Согласно представлениям ряда ученых, инфранизкочастотные и квазипосто­янные электромагнитные поля, которые ге­нерируют либо могут генерировать биологи­ческие структуры, участвуют в механизмах регулирования и управления ростом, размно­жением, поведением, развитием, старением и другими процессами жизнедеятельности [21, 30, 34, 71, 73, 82].

Электромагнитные составляющие биологических процессов

В ряде работ показано, что электромагнит­ные поля (ЭМ-поля), обусловленные асим­метричным распределением ионов на клеточ­ных мембранах и двойными электрическими слоями на границах мембранных и немемб­ранных структур клетки с окружающей сре­дой[i], участвуют в процессах, происходящих на молекулярном и надмолекулярном уров­нях биологической интеграции. Частоты этих полей близки к нулю, а величины их напря­женности порядка 10⁶-10⁸ В/м быстро умень­шаются с расстоянием и в нескольких нано­метрах от структуры становятся близкими нулю [3, 17, 18]. Они принимают участие в возбуждении и кооперативных перестройках мембран, в процессах окислительного фосфорилирования, в механизмах транспорта ионов через мембраны, являются движущей силой вращения жгутиков в мембране по­движных бактерий, влияют на активность мембраносвязанных ферментов и на другие процессы в сфере их действия, т. е. в зоне нескольких нанометров [6, 12, 31, 55, 60, 62, 72, 78].

Наряду с описанными локальными поля­ми объем клеток и тканей пронизывает ЭМ-поле, которое обусловлено биоэлектрическим феноменом, известным под различными на­званиями: постоянный ток (ПТ)[ii], постоян­ный потенциал, метаболический потенциал, потенциал градиента основного обмена и др. [28]. В тканях человека, животных и расте­ний величины напряжений ПТ лежат в пре­делах 10^-2—10^-1 В, а плотность его имеет зна­чения порядка 10^-6—10^-5 А/мм² [40, 47,50, 82]. На генерацию ПТ в коже человека клетки эпидермиса затрачивают 5—10% энергии окислительных процессов [11]. Параметры ПТ коррелируют с ростом, регенерацией и функ­циональной активностью органов и тканей [19, 20, 40, 47, 81], но недостаточны для не­посредственного влияния на течение биоло­гических процессов.

В 1962 г. Грам и Герц, применив один из электрометрических методов измерения (ме­тод вибрирующего электрода), обнаружили парадоксальное соотношение величин напря­жения ПТ в воздухе вблизи колеоптиля куку­рузы и на его поверхности [76]. Так, в воздухе на расстоянии 2 мм от поверхности растения напряжение имело значение 30—40 мВ, а на поверхности при измерении неэлектрометри­ческими методами — 7—10 мВ [15], т. е. со­здавалось впечатление возрастания величины напряжения с расстоянием. Как известно, величина электрического напряжения умень­шается, а не возрастает с увеличением рас­стояния от его источника [25]. Обнаружен­ное несоответствие этой зависимости, очевид­но, обусловлено возможностями применяемых методов измерений. С помощью электромет­рических методов определяются величины на­пряжения поля, создаваемого как свободны­ми (электроны, ионы), так и связанными элек­трическими зарядами (заряды полярных мо­лекул, заряды ионогенных групп молекул и др.), а с помощью неэлектрометрических методов измеряются напряжения поля, созда­ваемого свободными зарядами [23]. Следова­тельно, применив метод вибрирующего элек­трода, Грам и Герц измерили величину на­пряжения поля, созданного свободными и связанными зарядами растительной ткани. В то же время при изменении напряжения поля на поверхности растения неэлектрометрическими методами можно измерить лишь ту его часть, ко­торая обусловлена свободными зарядами, т.е. опреде­лить величины напряжения ПТ [15].

