Исследование зависимости биологической активности излучения от его временной когерентности

Влияние степени когерентности поляризованного оптического излучения на его биологическую активность иллюстрируют данные, представленные на рис. 117.

На диаграмме, показанной на рисунке, приведены результаты сравнительных экспериментов (основанных на контроле массы 50дневной молоди рыб) при воздействии на эмбрионы монохроматическим лазерным излучением (λ = 632,8 нм, Δλ = 0,02 нм, Lког ∼ 2000 мкм), квазимоно-хроматическим излучением красного светодиода (λ = 631 нм, Δλ = 15 нм, Lког ∼ 26 мкм) и широкополосным излучением белого светодиода (λ = 420–800 нм, Δλ = 130 нм, Lког < 2,5 мкм). Для всех вариантов облучения P = 2,9 мВт/см2, t = 60 с. Из представленных данных видно, что биологические эффекты, индуцированные излучением монохроматического лазерного (γm = (120,4 ± 2,9) %, P < 0,001) и квазимонохроматического светодиодного (γm = (118,6 ± 3,7) %, P < 0,001) источников, практически не отличаются. Однако переход к широкополосному излучению сопровождается заметным снижением биологического действия: γm = (111,1 ± 1,8) %, P < 0,001.

Влияние степени когерентности поляризованного оптического излучения, воздействующего на оплодотворенную икру, на массу 50-дневной молоди осетровых рыб

Рис. 117. Влияние степени когерентности поляризованного оптического излучения, воздействующего на оплодотворенную икру, на массу 50-дневной молоди осетровых рыб: 1 – контроль;

2 – лазерное излучение; 3 – квазимонохроматическое излучение красного светодиода; 4 – широкополосное излучение белого светодиода

Полученные в настоящей работе результаты свидетельствуют о выраженной биологической активности низкоинтенсивного излучения красной области спектра, заключающейся в способности света влиять на постэмбриональное развитие осетровых рыб при кратковременном однократном воздействии на эмбрионы на стадии органогенеза. Экспериментально это проявляется в повышении параметров жизнестойкости стандартной молоди осетровых рыб к воздействию неблагоприятных факторов среды обитания (дефициту кислорода, экстремальной температуре, токсикантам), а также в стимуляции размерновесовых показателей рыб по сравнению с особями контрольных групп, эмбрионы которых не подвергались воздействию оптического излучения. Эффекты, индуцируемые оптическим излучением, характеризуются высоким уровнем достоверности. Как следует из полученных данных, наиболее существенные различия между показателями опытных и контрольных групп наблюдаются при использовании в качестве тестов 141

устойчивости 50дневной молоди к дефициту кислорода в среде обитания, а также при контроле массы тела особей. По этой причине большинство сравнительных исследований эффективности воздействия линейно, циркулярно поляризованного и неполяризованного излучения, а также излучения, характеризующегося различной степенью временной когерентности, проведено с использованием указанных тестов.

На основании проведенных исследований, выполненных в условиях воздействия на эмбрионы линейно поляризованным и неполяризованным квазимоно-хроматическим излучением (λ = 631 нм, Δλ = 15 нм) светодиодного источника, а также лазерным излучением (λ = 632,8 нм, Δλ = 0,02 нм) с линейной, круговой и естественной поляризациями одинаковой интенсивности (P = 2,9 мВт/см2), сделан вывод об определяющем значении поляризации излучения в реализации его биологического действия. Максимальный стимулирующий эффект (на размерновесовые характеристики и показатели жизнестойкости) наблюдается при воздействии линейно поляризованным излучением; фотобиологический эффект, индуцируемый в том же дозовом интервале светом естественной поляризации (т. е. неполяризованным), значительно менее выражен; величина стимулирующего действия циркулярно поляризованного излучения занимает промежуточное значение. При оптимальных условиях воздействия на эмбрионы светом красной области спектра (P = 2,9 мВт/см2, t = 60 с) показатели γО2, характеризующие устойчивость молоди рыб к нехватке кислорода в среде обитания, в опытной группе превышают таковые для контрольной на 16–19 % (P < 0,001) при воздействии линейно поляризованным, на 9–11 % (P < 0,001) при воздействии циркулярно поляризованным и на 4–5 % (P < 0,001) при воздействии неполяризованным излучением. Обращает на себя внимание тот факт, что при воздействии неполяризованным излучением стимулирующее действие хотя и является достоверным (P < 0,001), однако величина эффекта очень незначительна.

