Изменение температуры в расплодной зоне

семьи, содержавшей около 35 тыс. пчел под влияни-

ем перемещения улья под крайнюю фазу ЛЭП-500

кВ на разную высоту (1 – улей на высоте 1,5 м, 2 –

0,5 м от земли).

Относительная влажность воздуха в расплодной

зоне гнезд под влиянием перемещения ульев под

линию в солнечные теплые дни понижалась от 60-

75% до 30-40% (рис 2). В последующие дни относи-

тельно высокая влажность поддерживалась в ночное

время. Различие между дневными и ночными значе-

ниями влажности достигало 10-30%. Сходная тен-

денция связи между суточной динамикой изменения

нагрузки трассы и внутригнездовой влажностью

прослеживалась в течение всего летнего сезона.

Рис. 2. Изменение относительной влажности в рас-

плодной зоне гнезда семьи, содержащей около 35

тыс. пчел при перемещении улья под крайнюю ли-

нию ЛЭП-500 кВ (1 – улей на высоте 1,5 м от земли,

2 – на высоте 0,5 м).

Повышение локомоторной активности и интен-

сивности метаболизма у пчел, стимулируемое ЭМП

ЛЭП, отражалось на увеличении потребления кисло-

рода и выделения диоксида углерода. Непосредст-

венно после перемещения ульев под ЛЭП и в первые

часы после этого концентрация диоксида углерода в

547

центре расплодной зоны гнезд повышалась в 2–3

раза, варьируя в пределах 0.1-1.8%.

Рис. 3. Суточная динамика изменения относительной

влажности (а) и температуры (б) в гнездах семей при

внешней температуре –10

С, стимулировавшей агре-

гирование пчел (1 - улей на расстоянии 500 м от

ЛЭП; 2 - под крайней фазой ЛЭП -500 кВ на высоте

0.5 м; 3 – на высоте 1.5 м).

Похолодания, стимулировавшие пчел агрегиро-

ваться, отражались на изменении силы влияния ЭМП

на внутриульевой микроклимат. В таких экологиче-

ских условиях колебания нагрузки ЛЭП оказывали

наибольшее влияние на внутригнездовую темпера-

туру (рис. 3). В световое время суток температура в

центре скопления пчел, находившихся под ЛЭП на

высоте 0.5 м от земли, возрастала на 1.5-2.1

С, а на

высоте 1,5 м – на 2.2-3.4

С. В темновое время по-

вышение температуры не выходили за пределы 0.5-

0.8

С. Но изменения напряженности ЭМП не нару-

шали циркадный ритм терморегуляторной активно-

сти пчел.

Акустические процессы

В утренние часы интенсивные составляющие в

спектрах звуков, генерируемых пчелами, находились

в диапазоне 220-250 Гц. В дневное время возмуще-

ния электромагнитных полей (ЭМП) стимулировали

увеличение интенсивных составляющих на частотах

400-450 Гц. Этому же сопутствовало повышение

летной активности пчел. В вечернее время возраста-

ла интенсивность частотных составляющих в диапа-

зоне 300-350 Гц (рис.4).

Использование функций обобщенного среднего

для анализа акустических шумов, генерируемых

пчелами, позволило выявить статистически значимое

влияние ЭМП на физиологическое состояние пчел.

На это указывает наличие связи между флуктуация-

ми звуков, генерируемых пчелами, и изменениями

нагрузки ЛЭП. Сопоставляемые интегрированные

участки акустического процесса сравнивали по бли-

зости их функций обобщенного среднего к отрезкам

прямых линий. Количественная характеристика этой

близости оценивается по четырем параметрам: ∆, Tg,

(рис. 4).

