Адрес этой статьи в интернете: www.biophys.ru/archive/congress2012/proc-p40-d.htm

 

 

ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ КОРНЕЙ КРЕСС-САЛАТА И КУКУРУЗЫ ОТНОСИТЕЛЬНО КОМБИНИРОВАННОГО МАГНИНОГО ПОЛЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ИХ ГРАВИТРОПИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ. ЭКСПЕРИМЕНТ И НОВАЯ ГИПОТЕЗА, МЕХАНИЗМ АДАПТАЦИИ

 

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

 

Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины 47, пр. Ленина. Харьков, 61100, Украина n_bogatina@rambler.ru

Национальная фармацевтическая академия 18, пл. Восстания, Харьков, 61001, Украина sheykina@ukr.net

Институт ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины 2, ул. Терещенковская, 010024, Киев cellbio@ukr.net

 

Ранее было показано, что комбинированное магнитное поле (КМП), направленное параллельно силе тяжести, может существенно изменить гравитропическую реакцию растений [1-5]. Эффекты наблюдаются для определенных частот переменной составляющей комбинированного магнитного поля, формально совпадающих с циклотронными частотами ионов Ca2+, К2+, Cu2+, ауксина, абсцизовой кислоты, гиббереллинов. (КМП – это комбинация постоянного и коллинеарного ему переменного магнитного поля). Особенно велик эффект для частоты переменной составляющей, совпадающей с циклотронной частотой ионов Са2+. В этом случае изменяется знак гравитропической реакции как для корней кресс-салата, так и гороха. До настоящего времени нет общей теории, объясняющей все наблюдаемые эффекты. Поэтому очень важно выяснить, зависит ли наблюдаемый эффект от ориентации корней относительно направления магнитного поля. Именно этому вопросу и посвящена настоящая работа.

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Схема используемой установки приведена на рис.1

Пермаллоевый экран с дном 2 размещали на резине 1, демпфирующей вибрации. Внутри экрана располагались кольца 3 из немагнитного материала, центрирующие обмотки соленоида 4 и 5 относительно центральной оси экрана. Обмотка 5 использовалась для создания постоянного магнитного поля в соленоиде, обмотка 4 - для создания переменного магнитного поля в соленоиде. 6 – подставка из немагнитного материала, на которой была размещена влажная камера 9 с образцами (корнями кресс-салата и кукурузы). В камере 9 на подставке 7 размещали корни 8 (двухсуточные проростки кресс-салата или кукурузы). Корни располагались в горизонтальной плоскости как параллельно вектору магнитного поля, направленного вдоль оси экрана, так и перпендикулярно вектору магнитного поля. В обоих случаях корни были ориентированы перпендикулярно вектору силы тяжести. Температура в камере стабилизировалась с точностью до ± 0.2о С. Внешний вид установки приведен на рис. 2 и 3.

Для наблюдения биологических эффектов комбинированного магнитного поля необходимо, чтобы однородность постоянной составляющей магнитного поля была не менее 1.5 %. Такая однородность в данной конструкции обеспечивается в цилиндре диаметром 60 – 70 мм вокруг оси и вдоль оси на расстоянии лишь 8 – 12 мм. Таким образом, в случае, когда корни расположены вдоль оси экрана, длина корня не должна превышать 8-12 мм, чтобы объект исследования полностью находился в области магнитного поля необходимой однородности.

Необходимая однородность магнитного поля определяется шириной резонансной кривой биологического эффекта, которую наблюдали ранее [2, 3, 6, 7]. Обычно она составляет 1.5 – 2%.

Так как зачастую использовалась длина корня порядка 15 мм, необходимо было добавить обмотки на концах соленоида, которые бы увеличивали область однородности магнитного поля и позволили использовать корни такой длины.

 

 

Рис.1. Вид экспериментальной установки в разрезе. 1 – демпфирующая резина; 2 – двухслойный пермаллоевый экран с дном.; 3 - кольца 3 из немагнітного материала, центрирующие обмотки соленоида 4 и 5 относительно центральной оси экрана; 4 и 5 – обмотки соленоида; 6 - подставка из немагнітного материала; 9 – влажная камера; 7 – подставка из немагнітного материала внутри влажной камеры; 8 – корни кресс-салата или кукурузы.

 

Рис.2. Внешний вид установки сбоку.