Связанные электрические заряды присущи межфаз­ной разности потенциалов на границе биологической ткани с внешней средой, а также естественной электри­ческой поляризации ее структур. [66, 74]. В последнем случае для образования внешнего долговременного ЭМ-поля необходимо неравновесное состояние электричес­кой поляризации по типу неравновесной поляризации электретов [14, 61]. Электреты — это диэлектрики и не­которые полупроводники, в которых под воздействием электрического либо магнитного поля, ядерной радиа­ции, света и других факторов образовалась электричес­кая поляризация и произошел захват зарядов на ловуш­ках — дефектах структуры [14, 54]. Характерным призна­ком электрета является внешнее долговременное элект­рическое поле. Если бы электрической поляризации био­структур действительно было свойственно электретоподобное состояние, то из этого следовало бы, что процес­сы в биоструктурах совершаются в ЭМ-поле высокой на­пряженности, присущей полю электретов. В связи с этим решение вопроса о происхождении и величине напря­женности обнаруженного поля колеоптиля кукурузы и наличие его у животных тканей имело принципиальное значение для представлений о физико-химической осно­ве жизнедеятельности.

Естественное электретоподобное состояние биоструктур

Веществу биоструктур присуща естественная элект­рическая поляризация [64-67, 74]. Она образована упо­рядоченным расположением в них полярных молекул белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, полисаха­ридов, воды и других веществ, имеющих дипольные мо­менты от единиц дебаев (Д)[iii] у молекул воды до десятков тысяч дебаев у молекул нуклеиновых кислот [10, 52, 53, 84]. При образовании надмолекулярных, субклеточных и клеточных структур суммарный дипольный момент струк­туры более высокого уровня возрастает. Так, в надмоле­кулярной структуре бактериофага он достигает 10⁵ Д, а у бактериальной клетки — 10⁶Д [56, 57]. Сложение векто­ров электрической поляризации клеток создает сложную архитектонику векторов макроскопической электричес­кой поляризации элементов животных и растительных тканей (рис. 1).

Рис. 1. Направления векторов естественной электрической поляризации биоструктур в элементах животной и раститель­ной тканей [64, 65]: А — осевой скелет человека (I — неонатальная стадия, II — конечная стадия процессов роста в позво­ночнике): 1 — вентральная и 2 — дорзальная продольные связ­ки позвоночного столба, 3 — межпозвонковый диск, 4 — центр обызвествления в позвоночнике, 5 — хрящевой и 6 — обызвествленный эпифизы, 7 — твердая мозговая оболочка; Б — спин­ной мозг человека: 1 — вещество мозга, 2 — мягкая мозговая оболочка; В — ствол растения (Fagus silvatica): 1 — вторичная ксилема, 2 — вторичная флоэма, 3 — перидерм, 4 — камбий, 5 — корковый камбий

Вследствие молекулярного обновления живого веще­ства белковые компоненты надмолекулярных и субкле­точных структур непрерывно распадаются и выводятся из структур, а на их место встраиваются вновь синтези­рованные белковые молекулы [16]. Благодаря этому из­меняются суммарные дипольные моменты биоструктур. Например, распад белковых макромолекул, имеющих дипольные моменты порядка 10²—10³ Д, на молекулы пептидов и аминокислот с дипольными моментами по­рядка десятков—единиц дебаев либо уход макромолеку­лы из структуры влечет уменьшение ее суммарного дипольного момента при условии однонаправленности век­торов поляризации составляющих ее макромолекул. Ско­рости распада (ухода) и встраивания белковых молекул в надмолекулярные структуры различны, что обусловлива­ет квазипериодические колебания процесса их молеку­лярного обновления. В частности, в клетках печени и селезенки крысы, а также в культуре печеночных клеток синтез белков, встраивание и соответственно выведение их из надмолекулярных структур протекают волнообраз­но с изменяющимся периодом в пределах 23—60 мин (околочасовые колебания) и большой амплитудой [7, 8].

Зависимость электрической поляризации биоструктур от процессов молекулярного обновления отражается на ее характерных проявлениях — величине пиро- и пьезо­электрических напряжений. Так, при гипоксии снижается интенсивность молекулярного обновления биострук­тур [42] и соответственно снижается величина пироэлек­трического напряжения в эпидермисе таракана [67]. По­чти до нуля при гипоксии падают пьезоэлектрические напряжения в клетках улитки внутреннего уха кошки, известные как эффект Уивера и Брея [41].