Уточнение результатов анализа достигалось пу-

тем количественного сравнения параметров фитинга

последовательности ранжированных амплитуд отно-

сительных флуктуаций звукового шума семей в те-

чение суток. Значения параметров фитинга степен-

ной зависимостью для них приведены в таблице. По-

казатели в последней графе иллюстрируют качество

подгонки гипотезы

(

)

1 2

α α

1 1

F t C t C t

= +

для задан-

ной ПРАОФ. Относительную ошибку (δ) вычисляли

как отношение стандартного отклонения между

ПРАОФ и подгоночной функцией к величине сред-

него значения подгоняемой функции.

Рис. 4. Временная структура выделенных участков

акустического шума (участки S1-S3) при разной на-

грузке трассы и влияние этого фактора на физиоло-

гическое состояние пчел (Y

– последовательность

относительных флуктуаций акустического шума в

утренние часы, Y

– в дневное время, Y

– вечером).

В таблице приведены наиболее различимые

подгоночные параметры. Они могут быть использо-

ваны в качестве декодирующих ключей для изучения

малых воздействий ЭМП на физиологическое со-

стояние пчелиной семьи.

548

Таблица. Подгоночные параметры для ПРАОФ, опи-

сывающие ненулевые относительные флуктуации

звуков пчел при разных значениях нагрузки трассы.

Время

суток C

Утро -0,045 -0,985 0,756 -0,345 0,034

День -0,012 -0,873 0,853 -0,412 0,041

Вечер -0,53 -0,768 0,711 -0,562 0,021

Заключение

Один из механизмов восприятия ЭП связан с

раздражением наведенными токами, протекающими

в процессе тактильных контактов между насекомы-

ми и/или их прикосновениях к токопроводящим по-

верхностям [2, 4, 5]. Действие низкочастотных ЭМП

на биообъекты, вероятно, связано также с индукцией

в структурах тела переменного электрического поля,

что влияет на протекающие в организме биохимиче-

ские и электрофизиологические процессы.

Электрическое и магнитное поля промышлен-

ной частоты, активизирующие пчел, дестабилизиру-

ют внутригнездовой микроклимат, но не оказывают

влияния на динамику циркадных ритмов. Пчелиные

семьи, находящиеся под ВЛ ЛЭП, реагируют на ЭП

и изменения нагрузки на линию электропередачи.

Зависимость структуры звуков, генерируемых

пчелами от физиологического состояния, и их вы-

сокая чувствительность к вариациям ЭМП позволяет

использовать пчел в качестве вида-индикато-

ра системе мониторинга электромагнитного загряз-

нения природной среды. Судя по акустическому от-

клику на воздействия ЭМП, порог чувствительности

к ним пчел находится на уровне 150-300 нТл. Акти-

визация термогенеза пчел под действием ЭМП также

может использоваться в качестве дополнительного

теста на электромагнитную стимуляцию.

Литература

1. Еськов Е.К. Отношение рыжих лесных муравьев к

низкочастотному электрическому полю // Экология.

1997. № 1. С. 60-61.

2. Еськов Е.К. Генерация, восприятие и использова-

ние насекомыми низкочастотных электрических по-

лей // Успехи современной биологии. 1995. Т. 115. №

5. С. 586-594.

3. Думанский Ю. Д., Сердюк А. А., Лось И. П. Влия-

ние электромагнитных полей радиочастот на челове-

ка. Киев, 1975, 157 с.

4. Еськов Е.К. Специфичность реагирования на элек-

тромагнитные поля и их использование биообъекта-

ми различной сложности // Успехи совр. биологии.

2003. Т. 123. № 2. С. 195-200.

5. Еськов Е.К. Эко-физиологические эффекты элек-

тромагнитных полей// Человек и электромагнитные

поля. (2-я Межд. конф. 28.05 – 01.06.2007, Саров).

Саров. 2008. С. 236 – 244.

6. Еськов Е.К., Н.И. Брагин. Этолого-

физиологические аномалии у пчел, порождаемые

действием электрических полей высоковольтных

линий электропередачи // Журнал общей биологии.

