Влияние ультразвука и электромагнитных полей на живые объекты

     Содержание 

      Введение                                                                                                            3

   1 Аналитический  обзор

   1.1  Влияние ультразвука на биологические объекты                                    5

   1.2 Влияние электромагнитных полей на живые организмы                       12

     2  Объекты исследования

     2.1 Saccharomyces cerevisiae                                                                            16

     2.2 Процесс брожения                                                                                      19

   3 Выводы  по работе                                                                                          23

Список использованных источников                                                             24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

  Развитие науки и техники привело к широкому использованию на практике самых различных волновых процессов. В результате этого живые системы подвергаются воздействию волн не только естественного, но и искусственного происхождения. Можно сказать, что живые организмы буквально купаются в этих волнах. Можно привести много примеров повышенной чувствительности живых организмов к внешним полям, в том числе и акустическим. Физические поля самых разных типов в процессе эволюции живых организмов оказывают на них существенные влияния.

    Различные волновые, или колебательные процессы, возникают также в процессе жизнедеятельности организма. Сравнительно давно появилось отчетливое понимание того, что живые организмы не только активно используют волновые процессы в своей деятельности, но и способны чутко реагировать на внешние воздействия, имеющие волновую природу, например, звучание колоколов, которые еще с древних времен своим акустическим воздействием гармонизировали пространство обитания людей. Звоны колоколов оказывали целительное воздействие во время эпидемий чумы и холеры.

    За последние 30 лет накопился определенный объем теоретических и экспериментальных исследований по изучению волновых процессов в живой природе. Ответная реакция живой системы на внешние волновые воздействия может происходить на различных структурных уровнях живого организма – от молекулярного до субклеточного, клеточного уровня. Чувствительность живых систем к внешним акустическим воздействиям зависит в первую очередь от диапазона частот и интенсивности (мощности) колебаний. Изучение различных аспектов воздействия акустических полей  с живыми объектами представляет не только научный, но и большой практический интерес. Первичные эффекты такого взаимодействия, которые оказывают определяющее воздействие на поведение живого объекта, разыгрываются в основном на уровне клетки, являющейся простейшей (элементарной) живой системой.  Волновые процессы очень важны для жизнедеятельности организмов и в отсутствии внешнего взаимодействия.

  Можно было бы также говорить в прямом смысле о резонансном взаимодействии живых организмов с волнами акустической, электромагнитной и другой природы. Понимание механизмов взаимодействия внешних полей с биосистемами требует изучения роли гармонических и других колебаний, синхронизации колебаний и когерентности в жизнедеятельности организма, а также структурных изменений в клетках, сопровождающих как возникновение в них колебаний, так и коррекцию существующих режимов жизнедеятельности того или другого органа.

     В данной курсовой работе объектом рассмотрения являются

живые организмы, которые в процессе жизнедеятельности  и эволюции подвергаются действию, как внешних источников физических полей, так и сами являются их источниками. Предметом изучения служит совокупность явлений, возникающих при воздействии физических полей на биологические

объекты. Целью данной курсовой работы является изучение влияния воздействия различных физических полей на живые организмы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Аналитический обзор

1.1 Влияние ультразвука  на биологические объекты

     При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

     Биологическое действие ультразвука, то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется главным образом интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1—2 вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки).

       При поглощении ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

       В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и др. жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу. [1]

     Биологическому  действию ультразвука посвящено большое число исследований. Это связано с тем, что при ультразвуковом облучении биообъектов возникают различные явления (диспергирование, кавитация, термическое и окислительное действие), которые могут оказывать существенное влияние на живые организмы [2]. Если учесть, что в ультразвуковом поле частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями и что в облучаемой жидкости на малых расстояниях (равных половине длины звуковой волны) возникают разности давлений в несколько атмосфер, то легко себе представить насколько перспективным является применение данного физического фактора в областях биологии, микробиологии, в частности в разделении микробных       клеток на антигенные комплексы для разработки нового класса вакцин из нативных клеточных компонентов [3].