Как уже отмечалось, в исследованиях, выполненных в условиях in vitro на клетках крови или культивируемых клетках, неполяризованное излучение не влияло (в отличие от света с линейной поляризацией) на структурнофункциональные характеристики клеточных мембран и скорость клеточной пролиферации. В этой связи нельзя исключить, что при действии неполяризованного излучения на оплодотворенную икру осетровых рыб (эмбрионы) происходит его частичная поляризация при прохождении через слой меланина, покрывающий икру и придающий ей характерную черную окраску. Как известно, меланин способен формировать сложные наноколлоидные ансамбли мономерных и полимерных молекул и за счет дихроизма поглощения его пленки могут выполнять функцию поляроида. Можно ожидать, что индуцируемая тонким слоем меланина частичная поляризация света и ответственна за регистрируемый фотобиологический эффект при действии на эмбрионы неполяризованного излучения.

Сравнение результатов исследований, выполненных с использованием излучения различной степени временной когерентности, показало, что биологические эффекты (размерновесовые характеристики и показатели устойчивости рыб к нехватке кислорода среды обитания), индуцируемые линейно поляризованным излучением монохроматического лазерного (гелийнеоновый лазер, λ = 632,8 нм, Δλ ≈ 0,02 нм, длина когерентности Lког ∼ 2 000 мкм) и квазимонохроматического светодиодного (λ = 631 нм, Δλ = 15 нм, Lког ∼ 26 мкм) источников, практически не отличаются. Переход же к широкополосному линейно поляризованному излучению (λ = 420–800 нм с максимумами при λ = 453 и 567 нм; Δλ = 130 нм, Lког < 2,5 мкм) сопровождается снижением биологического действия. Например, при оптимальной дозовой нагрузке на эмбрионы (P = 2,9 мВт/см2, t = 60 с) величина фотобиологического эффекта, оцениваемого по показателям массы 50дневных особей, составляет (120,4 ± 2,9)% (P < 0,001) при использовании лазерного излучения, (118,6 ± 3,7)% (P < 0,001) при использовании квазимонохроматического и (111,1 ± 1,8) % (P < 0,001) при воздействии широкополосного белого света. При этом следует отметить, что максимум спектра испускания белого светодиода (λ = 567 нм) сдвинут в коротковолновую область по сравнению с красным светодиодом (λ = 631 нм), что может быть одной из причин наблюдаемых различий в действии излучения указанных источников. Среди других возможных причин снижения фотобиологических эффектов при переходе от квазимонохроматического к широкополосному источнику выделяют наличие выраженного экранирующего действия со стороны меланина. Спектр электронного поглощения меланина характеризуется гладкой бесструктурной кривой, монотонно снижающейся по мере увеличения длины волны в диапазоне 300–800 нм. По этой причине слой меланина, покрывающий икру осетровых рыб, выступает в роли своеобразного оптического экрана, прежде всего для синезеленой составляющей спектра испускания широкополосного светодиодного источника, снижая интенсивность воздействующего излучения и его фотобиологическую активность. Ответ на данный вопрос может быть получен в ходе последующих исследований. Принципиальный вывод, который следует из представленных данных, состоит в том, что биологической активностью обладает как поляризованное монохроматическое лазерное излучение, так и поляризованный свет квазимонохроматического и широкополосного светодиодных источников, степень временной когерентности которых на 2–4 порядка ниже соответствующего значения лазерного излучения.

Хорошо известно, что при прохождении излучения через биологическую ткань наблюдается его быстрая деполяризация. Возникает естественный вопрос: каким образом в таком случае поляризация излучения может играть определяющую роль в реализации его биологического и терапевтического действия? В этой связи следует отметить, что, согласно литературным данным, свет красной и ближней инфракрасной областей спектра может распространяться в коже человека на глубину приблизительно 1,2 мм, сохраняя еще линейную поляризацию. Цельная кровь характеризуется длиной деполяризации, равной примерно 4,0 мм. По всей видимости, изменения, индуцируемые поляризованным излучением в объеме ткани (в которой еще сохраняется поляризация излучения), генерализуются на весь организм в целом.

