Влияние электромагнитного излучения на биологические объекты�

Немова Евгения, �Институт Лазерной Физики СО РАН

Электромагнитное поле

• Электрическое поле – создается электрическими зарядами и заряженными частицами в пространстве.
• Магнитное поле – создается при движении электрических зарядов по проводнику.

​

Характеристики ЭМИ

Магнитные бури

Магнитные бури – это возмущение магнитного поля Земли. Они воздействуют:

• На человека,
• На растения
• На животных
• На вирусы и бактерии
• На погоду, климат
• Электроприборы

​

ЭМИ естественного происхождения

На протяжении миллиардов лет естественное электромагнитное поле земли и солнца постоянно воздействовало на состояние экосистем. В ходе эволюционного развития окружающая среда и живые организмы адаптировалась к естественному фону.

​

ЭМИ антропогенного происхождения

Антропогенное ЭМИ появилось в связи с развитием и усовершенствованием технологий, которое привело к электромагнитному загрязнению окружающей среды. Среда обитания с высоким уровнем ЭМИ антропогенного происхождения представляет высокую опасность в отношении жизнедеятельности биологических систем.

Влияние рентгеновского и гамма-излучения на биологические объекты

РИ, ГИ- являются ионизирующими, это такие излучения, которые при взаимодействии с веществом вызывают его ионизацию.

Рентгеновское и гамма излучение

Биологическое действие ионизирующих излучений

• связано с процессами ионизации атомов и молекул живой материи
• разрыв молекулярных связей, изменение химической структуры соединений, гибель клеток,
• радиолиз воды (70 % массы тела) с образованием свободных радикалов и сильных окислителей.
• Нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме.

​

Биологические реакции организма

Два вида воздействия на организм:

внешнее облучение и внутреннее

1. острые поражения:
• острая лучевая болезнь (1 – 4,5 – 5,0 Зв),
• хроническая лучевая болезнь,
• лучевые ожоги.
2. отдаленные последствия:
• соматические эффекты (злокачественные опухоли, лейкемия, лучевая катаракта)
• генетические эффекты.

Гамма излучение влияет на количество мутаций у дрозофил

Рентгенография

Рентгенография  — исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу. Метод основан на получении изображения структур организма посредством прохождения через них рентгеновских лучей и регистрации степени ослабления рентгеновского излучения.

Компьютерная томография (КТ)

Метод неразрушающего послойного исследования внутреннего строения предмета, был предложен в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии.

Влияние УФ излучения на биологические объекты

Виды УФ излучения

^{Действие разных областей УФ-спектра оказывает разное воздействие на организм человека, на его клетки, ткани и органы.}

Отрицательное влияние УФ лучей

Отрицательное влияние уф излучения обусловлено химическими изменениями поглощающих его молекул живых клеток, главным образом молекул нуклеиновых кислот и белков, и выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток.

Положительное влияние УФ излучения

-УФИ диапазона UV-B способствует выработке витамина D.

-Наиболее короткие UV-C ультрафиолетовые лучи оказывают бактерицидное действие.

-Под влиянием облучений повышается тонус центральной нервной системы, улучшается обмен веществ и состав крови, активизируется деятельность желез внутренней секреции.

-УФИ способствует выздоровлению при: рахите, псориазе, экземе, желтухе, бронхите.

​

Влияние ИК излучения на биологические объекты

Отрицательное влияние ИК излучения

Вред ИКИ обусловлен интенсивным тепловым эффектом, который вызывают короткие лучи. Сильный тепловой эффект распространяется вглубь ткани, вызывая нагревание внутренних органов. Перегревание тканей приводит к обезвоживанию и значительному повышению температуры.

Положительное влияние ИК излучения

Более 90% этого излучения поглощается водой, содержащейся в верхних слоях кожи. Оно вызывает лишь повышение температуры кожного покрова. Исследования показали, что длинноволновое излучение запускает механизм регенерации и оздоровления многих органов и систем.

Биомолекула окружена водой (гидратная оболочка, связанная вода). Внутри биомолекулы также находятся молекулы воды (внутримолекулярная связанная вода)

Энергия ИК излучения, поглощённая связанной водой, находящейся внутри и на поверхности биомолекулы, а также свободной водой может инициировать изменение её состояния.

ИК

Вода гидратной оболочки

Внутримолекулярная связанная вода

Инициирование изменения состояния молекулы

Свободная вода

ИК

Влияние ТГц излучения на биологические объекты разного уровня организации

​

​

​

^“

Субмиллиметровые волны

1 ТГц

30 мкм

300 мкм

1 мм

100 мкм

3 мм

КВЧ

ГВЧ

Оптический диапазон

Радиодиапазон

h ν < < kT

Интерес к терагерцовому излучению обусловлен следующими его свойствами:

- это неионизирующее излучение (энергия фотонов 0,04 – 0,004 эВ);

• в диапазоне частот 0,1…10 ТГц лежат собственные частоты колебательно-вращательных переходов биологических молекул и частоты межмолекулярных взаимодействий.
• ТГц излучение проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы, рассеиваясь значительно меньше видимого и ИК излучений
• Кожный покров человека и животных в значительной степени пропускает ТГц излучение

Характеристика ТГц излучения

В этом же диапазоне находятся резонансные частоты многих структур клетки

Природные источники излучения терагерцового диапазона

Излучение полностью поглощается атмосферой и не достигает поверхности Земли

Поэтому все живые существа Земли не находятся под воздействием природного излучения ЭМИ терагерцевого диапазона и не адаптированы к нему

Поглотители

Молекулярный кислород

Пары воды

PHS

31

ТГц излучение инициирует разнообразные биологические эффекты на уровне:

PHS

32

Эффекты на молекулярном уровне

Терагерцовое излучение инициирует конформационные переходы в молекулах биополимеров

Конформация белка

Облучение субмиллиметровым лазером вызывает изменение спектра кругового дихроизма ДНК

Частота - 3,6 TГц, мощность - 15 мВт, время облучения - 60 мин

1-после облучения, 2-до облучения, 3-разностный спектр

Терагерцевое излучение приводит к появлению устойчивых изменений конформации высокополимерной ДНК.

