Баран Б.А., Драпак З.Т., Дроздовський В.Б.

Хмельницький національний університет

РОЛЬ БІОМЕМБРАН ПРИ ДІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ

В процесі еволюційного розвитку живі організми певною мірою адаптувалися до природного фону електромагнітних полів. Підвищення сонячної активності на деякий час викликає зростання напруженості геомагнітного поля ("магнітні бурі"), що позначається на життєдіяльності живих організмів. Науково-технічний прогрес не лише збільшив електромагнітний фон Землі, але і вніс якісні зміни. В результаті техногенної діяльності з’явилися електромагнітні випромінювання міліметрового діапазону. Міліметрове випромінювання позаземного походження інтенсивно поглинається атмосферою Землі, тому живі організми не мають адаптації до таких хвиль антропогенного походження.

Процеси взаємодії магнітнго або електромагнітного поля (ЕМП) з живою клітиною і живим організмом досить складні і на даний час не достатньо з’ясовані. Живі організми, що складаються з багатьох клітин, які в свою чергу містять велике число молекул та йонів, самі є джерелом електромагнітних коливань в широкому діапазоні частот. Еволюція біооб’єктів проходила під дією зовнішніх (екзогенних) та внутрішніх (ендогенних) ЕМП. Окреме місце займає питання впливу зовнішніх ЕМП на середовище, в якому відбуваються біохімічні процеси, тобто на воду. Коли ЕМП низької інтенсивності не викликають нагрівання тканини, але виявляють інші значні ефекти, говорять про інформаційну або керівну дію ЕМП.

Характер реакції організмів на ЕМП залежить не від величини електромагнітної енергії, а від модуляційно-часових параметрів ЕМП, від того, на які власне системи організму відбувалася їх дія при інших однакових умовах. Величина тієї чи іншої реакції не лише не пропорційна інтенсивності ЕМП, але в ряді випадків зменшується при зростанні інтенсивності.

Відомо, що в основі механізмів індивідуальної резистентності організмів до зовнішніх впливів, в тім числі і до дії електромагнітного поля, лежать процеси, які розвиваються на клітинному рівні. Мембрани еритроцитів, що циркулюють в капілярному руслі, можуть змінювати свої бар’єрні властивості при дії випромінювання і виявляти регуляторну дію на весь організм взагалі та на окремі органи.

Чисельними дослідами встановлено, що внаслідок дії магнітного поля підвищується проникливість біологічних мембран [1]. Після магнітної обробки фізіологічного розчину до нього додавали 1% свіжої крові та інкубували при кімнатній температурі пртягом 15 – 18 год. Еритроцити поступово набухали і розтріскувалися. Кінетика цього процесу була на 21 – 25% вищою, ніж в контрольному розчині.

Проводилося дослідження впливу магнітного поля на проникливість клітинних мембран шкіри жаби. Для цього в шкірний мішечок вводили забарвлену речовину. Виявилося, що якщо в мішечку знаходився омагнічений розчин, то забарвлена речовина виходила в навколишню воду з більшою швидкістю, ніж в контрольних дослідах.

В той же час є зовсім протилежні дані. Так, в роботі [2] показано зміни осмотичної стійкості мембран еритроцитів після дії електромагнітного опромінювання. Виявлено зменшення проникливості мембран для іонів калію на 30 – 40% порівняно з неопроміненими зразками. В роботі [3] виявлено зниження іонної проникливості мембран еритроцитів, збільшеної в результаті електричного пробою, а також збільшення електричної міцності еритроцитів при дії короткохвильового електромагнітного опромінювання (40 – 50 ГГц, 1- 5 мВт/см²). На думку авторів короткохвильове електромагнітне опромінювання нетеплових інтенсивностей здатне індукувати структурну перебудову в мембранах. Таку думку поділяє багато дослідників. Особливу увагу привертає вплив магнітного (електромагнітного) поля на динаміку біохімічних реакцій з участю тіолових сполук. З ними пов’язано багато біологічних процесів: клітинний поділ, активність ферментів, функції рецепторів, синтез білків, структура білка та ліпопротеїнових комплексів, проникливість біологічних мембран тощо.

