1. Обзор литературы
1.1. Влияние внешнего электромагнитного излучения микроволнового диапазона на биологические объекты и человека
Воздействие ЭМП на биообъекты способно приводить к различным результатам, зависящих от частоты, мощности излучения и времени воздействия. Возможные эффекты по результатам воздействия микроволнового (MB) поля на растительные и животные живые клетки условно можно разделить по типам воздействий на:
1. Энергетические;
2. Биофизические и биохимические;
3. Информационные.
Энергетическое воздействие может вызывать рост температуры в ткани, рост давления (причем в центре вещества достигается наибольшее значение давления), возникновение в плазматической мембране и в клеточных стенках напряжений механического характера.
Биофизическое, а также биохимическое воздействие отличаются невысоким уровнем мощности ЭМП, не способным вызвать возникновение энергетических эффектов. К примеру, для ЭМП MB диапазона нетепловой эффект наблюдается при следующем условии: ; [1]. Этот уровень воздействия можно классифицировать как среднее энергетическое воздействие [2]. Он сравним с энергетическим уровнем основного обмена и может послужить причиной к изменению физической активности ионов, уменьшению вязкости воды и липидов, вероятно, к изменению энергии активации биохимических реакций.T<0.1 часP_ул<1 мВт•час??см?^2
Расчеты показывают, что квант микроволнового электромагнитного поля в исследуемом диапазоне частот намного меньше энергии теплового движения. Отсюда следует вывод, что на атомном уровне воздействие невозможно, и энергия поля идет на увеличение внутренней энергии тела.
Несмотря на то, что в первую очередь в преобразовании энергии будут принимать участие молекулы воды, как молекулы с явно выраженной полярностью зарядов, также возможны слабые влияния на химическое поведение белков вследствие исключительности их электронно-конформационных взаимодействий [3, 4].
К биофизическому типу воздействия следует также отнести эффекты, связанные с механическим взаимодействием макросоставляющих клетки под влиянием переменного ЭМП. К механическим взаимодействиям в растительной ткани мы относим взаимодействие колеблющихся в такт с ЭМП молекул воды с поверхностью пор и капилляров.
Система информационного воздействия недостаточно хорошо исследована. В настоящее время установлено, что имеется взаимосвязь между слабыми ЭМП и функциональным проявлением энзиматических структур.
Экспериментальные факты, описанные в [1], говорят о следующем:
а) микроволновое поле стимулирует рост семян, при этом качественные характеристики растений, прошедших обработку, превышают характеристики контрольных образцов.
б) микроволновое поле воздействует на вредных насекомых зерновых и бобовых культур, что приводит к резкому снижению активности или полной гибели вредителей.
в) воздействие микроволнового поля ведет к изменению (в частности, угнетению) жизнедеятельности бактериальной клетки.
В первую очередь представляет интерес эффект, получаемый при предпосевной обработке семян. Подобрав оптимальный режим обработки зерна, можно добиться стимулирующего эффекта и повышения всхожести. Контроль ростков, полученных из обработанного зерна, и их дальнейшее развитие показали возможность улучшения биологических характеристик растений — высоты, толщины стебля, массы зерна, получаемых с одного растения, улучшение общих показателей. Однако, существуют такие режимы обработки, которые могут привести к угнетению роста либо к аномальному развитию растений.
1.2. Влияние сильных и слабых ЭМИ на живые клетки растений и человека
Стенки клетки представляют собой достаточно прочный и жесткий каркас, поры в котором заполнены жидкостью. Клеточная мембрана эластична, через нее осуществляется поступление питательных веществ и жидкости в клетку и вывод продуктов жизнедеятельности путем диффузии и осмоса. Когда же под воздействием сильных ЭМИ в клетке, основной компонент которой — вода (например, в клетке гриба процент воды составляет около 95%), происходит активное выделение тепла, повышается температура, вследствие чего жидкость клеточной ткани стремится расшириться. Объем клетки способен несколько увеличиться за счет воздухоносного межклетника. Однако увеличение времени воздействия ЭМИ приводит к состоянию, когда все резервное пространство занято увеличившимся объемом, а поры в плазматической мембране не обеспечивают массовый отток жидкости. Поэтому объем клетки можно считать фиксированным и процесс повышения температуры в клетке будет изохорным (V=const). Как показывают оценочные расчеты, проведенные при помощи известных зависимостей для воды, повышение температуры на 10 градусов вызывает повышение давления в условиях постоянного объема до 60 бар — безусловно, в живой клетке такое значение достигнуто не будет: при превышении давления выше предела прочности мембраны, наиболее вероятно, ?-спиральные участки белков, из которых сформированы ее ионные каналы, механически повредятся и отток жидкости из клетки резко увеличится.
