Миллиметровые волны в биологии - Бецкий О.В.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим простые соотношения при взаимодействии излучения с биологическими мембранами. На частоте 3 ГГц (А,~10 см) приращение напряжения на мембране составляет —0,5 мкВ, причем с увеличением частоты это напряжение резко уменьшается за счет шунтирующего действия емкости мембраны, которая составляет около 1 мкФ/см2 (тепловой уровень шума на мембране — 1 мкВ).
Эта величина напряжения примерно па три порядка меньше уровня потенциала, который может оказывать биологическое действие на объект (около 10 мВ). При плотности мощности облучения 10 мВт/см2 напряженность электрического поля в живой ткани равняется ~ 1 В/см. Для сравнения можно привести такие цифры. Напряженность статического поля мембраны составляет ~ 105 В/см. Для ориентации длинных полимеров требуется электрическая напряженность порядка нескольких киловольт на4 1 см. Напряженность электрического поля вблизи многовалентного иона на расстоянии 10 нм от него составіяет 1,5 kB/см. Из приведенных оценок очевидно, что полевой подход к объяснению физических механизмов вряд ли может оказаться плодотворным в случае непрерывного излучения.
Возможны и другие механизмы действия СВЧ-излу-чения, в основе которых лежат диэлектрофорез и пон-деромоторное действие излучения. Возникновение механических сил в неоднородном поле (диэлектрофорез) связано с градиентом E и происходит, если частица с диэлектрической проницаемостью ei находится в растворе с диэлектрической проницаемостью є2. Сила, действующая на частицу, пропорциональна степени неоднородности поля, объему частицы и функции, которая вы-
24
ражает различие в электрических свойствах среды и частицы. Оценки показывают, что для перемещения частицы размером 1000 нм в поле необходим градиент порядка 104 В/см.
Пондеромоторное действие, аналогичное известному эффекту давления света, пропорционально квадрату напряженности электрического поля и эффективному размеру облучаемой частицы. Изменение потенциальной энергии молекулы под действием электрического поля E составляет Ae = р?, где \х — дипольный момент молекулы. Заметная ориентация молекул происходит при [iE > kT. С увеличением размеров облучаемых частиц действие на них пондеромоторных сил возрастает. Аналогичные эффекты могут возникать и в результате кооперативного взаимодействия частиц с полем излучения.
Мы опять здесь подходим к идее, высказанной Г. Фрёлихом относительно образования структуры с гигантским ц вследствие кооперативных эффектов. Идеи Фрёлиха о когерентном возбуждении в биологических системах переплетаются с результатами теоретических исследований коллективных возбужденных состояний в одномерных молекулярных структурах, выполненных советским физиком А. С. Давыдовым. Он показал, что в одномерных молекулярных структурах и в альфа-спиральных белковых молекулах возможны коллективные возбужденные состояния в виде солитонов,
Солитоны (уединенные импульсы) в данном случае представляют собой суперпозицию вибрационных колебаний в пептидных группах белковых молекул и перемещаются вдоль молекулы со скоростью, меньшей скорости звука, поэтому они не затрачивают энергию на излучение фононов. Поскольку время жизни солитонов велико, они являются идеальными переносчикями энергии вибрационных колебаний пептидных групп вдоль белковой молекулы. Можно показать, что если возможно когерентное возбуждение по Фрёлиху, то одновременно создаются условия и для возбуждения солитонов по Давыдову.
Несмотря на заманчивость физических идей, лежащих в основе концепций «белок—машина» и «когерентное возбуждение», механические эффекты вряд ли играют заметную роль в резонансных явлениях, во всяком случае гфироду ^ всех выявленных закономерностей
25
(см. раздел 3) они не объясняют. В этом отношении более существенными кажутся процессы, связанные с вращательными или конформационными переходами в макромолекулах и надмолекулярных структурах.
С эффектами влияния электромагнитного излучения на вращение молекул или молекулярных сегментов связана микротепловая гипотеза действия излучения на биологические системы. При действии электромагнитного излучения интенсивностью около 10 мВт/см2 на некоторые структуры (взвеси) могут возникать значительные локальные градиенты температуры. В тех случаях, когда миллиметровое излучение низкой интенсивности оказывает на биологическую систему такое же действие, как и общий нагрев, соответствующий температурный эквивалент действия миллиметрового излучения может составлять 5—7 градусов, хотя при электромагнитном облучении, как уже неоднократно отмечалось, нагрев образца не превышает 0,1 градуса. В работах французского физика А. Берто показано, что тепловой эквивалент воздействия миллиметровых волн в большинстве случаев отсутствует.
Действие излучения можно в данном случае попытаться объяснить, например, тем, что увеличивается число молекул, участвующих в химических реакциях. Известно, что в некоторых реакциях при обычных условиях в каждый момент времени участвует ничтожная часть молекул, которые имеют нужную ориентацию и скорость {примерно 10"10—10~22 от всех молекул). Поэтому даже небольшое увеличение числа «нужных» молекул может заметно повлиять на ход реакции.
