Воздействие высокочастотных полей различной физической природы на биологические микрои наносистемы: динамика молекулярно-электронных структур в кластерах живой материи, фрактальные характеристики поверхностей взаимодействия

УДК 546.185:621.28

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ МИКРО- И НАНОСИСТЕМЫ: ДИНАМИКА МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР В КЛАСТЕРАХ ЖИВОЙ МАТЕРИИ, ФРАКТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В.С. Ловейкин, профессор, д.т.н., Ю.В. Човнюк, доцент, к.т.н., О.Ю. Костына, аспирант, А.В. Яворская, аспирант, Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины (НУБиПУ), г. Киев

Аннотация. Рассмотрено взаимодействие биологических микро- (биоклетки) и наносистем (мембраны биоклеток) с высокочастотными полями различной физической природы. В анализе динамики молекулярно-электронных структур в кластерах живой материи учтены фрактальные характеристики поверхностей взаимодействия их отдельных элементов.

Ключевые слова: высокочастотные поля, биологические микро- и наносистемы, молекулярно-электронные структуры, динамика, кластеры, фрактальные характеристики поверхности.

ВПЛИВ ВИСОКОЧАСТОТНИХ ПОЛ1В Р1ЗНО1 Ф1ЗИЧНО1 ПРИРОДИ НА Б1ОЛОГ1ЧН1 М1КРО- I НАНОСИСТЕМИ: ДИНАМ1КА МОЛЕКУЛЯРНО-ЕЛЕКТРОННИХ СТРУКТУР У КЛАСТЕРАХ ЖИВО1 МАТЕРП, ФРАКТАЛЬН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХОНЬ ВЗАСМОДП

В.С. Ловейкш, професор, д.т.н., Ю.В. Човнюк, доцент, к.т.н., О.Ю. Костина, асшрант, А.В. Яворська, асшрант, Нацюнальний ушверситет бюресурав i природокористування УкраТни (НУБШУ), м. Китв

Анотаця. Розглянуто взаемод1ю б1олог1чних мтро- (б1оклтини) й наносистем (мембрани б1о-клтин) з полями високог частоти р1зноматтног ф1зичног природи. В анал1з1 динамти молеку-лярно-електронних структур у кластерах живог матерИ' враховано фрактальт характеристики поверхонь взаемодИ' гх окремих елемент1в.

Ключов1 слова: поля високог частоти, бюлог1чш мтро- i наносистеми, молекулярно-елект-ронн структури, динамта, кластери, фракталью характеристики поверхт.

INFLUENCE OF HIGH-FREQUENCY FIELDS OF DIFFERENT PHYSICAL NATURE ON BIOLOGICAL MKRO- AND NANOSYSTEMS: DYNAMICS OF MOLECULAR-ELECTRONIC STRUCTURES IN CLUSTERS OF THE LIVE MATTER, FRACTAL CHARACTERISTICS OF INTERACTION SURFACES

V. Loveykin, Professor, Doctor of Engineering, Y. Chovnyuk, Associate Professor, Candidate of Technical Science, O. Kostyna, graduate, A. Yavorska, graduate, National University of Life & Environmental Science

of Ukraine (NUBIP), Kyiv

Abstract. The interaction biological micro- (biocages) and nanosystems (membranes of biocages) with high-frequency fields of the various physical nature is considered. In the analysis of dynamics of molecular-electronic structures in clusters of live matter the fractal characteristics of interaction surfaces are taken into account.

Key words: high-frequency fields, biological micro- and nanosystems, molecular-electronic structures, dynamics, clusters, fractal characteristics of surfaces.

Введение

Взаимодействие различных биосистем (микро- и наномасштабного уровня организации) и электромагнитных излучений (ЭМИ), либо излучений другой физической природы (например, гиперзвук, акустоэлектромагнито-термовязкоупругие поля) практически в любом случае ведёт к частичному поглощению веществом энергии. Процессы, происходящие при этом, и приобретенная веществом энергия определяются структурой вещества/ живого (а именно - его составом, молекулярным строением и т.п.), характеристиками высокочастотного излучения (мощностью, частотой, плотностью, интенсивностью потока), характером воздействия (точечным, направленным, объемным). Само излучение (нетепловой интенсивности) не обладает ионизирующей способностью, воздействует только на активные вещества и составы, уже имеющиеся свободные заряды, ионы, диполи, молекулы, атомы, электроны, структурные элементы биоклеток (мембраны, ядра, митохондрии и др.). Биотела микро- и нано-уровневых масштабов характеризуются диэлектрическими свойствами, определяемыми химическим составом, частотой и интенсивностью электрических процессов, происходящих внутри объема биотела.