На определяющую роль связи роста внутреннего давления и жесткости клеточных стенок указывает тот факт, что, к примеру, распушение целлюлозы носит взрывной характер. Большое гидравлическое сопротивление приводит к тому, что образующийся пар не может вырваться наружу, а жесткость стенок не позволяют перейти к большему объему — поэтому давление стремительно растет и этот процесс заканчивается разрушением ткани (клетки).
Таким образом, можно сделать важный вывод — несмотря на выбор режима, при котором температура в клетке повышается незначительно, рост давления в клетке способен привести к нарушению целостности мембраны и выдавливанию из пор и капилляров воды, что в свою очередь способно вызвать химическое разрушение ткани.
Темп нагрева клетки можно оценить численно, приняв в первом приближении, что клетка полностью заполнена водой.
Количество тепла, поглощенное клеткой, можно определить по известной зависимости [5]:
Q=mc_V ?t?=V?c_V ?t?,Дж (1.1)
где т – масса вещества, кг; сV – удельная теплоемкость при постоянном объеме, ; Дж/кг·К?t – разность температур вещества между конечным и начальным состоянием, град.; ? – время, с; V – объем, занимаемый клеткой, м3; ? – плотность вещества, кг/м3.
Зависимость (1.1) в приведенном виде можно представить коэффициентом объемной плотности теплового потока [5]:
q_V=Q/V?=?c_V ?t,Вт?м^3 (1.2)
С другой стороны, удельная активная мощность, выделяемая в единице объема данного материала при обработке его ЭМИ, определяется зависимостью [5]:
q_V=0.556•10^(-10) ?^' tg?fE^2,Вт?м^3 (1.3)
где ?' – диэлектрическая проницаемость; ? – угол диэлектрических потерь; f – частота, Гц; Е – напряженность электрического поля, В/м.
Приравняв (1.2) и (1.3), получаем зависимость для темпа МВ нагрева [5]:
?t=0.056•10^(-10) (?^' tg?fE^2)/(?c_V ),град?с (1.4)
В условиях нашего эксперимента (для грибов; для пшеницы, по данным [6], эта величина при влагосодержании 16% равна 0.6); . Теплофизические свойства вещества клетки в первом приближении можно считать равными по значению свойствам воды при : . Тогда темп нагрева . Прирост температуры через 90 с составит 11.25 град. Как показали предыдущие расчеты, при таком повышении температуры в клетке способно развиться недопустимо высокое давление. Следует отметить, что эти расчеты носят оценочный характер, т.к. не учитывался теплообмен клетки с клеточной стенкой и тепловой поток в окружающую среду. На данном этапе эти допущения вполне уместны, т.к. окружающей средой был неподвижный воздух, что говорит о низкой интенсивности теплообмена. Также не учитывался поток влаги, вытесняемый из клеток. Учитывая высокое сопротивление биологической ткани, потоком массы на начальном этапе нагрева можно пренебречь. Для уточнения расчета следует решить систему дифференциальных уравнений [6], описывающую перенос теплоты и массы в веществе при воздействии МВ полем.E ? 6.5·10^2 В/м,?'tg? ? 9.1f = 2.45·10^9 Гц20°C? = 998 кг/м^3 ,c_V = 4.2·10^3 Дж/кг·К?t = 0.125 град/с
Таким образом, увеличение температуры в активной клетке в случае нагрева ЭМИ ведет к увеличению давления. В таком случае из объема клетки посредством пор начнет выталкиваться излишняя масса вещества с высокой скоростью, приводя к дефектам мембраны.
Тем не менее, существуют подходящие режимы микроволновой обработки, обеспечивающие биостимуляцию зерен за счет усовершенствования транспортных параметров без повреждения клеточных структур [7].