Таким образом, в живых биоструктурах естественная электрическая поляризация непрерывно изменяется, т. е. она неравновесная. Неравновесная электрическая поля­ризация является физической основой электретов. Вслед­ствие энергетических флуктуации электрическая поляри­зация электрета изменяется и происходит постепенное высвобождение зарядов из ловушек. При этом образуют­ся так называемые квазипостоянные электрические за­ряды, обусловливающие характерный признак электретного состояния вещества — внешнее долговременное элек­трическое поле [14]. Во внутреннем ЭМ-поле электрета течет ток проводимости, который при нагреве возрастает и в определенном интервале температур претерпевает зна­чительные изменения. Это явление названо термостимулированным током (ТСТ). ТСТ наряду с внешним ЭМ-полем является характерным признаком электретного со­стояния вещества.

Вопрос о подобии неравновесных электрических по­ляризаций биоструктур и электретов получил положитель­ное разрешение в результате исследований автора статьи и Э. Менефи [33, 34, 79, 80].

В исследованиях автора предметом изучения стало внешнее ЭМ-поле, существующее в воздухе вблизи тела человека. В образовании этого поля участвуют электри­ческие заряды, возникающие на коже вследствие трения (трибоэлектрические заряды) и представляющие собой свободные заряды, а также межфазная разность электри­ческих потенциалов на границе кожи с воздухом. Воз­можно, в создании этого поля участвует и естественная электрическая поляризация биоструктур кожи. Для раз­граничения указанных источников электрических напря­жений, создающих внешнее ЭМ-поле человека, трибо­электрические заряды были нейтрализованы путем лег­кого увлажнения раствором этилового спирта кожи об­наженных испытуемых людей и заземления их с помо­щью неполяризующегося электрода (хлор-серебряный электрод). После этого в воздухе вблизи человека выяви­лось меньшее по напряжению, медленно колеблющееся (квазипостоянное) ЭМ-поле нетрибоэлектрического про­исхождения — КПЭМ-поле [33]. Величина напряжения этого поля на расстоянии 1 мм от кожи была порядка 10⁴ мВ и убывала обратно пропорционально расстоянию [34]. Вклад в напряжение этого поля межфазной разности по­тенциалов мог достигать 10² мВ [32], т. е. примерно 1%, а остальной вклад (99%), очевидно, внес другой источник — естественная электрическая поляризация биоструктур. Принадлежность большей доли напряжения КПЭМ-поля электрической поляризации биоструктур позволила кон­статировать подобие ее состояния состоянию электри­ческой поляризации электретов и определить термином "биологическое электретное состояние" (биоэлектретное состояние), а его проявления — термином "биоэлектретный эффект" [34].

Генерация ЭМ-поля человека биоэлектретного проис­хождения (далее биоэлектретное поле — БЭ-поле) непос­редственно зависела от молекулярного обновления био­структур. При гипоксии тканей человека (остановка кро­вообращения) снижается интенсивность молекулярного обновления их биоструктур и падает напряжение поля, достигая через несколько часов значений, на порядок мень­ше исходной величины [33, 34]. Эта же зависимость выяв­лена в экспериментах на животных. При гипоксии и во время наркотического сна снижается интенсивность мо­лекулярного обновления биоструктур тканей крыс [13, 49] и напряжение их БЭ-поля [34]. Электрокожное раздраже­ние крыс повышает интенсивность молекулярного обнов­ления в 1,5 раза [49] и соответственно напряжение поля в 2 раза [34]. Ультрафиолетовое облучение кожи людей из­меняет в ней течение метаболических процессов преиму­щественно в базальных и шиповатых клетках эпидермиса — верхнего слоя кожи [4], при этом значительно изменя­ется напряжение БЭ-поля [59]. Из этого следует, что ос­новной вклад в БЭ-поле, регистрируемое вблизи тела че­ловека, вносят процессы, происходящие в эпидермисе. ЭМ-поля ниже расположенных тканей очень сильно ослабева­ют, проходя через ткани, лежащие выше. В частности, ЭМ-поле частотой 5 Гц ослабевает в 1000 раз, проходя через слой мозговой ткани толщиной 0,1 мм [60].

Характерный признак электретного состояния веще­ства — ТСТ — обнаружил в иглах дикобраза и рогах быка Э. Менефи и идентифицировал его как признак есте­ственного электретного состояния биологических тканей [79, 80]. В дальнейшем в кератиновых структурах были выявлены два пика ТСТ, свидетельствующих о наличии двух систем электрической поляризации их вещества [75]. Следовательно, электретное состояние в биоструктурах существует и в отсутствие их молекулярного обновления, которое участвует в механизме этого состояния в живых биоструктурах. Так, у листьев толстянки портулаковой на­пряжение БЭ-поля и величина пика ТСТ снижаются при нарушении метаболизма вследствие их дегидратации [27].