При взаимодействии полей различной физической природы (ЭМИ, гиперзвук, акусто-электромагнитотермовязкоупругие поля и др.) с такими биотелами возникает два основных эффекта, определяющих изменения начальных свойств живой материи. Колебания свободных зарядов (ионов), молекул приводит к увеличению токов проводимости и потере энергии, связанной с электрическим сопротивлением биотела. Вращение диполь-ных молекул с частотой приложения электромагнитного поля (либо соответствующего гиперзвукового резонанса акустического поля на наноструктурных элементах биоклеток (мембраны)) влияет на токи смещения и диэлектрические потери, обусловленные вязкостью биосреды. Соотношение между этими двумя видами преобразования энергии выражается комплексной диэлектрической проницаемостью или тангенсом угла потерь. Диссипация магнитной энергии в биовеществах зависит от их электрических свойств и размеров биообъекта. Зависимость диэлектрических свойств многокомпонентных биообъектов (а клетки живого как раз относятся

к таковым!) от частоты действующего поля различна.

Наложение на высокочастотные полевые воздействия различной (акустоэлектромагни-тотермовязкоупругой) физической природы полей более низкой частоты (полей модуляции) существенным образом усложняет и обогащает физическую картину электрохимических и динамических процессов, протекающих как в кластерах клеток (десятки, сотни биоклеток, организованные в единое целое - микромасштабный уровень биосистемы), так и в единичных биоклетках, их мембранах (структуры наномасштабного уровня организации живой материи).

Всё изложенное выше требует своего дальнейшего научно обоснованного исследования, классификации, с целью определения возможностей управления микро- и наноси-стемами живой материи, а также при конструировании и эксплуатации в недалёком будущем молекулярных наномашин, наноробо-тов и различных устройств, используемых в высоких технологиях (HIGH TECH) производства современных материалов с уникальными свойствами (в т.ч. в нанотехнологиях, обеспечивающих высокую урожайность сельскохозяйственных культур).

Анализ публикаций

Основные особенности взаимодействия и динамический анализ молекулярно-элект-ронных структур, испытывающих влияние высокочастотных полей электромагнитной природы, рассмотрены, глубоко и всесторонне исследованы (на основе предложенных моделей) в работах [1-8]. Однако высокочастотные взаимодействия полей акустоэлек-тромагнитотермовязкоупругой природы с биосистемами/биотелами практически не изучены и требуют своего исследования для усовершенствования быстро развивающихся в третьем тысячелетии нанотехнологий. Данная работа посвящена именно этим вопросам.

Цель работы

Цель работы состоит в установлении основных особенностей и характеристик взаимодействия высокочастотных полей (свыше 10 ГГц) различной физической природы (в частности, акустоэлектромагнитотермовязко-

упругих, гиперзвуковых (109-1012Гц) с биологическими микро- и наносистемами на основе анализа динамики их молекулярно-электронных/ ионных структур в кластерах живой материи (кластерах биоклеток), в отдельных клетках, их мембранах (наномас-штабный структурный уровень организации живой материи) с учётом поверхностных фрактальных характеристик взаимодействующих элементов (щелевые межклеточные контакты, поверхности мембран клеток и

др.).

Результаты исследования

1. Физические механизмы, лежащие в основе взаимодействия физических полей (гиперзвукового диапазона частот) с микро- и на-носистемами живой материи.

Следует заметить, что резонансы ЭМИ высокой частоты (~60 ГГц) с биотелами [3] микромасштабного уровня определяют размеры живой ткани, которая подвержена такому облучению

/з]

ю

ЭМИ

С

ЭМИ

2п 2п-Ь

хар.

