О роли вторичных космических лучей в нарушении структуры движущейся крови
Скачать 212.37 Kb.
|
| О РОЛИ ВТОРИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В НАРУШЕНИИ СТРУКТУРЫ ДВИЖУЩЕЙСЯ КРОВИ Е.З. Гак1, О.П. Резункова2 1. ГНУ Агрофизический НИИ РАСХН 2. Санкт-Петербургский Государственный университет телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича Санкт-Петербург Аннотация В работе нашли дальнейшее развитие направления работ начатых профессором А.Л. Чижевским: гелиобиология и структура движущейся крови, по существу находящиеся в тесной связи. Рассмотрено влияние вторичных космических лучей и особенно нейтронов на процессы массопереноса, электрическое состояние клеточных мембран и изменение структуры крови, ее функциональную роль. Проведено сопоставление известных радиобиологических эффектов воздействия ионизирующей радиации и воздействия космических лучей на интактные клетки. Введение В работе нашли дальнейшее развитие направления, представленные ранее профессором А.Л. Чижевским: гелиобиология и структура движущейся крови 1-6. Ранее в наших исследованиях были высказаны представления о ведущей роли вторичного космического излучения, в первую очередь солнечного, как одного из основных природных факторов, воздействующих на гидрологические и биологические процессы 7-11. С нашей точки зрения, основным действующим агентом служат нейтроны, входящие во вторичные космические лучи. Общепринятые представлении о роли геомагнитных возмущений, возникающих во время магнитных бурь, как причины наблюдаемых в экспериментах и в природе патологических процессов и генетических вариаций 12-15, представляются нам с чисто энергетической точки зрения маловероятными. Вместе с тем, имеющиеся материалы по действию космического излучения на водные среды и биологические объекты аналогичны результатам полученным при воздействии быстрых нейтронов от искусственных источников 18-20. На основе экспериментальных модельных исследований показано, что вследствие особенности корпускулярных частиц значительных энергий, создающих при движении через биологические ткани большое количество ионов и свободных радикалов, в среде меняется электрическое состояние примембранных слоев. Разрушаются плазматические мембраны клеток, возникает электропробой мембран, нарушаются клеточные контакты, то есть возникают явления аналогичные электропорезу 21-22. Нарушение электрических зарядов эритроцитов, снижение проницаемости их мембран, ведет к явлению снижения электрического распора, слипанию клеток, разрушению структур крови в сосудах, открытых А.Л. Чижевским 4-5, что ведет к изменению реологии крови. По-видимому, существенную роль здесь должно играть и разрушение тромбоцитов и выход фибрина, как положительно заряженного белка. Число же лейкоцитов во время «магнитных бурь» уменьшается и имеет место наличие лейкопений 23. Увеличение вязкости крови приводит к гипоксии во всех тканях. Явления «сладжа» и «стаза» в кровеносных сосудах многократно наблюдались in vivo и in vitro во время «магнитных бурь» 14-15. Целью данной работы послужило желание авторов привлечь внимание к проблемам важнейшим для человечества, поставленным А.Л. Чижевским впервые, и к связи этих проблем с сохранением жизни на Земле.
и вторичные космические лучи. Человек в ходе своей эволюции непрерывно находился под действием природной ионизирующей радиации. В настоящее время источниками ПРФ служат земная кора и вторичные космические лучи, причем радиоактивные изотопы и их излучение попадают к человеку из земной коры, как непосредственно с пищей, так и через строительные материалы (рис. 1) [23]. С точки зрения энергетического вклада основные источники можно представить согласно [24] (рис. 2). До поверхности Земли в силу экранирующего эффекта геомагнитного поля и плотной атмосферы доходит лишь вторичное корпускулярное излучение, включающее в основном нейтроны и мюоны, причем энергетический вклад падающих на землю протонов, электронов и гамма-квантов мал. В табл. 1 и табл. 2 приведены характеристики первичных и вторичных космических лучей [26-27]. Следует отметить, что хотя доля мюонов достигающих поверхности Земли достаточно велика, однако в силу их малого поглощения в воде и, соответственно, в биологических тканях, их влияние можно не учитывать. В тоже время поглощение нейтронов, как тяжелых частиц в воде и биологических тканях велико и коэффициент качества К10, что определяется длиной их пробега и степенью поражения биологических тканей [20]. Особенно велика интенсивность падающих на Землю корпускулярных частиц во время солнечных вспышек, обычно сопровождаемых «магнитными бурями». В этом случае их интенсивность возрастает в 104-105 раз в зависимости от интенсивности «магнитных бурь». Наибольшая интенсивность космических лучей приходится на полярные области, где эффект экранирования геомагнитным полем снижается. В то же время вариация геомагнитных полей (за что и получили название «магнитные бури» эти явления), составляет лишь десятки и сотни нТл, что как фактор прямого воздействия на биологические объекты маловероятен. ^
Таблица 2 Значение глобальных потоков космических лучей (ГКЛ) (вторичных) и коэффициенты их ослабления в воде на уровне моря (по [27]).
