ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 443, № 6, с. 747-749
УДК 577.3
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
ПОЧЕМУ ЭФФЕКТЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ СЛАБЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОСИСТЕМЫ НЕ ВСЕГДА ВОСПРОИЗВОДИМЫ?
© 2012 г. Х. П. Тирас, А. Н. Скавуляк, К. Б. Асланиди, член-корреспондент РАН Г. Р. Иваницкий
Поступило 14.12.2011 г.
Термин "слабые магнитные поля" используется для обозначения магнитных полей, сравнимых по амплитуде с геомагнитным полем, т.е. полей с величинами магнитной индукции порядка 5 ■ 10-6 Тл. Влияние слабых комбинированных (постоянных и переменных) магнитных полей (КМП), настроенных в режиме параметрического резонанса к катионам металлов, впервые было экспериментально продемонстрировано на регенерирующих планариях [1, 2]. Показано, что настройка КМП на параметрический резонанс к ионам Са2+ стимулировала регенерацию, а к ионам калия К+, напротив, тормозила регенерацию планарий. В этих и последующих работах были определены точные частотные и амплитудные параметры слабых КМП, вызывающих биологические эффекты [3, 4]. Предполагалось, что эффекты КМП на регенерацию опосредованы изменениями активности определенных ферментов через изменения структуры Са2+-связывающих центров. Раннее считалось, что все биологические эффекты наблюдались после непрерывной и длительной экспозиции в КМП, при том что биологический эффект накапливается в течение всего времени экспозиции объекта в КМП.
Однако известно, что регенерация — сложный многостадийный процесс, включающий дедиф-ференцировку и апоптоз части дифференцированных клеток, фагоцитоз, пролиферацию и последующую дифференцировку резервных клеток планарий — необластов [5]. Перечисленные процессы разделены по времени и различаются метаболической активностью. Ранее на простейшей модели метаболической регуляции ионно-осмо-тического гомеостаза было показано, что синтез белков, нуклеиновых кислот или липидов, так же
Пущинский государственный естественно-научный институт, Московская обл. Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской Академии наук, Пущино Московской обл.
как и совершение механической работы, требуют различного соотношения поступающих в клетку потоков углеводов и аминокислот [6]. Это в свою очередь существенно влияет на соотношение потоков ионов калия, натрия и кальция через плазматическую мембрану, изменение мембранного потенциала и внутриклеточное содержание ионов [7]. Эти выводы, сделанные на моделях [6, 7], имеют многочисленные экспериментальные подтверждения [8, 9]. Следовательно, биологический эффект действия магнитных полей должен зависеть от стадии регенерации, подвергнутой действию КМП.
Целью данной работы было исследование временной организации процесса регенерации и выявление стадий регенерации, наиболее чувствительных к действию КМП, настроенных на режим параметрического резонанса к катионам Са2+ и К+.
Ниже будет показано, что направленность и величина биологического эффекта слабых КМП зависит не только от частотных и амплитудных характеристик поля, но и от активности вполне определенных ферментативных систем.
ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Работа выполнена на планариях Лгагё1а И§ппа (Р1а1уЬе1ш1п1Ие8, Тг1с1аёа ) — бесполой лабораторной расе. Регенерацию вызывали ампутацией 20% части тела планарий, содержащей головной ганглий [5]. Для оценки динамики роста регене-рационной почки (бластемы) использовали метод прижизненной компьютерной морфометрии [1]. Для количественной оценки действия магнитных полей вычисляли величину показателя регенерации как отношение величины площади отрастающей головной части тела (бластемы) у регенеранта к общей площади тела планарий. Эффект КМП в процентах вычисляли как отношение разности величин показателя регенерации после экспозиции в КМП и контрольной группы животных к величине показателя регенерации в
748
ТИРАС и др.
—О- Са2+-КМП -о- К-КМП
декапитации, ч
Рис. 1. Зависимость эффекта слабых Са2+-КМП и К+-КМП от времени экспозиции. Регистрация через 72 ч после декапитации. Здесь и на рис. 2 горизонтальные линии указывают уровни биологических эффектов, зарегистрированных при непрерывной экспозиции в КМП в течение 72 ч.
Рис. 2. Зависимость биологического эффекта одночасовой экспозиции в слабых Са2+-КМП и К+-КМП, зарегистрированных через 72 ч после декапитации, от времени после операции.