где /зМИ - линейная, а юЭМИ - циклическая частота, соответственно, ЭМИ-излучения, воздействующего на биоструктуру масштаба Ь хар.; СЭМИ = 3 -108 м/с (скорость распространения ЭМИ). Легко установить, что при

/

ЭМИ

60 ГГц, Ьхар « 0,8 -10 м , что соответ-

ствует (при размере клетки живого Ь клетки ~ 10-5 м) геометрическим размерам кластера клеток (~100 клеток), организованных в единое целое. Однако электромагнитное излучение быстро (ввиду большой частоты ЭМИ) затухает в водной среде биоклетки. Поэтому механизм передачи энергии поля такой физической природы кластерам биоклеток живого всегда затруднителен.

С другой стороны, резонансы гиперзвуковых полей тех же частот (/ГЗ « 60 ГГц) возможны на наноструктурных элементах живой материи

/ГЗ =

С

ГЗ

2п-Ьх

где /ГЗ - частота (линейная) гиперзвукового резонанса биосреды; СГЗ - скорость звуковых волн в водной среде/живой материи (СГЗ = 103 м/с), а 4ар - характерный масштаб взаимодействия гиперзвукового поля со структурой живой материи. При

/ГЗ « 60 ГГц Ь* << Ьхар. и составит

Ьхар. ~ 2,65-10-9м

(т.е. наномасштабный структурный уровень организации живой материи). При /ГЗ «10 ГГц Ь*хар «1,6 -10-8м . Следует заметить, что мембраны биоклеток

имеют размеры Ь мембраны ~(1° . .100) нм. Таким образом, в пространстве отдельно взятой клетки живого воздействия ЭМИ КВЧ-диапазона (/ЭМИ ~ 60 ГГц) фактически трансформируется в гиперзвуковые колебания, эффективно влияющие на функционирование мембран отдельных клеток. Данное упрощенное рассмотрение позволяет авторам настоящей работы предположить, что первоначально воздействующее на кластер клеток ЭМИ затем быстро трансформируется в каждой отдельно взятой клетке в гиперзвук, управляющий и корригирующий работу клеточной мембраны (каждой отдельно взятой клетки из первоначально облучённого ЭМИ кластера клеток). Именно мембраны отдельно взятого кластера клеток, облученного ЭМИ нетепловой интенсивности (КВЧ-диапазона), становятся своеобразным нано-преобразователями поля одной физической природы (ЭМИ) в другое (гиперзвук). При этом физические процессы, описанные ниже, одновременно происходят во всех клетках облучённого ЭМИ кластера и дают затем старт развитию лавинообразного процесса в живом, который вовлекает в движение (колебания) и связанную с ним диффузию ионов, электронов через мембраны клеток все новые и новые наноструктуры.

Таким образом, крайне высокочастотные (КВЧ) резонансы ЭМИ нетепловой интенсивности в живой материи на микроструктурном уровне (кластер клеток) трансформируются в резонансы отдельных наноструктур (мембран клеток) и вовлекают весь объем живого в такое возбуждённое состояние (процессы обмена на поверхности мембран отдельных клеток, в межклеточном щелевом пространстве при этом резко интенсифицируются).

При непосредственном воздействии электромагнитной волны на биоструктуру (кластер клеток живой материи), например, внутриклеточную жидкость, в её пограничной зоне, толщина которой определяется размером единичных молекул (нанострук-турный уровень организации живой материи), образуется повышенное давление

Ар = ^12 • I-р-¥,

где I - интенсивность (электромагнитно-го/акустоэлектромагнитного) воздействия;

V = -у/Е / р - скорость распространения акустических/упругих волн в веществе живой материи; Е - модуль упругости этого вещества; р - его плотность (С^З « Е / р).

Этот процесс вызывает изменение плотности в пограничной зоне

Ар =

АР •Р К '

где К - объемный модуль (величина, обратная сжимаемости).

