1. Литературный обзор

1. Влияние механических колебаний на биологические объекты

Животный мир развивается в условиях непрерывного действия различных форм механической энергии, и это действие стало составной частью в комплексе условий, необходимых для существования живых систем на всех уровнях организации. В каждом из элементов внешней среды существует естественная потребность. Это дает основание считать, что биологическое действие механических колебаний, как и других форм механической энергии, является важной проблемой, касающейся эволюции жизни на Земле.

Периодические движения, циклические процессы занимают главенствующее положение в природе. Звуковые, тепловые, световые, электромагнитные явления представляют собой различные виды колебаний. Периодические колебательные движения, вызывающие у человека своеобразное ощущение сотрясения, принято называть вибрациями. Понятие «вибрация» является синонимом понятия «механические колебания» [4].

Механические колебания участвовали в создании биологических структур при истоках зарождения жизни. Они являются постоянно действующим фактором и наблюдаются во всех сферах. Их интенсивность изменяется в широком диапазоне от едва уловимых человеческим ухом до интенсивностей, способных разрушить крепости. Действие механических колебаний, включая и звуковые раздражения, при определенных условиях необходимо живому организму [5].

В биологических структурах на различных уровнях их организации присутствуют колебания (биомеханические, биоэлектрические), частотный спектр которых соответствует диапазону частот электромагнитных колебаний в атмосферном волноводном эндовибраторе. Этим и объясняется повышенная чувствительность живых организмов к внешним периодическим низкочастотным сигналам [6].

Непрерывная вибрация в течение часа убивает бактерии, вирусы и фаги, простейших, когда их размеры сопоставимы с длиной волны. Эффект разрушения под влиянием звуковых вибраций с частотой от 0,2 до 20 кГц зависит от частоты, характерной для каждого вида из этих объектов и максимален в области резонансных частот, присущих данному виду. [5].

В жизнедеятельности биосистем, и в частности организма человека, колебания выполняют если не ведущую, то во всяком случае весьма важную роль. Следовательно, если на организм оказывать внешнее периодическое воздействие, то можно активировать его функции за счет подкачки энергии с определенной частотой вибрационного воздействия — и в этом положительная роль вибрации. С другой стороны, излишняя подкачка энергии, когда частота вибрационных колебаний синхронна частоте биохимических колебаний в органе или частоте его собственных колебаний, приведет к избыточной активации и тем самым к истощению в тех биосистемах, куда адресуется вибрация, — ив этом случае вибрация играет отрицательную роль [7].

Известно свойство биосистем усваивать и избирательно реагировать на частоту внешнего периодического воздействия, а также их способность генерировать колебания в широком диапазоне частот.

Эффект вибрации зависит от интенсивности и продолжительности ее воздействий. Существенно и то, что воздействие вибрации происходит рефлекторно и на отдаленные от места раздражения органы и системы. Умеренное воздействие вибрации выполняет роль стимуляторов защиты, выработанных самим организмом в процессе эволюции [4,11]. Биологическое действие давлений типа звука и вибрации в миллионы раз более эффектно, чем давление статическое. Наиболее выраженные изменения в органах наблюдаются при действии низких частот – 5-30 Гц, но при больших ускорениях. Сочетание шума и постоянной вредной вибрации усугубляет патологические последствия от их воздействия, ускоряет процесс старения организма, что наиболее выражено при частоте 100 Гц [4].

В основе действия вибрации лежит биологический резонанс [4-8]. Поэтому механические вибрации вызывают реакцию соответствующих рецепторов раздражением, которое по интенсивности едва превышает энергию теплового движения молекул. Диапазон резонансных частот для клеток и тканей теплокровных варьирует в зависимости от состояния их структуры и находится в пределах от 25 до 200 Гц. В медицине в основном применяются вибрации в области 33,3-35,2 Гц и 100-109 Гц, то есть в области биологического резонанса для периферических нервов, и 100-109 Гц - в области биомеханического резонанса виброрецепторов и биологически активных точек. Для звуковых колебаний явление резонанса было обнаружено и при частотах 2500-3600 Гц для клеток разных органов человека. Характер и выраженность рефлекторных реакций при действии механических вибраций на организм человека зависят от локализации, интенсивности, продолжительности, частоты вибрации и исходного состояния организма. Таким образом, звук и вибрация являются одновременно и биологически вредными, и биологически необходимыми.

Биологические процессы, протекающие в организме человека, от клеточного до органного уровней носят колебательный характер широкого частотного спектра волновых и вибрационных процессов, участвующих в функционировании биосистем. Особый интерес представляет свойство биосистем проявлять избирательную чувствительность и генерировать собственные колебания в диапазоне инфранизких частот — до 20 Гц.

При изучении влияния механических колебаний должны решаться следующие теоретические задачи [Error: Reference source not found]:

• изучение спектрального состава механических колебаний;

• исследование вопроса трансформации энергии внешнего периодического возбуждения в биологическую активность;

• изучение условий сопряжения характеристик внешнего возбуждения с характеристиками биоструктуры, которой оно адресуется.

