Нетепловые механизмы действия электромагнитного поля (ЭМП) низких частот (НЧ) на растительное сырье

АННОТАЦИЯ

Исследовано влияние ЭМП-НЧ на биологические процессы, протекающие в растительном сырье после обработки. Высказан ряд гипотез, объясняющих механизм действия ЭМП-НЧ на физико-химические и биологические системы. Полностью описывается взаимодействие всех биологических систем с электромагнитным полем. Рассматриваются преимущества и недостатки разных гипотез в сравнительном аспекте. Существующие методы воздействия, использующие энергию ЭМП-НЧ, можно разделить на следующие классы: использующие действие электромагнитного поля с магнитной или электрической составляющей, а также комплексные методы воздействия электромагнитного поля в сочетании с термическим нагревом, изменением давления.

ABSTRACT

The influence of EMF-LF on biological processes that occur in plant materials after processing is studied. A number of hypotheses have been put forward explaining the mechanism of action of EMF-LF on physicochemical and biological systems. Describes completely all interactions of biological systems with an electromagnetic field. The advantages and disadvantages of various hypotheses in a comparative aspect are considered. Existing exposure methods using EMF-LF energy. can be divided into the following classes: using the action of an electromagnetic field with a magnetic or electric component, as well as complex methods of exposure to an electromagnetic field in combination with thermal heating, pressure change.

Ключевые слова: электромагнитное поле, низкая частота, крайне низкая частота, физико-химическая система, биологическая система, адаптация, циклотронный резонанс, стохастический резонанс, магнитный эффект, синергетический эффект.

Keywords: electromagnetic field, low frequency, extremely low frequency, physicochemical system, biological system, adaptation, cyclotron resonance, stochastic resonance, magnetic effect, synergetic effect.

Введение. Для представления механизма действия ЭМП-НЧ на сырье растительного происхождения необходимо рассмотреть физико-химические основы процесса. Вопросы, связанные с преобразованием энергии ЭМП-НЧ в энергию тепловых колебаний атомов и молекул биологических систем, решены достаточно полно. С применением теории на практике созданы технологии сушки растительных объектов. Однако мощность таких установок достаточно велика, но проведенные исследования показали, что не все эффекты сводятся к конвекционному нагреву рассматриваемых поверхностей и имеются тонкие эффекты, которые можно использовать в пищевом производстве [3; 6; 5].

Основная доля эффектов ЭМП-НЧ на растительное сырье относится к крайне низкочастотному (КНЧ) диапазону (30–30 Гц), сверхнизкочастотному (30–300 Гц) (СНЧ), поэтому мы основное внимание уделим ЭМП указанных диапазонов. Независимо от того что энергия (Е₁), сообщаемая растительному сырью, ЭМП КНЧ и СНЧ Е₁ = 40 гораздо меньше энергии тепловых колебаний Е₂ = КТ, проведенные исследования подтверждают высокую эффективность действия этих ЭМП. Однако растительное сырье обладает избирательной восприимчивостью к действию ЭМП, которая зависит от напряженности, длительности воздействия и частоты ЭМП [4; 1].

Существует целый ряд гипотез, пытающихся объяснить механизм действия ЭМП-НЧ на растительные системы. К ним относятся: кластерная, ЯМР, ПМР, модуляции под действием ЭМП-НЧ скорости потока взаимодействующих частиц, циклотранного и стохастического резонанса и т.д. [4; 5; 2].

Экспериментальная часть. Вначале исследовали влияние ЭМП-НЧ на химические процессы, так как если такое влияние имеет место, то, следовательно, они окажут влияние также и на растительные объекты, так как химические процессы определяют рост и развитие клеток, превращение энергии в форму АТФ, кодирование генетической информации.

При прохождении электрического тока через раствор в нем могут возникать конвекционные потоки, которые способны привести к перераспределению содержащихся в ней веществ, что может вызвать изменение электрохимических реакций, происходящих на границе раздела раствор – электрод. Энергия взаимодействия иона, находящегося в растворе со слабым электрическим полем, обычно очень мала по сравнению с тепловой энергией. Оценка средней скорости миграции Na⁺ в поле 10³ В/м дает значении 5×10^–5 м/с, тогда как тепловая скорость равна около 4×10² м/с и кинетическая энергия, обусловленная скоростью миграции, равна около 10^–14 от тепловой энергии.