Воздействие на клетки слабым ЭМИ, параметры которого соответствуют нетепловому воздействию на растительный объект, представляет собой, например, для семян управляющий сигнал, выводящий систему из состояния покоя и включающий в работу химические передатчики, такие как ауксин, цитокинины и гиббереллин. Причем в качестве управляющего сигнала выступает только магнитная составляющая электромагнитного поля, о чем свидетельствуют экспериментальные данные различных исследовательских групп, получивших эффект усиления метаболизма как растительных зерен, гак и бактериальных клеток при облучении их магнитным полем [8].
Исходя из чрезвычайно высокой чувствительности биообъектов к внешним ЭМИ, возникают вопросы о поведении клеток живых организмов в зависимости от интенсивности, частоты, поляризации и т.п. полевых воздействий.
Данный вопрос возник и начал активно обсуждаться в 60-е годы, когда впервые в истории радиотехники были разработаны генераторы высокомонохроматических когерентных электромагнитных волн миллиметрового диапазона и найдена их предельно высокая биологическая активность, среди прочего – терапевтическое действие при заболеваниях различных органов человека. Характерная черта свойств волн миллиметрового диапазона заключалась в том, что их интенсивное биологическое влияние на живые организмы выражалось при весьма невысоком, нетепловом уровне мощности. За этим таилось новое качество в эффектах взаимодействия электромагнитных волн с биологическими средами [9, 10].
Экспериментально обнаружено, что при облучении организма больного человека низкоинтенсивными электромагнитными полями на строго фиксированных частотах мм-диапазона (50.3 и 51.8 ГГц; 64.5 и 65.5 ГГц; 95 и 105 ГГц и др.) с поверхностной плотностью мощности достигается четко выраженный терапевтический эффект [11].10^(-13)...10^(-9) Вт/м^2
Важно отметить, что данная плотность соизмерима с поверхностной плотностью мощности, генерируемой и излучаемой в указанных диапазонах молекулярной средой здорового человека.
Судя по всему, информационным действием на организм обладают сигналы различной физической природы (в радио- и оптическом диапазоне, звук, геомагнитное поле) с удельной плотностью мощности до . Но возможно, что минимальный уровень еще ниже — [12].10^(-12) Вт/м^2 10^(-16) Вт/м^2
Заметим, что взрослый человек с поверхности тела порядка 1.5 м2 на всех частотах ЭМП излучает около 150 Вт, т.е. порядка 100 Вт/м2, с максимумом излучения на длине волны примерно 9.4 мкм. В летний день от Солнца в зените на Землю падает приблизительно 1 кВт/м2 с максимумом на длине волны 0.47 мкм (область сине-зеленого цвета).
Рядом исследователей было высказано предположение об информационно-резонансном, а никак не энергетическом характере взаимодействия миллиметровых радиоволн с биологической средой.
Впрочем, и с данных позиций нелегко разъяснить, каким образом во время лечения внутренних органов «информация» проникает вглубь биологической среды организма, представляющего из себя водную среду на 70-80%, если установлено, что вода — сильнейший абсорбер волн миллиметрового диапазона, и по этой причине излучение волн мм-диапазона не должно проходить глубже поверхностного слоя, толщиной более 0.1 мм. Для понимания данного явления создавались различные физические и биомедицинские модели [13, 14], однако, ни одна из них никак не решает вопрос принципиально. Существенные затруднения в разъяснении возникших противоречий обусловливались, верояино, отсутствием способа непосредственной физической регистрации хода взаимодействия электромагнитных миллиметровых волн с объектами не только лишь биологической, но также и физической природы и, главным образом, с водной средой. По этой причине продолжали применятсья только классические биомедицинские способы контроля биологического поведения миллиметровых волн, что, безусловно, ограничивало сферу исследования только активными биологическими средами и препятствовало приблизиться к объяснению отличительных черт процессов взаимодействия миллиметровых волн с различными природными объектами.