Рис.3. Внешний вид внутренней части установки

 

В ходе эксперимента были измерены магнитные шумы пермаллоевого экрана, расположенного горизонтально, c помощью феррозондового магнитометра и анализатора спектра в области частот от 10-4 до 100 Гц, а так же с помощью индукционной катушки и узкополосного усилителя У2-8 в области частот от 16 Гц до 100 кГц. Также был измерен коэффициент ослабления магнитного поля, и на основе полученных результатов был рассчитан шум электрического поля внутри экрана. Полученные результаты приведены на рис. 4, рис. 5 и в таблице 1. Как хорошо видно из рисунков, в области частот 5 – 10 Гц существует 3 пика (около 5 Гц, 8 Гц и 9.5 Гц) и 3 заметных пика (при 50, 100 и 150 Гц).

Измерение спектральной плотности магнитного шума в экране проводилось следующим образом. Сначала измеряли величину дрейфа магнитного поля в экране в течение суток с помощью феррозондового магнитометра, соединенного с Фурье спектроанализатором. Это дало кривую в области от 10-4 Гц до 100 Гц. Затем с помощью индукционной катушки и узкополосного усилителя У2-8 измеряли магнитный шум вне экрана в области частот 16 Гц – 100 кГц. Полученные значения делили на коэффициент экранирования экрана.

 

Рис.4. Зависимость амплитуды спектральной плотности магнитного шума от частоты внутри экрана.

Рис.5. Зависимость амплитуды спектральной плотности шума электрического поля от частоты внутри экрана.

 

Коэффициент экранирования экрана определяли следующим образом. Весь экран помещали в большой соленоид, в котором создавали большое магнитное поле. Измеряли это поле при отсутствии экрана, а затем при его присутствии внутри экрана. Отношение внешнего магнитного поля к тому, что проникло внутрь экрана, и есть коэффициент экранирования. Его значения приведены в таблице 1. Тут необходимо отметить, что величины магнитного шума, полученная этими двумя разными методами, в области частот 16 Гц – 100Гц хорошо согласуются между собой.

 

Таблица 1. Зависимость продольного и перпендикулярного коэффициентов экранирования пермаллоевым экраном переменного магнитного поля, коэффициента экранирования экраном переменного электрического поля , глубины проникновения переменного магнитного поля в пермаллой 79НМ и волнового сопротивления пермаллоя 79НМ от частоты внешнего поля.

f , Гц

SB||

SB^

SE

δ 10-4

Zс перем, Ом

20

11

34

304698

8.6

9.9 x 10-4

30

12

36

303539

7.4

1.2 x 10-3

40

14

38

347010

6.1

1.4 x 10-3

50

16

46

387300

5.5

1.5 x 10-3

60

17

51

409875

5.0

1.7 x 10-3

70

18

56

420745

4.8

1.8 x10-3

80

18

57

435091

4.5

2.0 x10-3

90

19

58

459493

4.3

2.1 x 10-3

100

20

58

547052

4.0

2.1 x 10-3

120

23

61

595520

3.8

2.2 x 10-3

130

26

64

611720

3.7

2.3 x 10-3

140

29

67

684135

3.5

2.4 x10-3

150

32

70

780935

3.3

2.5 10-3x

170

39

75

794910

3.2

2.7 x10-3

200

45

80

944055

3.0

2.8 x 10-3

250

60

100

1022541

2.9

2.9 x10-3

350

107

140

1379510

2.6

3,2 x 10-3

450

168

194

1514295

2.5

3.4 x 10-3

500

240

240

1583110

2.5

3.4 x 10-3

550

327

277

1632281

2.4

3.4 x 10-3

600

375

297

1788928

2.4

3.4 x 10-3

650

422

315

1813920

2.4

3.4 x 10-3

1000

1560

920

1892100

2.3

3.8 x 10-3

2000

2230

3543

2590274

2.1

4.1 x 10-3

4000

2900

6356

5182931

1.9

4.7 x 10-3

9000

3437

8546

8790100

1.8

4.8 x 10-3

10000

3571

9090

1.3 x 107

1.9

4.8 x 10-3

20000

5913

4760

1.3 x 107

1.5

5.7 x 10-3

30000

1687

2354

3.3 x 107

1.3

6.2 x 10-3

40000

1111

1332

3.7 x 107

1.2

6.8 x 10-3

50000

555

344

5.4 x 107

1.2

7.2 x 10-3

60000

333

300

1.05x108

1.1

7.9 x 10-3

70000

313

292

1.06x108

1.1

8.0 x 10-3

80000

203

210

1.06x108

1.1

8.0 x 10-3

90000

250

200

1.1x108

1.1

7.6 x 10-3

 