1986. Т. 67. № 6. С. 823-833.

7. Еськов Е.К., Тобоев В.А. Анализ статистически

однородных фрагментов акустических шумов, гене-

рируемых скоплениями насекомых// Биофизика.

2010. Т. 55. Вып. 1. С. 113-125.

549

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ МИТОХОНДРИЙ ПОСЛЕ

ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСНО-

ПЕРИОДИЧЕСКОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

И.

Р.

НЯЗЕВА

1,2

ОССИЯ

В.

ВАНОВ

ОССИЯ

Л.

П.

АРКОВА

2,3

ОССИЯ

В.

ОСТОВ

ОССИЯ

М.

А.

ОЛЬШАКОВ

2,3

ОССИЯ

Сибирский государственный медицинский университет, e-mail: kir@rubl.tomsk.ru

Институт сильноточной электроники СО РАН,

Томский государственный университет

Аннотация. В докладе представлены результаты исследования влияния импульсно-периодического

микроволнового излучения с частотой повторения в диапазоне 8–22 импульсов за секунду и интен-

сивностью в импульсе 70-1500 Вт/см

на функциональную активность митохондрий печени мышей,

определяемую по скорости потребления кислорода в различных метаболических состояниях. Пока-

зана зависимость результата воздействия от интенсивности и частоты повторения импульсов. Рас-

смотрены возможные механизмы влияния микроволновых импульсов на функциональное состояние

митохондрий.

Abstract. In the paper some effects of repetitive pulse microwave radiation at a repetition frequency in the

range of 8-22 pulses per second and a pulse intensity of 70-1500 W/cm

on the functional activity of mito-

chondrions in mouse liver were considered. The effects were estimated on the rate of oxygen consumption in

various metabolic states of mitochondrions. The effects showed a dependence exposure from the pulse repe-

tition rate and irradiation intensity. The possible mechanisms of repetitive pulsed microwaves effect on the

functional state of mitochondrions were discussed.

К настоящему времени известно, что импульс-

но-периодическое микроволновое излучение

(ИПМИ) с высокой пиковой плотностью потока

мощности (пППМ) при относительно низком сред-

нем уровне интенсивности, не превышающем гигие-

нические нормативы безопасного воздействия, ока-

зывает выраженный биологический эффект. Оно

способно инициировать изменение морфологических

и биохимических показателей крови и печени крыс и

мышей [1,2], изменять пролиферативную активность

клеток [3], изменять электропроводность суспензии

клеток и митохондрий [4,5]. При изучении эффектов

ИПМИ самое пристальное внимание уделяется уста-

новлению первичных механизмов и общих законо-

мерностей влияния данного фактора на живые объ-

екты. Одним из предполагаемых механизмов влия-

ния микроволновых импульсов может быть измене-

ние уровня активных форм кислорода (АФК) с по-

следующей окислительной модификацией липидов и

белков клеток [6]. Поскольку одним из основных

источников АФК в клетке является дыхательная цепь

митохондрий [7], именно эти субклеточные структу-

ры можно рассматривать как первичные мишени

биологического действия ИПМИ. Исходя из выше-

изложенного, целью настоящей работы являлось

изучение влияния микроволновых импульсов нано-

секундной длительности на функциональное состоя-

ние митохондрий.

Материалы и методы

Эксперименты проведены на изолированных

методом дифференциального центрифугирования

митохондриях из печени беспородных белых мы-

шей-самцов массой 25–30 г. Содержание животных в

виварии и все манипуляции, связанные с забором

материала проводились в соответствии с общеприня-

тыми санитарными и этическими нормами.

Забор ткани печени и выделение субклеточных

фракций проводились при температуре от 0 до +4 °С.