Как показывает опыт, влияние слабых электрических полей на перенос ионов может иметь существенное значение. Например, реакция А + В → С в однородном потоке описывается уравнением  , где n + m – порядок реакции, С_А и С_В – концентрации, а К – константа скорости реакции. В соответствии с уравнением Аррениуса , где z – частота соударений, p – стерический фактор, показыващий долю эффективных соударений (р > 1), Е – энергия активации для реакций, зависящих от диффузии: , где m – приведенная масса, N_A – число Авогадро, σ – поперечное сечение для атомов и молекул, плотность столкновений подчитывается из тепловой диффузии частиц в растворе. Тогда константа скорости реакции при n = m = 1 имеет вид:

.

Энергия активации для реакции, зависящей от диффузии, равна , где μ – коэффициент вязкости жидкости.

ЭМП-НЧ может существенно влиять на ориентацию больших асимметрических молекул, что может повлиять на стерический фактор Р. Молекулы могут ориентироваться в магнитном поле в направлении, благоприятном для реакции, что изменяет, соответственно, число эффективных соударений.

Под действием ЭМП-НЧ магнитоанизотропные частицы, свободно диффундирующие в растворе, могут ориентироваться в пространстве. Для осуществления ориентации порядка 10 % при магнитной индукции В = 1 Тл анизотропия магнитной восприимчивости в расчета на одну частицу должна быть 10^–28 м³, для фенола – 10^–33 м³. Такая ориентация имеет место при степени полимеризации 10⁶–10⁷, что превосходит число аминокислот в белке и может соответствовать ДНК. Однако ориентация ДНК в растворе определяется не всей молекулой, а кулоновским сегментом жесткости (п = 10⁷). Но наблюдаемая в МП 1 Тл очень низкая (S = 10^–7) степень ориентации сегментов жесткости не может привести к достаточному исключению трехмерной структуры ДНК.

При образовании молекулами кооперативных областей с преимущественной ориентацией молекул (домены) и вся система представляет жидкий кристалл. Внешнее ЭМП может вызвать ориентацию доменов, что, в свою очередь, может привести к изменению многих характеристик растворов. Жидкокристаллические магнитные эффекты могут иметь место в реальных биологических мембранах. Если домен занимает площадь мембраны с линейными размерами в несколько микрон, то ориентационный эффект может быть значительным. Размеры биологических мембран незначительно превышают размеры домена, что не позволяет высчитывать величины возможных магнитных эффектов для биологических мембран по данным, полученным для модельных мембран размером (1–10 мм).

Имеются предположения для объяснения наблюдаемых в опытах изменений в скорости энзиматического катализа, вызываемого внешним ЭМП-НЧ влиянием на безызлучательный переход электрона.

При изучении механизма действия ЭМП-НЧ обнаружена зависимость ряда эффектов от изменения свойств водной фазы. Эффекты ЭМП КНЧ, СНЧ диапазонов позволяют рассматривать водную среду в качестве универсальных рецепторных систем ЭМП. Результаты указывают на существенное влияние водной среды на магнитобиологические эффекты.

Имеется большой класс химических реакций, на кинетику которых ЭМП может оказывать существенное влияние. Такие реакции связаны со стадией взаимодействия парамагнитных частиц. Эта пара может находиться в разных электронных спиновых состояниях, которые определяют различные реакции системы. В соответствии с законом сохранения спин продукта реакции может образоваться только по некоторым каналам взаимодействия ЭМП-НЧ со спинами реагентов и может привести к открытию новых или перекрешиванию старых каналов реакции, которые в случае малого времени жизни пары по сравнению с ее временем спин-решеточной релаксации могут изменить скорости прямой и обратной реакций. Достаточное влияние поля может начаться, в отличие от жидких кристаллов, при напряженностях поля от десятка до тысяч А/м.

Предполагается, что существуют две возможности преобразования энергии ЭМП в энергию орбитальных степеней свободы частиц, которые в конечном итоге контролируют биохимические процессы.