90 мин

90 мин

30 мин

30 мин

30 мин

Время облучения

До облучения

После облучения

30 мин

Индивидуальные значения жизнеспособности лимфоцитов у отдельных практически здоровых лиц до и после облучения

Терагерцовое излучение влияет на жизнеспособность клеток

Тестируется по появлению в цитоплазме красителя, проникающего только в нежизнеспособные клетки

^{Влияние ТГц излучения на нервные клетки}

Lymnaea stagnalis, better known as the great pond snail, is a species of large air-breathing freshwater snail,aquatic pulmonate 

gastropod mollusk in the family Lymnaeidae.

A shell of Lymnaea stagnalis

The 40-50 x 22-30 mm. (median) shell has 4.5-6 weakly convex whorls.The upper whorls are pointed, the last whorl is suddenly inflated, so that its diameter is more than a continuous increase of that of the upper whorls.

The study was carried out using neurons of the molluscan Lymnaea stagnalis, isolated and cultured in vitro.

38

To obtain isolated neurons, we use a technique combining the enzymatic treatment of ganglia with Protease type XIV and the mechanical defragmentation of cell aggregates [1].

[1] T. A. Zapara, S. P. Treskova, and A. S. Ratushniak. Effect of Antioxidants on the Interaction of Terahertz (Submillimeter) Laser Radiation and Neuronal Membrane // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2015, Vol. 9, No. 5, pp. 869–871.

The isolated neurons of Lymnaea stagnalis

39

Влияние на регенерацию нервной сети у моллюска (надглоточный ганглий)

Облучение нейронов до стадии формирования отростков

3,68 THz, (81,5 µm), 20 mW, 60 min)

​

� Influence of terahertz radiation on neuron network neogenesis �

Isolated neurons of mollusk before irradiation: A - before regeneration of neuritis

B - at the stage of neogenesis of neuritis

Isolated neurons after THz radiation

(3,68 THz, (81,5 µm), 20 mW, 60 min)

a, b anomalous growth of neuritis at the same stage of neogenesis of neuritis

Alteration of growth zone. Disturbance of interneuron connection formation.

Terahertz radiation induces a conformation changes in membrane and structural proteins. It results in variation of their biological activity.

J.S. Olshevskaya, A.S.Ratushnyak et al, IEEE, 2008

A

B

Биообъект

Микронагрев

Возможные физические механизмы биоэффектов ТГц излучения

Микронагрев и микроиспарение

ТГц генератор

Вода в биообъекте

Ультразвуковой импульс

Появление ультразвуковой волны в жидкой части биообъекта

Влияние на заряд клеточной мембраны

Агрегированные эритроциты человека

Индивидуальные эритроциты человека

до облучения

после облучения

ЛСЭ; 2,5 TГц,

средняя плотность мощности

10 Вт/см² , время экспозиции 5 с

Влияние ТГц излучения на уровне целого организма

Н.П.Залюбовская, 1970

Субмиллиметровый лазер с непрерывным излучением, длина волны = 337 мкм, (частота = 0,89 ТГц), Мощность 1 мВт.

Время облучения 45 мин

Mi Zhengyu, 1989

Субмиллиметровый лазер с непрерывным излучением, длины волн = 118,8 и 447,2 мкм, (частоты = 2,5 и 0,67 ТГц), Мощность 60 и 23 мВт.

Время облучения от 1,5 до 2,5 часов

Взрослые формы или куколки дрозофил

Терагерцевое излучение снижает частоту спонтанных соматических мутаций у личинок дрозофил

3,68 ТГц (81,5 мкм), мощность 20 мВт, 30 мин

​

Сравнение влияния последующего облучения инфракрасными лазерами или радиогенератором миллиметрового диапазона

Терагерцовое излучение является стрессорным для насекомых и млекопитающих

Облучение дрозофил

Контроль 1:1

TГц

0.93:1

Нарушение соотношения полов в первом поколении потомства облученных самок дрозофилы вследствие уменьшения числа созревших самцов

Импульсная лазерная система (0.6-2.2 TГц), 30 мин. Длительность импульса 1 пс, мощность 8,5 мВт/имп, частота повторения 77 MГц, средняя мощность 100 нВт

Терагерцевое излучение вызывает реакцию избегания у животных

Лазер с оптической накачкой, длина волны = 81,5 мкм,

3,68 ТГц мощность 15 мВт.

Время облучения 15 мин

Лабораторные мыши линии C57BL/6J

Тест приподнятого на 1 м от пола крестообразного лабиринта для оценки состояния тревожности у мышей

Состояние тревожности сохраняется на следующий день после облучения

Таким образом, влияние электромагнитного излучения терагерцевого диапазона на биологические объекты проявляется на молекулярном, клеточном и организменном уровнях бактерий, растений, насекомых и млекопитающих

Отклик на излучение терагерцевого диапазона отмечается на мембранном и генетическом уровнях

Электромагнитное терагерцевого диапазона индуцирует фенотипическую изменчивость, влияет на состояние регуляторных систем и поведенческие реакции

Влияние ЭМИ всех диапазонов на биологические объекты разного уровня организации активно изучается и применяется в технике, медицине, науке.