Влияние низкоинтенсивного электромагнитного поля на водные кластеры в присутствии ионов

На правах рукописиХАХАЛИН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧВлияние низкоинтенсивного электромагнитного поляна водные кластеры в присутствии ионовСпециальность 03.00.16 – экологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006 г.2Работа выполнена в Центре гидрофизических исследований физического факультета Московского государственного университета им.

М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук, доцентКоролев Анатолий ФедоровичНаучный консультант:кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникТеплухин Александр ВалентиновичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорЛобышев Валентин Ивановичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникЗахаров Станислав ДмитриевичВедущая организация:Институт радиотехники и электроники РАНЗащита состоится « 21 » декабря 2006 г. в __:___ часов на заседании диссертационного совета K 501.001.08 в Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д.1, стр.2, ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научной библиотеки им.А.М. Горького МГУ им. М.В. Ломоносова (физический факультет).Автореферат разослан «___»2006 г.Ученый секретарьдиссертационного совета K 501.001.08кандидат физико-математических наук, доцентГ.Б. Хомутов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. На сегодняшний день существует большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о влиянии низкоинтенсивногоэлектромагнитного излучения (ЭМИ) на различные биологические процессы в живых организмах (Гордон, 1966; Соловьев, 1967; Толгская, Гордон, 1971; Тягин, 1971; Сердюк,1977; Jungerman, Rosenblum, 1980; Кузин, Каушанский, 1981; Бондаренко, Гак, 1984; Казначеев, Михайлова, 1985; Омори, 1987; Белишева, Попов, 1995; Мартынюк, 1995; Донченко, Кабанов и др., 1996; Отурина, 1997; Шогенов, 1999; Гапеев, Чемерис, 2000;Гольдман, 2002; Барышев, 2003; Фельдман, 2003; Хорсева, 2004; Рощина, 2004; Павлова,2004; Ерохин, Кремцова, Бурлакова, 2005).При взаимодействии низкоинтенсивного электромагнитного излучения (плотностьпотока мощности менее 10 мВт/см2) с биологическими объектами интегральный нагревне превышает 0,1 градуса.

Поэтому эффект от него не связан ни с термическим, ни с радиационным разрушением ткани (Девятков, 1981).Существующие в настоящее время экологические нормативы для радиопередающей аппаратуры, электроаппаратуры и т.д. (СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03; СанПиН2.1.8/2.2.4.1190-03; МГСН 2-03-97) разработаны без учета биологических эффектов отслабых электромагнитных полей (ЭМП). Разрабатываемые новые безопасные для человека критерии применимости низкоинтенсивных ЭМП различных диапазонов частот имощностей, основаны на экспериментальных данных. Они не имеют точного теоретического обоснования получаемых границ безопасного воздействия на человека внешнегонизкоинтенсивного ЭМП. Одной из главных причин, осложняющих их разработку, является отсутствие общепринятого теоретического обоснования механизма воздействия низкоинтенсивных ЭМИ на биологические объекты.В связи с отсутствием у живых организмов специальных рецепторов к миллиметровому излучению (ММ) (Голант, 1989; Девятков, Голант, Бецкий, 1991; Бецкий, 1992),можно предположить высокую роль воды в механизме воздействия низкоинтенсивногоЭМИ на живые организмы.

В пользу этого предположения свидетельствуют биологические эффекты от помещения живой материи в предварительно облученную воду (Гапочка, Королев и др., 1994; Новиков, Кувичкин, Фесенко, 1999).Одно из возможных объяснений феномена воздействия низкоинтенсивного ММизлучения на биологические объекты дано Фрёлихом (Frölich, 1983). Согласно его теории, оно приводит к переходу когерентных дипольных возбуждений в биологическихсистемах из метастабильного состояния в основное состояние.

В результате возникаетбольшое множество молекул воды с согласованным направлением векторов дипольныхмоментов, являющееся частным случаем когерентного состояния многочастичной системы. Это может приводить к структурным изменениям в водных системах, что способнооказать существенное влияние на динамику находящихся в них макромолекул (Соловей,2006).4Учитывая небольшую глубину поглощения ММ-излучения в водных средах(~1 мм), представляется целесообразным построение теоретических моделей их взаимодействия с низкоинтенсивными ЭМП на микроскопическом уровне в присутствии биологически важных ионов.

