Адрес этой статьи в интернете: www.biophys.ru/archive/congress2012/proc-p39-d.htm

 

 

АКТИВАЦИЯ ДЕЙСТВИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ И ИОНОВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОМБИНИРОВАННЫМ МАГНИТНЫМ

 

Богатина Н.И., Шейкина Н.В., Кордюм Е.Л.

Физико-технический институт низких температур им. Б.И.Веркина НАН Украины, Харьков, Украина e-mail: n_bogatina@rambler.ru

Национальный Фармацевтический Университетy, Харьков, Украина e-mail: sheykina@ukr.net

Институт ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины, Киев, Украина e-mail: ctllbio@ukr.net

 

 

В настоящей работе было показано, что гравитропическая ревкция корней кресс-салата существенно зависит от частоты переменной компоненты комбинированного магнитного поля. Наибольшие изменения наблюдались для частоты переменной составляющей, настроенной на циклотронную резонансную частоту ионов of Ca2+ . Аналогичные эффекты наблюдались для комбинированныъ магнитных полей переменная составляющая которых была настроена на циклотронную частоту ионов биологически активных соединений, таких как ауксин и абсцизовая кислота. Для понимания механизма действия комбинированного магнитного поля изменяли концентрацию ионов Ca2+ в водных растворах для проращивания корней, а также добавляли биологически активные ионы в раствор для проращивания (N-(1нафтил-фталамовую кислоту). Было доказано, что биологический эффект в комбинированном магнитном поле нелинейно зависит от концентрации ионов on Ca2+. Также было показано, что комбинированное магнитное поле, переменная компонента которого настроена на циклотронную частоту ионов биологически активного соединения может активировать биологическое действие нанодоз этих соединений( порядка 10-9 М/л).

 

Ключевые слова: комбинированное магнитное поле, биологически активные соединения, циклотронная частота, нанодозы.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Обычно корни обладают положительным гравитропизмом и растут в направлении вектора гравитационного поля, в то же время для стеблей он отрицательный и они растут в направлении противоположном вектору гравитации. Мы впервые показали, что под действием слабого комбинированного магнитного поля (КМП), частота переменной составляющей которого формально совпадает с циклотронной частотой ионов Ca2+ для статической составляющей КМП , может изменить знак гравитропизма с положительного на отрицательный [1]. КМП состоит из постоянного магнитного поля и коллинеарного ему переменного магнитного поля. Чтобы доказать , что ионы Ca2+ играют важную роль в гравитропической реакции, в данной работе концентрация ионов Ca2+ в водном растворе, в котором производилось проращивание корней, менялась в широких пределах. Проращивание проводилось в водном растворе хлорида кальция с концентрацией от 0 до 3000мкМ

Другая часть работы посвящена проблеме активации действия органических соединений с помощью КМП. В основе этой части лежат три работы.

Бурлакова Е.Б. (Институт биологической и биохимической физики им. Н. Эмманюэлля РАН, Москва) обнаружила новое очень интересное явление. Очень малые концентрации химических веществ могут оказывать влияние на биологический объект. Величина действующей концентрации 10-7 – 10-17 М. [2,3,4]. Это явление исследуется сейчас очень интенсивно. Природа этого воздействия пока не ясна, но потенциальная возможность использования его в фармакологии заставляет все большее количество ученых работать над этой проблемой. Эта проблема относится к области нанобиофизики.

С друглй стороны в 1986 г. Богатина Н.И. (Физико-технический институт низких температур им.. Б.И.Веркина НАН Украины) опубликовала работу, посвященную аналогии биологического действия гравитационного, магнитного и электрического полей на биологические объекты [5]. Основная идея этой работы заключалась в оценке изменения концентрации активных ионов при пороговых значениях гравитационного, магнитного и электрического полей. Это изменение пропорционально. exp(-E/kT). Здесь Е – энергия иона в соответствующем поле, Т – температура, к – константа Больцмана. Для пороговых полей изменение этой величины порядка 10-7 – 10-8 M. Но именно такие изменения в концентрации ауксина (одного из растительных фитогормонов) приводят к эффектам в ростовой реакции растений. Нами также было показано, что комбинированное магнитное поле, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов абсцизовой кислоты существенно изменяет (угнетает) рост корней кресс-салата [6].