Багато білків містять амінокислоти з хімічноактивними сульфогідрильними (-SH) групами. Ці групи можуть окиснюватися спонтанно або в присутності спеціальних ферментів. Магнітне поле значно активізує цей процес [4]. Наприклад, цистеїн при окисненні легко переходить в цистин:

Цистеїн Цистин

Такий процес призводить не лише до зміни первинної структури білка, але до перебудови всіх інших.

Електромагнітні поля (ЕМП) викликають зміну мембранного потенціалу та обмін кальцію в нейронах і других клітинах, збільшення імпульсної активності нейронів. Крім того, згідно гіпотези, висловлені в роботі [5], зовнішні ЕМП індукують струми в міжклітинному середовищі, що призводить до електрохімічних змін в компонентах клітинних мембран.

Всі обмінні процеси в організмі нерозривно пов’язані з проникливістю біологічних мембран. Біомембрана є рідкокристалічною багатокомпонентною структурою. Товщина мембрани становить ~1·10^-9 м, швидкість масопереносу – 10 см/с. Тарансмембранне масоперенесення характеризується двома потоками речовин: з позаклітинного середовища і зворотньо. Пасивний траспорт речовин здійснюється в напрямку концентраційних градієнтів, а активний в протилежному напрямку і вимагає затрат енергії. Будь-яке трансмембранне масоперенесення проявляється у вигляді електромагнітного випромінювання відповідної довжини хвилі. Це пояснює характер впливу різних частот на живі організми – існують так звані частотні “вікна”, при яких дія ЕМП особливо відчутна. Вікна бувають “депресивні” (в них ефект дії негативний: погіршується самопочуття, підвищується нервова збудливість тощо) і “сенсебілізуючі” (тут ефект дії позитивний: підвищується самопочуття, покращується пам’ять і т.д.).

Дифузія через мембрани йонів (Na⁺, K⁺, Ca²⁺ та інш.) проявляється в кілометрових довжинах хвиль, дифузія низькомолекулярних білків в метровому діапазоні; дифузія високомолекулярних структур, наприклад, Н-холінрецептори з молекулярною масою Ан = (4-9)·10⁵ в мм-діапазоні довжин хвиль; дифузія вірусів (маса вірусів ~2·10⁹ Ан) в ІЧ-діапазоні, а дифузія хромосом (їх маса ~1·10¹² Ан) в УФ-діапазоні (Ан – одиниця маси водню). Якщо врахувати, що молекулярна маса рецепторів різних фізіологічноактивних речовин різна, то вибираючи певний частотний діапазон елетромагнітного випромінювання, можна вибірково керувати не лише кінетикою біохімічних процесів, але і обмінними процесами організму на рівні проникливості мембран, а функціонування організму невідривно пов’язане з обміном матерією, енергією та інформацією як всередині ієрархічної біосистеми, так і з зовнішнім світом.

В той же час всі автори погоджуються, що основною мішенню дії ЕМП на живі організми є вода та гідратні оболонки біологічних структур. Зміна фізико-хімічних властивостей води під впливом магнітного поля зумовлює якісну зміну води як носія інформації. Вода, як конденсоване середовище, є просторовою молекулярною конфігурацією, гексагональні фрагменти якої мають елементарні магнітні моменти, ортогональні їх площинам, які взаємно скомпенсовані і разом з неорганічними іонами водний матрикс утворює впорядковану фрактальну структуру, здатну до самоорганізації [6].

