МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
ИМЕНИ Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА
УДК 539.1.0447+621.384.6
ВГК ОКП
№ госрегистрации
Инв. № 2010/
|
УТВЕРЖДАЮ
Заместитель директора
Научно – исследовательского института
ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Московского государственного университета
имени М.В. Ломоносова
____________В.И. ОСЕДЛО
“____”_______________ 2010 г.
|
ОТЧЕТ
о научно-исследовательской работе
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ГИПОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЙ В ДАЛЬНЕМ КОСМОСЕ
СЛАБЫМИ ПЕРЕМЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
НА ФОНЕ МОДЕЛИРУЕМОГО ОБЛУЧЕНИЯ
ГАЛАКТИЧЕСКИМИ КОСМИЧЕСКИМИ ЛУЧАМИ
Хоздоговор 85-10
заключительный
Руководитель темы,
зав. лабораторией,
канд. физ.- мат. наук. А. В. Спасский
«___» __________2010 г.
Москва, 2010
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель договора,
Зав. лабораторией,
канд. физ-мат. наук
|
|
А.В. Спасский (введение, раздел 1, 2.5, 3, заключение)
|
Исполнители:
Ст. научный сотр.,
канд. физ-мат. наук
|
|
В. М. Лебедев (разделы 2.1, 2.2, 2.4, 2.5, 3.3)
|
|
|
|
Главный инженер
циклотрона
|
|
Е.Ф. Кирьянов (раздел 2.1, 2.2, 2.5)
|
Ведущий программист
|
|
Н.В. Орлова (раздел 2.4, 3. 4)
|
Соисполнители:
профессор,
д-р биол. наук
кафедра биофизики биологического факультета МГУ
|
|
Г. В. Максимов, (разделы 1, 2.3, 3.2, заключение)
|
Реферат
Отчет 39 с., 1 ч., 12 источников, 18 приложений.
Межпланетный полет, ионизирующее излучение, циклотрон, гипомагнитные условия, биологическое действие, комбинированное воздействие гипомагнитных условий и слабых переменных электромагнитных полей, эритроциты и плазма крови, эмбрионы перепелов в гипомагнитных условиях, снижения воздействия гипомагнитных условий с помощью слабых переменных электромагнитных полей.
Цель работы:
- разработка новых и модернизация имеющихся инженерно-физических и биофизических методов, средств и технологий для оценки возможности снижения с помощью слабых переменных электромагнитных полей воздействия моделируемых гипомагнитных условий на биологические объекты и модельные физико-химические самоорганизующиеся системы на фоне моделируемого облучения галактическими космическими лучами;
- исследование возможности снижения слабыми переменными электромагнитными полями воздействия моделируемых гипомагнитных условий на биологические объекты и модельные физико-химические самоорганизующиеся системы, в том числе на фоне моделируемого облучения галактическими космическими лучами;
- участие в испытании действующего макета-аналога геомагнитного поля (ГМП) для защиты биообъектов от гипомагнитных условий космического пространства.
Методы и методологии проведения работы:
Экспериментальные исследования выполнены с помощью комплекса методов и подходов:
1. Спектроскопия комбинационного рассеяния, которая позволяет изучать колебательные и вращательные состояния молекул гемопорфирина и каротиноидов.
2. Спектроскопия активности АОС плазмы крови.
3. Облучение альфа-частицами (энергия 30 МэВ и ниже) и дейтронами (энергия 15 МэВ и ниже) из циклотрона НИИЯФ МГУ. ЛПЭ таких частиц соответствует ЛПЭ релятивистских ядер галактического излучения с атомными номерами 12 и выше, что и позволяет моделировать их биологическое действие.
4. Гипомагнитные условия создавались с помощью разработанных и изготовленных ранее гипомагнитных камер и катушек Гельмгольца.