Более того, слабые постоянные или низкочастотные магнитные поля оказывают защитное действие от ионизирующего излучения, снижая разрушающий эффект радиации [20]. Следует отметить, что о необходимости учета прямого воздействия не только «волновой радиации», но и корпускул (на живые системы) при вариации солнечной активности отмечал Б.Р. Рывкин [29]. Отметим, что при жизни А. Л. Чижевского состав вторичных космических лучей был изучен недостаточно, хотя состав первичных был уже известен. ^ А. Л. Чижевским с учетом электрических, гидродинамических и магнитных свойств движущихся эритроцитов была предложена модель в виде кольцевого распределения эритроцитов разного возраста и размеров [4] (рис. 3а, б, в). Одним из важнейших условий сохранения и нормального функционирования этой структуры являлось наличие электрического распора, то есть наличие отрицательных зарядов эритроцитов и эндотелиальных клеток, выстилающих стенки сосудов. Однако, как известно, основной массо- и газообмен происходит в одиночных капиллярах, где эритроцит двигается поперек капилляра, причем поперечник эритроцита может быть одного порядка или даже меньше просвета капилляра (7-10 мк), что обуславливает деформацию эритроцита при движении его в капилляре. А. Л. Чижевский не рассматривал этот процесс, но отмечал его большую значимость. Наличие отрицательных электрических зарядов эритроцитов и клеток, выстилающих стенки капилляра, несомненно, очень важно для процесса нормального массообмена через эндотелиальные клетки и межклеточные щели, то есть для нормального функционирования кровеносной системы. Нами было предложено ввести понятие макроскопического объемного диффузного заряда, обусловленного скоплением ионов противоположного знака вблизи заряженного электрода [30-31]. Следует отметить, что идея генерации подобных зарядов в электрохимических системах была предложена В.Г. Левичем [32], а нами было экспериментально обосновано его наличие и свойства. На (рис. 5а, б, в, г, д) представлена схема эксперимента моделирующего движение эритроцитов в капилляре, где макроскопический объемный заряд возникает и без подачи тока в систему. Особенностями подобного заряда является его функциональная роль как дополнительного барьера для ионов того же знака, возможность его срыва механически другим движущимся телом, рассасывание под действием электрического импульса противоположного знака. На рис. 5а представлена модель движущегося эритроцита, в качестве эндотелиальной щели представлен электрод А малой площади S1 (медный), В – электрод большей площади S2, который расположен на значительном удалении от А. S1 << S2. Фиксируется разность потенциалов UАВ. При движении модели мимо электрода А возникает электрический импульс. На рис. 5д представлена осциллограмма подобного импульса. Как мы отмечали, изменение или снижение подобного диффузного заряда снижает его барьерную роль. Однако говоря о эритроцитах, основной базы для переноса и обмена веществ, добавим следующее. Общепринятое представление о эритроцитах, как о безъядерных клетках, по-видимому, можно поставить под сомнение, на основе цикла оригинальных экспериментальных работ, выполненных ранее профессором Д.И. Финько и, где, по-видимому, удавалось сохранить ядра эритроцитов. Вероятно, подобный факт нуждается в дальнейшей проверке и его следует учитывать при дальнейшей разработке и усовершенствовании теории структуры движущейся крови. ^ В качестве физико-химического механизма влияния космической радиации на интактную клетку можно полагать, что реализуется тот же процесс, что при действии на живые ткани ионизирующей радиации, в том числе нейтронов. В этом случае могут нарушаться защитные барьеры на уровне клетки. На рис. 6 представлена схема двух типов барьеров, защищающих интактную клетку. Это обычная мембрана, представляющая, как механический, так и электрический барьер, а вне его, снаружи клетки может иметь место второй барьер в виде объемного диффузного, пространственного электрического заряда, свойства которого рассмотрены выше (рис. 4) [30-31]. Если электрическое поле на основной мембране велико в силу ее низкой избирательной проницаемости порядка 104 В/см, то в области внешнего объемного заряда оно порядка 103 В/см по нашим оценкам. Подобные оценки позволяют полагать, что в первую очередь нарушаются первичные электрические барьеры, а