контрольной группе. Соотношения амплитуд постоянного (ВЛС) и переменного (ВАС) компонентов поля ВАС/ВОС, а также частоты переменного компонента поля /Ас устанавливали в соответствии с теорией В.В. Леднева [3]. В экспериментах использовали следующие значения КМП: Са2+-КМП (ВОС) = 48.50 ■ 10-6 Тл, ВАС = 89.24 ■ ■ 10-6 Тл), К+-КМП (ВОС) = 43.22 ■ 10-6 Тл, ВАС = = -79.52 ■ 10-6 Тл), Контроль (ВОС = 45.73 ■ 10-6 Тл). КМП создавали внутри катушечной пары Гельм-гольца диаметром около 30 см в объеме порядка 500 мл.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для регистрации зависимости эффекта КМП, настроенных на параметрический резонанс для ионов Са2+ и К+ (Са2+-КМП и К+-КМП), от времени экспозиции регенерирующие планарии помещались в магнитное поле на разное время (1, 2, 5, 24, 72 ч) непосредственно после декапитации. Из приведенных результатов (рис. 1) следует, что биологический эффект одночасовой экспозиции в магнитном поле составлял порядка 20% от эффекта экспозиции в течение 72 ч. По мере увеличения времени экспозиции биологические эффекты Са2+-КМП и К+-КМП не нарастали. Более того, при экспозиции в поле более 2 ч менялась направленность биологических эффектов: стимулирующее влияние Са2+-КМП переходило на тормозящее, а угнетающее влияние К+-КМП приводило к усилению регенерации. Таким образом, зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы, типичная для радиационного, теп-
лового или другого физического или химического воздействий, для КМП нарушалась. Для объяснения полученных результатов требуется рассмотреть предположение о существенном изменении самой первичной мишени для КМП в процессе регенерации.
Для оценки изменений чувствительности биологической мишени использовали экспозиции в слабых КМП длительностью 1 ч. Результаты, показанные на рис. 2, свидетельствуют, что при помещении регенерирующих планарий в КМП в разное время после ампутации передней части биологические эффекты существенно различались. Эффекты, полученные при экспозиции регенерирующих планарий в КМП в течение 1 ч, не только превосходили по величине биологические эффекты, полученные при экспозиции в течение 72 ч, но даже менялся знак эффекта от стимуляции к угнетению регенерации. В частности, одночасовая экспозиция в Са2+-КМП непосредственно после декапитации ускоряла процесс регенерации на 8%, а через 30 ч вызывала угнетение регенерации на 60%. Эффекты часовой экспозиции через 20—30 ч после декапитации в 2—3 раза превышали эффекты КМП при непрерывной экспозиции в течение 72 ч.
ОБСУЖДЕНИЕ
Уже более 15 лет известны точные частотные и амплитудные параметры слабых КМП, вызывающих биологические эффекты [1, 2]. Наши исследования выявили третий фактор, определяющий направленность и величину влияния КМП на живые системы. Наши эксперименты выявили важ-
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 443 № 6 2012
ПОЧЕМУ ЭФФЕКТЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ СЛАБЫХ
749
ность биологического фактора — временной организации ферментативной активности живой системы.
Согласно теории В.В. Леднева [3] для магнитного параметрического резонанса в биосистемах первичным звеном в цепи событий, запускаемых воздействием слабого КМП на биосистему, являются ионы, взаимодействующие с Са2+-связыва-ющим центром фермента. При этом постулировалось, что К+-КМП и Са2+-КМП будут соответственно ингибировать и активировать гипотетические ферментативные реакции. Если слабые КМП влияют на скорости ферментативных реакций с участием соответствующих катионов, то наши эксперименты демонстрируют изменения мозаики ферментативных реакций в процессе регенерации. Отметим, что на важное значение временной организации ферментативной активности живой клетки указывалось много лет назад в работе [10]. На основе этих представлений возникли такие бурно развивающиеся в настоящее время направления биофизики, как автоволновые процессы в биологических системах и биологические часы.
Практически все подходы к объяснению биологических эффектов КМП в той или иной степени учитывают свойства водной среды, окружающей биомолекулы. В частности предполагается, что КМП в когерентных доменах воды, включающих молекулы аминокислот, могут оказывать эффекты по типу циклотронного резонанса, изменяя степень ионизации и, как следствие, ионный ток в водных растворах [11, 12]. Однако диффузия или электрофорез аминокислот могут вызвать биологически значимый эффект только на живой клетке, активно синтезирующей белки, например при дифференцировке или на клетке, в которой активирован гидролиз белков, что бывает при апоптозе и фагоцитозе.
Согласно другой теоретической модели низкочастотные КМП взаимодействует с ядерными спинами атомов, обладающих ненулевым ядерным спином [13, 14]. Возникающие при этом кооперативные эффекты изменяют намагниченность водной среды, которая в свою очередь влияет на скорости ряда ферментативных реакций, в том числе на синтез активных форм кислорода. На живых системах на фоне быстрой смены паттерна ферментативных реакций не приходится
ожидать значительного влияния кооперативного эффекта. В частности, кооперативными эффектами [14] нельзя объяснить изменение знака биологического эффекта КМП при краткосрочной экспозиции на разных этапах регенерации (рис. 2).
Таким образом, направленность и величина биологического эффекта слабых КМП, настроенных в режиме параметрического резонанса к катионам металлов, зависят от ферментативной активности живой системы. Низкая воспроизводимость результатов действия КМП, полученных разными авторами на разных биологических моделях, может быть объяснена особенностями временной организации метаболизма различных живых систем.
Работа поддержана "Проектом в рамках государственного задания Министерства образования и науки на 2012 г.".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тирас Х.П., Сребницкая Л.К., Ильясова Е.Н. и др. // Биоф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.