1.3. Механизм резонансного взаимодействия ЭМИ с водными средами
Водные среды, каковыми являются и биологические, предлагается рассматривать в динамике как ансамбль связанных тождественных осцилляторов [15]. По отношению к водным средам осцилляторами являются взаимодействующие гексагональные фрагменты, образующие с участием водородных связей единую колебательную систему с собственными частотами. В направлении распространения волн систему таких осцилляторов можно представить как одномерные цепочки (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Распространение волн в системе связанных тождественных осцилляторов: 1 – вне резонанса; 2 – в резонансе
Наиболее важным аспектом приема собственных и стимулированных излучений биологических материалов и водных сред считается согласование антенны с ними. Т.к. угасание СВЧ излучения в среде биологического объекта достаточно велико, прием мощности шумового СВЧ излучения осуществляется с максимальной глубины, не превышающей длину волны в среде. Таким образом, прием радиоизлучения аппликатором производится, главным образом, из ближней области антенны. Отношение напряженности электрического поля (E) к напряженности магнитного поля (H) является волновым сопротивлением. В отдаленной зоне это отношение равно волновому сопротивлению среды [8]:
?_?=E/H=377/v?? (1.5)
Поскольку энергия электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля равны (DE=BH), а для биотканей ?_? = 1, в дальней зоне антенны-аппликатора волновое сопротивление биотканей . Для тканей с диэлектрической проницаемостью (ДП) в интервале [1] (например, на частоте в 1 ГГц ДП мозга – 35, печени – 44, почек – 50, селезенки – 77, легких – 35, сердца – 50, глаз – 70, мышц – 50, крови – 65, жира – 3, костей – 8,4, кожи – 44) волновое сопротивление меняется в диапазоне 50...70 Ом.?_?=377?v(?_? ) ?_? = 70...30
В корректном виде наиболее общее уравнение движения системы связанных тождественных осцилляторов с учетом диссипации энергии и нелинейности взаимодействия осцилляторов при воздействии плоской электромагнитной волны эквивалентно уравнению движения цепочки осцилляторов [8]:
f_0 exp(i?t)=?_n+2??_n+?_0^2 ?_n+k/m ??_n , (1.6)
в котором сила внешнего воздействия падающей электромагнитной волны (слева) балансируется суммой сил реагирования осцилляторов (справа) в последовательности: удельными (на единицу массы) инерционной силой, силой диссипативных потерь (трения), упругой силой независимого осциллятора и упругой силой взаимодействия осцилляторов между собой.
В формуле (1.6) – амплитуда удельной силы воздействия электромагнитной волны; – амплитуда электрического поля падающей волны; – заряд и масса осциллятора; – частота падающей электромагнитной волны; – время; f_0 = E_0 q/mE_0 q,m?t?_n - смещение n-го осциллятора; n – номер осциллятора в цепочке; – собственная циклическая частота колебаний осциллятора; - собственная линейная частота колебаний осциллятора; – константа упругости автономного осциллятора; – константа упругости взаимосвязи осцилляторов; – удельный коэффициент диссипации [8]:?_0= 2?v_0 = (k_0?m)^0.5 v_0 k_0 k2?
??_n=?_(n+1)-?_n-(?_n-?_(n-1) )=?_(n+1)+?_(n-1)-2?_n (1.7)
– смещение n-го осциллятора относительно ближайших соседей.
В этой модели под коэффициентом диссипации подразумевается показатель потерь в межкластерной среде на структурных нарушениях. В таком случае общая диссипация будет соразмерна общей площади межкластерных границ.
Решение уравнения (1.6) определяется выражением распространяющейся в среде осцилляторов гармонической волны [8]:
?_n=?_0 exp[i(?t-?l-?)]=?_0 exp[i(?t-?n?-?)] , (1.8)
Где – амплитуда осцилляций; – волновой вектор; - глубина проникновения волны в среду; - расстояние между осцилляторами; - сдвиг фаз между колебаниями падающей и распространяющейся волны, образующейся на границе среды при ?_0 ?l=n???n = 0.
