Влияние ультразвука и электромагнитных полей на живые объекты

     Содержание 

      Введение                                                                                                            3

   1 Аналитический  обзор

   1.1  Влияние ультразвука на биологические объекты                                    5

   1.2 Влияние электромагнитных полей на живые организмы                       12

     2  Объекты исследования

     2.1 Saccharomyces cerevisiae                                                                            16

     2.2 Процесс брожения                                                                                      19

   3 Выводы  по работе                                                                                          23

Список использованных источников                                                             24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

  Развитие науки и техники привело к широкому использованию на практике самых различных волновых процессов. В результате этого живые системы подвергаются воздействию волн не только естественного, но и искусственного происхождения. Можно сказать, что живые организмы буквально купаются в этих волнах. Можно привести много примеров повышенной чувствительности живых организмов к внешним полям, в том числе и акустическим. Физические поля самых разных типов в процессе эволюции живых организмов оказывают на них существенные влияния.

    Различные волновые, или колебательные процессы, возникают также в процессе жизнедеятельности организма. Сравнительно давно появилось отчетливое понимание того, что живые организмы не только активно используют волновые процессы в своей деятельности, но и способны чутко реагировать на внешние воздействия, имеющие волновую природу, например, звучание колоколов, которые еще с древних времен своим акустическим воздействием гармонизировали пространство обитания людей. Звоны колоколов оказывали целительное воздействие во время эпидемий чумы и холеры.

    За последние 30 лет накопился определенный объем теоретических и экспериментальных исследований по изучению волновых процессов в живой природе. Ответная реакция живой системы на внешние волновые воздействия может происходить на различных структурных уровнях живого организма – от молекулярного до субклеточного, клеточного уровня. Чувствительность живых систем к внешним акустическим воздействиям зависит в первую очередь от диапазона частот и интенсивности (мощности) колебаний. Изучение различных аспектов воздействия акустических полей  с живыми объектами представляет не только научный, но и большой практический интерес. Первичные эффекты такого взаимодействия, которые оказывают определяющее воздействие на поведение живого объекта, разыгрываются в основном на уровне клетки, являющейся простейшей (элементарной) живой системой.  Волновые процессы очень важны для жизнедеятельности организмов и в отсутствии внешнего взаимодействия.

  Можно было бы также говорить в прямом смысле о резонансном взаимодействии живых организмов с волнами акустической, электромагнитной и другой природы. Понимание механизмов взаимодействия внешних полей с биосистемами требует изучения роли гармонических и других колебаний, синхронизации колебаний и когерентности в жизнедеятельности организма, а также структурных изменений в клетках, сопровождающих как возникновение в них колебаний, так и коррекцию существующих режимов жизнедеятельности того или другого органа.

     В данной курсовой работе объектом рассмотрения являются

живые организмы, которые в процессе жизнедеятельности  и эволюции подвергаются действию, как внешних источников физических полей, так и сами являются их источниками. Предметом изучения служит совокупность явлений, возникающих при воздействии физических полей на биологические

объекты. Целью данной курсовой работы является изучение влияния воздействия различных физических полей на живые организмы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Аналитический обзор

1.1 Влияние ультразвука  на биологические объекты

     При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

     Биологическое действие ультразвука, то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется главным образом интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1—2 вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки).

       При поглощении ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

       В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и др. жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу. [1]

     Биологическому  действию ультразвука посвящено большое число исследований. Это связано с тем, что при ультразвуковом облучении биообъектов возникают различные явления (диспергирование, кавитация, термическое и окислительное действие), которые могут оказывать существенное влияние на живые организмы [2]. Если учесть, что в ультразвуковом поле частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями и что в облучаемой жидкости на малых расстояниях (равных половине длины звуковой волны) возникают разности давлений в несколько атмосфер, то легко себе представить насколько перспективным является применение данного физического фактора в областях биологии, микробиологии, в частности в разделении микробных       клеток на антигенные комплексы для разработки нового класса вакцин из нативных клеточных компонентов [3].

     Причинами изменений, возникающих в биологических объектах под действием ультразвука, могут быть вторичные эффекты физико-химического характера. Так, под действием акустических волн происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроструктур, а кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей.