По нашему мнению, совокупность полученных данных позволяет сделать вывод о том, что в основе фотофизического механизма, определяющего биологическое действие оптического излучения низкой интенсивности при его воздействии на эмбрионы, кроме дипольдипольных взаимодействий лежит ориентационный эффект нефото химической природы. Как известно, ориентационное действие света наиболее изучено на примере прозрачных нематических жидких кристаллов (НЖК), для которых было показано, что под действием непрерывного лазерного излучения видимой области спектра (W = 50 мВт, P = 102–103 Вт/см2) наблюдается переориентация их на десятки градусов. Такая переориентация НЖК получила название светоиндуцированного эффекта Фредерикса. Выбор НЖК для исследования ориентационного действия света не случаен: ориентационная оптическая нелинейность НЖК вследствие плотной упаковки одинаково ориентированных молекул в домене (способных ориентироваться лишь доменом) на 9 порядков превышает керровскую нелинейность обычных жидкостей. При этом ориентирующее влияние излучения на прозрачные НЖК сводится к прямому силовому действию электрического поля световой волны на индуцированные им молекулярные диполи. Характерно, что основные закономерности, прослеживаемые при ориентационном действии излучения на НЖК (наличие эффекта для линейно или циркулярно поляризованного излучения; зависимость эффекта от амплитудного значения мощности излучения; инерционность процесса, требующая воздействия излучения в течение десятков секунд; повышение эффективности переориентации за счет воздействия двух физических факторов: лазерного излучения и постоянного магнитного поля), проявляются и при изучаемых нами фотобиологических процессах. При этом жидкокристаллическое состояние биологических структур (и прежде всего клеточных мембран) в настоящее время является общепризнанным и считается необходимым условием их функционирования. Согласно современным представлениям, биологическая мембрана характеризуется сильно неравномерным (неравновесным) распределением компонентов в липидном бислое: липидлипидные и белоклипидные кластеры, белоклипидные домены, образующие упорядоченные достаточно подвижные области из сотен молекул, в которых плотность упаковки существенно отличается от соседних частей. Характерной особенностью строения мембран является их структурная лабильность и наличие напряженных метастабильных состояний, способных к кооперативным структурным перестройкам под действием внешних сил различной природы. При этом процесс структурных перестроек в мембране не может не приводить к изменению функционирования клеток, включая изменение скорости их пролиферации. Имеются основания полагать, что даже относительно простые биохимические явления – последовательные цепи ферментативных реакций, осуществляемых по эстафетному механизму, могут протекать лишь в структурах (мультиферментных комплексах, образованных 10–15 олигомерными ферментами, состоящими из 2–8 полимерных субъединиц), принципы интеграции и самосборки которых такие же, как и в жидких кристаллах.

Как уже отмечалось, гипотеза об ориентационном действии излучения в отсутствие резонансного поглощения была выдвинута ранее для интерпретации данных, полученных при действии излучения на культивируемые клетки. Один из принципиальных моментов, важных для объяснения ориентационного нерезонансного механизма действия излучения (как и дипольдипольных взаимодействий, а также градиентных сил), состоит в выяснении вопроса: откуда берется энергия на переориентацию жидких кристаллов в отсутствие поглощения? Согласно оценкам, указанная работа осуществляется за счет изменения частоты (Δν) света («покраснения квантов»), характеризующегося ничтожно малой величиной (Δν / ν ∼ 10–15).

Следует отметить, что в последние годы получены данные, свидетельствующие о том, что ориентационное действие света на НЖК (зависимое от типа поляризации излучения) проявляется и в случае наличия у них слабого примесного или собственного поглощения. Физические процессы, ответственные за переориентацию поглощающих НЖК, в полной мере не выяснены и являются предметом многочисленных исследований и дискуссий. Считается, что механизм светоиндуцированной переориентации поглощающих НЖК обусловлен изменением характера межмолекулярных взаимодействий при поглощении частью молекул световых квантов. Поскольку ориентационная нелинейность для поглощающих НЖК увеличивается на два порядка по сравнению с прозрачными и средняя мощность излучения, необходимая для эффективной переориентации, не превышает 1 мВт, то это делает наиболее вероятным проявление указанного механизма в реализации изучаемого биологического действия оптического излучения.