Миллиметровые волны в биологии - Бецкий О.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если молекулы воды взаимодействуют с молекулами других веществ, то характер поглощения излучения ка-
15
Рис. 3. Качественные зависимости поглощения миллиметрового излучения (Л ~ 2 мм) в двухкомпонентном водном растворе от концентрации растворенного вещества
чественно и количественно меняется. В ИРЭ АН СССР совместно с ИОХ АН СССР (Ю. И. Хургин, В. А. Куд-ряшова) обнаружен и детально исследован эффект нарушения аддитивности поглощения миллиметрового излучения водными растворами различных неорганических и органических веществ.
При прецизионном измерении концентрационных зависимостей поглощения излучения низкой интенсивности (X = 2 мм, P = 1—3 мВт/см2) водными растворами оказалось, что поглощение излучения меняется в зависимости от характера взаимодействия молекул воды с молекулами растворенного в ней вещества. Возможны три случая (рис. 3): 1) поглощение электромагнитного излучения раствором равняется сумме поглощений растворителя и растворенного вещества; 2) общее поглощение меньше и 3) общее поглощение больше суммы парциальных поглощений.
В первом случае молекулы воды практически не взаимодействуют с молекулами растворенного вещества; во втором часть молекул воды теряет вращательную подвижность за счет межмолекулярного взаимодействия, т. е. суммарное поглощение уменьшается; в третьем случае межмолекулярное взаимодействие приводит к уве-
16
Билипидный слой Белки
Рис. 4. Мозаичная модель мембраны
личению вращательной подвижности молекул воды, что определяет дополнительное увеличение суммарного поглощения. Таким образом, по зависимостям, аналогичным представленным на рис. 3, можно судить о таких важных параметрах, как степень гидратации, реакционная способность молекул в водных растворах й т. п.
Необычные свойства молекул свободной и связанной воды в миллиметровом диапазоне длин волн послужили стимулом для совершенствования теории диэлектрической релаксации полярных молекул, для разработки более совершенных молекулярных моделей, что, в свою очередь, дало много ценной информации для понимания структуры и свойств воды в сложных соединениях при взаимодействии с излучением. Оригинальные исследования в этом направлении выполнены В. И. Гайдуком и Ю. П. Калмыковым.
При действии миллиметрового излучения низкой интенсивности на воду и водные растворы возникает конвективное движение жидкости. Этот эффект, обнаруженный в ИРЭ АН СССР (А. В. Путвинский с сотрудниками), очень важен для исследования действия излучения на водные системы. Экспериментально конвекция была обнаружена при пороговых значениях плотности мощности порядка 0,5 мВт/см2, причем ни в одном опыте не удалось зафиксировать локальных изменений температуры растворов при чувствительности методов не ху-
еЭО—2 17
же 0,1 К. Конвекция возникает на границе раздела фаз (воздух — жидкость, жидкость — твердое тело) за счет приповерхностного поглощения излучения и обусловлена изменением сил поверхностного натяжения на этой границе (термокапиллярный эффект).
Картину конвекции воды можно наблюдать, например, в прямоугольных кюветах из кварца или оргстекла с помощью методов фазового контраста и голографиче-ской интерферометрии. При различных способах облучения наблюдается движение воды по механизму межфазной конвекции за счет градиентов поверхностного натяжения, которая, очевидно, и служит основным механизмом отвода тепла от зоны облучения.
Конвективное перемешивание водной среды может иметь важные последствия для биологических объектов, особенно в тех случаях, когда процессы, происходящие в объекте, связаны с переносом веществ через слой воды, например, вблизи биологических мембран.
Живая клетка окружена оболочкой, основная часть которой — цитоплазматическая мембрана — прилегает к внутриклеточной жидкости. Толщина мембраны составляет ~ 10 нм. Мембрана — не просто полупроницаемая оболочка, она играет важную роль в основных функциях клетки. Мембрана состоит в основном из ли-пидов (жироподобных веществ) и белков (рис. 4). Основной структурный элемент мембраны — билипидный слой, в котором гидрофобные «хвосты» липидов обращены внутрь, а гидрофильные «головы» — к поверхности мембраны, где они взаимодействуют с вне- и внутриклеточной жидкостью, белками и другими веществами. Экспериментально было обнаружено, например, влияние излучения низкой интенсивности на транспорт ионов через мембраны.
Сильно взаимодействуя с молекулами воды, излучение влияет на ее свойства как во внешней, так и во внутренней среде живых клеток.
Многие биохимические, в частности, мембранные процессы, чувствительны к перемешиванию среды, что получило экспериментальное подтверждение. Было обнаружено, что миллиметровое излучение низкой интейсюв-
нов Na+ (P^ 1 мВт/см*), изменению проницаемости мембран эритроцитов для ионов K+ (1—5 мВт/см2), ускорению перекисного окисления ненасыщенных жирных
ности
активного
HO-
18
кислот в липосомах (> 1 мВт/см2), увеличению ион-рой проводимости бислойных липидных мембран ( ~_ 10 мВт/см2) и т. д.