Для получения изолированных митохондрий из пе-

чени мышей использовалась методика Джонсона и

Лэрди [8] с небольшими модификациями. Печень

освобождалась от крови путем перфузии in situ ох-

лажденной до 0 °С средой выделения, содержащей

0,3 М раствор сахарозы, 1 мМ раствор ЭДТА, 10 мМ

Трис-буфер (pH 7,4). Навеска печени 1,5 г. измельча-

лась в гомогенизаторе Поттера. Для удаления не

полностью разрушенных клеток и ядер гомогенат

центрифугировался 5 минут при 5000 g (0...+2°С) на

рефрижераторной центрифуге ЦРЛ-1 (Россия). На-

досадок центрифугировался при 10000 g 5 мин

(0...+2°С), осадок митохондрий тщательно ресуспен-

дировался в среде, содержащей 0,3 М сахарозы и 20

мМ трис-буфер (рН 7,4). Полученная суспензия ми-

тохондрий хранилась на тающем льду на протяже-

нии всего эксперимента.

Функциональное состояние митохондрий опре-

делялось по скорости потребления кислорода с по-

мощью измерителя кислорода АКПМ-02Л (Россия),

снабженного амперометрическим сенсором АСрО

01 (Россия). Среда инкубации содержала 250 мМ

сахарозы, 2,5 мМ МgCl

и 5 мМ КН

РО

(рН 7,4).

Скорость дыхания выражалась в нМ О

/мин на мг

белка. Содержание белка в пробах суспензии мито-

хондрий определялось по Бредфорду [9].

550

Измерение скорости потребления кислорода ми-

тохондриями проводилось в различных метаболиче-

ских состояниях по Чансу [10]: скорость потребле-

ния кислорода клетками на эндогенных субстратах

(состояние 1); при добавлении 5 мМ экзогенного

субстрата сукцината (состояние 2); при содержании в

среде сукцината и 200 мкМ АДФ (состояние 3) (при

этом фактором, лимитирующим скорость реакции,

является сама дыхательная цепь) и после исчерпания

запаса экзогенного субстрата (состояние 4). Для

оценки эффективности работы дыхательной цепи

рассчитывался дыхательный коэффициент, как от-

ношение скорости фосфорилирующего к скорости

нефосфорилирующего дыхания. По его величине

судили о степени сопряженности окисления и фос-

форилирования, а также о степени интактности ми-

тохондриальных препаратов [10].

Суспензии митохондрий подвергались одно-

кратному воздействию 4000 микроволновых импуль-

сов с частотами повторения в диапазоне 8–22 за се-

кунду. Источником ИПМИ служил лабораторный

импульсный генератор на основе магнетрона МИ-

505 (Россия, несущая частота 10 ГГц, выходная пи-

ковая мощность 180 кВт, длительность импульсов

100 нс). Интенсивность воздействия оценивалась по

величине пиковой плотности потока мощности, ко-

торая в данном исследовании составляла от 70 до

1500 Вт/см

. Для измерения характеристик микро-

волновых импульсов в качестве приемных устройств

применялись антенны в виде отрезка волновода с

открытым концом сечением 23×10 мм. Для выделе-

ния огибающей импульсов излучения использовался

волноводный детектор на основе электровакуумного

СВЧ-диода 6Д16Д [11]. Детектор имел согласующий

аттенюатор на входе волновода и поглощающую

нагрузку в конце, что позволяло корректно регист-

рировать уровни пППМ используемого в работе из-

лучения. Погрешность измерения интенсивности

ИПМИ в интервале от 100 до 1500 Вт/см

в импульсе

составляла около 15 %. Визуальный контроль харак-

теристик микроволновых импульсов (форма и дли-

тельность импульса, пиковая мощность) осуществ-

лялся с помощью осциллографа Tektronix TDS 644A.

Выбор параметров воздействия основывался на

результатах ранее проведенных экспериментов по

изучению эффектов действия импульсно-

периодического микроволнового излучения [1-6].