Таким образом, в этой части работы было 2 цели. Первая - исследовать изменения гравитропической реакции (ГТР) корней кресс-салата после предварительной экспозиции в течение 5 часов в 1 нМ растворе N-1-Нафтилфталамовой кислоты (NPA), как в постоянном магнитном поле (ПМП), так и в комбинированном магнитном поле (КМП), переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов Ca+2 при воздействии ПМП и КМП 0.5, 1, 24 часа. Вторая - исследовать изменения ГТР корней кресс-салата после предварительной экспозиции в течение 30 минут в 1 нМ растворе N-1-Нафтилфталамовой кислоты (NPA), как в постоянном магнитном поле (ПМП), так и в комбинированном магнитном поле (КМП), переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов NPA. Время экспозиции в КМП и ПМП 0.5, 1, 2, 48 часов.

 

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

 

Как и во всех наших предыдущих экспериментах, все измерения были проведены в искусственно созданных ПМП и КМП. Выше названные поля создавались в пермаллоевом экране с помощью соленоидов .[7]. Использование пермаллоевых экранов необходимо для того, чтобы существенно понизить магнитные шумы и получить хорошо воспроизводимые магнитные характеристики магнитных полей. Дрейф остаточного ПМП пермаллоевого экрана не превышает 15 нТл через 24 часа и 0.6 нТл через 1 час. Это позволяет получать хорошо воспроизводимые биологические результаты. Схема экспериментальной установки приведена на рис.1.

 

Рис.1. Демпфирующая резина (1) поддерживает прокладку из диэлектрика (2). Пермаллоевый экран (3) окружает образцы (4), помещенные во влажную камеруиз немагнитного материала (5) и соленоиды (8, 9). Магнитные поля измерялись и контролировались чувствительными элементами (феррозондовым магнетометром или СКВИДом), (6) внутри держателя (7). Соленоиды (8, 9) имели цилиндрическую форму и генерировали ПМП (9) и переменное магнитное поле(8). ПМП и переменное магнитное поле были параллельны центральной оси. Увеличенная центральная часть вида сверху показывает ориентацию 4 пар корней (4). 10 – феррозондовый магнетометр, 11 – спектроанализатор, 12 – низкочастотный генератор, 13 – источник питания ПМП.

 

Контроль магнитных шумов осуществлялся с помощью феррозондового магнитометра и пектроанализатора. Зависимость амплитуды спектральной плотности магнитного шума для системы пермаллоевый экран + феррозондовый магнетометр показана на рис 2 и 3.

 

Рис.2. Измерения выполнены феррозондовым магнетометром. Пики на 5.9 и 9.7 Гц, по-видимому, связаны с вибрацией здания.

Рис.3. Зависимость амплитуды спектральной плотности магнитного шума для системы пермаллоевый экран + феррозондовый магнетометр (10-4-100Hz) или пермаллоевый экран + индукционный метод (16Hz-100kHz). Результаты обоих методов в области частот 16-100Hz очень хорошо согласуются между собой.

 

Метод исследования гравитропической реакции подробно описан в [5, 6]. Гравитропическая реакция является очень удобным объектом исследования, т.к. она появляется очень быстро (приблизительно через 1 час). Дрейф ПМП за 1 час не превышает 200 nT, что составляет 0.4 -2 % от величины ПМП. Полуширина резонансной кривой порядка 5% -8%, так что наблюдение биологического эффекта не размывается. Полученные результаты хорошо воспроизводятся.

Методика приготовления растительного материала для изучения ГТР и клеток растений для световой, конфокальной и электронной микроскопии подробно описан в [1, 6, 7, 8]. Подробно техника создания КМП описана в [7].

 

3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

 

3.1 Результаты для ионов Ca2+

 

Ca2+ - Один из наиболее биологически активных ионов. Поэтому ГТР должна зависеть от его концентрации, как в ПМП, так и в КМП ., переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов Ca2+. Полученные результаты представлены на рис.4.