5. Переменные магнитные поля (частота 50 Гц, поле 0,33 мкТл) создавались с помощью специальных дополнительных катушек в системе катушек Гельмгольца
Результатами работы являются:
2. Методики и устройства для проведения исследований в условиях воздействия гипомагнитных условий и потоков заряженных частиц на некоторые биологические объекты и модельные биологические и физико-химические системы.
3. Результаты исследования воздействия гипомагнитных условий и потоков заряженных частиц с высокой величиной ЛПЭ на биологически важные структуры (каротин, гемоглобин и др.), биологические объекты (эмбрионы японских перепелов) и некоторые модельные биологические и физико-химические системы
4. Показано, что эти воздействие приводят к изменению способности связывать кислород и регулировать свободно - радикальные процессы, что обусловлено конформационными перестройками порфиринового макроцикла гемоглобина и мембраносвязанных каротиноидов и изменением активности супероксиддисмутазы плазмы крови.
5. Показано, что воздействие гипомагнитных условий на эмбрионы японских перепелов (перепела могут явиться важным элементом биорегенеративных систем жизнеобеспечения межпланетных кораблей) приводит к нарушениям в развитии и вызывает патологические изменения на ранних стадиях эмбриогенеза, некоторые из которых несовместимы с жизнью.
6. Найдено, что слабые низкочастотные электромагнитные поля с выбранными параметрами, по-видимому, не компенсируют воздействия гипомагнитных условий на развитие эмбрионов японских перепелов.
7. Испытания показали, что действующий макет защиты биообъектов от электромагнитных факторов космического пространства создает магнитное поле с однородностью, требуемой для аналога геомагнитного поля.
Полученные результаты важны в проблеме обеспечения безопасности экипажей космических кораблей при дальних полетах и работе на будущей лунной базе.
Работы проводились совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ.
При выполнении работы учитывали требования биоэтики.
СОДЕРЖАНИЕ
|
|
Введение
|
7
|
1. Выбор направления исследования
|
9
|
2. Методы и средства исследования воздействия гипомагнитных условий и комбинированного действия ГМУ и слабых переменных электромагнитных полей на биологические объекты.
|
9
|
2.1 Средства для создания ГМУ, слабых переменных электромагнитных полей и ионизирующего излучения.
|
9
|
2. 2 Некоторые методические особенности исследования воздействия ГМУ на эмбрионы японского перепела
|
10
|
2. 3 Особенности методики исследований с клетками и плазмой
крови
|
12
|
2. 4 Методика работы с модельными биологическими и физико- химическими системами
|
13
|
2. 5 Макет-аналог геомагнитного поля (ГМП)
|
14
|
3. Результаты исследования возможности снижения воздействия
гипомагнитных условий слабыми переменными электромагнитными
полями
|
15
|
3.1 Результаты исследования воздействия ГМУ на эмбрионы японского перепела
|
15
|
3. 2 Результаты исследований с клетками и плазмой крови
|
16
|
3.3 Результаты исследования с модельными биологическими и физико-химическими системами
|
17
|
3. 4 Основные характеристики действующего макета-аналога геомагнитного поля (ГМП) для защиты биообъектов от гипомагнитных условий космического пространства
|
18
|
Заключение
|
19
|
Список использованных источников
|
21
|
Приложение
|
22
|
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,
СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
КП – космическое пространство
ГМП – геомагнитное поле (магнитное поле Земли)
ММП - межпланетное магнитное поле
ГМУ – гипомагнитные условия
ЛПЭ – линейная передача энергии
ГМК – гипомагнитная камера
КР – комбинационное рассеяние света
РКР – резонансное комбинационное рассеяние света
СКР – спектрометр комбинационного рассеяния света
СОД – супероксиддисмутаза
ИИ – ионизирующее излучение
ЦП – церулоплазмин
АФК– активная форма кислорода
ТЗЧ – тяжелые заряженные частицы
ДНК – дезоксинуклеиновая кислота
ПМП – переменное магнитное поле
ПОЛ - перекисное окисление липидов
(ТБК-АП) - активные продукты, реагирующие с тиобарбитуровой кислотой
АОС – антиоксидантная система
Hb - гемоглобин
Введение
При полете в дальнем космосе на живые системы будут воздействовать факторы, которые ранее не воздействовали при околоземных полетах и полетах к Луне или действовали в ослабленном состоянии. К ним следует отнести, в частности, магнитную обстановку в дальнем космосе. Напряженность межпланетного магнитного поля (ММП) на три-пять порядков ниже привычного геомагнитного (ГМП).