Для каждого из режимов воздействия было вы-

полнено одинаковое количество экспериментов (по 6

повторностей). В работе использовались облученные

и ложнооблученные суспензии митохондрий, кото-

рые подвергались аналогичным манипуляциям, что и

облученные, но без включения источников излуче-

ния. Статистическая значимость различий между

показателями облученных и ложнооблученных вы-

борок определялась с помощью непараметрического

U-критерия Манна-Уитни.

Результаты экспериментов

В результате проведенных экспериментов было

показано, что скорость потребления кислорода ми-

тохондриями в присутствии эндогенного субстрата

(в метаболическом состоянии 1 по Чансу) не изменя-

лась после воздействия импульсно-периодического

микроволнового излучения всех используемых ин-

тенсивностей и частот повторения импульсов (рису-

нок 1 а,б,в).

ЛО 8 10 13 16 22

Частота повторения импульсов, имп./с

Скорость потребления

кислорода, нмоль О

/(мин*мг

белка)

V0 V2 V3 V4

ЛО 8 10 13 16 22

Частота повторения импульсов, имп./с

Скорость потребления

кислорода, нмоль О

/(мин*мг

белка)

V0 V2 V3 V4

ЛО 8 10 13 16 22

Частота повторения импульсов, имп./с

Скорость потребления

кислорода, нмоль О

/(мин*мг

белка)

Рисунок 1. Влияние импульсно-периодического

микроволнового излучения с пиковой плотностью

потока мощности 70 Вт/см

(а), 700 Вт/см

(б) и 1500

Вт/см

(в) и частотами повторения 8–22 импульсов за

секунду на скорость потребления кислорода мито-

хондриями в различных метаболических состояниях

по Чансу: V0 – скорость дыхания в 1 состоянии, V2,

V3, V4 – скорости во 2, 3 и 4 состоянии соответст-

венно.

Добавление к суспензии облученных митохонд-

рий субстрата дыхания (5 мМ сукцината) переводило

митохондрии в состояние 2 и характеризовалось по-

вышением скорости потребления кислорода в два

раза по отношению к группе ложного облучения.

551

Воздействие с пППМ 70 Вт/см

при частотах 8 и 13

имп./с, с пППМ 700 Вт/см

при частотах 8 и 22 за се-

кунду и с пППМ 1500 Вт/см

при частоте 22 имп./с.

Митохондрии облученные ИПМИ с остальными па-

раметрами оказалось неэффективным в отношении

изменения скорости потребления кислорода в состоя-

нии 2 в присутствии экзогенного субстрата сукцината

и в отсутствии синтеза АТФ (рисунок 1 а,б,в).

Добавление АДФ к суспензии облученных ми-

тохондрий в присутствии экзогенного субстрата пе-

реводило митохондрии в состояние 3 и приводило к

резкому повышению скорости потребления кислоро-

да, которая снижалась после исчерпания АДФ (рису-

нок 1 а,б,в). Воздействие ИПМИ на митохондрии в

метаболическом состоянии 3 по Чансу в большинст-

ве случаев увеличивало скорость потребления ки-

слорода и эффект зависел от пиковой ППМ и часто-

ты повторения импульсов. После воздействия

ИПМИ с пППМ 70 Вт/см

уровень дыхания

митохондрий увеличивался при всех частотах

повторения импульсов, за исключением частоты 10

имп./с. Воздействие ИПМИ с пППМ 700 Вт/см

увеличило интенсивность дыхания в состоянии 3 при

частотах повторения 8, 10 и 22 импульсов за

секунду, в то время как воздействие с пППМ 1500

Вт/см

увеличивало скорость потребления кислорода

только после облучения с частотой 22 имп./с.

Остальные частоты повторения импульсов оказались

не эффективными. Эти результаты свидетельствуют

о наличии стимулирующего влияния ИПМИ на

изолированные энергизованные митохондрии

(состояние 3 по Чансу). Коэффициент дыхательного контроля, отобра-

жающий степень сопряжения процессов окисления и

фосфорилирования после воздействия микроволно-

вых импульсов увеличивается только после воздей-

ствия с пППМ 1500 Вт/см

с частотой повторения 10

имп./с (рисунок 2).