Подстановка (1.8) в (1.7) и в (1.6) дает [8]:
??_n=2?_n (cos???-1)=-4?_n ?sin?^2 ??/2 ; (1.9)
f_0/?_0 exp[i(?n?+?)]=f_0/?_0 [(?n?+?)+i sin(?n?+?)]=
=-?^2+?_0^2-4 k/m ?sin?^2 ??/2+i2??. (1.10)
Отсюда для модуля и аргумента комплексной функции находим следующие выражения [8]:
?_0^2=f_0^2 [(?_0^2-?^2-4 k/m ?sin?^2 ??/2)^2+(2??)^2 ] , (1.11)
tg?=sin?/cos?=2??/(-?^2-?_0^2-4 k/m ?sin?^2 ??/2) . (1.12)
В результате применения к уравнению (1.11) критерия экстремума получаем дисперсное уравнение для определения резонансных частот [8]:(d (?_0^2)/d?=0)
?_p^2=?_0^2-4 k/m ?sin?^2 ??/2 2?^2 . (1.13)
Из уравнения (1.10) следует, что при частотах [8]:
?^20) ,
?^2>?_0^2-2?^2,(?sin?^2 ??/2<0). (1.14)
волновой вектор становится мнимым и волна в среде затухает как (см. рисунок 1.1, кривая 1).(?>-i?)exp(-?n?)
Внутри же интервала [8]:
?_p^2?(?_0^2-4 k/m-2?^2; ?_0^2-2?^2 ) ,(?sin?^2 ??/2=1;0), (1.15)
волна в системе осцилляторов действительно существует, т.е. в данном интервале волновое движение распространяется по цепочке осцилляторов, попадая в объем среды (рисунок 1.1, кривая 2), соответственно этот интервал является полосой резонансных частот. Назовем его интервалом частот резонансного взаимодействия волн со средой, или полосой резонансного пропускания.
Итак, молекулярные системы могут обладать полосами резонансного пропускания волн с преобразованием электромагнитных колебаний в колебания молекулярных осцилляторов среды, сопровождаемые диссипацией энергии волн.
Учет нелинейности коэффициента диссипации при увеличении амплитуды осцилляций представлен в виде квадратичной зависимости [16]:
?=?_0 [1+?(?_n/a)^2 ] (1.16)
или при усреднении функции смещения осциллятора [16]:(?_n^2 )
?=?_0 [1+?((?_0^2)/(2a^2 ))^2 ] , (1.17)
где -?_0 коэффициент диссипации при малых амплитудах; - коэффициент пропорциональности.?
Тогда с учетом (1.17) дифференциальное уравнение колебаний (1.6) преобразуется в нелинейное уравнение вида Ван дер Поля [16]. В усредненном виде (1.17) выражение (1.6) упрощается, преображаясь в параметрическое уравнение, к которому применимы все предшествующие аналитические выражения.
В соответствии с выражением (1.15), высокие мощности ЭМВ, при которых амплитуда колебаний осцилляторов становится сравнимой с промежутком между ними, активизируют рост уровня диссипации и, соответственно, сдвиг интервала резонансного взаимодействия в сторону меньших частот на величину . Следовательно, если изначально частота падающей ЭМВ располагалась в интервале резонансного взаимодействия, то при повышенных мощностях она оказывается за пределами данного интервала, резонансное взаимодействие с системой осцилляторов прерываетсяя, и волна поглощается на поверхности объекта. Подстройкой частоты можно возобновить резонансное взаимодействие, которое вновь прерывается с выходом осцилляторов из области резонанса под действием нарастающей диссипации. На рисунке 1.2 показан эффект сдвига резонансной частоты. При повышении уровня мощности облучения с до максимум спектральной кривой в полосе резонансного ??_p^2=2?^2 P_01 P_02пропускания смещается в направлении стрелки.??_p1
Рисунок 1.2 – Проявление эффекта выхода системы осцилляторов из полосы резонанса при повышении уровня мощности падающего КВЧ излучения
Уменьшение частоты падающей волны на восстанавливает резонансную кривую в полосе пропускания ??_p ??_p2 по направлению стрелок. По этому принципу можно объяснить отсутствие резонансного эффекта в области нелинейного взаимодействия волн со средой за порогом малых мощностей. Практически на входе при падающей мощности КВЧ волн порядка 5 мВт/см2 на резонансной частоте vp = 50,3 ГГц сдвиг по частоте составляет , который позволяет по формуле (1.16) оценить коэффициент диссипации Затем, в соответствии с нелинейной динамикой, увеличение мощности воздействия на среду выводит ее на автоколебательный или стохастический режимы колебаний. Данные эффекты соответствуют экспериментально наблюдаемым (рисунок 1.2) [17].??_p? 0.3 ГГц?=v(2???_p )?1 ГГц .