Важную роль в объяснении свойств воды играет динамика структуры непрерывной сетки из ее водородных связей. В настоящее время имеется большоеколичество экспериментальных данных, доказывающих существование устойчивых кластеров молекул воды при различных условиях (Holland P.M., Castleman A., 1980; BernecheS., Roux B., 2001).В настоящее время отсутствуют экспериментальные методики, позволяющие проводить исследования мгновенной структуры сеток из водородных связей в жидкости. Подобные исследования можно проводить только методами численного моделирования.Однако существующие методы их исследования с помощью матриц смежности или таблиц донорно-акцепторных водородных связей (Маленков Г.Г., Теплухин А.В., ПолтевВ.И, 1989), с помощью теории графов (F.

Harary, 1969) или подсчета количества структурсеток из водородных связей заранее известного типа не учитывают все возможные вариации этих структур в водном кластере с ионом и сложны в интерпретации получаемыхими результатов.Важность понимания механизма воздействия низкоинтенсивного электромагнитного поля на живые организмы обусловила актуальность проблемы исследования и ееособую значимость для повышения эффективности и безопасности регуляции процессовжизнедеятельности биологических объектов, а также разработки критериев безопасноговоздействия на них электромагнитного излучения.Высокая актуальность и недостаточная научная разработанной проблемы определили цель и задачи диссертационной работы.Цель исследования заключается в теоретическом изучении воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на водные кластеры в присутствии ионов.Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в работе необходимобыло решить следующие задачи:1. Систематизировать работы в области воздействия внешнего низкоинтенсивногоэлектромагнитного излучения на водные среды.2. Разработать модель водного кластера с ионом.3. Создать методику анализа структуры сетки из водородных связей в водномкластере.4. Выявить изменения в водном кластере с ионом под воздействием низкоинтенсивного электромагнитного излучения.5.

Определить условия, при которых внешнее низкоинтенсивное электрическоеполе приводит к изменениям в водных кластерах в присутствии ионов.Основная гипотеза исследования: низкоинтенсивное электромагнитное излучение способно изменить положение молекул воды в водных кластерах в присутствии ионов.5Объектами исследования являлись кластеры с ионом Na+ или K+ в окружении различного количества молекул воды.Предметом исследования является процесс воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на водные кластеры в присутствии ионов.Теоретическую и методическую основу диссертации составили труды отечественных и зарубежных ученых по воздействию низкоинтенсивного электромагнитного излучения на водные среды, их моделирования, метод Монте-Карло, метод математического моделирования гидратных кластеров с одним ионом, а также разработанная авторомметодика анализа структуры сетки из водородных связей, образованных молекулами воды в кластере.Научная новизна исследования заключается в том, что в диссертации:1.

Впервые создана методика анализа структуры сетки из водородных связей вкластере, состоящем из иона в окружении произвольного количества молекулводы, учитывающая все ее возможные вариации, за исключением хиральныхконфигураций.2. Выявлены часто реализуемые при температурах 1 и 300 К типы структур сетокиз водородных связей в водном кластере с ионом Na+ или K+ в присутствии 8молекул воды.3.

Показано, что среди конфигураций водных кластеров с ионом, соответствующих наиболее часто встречающимся типам структур сеток водородных связей,отсутствуют конфигурации с наименьшей потенциальной энергией.4. Впервые определены конфигурации кластеров с ионом Na+ или K+ в окружении8 молекул воды при температуре 300 К, в которых происходят достоверные изменения координат у одной из молекул воды под воздействием электрическогополя следующих напряженностей: 112,21 В/м (6,6 мВт/см2); 237,79 В/м(30 мВт/см2);5. Установлено, что электрическая компонента электромагнитного поля приводитк изменению очередности появления равновесных при температуре 300 К конфигураций водных кластеров в присутствии ионов, без изменения весовых коэффициентов, соответствующих их типам структур сеток из водородных связей.6.