На основании собственных и литературных данных авторами сформулированы некоторые положения, которые дают возможность предложить общий механизм действия миллиметровых волн на фотосинтезирующие организмы.
По мнению авторов одной из важнейших причин стимулирующего эффекта однократного КВЧ-облучения низкой интенсивности на фотосинтезирующие объекты может быть развитие самоускоряющихся механизмов, реализующихся через первичные реакции автокаталитического типа, идущие в липидной фазе клеток.
On the base of own and literary dates authors are formulated some positions, which will enable to offer the general mechanism of action of millimeter waves on photosynthetic cells. In authors opinion one of important reasons of once action of EHF-irradiation of low intensity on photosynthetic objects can be the development of self-acceleration mechanisms realizing thanks to the rise of primary reactions of autocatalytic type going in lipid phase of cells.
Действие КВЧ-излучения (электромагнитное излучение миллиметрового диапазона нетепловой интенсивности) интенсивно изучается в последние 25 лет на различных биологических объектах (от бактерий до тканей и органов человека) и модельных системах, а также используется в практической медицине, что привело к созданию КВЧ-терапии [1]. В последние годы на фоне значительного ряда работ по действию ММ-излучения на живые организмы возникло новое направление, заключающееся в действии этого фактора на фотосинтезирующие объекты [2 - 13] и реакционные центры фотосинтезирующих бактерий [14 - 16].
Обзор экспериментальных данных по действию миллиметровых волн на биологические объекты свидетельствует о возможности существования таких механизмов взаимодействия ММ волн с клетками растительного или животного происхождения, которые затрагивают фундаментальные аспекты их жизнедеятельности.
В настоящее время выдвинуты довольно многочисленные гипотезы относительно первичных механизмов действия КВЧ-излучения на биологические объекты, однако это не внесло ясности в изучаемый вопрос.
Цель работы - предложить общий механизм действия КВЧ-излучения на фотосинтезирующие объекты. На протяжении ряда лет нами проводились приоритетные исследования взаимодействия КВЧ-излучения с фотосинтезирующими объектами, в качестве которых использовали цианобактерию Spirulina platensis (Nords.) Geitl.(прокариот) и зеленую морскую одноклеточную водоросль Platymonas viridis Rouch.(эукариот). Были выявлены некоторые общие закономерности этого взаимодействия [17] и изучены различные физиологические эффекты, вызываемые КВЧ-излучением: ускорение роста и увеличение биомассы, интенсификация процессов фотосинтеза, сопровождающаяся повышением выделения кислорода и содержания в клетках фотосинтезирующих пигментов, увеличение экскреции органических соединений в среду, изменение реакционной способности экзометаболитов, изменение транспорта ионов и др. [18].
Полученные нами данные по действию КВЧ-излучения на фотосинтезирующие организмы, начиная с первых работ по этому направлению [2 - 4, 19, 13], позволяют сформулировать несколько положений, которые позже дадут возможность предложить общий механизм действия миллиметровых волн на клетки:
отсутствие О2 в момент облучения культур фотосинтетиков приводило к снятию выраженного стимулирующего действия КВЧ-излучения;
исчезновение стимулирующего эффекта КВЧ-излучения после добавления селенита натрия (Na2SeO3);
несоответствие между малой величиной поглощенной энергии при однократном КВЧ облучении культур фотосинтезирующих организмов (про- и эукариотов) и величиной "ответа", выражающегося в значительном увеличении выхода биомассы (200 - 250 %), интенсивности фотосинтеза (до 350 %), нарастании количества фотосинтезирующих пигментов и уровня экскреции в среду органических соединений,
изменение проницаемости мембран клеток фотосинтетиков при однократном КВЧ-облучении для ряда ионов,
пролонгированное стимулирующее действие КВЧ-излучения на культуры фотосинтетиков, наблюдаемое с уменьшением эффекта в последующих пассажах.
Попытаемся рассмотреть каждое из высказанных положений с учетом имеющихся данных.
Нами было показано, что стимулирующее действие КВЧ-излучения на фотосинтезирующие организмы снималось при отсутствии кислорода в момент облучения (облучение в атмосфере аргона) по следующим показателям: биомассе, выделению кислорода, количеству хлорофилла, уровню фотодыхания [20]. Результаты опытов с заменой воздуха аргоном свидетельствовали о важной роли кислорода в момент облучения клеток, присутствие которого при КВЧ-облучении ответственно, по нашему мнению, за дальнейшее образование и накопление радикальных и перекисных состояний и развитие автокаталитических реакций типа цепных, идущих в липидной фазе мембран с накоплением конечных продуктов, приводящих к изменениям их функционального состояния, подобно тому, как это было показано значительно раньше при облучении клеток ионизирующей радиацией [21]. Весьма вероятно, что при отсутствии кислорода блокируются конформационные сдвиги в белковой фазе мембран, а также окисление сульфгидрильных и иных групп, что может влиять на изменения проницаемости мембран в присутствии кислорода.
Возможный механизм образования Н2О2 предложен в работе, в которой обнаружено образование наномолярных концентраций перекиси водорода под действием микроволнового поля [22].
