Влияние коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения на биологическую активность микроорганизмов

Вопросы влияния внешних воздействий на биологические объекты интересовали человечество, по-видимому, с доисторических времен. Интерес к влиянию внешних воздействий, имеющих волновую природу, наибольшее развитие получил в прошедшем 20 веке. Задачи создания новых экологически чистых биотехнологий, поставленные перед наукой в конце 20-го века, придали дополнительный импульс исследованиям в этой области. Известно большое число работ, посвященных изучению эффектов действия различных по физической природе видов облучения (звукового, оптического, рентгеновского, радиоволнового) на биологические свойства живых объектов. Однако во всех этих исследованиях длина волны внешнего воздействия была, как правило, либо много больше, либо много меньше линейных размеров клетки — основного кирпичика практически любого живого организма. Исключения, пожалуй, составляют исследования [39−43], выполненные в диапазоне миллиметровых радиоволн (например, группой академика H.H. Девяткова) и в диапазоне длинноволнового оптического излучения (до средней инфракрасной области) [65−68]. В первом случае длины волн были больше трехсот микрон, а во втором — меньше пяти микрон (при оценке длины волны в среден полагалось, что диэлектрическая проницаемость вещества, составляющего биологический объект, примерно равна диэлектрической проницаемости воды). В частности, установлено, что внешние воздействия электромагнитной природы могут существенно влиять на жизнедеятельность биологических объектов. Например, воздействие электромагнитных волн крайне высоких частот в зависимости от параметров излучения может приводить либо к подавлению биологического роста дрожжей (уменьшению удельной скорости роста), либо к повышению их биологической активности (повышению удельной скорости роста).

Размеры реальных микроорганизмов — десятки, сотни микрон. Следовательно, можно предположить, что внешние возмущения электромагнитной природы с пространственным периодом единицы — сотни микрон могут существенно влиять на физико-химическую кинетику в конденсированных средах биологического происхождения. Наиболее перспективными, по критерию возможности реализации таких величин пространственного периода, могли бы быть «обычные» радиоволны с частотами от 100 ГГц до 10 ТГц, т. е. волны диапазонов крайне высоких и гипервысоких частот. Однако эти диапазоны частот мало освоены. Кроме того, радиоволны таких частот сильно поглощаются водой [16], составляющей основную часть микроорганизмов, что существенно осложняет их использование для управления активность биологических культур. Кроме простейших видов волновых возмущений в физике известны и другие типы волн, например, магнитостатические волны (МСВ). Этот тип волн можно классифицировать как один из видов электромагнитных возмущений в магнитогиротропной среде. Они представляют собой медленные дипольные спиновые возбуждения. Эти волны возбуждаются в средах, обладающих магнитной упорядоченностью — ферромагнетиках или ферритах. Длина волны таких возмущений, по сравнению с «обычными» радиоволнами с такой же частотой, может быть существенно меньше (на два — че-' тыре порядка).

Настоящая работа является первой (в отечественной и зарубежной прак-" 4 тике) попыткой изучить влияние на биологическую активность микроорганизмов внешнего коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения — излучения, создаваемого магнитостатической волной (МСВ).

Актуальность темы

разработки данного проекта в научном плане обусловлена — стремлением расширить и углубить научные представления о биологических процессах, происходящих в микроорганизмах и выявить возможные механизмы управления этими процессами.

Цель работы — экспериментальное и теоретическое исследование влияния на биологическую активность микроорганизмов специфического типа сверхвысокочастотного излучения электромагнитной природы — магнитоста-тических волн.

Основные задачи, решаемые для достижения поставленной цели, со5 стоят в следующем:

— экспериментально и теоретически доказать возможность управления процессом роста дрожжей с помощью коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения;

— изучить влияние на биологическую активность микроорганизмов отдельных параметров облучения;

— исследовать характер (обратимый или не обратимый) влияния на биологическую активность микроорганизмов, оказываемый коротковолновым сверхвысокочастотным магнитным излучением.

Научная новизна — впервые экспериментально и теоретически показана возможность управления процессом роста дрожжей с помощью качественно нового механизма — коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения. Путем изменения параметров излучения можно повышать и понижать скорость прироста биомассы дрожжей. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что влияние на биологическую активность микроорганизмов, оказываемое коротковолновым сверхвысокочастотным магнитным излучением, имеет обратимый характер.

Кроме того, в работе впервые: {;

— исследованы экспериментальные временные зависимости изменений концентрации биомассы в процессе роста микроорганизмов, подвергнутых облучению магнитостатическими волнами при различных величинах напряженности поля подмагничивания;

— изучено влияние длины волны (частоты) излучения на изменение биологической активности микроорганизмов в случае ее повышения;

— показано влияние времени и мощности облучения на повышение биологической активности микроорганизмов;

— получены экспериментальные зависимости изменений концентрации биомассы микроорганизмов при фиксированном времени экспозиции в зависимости от частоты магнитостатического возбуждения с фиксированной длиной волны;

— продемонстрировано проявление действия облучения на биологическую активность последующих поколений микроорганизмов для параметров излучения магнитостатических волн, соответствующих ее повышению и подавлению;

— установлена зависимость действия излучения магнитостатических волн на биологическую активность микроорганизмов от длительности временного интервала между облучением и посевом при повышении и подавлении биологической активности.

Научная ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют представления о биологических процессах, происходящих в микроорганизмах, и выявляют возможные механизмы управления этими процессами.

