Медицинские информационные системы: многомерный анализ медицинских и экологических данных - Михаил Лушнов

Существенно влияют на биологические процессы электромагнитные свойства биомолекул, свободных радикалов (включая неорганические), белков и ферментов и вообще взаимодействие их с ионизирующими и неионизирующими излучениями, в число которых входят и космические лучи, и солнечные излучения, и факторы ионосферы. Электромагнитные излучения представляют собой диапазон длин волн от км-радиоволн до 10–12 м и менее (жесткое γ-излучение) (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Электромагнитные излучения, наблюдаемые в природе

Тканевое дыхание сопряжено с окислительным фосфорилированием внутри митохондриальной мембраны, благодаря которой возникает движущая сила – протонный градиент. Таким образом, воздействие квантов энергии ЭМП извне, реагирующих с электронами или протонами через изменение состояния аденозинтрифосфата или других переносчиков заряженных частиц или ферментных белков, что сопровождается регулирующими биологическими воздействиями, изменениями скорости метаболизма (Бышевский А. Ш., Терсенов О. А., 1994). Для различных ферментных реакций с участием переноса электронов существуют области значений параметров, в которых происходят незатухающие колебания переменных – квазистационарные концентрации (Сельков Е. Е., 1977). В механизме же развития лучевого поражения центральное место принадлежит повреждению структур ДНК. Однако повреждение гамма-квантом или вторичным окисляющим радикалом не исключает вероятности успешной репарации структуры ДНК за счет комплементарной цепи, что может сопровождаться активацией соответствующих ферментативных систем (Иванов И. И. с соавт., 1969).

Динамика взаимодействия квантовых полей и частиц определяется основным законом физики – принципом наименьшего действия, величина действия экстремальна. Все превращения в КЛ, веществе протекают по этим принципам. В ЭМП электроны изменяются по-разному в зависимости от спина: от аннигиляции до испускания γ-квантов. Имеет место взаимопревращения нуклонов (протонов и нейтронов) с рождением кванта-бозона или π-мезонов, которые имеют резонансный характер в критическом состоянии с нулевой энергией перехода (Мигдал А. Б., 1977; Леонов А. И., 1995).

Один из возможных механизмов взаимодействия природных ЭМП с организмом человека основан на резонансно-полевом механизме (Дубров А. П., 1974). Это положение согласуется с квантовыми состояниями рецепторов и их взаимодействием с ЭМП, несущим биологически значимую информацию (Пресман А. С., 1963; 1968; Музалевская Н. И., 1971; 1978; 1982; Музалевская Н. И. с соавт., 1984; Мансуров Г. С., 1984; Ярошенко А. А., Коновалова Л. М., 1984). МП поля обладают высокой биотропностью (Becker R. O., 1963; Bhashara Rao D. S. Srivastava B. I., 1970), в том числе геомагнитные (Шульц Н. А., 1964; Кайбышев М. С., 1969; Каравай А. Ф., 1970; Марченко В. И., 1971; Кисловский Л. Д., 1971; 1982; 1984а; 1984б; Ковальчук А. В., 1972; 1977; Ягодинский В. Н., 1975; Новикова К. Ф., 1983; Фильченков В. М. с соавт., 1984; Абдурахманов А. Б., 1994).

Сверхслабые взаимодействия соотносят с квантовыми эффектами, в основе которых как раз и лежат магнитно-резонансные явления. С системных позиций они намного меньше шумов «на хвостах» статистических распределений, передаточная функция их – релейная, триггерная, предсказуема, статистически синтезируема. При сверхслабых воздействиях реакция стимула определяется в решающей степени свойствами самой системы (Коган И. М., 1993). В литературе имеются сведения о влиянии динамики космических процессов на биосферу, эволюцию организмов, зависимость организма от двух реализуемых программ: внутренней, основанной на солитонно-голографической организации, и внешнесредовой. Сдвиги параметров физических полей могут менять ФС организмов, влияя на физико-химические свойства молекул организма, через механизмы ЯМР, активность ферментов, скорость биохимических реакций, структуру и транспортные свойства клеточных мембран, активность электро– и хемоуправляемых ионных каналов, экспрессию (проявление) генов, клеточных рецепторов, возбудимость нейронов и через них на конституцию человека (Семеняня И. Н., 1995; Бинги В. Н., 1996; Бортникова Г. И., Мавлянов И. Р., 1996).