Образуемый при этом градиент плотности является источником диффузионного процесса в объеме вещества клетки. Масса диффундирующего вещества М определяется также по известному выражению [1, 4-6]

М = Д-Ар-БК •г / 5,

где 5 = Д/2п/ - толщина диффузионного слоя; S К - площадь контакта вещества клетки с полем (ЭМИ, гиперзвуковое поле); г -время процесса диффузии; Д = ц/р - коэффициент диффузии; п-вязкость вещества клетки при заданной температуре.

Решая уравнение диффузии относительно времени г, получаем выражение

поля через его напряженность, получим следующую зависимость времени обработки, напряженности и частоты воздействия от физических и геометрических параметров обрабатываемого биотела

г = 0,141-N • М • К • Н- • SKl • х

-1/ -1/ -хп • / •р

34 • Е• Ат

где г - время воздействия ЭМИ (поля) на вещество биоклетки; М - масса её вещества; К - объемный модуль вещества; / - частота (электромагнитного) воздействия; р, п -плотность и вязкость вещества, соответственно; Е - модуль упругости вещества; SK -площадь контакта вещества с (электромагнитным) полем; Z - волновое сопротивление линии передачи; Н - напряженность (электромагнитного) поля; N - степень обработки; Дт - коэффициент, учитывающий влияние температуры.

Зависимость (6), определяющая режимы способа контактной (электромагнитной) обработки вещества клетки, может быть выражена и через выходную мощность Р источника (электромагнитного) поля, определяемую по напряжённости

Н =

; П = -

где /' - критическая частота для цепи передачи; Sц - площадь цепи передачи.

Подобный способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего либо стандартный генератор ЭМИ (типа «ЯВЬ»), либо звуковизор (гиперзвукового диапазона частот), выход которого через цепь передачи соединяется с обрабатываемым объемом вещества биотела/биоклетки.

2. Учёт влияния фрактальности поверхности клеток при анализе влияния на них полей различной физической природы.

Физико-химические свойства клеток живой материи зависят как от их структуры, так и от дисперсности, наличия в них различных примесей. Кислотная активация клеток во многом определяется степенью гетерогенности поверхности их мембран и других характеристик этих фрактальных структурных элементов микро- и наносистем живого. По-

верхностные фрактальные свойства различных материалов, коллоидных растворов, суспензий и пр. рассмотрены в [9]. Поверхность мембран клеток живого также может иметь различную степень гетерогенности и шероховатости, что усложняет их описание (в частности, описание их поверхности) только на основе измерения т.н. удельной поверхности. Рассмотрение поверхности мембран клеток живого с точки зрения фрактальной геометрии даёт возможность охарактеризовать гетерогенность (неупорядоченность) одной величиной - поверхностной фрактальной мерностью. В работе [9] рассмотрены физико-химические и реологические свойства водных дисперсий, например, смектитов, исходя из представлений фрактальной геометрии и механизмов физико-химических процессов в этих системах. Это описание более полное по сравнению с описанием, которое использует только реологические данные.

Кластеры клеток живого как агрегаты образуются в процессе коагуляции и межклеточных взаимодействий отдельных клеток живого, имея при этом (мульти-) фрактальную структуру, мерность которой связана с особенностями указанных взаимодействий в нано- и микросистемах живой материи. В литературе мало внимания уделяется свойствам поверхности клеточных мембран с точки зрения фрактальной геометрии. Поэтому одна из целей настоящего исследования состоит в установлении роли и взаимосвязи между физико-химическими свойствами мембран биоклеток живого и их поверхностной фрактальной мерностью (как нанообъек-тов живого).

Фрактальность поверхности можно определять, исходя из теории полимолекулярной адсорбции Frenkel -Hasley - Hill (FHH) [10] в соответствии с уравнением

— *\RT - ln( Ps / P)]S,

а

где Р и Р5 - относительное давление и давление насыщения; а и ат - адсорбция поверхности мембраны клетки при данном давлении и при заполнении моношара (её поверхности); 5" - показатель, который может быть связан со значениями поверхностной фрактальной мерности Д [10].

При малых давлениях, когда взаимодействие между адсорбированными молекулами и поверхностью преимущественно определяется взаимодействиями Ван дер Ваальса

S = -1. 3

При высокой степени заполнения более существенными становятся эффекты капиллярной конденсации, и тогда справедливо другое соотношение

s = Д, - 3.

