МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)
Физико-технический факультет
Направление 210700.62 Электроника и наноэлектроника
Кафедра оптоэлектроники
КУРСОВАЯ РАБОТА
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА КЛЕТКИ КРОВИ
Работу выполнил
Бастун Константин Сергеевич
Курс 2
Научный руководитель
канд. хим. наук, доцент
Е.Е. Текуцкая
Краснодар 2015
Содержание
Введение
1. Литературный обзор
1.1 Определения и основные характеристики электромагнитного поля
1.2 Состав крови и свойства её компонентов
1.2.1 Функции крови
1.2.2 Клетки крови
1.2.3 Состав плазмы крови
1.3 Некроз - клеточная «смерть»
2. Воздействие ЭМП НЧ на клетки крови
Заключение
Список использованных источников
Введение
Электромагнитное поле (ЭМП) окружает нас с самого рождения. Электромагнитная среда нашей планеты определяется в основном электрическим и магнитным полями Земли, атмосферным электричеством, радиоизлучением Солнца, а также полем искусственных источников. В последнее время, развитие технологий и появление различных приборов привело к повышению электромагнитного фона, воздействующего на человека. Особенно сильным излучение электромагнитного поля будет в городах, где сосредоточилась большая часть населения Земли и наиболее очевидно развитие технологического прогресса повышающего электромагнитный фон, воздействующий на человека. Известно, что уровень антропогенного электромагнитного фона Земли превышает естественный уровень в несколько раз и с увеличением количества устройств в городах этот уровень будет продолжать расти. Организм человека находится не в тех условиях, к которым он приспосабливался в течение многих тысячелетий, а в новых, гораздо более жестких условиях.
Ранее уделялось много времени на изучение влияния радиоактивного излучения, так как считалось, что оно представляет наибольшую опасность для человечества, однако научные исследования последних десятилетий показывают, что электромагнитная радиация (излучаемые электромагнитные поля) может оказаться столь же опасной, как и атомная. К тому же, если атомная радиация распространена лишь в определенных зонах - там, где хранятся ядерные запасы, на атомных электростанциях - то электромагнитная радиация распространена повсеместно. И наибольшей опасности от нее подвергаются люди живущие в крупных промышленно развитых районах.
Живые организмы на Земле не приспособлены к среде с повышенным уровнем внешних электромагнитных полей. Человек вынужден жить внутри постоянно возрастающего электромагнитного поля, которое взаимодействует с электромагнитным полем организма человека, оказывая на него влияние в виде частичного подавления последнего. В результате этого взаимодействия собственное поле организма искажается, снижается иммунитет, что приводит к нарушениям информационного и клеточного обмена внутри организма и возникновению различных патологий.
Несмотря на большое число публикаций, посвященных изучению последствий воздействия электромагнитного поля низкой частоты (ЭМП НЧ) на биообъекты, до сих пор нет единого мнения о механизмах воздействия электромагнитного поля низкой частоты на живой организм. Наиболее выраженные изменения в живом организме, подвергнувшимся воздействию электромагнитных полей, можно определить по состоянию клеток крови.
Основной целью курсовой работы является ознакомление и анализ влияния электромагнитного поля низкой частоты на клетки крови.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1 Знакомство с имеющейся литературой;
2 Анализ воздействия механизмов ЭМП НЧ на живые системы;
3 Выявление влияния ЭМП НЧ на клетки крови человека.
1. Литературный обзор
1.1 Определения и основные характеристики электромагнитного поля
Среди электромагнитных полей вообще, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием [1].
В зависимости от длины волны различают: гамма - излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания. Диапазоны в которых распространяются электромагнитные колебания представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Электромагнитный спектр
В данной работе мы будем рассматривать электромагнитные поля низких частот, к которым относятся частоты от 0 Гц до 300 кГц.
Источники электромагнитных излучений ультранизкой (0 - 10 Гц) и низкой частоты (10 - 1000 Гц) - электрифицированный городской и железнодорожный транспорт, линии электропередач, подстанции и кабельные трассы.