после этого падает проницаемость мембран. За время «космического штурма» (десятки часов) могут происходить многократные точечные пробои мембран. В биологических тканях вследствие эффекта отдачи (соударение нейтронов с молекулами воды) быстрые нейтроны преобразуются в протоны, имеет место движение заряженных частиц малых размеров с большой энергией. Длина их пробега порядка размеров одной или нескольких клеток [20]. Согласно экспериментальным данным при ионизирующем излучении падает, как проницаемость мембран, так и их электрический заряд [35-36]. Наши модельные эксперименты показали, что следует ожидать разрушения макроскопических объемных зарядов внешнего электрического барьера под действием электрических полей. Снижение поверхностного электрического заряда клеток уменьшает их распор, приводит к слиянию клеток при сохранении их ядерного материала, что наблюдается в опытах на клетках культур различной этиологии, проведенных Н.К. Белишевой и др. [9, 13] (рис. 7), а так же в явлениях «стаза» и «сладжа» в потоке эритроцитов в кровеносных сосудах [14-15] (рис. 8). Эти явления позволяют объяснить нарушения реологии крови, особенно опасные для больных с нарушениями системы мозгового и сердечно-сосудистого кровообращения. После прохождения «магнитных бурь» клеточные структуры релаксировали, а кровообращение у больных медленно восстанавливалось, если процессы не переходили в необратимую фазу. Согласно [14] здоровые пациенты реагировали значительно слабее, однако явление нарушения кровообращения наблюдалось и у них. Сравнительный анализ экспериментальных данных по облучению нейтронами, рентгеновским излучением и гамма квантами крыс показал, что при тех же дозах при облучении нейтронами гепатоциты крыс удваивают свою плоидность (клетки сливаются) уже при малых дозах, эффект же слияния клеток при других видах облучения происходит при дозах близким к летальным (рис. 9). Следует также отметить, что явление слияния мембран клеток при сохранении ядерного материала происходит при действии кратковременных электрических импульсов электрического тока, что имеет место при электропорезе [21-22]. Как мы отмечали, движение нейтронов через биологическую ткань дает аналогичные эффекты. В качестве физической модели слияния подобных клеток под действием постоянного электрического поля, мы изучали эффект слияния мелких капель струй воды при их разбрызгивании в единую крупную каплю на вершине струи с диаметром на порядки превышающим диаметр отдельных капель. На рис. 10 приведена фотография подобной капли для случая дистиллированной воды. Явление слияния капель характерно и для гроз, когда капли дождя резко увеличиваются в размерах вследствие их электризации. Отметим, что явление слияния клеточных оболочек характерно как для безъядерных клеток (эритроцитов), так и для ядерных (клетки культур различной этиологии) во время магнитных бурь. По-видимому, следует ожидать и снижения заряда и пробоя мембран трансэндотелиальных клеток, выстилающих кровеносные сосуды и капилляры. Если же учитывать возможное наличие ядер эритроцитов [33-34], то эта закономерность становится более общей. Процесс слияния капель воды или интактных клеток происходит в том случае, когда электрические силы преобладают над силами поверхностного натяжения и характеризуется снижением поверхностной энергии всей биологической или модельной системы (совокупность капель). Возможно, процесс слияния клеток при сохранении ядерного материала, может рассматриваться как защитная реакция, позволяющая снизить потребности энергии биологических систем и обеспечить возможность их релаксации и выживания. Подобные представления, позволили по-новому подойти к пониманию медико-биологических проблем, возникающих при геомагнитных возмущениях, для сохранения жизни больных, ослабленных людей. Так, неоднократно отмечалось, что во время «магнитных бурь» необходимо экранировать пациентов в камерах защищенных от электромагнитных полей, о чем мечтал еще А.