2.5. Электричество и магнетизм в эниопроцессах. Электрические свойства живых систем

Электромагнитное поле (ЭМП). ЭМП - понятие чрезвычайно широкое. С одной стороны, все ЭМП подчиняются единой теории, но с другой (по способам генерации, распространения, по восприятию человеком) - их мож­но надежно разделить. В частности, выделяют высокоэнергетичные электро­магнитные излучения с энергией кванта, достаточной для ионизации атома, молекулы (в том числе, в биологических структурах): космическое, у-излу-ченне, рентгеновское (0.01...10 нм), ультрафиолетовое (10...380 нм). Далее расположен очень узкий диапазон видимого света (380...760 нм), инфракрас­ных излучений (0.76 мкм...3 мм). Затем следуют; радиоволны крайне-, сверх-и ультравысоких частот; короткие, средние, длинные радиоволны и, наконец, электромагнитные излучения промышленных частот (1000, 400, 60 и 50 Гц).

Электромагнетизм - это теория, описывающая поведение заряженных частиц (тел), т. е. явления, связанные с действием электрических сил между зарядами как в покое, так и в движении. Проявление электрических сил -самое заметное явление в окружающем нас мире. Научное исследование электромагнитных эфс})ектов насчитывает лишь около трехсот лет. Извест­ный физик Р. Фейнман писал: "Сейчас нам ясно, что явления химического взаимодействия и, в конечном счете, саму жизнь нужно объяснять с помо­щью понятий электромагнетизма". Вот один из примеров, приведенный им. Два человека стоят на расстоянии вытянутой руки. Гравитационное притя­жение между ними ничтожно, незаметно. Пусть в каждом из этих людей ко­личество электронов будет увеличено только на 1 %, но сила отталкивания, возникающая при этом, достаточна, чтобы поднять массу, равную массе всей Земли. Человек не ощущает электрические силы, поскольку положительные и отрицательные заряды распределены строго поровну во всех материальных телах (по крайней мере в тех, которые вокруг него), расположены весьма близко и сила их взаимного притяжения громадна. Все твердые тела сохра-26

няют qiopMy благодаря только электрическим силам. Например, телевизион­ная башня под действием ветра раскачивается, но остается целой из-за взаи­модействия её частиц.

Далее будет рассмотрено, как внешние электрические и магнитные воз­действия вызывают у биологического объекта те или иные реакции. Земляне вообще оказались в особом положении, поскольку на них всегда действовало (и действует сейчас) ГМП, собственное электрическое поле Земли. Поэтому значимость этих попеч в qiyHKmiOHUpoBaHHH живых организмов очевидна.

За последние десятилетия накоплен громадный фактический материал (преимущественно описательного характера), касающийся различных эф­фектов воздействия электрических и магнитных полей на сложные биологи­ческие структуры. Описаны эффекты на уровне больших молекул, однокле­точных организмов, изолированных органов и систем, целостных высокораз­витых организмов и, наконец, популяций. Данные эти столь разнообразны и в ряде случаев противоречивы, что систематизировать их крайне трудно. По­этому заслуживают уважения труды Ю. А. Холодова и А. Л. Пресмана, сис­тематизировавших опубликованные экспериментальные данные и классифи­цировавших наблюдаемые эффекты. В живом организме все органы, объе­диненные в системы, связаны между собой коммуникационными каналами -информационными и управляющими. Эти связи столь многогранны, что од­нозначно и строго описать реакцию организма на действие, например элек­трических сил, представляется крайне сложной задачей.

Что представляет собой биологический объект как электрический матери­ал? Элсктротехни': ские материалы условно разделяются на проводники, по­лупроводник,,, изоляторы. У проводников отмечают три рода проводимости:

проводимость первого рода, свойственная металлам, где свободными заря­дами "вляютг-я электроны; проводимость второго рода, свойственная раство­рам, газам, где свободными зарядами являются ионы; и, наконец, проводи­мость третьего рода, так называемая элекгрофоретическая, обусловленная движением крупных заряженных комплексов сложных структур. Свойства полупроводников, диэлекгриков, изоляторов обусловлены (помимо свобод­ных зарядов) наличием определенных структур, которые связывают заряды, препятствуют их свободному перемещению.