     Перспективным оказалось применение ультразвука для выделения из продуцента Erwinia carotovora модифицированной аспарагиназы, которая характеризовалась высокой противоопухолевой способностью [4].

     Ультразвуковые  низкочастотные поля ускоряют процессы диффузии, повышают проницаемость клеточных оболочек. В результате увеличивается выход белков, что используется для получения пептидов [2, 6]. Поскольку получаемый материал содержит большое число белковых и биополимерных комплексов, возникают трудности при получении высокоочищенных препаратов. Данный технологический прием имеет преимущества над другими менее щадящими физико –химическими методами в том, что не вызывает денатурацию полипептидных цепей и сохраняет нативность их химической структуры .

     Степень разрушающего действия ультразвука находится в зависимости от его мощности, частотного диапазона, экспозиции, а также от морфологических и функциональных особенностей облученных микроорганизмов. Как правило, ультразвуковые колебания приводят бактериальные клетки к гибели, при этом данная микробная суспензия не теряет своих иммуногенных и антигенных свойств [2]. Изменяя интенсивность УАВ можно добиться снижения токсичности бактериальной суспензии, сохраняя ее антигенность. Эти положительные качества ультразвука используют в научных разработках для получения высокоэффективных бактериальных вакцинных препаратов . [6]

     Отдельным направлением изучения применения ультразвукового фактора является разработка методов дезинтеграции микроорганизмов для получения иммунобиологических препаратов.

     Ультразвуковые  колебания успешно применяют также для получения белковых антигенов из таких бактерий как Bacillus subtilis , Halobacterium halobium, Methylobacillus flagellatum . Физические методы получения антигенов привлекают исследователей простыми технологиями, которые легко поддаются стандартизации. Низкочастотное озвучивание (22 кГц и 44 кГц) клеток Escherichia coli при температуре 2 - 4ºС в течении 5 минут в режиме 30 ׳׳ воздействия с тридцатисекундной паузой с последующим хроматографическим разделением полученных фракций позволило получить эндотоксин [7].

     Высокочастотный ультразвук (830 кГц) слабой мощности (0,4 – 2,0 Вт/см2) вызывает стимуляцию роста Proteus vulgaris. Исследователями предложено использовать данный физический фактор для интенсификации процессов накопления микробной биомассы [8].

     В серии работ изучали действие ультразвука на Bordetella pertussis [9]. Большинство ученых использовали низкие частоты УАВ для разрушения клеток коклюша. Меньше работ посвящено изучению влияния ультразвуковых волн высокой интенсивности.

     В литературе представлены материалы  об успешном разрушении клеток возбудителя коклюша с помощью физико-химических методов [10]. Для этого использовали ультразвуковую дезинтеграцию бактерий в сочетании с различными химическими детергентами (дезоксихолат, додецилсульфат натрия). Применение данной комбинированной технологии позволяет получать высокоочищенные антигены, которые обладают низкой реактогенностью и отличаются активностью в серологических реакциях [11].

     Перспективность результатов приведенной серии работ в отношении получения коклюшных антигенов можно оценить только после определения:

какие по химической структуре выделяются клеточные комплексы, и в какой степени они сопоставимы по биологическим свойствам с аналогичными фракциями, выделенными с помощью химических методов.

      В настоящее время, ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется  с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток.

       Оксиление холестерола клетками Rhodococcus erythropolis, дегидрогенирование  кортизола неподвижными клетоками  Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом  воздействии на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью 2,2 Вт/см2. Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны.

     Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета.

       Ультразвуковая дезинтеграция клеток  получила широкое применение  в биотехнологии, в биохимических  и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ и фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.

     Стерилизующий эффект ультразвука обусловлен разрушающим  воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см3 молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см3 его остается около 3000 КОЕ.

       Механизм стерилизующего действия  ультразвука весьма сложен и  раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает в первую очередь там, где прочность жидкости наименьшая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. При образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков МПа.