По известной (измеренной непосредственно) спектральной плотности магнитного шума внутри экрана, используя известную связь между векторами электрической напряженности и напряженности Н11 магнитного поля внутри экрана, была вычислена спектральная плотность переменного электрического поля внутри экрана. Между напряженностью магнитного поля Н11 и напряженностью электрического поля связь определяется формулой

E^=H||(ωμ0μ/2σ)0.5,

 

где H|| – продольная компонента переменного магнитного поля в экране, Е┴ – поперечная компонента переменного электрического поля в экране, ω =2πf – круговая частота магнитного поля, μ0 - магнитная проницаемость вакуума, μ – относительная магнитная проницаемость пермаллоя, σ – удельная проводимость пермаллоя.

         На рис.5 приведена зависимость расчетного значения амплитуды спектральной плотности переменного электрического поля в рабочем объеме пермаллоевого экрана от частоты. Хорошо видно, что эта зависимость имеет максимумы на тех же частотах, что и зависимость амплитуды спектральной плотности переменного магнитного поля (см. рис. 4). На частоте 50 Гц максимальна, и ее поперечная компонента достигает значения

 В/м Гц0.5, а продольная компонента В/мГц0.5.

         В качестве образцов использовались двухдневные корешки кресс-салата и кукурузы, предварительно выращенные в бидистиллированной воде. Для того, чтобы они были максимально ровными, их проращивали на фильтровальной бумаге на планшетках. Предварительная ориентация зародышей зерен была направлена вниз, так что корни росли вдоль силы тяжести.

         Корни длиной 7 – 15мм помещали на подложку из немагнитного материала так, что они располагались параллельно земной поверхности, т.е. перпендикулярно силе гравитации. Эксперименты далее проводились в двух вариантах. В первом варианте корни изначально помещали параллельно комбинированному магнитному полю, во втором – перпендикулярно комбинированному магнитному полю. Контрольные образцы располагались точно также относительно магнитного поля, которое однако было постоянным.

         Вариант, когда магнитное поле параллельно силе гравитации для корней кресс салата, исследовался нами очень подробно ранее [1 – 5, 7]. Аналогичные результаты получены нами и для корней кукурузы в настоящей работе.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты для кресс-салата приведены на рис. 6. здесь показано 3 случая. КМП во всех случаях направлено параллельно земле, как показано на рис.1. Вектор гравитации во всех случаях направлен перпендикулярно вектору КМП. Корни же направлены либо перпендикулярно КМП (верхний ряд), либо параллельно КМП (центральный ряд), нижний ряд – контрольные образцы, находящиеся в ПМП.

 

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

Рис. 6. Гравитропическая реакция корней кресс-салата, расположенных перпендикулярно силе тяжести и направлению КМП (КМП перпендикулярно вектору силы тяжести) – вверху. Гравитропическая реакция корней кресс-салата, расположенных перпендикулярно силе тяжести и параллельно направлению КМП (КМП перпендикулярно вектору силы тяжести) – в середине. Гравитропическая реакция корней кресс-салата, расположенных перпендикулярно силе тяжести и направлению ПМП (ПМП перпендикулярно вектору силы тяжести) – внизу.

 

Проведены исследования корней кукурузы в КМП на установке, подробно описанной в работе [3], в этом случае КМП направлено параллельно силе тяжести, а корни направлены параллельно земле, т.е. перпендикулярно КМП и силе тяжести. Полученные результаты представлены на рис.7 и аналогичны полученным ранее результатам для корней кресс-салата [1 – 5], т.е. получена отрицательная гравитропическая реакция для корней кукурузы.

 

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

Рис. 7. Гравитропическая реакция корней кукурузы, расположенных перпендикулярно силе тяжести и направлению КМП (КМП параллельно вектору силы тяжести) – вверху. Гравитропическая реакция корней кукурузы, расположенных перпендикулярно силе тяжести и параллельно направлению ПМП (ПМП параллельно вектору силы тяжести) – внизу.

 

         Результаты для корней кукурузы, расположенных параллельно КМП, аналогичны результатам, полученным для корней кресс-салата (рис.6), т.е. получена обычная гравитропическая реакция, как в КМП, так и в ПМП. (рис.8), хотя и немного более слабая.