Выявленные оценки демонстрируют, что при значительных потоках мощностей порядка и более даже на резонансных частотах мощности ЭМВ миллиметрового диапазона вполне достаточно для разрушения водородных связей в водных средах на глубины в десятые доли микрометров. Разрушаемые при этом гексагональные молекулярные 10^2 мВт??см?^2 осцилляторы мешают резонансному взаимодействию миллиметровых волн со средой — среда «закрывается» от мощного радиоизлучения миллиметрового диапазона. В данном значении, на чем уже акцентировалось внимание, явление резонансного взаимодействия электромагнитной миллиметровой волны с водными и биологическими средами считается лиминальным эффектом малого уровня мощности.
1.4. Использование радиолокационных систем для исследования электромагнитных свойств биологических объектов
Физические и биологические тела и объекты, которые имеют температурные градиенты по отношению к окружающей среде в соответствии с законами термодинамики излучают в эту среду широкий спектр электромагнитных колебаний, интенсивность которого в диапазоне СВЧ и КВЧ определяется формулой Релея-Джинса [18]:
U_?=?^8 (??^2)/c^2 , (1.18)
Сигнал, который формируется в результате тепловых флуктуаций элементарных частиц (осцилляторов) физического или биологическою объекта имеет шумовой характер и выделяется и измеряется прибором с конечной полосой пропускания, поэтому его можно представить в виде
случайного узкополосного процесса [18]:
U_c (t)=U_t sin[?_0 t+?_((t) ) ] , (1.19)
Амплитуда огибающей и фаза сигнала являются случайными функциями времени, темп изменения которых зависит от ширины полосы частотU_t ?_((t) ), попадающих на PC [18].
Модуляционные PC с чувствительностью позволяют измерять спектральную плотность мощности шумовых сигналов объектов, температура которых несколько выше температуры 10^(-21)…10^(-22) Вт/ГцTT_0 окружающей среды, так вода, строительные материалы, драгоценные камни и минералы, нагреваясь под воздействием лучей Солнца, тепла тела человека создают электромагнитное излучение в широком диапазоне частот, в том числе и крайне высоких частот (30 - 300 ГГц), которое превышает фоновое излучение предметов, находящих при температуре T_0. Интенсивность излучения определяется температурой физического объекта и его коэффициентом серости. Электромагнитное поле, создаваемое физическими объектами, взаимодействует с близконаходящимися предметами окружающей среды, в том числе и с биообъектами. [19]T
В процессе работы были проведены подробные экспериментальные исследования с использованием высокочувствительных радиометрических систем НУ-1 и НУ-2 в диапазонах частот 37.5...53.5 ГГц и 53.5...78.3 ГГц.
Предметом исследований были физические объекты, с которыми возможно контактирование человека.
?
2. Прямые методы регистрации реакции дисперсных сред на внешнее электромагнитное поле
При исследовании взаимодействия дисперсных сред (в частности биологических) и внешнего ЭМИ следует принимать во внимание то, что биообъект обладает собственным ЭМП, интенсивность которого может варьироваться под воздействием как внутренних, так и внешних факторов. Помимо интенсивности излучения, наиболее важными характеристиками биообъекта являются характеристики поглощения и отражения на частоте резонансного проявления, фазовые сдвиги в отраженном сигнале и прочие. Важно, что регистрацию данных характеристик следует осуществлять на уровнях, близких к уровню собственного излучения. Опыт показывает, что аналогичные измерения на уровнях сигналов Вт можно осуществлять только с применением высокочувствительных модуляционных радиометрических систем [1].10^(-12)...10^(-15)
Рисунок 2.1 – Схема изучения объектов во внешнем ЭМП
На рисунке 2.1 изображена схема устройства для измерения поведения биообъекта (О) во внешнем поле. Реализация данной системы подразумевает присутствие генератора облучающего сигнала (G) радиометрического измерительного приемника (РП), подключаемого к приемопередающей антенне X1 посредством направленного ответвителя A1.
Функционально такая система объединяет в себе процедуру облучения (воздействия на биообъект) и замера реакции биообъекта на облучающий сигнал. Применительно к медицине совмещает функции диагностики и лечения.