       Выявлены положительные результаты  дезинфекции воды посредством  ультразвуковых колебаний; в течение 5 минут удается достигнуть полной стерилизации воды без применения каких-либо химических реагентов. Отмечается также положительный эффект применения ультразвуковых колебаний для стерилизации консервов и соков.

       Выяснено, что при действии ультразвука повышается чувствительность микроорганизмов к дезинфицирующим веществам. Стерилизующий эффект при обработке водных взвесей бактерий кишечной палочки (Escherichia coli), которые предварительно подвергались действию ультразвука, был достигнут при значительно меньших концентрациях хлора, формалина и других дезинфицирующих веществ. Это обусловлено изменением («расшатыванием») макромолекулярных структур, входящих в состав оболочки озвучиваемых микроорганизмов, что приводит к нарушению проницаемости оболочек и мембран живых клеток.

       Почти все микроскопические растения  и организмы погибают, если подвергнуть  их действию ультразвука высокой  интенсивности. Этот факт в  настоящее время рассматривается  как альтернативный, безопасный  путь к очищению воды и продуктов питания.

       Разрушаются ультразвуком кишечная (Escherichia coli), брюшнотифозная (Salmonella typhi), дифтерийная (Corynebacterium diphtheriae), сенная (Bacillus subtilis) палочки, столбняка (Tetanus bacillus), сальмонеллы (Salmonella), кокки  (Staphylococcus), трипаносомы (Trypanosoma bacillus), трихомонады (Trichomonas), возбудитель тифа (Typhus recurrens) и др. Ультразвук высокой интенсивности оказывает разрушающее действие на вирусы табачной мозаики (Tobaco mosaic virus), энцефалита (Encephalitis virus), сыпнотифозные, гриппа (Influentia). Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию ультразвука проявляют различные штаммы туберкулезных палочек (Tuberculum bacillus).

      Cтерилизующее действие ультразвука  на микроорганизмы проявляется  на частотах 20 кГц и выше, при  интенсивности более 0,5 Вт/см2 в  кавитационном режиме облучения.

       Применение ультразвука возможно  для стерилизации лекарственных  препаратов, приготовленных как в заводских, так и в аптечных условиях. В аптечных условиях, применяя ультразвук частотой до 490 кГц и интенсивностью до 20 Вт/см2 в течение 5 минут, достигали полной стерилизации глазных капель: 0,25%-ного раствора сульфата цинка, 1%-ных растворов дионина, платифиллина гидротартрата, солянокислого пилокарпина. Анализ приготовленных растворов показал сохранение подлинности и количественного содержания лекарственных веществ в растворах до и после ультразвукового воздействия.[12] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.2 Влияние электромагнитных полей на живые организмы

       « … электромагнитное излучение миллиметрового диапазона волн (ЭМИ) весьма малой (нетепловой) мощности может оказывать существенное воздействие на различные живые организмы <…>. Многолетние экспериментальные исследования позволили установить основные закономерности воздействия ЭМИ: его резонансный характер <…> и начиная с некоторого порогового значения, практически не зависимость от интенсивности ЭМИ; высокая воспроизводимость резонансных частот при повторных опытах; «запоминание» организмом воздействия ЭМИ на более или  менее длительный срок, если облучение продолжалось достаточно долго <…>;  некритичность наблюдаемого биологического эффекта к облучаемому участку тела животного и т.п.

     <…> в живом организме и при отсутствии внешнего воздействия все или некоторая часть колебательных степеней свободы определенных биоструктур находятся в режиме когерентных автоколебаний, поддерживаемом энергией метаболизма. Действие внешнего ЭМИ связано  <…> с изменением тех или иных характеристик уже существующих в живом организме автоколебаний, в частности с изменением их спектра.