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8 10 13 16 22

Частота повторения импульсов, имп./с

Коэффициент дыхательного

контроля

70 Вт/см2 700 Вт/см2 1500 Вт/см2

Рисунок 2. Изменение величины коэффициента дыха-

тельного контроля после воздействия импульсно-

периодического микроволнового излучения с пиковой

плотностью потока мощности 70, 700 и 1500 Вт/см

частотой повторения 8–22 имп./с: штриховой полосой

обозначен 95% доверительный интервал значений для

группы ложного облучения; * – различия между пока-

зателями облученной и ложнооблученной выборок

статистически значимы с уровнем р ≤ 0,05.

Во всех остальных случаях дыхательный коэффици-

ент либо не изменялся (в большинстве из облучен-

ных групп), либо значимо снижался, как после воз-

действия с пППМ 70 Вт/см

при частотах 8, 10 и 13

имп./с, а также после воздействия с пППМ 700

Вт/см

при частоте 8 имп./с (рисунок 2). Это не про-

тиворечит возможности стимуляции дыхания и в то

же время указывает на то, что не весь утилизирован-

ный кислород был использован для синтеза АТФ.

Анализ полученных результатов

Как показали эксперименты, воздействие им-

пульсно-периодического микроволнового излу-

чения с пППМ от 70 до 1500 Вт/см

может изме-

нять скорость дыхания митохондрий на экзогенном

субстрате (5 мМ сукцината) и в фосфорилирующем

состоянии. Изменение функционального состояния

митохондрий после воздействия ИПМИ зависело от

частоты повторения импульсов и интенсивности из-

лучения. Наиболее эффективными оказались воздей-

ствия с интенсивностями 70 и 700 Вт/см

и частота-

ми 8, 10 и 22 имп./с. В то же время коэффициент ды-

хательного контроля, отражающий степень сопряже-

ния процессов окисления и фосфорилирования уве-

личивался только при максимальной из использо-

ванных интенсивностей (1500 Вт/см

) и частоте 10

имп./с. После воздействия с более низкой интенсив-

ностью излучения величина коэффициента дыха-

тельного контроля уменьшалась. Это указывает на

ухудшение функционального состояния митохонд-

рий с точки зрения уменьшения степени сопряжения

окисления и фосфорилирования и снижения возмож-

ности продукции АТФ.

Стимуляция дыхания при уменьшении степени

сопряжения окисления и фосфорилирования должна

сопровождаться уменьшением продукции АТФ вслед-

ствие снижения активности Н

-АТФ-синтетазы [12].

Таков вариант реагирования может быть обусловлен

открытием пор неспецифической проводимости [13]. В

этом случае происходит снижение протонного гради-

ента, для восстановления которого будет расходоваться

АТФ. Такого рода процессы реализуются после воздей-

ствия ИПМИ с пППМ 70 Вт/см

при частотах повторе-

ния импульсов 8, 13 и 22 за секунду и с пППМ 700

Вт/см

при частоте 8 имп./с.

Отсутствие стимуляции или торможения дыха-

ния при повышении степени сопряжения окисления

и фосфорилирования может происходить за счет ак-

тивация АТФ-синтетазы с соответствующим увели-

чением продукции АТФ [14]. Такого рода процессы

реализуются только после воздействия ИПМИ с

пППМ 1500 Вт/см

при частоте 10 имп./с.

Стимуляция дыхания при неизменной степени

сопряжения окисления и фосфорилирования может

происходить при увеличении скорости потребления

кислорода в фосфорилирующем и нефосфорили-

рующем состоянии. Такого рода процессы реализу-

ются после воздействия ИПМИ с пППМ 70 Вт/см