Представлены результаты исследований, свидетельствующие о том, что крайне слабые переменные магнитные поля (КС ПеМП) с амплитудами в области «пикотеслового», «нанотеслового» и «микротеслового» диапазонов оказывают существенное влияние на биологические и физико-химические процессы, а именно: регенерацию плоских червей (планарий Dugesia tigrina), гравитропизм в отрезках стеблей льна, а также на кристаллизацию карбоната кальция (СаСО₃) из солевых растворов. Теоретический анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что первичным рецептором КС ПеМП в биосистемах является водно-солевая компонента. Сопоставление полученных результатов с данными о геомагнитных предвестниках землетрясений позволяет рассматривать влияние на биообъекты изменений в частотно-амплитудном спектре геомагнитных пульсаций, происходящих перед землетрясениями, как весьма вероятный механизм биологических предвестников землетрясений.

Введение

К настоящему времени накоплено значительное число данных, свидетельствующих о способности млекопитающих, птиц, земноводных и рыб предчувствовать приближение землетрясений, что выражается в появлении у них необычного или «аномального» поведения, возникающего за сутки или за часы до землетрясения [Рикитаке, 1979; Красногорская и др., 1984; Мариковский, 1984; Темурьянц и др., 1992]. Частота проявления «аномалий» в поведении биопредвестников возрастает с увеличением магнитуды землетрясений. При этом зона наблюдения биопредвестников для сухопутных организмов имеет размер порядка 200 км.

Как известно, землетрясения часто предваряются различными геофизическими и геохимическими предвестниками, включая усиление микросейсмической активности и акустических шумов, выхода газов из грунта (например, радиоактивного радона), повышение концентрации аэроинов [Сидорин, 1992]. При этом каждый из перечисленных факторов по отдельности или в сочетании друг с другом может рассматриваться как возможный стимул необычного поведения животных. Тем не менее, некоторые авторы полагают, что электромагнитные возмущения, предшествующие землетрясениям, более полно соответствует совокупности наблюдений, связанных с биопредвестниками [Красногорская и др., 1984; Темурьянц и др., 1992].

Очевидно, что получение полной картины изменений электромагнитного поля (ЭМП) в период, предшествующий землетрясениям, – исключительно сложная задача. Тем не менее, за последние десятилетия было выполнено достаточно большое число измерений в широкой области частот и амплитуд спектра электромагнитных колебаний, результаты которых показывают, что наиболее распространенным видом возмущений ЭМП является появление импульсов широкого спектра частот в диапазоне от долей герц до нескольких мегагерц, включая диапазоны регулярных геомагнитных пульсаций и шумановских резонансов [Темурьянц и др., 1992]. Однако амплитуда указанных возмущений ЭМП, как правило, очень мала – для переменных магнитных полей она соответствует единицам нанотесла, но, как правило, меньше, что, естественно, вызывает вопрос о возможности восприятия таких полей биологическими системами.

К настоящему времени твердо установлено, что низкочастотные переменные магнитные поля с амплитудами (величинами магнитной индукции), равными или превышающими примерно 10 мкТл, способны индуцировать биологические эффекты в ряде биосистем. Вместе с тем, вопрос о возможности воздействия на человека, животных и растений значительно более слабых или крайне слабых переменных магнитных полей (КС ПеМП) с амплитудами меньше 10 мкТл и, в особенности, интересующими нас в данном случае полей «нанотеслового» и «пикотеслового» диапазонов, является предметом острых дискуссий. С одной стороны, появляется все больше экспериментальных доказательств того, что КС ПеМП «нанотеслового» диапазона способны оказывать существенное воздействие на ряд биологических процессов (перечень работ приведен в [Темурьянц и др., 1992; Белова, 2001]). С другой стороны, в некоторых публикациях ставится под сомнение даже принципиальная возможность биологических эффектов КС ПеМП [Adair, 1991, 1999; Valberg et al., 1997]. Имеются лишь единичные сообщения о результатах лабораторных исследований возможной «биологической эффективности» КС ПеМП «пикотеслового» диапазона [Темурьянц, 1972; Белова, Леднев, 2001]. Очевидно, что развитие представлений относительно возможной причинной связи между биопредвестниками землетрясений и слабыми вариациями магнитных (электромагнитных) полей в существенной степени зависит от прогресса в исследованиях взаимодействия КС ПеМП с биосистемами.