Стосовно впливу магнітного поля на сорбцію іонів мікропористими сорбентами (мембранами) можливе таке пояснення. Молекули води в рідкій фазі і в гідратних оболонках йонів енергетчно не равноцінні. Відносно короткочасна дія магнітного поля деяких частот призводить до послаблення водневих зв’язків між молекулами води в рідкій фазі, внаслідок чого зростає “структурна температура” разчину і швидкість сорбці йонів зростає. Триваліша дія магнітного поля викликає зміни в електронній структурі молекул води, котрі входять у внутрішню сферу гідратних оболонок йонів. Це викликає збільшення теплоти гідратації, внаслідок того, що зменшується енергія, необхідна для відриву молекули води з рідкої фази і переведення її у внутрішню сферу аквакомплексу [7]. Таке впорядкування гідратної оболонки і затруднює рух йонів в мікропорах. Звідси стає зрозумілим, чому одні дослідники спостерігали збільшення проникливості біомембран, а інші навпаки – зменшення.

Одним із шляхів передачі інформації у клітинах є синаптична передача нервових імпульсів. Постсинаптична мембрана містить рецептори для нейромедіаторів. При збудженні нервового закінчення і дії ацетилхоліну на нікотинові рецептори скелетного м’язового волокна активуються канали, проникні для Na⁺ і K⁺, що викликає деполяризацію – збуджувальний постсинаптичний потенціал [8]. Одна з найважливіших і найпоширеніших траспортних систем у клітинах тканин відповідає за перенесення йонів Na⁺ і K⁺ через клітинну мембрану. Ця система відома як Na⁺ - K⁺ - помпа і здійснює утримання великої концентрації K⁺ і малої концетрації Na⁺ всередині клітини (порівняно із зовнішнім середовищем). Різна зміна рухливості йонів та їхньої швидкості у порах мембран внаслідок дії магнітного поля порушує нормальну роботу клітин.

Активний транспорт Na⁺ і К⁺ забезпечується енергією розщеплення аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ):

АТФ + Н₂О → АДФ + Ф + Н⁺

(тут: АДФ – аденозиндифосфорна кислота, Ф – фосфатний залишок).

Дія магнітного поля на розчини гальмує процес гідролізу АТФ, що в свою чергу сповільнює транспортування відповідних йонів через пори мембрани.

Крім того, при вимірюванні числа переносу йона Ag⁺ в системі

Ag | Ag⁺(0,1н) || Ag⁺ (0,01н) | Ag

встановлено, що після дії магнітного поля (умови магнітної обробки аналогічні попереднім дослідам) потенціал такої системи зменшується, а число переносу йона Ag⁺ зростає. Зміна потенціалу гальванічної системи з переносом йонів означає зміну мембранного потенціалу клітин, що також призводить до погіршення їх функціонування.

Література:

1. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1982. – 296 с.

2. Ильина С.А. Влияние миллиметрового излучения низкой интенсивности на свойства мембран изолированных эритроцитов и гемоглобина крови человека. // Медико-биологические аспекты миллиметрового излучения: Сб.статей / Под ред. Н.Д.Девяткова. М.,1987. – С.149 – 169.

3. Девятков Н.Д., Бецкий О.В., Ильина С.А., Путвинский А.В. Влияние миллиметрового излучения низкой интенсивности на ионную проницаемость мембран эритроцитов.// Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты: Сб. статей / Под ред. Н.Д.Девяткова. М.,1987. – С.78 – 96.

4. Баран Б.А. Вплив магнітного поля на фармакодинаміку деяких сполук // Науковий вісник Ужгородського ун-ту. – 1999. – вип.4. – С. 154-156.

5. Tenford T.S., Kaune W.T. Interaction of extremely low frequency electric and magnetic fields with humans. // Health. Phys. – 1987. – № 53. – P. 586 – 606.

6. Головин Н.И., Курик М.В. Влияние геомагнитного поля на питьевую воду. // Биомедициская радиоэлектроника. – 2000. - №8. – С.32 – 34.

7. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов.- Л.: Химия, 1976.- С.166-178.

8. Костюк П.Г., Зима В.Л. та ін. Біофізика. – К.: Обереги, 2001. – 324с.