          Если же корни расположены перпендикулярно КМП, то гравитропическая реакция для корней кукурузы практически отсутствует в течение первых 6 часов, хотя при увеличении времени выдержки все же она возникает.

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

24часа

30 мин

1 час

2 часа

3 часа

24часа

Рис.8. Гравитропическая реакция корней кукурузы, расположенных перпендикулярно силе тяжести и направлению КМП (КМП перпендикулярно вектору силы тяжести) – вверху. Гравитропическая реакция корней кукурузы, расположенных перпендикулярно силе тяжести и параллельно направлению КМП (КМП перпендикулярно вектору силы тяжести) – внизу.

 

Сравнение полученных углов отклонения от горизонтали для всех начальных направлений корней кукурузы представлено на рис 9.

Рис. 9. Зависимость угла отклонения корней кукурузы от горизонтальной плоскости от времени эксперимента: кривая H – корни перпендикулярны КМП, КМП параллельно силе тяжести; кривая B – корни перпендикулярны КМП, КМП перпендикулярно силе тяжести; кривая D – корни параллельны КМП, КМП перпендикулярно силе тяжести; кривая E– контроль в ПМП.

 

ОБУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

 

Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом. Прежде всего, здесь изложим свое понимание влияния КМП на гравитропическую реакцию растений. Используем гипотезу, высказанную нами в [2], что ГТР связана с давлением тяжелых элементов клетки на ее мембрану в нижней части клетки, что, в свою очередь, приводит к открытию дополнительных каналов в нижней части клетки и образованию каналов для направленного транспорта ионов. Такое предположение вполне может объяснить ряд наблюдаемых эффектов и в нашем случае. Постоянная составляющая КМП заставляет все ионы (от знака заряда иона зависит только направление вращения) вращаться вокруг поля в ту или другую сторону. Любые столкновения приводят только к изменению радиуса вращения, но не частоты. Вращение связано с возникновением центробежных сил, а, следовательно, приводит к увеличению давления на клеточную оболочку. Наложение переменной составляющей МП на постоянную составляющую должно приводить к возникновению колебаний мембраны с частотой, равной частоте переменной составляющей КМП, что может привести к дополнительному открытию каналов в мембране в области максимального давления и дополнительному направленному транспорту ионов через образовавшиеся каналы. В КМП эти каналы могут быть расположены не только в месте нахождения самых тяжелых частиц в клетке, т.е. внизу, что может привести к изменению направленного транспорта ионов и знака ГТР. Изменение количества каналов приводит к изменению скорости ГТР. Однако резонансные образование новых каналов должно наблюдаться при этом на частотах собственных колебаний мембраны под действием силы тяжести, оценка этих частот дает величину порядка 106 – 107 Гц. Оценки давления, оказываемого на стенку мембраны крахмальными зернами, дают величину порядка (0.3 – 5) 10-5 Н/м2, аналогичные расчеты для давления, оказываемого на стенку мембраны силой, возникающей в результате вращения ионов в КМП, дают величину того же порядка (0.1 – 0.5) 10-5 Н/м2. Т.о. могут образовываться дополнительные каналы в мембране, причем в направлении, перпендикулярном силе гравитации, в нашем случае их образуется больше, т.к. направление силы Лоренца перпендикулярно силе гравитации. Кроме этого, наличие переменной составляющей КМП должно приводить к осцилляциям давления и растяжения мембраны в направлении, перпендикулярном силе гравитации, что, в свою очередь, должно приводить к осцилляциям размеров ионных каналов и изменению их пропускной способности. Однако образование новых дополнительных каналов в мембране при таком давлении затруднительно, т.к. для этого надо гораздо большее давление. Если же учесть давление оказываемое ионами, находящимися в электрическом поле, на стенку мембраны, то оно будет значительно больше: порядка 107 Н/м2 , а это уже значительное давление. На него дополнительно накладывается давление, связанное с вращением. И даже малые добавки к давлению могут привести к образованию дополнительных каналов в мембране, причем в направлении, перпендикулярном силе гравитации, в нашем случае их образуется больше, т.к. направление силы Лоренца перпендикулярно силе гравитации. Кроме этого, наличие переменной составляющей КМП должно приводить к осцилляциям давления. А это уже ведет к осцилляциям мембраны и ее растяжению в направлении, перпендикулярном силе гравитации, что, в свою очередь, вызывает осцилляции размеров ионных каналов и их пропускной способности. Численная оценка растяжения кальциевых каналов дает величину 10 – 100 нм. Это больше размера канала, равного приблизительно 0.3 – 0.7 нм. Осцилляции мембраны происходят с частотой переменной составляющей КМП. Размер пучка ионов (уширение одного размера) осциллирует с циклотронной частотой. Возможен резонанс этих двух процессов.