В биохимии существует закон Гесса, который является следствием 1-го начала термодинамики: приращение энтальпии (внутренней энергии) при образовании заданных продуктов из данных химических соединений при постоянном давлении не зависит от количества и вида химических превращений, в результате которых образуются эти вещества (Ершов Ю. А. с соавт., 1993). Однако закон не учитывает, например, флуктуаций давления внутри биологических сред, называемых кавитацией и вызываемых такими внешими воздействиями как ультразвуковые, магнитные, высокочастотные, световые воздействия (Зубрилов С. П., 1989). В итоге мы имеем значительно больше факторов и эффектов от их воздействия, чем первоначально изучаемый внешний параметр и подразумеваемый ответ биосистемы. Известна зависимость свойств белков от их конформационного состояния. Конформации белков складываются из локальных микроинформационных смещений отдельных атомных групп, приводящих к перестройкам всей конструкции белка. Например, процесс достижения конечной равновесной конформации гемоглобина проходит через последовательные энергетические стадии релаксаций исходной дезоксиформы. Эти сведения получены при помощи люминесцентных и парамагнитных способов. Такие свойства используют в методах радиоспектрометрии, которые состоят в основном из электронного парамагнитного резонанса и ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Электроны и ядра атомов характеризуются магнитным моментом – спином. Взаимодействие ПеМП с системой ядерных спинов в постоянном МП называют ЯМР (Физико-химические…, 1988).

Одним из основных механизмов воздействия космогелиогеофизических параметров может быть также явление электронного парамагнитного резонанса – резонансное поглощение энергии электромагнитных колебаний в сантиметровом или миллиметровом диапазоне волн (около 9000 МГц) веществами с парамагнитными частицами (Артюхов В. Г. с соавт., 1994; Рубин А. Б., 1994). Именно поэтому здесь приводятся результаты исследований воздействия плотности потока солнечного радиоизлучения на частоте 3000 Мгц на несколько биосистем: биохимическую, ферментную, электролитный баланс крови, гематологические параметры.

Время, за которое наблюдаемая упорядоченность нарушается (ориентировка диполей), называется временем релаксации. Релаксация молекул – интегральный феномен. На ее параметры влияют физические характеристики ЭМП, геометрия, размеры, концентрация молекул, границы раздела сред. В жидкостях взаимодействие определяется процессами релаксации, при этом предполагается полярная природа молекул с электрическим дипольным моментом. При воздействии на жидкость ЭМП молекула вращается с установлением оси диполя по направлению этого поля (Антипов В. В. с соавт., 1980).

4.2. Механизмы ядерно-магнитного резонанса

ЭМИ описываются длиной волны λ и энергией Е, связанными формулой посредством постоянной Планка h: Е = h(c/λ).

Причем частота: ν = c/λ.

Падающая I и прошедшая I0 интенсивность ЭМИ, то есть число квантов, проходящее через единицу площади в единицу времени, связаны законом Бугера – Ламберта – Бэра формулой:

lg(I/I0) = εcl,

где l – толщина слоя раствора, с – его концентрация, ε – мольный коэффициент погашения – мера интенсивности поглощения.

Облучение веществ радиоволнами вызывает переориентацию спинов электронов, инфракрасные волны – колебания атомов относительно связей. Ультрафиолетовая и видимая часть спектра приводят к переходам электронов наружных уровней с одной орбитали на другую, внешнюю. Взаимодействие радиоволн с веществом изучают при помощи спектроскопии ядерно-магнитного резонанса. Эти методы точны и объективны. Излучения более жесткие, чем ультрафиолетовые, вызывают необратимые изменения структуры вещества.

Многие атомы имеют собственный момент количества движения – I(h/2π), где h – постоянная Планка, π – спиновое квантовое число, принимающее только дискретные целые, полуцелые или нулевые значения. Ядра с I ≠ 0 обладают магнитным моментом μ, который связан со спиновым числом I через гиромагнитное отношение γ: μ = γI(h/2π).

Если массовое число нечетное, ядро имеет полуцелый спин. К такому типу относятся наиболее распространенные в живой природе химические элементы: 1H1, 6C13, 7N15, 9F19, 15P31. Если же I = Ѕ, то в магнитном поле Н0 атомные ядра с магнитным моментом располагаются на 2 уровнях с энергиями μН0 и —μН0, что соответствует ориентации магнитного момента по направлению магнитного поля Н0 и против него. Разность между этими энергетическими уровнями составляет 2μН0. Такой же является энергия резонансного кванта излучения, испускаемого или поглощаемого в результате релаксации или возбуждения ядра между указанными уровнями. Подобное взаимодействие переменного электромагнитного поля с системой ядерных спинов в постоянном магнитном поле называют ядерно-магнитным резонансом (Физико-химические…, 1988). Таким образом, если ν0 – частота переменного магнитного поля Н1, то hν = 2μН0, а линия поглощения в спектре ядерно-магнитного резонанса складывается из 2 слагаемых: Δν = 1/(πТ) + δν, где Т – время релаксации, а δν – уширение за счет прецессии электронов вследствие неоднородности магнитного поля.