При межпланетном полете с высадкой на Марс и работах на лунной базе человек будет длительное время (до сотен суток) находиться в магнитном поле, величина которого существенно ниже привычного ГМП. Биологические эффекты пониженного магнитного поля большей частью свидетельствуют об его отрицательном влиянии на жизнедеятельность. Однако эти эффекты и их возможные механизмы исследованы слабо.
Особенно уязвимы организмы в стадии развития. Так, отмечалось неправильное развитие личинок японского тритона вплоть до появления двухголовых особей [1], парезы ног и крыльев у 20-40% вылупившихся цыплят [2], остановка в развитии двухклеточных зародышей мыши [3].
Наблюдалось изменение поведенческих реакций крыс-самцов (резко возросшая агрессивность и другие явления) в сниженном в 500-700 раз ГМП [4].
Отмечено воздействие гипомагнитных условий на когнитивные функции у человека [5].
В настоящее время имеется существенное продвижение в объяснении биологического действия пребывания в низких и сверхнизких магнитных полях. Использованы подходы на основе теоретической физики (см., например, [6,7]). Показано, в частности, что в гипомагнитных условиях (ГМУ) повышается вероятность диссоциации комплексов ион-белок.
В предыдущих отчетах по теме настоящего договора было показано влияние раздельного и комбинированного ГМУ и потоков заряженных частиц с высокими значениями линейной передачи энергии (ЛПЭ) на биологические объекты и модельные самоорганизующиеся физико-химические системы. В частности, наблюдалось изменение параметров возбудимости нервного волокна, изменение способности связывать кислород (конформация порфиринового макроцикла гемоглобина) и регулировать свободнорадикальные процессы (активность супероксиддисмутазы плазмы крови).
Известно, что экстремальные воздействия на живые организмы, а ГМУ и ионизирующее излучение такими являются, вызывают в нервной клетке и эритроцитах не только снижение возбудимости и способности переносить кислород, но и повышенную генерацию активных форм кислорода (АФК), в умеренных количествах стимулирующих защитные ресурсы организма посредством усиления скорости метаболических процессов. Однако значительное превышение уровня АФК над нормой может вызвать окислительные повреждения мембран, белков и ДНК. В связи с этим целесообразно исследовать изменения в клетках конформации и активности отдельных молекул (гемопорфирин и каротин) и ферментов плазмы крови. Основным фактором, контролирующим содержание АФК в организме, является система ферментов, ключевую роль в которой играют антиоксидантные ферменты (супероксиддисмутаза, церулоплазмин, каталаза и др). Активность этих ферментов в плазме крови является основным показателем антиоксидантного статуса организма. Кроме того, главной характеристикой форменных элементов крови, изменяющейся при действии стрессовых условий, являются свойства гемоглобина.
Актуальность работы обусловлена проблемой безопасности при планировании полетов в дальнем космосе и длительных работах на Луне. Для исключения срыва выполнения миссии в дальнем космическом полете необходим учет как рассмотренных в настоящей работе, так и многочисленных других опасностей.
Новизна заключается в том, что:
-исследуется воздействие гипомагнитных условий на ранние стадии эмбриогенеза птиц (японских перепелов), что важно как в практическом отношении, так и в плане научно-фундаментальной значимости.
-делается первый шаг в выяснении того, может ли слабый электромагнитный фон (и, в частности, ожидаемый фон электрических систем будущего межпланетного корабля) нейтрализовать биологическое действие гипомагнитных условий окружающего пространства.