Электромагнитное поле способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом своё поведение).
Чтобы лучше понять каково электромагнитное поле Земли рассмотрим объёмный резонатор, состоящий из двух концентрических проводящих сфер [2]. Внутренняя сфера представляет собой поверхность Земли, а внешняя - ионизированный газ ионосферы, находящийся на высоте около 80 км над землёй.
Предположим, что электромагнитная волна, n раз отражаясь попеременно от поверхности Земли и ионосферы, огибает земной шар. Если на окружности Земли укладывается целое число отражений как показано на рисунке 2, то возникает резонанс, и такая волна может существовать продолжительное время.
Рисунок 2 - Электромагнитные колебания низкой частоты, возникающие в резонансной полости между поверхностью земли и ионосферой (резонанс Шумана)
Считая, что волна распространяется со скоростью света с = 300 000 км/с, а окружность Земли составляет L = 40 000 км, получим частоту колебаний, равную:
|
(1) |
Для первых пяти гармоник формула (1) даёт ряд частот 7,5 - 15,0 - 22,5 - 30,0 - 37,5 … Гц. Сравнивая теоретические частоты с частотами, полученными экспериментально (7,83 - 14,1 - 20,3 - 26,4 - 32,4 … Гц), заметим, что при хорошем совпадении частоты первой гармоники ошибка с ростом n увеличивается.
В своей оригинальной работе [3] проанализировал колебания, возникающие в сферическом объёмном резонаторе. При этом он учитывал, что поверхность земли имеет постоянную проводимость около у = 10?3 См/м, а проводимость ионосферы на высотах 70 - 90 км меняется в пределах у = 10?5 - 10?3 См/м. Из-за этого средняя скорость распространения электромагнитной волны V(у) примерно на 20 % меньше, чем при отражении от сферы с бесконечной проводимостью. Для частоты n-й гармоники Шуман получил формулу (2):
|
(2) |
что для первых пяти гармоник формула (2) даёт 8,5 - 14,7 - 20,8 - 26,8 - 32,9 Гц.
1.2 Состав крови и свойства её компонентов
Кровь человека составляет примерно 8% от массы тела. Кровь состоит из клеток, клеточных фрагментов и водного раствора, плазмы. Доля клеточных элементов в общем объеме называется гематокритом и составляет примерно 45% [4].
1.2.1 Функции крови
Кровь осуществляет в организме различные функции. Она является транспортным средством, поддерживает постоянство «внутренней среды» организма (гомеостаз) и играет главную роль в защите от чужеродных веществ.
Одна из главных функций крови это транспорт. Кровь переносит газы - кислород и диоксид углерода, а также питательные вещества к печени и другим органам после всасывания в кишечнике. Такой транспорт обеспечивает снабжение органов и обмен веществ в тканях, а также последующий перенос конечных продуктов метаболизма для их выведения из организма легкими, печенью и почками. Кровь осуществляет также перенос гормонов в организме.
Гомеостаз - саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Кровь поддерживает водный баланс между кровеносной системой, клетками (внутриклеточным пространством) и внеклеточной средой. Кислотно-основное равновесие в крови регулируется легкими, печенью и почками. Поддержание температуры тела также зависит от контролируемого кровью транспорта тепла.
Не менее важной особенностью крови является функция защиты. Против чужеродных молекул и клеток, проникающих в организм, кровь обладает неспецифическими и специфическими механизмами защиты. К специфической защитной системе относятся клетки иммунной системы и антитела [4].
Для предотвращения кровопотери при повреждении кровеносных сосудов в крови существует эффективная система коагуляции - физиологическое свертывание (гемостаз). Растворение кровяных сгустков (фибринолиз) также обеспечивается кровью.
1.2.2 Клетки крови
Нерастворимыми элементами крови являются эритроциты, лейкоциты и тромбоциты [4].
Эритроциты - высокоспециализированные клетки, функцией которых является перенос кислорода из лёгких к тканям тела и транспорт диоксида углерода (CO2) в обратном направлении.
