Миллиметровые волны в биологии - Бецкий О.В.
Скачать (прямая ссылка):
9
гию, то можно говорить о собственной добротности эквивалентного контура, которая оказывается достаточно высокой н может достигать тысяч единиц. При использовании мёссбауэровской спектроскопии было установлено значительное различие в гамма-резонансных спектрах необлученного и облученного на определенных частотах гемоглобина. Так, исследования, проведенные Н. П. Диденко в Томском научно-исследовательском институте ядерной физики, электроники и автоматики, показали, что в диапазоне 40—50 ГГц существует более десяти частот, на которых резонансное взаимодействие электромагнитных колебаний с молекулой гемоглобина приводит к изменению мёссбауэровских спектров.
Частотно-зависимые эффекты зарегистрированы при исследовании процессов клеточного деления микроорганизмов, что связывается с влиянием излучения на клеточный метаболизм. В экспериментальных исследованиях (например, на бактериальных культурах и животных) наблюдается обычно много резонансов, отдаленных друг от друга на 120—200 МГц в зависимости от облучаемого объекта.
На рис. 1 показано воздействие излучения на кишечную палочку. Исследовалось влияние миллиметрового излучения на функциональную активность генетических элементов бактериальных клеток. В качестве тест-объекта была выбрана индукция белка колицина кишечной палочкой, приводящая клетку к гибели. Эффект характеризовался коэффициентом индукции Ka — отношением процентного содержания микроорганизмов, выделявших колицин, в облученной и необлученной культурах. Как видно, относительные полосы частот ~ 10~3, в которых коэффициент индукции достигал 2—3, наблюдаются при длинах волн 6,5, 6,53 и 6, 55 мм. Плотность потока мощности составляла ~ 5 мкВт/см2, а оптимальное время облучения — 2—3 ч.
После опубликования первых отечественных экспериментальных результатов в ряде стран были проведены аналогичные эксперименты (Ф. Кайлман, В. Грундлер, ФРГ, А. Берто, Франция и другие). Детальное изучение резонансных эффектов проведено западногерманскими учеными на дрожжевых культурах. Они, в частности, пришли к выводу, что эффекты можно объяснить резонансным поглощением миллиметрового излучения молекулярными комплексами.
10
I
Рнс. 1. Зависимость коэффициента индукции синтеза колицина от длины волны облучения (данные А. 3. Смолянской и Р. Л. Ви-ленской)
Анализ результатов, полученных различными учеными, позволяет сделать вывод, что частотно-зависимый (резонансный) отклик системы на излучение характерен именно для живых организмов.
Биологические эффекты имеют пороговый характер по СВЧ-мощности. Пороговая плотность мощности изменяется в довольно широких пределах примерно от 50 мкВт/см2 до 10 мВт/см2, причем при облучении микроорганизмов мощность меньше, животных — больше.
Пороговый эффект можно проиллюстрировать с помощью рис. 2. Как известно, при действии только рентгеновского излучения количество клеток костного мозга обычно уменьшается относительно нормы (NfN0). Влияние дополнительного СВЧ-облучения сказывается в том, что, начиная с некоторого порогового уровня, составляющего 10 мВт/см2, наблюдается защита клеток мозга от последующего воздействия рентгеновского об-
11
і
IO
20
ЗО
40
50
60
70
80
AP, мВт/см2
Рис. 2. Зависимость изменения количества клеток костного мозга при комбинированном воздействии СВЧ- и рентгеновского излучения (первые три точки соответствуют только действию рентгеновского излучения). Данные Л. А. Севастьяновой, Р. Л. Виленской, Э. А. Гельвича и М. Б. Голанта
лучения. При превышении порога величина эффекта остается практически постоянной.
Существование порога по мощности можно считать в какой-то степени целесообразным, ибо в противном случае отклик биологической системы на внешнее электромагнитное воздействие происходил бы при малых значениях мощности, сравнимых с шумовой, что приводило бы к неустойчивости работы системы.
Вызывают удивление малые значения плотности пороговой мощности Рпор, при которой облучаемый образец нагревается не более чем на доли градуса. Но если сравнивать РПор с плотностью мощности собственного теплового излучения биологических объектов Рт, то оказывается, что Рт > Рпор. Например, при комнатной температуре T — 293 К и 1^8 мм в полосе частот ;~ 1 МГц за время, равное 1 с, при коэффициенте отражения /?0тр на границе кожа — воздух, равном 0,5, собственное излучение Рт раВНО (1 —Яотр) kT&v/t№ ~
10~19 Вт/см2. Хотя реальное тепловыделение в полосе
12
эффективного действия СВЧ-сигнала может быть существенно больше этой оценки, тем не менее реальную плотность потока мощности СВЧ-излучения, приводящую к биологическому эффекту, нельзя считать малой по сравнению с этой величиной.
Тот факт, что Рт много меньше Рпор, свидетельствует о возможности эффективного воздействия излучения на биологические объекты. Поэтому, возвращаясь к соотношению Av < kT и к обсуждению роли этого соотношения для оценки возможности воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты, можно сделать вывод, что логичнее оперировать соотношением Рт< Агор. Одновременно надо помнить, что биологическим объектам не свойственно состояние теплового равновесия, поэтому, анализируя эффект действия на них излучения, следует исходить из представлений о неравновесных процессах.