Одним из возможных кооперативных механизмов воздействия ЭМП-НЧ низкой интенсивности на биологические и физико-химические системы может быть диссипативный резонанс – явление нарастания колебаний под действием внешних периодических сил за счет образования в системе структуры порядка. Такой резонанс представляет собой частный случай более общего класса процессов сомоорганизации в диссипативных – рассеивающих структурах, отличающихся своей особенностью носить квазипериодический характер изменения некоторых параметров системы.

Простейшая модельная система, в которой налюдается рассеивающий резонанс, представляет собой одномерную струну с расположенными на ней случайным образом одинаковыми частицами, причем эти частицы могут перемещаться на струне.

Способность биологических объектов поддерживать постоянство внутриклеточной среды при изменяющихся внешних условиях, а также адекватно реагировать на воздействия в значительной мере обусловлена существованием кооперативных систем с пороговым реагированием, примером которого является система потенциал-зависимых ионных каналов. В таких системах значение переключающего параметра в устойчивом состоянии близко к пороговому, вследствие чего достаточно незначительного изменения, чтобы вызвать переключение системы. При рассмотрении действия на клетку слабого ЭМП-НЧ, исходя из гипотезы стахастического резонанса, можно предположить, что первичной антенной является бистабильный ионный канал. Периодическое воздействие вызывает синхронное изменение проводимости ионного канала («полена»), сопровождающееся изменением конформации соответствующего белка. Такие синхронные перестройки многих белков-каналов могут затем приводить к синергетическому эффекту с образованием сложных структур на мембране.

Доказано, что совместное действие параллельных постоянного и переменного МП с определенными частотами на движение ионов в макромолекуле в определенных условиях может вызывать появление новых резонансных взаимодействий между Са⁺² и окружающими его другими частицами макромолукулы, что может привести к сравнительно кратковременным нарушениям термодинамического равновесия между тепловыми колебаниями иона и окружающих его частиц данной макромолекулы при включении и выключении ЭМП-НЧ полей, причем величины этих энергетических сдвигов могут оказаться достаточными для изменения квантового состояния макромолекулы и изменения ее конформационного состояния. Таким образом, рассмотренная информация относительно влияния ЭМП-НЧ на растительные объекты позволяет прийти к следующим выводам.

Выводы:

• биологический эффект с данной частотой зависит от спектра ЭМП-НЧ в экспериментальном объеме. Возмущения экстрамагнитного фона, происходящие во время воздействия ЭМП-НЧ, могут влиять на результат опытов;
• при длительном времени действия (время экспозиции на растительное сырье или ее повторение) может наблюдаться кумуляция или сложно-фазная реакция с последующей адаптацией и релаксированием системы к исходному уровню;
• к настоящему времени имеется существенное продвижение в понимании влияния ЭМП-НЧ (КНЧ и СНЧ) диапазонов на физико-химические и биологические системы. Вместе с тем остаются мало исследованными действия на физико-химические и биологические системы амплитудно и частотно-модулированного ЭМП.

Список литературы:
1. Влияние ЭМП НЧ на семена бобовых культур / В.М. Фоличева, В.А. Заславски, Р.Д. Говорун, В.И. Данилов. – Астрахань, 2017.
2. Мухамадиев Б.Т., Гафурова Г.А. Использование электромагнитного поля низкой частоты в пищевой промышленности // Universum. – М., 2020. – Вып. 3 (69), ч. 2. – С. 45–47.
3. Применение электромагнитного пола низкой частоты в технологии пищевых производств / Г.И. Касьянов, Р.С. Решетова, В.Т. Христюк, И.А. Хрипко. – Краснодар, 2018.
4. Решетова Р.С., Касьянов Г.И. Влияние ЭНП НЧ на семена сахарной свеклы. – Краснодар : Экоинвест, 2017.
5. Храпко И.А., Касьянов Г.И. Кочерга А.А. Влияние ЭМП НЧ на семена подсолнечника. – Краснодар, 2015.
6. Христюк В.Т., Касьянов Г.И. Влияние ЭМП НЧ на семена зерновых культур. – Краснодар : Экоинвест, 2014.