Практическая значимость результатов исследования связана с возможностью их использования для создания принципиально новых, более эффективных (чем ныне существующие) технологий для перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса, фармакологии и медицины. Еще одно важное обстоятельство для практических приложений — воздействие коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения на биологические объекты не приводит к загрязнению окружающей среды и не ухудшает экологической чистоты конечной продукции.

Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в рамках фундаментальных и поисковых НИР, проводимых в Кубанском государственном университете (проекты РФФИ № 03−04−96 789 и 06−01−96 637Р-юга).

Достоверность результатов работы определяется использованием обоснованных методов проведения экспериментальных измерений и обработки экспериментальных данных, применением широко распространенной измерительной аппаратуры.

Личный вклад автора — выбор темы, цели и задач диссертационного исследования осуществлялся автором диссертации совместно с научным руководителем, академиком РАН, доктором физико-математических наук, профессором Бабешко В.А.

Все основные результаты и выводы получены лично автором диссертации путём постановки и проведения экспериментальных исследований, обработки экспериментальных результатов. Научный руководитель участвовал в обсуждении результатов и формулировке выводов и заключений.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованных источников. Она содержит 133 страницы текста, включая 33 рисунка на 40 страницах, 1 таблицу и список использованных источников из 68 наименований.

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Результирующий эффект действия облучения на биологическую активность дрожжей при фиксированной величине поля подмагничивания можно изменять. Варьируя величину пространственного периода магнито-статических волн, можно повышать или понижать скорость прироста биомассы микроорганизмов.

2. Зависимость эффекта действия облучения МСВ от времени экспозиции имеет резонансный характер.

3. Путем изменения мощности внешнего излучения можно повысить биологическую активность дрожжей. Зависимость скорости прироста дрожжей от уровня мощности внешнего излучения имеет резонансный характер.

4. Результирующий эффект действия облучения на биологическую активность дрожжей при фиксированной величине пространственного периода зависит от частоты МСВ. Изменяя частоту внешнего воздействия можно как повышать, так и понижать скорость прироста биомассы микроорганизмов.

5. Влияние облучения магнитостатическими волнами может проявляться в изменении биологической активности дрожжей на различных этапах (вплоть до десятого — двенадцатого поколения) их роста. Изменяя мощность внешнего излучения, можно усиливать эффект действия на различных этапах роста дрожжей.

6. В процессе роста облученных дрожжей может реализовываться стационарная фаза. Наблюдающийся рост биомассы после стационарной фазы свидетельствует о том, что питательные ресурсы еще не исчерпаны. Существование стационарной фазы, возможно, объясняется рождением в течение нескольких поколений значительного числа нежизнеспособных и/или не способных к делению микроорганизмов.

7. Остаточное действие облучения магнитостатическими волнами может проявляться на биологической активности микроорганизмов даже по истечению двух месяцев после обработки.

Список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации, приведен в приложении А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния специфического типа коротковолнового сверхвысокочастотного излучения электромагнитной природы — магнитостатических волн. Объект исследований — хлебные и винные дрожжи. Изучение влияния излучения на биологическую активность исследуемых микроорганизмов производилось по критерию изменения относительной скорости прироста биомассы в процессе роста дрожжей по сравнению с контрольным (не облученным) образцом. Метод контроля — фотометрический. Облучению подвергались сухие дрожжи.

В ходе выполнения работы решены следующие задачи:

— создана лабораторная установка и отработана методика облучения маг-нитостатическими волнами дрожжей;

— изготовлена измерительная установка и отработана методика определения изменения относительного объема биомассы в процессе роста;

— исследованы экспериментальные временные зависимости относительной концентрации биомассы микроорганизмов, подвергнутых облучению магнитостатическими волнами, при различных величинах напряженности поля подмагничивания;

— изучено влияние времени облучения на изменение биологической активности микроорганизмов для ситуации, когда наблюдается повышение биологической активности;

— изучено влияние длины волны (частоты) излучения на изменение биологической активности микроорганизмов для ситуации, когда наблюдается повышение биологической активности;

— исследовано влияние мощности внешнего излучения на эффект действия для ситуации, когда наблюдается повышение биологической активности;

— получены экспериментальные зависимости концентрации биомассы микроорганизмов при фиксированном времени экспозиции в зависимости от частоты магнитостатического возбуждения с фиксированной длиной волны;

— экспериментально исследовано проявление эффекта действия облучения на биологическую активность последующих поколений микроорганизмов, для параметров излучения магнитостатических волн, при которых наблюдается повышение и подавление биологической активности (длительность временного интервала между облучением и посевом дрожжей фиксирована и равна 15 минутам);

— изучена зависимость эффекта действия излучения магнитостатических волн на биологическую активность микроорганизмов от длительности временного интервала между облучением и посевом, для параметров излучения магнитостатических волн, при которых наблюдается повышение и подавление биологической активности.

Экспериментально впервые показана возможность управления процессом роста дрожжей с помощью качественно нового механизма — коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения. Варьируя параметры излучения можно повышать и понижать скорость прироста биомассы дрожжей. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что влияние на биологическую активность микроорганизмов, оказываемое коротковолновым сверхвысокочастотным магнитным излучением имеет обратимый характер.

Установлено, что воздействие излучение магнитостатических волн на микроорганизмы не менее эффективно чем влияние монохроматических электромагнитных излучений миллиметрового диапазона волн нетепловой интенсивности. В первом случае по сравнению со вторым: 1) примерно в 1,56 раза больше величина параметра, характеризующего изменение скорости прироста биомассы по сравнению с контрольным (необлученным) образцом- 2) существенно меньше (не менее чем в 10−20 раз) время облучения (время экспозиции), необходимое для достижения количественно близкого результирующего эффекта.