На возможное образование перекиси водорода при КВЧ-облучении указывали также следующие факты. Ингибирование скорости размножения культуры Bacterium prodigiosum после ММ облучения коррелировало со снижением активности каталазы, разлагающей перекиси, количество которой в клетках снижалось на 25 - 35 % по сравнению с контролем [23].
Как известно, каталаза - важный внутриклеточный фермент-гемопротеид, который катализирует разложение перекиси водорода в клетках, а также участвует в сопряженных окислительных процессах.
Миллиметровое облучение лиофильно высушенных препаратов каталазы, полученной из эритроцитов лошади, выявило инактивацию этого фермента на всех используемых длинах волн в интервале от 3,0 до 6,7 мм [24].
Каталаза, добавленная к облученному буферу, устраняла ингибирующий эффект облучения СВЧ-полем на активности супероксиддисмутазы (СОД), что указывало на образование перекиси водорода в процессе облучения [22].
Некоторыми исследователями обсуждалась возможная роль кислорода, который на резонансных частотах при КВЧ-облучении, по их мнению, мог передавать водородносвязанным молекулам воды часть поглощенной энергии и запускать цепочки возбуждения, обусловливая общую частотную зависимость биологического эффекта [25].
Другие авторы наблюдали конвективное движение в воде вблизи поверхности, на которую падает ММ излучение, что сопровождалось ускорением поступления в кювету кислорода воздуха, о чем судили по скорости нарастания полярографического тока [26]. Из водного раствора в кювете, расположенной на рупоре, струей аргона вытеснялся воздух, а затем с помощью полярографического электрода регистрировалось обратное поступление О2 в раствор. Оказалось, что КВЧ облучение (длина волны 6,5 мм, мощность 0,5 мВт/см2) ускоряет нарастание концентрации О2 в растворе почти в 2 раза. Как считают авторы, под действием ММ волн ускоряется поступление в водный раствор кислорода воздуха за счет конвективного переноса [27], что может объяснять изменения транспортных свойств мембран.
Ускорение транспорта кислорода и других веществ в тканях и клетках, лимитированного переносом через жидкие среды, может являться, по-видимому, наряду с известными частотно-селективными (резонансными) эффектами одним из механизмов физиологического действия КВЧ-излучения низких интенсивностей [27].
Конвективным перемешиванием суспензии липосом и улучшением снабжения кислородом авторы объясняют помимо ускорения перекисного окисления липидов [27], также и ускорение активного транспорта ионов Na+ через кожу лягушки, изменение проницаемости мембран эритроцитов для ионов K+, увеличение проводимости бислойных липидных мембран.
Конвекция, таким образом, может, по мнению перечисленных авторов, являться первичным механизмом действия ММ волн на процессы жизнедеятельности [28], при этом порог чувствительности биологического объекта к непрерывному ММ излучению низкой интенсивности составляет мощности порядка 1 - 10 мВт/см2. В работе [29] на основании этих взглядов дается гипотетический механизм действия ММ волн слабой интенсивности, основанный на вызывании ими гидродинамической неустойчивости вблизи межфазной поверхности и ускорении диффузных процессов и мембранного транспорта.
В обзоре [30] более подробно в сущности рассматривались те же положения в отношении как КВЧ, так и СВЧ излучения, в том числе их действие на суспензии липосом, гетеротрофные микроорганизмы, грибы, мебраны эритроцитов, некоторые другие биологические объекты и приводится схема действия ММ волн низкой интенсивности, основанная на конвективном переносе веществ в воде.
Как известно, перекисное окисление липидов (ПОЛ) представляет собой цепной свободнорадикальный процесс окисления, в том числе ненасыщенных жирных кислот, входящих в клетках в состав молекул фосфолипидов, играющий ведущую роль при радиационных повреждениях, при интоксикациях и других патологических состояниях организма. В результате окисления фосфолипидов увеличивается проницаемость нативных мембран для ионов и других молекул [31].
Исследование влияния ММ волн на процессы ПОЛ в моделях биологических мембран (суспензия липосом в водном растворе) важно для выяснения первичных механизмов действия КВЧ-излучения на биологические объекты. В работе [32], проведенной на модельных системах, при использовании диапазона длин волн от 4,0 до 7,1 мм было обнаружено, что электромагнитное излучение миллиметрового диапазона длин волн ускоряет процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) в суспензии липосом при нетепловых мощностях излучения (не более 0,5 мВт/см2, при Lambda = 6,5 мм). Эффект КВЧ-облучения проявлялся при всех исследованных способах иниицирования ПОЛ -- добавление железо-аскорбатной смеси (Fe2+ - 2,4 мкМ, аскорбата - 200 мкМ), фотохимическое окисление, УФ-облучение - и величина его достигала 20 %. При плотности мощности меньше 0,2 мВт/см2 ускорения ПОЛ выявить не удалось. Объяснение эффекта ускорения ПОЛ общим нагревом препаратов, по-видимому, исключено. Так как скорость ПОЛ в мембранных системах сильно зависит от их структурного состояния [31], можно предположить, что обнаруженный этими авторами эффект связан с какими-то структурными изменениями мембран липосом или окружающей их воды при поглощении КВЧ-излучения.