Л. Чижевский. Обычно эти камеры предусматривают покрытие определенного объема пространства тонкими листами металла [15]. Однако эти камеры не защищают от нейтронов, что обуславливает необходимость дополнительной защиты обычной в случае ядерных реакторов – слои воды, графита, парафина. Полученные данные позволяют объяснить результаты цикла работ по облучению гамма-лучами онкобольных [37], в которых показано, что облучение животных или людей в период геомагнитных возмущений, «магнитных бурь» может быть не только не эффективным, но даже ухудшает состояние больных. Вероятно, в этом случае имеет место дополнительное излучение, ведущее к нарушению кровообращения, снижению иммунных реакций. Проблема учета биологического воздействия корпускулярной радиации особенно важна при космических полетах, когда снижен защитный эффект геомагнитного поля и атмосферы, что требует уточненного прогноза солнечных вспышек [38], дополнительной индивидуальной защиты человека, хотя бы его мозга от нейтронного и протонного облучения космическими лучами (галактическими, первичными и вторичными). Заключение Таким образом, говоря о проблеме биологических эффектов природного радиоактивного фона особое внимание следует уделять космической радиации, ее вариациям и особой опасности для человека. Следует отметить, что особое внимание следует уделять не воздействию низкочастотных магнитных полей малой интенсивности, обусловленных солнечной активностью, а реальному всепроникающему излучению быстрых нейтронов. Вместе с тем, наличие мониторинга геомагнитных явлений при «магнитных бурях», разработка специальной контрольной магнитометрической аппаратуры является, важным элементом медицинской техники [15], которым следует оснащать медицинские стационары. Хочется в заключение привести слова, отражающие восточную мудрость о необходимости учета влияния космоса на живые системы, нередко не учитываемого в нашей жизни и так близкого А.Л. Чижевскому: «Сравнение атмосферических условий с состоянием человечества разве не даст ключ для разумных соображений правителей? Разве «магнитные бури» не окажут различных общественных постановлений? Солнечные пятна, полнолуние, прохождение планетных тел и множество подобных мощных условий влияют на основные движения чутких организмов. Даже растения и животные реагируют на космические проявления. Неужели не заслуживает внимания человек, как распорядитель?» [39]. Е.З. Гак О.П. Резункова Литература
p. 1575-1583.
Подписи под рисунками. Рис. 1. Схема источников ионизирующего излучения природного радиоактивного фона (ПРФ), воздействующих на человека 24. Рис. 2. Относительный вклад пяти основных источников атомной радиации в природный радиоактивный фон по 25: 1. Газ радон и радиоактивные продукты его распада 49,5% от ПРФ; 2. Изотоп 40К; 3. Космические излучения и порождаемые ими космогенные радионуклиды - 15,3% 4. Радиевый ряд урана - 12,2 %; 5. Ториевый ряд урана - 8 %. Рис. 3. Схема распределения эритроцитов в потоке в кровеносном сосуде по [4]. а) схема динамики кровотока и кинематики эритроцитов. Радиальный разрез кровеносного сосуда; б) наиболее вероятная радиально-кольцевая модель расположения эритроцитов в кровотоке; в) схема поступательного и вращательного движения радиально-кольцевых систем эритроцитов в кровотоке. Рис. 4. Схема генерации и изучения свойств макроскопического заряда (МОЗ) в прямоугольной электрохимической ячейке – как модель формирования МОЗ вне интактной клетки. 1 – область объемного макроскопического заряда МОЗ (МОЗ). 2 – область двойного электрического диффузного слоя толщиной дв. 3 – катод. 4 – электрохимическая ячейка. 5 – подвижной электрод-сетка. 6 – электролит. 7 – анод. U~ – переменное напряжение, подаваемое на электроды: катод – электрод – сетка, U= – постоянное напряжение, подаваемое на электроды: катод – анод. X0 – расстояние от катода до электрода-сетки; d – межэлектродное расстояние. ОХ – горизонтальная ось координат. Рис. 5. Схема генерации электрических макроскопических зарядов в пространстве одиночного кровеносного капилляра (а) и его физическая модель (б, в, г), позволяющая регистрировать импульсное электрическое напряжение при движении модели эритроцита. а) 1 – просвет капилляра. 2 – эндотелиальные клетки. 3 – трансэндотелиальные межклеточные щели. 4 – эритроциты. 5 и 6 – объемные макроскопические заряды с внешней и внутренней сторон эндотелиальной клетки. ав – направление электроосмотического потока из капилляра в ткани, определяет область приложения локального электрического поля Еав. б, в, г) – схема установки для исследования свойств МОЗ с использованием пробной сферы: 1 – нить для перемещения сферы с заданной скоростью V. 2 – диэлектрическая стенка сосуда. 