Таким образом, естественной электрической поляри­зации биоструктур присущи оба характерных признака электретного состояния: внешнее долговременное ЭМ-поле и ТСТ. В живых биоструктурах это состояние зави­сит от молекулярного обновления их вещества, а в мерт­вых оно аналогично состоянию вещества в искусственно созданных электретах. Возможность искусственного со­здания электретного состояния вещества в биологичес­ких объектах (биологические мембраны, препараты бел­ков, полисахаридов и др.) показана в ряде работ [45, 68].

Проявления и участие биоэлектретного состояния в процессах жизнедеятельности

Одному из характерных проявлений биоэлектретного состояния — БЭ-полю — в организме человека присуща иерархия колебаний в диапазоне частот 10^-5—10^-1 Гц [36, 58, 59]. Колебания с околочасовыми периодами (30—70 мин), свойственные организму человека и крысы, совпа­дают с описанными выше околочасовыми колебаниями интенсивности молекулярного обновления белков [34, 59]. Изменения величин амплитуды колебаний напряжения поля синхронны и значительно уменьшаются с возраста­нием частоты. Так, например, на расстоянии 5 см от тела человека величина напряжения квазипостоянной состав­ляющей поля имеет значения порядка тысяч милливольт, а величины амплитуды колебаний напряжения с частотой порядка 10^-2 и 10^-1 Гц — соответственно десятков и единиц милливольт [58].

В состоянии спокойного бодрствования у практически здоровых людей амплитуда колебаний напряжения БЭ-поля с периодами в несколько часов коррелирует с ко­лебаниями физиологической активности организма [36]. Эти колебания синхронны над большинством областей тела и представляют собой медленные пульсации поля всего организма. Как правило, над одной из областей тела у каждого человека регистрируется зона максималь­ной напряженности поля, а над другой — минималь­ной. Эти зоны мигрируют по областям тела, пребывая в одной из них от 1 до 7 дней. У большинства исследован­ных людей зона максимальной напряженности поля дольше удерживалась в области головы.

При психоэмоциональном напряжении, которое ис­пытывают врачи-иглотерапевты во время проведения процедуры акупунктуры, взаимосвязанно изменяются величина напряжения поля и сила ПТ в области пред­плечий [36]. При физических напряжениях, которые ис­пытывают пловцы-спортсмены во время тренировочных заплывов на дистанцию 3—5 км, выявлено два основ­ных типа динамики напряжения поля над передней по­верхностью грудной клетки [34]. Первый тип динамики имел экстремум напряжения поля примерно на середи­не заплыва, у второго он отсутствовал. Обоим типам ди­намики присуща смена знака потенциала поля по отно­шению к потенциалу Земли спустя 20—30 мин после начала заплыва.

Напряженность БЭ-поля на уровне надмолекулярных структур достигает значений 10⁸ В/м [80], с удалением от них она убывает и на расстояниях порядка 10^-2 м имеет значения 10⁵ В/м [39]. В клетках и тканях по градиенту потенциала этого поля, несомненно, текут токи прово­димости. Можно полагать, что это давно известные ПТ биологических тканей. В таком случае им, как и токам электретов, должны быть свойственны изменения по типу ТСТ. Действительно, такие изменения были обнаружены. Так, при нагреве 7-дневных про­ростков озимой пшеницы ПТ их тканей возрастает и в определен­ном интервале температур претер­певает изменения, аналогичные по форме ТСТ магнитоэлсктрета из карнаубского воска (рис. 2). О биоэлектретном происхождении ПТ свидетельствует корреляция динамики напряжения БЭ-поля и напряжения ПТ предплечья чело­века [36]. В пользу того, что фи­зической основой генерации ПТ является электрическая поляриза­ция биоструктур, свидетельствует падение напряжения ПТ и пиро­электрического напряжения в эпидермисе таракана при гипок­сии [67], а также корреляция ве­личины ПТ с величиной пьезоэлектрических напряжений в переживающих костях вер­хней конечности человека [43].