Из кривых на рис.4 хорошо видно, что ГТР не только меняет свой знак в КМП, но кривая зависимости от концентрации также существенно уширяется в КМП. Это означает , что область активации ионов Ca2+ существенно расширяется и воздействие КМП можно видеть при более низких концентрациях ионов Ca2+, чем в ПМП.

 

 

Рис.4. Зависимость ГТР корней кресс-салата от концентрации CaCl2 в водном растворе, в котором предварительно проращивали кресс-салат. Верхняя кривая получена в ПМП, нижняя - в КМП.

 

3.2. Результаты для ионов NPA-

Полученные результаты для ионов NPA- приведены на рис. 5 -7. Из этих рисунков хорошо видно, что после 5-часовой предварительной обработки в NPA не наблюдается никаких различий между образцами, помещенными в ПМП и КМП, циклотронная частота которого настроена на ионы Ca 2+ (рис.;5). Эти результаты показывают, что предварительная 5-часовая обработка в растворе NPA не позволяет увидеть наблюдавшиеся ранее эффекты (положительный гравитропизм в ПМП и отрицательный гравитропизм в КМП, переменная частота которого настроена нациклотронную частоту ионов Ca 2+ ). 1, 2 и 3 часовая предварительная обработка в NPA не влияет на ранее наблюдавшиеся эффекты как в ПМП, так и в КМП..

Напротив, образцы, обработанные в течение 30 минут в водном растворе NPA той же концентрации ( 1нМl/l) в ПМП не показывают уменьшение ГТР, в то время как в КМП, переменная составляющая которого настроена на настроена на циклотронную частоту ионов NPA- показывают исчезновение какой-либо ГТР (положительной или отрицательной) (рис. 6). ГТР как в ПМП, так и в КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов H, после 30 минутной выдержки в растворе NPA положительна и не отличается в ПМП и КМП.(рис.7)

 

Рис.5. Сравнение результатов после 5-часовой выдержки в растворе NPA в КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов Ca2+ с контрольными образцами, находившимися в ПМП.

Рис.6. Сравнение результатов после 30-минутной выдержки в растворе NPA в КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов NPA- с контрольными образцами, находившимися в ПМП.

 

Рис. 7. Сравнение результатов после 30-минутной выдержки в растворе NPA в КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов H+ с контрольными образцами, находившимися в ПМП.

 

3.3. Обсуждение результатов

После 5-часовой выдержки корней кресс-салата в растворе NPA эффект гравистимуляции исчезает в КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов Ca2+ и в ПМП. Предполагается, что NPA полностью блокирует транспорт ауксина..

Очень короткая экспозиция корней кресс-салата NPA также ведет к исчезновению эффекта гравистимуляции в КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов NPA- . Но ГТР не изменяется в ПМП и КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту ионов H+

Из литературы хорошо известно, что действие нафтилфталамовой кислоты заключается в том, что она ингибирует транспорт ауксина [8, 9], а, следовательно, приводит к ингибированию гравитропической реакции. Гравитропическая реакция и ее скорость, согласно литературным данным, тесно связана с транспортом ионов ауксина и существенно зависит от концентрации ионов ауксина [10] . На рис.8 приведены концентрации ионов ауксина для колеоптиля и корня. Как видно из рисунка, концентрация ионов ауксина для корней в миллион раз меньше, чем для стеблей. Для различных растений концентрация ауксина может отличаться в до 10000 раз [10] .

 

Рис.8. Зависимость роста органов растения от концентрации ауксина [10] .

 

Действие КМП в настоящее время не может быть объяснено единственным образом. Одна из гипотез связывает действие КМП со степенью связывания ионов кальция с белками, в частности, с кальмодулином. Однако в нашем случае при циклотронной частоте, равной циклотронной частоте ионов кальция, эффекта изменения гравитропической реакции не наблюдается и , поэтому можно сделать вывод , что в нашем случае воздействие не передается через ионы кальция, а непосредственно происходит воздействие на ионы ауксина. Таким образом, наиболее вероятно применение расчетов, полученных Либовым в его последней теоретической работе [11]. В этой работе было показано, что скорость дрейфа любых ионов может быть выражена уравнением типа затухающего резонанса. Частота этого резонанса равна циклотронной частоте любых ионов, которые участвуют в данном биологическом процессе. Полученные нами результаты подтверждают эту теорию. Увеличение скорости дрейфа ионов нафтилфталамовой кислоты приводит, по-видимому, к более сильному ингибированию транспорта ионов ауксина.