     Простейшей  моделью такой структуры может  служить совокупность большого числа  элементарных автогенераторов (осцилляторов), слабо связанных между собой.  Всю совокупность можно разбить на несколько групп, в каждой из которых автогенераторы почти идентичны. В пределах каждой группы в принципе возможна взаимная синхронизация осцилляторов, однако, вследствие быстрого ослабления с расстоянием связей между элементами структуры и некоторого различия частот синхронные режимы, если они и существуют, локализуются в небольших участках, между которыми синхронизация отсутствует. Поэтому можно ожидать, что в обычных условиях фазы автоколебаний различных осцилляторов, в том числе осцилляторов данной группы с близкими частотами, распределены хаотически , так что среднее значение суммы фаз всех автоколебаний близко к нулю. Соответственно близок к нулю и макроскопический <…> эффект таких колебаний – они оказывают минимальное воздействие на другие клеточные структуры <…>. Если частота внешнего воздействия приблизится достаточно близко к частоте автоколебаний одной из упомянутых групп почти идентичных осцилляторов <…>, произойдет «захват» (синхронизация) автоколебаний внешним сигналом. <…>. Синхронизация сопровождается фазировкой колебаний всех элементарных автогенераторов – фазы этих колебаний совпадают с фазой внешнего сигнала в данном участке структуры. <…>.

     Характерная особенность явления синхронизации автоколебаний – малая мощность требуемого для синхронизации внешнего сигнала, пороговое значение которого зависит от уровня шумов в системе и разброса парциальных частот отдельных автогенераторов данной группы. Увеличение мощности внешнего сигнала над порогом не меняет характера синхронизируемых колебаний.

     Фазировка колебаний при синхронизации  может сопровождаться конформационными перестройками клеточных структур, так как автоколебания влияют на на устойчивость механических систем. <…> Фазировка автоколебаний клеточных структур может, по-видимому, возникать <…> и в результате взаимной синхронизации осцилляторов, обусловленной их перестройкой <…>.

     … автоколебания, даже не синхронные, должны оказывать существенное влияние  на ионный и молекулярный транспорт через мембраны <…>».[13]

     Учеными Казанского Технологического университета было проведено исследование влияния КВЧ-излучения на дрожжи Saccharomyces cerevisiae.[14] Выявлен острорезонансный характер отклика культуры на электромагнитное излучение (ЭМИ). Обнаружена оптимальная частота облучения f=54,17 ГГц, при которой происходит улучшение всех показателей роста S. cerevisiae, включая концентрацию биомассы, эффективность ее образования. Кроме того, улучшились основные технологические показатели культуры. Выбор диапазона частот был обусловлен литературными данными. Известно, что существует несколько областей в миллиметровом частотном диапазоне, которые оказывают наибольшее влияние на живые объекты. Именно в этих областях наблюдается явление острого резонанса . Наиболее часто положительный эффект проявляется в области 54 ГГц.

     Облучение культуры проводили с участием генератора электромагнитного излучения Г4-142 соответствующего частотного диапазона  с выходной мощностью 100 мВт/см2. Расстояние между рупором облучателя и объектом составляло 15 см и не изменялось в течение эксперимента. Время экспозиции так же постоянно поддерживалось во всех случаях – 5 минут. Облучение проводили в диапазоне частот от 53,77 ГГц до 54,57 ГГц с шагом 0,2 ГГц, что обеспечивало устойчивую работу прибора.

     Облученную  культуру пересевали на жидкую питательную  среду в количестве 2% от объема среды. Процесс ферментации проводили  на водяных встряхивателях при температуре 32°С в течение суток.

     Концентрацию  биомассы определяли перед началом  и по окончании процесса культивирования турбидиметрическим методом. Для определения технологических показателей культуральную жидкость подвергали центрифугированию при 3000 об/мин  в течение 10 минут.

     Из  органолептических показателей учитывали цвет, запах, консистенцию дрожжей. Подъемную силу дрожжей определяли ускоренным методом. Осмочувствительность, зимазную и мальтазную активности определяли согласно общепринятым в данной области методикам .

      Способность дрожжей сбраживать глюкозу и фруктозу определяется по величине подъемной силы и зимазной активности. Опыты по определению этих показателей проводились с использованием культуры, облученной ЭМИ с оптимальной частотой (54,17ГГц) и на контрольном образце, то есть на дрожжах, не подвергшихся действию ЭМИ. Подъемная сила опытных дрожжей увеличилась практически в два раза по сравнению с контролем.