Рис. 2. Изменения напряжения постоянно­го тока по типу термостимулированного тока при нагреве стеблей проростков озимой пше­ницы Ульяновка и Безостая-1 (кривые а и б) и термостимулированный ток магнитоэлектрета из карнаубского воска (кривая в) [22, 46]

Результаты исследований и данные литературы по­зволяют заключить, что ПТ тканей, обнаруженный еще в середине прошлого века, представляет собой одно из проявлений электретоподобного состояния живых тка­ней. Следовательно, к проявлениям биоэлектретного со­стояния относятся БЭ-поле, ПТ, ТСТ, пиро- и пьезо­электрические напряжения.

Указанные выше величины напряженности внутрен­него БЭ-поля достаточны для влияния на течение био­химических процессов, перемещения полярных жидко­стей, молекул белков, нуклеиновых кислот, подвижных надмолекулярных и субклеточных структур и клеток. Так, например, синтез ДНК в хрящевых клетках стимулиру­ет ЭМ-поле напряженностью 10⁵ В/м [83]. Напряжен­ность поля, вдоль силовых линий которого мигрируют фибробласты, составляет 10² В/м [70]. Для изменения направления роста отростков нервных клеток достаточ­на напряженность поля 10 В/м [1]. ЭМ-поля костной ткани, обусловленные ее пьезоэлектрическими напря­жениями, активизируют деятельность остеокластов и остеобластов, т. е. клеток, разрушающих и создающих межклеточный костный матрикс [5]. При этом поле, потенциал которого отрицателен по отношению к по­тенциалу Земли, активизирует деятельность остеоблас­тов и, следовательно, новообразование костной ткани.

В клетке энергия ее внутреннего БЭ-поля, очевидно, преобразуется в кинетическую энергию движения ионов, подвижных надмолекулярных и субклеточных элемен­тов (электрофорез) и движения жидкой части цитоплаз­мы (цитозоля) в капиллярных субклеточных простран­ствах (электроосмос) [17]. Эти явления обнаруживаются при анализе феноменологии внутриклеточной динами­ки, которая относится к одному из фундаментальных процессов жизнедеятельности [26]. Так, в типичной пе­ченочной клетке теплокровных тысячи митохондрий и транспортных пузырьков, сотни лизосом, пероксисом, эндосом и других микрочастиц непрерывно перемеща­ются с разными скоростями в различных направлениях, по разным траекториям, причем они могут двигаться по одной и той же траектории навстречу друг другу [1,2, 51]. При этом непрерывно движутся и потоки цитозоля. Остановка внутриклеточного движения означает прекра­щение жизнедеятельности. Так, остановка вращения хлоропластов в растительной клетке свидетельствует о ее гибели [26]. Феноменология внутриклеточного движе­ния микрочастиц соответствует феноменологии элект­рофореза, а цитозоля — феноменологии электроосмоса.

Частотная и амплитудная модуляции БЭ-поля и кор­реляция его параметров с течением биопроцессов сви­детельствуют о том, что оно может быть носителем био­логически значимой информации (биоинформации). Факты использования биоинформации, содержащейся в инфранизкочастотных ЭМ-полях водных организмов, известны и описаны в литературе [48]. Некоторые рыбы обладают электрорецепторами с порогом чувствитель­ности 10^-5—10^-6 В/м и используют их для определения ЭМ-полей других рыб при поиске полового партнера, жертвы и т. п. [9, 48]. Чувствительность электрорецеп­торов этих рыб позволяет определить напряженность БЭ-поля человека в воздухе на расстоянии от 3 до 10 км.

Таким образом, можно констатировать, что напряжен­ность БЭ-поля в пространстве клеток и тканей достаточ­на для влияния на течение биохимических процессов и для перемещения в нем ионов, жидкостей и подвижных элементов. Вместе с тем БЭ-поле, несомненно, содержит биоинформацию, которую можно использовать для бес­контактной диагностики процессов в организме.

Использование биоэлектретного поля в медицине

Процессы, протекающие в эпидермисе человека и животных, преимущественно в клетках его базального и шиповатого слоев, взаимосвязаны с процессами во внут­ренних органах и в организме в целом [24, 40]. Состоя­ние процессов в названных клетках, как показано выше, отражается на параметрах БЭ-поля, регистрируемого в воздухе вблизи тела человека. Следовательно, парамет­ры этого поля содержат информацию о состоянии про­цессов во внутренних органах, что подтверждают опи­санные выше корреляции динамики напряжения БЭ-поля с процессами в организме практически здоровых людей при физических и психоэмоциональных напря­жениях. Это же выявлено и при исследовании процес­сов в больном организме.