3 – электрод Аплощадью SА. 4 – пробная сфера. 5 – усилитель постоянного напряжения. 6 – осциллограф. 7 – электрод В площадью SВ, SА<< SВ. 8 – электролит. 9 – структура МОЗ вблизи электрода А до подхода сферы. 10 – Структура МОЗ после прохода пробной сферы (срыв заряда). д) фотография электрического импульса UАВ(t). Рис. 6. Схема пространственного размещения электрических барьеров на поверхности и вне плазматической мембраны интактной клетки: 1 – внутренняя часть клетки; 2 – плазматическая мембрана, первый физический барьер толщиной l и плотностью м ; 3 – поры в мембране для переноса ионов и нейтральных молекул; 4 – область отрицательного поверхностного заряда плазматической мембраны, первый электрический барьер толщиной м; 5 – область диффузного макроскопического заряда (МОЗ), протяженностьюδMОЗ и плотностью ρMОЗ , возникающего вследствие различия в коэффициентах диффузии веществ, поступающих в клетку или выходящих из нее, второй электрический барьер. ЕМ – напряженность электрического поля на мембране порядка 104 В/см; Е MОЗ – напряженность электрического поля в области МОЗ, ЕMОЗ (0,1…1) кВ/см. Рис. 7. Пример слияния интактных клеток в культуре ткани во время магнитной бури (октябрь 1989) 13. Фотографии клеточной культуры до магнитной бури (а) и после ее развития (б) Рис. 8. Фотографии кровеносных капилляров ногтевого ложа больного ишемической болезнью, выполненные на телевизионном капилляроскопе КТ-01 14-15. а) слипание эритроцитов в начале магнитной бури. Срез через стенку капилляра. Видны эритроцитарные агрегаты, увеличение в 950 раз; б) до начала магнитной бури; в) через 24 часа после начала магнитной бури. Рис. 9. Дозовая зависимость выхода гепатоцитов с кратным удвоением содержания ДНК после облучения крыс [20. Ордината - доля клеток, удвоивших свою плоидностъ:
Рис. 10. Физическая модель слияния интактных клеток в единую сферическую структуру под действием импульса электрического поля (электропорез). Фотография сферической капли, формируемой на поверхности струи при прекращении разбрызгивания отдельных заряженных капель воды. Дистиллят. Диаметр двух параллельных электродов-дисков – 9,4 см. Материал – латунь посеребренная. Верхний диск – сплошной. На верхний электрод подано напряжение – 4 кВ. Нижний заземлен. Диаметр нижнего стеклянного сопла – 0,26 мм. Расстояние между электродами – 2,4 см.    б) а  )в)  а     )б) в) г) д)  а   )б) а    )б) в)   |
Похожие:
 | Средства, применяемые при нарушении свертываемости крови Жидкое состояние крови и целостность кровеносного русла являются необходимыми условиями жизнедеятельности организма. Эти условия... |  | ) в роли Чжон До-Хёна, Ян Ми-Гён ( Ки-Чхоля, Ан Нэ-Сан (Солнце в объятиях Луны, Человек чести) в роли Хон-Чхоля, Гым Бо-Ра, Сон у чжэ Док в роли Юн Хак-Су, Ко Ин-Бом... |
| Ученые Уже в XXI веке человечество освоит физически Солнечную систему Ученый уверен, что первые сообщества космических колонизаторов могут появиться на крупнейших лунах Юпитера и Сатурна. А тот факт,... | | На какие структуры действует изменение газового состава крови? Понижение возбудимости дыхательного центра приводит к возникновению дыхания типа |
| На какие структуры действует изменение газового состава крови? Понижение возбудимости дыхательного центра приводит к возникновению дыхания типа | | Ограничение пучков лучей в оптических системах В реальных оптических системах ограничение пучков лучей осуществляется оправами оптических деталей и специальными деталями – диафрагмами.... |
| Общая характеристика крови, плазма крови, строение эритроцита Постоянный состав периферической крови поддерживается сбалансированными процессами новообразования и разрушения клеток крови. Поэтому... | | Артериальная гиперемия - увеличение кровенаполнения органа или ткани... Действие обычных физиологических раздражителей (солнечных лучей, тепла и др.), а также действие болезнетворных факторов (биологических,... |
| Определите понятия: мегамир, макромир, микромир, наномир. Связаны... Связаны ли они? Мегамир – это планеты, звездные комплексы, галактики, мегагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей,... | | Гемопоэз. Эритропоэз, его нарушения. Морфофункциональные особенности... Система крови – совокупность собственно крови, органов кроветворения, кроверазрушения и нейрогуморального аппарата регуляции, благодаря... |