     Причинами изменений, возникающих в биологических объектах под действием ультразвука, могут быть вторичные эффекты физико-химического характера. Так, под действием акустических волн происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроструктур, а кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей.

     Перспективным оказалось применение ультразвука для выделения из продуцента Erwinia carotovora модифицированной аспарагиназы, которая характеризовалась высокой противоопухолевой способностью [4].

     Ультразвуковые  низкочастотные поля ускоряют процессы диффузии, повышают проницаемость клеточных оболочек. В результате увеличивается выход белков, что используется для получения пептидов [2, 6]. Поскольку получаемый материал содержит большое число белковых и биополимерных комплексов, возникают трудности при получении высокоочищенных препаратов. Данный технологический прием имеет преимущества над другими менее щадящими физико –химическими методами в том, что не вызывает денатурацию полипептидных цепей и сохраняет нативность их химической структуры .

     Степень разрушающего действия ультразвука находится в зависимости от его мощности, частотного диапазона, экспозиции, а также от морфологических и функциональных особенностей облученных микроорганизмов. Как правило, ультразвуковые колебания приводят бактериальные клетки к гибели, при этом данная микробная суспензия не теряет своих иммуногенных и антигенных свойств [2]. Изменяя интенсивность УАВ можно добиться снижения токсичности бактериальной суспензии, сохраняя ее антигенность. Эти положительные качества ультразвука используют в научных разработках для получения высокоэффективных бактериальных вакцинных препаратов . [6]

     Отдельным направлением изучения применения ультразвукового фактора является разработка методов дезинтеграции микроорганизмов для получения иммунобиологических препаратов.

     Ультразвуковые  колебания успешно применяют также для получения белковых антигенов из таких бактерий как Bacillus subtilis , Halobacterium halobium, Methylobacillus flagellatum . Физические методы получения антигенов привлекают исследователей простыми технологиями, которые легко поддаются стандартизации. Низкочастотное озвучивание (22 кГц и 44 кГц) клеток Escherichia coli при температуре 2 - 4ºС в течении 5 минут в режиме 30 ׳׳ воздействия с тридцатисекундной паузой с последующим хроматографическим разделением полученных фракций позволило получить эндотоксин [7].

     Высокочастотный ультразвук (830 кГц) слабой мощности (0,4 – 2,0 Вт/см2) вызывает стимуляцию роста Proteus vulgaris. Исследователями предложено использовать данный физический фактор для интенсификации процессов накопления микробной биомассы [8].

     В серии работ изучали действие ультразвука на Bordetella pertussis [9]. Большинство ученых использовали низкие частоты УАВ для разрушения клеток коклюша. Меньше работ посвящено изучению влияния ультразвуковых волн высокой интенсивности.

     В литературе представлены материалы  об успешном разрушении клеток возбудителя коклюша с помощью физико-химических методов [10]. Для этого использовали ультразвуковую дезинтеграцию бактерий в сочетании с различными химическими детергентами (дезоксихолат, додецилсульфат натрия). Применение данной комбинированной технологии позволяет получать высокоочищенные антигены, которые обладают низкой реактогенностью и отличаются активностью в серологических реакциях [11].

     Перспективность результатов приведенной серии работ в отношении получения коклюшных антигенов можно оценить только после определения:

какие по химической структуре выделяются клеточные комплексы, и в какой степени они сопоставимы по биологическим свойствам с аналогичными фракциями, выделенными с помощью химических методов.

      В настоящее время, ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется  с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток.

       Оксиление холестерола клетками Rhodococcus erythropolis, дегидрогенирование  кортизола неподвижными клетоками  Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом  воздействии на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью 2,2 Вт/см2. Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны.

     Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета.

       Ультразвуковая дезинтеграция клеток  получила широкое применение  в биотехнологии, в биохимических  и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ и фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.

     Стерилизующий эффект ультразвука обусловлен разрушающим  воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см3 молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см3 его остается около 3000 КОЕ.

       Механизм стерилизующего действия  ультразвука весьма сложен и  раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает в первую очередь там, где прочность жидкости наименьшая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. При образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков МПа.