К лейкоцитам принадлежат различные формы гранулоцитов, моноцитов и лимфоцитов. Эти клетки различаются между собой размерами, функцией и местом образования. Главная сфера действия лейкоцитов - защита [5]. Они играют главную роль в специфической и неспецифической защите организма от внешних и внутренних патогенных агентов, а также в реализации типичных патологических процессов.
Тромбоциты являются клеточными фрагментами больших клеток-предшественников мегакариоцитов костного мозга. Главная функция тромбоцитов - участие в коагуляции крови [6].
1.2.3 Состав плазмы крови
Плазма крови является водным раствором электролитов, питательных веществ, метаболитов, белков, витаминов, следовых элементов и сигнальных веществ.
Определение электролитного состава плазмы крови проводится в клинико-химических лабораториях. По сравнению с составом цитоплазмы в плазме крови обращают внимание относительно высокие концентрации ионов Na+, Са2+ и Cl-. Напротив, концентрации ионов К+, Mg2+ и фосфата ниже, чем в клетках. Концентрация белков также ниже, чем в клетках.
1.3 Некроз - клеточная «смерть»
Смерть как биологическое понятие является выражением необратимого прекращения жизнедеятельности организма [7].
В любом организме постоянно идет гибель клеток с их последующим восстановлением. Смерть клетки это постоянное проявление жизнедеятельности организма и в здоровом состоянии оно сбалансировано физиологической регенерацией клеток. Как структурные компоненты клеток, так и целые клетки изнашиваются, стареют, гибнут и в результате требуют замены. Для поддержания нормализованного функционирования различных органов и тканей в здоровом состоянии, необходимо естественное физиологическое обновление, а, следовательно, гибель старых и появление новых клеток. Такая смерть клеток носит название апоптоз - это запрограммированная смерть клетки, происходящая на генетическом уровне [8].
Но смерть клетки может происходить в живом организме в результате воздействия на него внешних факторов. Данная гибель клетки называется некрозом [8]. Мертвые клетки полностью прекращают свое функционирование без последующего восстановления, так как гибель клетки сопровождается необратимыми биохимическими и структурными изменениями. Таким образом, смерть клетки может происходить двумя путями: некроза и апоптоза [9].
Некроз - гибель клеток и тканей в живом организме под воздействием внешних факторов. Этот вид гибели клеток генетически не контролируется в отличии от апоптоза. Сам некротический процесс проходит в ряд следующих стадий: паранекроз - обратимое состояние клетки, близкое к смерти; некробиоз - необратимый процесс отмирания клеток или тканей от начала действия патогенного фактора до смерти; апоптоз - вариант некроза, при котором происходит гибель клетки; аутолизис - разложение мертвых тканей под действием гидролитических ферментов погибших клеток [10].
Термин некроз применяется после того, как изменения, при повреждении достигнут значительной степени выраженности. Их условно разделяют на две группы: колликвационный некроз - в основе лежит растворение ядра (кариолиз) и цитоплазмы (цитолиз); коагуляционный некроз - происходит конденсация хроматина с последующим распадом ядра и одновременной коагуляцией цитоплазмы. В начальном периоде некроза клетка морфологически не изменена. Должно пройти 1-3 часа, прежде чем появятся выраженные изменения [11]. Приток ионов кальция в клетку тесно связан с необратимым повреждением и появлением морфологических признаков некроза. Одним из важных и наглядных морфологических признаков некроза клетки является изменение структуры ядра.
Спустя шесть часов после того как клетка подверглась некрозу цитоплазма ее становится гомогенной и выраженно ацидофильной. Специализированные органеллы клетки исчезают в первую очередь. Набухание митохондрий и деструкция мембран органелл вызывают вакуолизацию цитоплазмы. Происходит саморазрушение клетки - аутолиз. Таким образом, в цитоплазме происходит разрушение белков, сменяемое их разложением, и в результате чего происходит интоксикация клетки с последующей гибелью [11].