Для анализа действия механизма биологического действия колебаний необходимо проводить исследования на предельно элементарных биологических структурах. Изучение действия низкочастотной вибрации на биологический объект макромолекулярного уровня дало возможность установить ряд закономерностей, касающихся механизма действия этого фактора.

Исследования на клетках и тканях животных позволили установить ряд закономерностей, характерных для структурной организации этих объектов:

• Механические колебания нарушают свойственную данному объекту структуру; чисто физиологическое нарушение структуры влечет за собой нарушение присущей ей функции.

• Поскольку механические колебания адресатом своего действия имеют механическую же структуру, то эффект должен зависеть от их частоты. Любой биологический объект обладает своей собственной структурой и, следовательно, должен обладать повышенной чувствительностью к определенной ему присущей частоте колебаний. Максимальный биологический эффект наступает в том случае, когда частота вибрации совпадает с собственной частотой данного объекта, т. е. в условиях резонанса. Механический резонанс является физической основой биологического действия вибрации.

• Чувствительность определенной биологической структуры к резонансным или близким к ним частотам сохраняется независимо от ее связи с другими структурами.

Результаты опытов свидетельствуют о наличии тотального действия вибрации и звука, при этом, вероятно, все ткани и органы вовлекаются в ответную реакцию организма. Однако эта тотальность не должна маскировать избирательность действия этих факторов. Более того, реакции тканей (органов) на вибрацию отчетливо проявляется частотная зависимость: вибрация с заданной частотой избирательно находит свой структурный адресат. Если при этом наблюдаются реактивные изменения в других тканях, то, вероятно, это объясняется наличием сопряженных (цепных) реакций, либо также высокой их чувствительностью к вибрации. Так, вибрация в широком диапазоне частот подавляет митотическую активность, однако есть частоты, которые не оказывают влияния на течение митоза. Из этого следует вывод, что при оценке последствий вибрации необходимо знать ту частоту, которой данные органы или ткани наиболее чувствительны.

Вибрация вызывает биологический эффект благодаря переменному ускорению. Объектом действия вибрации является гетерогенность структуры в массе. Чем более гетерогенна структура, тем биологически эффективнее действие вибрации.

Экспериментальные данные о действии вибрации на организм животных и человека показали, что при определенных условиях этот фактор является стимулятором биологических процессов. По своей физической природе действие механического фактора адресуется к структуре объекта, и эффект его действия зависит именно от этой структуры. Поскольку все биологические системы обладают специфической, присущей только данному объекту структурой, то создается практическая возможность избирательно действовать на тот или иной процесс. На этой биофизической основе в настоящее время начинает широко входить в практику вибротерапия [Error: Reference source not found].

Изучение нарушений на молекулярном уровне позволяет уяснить механизм начальных этапов процессов, вызываемых действием вибрации.

В литературе есть данные о реакции актомиозинового комплекса на низкочастотную вибрацию [Error: Reference source not found]. Раствор белка подвергали вибрации с различными частотами от 25 до 1000 Гц. Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре СФ-4, сравнивая ее с плотностью контрольного белка, т.е. не подвергшегося вибрации. Получили экспериментальное подтверждение факта, что низкочастотные колебания обладают достаточной энергией для того, чтобы вызвать структурные и функциональные изменения актомиозинового комплекса, находящегося в растворе. Результат интересен и тем, что механические колебания вызывают однозначный оптический эффект для каждой длины волны. Так, например, вибрация с любыми частотами не меняет оптическую плотность для света с длиной волны 220-230 нм, тогда как для света с длиной волны 254 нм во всех случаях имеет место повышение оптической плотности. Также получили доказательство, что в данном случае вибрация раствора с частотой 200 Гц вызывает максимальный эффект и высказали предположение, что эта частота является резонансной.

В этой же работе [Error: Reference source not found] проверили зависимость биологического эффекта вибрации от продолжительности ее действия. Раствор белка подвергали вибрации в течение 5, 10, 20 и 30 минут. Показано, что эффект вибрации более выражен при тридцатиминутном воздействии. Возможно, что в белковом комплексе есть структуры с разной чувствительностью к механическим колебаниям, и в первые минуты воздействия реагируют лишь наиболее лабильные из них.

Изучалась также и зависимость ферментативной активности актомиозина от частоты механических колебаний. Активность определялась по количеству неорганического фосфора в пробе, образовавшегося в результате гидролиза АТФ актомиозином. Оказалось, что в широком диапазоне частот вибрация подавляет ферментную активность актомиозина. Степень подавления активности зависит от частоты вибрации и ускорения. Максимальная чувствительность наблюдается к частоте вибрации 200 Гц, при которой белок теряет до 90% ферментативной активности. При частоте 50 Гц наблюдается подавление активности на 14,5%, а при 25 Гц - на 39,6% [Error: Reference source not found].

