Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами. Учебное пособие
.pdf
С. П. Вихров, Т. А. Холомина, Н. В. Гривенная
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛЕЙ
И ИЗЛУЧЕНИЙ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ
ОБЪЕКТАМИ
Учебное пособие
2-е издание
Вузовское образование
Саратов • 2019
УДК 577
ББК 28.0
Рецензент:
Жулев В. И. — заведующий кафедрой информационно-измерительной
и биомедицинской техники
Рязанской государственной радиотехнической академии
Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами
[Электронный ресурс] : учебное пособие / [С. П. Вихров и др.]. — 2-е
изд. — Электрон. дан. и прогр. (7 Мб). — Саратов: Вузовское образование,
2019. — 157 с.
ISBN 978-5-4487-0368-3
В учебном пособии проведен анализ электрических, диэлектрических, акустических,
магнитных и других свойств живых организмов, а также характеристик собственных
физических полей и излучений биологических объектов. Рассмотрены особенности
взаимодействия различных полей и излучений с биологическими средами. Показаны
возможности применения указанных взаимодействий в медицине для диагностики и терапии.
Предназначено для самостоятельной работы студентов, изучающих данную тематику.
Для создания электронного издания использовано:
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air
© Коллектив авторов,
2003
© ООО «Вузовское образование», 2019
1. СТРОЕНИЕ БИОСИСТЕМ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ
С ПОЛЯМИ И ИЗЛУЧЕНИЯМИ
1.1. Особенности живого организма как объекта исследования
Живой организм обладает рядом особенностей, которые следует учитывать при изучении влияния на него внешних факторов. Живой организм
отличается от неживой материи свойством самовоспроизведения (репродуктивная функция), наличием метаболизма и сложной иерархической организации с сильными взаимными внутренними связями между всеми составляющими. Поэтому в организме как в автономной системе локальные
изменения (вызванные, например, неблагоприятным внешним воздействием) в той или иной степени влияют на функционирование, на первый
взгляд, не связанных с локальным воздействием органов или систем органов.
В физиологии накоплен большой экспериментальный материал по
изучению характеристик организма в условиях изменяющейся внешней
среды. Однако разобраться во всей совокупности взаимосвязанных явлений
и процессов, протекающих в организме, нелегко. Это явилось причиной
многообразия подходов к описанию живого организма, основанных, как
правило, на замене сложных процессов их жизнедеятельности совокупностью более простых, хорошо изученных и понятных [1, 2].
Например, широкое распространение в XV-XVII вв. различного рода
механизмов породило такие механические представления об организме, как
соединение “безжизненного механизма – тела с душой, обладающей мышлением и волей” (Декарт) или “самозаводящейся машины, подобной часовому механизму” (Ламерти). Успехи химии и паровой техники в XVIII в.
позволили сравнить организм с тепловой и химической машинами (Лавуазье, Рубнер, Пастер). Идеи кибернетики, сформулированные Н.Винером,
наводили на мысль об общности процессов управления в машинах и организмах, а развитие компьютерной техники, представления о “прикладных
3
программах” как основе работы сложных технических систем определили
точку зрения на организм как на систему, процессы в которой протекают в
соответствии с содержащимися в самом организме закодированными программами. Сегодня распространенной точкой зрения на биологический организм является представление о нем как о биохимической машине с кибернетическим управлением. С позиций системного анализа живой организм предстает как возникшая эволюционно, весьма сложно организованная и развивающаяся система, характеризующаяся своими специфическими
особенностями [2].
Как и любая конечная система, организм человека обладает ограниченными ресурсами, которые он тратит на выполнение биологических и социальных функций. В процессе жизни эти ресурсы постепенно растрачиваются, что приводит к гибели живой системы.
Особенности и свойства биологического организма, в частности организма человека, рассматриваются в различных научных дисциплинах –
биологии, анатомии, физиологии, биохимии, биофизике и др. Между тем
при рассмотрении свойств биологического объекта с позиций материало-
ведения целесообразно оценить его особенности как объекта исследования.
Эти особенности накладывают ограничения на выбор методов исследований, требуют соблюдения определенных условий, известных как “условия
физиологичности” экспериментов, влияют на достоверность результатов.
Системный анализ [2] позволяет сформулировать особенности биологических систем и принципы, положенные в основу их устройства и функционирования. Системные исследования отличаются рядом аспектов. Эволюционный аспект рассматривает приобретение биологическим объектом
устойчивых качеств, позволяющих ему противостоять неблагоприятным
воздействиям внешней среды и обеспечивающих способность к выживанию
в результате многовекового отбора.
Важное значение имеют и другие аспекты системного анализа, позволяющие дать характеристику элементного состава, получить представление
4
об органах и функциональных системах организма, выявить принципы организации процессов жизнедеятельности, механизмов взаимодействия подсистем и другие особенности функционирования, которые обусловливают
свойства биообъектов при их исследовании.