Однако резонансные эффекты на циклотронных частотах ионов должны наблюдаться только, если места синтеза ионов в клетке локализованы (вблизи этих мест должно быть максимальное число новых каналов в мембране). Таким образом, сама по себе эта гипотеза, высказанная нами в [2] не может приводить к резонансным эффектам на циклотронных частотах. Она объясняет только эффекты постоянного магнитного поля. Но если ее объединить с гипотезой и расчетами Либова c соавторами [8], то можно сделать очень интересные выводы.

Согласно [8], скорость дрейфа ионов пропорциональна величине электрического поля, времени столкновения ионов, функции Бесселя в квадрате от отношения магнитной индукции переменного магнитного поля к магнитной индукции постоянного магнитного поля, отношению заряда к массе иона.

Уравнение для движения иона в комбинированном магнитном поле Bz и электрическом поле Ex можно записать следующим образом [8 ]:

m dvx/dt + mvx/τ = qEx + qBzvy

mdvy/dt + mvy/ τ = –qBzvx

m dvz/dt + mvz/τ =0

(1)

Здесь m – масса иона, v –его скорость, τ – время свободного пробега иона (до столкновения с какими либо другими частицами)/ Из этих уравнений ясно, что скорость дрейфа лежит в xy – плоскости и его можно выразить как v = vx + ivy . Учитывая, что B=BDC+ BAC exp iωt, где ω- частота внешнего магнитного поля, получается, что

dv/dt + 2βv = Г – iΩ (1+ ε cos ωt)v

(2)

Здесь β=1/2 τ, Ω = qBDC/m -циклотронная частота, ε = ВАС/ВDC, Г = ΩEx/ ВDC.

Решение уравнения (2) содержит как члены, которые затухают во времени, так и периодические члены. Оставляя в уравнении члены типа резонансных, получили для скорости v серию функций Бесселя:

∞

v= Г Σ Jn (ε Ω/ω) Jn (ε Ω/ω)/ (2β + iω (Ω/ω – n))

n=1

(3)

Для функции Бесселя 1-го порядка, т.е когда n=1 для скорости дрейфа получается выражение

 v = Г J1 2(ε )/ 2β (4).

При отходе от резонанса скорость дрейфа определяется формулой (5)

 v = Г J1 2(ε Ω/ω )/[ 2β + (ω2/ 2β)( Ω/ω -1)2 ] (5).

Для n=1 имеем

 v =q Ex τ J1 2(ε )/m (6).

Подставляя в (6) численные значения Ex=106 – 107 В/м, τ=10-10сек, получим для кинетической энергии пучка значение в 5 – 20 раз превышающее тепловую энергию ионов.

Полученные Либовым с соавторами формулы (4, 5) хорошо объясняют полученные эффекты в КМП, но не объясняют ни пороговых эффектов постоянного магнитного поля, ни сужения линии зависимости эффекта от отношения ВАС/ВDC при малых шумах ВDC.

Сравним данную гипотезу с нашей. Оба эти представления могут объяснить полученные нами ранее эффекты [1 – 5, 7, 9, 10, 11], если их объединить. Первый эффект – это наличие порога воздействия постоянного магнитного поля [9, 10].

Исходя из наших представлений, максимальное давление ионов на мембрану должно получаться в магнитном поле, направленном перпендикулярно потоку основных ионов, участвующих в изучаемом биологическом процессе, что приводит к возникновению новых каналов в направлении, перпендикулярном постоянному магнитному полю и параллельном направлению движения основных ионов либо увеличению их диаметра. Это в свою очередь должно приводить к возникновению пороговых биологических эффектов. С точки зрения формул (4, 5) наличие постоянного магнитного поля приводит к тому, что изменяется время затухания скорости пучка ионов а, следовательно, и к изменению потока ионов через мембрану, а значит, и к биологическим эффектам.