С точки зрения физики, низкочастотная вибрация не способна вызвать нарушение биологической структуры молекулы. Однако необходимо учитывать факт, что молекула белка, будучи в растворе, образует не только молекулярный комплекс, но, как и любой высокомолекулярный полимер, комплекс с растворителем. Создается единая система дисперсионной среды и дисперсной фазы. Образование такой системы зависит от концентрации полимера.

Оптимальная концентрация раствора актомиозина, при которой вибрация дает максимальный эффект, равна 2-4 мг/мл. При низких концентрациях денатурирующего действия вибрации не наблюдается, так как в этом случае моле­кула белка находится в дискретном состоянии, чтобы вызвать конформационные сдвиги отдельных молекул механическими факторами, требуется более мощная энергия. А при высоких концентрациях эффект вибрации вообще отсутствует.

В других источниках говорится о том, что обнаружено, что в ответ на действие вибрации в растворе белка наблюдаются следующие физико-химические явления: изменяется вязкость раствора, оптические свойства, рН, понижается растворимость и т.д. [Error: Reference source not found].

Изучалось и действие инфразвуковых колебаний на свойства воды и раствора ДНК [Error: Reference source not found]. Так как колебания могут влиять на вероятность образования или изменения структуры водородных связей, то можно ожидать, что воздействие вибрации приведет к изменению оптической плотности водного раствора ДНК (при 260 нм), где ДНК находится в денатурированном состоянии. Изменение оптической плотности может произойти в результате изменения степени поглощения света вследствие образования или разрыва водородных связей. Предполагается [Error: Reference source not found], что легко изменяющаяся скорость образования и разрыва водородных связей может служить мишенью для биологического действия различных химических и физических факторов среды.

Прямое механическое воздействие также может изменять физико-химические свойства воды и тем самым менять ее биологическую активность. Так как механические колебания могут влиять на вероятность образования или изменения структуры водородных связей, то можно ожидать изменения оптической плотности водного раствора макромолекул.

Необычные свойства воды, ее способность упорядочиваться и воздействовать на конформацию макромолекул наводят на мысль, что ее роль в биосистемах не сводится к роли простого растворителя - среды, в которой сами по себе функционируют макромолекулы. Хорошо известно, что присутствие воды сильно влияет на структуру и свойства макромолекул. Судя по кривым сорбции и десорбции воды на белках, они ведут себя не как жесткие инертные субстраты, а скорее как деформируемые, реактивные вещества, изменяющие свою структуру под действием воды. [Error: Reference source not found]

Однако влияние воды на макромолекулу не одностороннее и, в свою очередь, оно возможно лишь вследствие изменения структуры самой воды под воздействием макромолекулы. Имеющиеся в составе макромолекул различные группы - полярные, неполярные и заряженные могут производить различное действие на структуру воды, повышая либо понижая ее упорядоченность. Конформация же макромолекул определяется выгодностью тех или иных контактов, т.е. условием минимума полной свободной энергии системы. Согласно Кауцману, упорядочивающее действие неполярных групп на воду не является выгодным термодинамически и поэтому макромолекула стремится принять такую конформацию, при которой число контактов неполярных групп с водой минимально, а вместе с тем минимально и ее упорядочивающее действие на воду.

Существует тесная взаимосвязь между конформацией белков и состоянием воды в прилегающих к ней слоях. Следовательно, взаимодействия в макромолекуле нужно рассматривать с учетом влияния на эти взаимодействия растворителя в смысле конкуренции взаимодействий полимер - полимер и полимер - растворитель.

При денатурации количество связей в макромолекуле изменяется отнюдь не стопроцентно. В случае глобулярных белков до сих пор является спорным, можно ли рассматривать денатурацию как переход плотного компактного образования в рыхлый хаотический клубок, целиком пропитанный водой [Error: Reference source not found]. Весьма маловероятно, что вода полностью проникает в гидрофобное окружение и контактирует со всеми неполярными группами.

Результаты исследований по воздействию электромагнитных излучений можно объяснить, исходя из кластерно-фрактальной модели, которая рассматривает воду как смесь свободных молекул и фрагментов с упорядоченной гексагональной структурой, в вершинах шестиугольников которой находятся радикалы ОН-. Наличие у воды кластерной структуры позволяет предположить, что при ее разрушении возникнут диссоциированные элементы Н+ и ОН-. Кроме того, идет постоянный обмен между двумя фазами воды: указанные элементы образуют молекулу и переходят в свободную воду, а молекулы свободной воды - в кластеры.

Исходя из всего приведенного выше, авторы [Error: Reference source not found] заключают, что при воздействии электромагнитного излучения с водой происходит накапливание энергии в кластерной структуре до некоторого критического значения, затем происходит разрыв связей, как между кластерами, так и других; происходит лавинообразное освобождение энергии, которая может затем трансформироваться в другие типы. В случае биологических систем это может служить первичным механизмом в сложной цепи их взаимодействия с электромагнитным излучением.

Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что внешним фактором может быть и другое излучение, и механическое воздействие (например, ультразвук), также приводящее к искажению геометрии гексагональной структуры воды и аккумулированию в ней энергии такого воздействия.