В данной работе представлены результаты исследований, свидетельствующие о том, что КС ПеМП с амплитудами в области «пикотеслового», «нанотеслового» и «микротеслового» диапазонов оказывают существенное влияние на биологические и физико-химические процессы, а именно, регенерацию плоских червей (планарий Dugesia tigrina), гравитропизм в отрезках стеблей льна, а также на кристаллизацию карбоната кальция (СаСО₃) из солевых растворов. Теоретический анализ полученных данных позволяет идентифицировать первичные мишени воздействия КС ПеМП в биосистемах.

Методы исследований

Экспонирование всех изучавшихся тест-систем в КС ПеМП с величиной магнитной индукции B_AC осуществляли на фоне постоянного магнитного поля Земли с величиной магнитной индукции (амплитудой) B_DC= 42 мкТл. Соответственно, в общем случае термин КС ПеМП фактически означает, что используется комбинированное (модулированное) магнитное поле
,
содержащее постоянную и крайне слабую переменную компоненты. В экспериментах переменное (синусоидальное) магнитное поле B_AC ориентировали коллинеарно вектору постоянного поля Земли B_DC. Переменную компоненту B_AC создавали с помощью катушечной пары Гельмгольца диаметром 39 см. Для подачи переменного напряжения на катушку Гельмгольца использовали генераторы Г4-153 и Г6-28. Контрольные тест-системы находились в постоянном МП Земли. Требуемую величину магнитной индукции B_AC переменной компоненты поля задавали, используя коэффициент передачи катушки Гельмгольца, равный 10 мкТл/1В, где 1В – амплитуда (пик) синусоидального напряжения, подаваемого на катушку.

Использовались КС ПеМП со следующими параметрами:
1. «Микротесловые»: B_AC= 1.6 мкТл, f_AC = 25, 36, 76 Гц;
2. «Нанотесловые»: B_AC= 134 нТл, f_AC = 3, 4, 5 Гц;
              B_AC= 402 нТл, f_AC = 9, 12, 15 Гц
3.«Пикотесловые»: B_AC= 640 пТл, f_AC = 10 Гц

Величина фонового переменного магнитного поля на частоте 50 Гц в месте постановки экспериментов составляла 15 нТл. Все опыты проводили в интервале температур 18–20°°С.

Тест-система 1: регенерирующие плоские черви (планарии Dugesia tigrina).

Исследуемый биопроцесс: скорость регенерации ампутированной головной части планарий.
Метод регистрации эффекта КС ПеМП: измерение площади вновь образовавшейся регенерировавшей головной части планарий с помощью метода компьютерной морфометрии.
Подготовка планарий к эксперименту. Работа выполнена на плоских червях – планариях Dugesia tigrina (бесполая лабораторная раса животных). Червей содержали при комнатной температуре и кормили раз в неделю личинками двукрылых. Для экспериментов отбирали особей длиной 7–8 мм и прекращали их кормление за неделю до опытов. Ампутацию головной части тела планарий проводили глазным скальпелем в нестерильных условиях под контролем бинокулярной лупы: отсекали приблизительно 1/5 часть тела, содержащую головной ганглий, после чего регенерантов помещали в стеклянные стаканчики объемом 50 мл по 30 штук в каждый стаканчик.

Морфометрический анализ регенерации. Для измерения кинетики роста бластемы в экспериментальных и контрольных животных использовали метод прижизненной компьютерной морфометрии, основанный на регистрации фотоконтраста между старыми (пигментированными) и новыми (прозрачными) частями тела планарий. В каждой экспериментальной и контрольной группе было по 30 животных. Каждую особь из экспериментальных и контрольных групп фотографировали в косом свете бинокуляра через 3 сут после ампутации. Фотографирование животных одной группы занимало в среднем 30 мин.

Изображения регенерирующих планарий вводили в компьютер с помощью видеокамеры. Используя специальную программу, определяли площадь S всей планарии и площадь s прозрачной регенерирующей бластемы (рис.1). Результаты этих измерений использовали для вычисления среднего (по 30 регенерантам) значения индекса регенерации R=s/S для контрольных и опытных животных.
Величину биоэффекта поля определяли согласно выражению:

Тест-система 2. Сегменты стеблей проростков льна.
Исследуемый биопроцесс: гравитропический изгиб апикальных участков сегментов льна, сопровождающий их поворот из вертикального в горизонтальное положение.
Метод регистрации эффекта КС ПеМП: измерение среднего угла изгиба апикального конца сегмента относительно горизонтальной плоскости.
Подготовка сегментов растений: Проростки льна (Linum bienne) выращивали из семян в термостате при 26°°С в полной темноте в течение 3–5 сут в специальных растильнях. Через 3–4 сут стебли льна достигали длины 3–4 см. От верхушек стебля льна отрезали листья так, что отрезки содержали только апикальную часть стебля длиной 25 мм.
Стимуляция гравитропического ответа. Отрезки стеблей льна раскладывали в чашки Петри диаметром 90 мм на фильтровальной бумаге, смоченной 2 мл дистиллированной воды, по 20 отрезков на чашку. Положение базальных концов отрезков фиксировали, накладывая на них силиконовые кольца. Как в «опыт», так и в «контроль» ставили по 2 чашки Петри. Примерно через 30 мин горизонтально расположенные отрезки начинали изгибаться, так что через 2–3 ч угол изгиба составлял несколько десятков градусов.