Комбинированное магнитное поле приводит, согласно нашим представлениям, к колебаниям мембраны в направлении, перпендикулярном магнитному полю с частотой переменной составляющей магнитного поля. Одновременно с циклотронной частотой колеблется радиус пучка ионов. Когда обе частоты совпадают, резонансно увеличивается поток ионов через мембрану. Это приводит к возникновению биологического эффекта. С точки зрения формул (4, 5) резонансно возрастает скорость дрейфа пучка ионов через мембрану.

Различие заключается в том, что Либов с соавторами учитывают большое электрическое поле мембраны и этот факт приводит к тому, что снимается основное возражение теоретиков, заключающееся в том, что энергия магнитного поля много ниже kТ. Учет электрического поля мембраны, которое велико, дает величину в 5 – 20 раз большую, чем тепловая энергия kТ. Т.е. основная энергия черпается из самой клетки, а комбинированное магнитное поле является спусковым механизмом для его включения.

Т.к. обе эти теории дают существенную зависимость наблюдаемых эффектов от направления движения определенных ионов, то полученные нами результаты можно трактовать следующим образом. Основное направление потока ионов кальция лежит вдоль корня: параллельно направлению его роста.

Здесь следует заметить, что, если основное направление ионов располагается вдоль направления комбинированного магнитного поля, то биологического эффекта не должно быть. Это и наблюдается нами в опыте.

Теперь постараемся объяснить расположение крахмальных зерен, подробно изученное нами в [3] в КМП. Колебания мембраны могут приводить к тому, что крахмальные зерна будут взаимодействовать с мембраной либо механически, либо электрически. Они могут подталкиваться мембраной к центру клетки и даже дальше при колебании мембраны. Затем, если они даже и начнут оседать вниз, то попадут уже в противоположную часть клетки и, следовательно, могут изменить знак гравитропической реакции корня. Кроме того, столкновение крахмальных зерен с потоком ионов кальция должно приводить к возникновению в этих зернах дипольного момента (пьезоэлектрические свойства крахмала), направленного против электрического поля мембраны, что, по-видимому, также приводит к их движению к центру клетки на начальном этапе. В центре их энергия в электрическом поле меньше, т.к. электрическое поле в центре клетки минимально. Двигаясь к центру клетки, часть дипольных моментов начнет поворачиваться и может начать двигаться вверх, что приведет к отрицательной гравитропической реакции для корней. Т.е. в комбинированном магнитном поле гравитропическая реакция должна замедляться, или пропадать, или менять знак, если основной поток ионов направлен перпендикулярно КМП.

Пользуясь оценками Либова и нашими оценками, можно объяснить и зависимости наблюдаемого биологического эффекта от уровня внешнего магнитного шума [2, 12, 13]. Если уровень внешнего магнитного шума мал (пучок движущихся ионов не захватывает новых каналов из-за размытия ионного пучка в магнитном поле с индукцией, равной постоянной составляющей КМП), то КМП будет искажать зависимость величины биологического эффекта от отношения ВАС/ВDC, т.к. захват пучком нового канала будет сказываться резко в увеличении биологического эффекта. Линия этой зависимости будет более узкой, чем квадрат функции Бесселя [2]. При увеличении магнитного шума она будет приближаться к квадрату функции Бесселя первого порядка от ВАС/ВDC, как и определяется формулой (4). Это также хорошо совпадает с полученными нами ранее зависимостями [13].