Рассмотрение живых организмов как биологических систем позволи-
ло Е.П.Попечителеву [2] сформулировать ряд особенностей этого класса
систем как объектов исследований. Рассмотрим основные особенности.
1. Биологическая система характеризуется необычайной морфологической и функциональной сложностью. Она включает множество разнообразных подсистем с многообразными и подвижными связями и функциями,
что приводит к большому количеству возможных состояний системы.
2. На биологическую систему активно воздействует непрерывно изменяющийся комплекс внешних и внутренних факторов. Характер отклика
биологической системы в ответ на раздражители даже одинаковой модальности является вероятностным. Точный учет самих факторов и результатов
их воздействий на биологическую систему в реальных условиях не представляется возможным. При исследовании высших биологических систем
особую роль играют психофизиологические факторы, существенно искажающие результаты.
3. Для биосистем характерна качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной системы совместно и слаженно работают разнородные подсистемы разного пространственного масштаба с разными постоянными времени, с качественно различными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).
4. Различные патологические явления, протекающие в тех или иных
подсистемах (например, в органах и тканях человека, контактирующих с
инородным материалом), могут рефлекторно влиять через сосудистую,
нервную рецепцию на функции высших уровней. Искажение функциониро-
5
вания высших уровней биосистемы приводит к нарушению функций подсистем, что затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов.
5. Изменчивость и индивидуальность параметров биологических си-
стем приводят к широкому использованию в медико-биологических исследованиях методов математической статистики (биометрии). При этом для
получения достоверных результатов необходима обработка огромного статистического материала по разнообразным характеристикам биологического объекта. Измерение таких характеристик часто связано со значительными затратами времени, так как некоторые биологические процессы соизмеримы с продолжительностью существования биологической системы.
6. Исследование биологических систем целесообразно проводить в
условиях их реального существования. Однако, как будет показано позже,
это не всегда возможно.
7. Большие трудности возникают при изучении параметров внутрен-
ней среды биологических систем без нарушения их целостности, без внесения искажений в измеряемые параметры из-за нарушения физиологичности
эксперимента. В ответ на подключение измерительных преобразователей
организм реагирует включением механизмов адаптации к воздействиям, а
также реакцией отторжения, что может существенно исказить результаты
исследований. Деятельность информационно-управляющей системы живого организма направлена на его адаптацию, т.е. восстановление исходного
состояния или приспособление к новым условиям существования с возможно меньшими изменениями в процессах, обеспечивающих жизнедеятельность организма – поддержание постоянства гомеостаза.
8. Жизнедеятельность организма – результат сложных нелинейных
взаимосвязей между его отдельными элементами: структурой клеток, органами, их системами и т.д. Поддержание гомеостаза связано с существованием гибкой системы саморегуляции, с помощью которой отслеживаются
изменения как в самом организме, так и во взаимодействии его с внешней
6
средой. Реакция организма на внешнее воздействие во многом определяется
его внутренним состоянием.
9. Сложность исследования свойств биосистем связана также со сравнительно малыми абсолютными значениями измеряемых величин при
больших уровнях шумов как вследствие работы других подсистем (внутренних шумов), так и из-за помех, наводимых из внешней среды. Спектр
измеряемых сигналов, характеризующих физиологические процессы в биосистемах, лежит в области инфранизких частот (до сотых, тысячных долей
герца).
Важной особенностью живых организмов является то, что даже относящиеся к одному и тому же виду организмы отличаются друг от друга.
Кроме того, реакции различных биопараметров организма на воздействие
могут не только существенно различаться, но и часто оказываться несопоставимыми. Поэтому проблема изучения реакции живого организма на
внешние воздействия связана с выбором информативных параметров, которые бы наиболее полно отражали изменения, происходящие в организме.
Ряд таких параметров рассмотрен в следующих разделах настоящего учебного пособия.
1.2. Квантово-механические особенности строения биомолекул
Живые системы на 99 % состоят из атомов водорода, углерода, азота
и кислорода. Большую роль в биохимических процессах играют также атомы фосфора и серы. Для атомов С, N, O, S и Р характерны наличие «неподеленной» пары электронов и способность легко образовывать кратные связи [3].
Состояние электронов в атоме описывается волновыми функциями –
атомными орбиталями (АО), которые классифицируются в зависимости от
значения орбитального квантового числа (s-, p-, d-орбитали). АО, которые
7
используются для образования связей, называются валентными орбиталями.
Состояние электрона в молекуле также может быть описано с помо-
щью волновой функции, называемой молекулярной орбиталью (МО). Волновые функции, описывающие состояние электронов в молекулах, подчиняются уравнению Шредингера, однако решение его оказывается чрезвычайно сложным. На практике расчет молекулярных орбиталей проводится
приближенными методами, среди которых наиболее распространенным является метод ЛКАО (линейной комбинации атомных орбиталей). В основе
этого метода лежит предположение, что на электрон, находящийся в молекуле вблизи ядра какого-либо атома, в основном действуют силы со стороны данного ядра и других электронов, расположенных вблизи от этого ядра.