В биологических структурах наблюдаются все виды проводимости. Пре­имущественно это — ионная и электрофоретическая проводимости, а также 27

сосуда (электроосмос) под действием электрического поля. Электрофорез был обнаружен только на очень мелких легких частицах, поскольку силы, действующие на такие частицы, очень невелики. Тем не менее, клетки орга­низма могут испытывать электрокинетические эф41екты даже при относи­тельно слабых нолях.

Силы, действующие на диэлектрики. Были рассмотрены силы, дейст­вующие на свободные и связанные заряды. Однако в сложных по структуре материалах силы будут действовать и на диэлектрические структуры в це­лом. Простейший из силовых эффектов - сжатие материала, помещенного между обкладками конденсатора, или, в общем случае, сжатие и деформация слоистых материалов силами электрического поля. Это понятно, однако воз­можны и неочевидные ситуации. Каждый наблюдал, как пластмассовая рас­ческа притягивает кусочки бумаги. Оба объекта - изоляторы, свободных за­рядов здесь нет, и, тем не менее, в основе этого эффекта - притяжение заря­дов. Часть бумажки, расположенная ближе к зубцу расчески, оказывается в-области более высокой напряженности поля. Поэтому сила притяжения больше силы отталкивания, действующей на удаленный конец: бумажка притягивается к расческе. Здесь наблюдается действие пондеромоторной силы, обусловленной неоднородностью поля.

Все биологические структуры неоднородны, поэтому действие пондеро-моторных сил, в особенности на микроструктурном уровне, может быть очень значительным.

Воздействие магнитного поля на биологические объекты. Биологиче­ские материалы не обладают собственными ферромагнитными свойствами, но содержат много свободных зарядов. Поэтому в ЭМП на эти заряды будет действовать сила Лоренца F = qE +q[v- В], гдеу- скорость движения заряда.

Надо отметить, что обычно электростатическое взаимодействие во много раз сильнее магнитного, так что действием магнитного поля электромагнит­ной волны часто можно пренебречь. Например, действие волны на электрон

описывается уравнением В = —Е. Поэтому F^ / Fy = ^ч0— = --; Fm « F-з-^с ' %^ С

Взаимодействие внешнего магнитного поля с магнитным моментом электро­на слабее, чем действие напряженности электрического поля на заряд. Ис­ключение составляют ферромагнитные структуры и резонансные взаимодей-

30

ствия магнитчых моментов с магнитным полем; которые являются сущест­венно квантовыми.

Особые эффекты действия магнитного поля на opi анизм могут быть обу­словлены наличием б.-..'i. ков, пронизывающих все структуры организма и сопровождающие в первуг.' очередь процессы регулирования и управления. При этом любое изменение этих биотоков под действием магнитного поля может проявиться в изменении соответствующей сигнальной функции. Все биожидкости организма представляют собой хорошие проводники; при пе­ресечении магнитных силовых линий г. них будут возбуждаться электродви­жущие силы и соответствующие токи. При достаточных напряженностях по­ля возможны магните- и гидродинамические эффекты, выражающиеся в торможении жидкостей, возникновении завихрений и т. д. и т. и.

Структурные неоднородности биологических материалов могут быть причиной возникновения заметных пондеромоторных сил, что, в свою оче­редь, может привести к смещениям микроструктур, их колебаниям.

Воздействие электромагнитного поля на информационные каналы. Па основании даже такого, весьма приближенного знакомства с механизма­ми действия ЭМП на биологические объекты можно утверждать, что будет поглощаться и рассеиваться энергия, в некоторых случаях - избирательно. Это взаимодействие биологического вещества с ЭМП будет сопровождаться такими эффектами, как перемещение свободных зарядов или их накопление на определенных структусах, возникновение зон конце" \ацич электриче­ского и магнитного полей, упругое смещение связанных зррядов и накопле­ние энергии в определенной структуре, перемещение ионов и крупных струк.гур '"з-гл электрофореза и, наконец, возникновеннз давления и других силовых эффектов при действии внешних полей.