     Следует отметить, что подъемная сила определяет активность ферментных  систем не только дрожжей, но и муки, используемой в  этих анализах. Поэтому, возникла объективная необходимость в проведении экспериментов по определению ферментной активности собственно дрожжей. Для этого были проведены опыты по определению зимазной и мальтазной активностей дрожжей. Эти показатели характеризуют уровень потребления сахаров – глюкозы и мальтозы  из питательной среды и характеризуют в целом деятельность ферментных систем, ответственных за утилизацию глюкозы и мальтозы.

     Результаты  показали, что происходит увеличение зимазной активности на 37%, а мальтазной на 35% по отношению к соответствующим показателям контрольных дрожжей.

     Способность дрожжей сбраживать сахара в среде  с повышенным содержанием соли определяется показателем осмочувствительности. Результаты определения  опытного и  контрольного образцов не различаются. Таким образом, влияния ЭМИ КВЧ на этот показатель не наблюдается.

     Подводя итог проведенной работы, можно сделать  следующие заключения. Учеными было обнаружено, что воздействие ЭМИ КВЧ в диапазоне частот 53,77-54,57 ГГц приводит к изменению процессов метаболизма в клетках дрожжей Saccharomyces cerevisiae LK 14. В исследуемом диапазоне обнаружена оптимальная частота облучения – 54,17 ГГц. При действии этой частотой происходит улучшение показателей роста дрожжей, включая концентрацию биомассы, подъемную силу, зимазную и мальтазную активности.

     Исходя  из того, что исследуемая культура дрожжей S. cer. является неотъемлемым компонентом  технологии хлебопечения, такое стимулирующее  действие имеет большое практическое значение. 
 
 

     2 Объект исследования

     2.1 Saccharomyces cerevisiae

     Одним из самых интересных объектов исследования в области микробиологии являются дрожжи. Они имеют достаточно высокие  скорости роста, а процессы их метаболизма  уже довольно хорошо изучены. В нашей  работе объектом исследования выбраны дрожжи Saccharomyces cerevisiae . Этот род дрожжей широко применяется в пищевой промышленности, в частности, в хлебопечении и пивоварении. Исходя из этого, улучшение технологических показателей роста данной культуры имеет огромное практическое значение.

     Дрожжи  были первыми микроорганизмами, которые  человек стал использовать для удовлетворения своих потребностей. Основное свойство дрожжей, которое всегда было привлекательным  для человека - это способность  к образованию довольно больших  количеств спирта из сахара.

     Виноделие, пивоварение и хлебопечение существуют уже несколько тысячелетий. Естественно, что за это время были отселекционированы сотни видов заквасок, которые  используются для приготовления  самых различных сортов вина и  пива. Однако лишь в начале XIX в. были высказаны предположения, что за спиртовое брожение, вызываемое этими заквасками, ответственны присутствующие в них дрожжи. Увиденные впервые в 1680 г. Антони ван Левенгуком. Эти дрожжи были описаны в 1837 г. Мейеном, который дал им название Saccharomyces. Окончательным доказательством роли дрожжей в сбраживании сахаров считается работа Пастера, опубликованная им в 1866 г. К концу ХIХ в. стало известно, что сахаромицеты, выделенные из различных заквасок и различных сортов вина и пива, различаются по физиологическим свойствам, например, по способности к сбраживанию различных сахаров. В дальнейшем на основании таких физиологических различий в роде Saccharomyces было описано несколько десятков видов. Однако, в последние годы методами молекулярной и генетической таксономии было показано, что большинство этих «видов» на самом деле представляют собой различные физиологические расы нескольких близких биологических видов, главным образом Saccharomyces cerevisiae. Это такие «виды», как, например, Saccharomyces vini, Saccharomyces ellipsoides, Saccharomyces oviformis, Saccharomyces cheresiensis, Saccharomyces chevalieri и десятки других, которые сейчас переведены в разряд синонимов Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae широко используются для ликвидации дефицита белка в организме человека, в хлебопечении, в производстве этанола. Производство хлебопекарных дрожжей в России составляет свыше 100 тыс.тонн.

     В данной работе, в качестве биологического агента были выбраны пивные  дрожжи Saccharomyces cereviseae.