Рис. 2. Схема измерения угла гравитропического изгиба в сегментах стеблей льна

Величину гравитропического ответа определяли путем измерения среднего по числу отрезков угла изгиба (отклонения конца отрезка от горизонтальной плоскости, (рис.2)) , где d – стандартная ошибка средней величины. Измерения проводили через 2–3 ч после начала опыта с помощью транспортира. Величину эффекта МП выражали как относительную разницу (в %) между средними углами a_э и a_k гравитропического изгиба сегментов, измеренных, соответственно, в опытных, т.е. экспонированных в КС ПеМП, и в контрольных образцах, согласно выражению

Тест-система 3: солевые растворы хлористого кальция (СаСl₂) и карбоната натрия (Na₂CO₃).
Исследуемый физико-химический процесс: скорость кристаллизации карбоната кальция СаCO3, образующегося при смешивании растворов солей СаСl₂ и Na₂CO₃.
Метод регистрации эффекта КС ПеМП: измерение динамики светопоглощения в растворе с помощью фотоэлектрического калориметра.
Протокол эксперимента. Приготавливали растворы СаСl₂ (6 мМ) и Na₂CO₃ (12 мМ) в дистиллированной воде. Растворы разливали в стеклянные стаканчики объемом 100 мл, по 90 мл в каждый. Опытные растворы СаСl₂ и Na₂CO₃ экспонировали в соответствующем КС ПеМП, в то время как такие же контрольные растворы находились в магнитном поле Земли. Время экспонирования составляло от 6 до 12 ч. Реакцию кристаллизации СаCO₃ инициировали смешиванием равных объемов (по 4 мл) растворов СаСl₂ и Na₂CO₃ в стеклянных кюветах, с длиной оптического пути 2 см. Измерение динамики светопоглощения в процессе кристаллизации СаСО₃ (рис.3) проводили в фотоэлектрическом калориметре КФК-2 на длине волны 590 нм, регистрируя сигнал на самописце LKB 2210.

Результаты

Как видно на рис.4, КС ПеМП оказывает статистически достоверное влияние на скорость регенерации планарий (ингибирование), а также на скорость гравитропического изгиба в сегментах стеблей льна (активация). Указанные эффекты «пикотеслового» поля наблюдались при наличии магнитного фона с частотой 50 Гц и амплитудой ~15 нТл.

Важный результат экспериментальных исследований состоит в том, что биоэффекты «нанотесловых» и «микротесловых» полей проявляются лишь при определенных соотношениях амплитуды и частоты поля (рис.5). В частности, в поле с амплитудой 134 нТл, биоэффекты поля наблюдаются на частотах 3 и 5 Гц, в то время как на частоте 4 Гц эффект отсутствует (рис.5,а). При одновременном увеличении как амплитуды так и частоты поля в 3 раза (B_AC=402 нТл, f_AC=9, 12, 15 Гц), характер зависимости величины биоэффекта от частоты поля не изменяется – эффект поля наблюдается на частотах 9 и 15 Гц и отсутствует на частоте 12 Гц (рис.5,б). При дальнейшем увеличении амплитуды поля до «микротесловых» значений (B_AC=1608 нТл) «двугорбый» характер зависимости величины биоэффекта от частоты поля сохраняется (рис.5,в), однако, в этом случае наблюдается сдвиг положения минимума («нулевого» эффекта) от значения B_AC/f_AC=33.5 (при амплитудах 134–402 нТл) до значения B_AC/f_AC=44.7 (при амплитуде 1608 нТл). Также воздействие «нанотеслового» поля (B_AC=134 нТл, f_AC=3, 4, 5 Гц) на угол гравитропического изгиба в сегментах стеблей льна, сопровождается увеличением гравитропической реакции на частотах 3 и 5 Гц, при отсутствии биоэффекта на частоте 4 Гц (рис.6).

Экспонирование растворов СаСl₂ и Na₂CO₃ в «пикотесловых» и «нанотесловых» полях приводит к снижению скорости кристаллизации СаCO₃, происходящем при их последующем смешивании. Соответствующие результаты приведены на рис.7.