 

ВЫВОДЫ

 

Таким образом, суммируя результаты этой работы и предыдущей работы [5], можно сделать вывод, что с помощью КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту биологически активного иона, можно активировать действие биологически активных веществ, независимо от того, входит ли это вещество в состав клетки исследуемой клетки биообъекта или внесено извне. Важно лишь только то, участвует ли это вещество в данном биологическом процессе (в нашем случае в гравитропической реакции).

Используя КМП с частотой, настроенной на циклотронную частоту биологически активного иона, можно существенно уменьшить (на несколько порядков ) дозу внесенного извне биологически активного вещества, например, лекарства или в нашем случае удобрения.

Воздействие КМП, переменная составляющая которого настроена на циклотронную частоту биологически активных ионов, аналогично добавлению очень малой дозы этого вещества.

Полученные результаты наилучшим образом совпадают с последней теорией Либова [11].

Полученные результаты могут найти практическое применение в фармации, медицине и сельском хозяйстве. С помощью КМП можно существенно уменьшить действующие дозы биологически активных веществ.

 

 

Литература

1.      Bogatina N.I., Sheykina N.V., Kordyum E.L., Karachevtsev V.A. Gravitropic reaction of plants in combined (static and alternative) magnetic field. Doclada of National academy of sciences of Ukraine, №4, pp. 176-180, 2002,

2.      Burlakova E.B.”Nanoworld op weak actions – gnoms, its laws, particularities and differencies with the world of giants.”//Low and superlow fields and radiations in biology and medicine. Saint-Peterburg. 2009. P.96-97.

  1. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцев Е.Л. //Биофизика. 2004. Т.49.№3. С.551-564.
  2. Alekseeva O.M., Kim Yu.A., Goloshchspov A.N., Burlakova E.B. “The actions of phenozan super low concentrations to the surface cellular receptors.”// .Low and superlow fields and radiations in biology and medicine. Saint-Peterburg. 2009. P.98.
  3. Богатина Н.И. В.М. Литвин, М.П. Травкин Возможные механизмы действия магнитного, гравитационного и электрического полей на биологические объекты, аналогии в их действии // Электронная обработка материалов. – 1986. – №1. – С. 64 – 70.
  4. Шейкина Н.В., Богатина Н.И., Кордюм Е. Л. Влияние комбинированного магнитного поля на гравитропическую реакцию растений и спектр электромагнитного излучения, генерируемого ими в процессе роста // Радиофизика и электроника. – 2005. – Т.10, №2. – С.331 – 335.
  5. Kordyum E.L., Bogatina N.I., Ya. M. Kalinina, Sheykina N.V. A weak combined magnetic field changes root gravitropism // Advances in Space Research (a COSPAR information). – 2005. –V. 36, №7. – Р. 1229 – 1236.
  6. Y. Kraepiel, C. Agnes, L. Thiery, R. Maldiney, E. Miginiac, M. Delarue, The growth of njmato (Lycopersicon esculentum mill) hypocotyls in the light and in darkness differentially involves auxin //Plant science. - 2001, -V. 151, N6.-P.1067-1074.

9.      Jacques Pédron , Laurent Thiery , Christiane Agnes , Elizabeth Simond-Côte , Céline Costa , Eglantine Lobstein and Yvan Kraepiel . Polar auxin transport is required for the inhibition by blue light of the elongation-related LeEXT tomato gene //Plant growth regulation. – V.42, N2.-P.113-123.

10.  Движение – проявление жизни растений. Удивительный мир растений. www.valleyflora.ru/42.html

11.  G Vincze, N. Szazc, A.R.Liboff New theoretical treatment of ion resonance phenomena //Bioelectromagnetics. - V. 29. – P. 380-386.