Если уровень энергетического воздействия невелик, можно предполагать, что многие эффекты будут проявляться косвенно, за счет нелинейного воз­буждения рецепторных структур. Соответствующие сигналы поступают в информационные каналы и после обработки в системах регулирования и управления реализуются в действиях. Поскольку все живое на Земле возник­ло и развивалось в окружении ЭМП (земного и космического происхожде­ния), то и взаимодействовало с пими.

Все биологические процессы имеют определенную временную и про­странственную организацию, протекают в колебательном режиме, на всех 31

уровнях функционирования организма - молекулярном, клеточном, орган­ном. Эти колебания согласованы друг с другом, а у высших организмов ре­гулируются центральной нервной системой (ЦНС). т. е. головным и спинным мозгом. Общей чертой биологических ритмов у всех организмов является их согласование с периодическими процессами в окружающей среде. Физиоло­гические процессы и поведение животных изменяются с суточной,-месячной, сезонной периодичностью, коррелирующей с вариациями метеорологиче­ских факторов - освещенностью, атмосферным давлением, температурой и др. В. И. Вернадский (который в своем учении о биосфере выявил роль ЭМП) и А. Л. Чижевский доказали связь всех процессов в биосфере с интен­сивностью электромагнитных процессов на Земле, в Солнечной системе и в космосе.

Рассматривая взаимодействие на уровне организмов, следует все большее внимание уделять информационному взаимодействию. Рассмотренные эф­фекты воздействия электрических и магнитных полей на микроструктуру могут иметь особую значимость, если такие структуры относятся к рецепто­рам. Внутри организмов, вероятно, есть специальные системы для воспри­ятия и передачи информации посредством электромагнитного поля. Наибо­лее вероятно, что электромагнитное информационное взаимодействие идет через эти внутренние информационные системы, которые эволюционирова­ли в организме. Косвенно это подтверждается тем, что реакция организмов на ЭМП неспецифична, имеет такой же неопределенный характер, как и ре­акция на многие другие факторы, например климатические. Известно, что действие ЭМП может вызывать ощущение световых вспышек, шумов, а в дальнейшем — привести к развитию таких реакций, как утомляемость, пони­жение работоспособности, головные боли, к снижению времени реакции.

Наблюдения за электромагнитным воздействием на организм показывают, что иногда его энергетический уровень столь ничтожно мал, что возмож­ность прямого возбуждения рецепторов зачастую кажется неправдоподоб­ной. Естественно предположить, что минимальный уровень энергетического воздействия должен быть хотя бы больше энергии собственного колебатель­ного движения элементов микроструктур рецепторов. В противном случае на 4)оне хаотичного теплового движения электромагнитное воздействие будет просто неощутимым, полностью заэкранированным. Можно также предпо­лагать, что в ряде случаев очень малые электромагнитные возмущения вос-32

прннпмаюгся пецепторными структурами за счет, например резонансных яв­лений.

Известно, что макромолекулы (белки, ферменты, нуклеиновые кислоты) совершают конформационные колебания, связанные с изменениями их фир­мы и эффективного объема. С захватом частоты колебаний одних молекул частотой колебаний других происходит синхронизация — образование син­хронно колеблющихся ансамблей макромолекул. Такого рода синхронизиро­ванные колебания макромолекул, объединенных в органеллах клетки, долж­ны приводить к колебаниям размеров и формы органелл, которые, в свою очередь, образуют синхронно колеблющиеся ансамбли. Эти ансамбли орга­нелл, связанных с поверхностью клеток, будут приводить к колебаниям по­следних и синхронизации колебаний на клеточных уровнях. Однако инфор­мационное действие ЭМП достоверно отмечено на уровне энергий, в милли­арды раз меньших энергии теплового движения молекул. Надежного объяс­нения этому факту наука пока не знает.