Как следует из рис.7, «биологически эффективные» «пикотесловые» и «нанотесловые» поля оказывают также существенное влияние на свойства водно-солевых растворов СаСl₂ и Na₂CO₃. Эти данные позволяют предположить, что воздействие КС ПеМП на биосистемы, по крайней мере, с теми параметрами, которые были использованы в настоящей работе, осуществляется через их водно-солевую компоненту.

Наличие определенных закономерностей зависимости величины биоэффектов от соотношения амплитуда/частота, а именно: наличие резко выраженных «провалов» биологической эффективности КС ПеМП при определенных соотношениях параметра амплитуда/частота, а также сохранение биоэффектов при одновременном пропорциональном изменении амплитуды и частоты поля, позволяет сделать предположение о «первичных» мишенях «нанотесловых» и «пикотесловых» магнитных полей, которыми, по нашему мнению, являются соответственно магнитные моменты спинов ядер водорода и диамагнитного тока электронов в биомакромолекулах, а также в молекулах воды.

Детальное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки данной статьи. Отметим лишь, что в основе взаимодействия КС ПеМП и тест-систем различных типов лежит частотно-амплитудная модуляция электромагнитного поля, создаваемого вследствие прецессии соответствующих магнитных моментов в постоянном магнитном поле Земли. Возможность появления биологических и физико-химических эффектов КС ПеМП – это, в конечном счете, следствие важной особенности частотной модуляции, заключающееся в том, что амплитуды ближайших к несущей частоте сателлитов могут быть большими (при определенных соотношениях между амплитудой и частотой переменной компоненты поля) даже при очень малых величинах магнитной индукции переменной компоненты поля (КС ПеМП). Именно при этих условиях величина биологических эффектов КС ПеМП определяется интенсивностью боковых сателлитов, ближайших к несущей частоте.

Совокупность результатов, представленных в данной работе, показывает, что между «аномальным» поведением ряда «биообъектов» и возмущением ЭМП, появляющимся перед землетрясениями, может существовать не только корреляция, но и причинно-следственная связь. В частности, параметры переменного магнитного поля, зарегистрированного перед сильными землетрясениями на Камчатке (амплитуда 0.5–1.0 нТл, частота 10 Гц) [Соболев и др., 1974], близко соответствуют «пикотесловому» КС ПеМП, биологическая эффективность которого была показана в данной работе.

Заметим, однако, что возможность индукции «аномального» поведения животных перед землетрясениями крайне слабыми переменными магнитными полями не ограничивается схемой воздействия на биообъект комбинированного магнитного поля со слабой переменной компонентой. Теоретически возможна также ситуация, при которой подавляется повседневное («нормализующее», «синхронизирующее») биологическое действие переменных полей, например действие регулярных Рс колебаний геомагнитного поля или шумановских резонансов, в результате появления перед землетрясением магнитного шума в соответствующей полосе частот или резкого ослабления интенсивности указанных колебаний поля.

Влияние переменных электрических полей с параметрами, имитирующими шумановские резонансы (амплитуда 1 мВ/м, частота 10 Гц) на психофизические показатели человека было обнаружено Х.Кёнигом вскоре после открытия этого типа глобальных электромагнитных колебаний [Konig, 1974]. Кроме того, возможная роль шумановских резонансов в качестве суточного задатчика времени у человека была показана в экспериментах Р.Вевера [Wever, 1974]. Имеются также десятки публикаций об успешном использовании переменных магнитных полей с амплитудой 6–7 пТл и частотой 7–8 Гц в терапии ряда заболеваний центральной нервной системы (см., например, [Sandyck, Derpapas, 1993; Sandyck, 1994; Jacobson, 1994]).

Тем не менее, несмотря на несомненную привлекательность, гипотеза о возможности влияния магнитной компоненты шумановских резонансов на биосистемы до сих пор не была подвергнута серьезной экспериментальной проверке. По-видимому, основная причина отсутствия исследований в этой области, заключается в априорном отрицании возможной биологической эффективности сверхслабых магнитных полей, характерных для резонансов Шумана: (1–7 пТл на частоте 8 Гц [Williams, 1996]).

Представленные в настоящей работе данные относительно биологических и физико-химических эффектов «пикотесловых» КС ПеМП позволяют считать, что исключение из рассмотрения в качестве возможного механизма биологических предвестников землетрясений влияния на биообъекты изменений в частотно-амплитудном спектре геомагнитного поля, происходящих перед землетрясениями, было бы явно преждевременным.