Становится понятным также влияние экранирования внешнего магнитного поля на различные биологические процессы. Кроме эффекта, связанного с уменьшением постоянной составляющей, рассмотренного нами выше, должно существенно усилиться влияние внешних магнитных шумов. Например, при компенсации постоянной составляющей внешнего магнитного поля с помощью колец Гельмгольца или обычных ферромагнитных экранов до 10 – 1 мкТл [14, 15] отношение ВАС/ВDC для внешних магнитных шумов на частоте до 50 Гц равняется приблизительно 0.3 – 3. Следовательно, частоты до 50 Гц могут активно воздействовать на биологические процессы, т.к. большинство резонансных частот (для ионов кальция, магния, калия, меди) лежит в этой области. Магнитные бури при такой постановке эксперимента также являются активными. Поэтому уменьшение постоянной составляющей магнитного поля Земли является крайне нежелательным фактором, который может существенно изменять кальциевый, калиевый, магниевый обмен в клетке. Особенно это важно для ослабленных клеток, мембраны которых могут легко разрываться. Рассмотрим теперь возможный механизм адаптации клеток к влиянию КМП. Как хорошо видно из рис. 9, ГТР постепенно (через 24 часа и далее) начинают восстанавливать свой знак. Увеличение транспорта кальция из клетки могут привести к тому, что концентрация ионов магния внутри клетки возрастает. Т.к. ионы магния являются катализаторами синтеза липидов, то существенно может измениться коэффициент жесткости мембраны. Здесь следует отметить, что циклотронная частота ионов магния в постоянном магнитном поле Земли находится вблизи 50 Гц (в работах [16, 17, 18] было показано, что в КМП, постоянная составляющая которого равна магнитному полю Земли, а переменную составляющую КМП частотой 50 Гц создавали искусственно с помощью колец Гельмгольца, концентрация полярных липидов в мембране клеток редиса существенно изменялась и при этом изменялась текучесть мембраны). Таким образом, изменение (уменьшение), коэффициента жесткости мембраны, согласно нашим предположениям, изложенным выше, может привести к уменьшению количества кальциевых каналов а, следовательно, и к увеличению концентрации ионов кальция внутри клетки.

 

ВЫВОДЫ

 

1.                 Экспериментально показано, что гравитропическая реакция растений существенно зависит от направления корней относительно вектора комбинированного магнитного поля. При расположении корней перпендикулярно КМП и перпендикулярно силе гравитации (КМП параллельно силе гравитации) наблюдается отрицательная гравитропическая реакция. При расположении корней перпендикулярно КМП и силе гравитации (КМП перпендикулярно силе гравитации) гравитропическая реакция отсутствует. При расположении корней параллельно КМП и перпендикулярно силе гравитации (КМП перпендикулярно силе гравитации) гравитропическая реакция незначительно изменяется.

Полученные в этой работе эффекты и большинство полученных нами ранее результатов хорошо согласуются с гипотезами [2, 8]. Пользуясь ими можно утверждать, что основной поток ионов кальция направлен вдоль корней.

Существенную роль в наблюдении эффектов играет электрическое поле мембраны клетки. Учет его величины позволяет убрать все возражения теоретиков о невозможности действия магнитного поля, т.к. мала его энергия. МП и КМП являются лишь спусковым механизмом, освобождающим энергию клетки и приводящим к биологическим эффектам.

С помощью КМП, таким образом, можно регулировать скорость кальциевого обмена в клетке.

В нашем представлении механизм адаптации клеток к КМП может быть связан с ионами магния.

 

ЛИТЕРАТУРА.

1.      Богатина Н.И., Шейкина Н.В., Кордюм Е.Л., Карачевцев В.А. Гравитропическая реакция растений в комбинированном (постоянном и переменном) магнитном поле // Доповіді НАН України. – 2002. – №4. –С. 176 – 179.

2.      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.

3.      Bogatina N.I.,Kordyum E.L, Kalinina Ya. M., 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.

4.      E. Kordyum, N. Bogatina, M. Sobol, Ia. Kalinina, N. Sheykina and A. Kondrachuk Cyclotron-based effects on plant gravitropism// Journal of Advances in Space Reseach, - 2007. - V 39, №7. - P. 1210 – 1218.

5.      Е.Л. Кордюм, М.А. Соболь, Я.М. Калинина, Н.И. Богатина, Н.В.Шейкина Біологічна дія комбінованого магнітного поля на гравітропічну реакцію кореня Lepidium Sativum L.// Укр..ботан. журн. – 2008. – Т. 65, №1. – С. 141 – 157.

6.      Леднев В.В. Биоэффекты слабых комбинированных, постоянных и переменных магнитных полей// Биофизика. – 1996. – 41. – Bып. 1. – C. 224 – 232.

7.      Шейкина Н.В., Богатина Н.И., Кордюм Е.Л. Зависимость гравитропической реакции кресс-салата от амплитуды переменной составляющей комбинированного магнитного поля // Біофізичний Вісник (Вісник Харківського университету). – 2007 – №18(1) - С. 78 – 90.

8.      G.Vincze, А. Szasz, A.R. Liboff. New theoretical treatment of ion resonance phenomena// Bioelectromagnetics. – 2010 – V.29- P.380-386.

9.      9. Богатина Н.И., Шейкина Н.В., Кордюм Е.Л. Изменения гравитропической реакции, вызванные постоянным магнитным полем. //Біофізичний вісник. 2006. - №17(1). – С. 78 – 82.