1 Выбор направления исследований
Выбор направлений исследования определялся приведенными выше целью и задачами, а именно:
- необходимостью проведения исследования возможности снижения воздействия гипомагнитных условий в дальнем космосе с использованием слабых переменных электромагнитных полей;
- необходимостью испытания действующего макета защиты биообъектов от электромагнитных факторов КП.
Работы проводились совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ. При выполнении работы учитывали требования биоэтики.
2 Методы и средства исследования воздействия гипомагнитных условий и комбинированного действия ГМУ и слабых переменных электромагнитных полей на биологические объекты
2.1 Средства для создания гипомагнитных условий и комбинированного действия ГМУ и слабых переменных электромагнитных полей на биологические объекты на фоне ионизирующего излучения
Подробное описание устройств, служащих для создания ионизирующего излучения и гипомагнитных условий было дано в отчетах по предыдущим работам. В работах этого года использовали как систему колец Гельмгольца, так и многослойные камеры из магнитно-мягкого материала – одного из видов аморфного пермаллоя.
Ниже кратко приведем основные характеристики этих устройств.
120–см циклотрон НИИЯФ МГУ позволяет получать пучки дейтронов и ядер 4Не (альфа-частицы) с энергией 7,5 МэВ/нуклон. Ток выведенного из ускорительной камеры циклотрона пучка можно изменять от сотых долей мкА до нескольких мкА. Величина ЛПЭ ускоренных частиц для воды, которая является основным ингредиентом исследуемых биообъектов, составляет от 10 до 24 кэВ/мкм, что соответствует ЛПЭ релятивистских ядер галактических космических лучей (ГКЛ) от углерода до натрия-магния.
Общая схема установки приведена на рисунке 1 (Приложение А). Пучок альфа-частиц (или дейтронов) из циклотрона (1) проходит по ионопроводу (4) через квадрупольные линзы (2), отклоняющий магнит (3), защитную стену (5), вакуумный клапан (6), систему диафрагм (7), далее выходит из окна (8) ионопровода на воздух и попадает на рабочую кювету или капилляр, содержащие исследуемый биообъект (11). Таким образом, облучаемый биообъект располагается в помещении, соседнем с залом циклотрона, и удален от последнего примерно на 20 м. При исследовании влияния ГМУ капилляр помещается в ГМК, которые располагаются внутри системы катушек Гельмгольца (12, 13). При необходимости облучаемый объект может просматриваться веб-камерой (10)
Для размещения биообъектов под пучком был также разработан и изготовлен (или модернизирован) ряд приспособлений, в которых учитывались особенности работы с данным биообъектом.
Подробное описание устройств для создания гипомагнитных условий с кратностью ослабления ГМП до 103 также было дано в предыдущих отчетах. Здесь же остановимся кратко только на тех особенностях устройств, которые использованы при выполнении настоящего договора.
Настоящие исследования были выполнены на базе разработанных и созданных устройств для исследования воздействия гипомагнитных условий на биологические объекты и модельные физико-химические системы при кратности ослабления до 102 (три многослойные камеры из мягкомагнитного материала – одного из видов пермаллоя- К1, К2 и К4. Общий вид камер приведен на рисунке 2 (Приложение Б). Для получения максимального ослабления ГМП была использована система катушек Гельмгольца совместно с гипомагнитными камерами (рисунок 3, Приложение В).
Кольца Гельмгольца ориентировали по магнитному меридиану, что практически исключило необходимость заводить ток в третью пару трехкомпонентной системы колец Гельмгольца.
Величина ГМП определялась по показаниям высокочувствительных магнитометров НБ0599А или НВ204.2А производства «НПО ЭНТ».