В ходе изучения неврологических проявлений пояс­ничного остеохондроза было показано, что при эффек­тивном лечении напряжение БЭ-поля больного челове­ка имело тенденцию к возрастанию [35]. При этом по­вышение напряжения поля после сеанса иглотерапии коррелировало с положительным эффектом лечения, а снижение либо отсутствие сдвигов напряжения — с от­сутствием эффекта. На основе этой зависимости пред­ложен способ прогнозирования эффективности иглоте­рапии [37].

Изменения напряжения БЭ-поля вследствие акупун­ктурных воздействий, по-видимому, отражали характер реактивности организма на иглотерапию. Это предпо­ложение подтвердилось в исследованиях динамики на­пряжения БЭ-поля людей, подвергаемых рентгенодиагностическому облучению [38]. Результаты исследований показали, что динамика напряжения поля коррелирова­ла с индивидуальной радиореактивностью организма че­ловека.

Корреляции параметров БЭ-поля с процессами в организме человека использованы для создания мето­дов бесконтактной медицинской диагностики: портатив­ный прибор для определения локализации патологичес­ких очагов и биологически активных точек [77], прибор и метод для контроля режима тренировки тяжелоатле­тов [44], прибор для бесконтактной регистрации баллистокардиограммы [69] и др. Более высокий уровень ис­пользования БЭ-поля человека в медицине возможен при условии создания автоматизированной системы ана­лиза как можно большего объема информации, содер­жащегося в параметрах этого поля. Такая система, в ча­стности, позволила бы проводить индивидуальную те­рапию ряда заболеваний, которая намного эффективнее лечения без учета индивидуальных особенностей чело­века.

Среди актуальных аспектов проблемы электромагнит­ных полей биосистем можно выделить следующие: оп­ределение строения и энергетики механизма генерации биоэлектретного поля; выявление роли и участия био­электретного состояния вещества в биохимических, структурных и кинетических процессах на разных уров­нях биологической организации; выявление участия био­электретного поля в биоинформационных процессах; ис­следование корреляций параметров внешнего биоэлек­третного поля организма с нормальными и патологи­ческими процессами; разработка на основе выявленных корреляций бесконтактных методов диагностики состо­яния организма человека и животных; разработка мето­дов индивидуальной терапии заболеваний на основе мо­ниторинга параметров биоэлектретного поля, коррели­рующих с характером течения конкретного патологичес­кого процесса. В частности, определение у онкологи­ческого больного периода повышенной радиорезистен­тности нормальных тканей в суточном биоритме их ра­диочувствительности позволило бы в такие периоды без вреда для них проводить более интенсивное радиацион­ное воздействие на опухоль. Повышение интенсивнос­ти радиационного воздействия на 20% повышает его про­тивоопухолевую эффективность в 2—3 раза [63].

В заключение автор выражает глубокую благодарность С. В. Коневу за ценные замечания, сделанные при оз­накомлении с рукописью статьи.

Со списком литературы можно ознакомиться в бумажной версии журнала

Медицинские новости. – 1998. – №10. – С. 24-29. 

Внимание! Статья адресована врачам-специалистам. Перепечатка данной статьи или её фрагментов в Интернете без гиперссылки на первоисточник рассматривается как нарушение авторских прав.

[i]Эти поля преимущественно называют электрическими. Электрическое и магнитное поля явля­ются компонентами единого электромагнитного поля [25]. В статье приводятся величины напряжен­ности электрической составляющей ЭМ-поля.

[ii]В электробиологии под термином "постоянный ток" подразумевается ток, постоянно текущий в живой ткани, но изменяющийся по силе и направлению и зависящий от обмена веществ в клетках.

[iii]* Дипольный электрический момент молекулы образуется вследствие несовпадения в ней центров связанных положительных и отрицательных электрических зарядов. Его величина равна произведению одного из зарядов на расстояние между ними. 1Д=10^-18 единиц СГС, или 1/3х10^-29 Км.