Чтобы определить, какой из формул (9) или (10) следует пользоваться, рассчитывают коэффициент

5 = 3-(1 + S )-2.

В случае, когда 5>0, капиллярная конденсация является несущественной и используют формулу (10); при 5<0 используют формулу (9).

В соответствии с данными работы [10] величину Д3 желательно оценивать в интервале давления, который отвечает мономолекулярной прослойке/шару. При этом график зависимости (8) следует представлять в двойном логарифмическом масштабе.

Экспериментальные исследования Д5 дают пока что противоречивые результаты, а именно: при кислотной обработке кластеров клеток величина Д5 может как повышаться, так и уменьшаться. Однако указанная обработка, кроме того, приводит к возрастанию удельной поверхности кластера, увеличению размеров самих клеток при незначительном изменении размеров пор (ионных каналов) мембран. Таким образом, на основе изотерм адсорбции азота мембранами клеток живого можно рассчитывать поверхностную фрактальную размерность их кластеров.

Выводы

1. Установлены основные закономерности динамики молекулярно-электронных структур в кластерах живой материи, взаимодействующих с различными физическими полями.

2. Предложен подход, позволяющий учитывать фрактальные характеристики поверхно-

стей взаимодействия кластеров клеток, влияющих на: а) межклеточные взаимодействия; б) физико-химические свойства самих поверхностей.

3. Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для уточнения и совершенствования существующих инженерных методов расчета биосистем нано- и микроструктурного уровня, а также в нано-технологиях живого.

Литература

1. Галуза А.А. Инвариантные временные

свойства электромагнитных импульсов, распространяющихся в рассеиваемой поглощающей неоднородной среде / А.А. Галуза, А.С. Мазманишвили // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2001. - Т.6, №1. - С. 21-27.

2. Бучаченко А.Л. Магнитные и спиновые

эффекты в химических реакциях / А.Л. Бучаченко, Р.З. Сагдеев, К.М. Са-лихов. - Новосибирск : Наука, 1973. -298 с.

3. Шван Х.П. Воздействие высокочастотных

полей на биологические системы: Электрические свойства и биофизические механизмы / Х.П. Шван, К.Р. Фостер // ТИИР. - 1980. - Т.68, №1. - С. 121-132.

4. Желонкин А.И. Механизм электромагнит-

ной коррекции преобразователей / А.И. Желонкин // ЬУ Научная сессия, посвящённая Дню радио «Радиотехника, электроника на рубеже тысячелетия». Российское НТО «Радиотехника, электроника и связь им. А. С. Попова». - М., 2000.

5. Желонкин А.И. Суперпозиционное элек-

тродинамическое воздействие на характеристики МЭ преобразователей /

A.И. Желонкин // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот.

- 2002. - Т. 10, №3(35). - С. 216-220.

6. Желонкин А.И. Взаимодействие электро-

химических процессов, электрических и электромагнитных полей / А.И. Желонкин // Журнал НИИ «Квант». «Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика». - 2000. - № 10-11.

7. Патент №2091324. Российская Федерация.

МПК 6С02П/48 Способ электромагнитной обработки веществ / А.И. Желонкин,

B.Ю. Михеев ; заявитель В.Ю. Михеев, патентообладатели А.И. Желонкин, В.Ю. Михеев. - № 96101414/25 ; заявл. 23.01.1996 ; опубл. 27.09.1997, Бюл. № 27.

8. Желонкин А.И. Методы обработки по-

верхностей и объёмов молекулярно-электронных структур / А. И. Желонкин // Нано- и микросистемная техника. -2007. - №1. - С. 53-57.

9. Van Damme H. Flow and Interfacial Instabili-

ties in Newtonian and Colloidal Fluids / H. Van Damme // The Fractal Approach to Heterogeneous Chemistry ; Ed. by D. Avnis.

- Chichester, 1989. - P. 199-226.

10. Chung-Kung Lee. Surface Fractal Dimensions of Alumina and Aluminium Borate from Nitrogen Isotherms / Chung-Kung Lee, Cherug-Shyan Tsay // I. Phys. Chem. B.

- 1998. - Vol. 102. - P. 4123-4130.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.