2.2 Некоторые методические особенности исследования воздействия ГМУ на эмбрионы японского перепела
Исследование воздействия ГМУ на эмбрионы японских перепелов выполнялось с использованием колец Гельмгольца, при ослаблении ГМП в 10 2 раз. Инкубатор помещался в центре колец (Рисунок 4 (Приложение Г)). Яйца (8 шт.) располагались в инкубаторе на специальной подставке (рисунок 5 (Приложение Д)), которая помещалась на столике.
Столик из оргстекла со змеевидной канавкой внутри, на котором размещали подставку с гнездами для яиц перепелов, был размещен на поролоновой подложке для термоизоляции. Через канавку подавалась вода от термостата.
Для создания «подсветки» слабыми переменными полями низкой частоты в экспериментах по исследованию комбинированного воздействия на эмбрионы японских перепелов в кольцах Гельмгольца были установлены дополнительные витки, ток в которые подавался от сети переменного тока 50 Гц через разделительные конденсаторы (Рисунок 6 (Приложение Е). Предусмотрена возможность подачи в дополнительные витки электрических импульсов различных частот и формы с помощью генератора стандартных импульсов и усилителя электрических импульсов. Величина емкости конденсаторов выбиралась такой, чтобы их сопротивление переменному току было намного больше выходного сопротивления источников питания колец Гельмгольца, что обеспечивало электрическую развязку. Сопротивление витков «подсветки» много меньше реактивного сопротивления конденсаторов. Это гарантировало низкое напряжение (порядка долей Вольта) на витках, что исключало воздействие электрического поля сети и дополнительно обеспечивало безопасность работы.
Напряженность переменного поля от дополнительных витков рассчитывали по известным формулам, зная величину переменного тока в них, которую измеряли прибором Ц434. Рассчитанная величина поля составляла около 0,33 мкТл.
В контрольных экспериментах питание колец Гельмгольца и дополнительного витка отключали. Длительность каждого из экспериментов – четверо суток.
Как уже было отмечено, для изучения влияния эффекта гипомагнитных полей на биологический объект был выбран японский перепел (Coturnix Coturnix japonica dom.). Японский перепел отличается от всех одомашненных птиц тем, что у него период эмбрионального развития от яйца до вылупления птенца составляет 17,5-18 суток. Эмбриональное развитие – это процесс, имеющий две взаимосвязанные характеристики: рост и дифференциация. Рост – это увеличение массы тела зародыша, связанное с размножением клеток и увеличением их в размере. Дифференциация – это качественная основа процесса развития, специализация клеток и тканей. Онтогенез птиц состоит из небольшого числа морфологических этапов, в течение которых закладка того или иного органа становится особенно чувствительной к различным повреждающим условиям. Такие периоды были названы критическими. В эмбриогенезе японского перепела можно выделить 4- возрастные критические этапа: 4-е, 7-е сутки, 10 и 15-16 сутки развития, которые отличаются не только анатомическими и морфометрическими данным, но и особыми формами обмена.
Органы, которые у взрослой птицы несут функции пищеварения, дыхания и выделения, у эмбриона выполняют временные органы, которые после вылупления птенца атрофируются. Поэтому особенно важно на ранних этапах эмбриогенеза оценить состояние таких органов, как желточный мешок, амнион и аллантоис.
В данном эксперименте оценка влияния гипомагнитных полей на эмбриональное развитие перепела проводилась на 4-х суточных эмбрионах. В норме 4-суточный зародыш имеет четко выраженные анатомические данные, с зачатками (почки) крыльев и лап, с развитым пигментированным глазом и завершенным органогенезом. На этом этапе развития кровеносные сосуды покрывают половину желточного мешка (Рисунок 7 (Приложение Ж)). Кровообращение – это первая функционирующая система развивающегося эмбриона. На 3-4 сутки развития начинается процесс формирования четырехкамерного сердца, когда между предсердиями начинает расти перегородка, а на 6 сутки развития у эмбриона перепела полностью образуются межпредсердные и межжелудочковые перегородки.
Полученные в экспериментах и в контроле результаты сопоставляют.
2. 3 Особенности методики исследований с клетками и плазмой крови
|