Предполагают, что эти силы не очень отличаются от сил, действующих на
электрон в соответствующем атоме, и МО электрона, находящегося вблизи
ядра какого-либо атома в молекуле, должна напоминать АО электрона в
этом атоме. Поэтому МО электрона представляют в виде линейной комбинации атомных орбиталей.
В [3] рассмотрены образование и свойства МО молекул, содержащих
атомы С, N, O. Для этих атомов валентными являются орбитали 2s и 2p. В
качестве единой оси для всех молекул выбирается ось OZ. В такой системе
координат различают 2рх–, 2py– и 2 pz–орбитали, обладающие разными
свойствами. В зависимости от того, какие АО образуют, перекрываясь меж-
ду собой, данную МО, различают молекулярные – и –орбитали.
Молекулярные –орбитали создаются при перекрытии двух s–
орбиталей, s– и р–орбиталей, двух р–орбиталей на оси OZ , вдоль которой
два атома взаимодействуют друг с другом.
Молекулярные –орбитали возникают при взаимодействии р–
орбиталей двух атомов вдоль осей ОХ или OY, перпендикулярных к оси
OZ. Заряд каждого –электрона распределен симметрично вокруг оси, пер-
пендикулярной к направлению одиночной связи (ось OZ). Поэтому –
8
электроны всегда находятся вне плоскости молекулы, образуя двойные связи между атомами и обусловливая высокую реакционную способность при
химическом взаимодействии.
Молекуле, обладающей –электронами, присущи нелокализованные
многоцентровые орбитали, принадлежащие не отдельным атомам, а всей
молекуле в целом.
Единое облако –электронов позволяет им мигрировать не только в
пределах своей молекулы, но и с молекулы на молекулу, если они структурно объединены в ансамбли.
Биомолекулы «живут» в клетке, обмениваются энергией и зарядами (а
значит, информацией) благодаря развитой системе делокализованных –
электронов. В клетках строгая упорядоченность молекул, необходимая для
межмолекулярного переноса электронов, обеспечивается прежде всего биологическими мембранами.
Важнейшая миссия –электронов в биологических процессах связана
не только и не столько с их делокализацией, сколько с особенностями энергетического статуса: разность энергий основного и возбужденного состоя-
ний значительно меньше, чем у –электронов, и, что особенно важно, примерно равна энергии фотона (hv): Whv.
Благодаря этому именно –электроны способны аккумулировать
(конвертировать) солнечную энергию, за счет чего с ними связано все энергообеспечение биологических систем. Поэтому –электроны принято называть «электронами жизни».
Выше указано, что для атомов O, N, S, P характерно наличие неподе-
ленных пар электронов. Дело в том, что электроны, спаренные на одной орбитали, не имеют возможности образовывать связи с электронами других
атомов, и валентность атома определяется числом его неспаренных электронов. Однако электронные пары, которые занимают в изолированном
атоме орбитали в той же оболочке или подоболочке, что и валентные элек-
9
троны, сильно влияют на особенности образования связей и свойства молекул. Такие электронные пары называются неподеленными парами. Азот и
фосфор имеют по одной неподеленной паре, кислород и сера – по две.
Все многоатомные молекулы могут быть разделены на две большие
группы: несопряженные и сопряженные системы [3].
Несопряженные системы содержат только одинарные связи или же в
них имеются изолированные кратные связи, отделенные друг от друга или
от атомов с неподеленной парой электронов, по крайней мере, одним атомом с насыщенной валентностью. Такие молекулы можно рассматривать
как составленные из примыкающих друг к другу и почти не зависящих друг
от друга связей, каждая из которых описывается локализованной двухцентровой МО, аналогичной МО в двухатомной молекуле. Свойства связей,
образующих молекулу (энергия, длина связей), постоянны и для одной и
той же связи, входящей в разные молекулы, изменяются незначительно.
Сопряженные системы представляют собой молекулы, содержащие
несколько кратных связей, в которых участвуют соседние атомы или молекулы, в состав которых входят атомы с неподеленными электронными парами, расположенные рядом с кратной связью. Для таких систем характерны нелокализованные многоцентровые МО, относящиеся к молекуле в целом или, по крайней мере, к большей ее части.
Если молекула с сопряженными связями содержит атомы, обладающие неподеленными электронными парами, то электроны этих пар могут
включаться в общую систему –электронов.
Существование делокализованных –электронов является важнейшим
свойством молекул с сопряженными связями. Основные химические, физико-химические и биохимические свойства таких систем определяются –
электронами, так как они гораздо подвижнее –электронов и с большей
легкостью вступают в химические реакции.
Все наиболее важные биомолекулы, с которыми связаны основные
функции живой материи, представляют собой полностью или частично со-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]