10.  Богатина Н.И., Веркин Б.И, Кулабухов В.М. др. Определение порога чувствительности проростков и корней пшеницы к величине магнитного поля // Физиология растений – 1979 – 28 - №3 - C.620-624.

11.  .Богатина Н.И., Веркин Б.И. Влияние слабых магнитных полей на скорость роста, сухую массу и скорость клеточной репродукции гороха // Доклады АН УССР, - серия Б – 1979 - №6 - C.460-463.

12.  Богатина Н.И., Литвин В.М., Травкин М.П. Зависимость реакции биологических объектов на магнитные поля от их шумов (полей), возможное влияние на процессы эволюции // Электронная обработка материалов. – 1987. – №4. – С. 64 – 69.

13.  Шейкина Н.В., Бондаренко В.А., Богатина Н.И. Влияние внешних магнитных шумов на гравитроническую реакцию растений и на амплитуду и спектр генерируемого ими в процессе роста магнитного шума. //Біофізичний вісник. 2008. - №20(1). – С. 96 – 102.

14.  Демцун Н.А., Махонина М.М., Темурьянц Н.А., Мартынюк В.С. Влияние электромагнитного экранирования различной продолжительности на регенерацію планарий Dugesia Tigrina. //Физика живого Т.16. №1, 2008, С.68-73.

15.  Темурьянц Н.А., . Демцун Н.А., Мартынюк В.С. Особенности регенерации планарий Dugesia Tigrina при их электромагнитном экранировании в различные сезоны года. //Физика живого Т.16. №2, 2008, С.89-91.

16.  Новицкая Г.В., Церенова О.А., Кочешкова Т.К., Новицкий Ю.И. Влияние переменного магнитного поля на состав и содержание липидов в проростках редиса. //Физиология растений. Т.53. №1. 2006. С.83-93.

17.  Новицкая Г.В., Церенова О.А., Кочешкова Т.К., Юсупова И.У., Новицкий Ю.И. Влияние переменного магнитного поля на состав и содержание липидов семядольных листьев редиса. Центрально-Черноземное книжное издательство. Выпуск 8. Воронеж, 2006. С.23-33.

18.  Nedukha O , Kordyum E , Bogatina N , Sobol M , Vorobyeva T , Ovcharenko Y . The influence of combined magnetic field on the fusion of plant protoplasts//J Gravit Physiol. 2007 Jul;14(1):P117-8.

 

THE INFLUENCE OF ROOTS ORIENTATION RELATIVELY COMBINED MAGNETIC FIELD DIRECTION ON THE CRESS AND MAYS ROOTS GRAVITROPIC REACTION’S CHANGES. EXPERIMENT AND NEW HYPHOTESIS. ADAPTATION MECHANISM.

 

Bjgatina N.I., Sheykina N.V., Kordyum E.L.

B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of National Academy of Sciences of Ukraine, 47, Lenin ave., Kharkov, 61103 Ukraine,

n_bogatina@rambler.ru

National academy of Pharmacy,

17, Vosstaniya squ., Kharkov, 61001, Ukraine,

sheykina@ukr.net

N. Kholodny Institute of Botany of National Academy of Sciences of Ukraine,

2, Teredhenkovskaya st., Kiev, Ukraine,

cellbio@ukr.net

 

It was shown experimentally that the graviyropic reaction of plants depended essentially on the roots direction relatively to combined magnetic field (CMF) direction. While the roots were located perpendicular to gravitation force (CMF was parallel to gravitation force) the negative gravitropic reaction was observed. While the roots were located perpendicular to CMF( CMF was perpendicular to gravitation force) the gravitropic reaction was absent. While the roots were located perpendicular to CMF and gravitation force ( CMF was perpendicular to gravitation force) the gravitropic reaction didn’t change essentially. The effects obtained in the work and many other results obtained by us before may be explained by Liboff’s and our hypotheses. By using them we can conclude that the main calcium ions current was directed along the roots. The essential role in observing the effects played the electrical field of cell membrane. By taking in account the magnitude of the electrical field we could get over all theoretic objections that the effects of magnetic fields observed were impossible because its energy was very small. We think that static magnetic field and CMF were only the switching on mechanism, that released the cell energy and led to the biological effects. By means of CMF one may regulate the calcium exchange velocity in cell. The possible mechanism of cell adaptation in CMF was discussed.