Біологічна дія постійного магнітного поля
Магнітобіологія займається вивченням впливу магнітного поля на біооб'єкти.
Магнітне поле впливає на біологічні системи, які в ньому знаходяться. Так, наприклад, є відомості:
• про загибель дрозофіли в неоднорідному магнітному полі;
• про пригноблення зростання бактерій в магнітному полі;
• про морфологічні зміни у тварин і рослин після перебування в постійному магнітному полі;
• про орієнтацію рослин в магнітному полі;
• про вплив магнітного поля на нервову систему і зміні характеристик крові;
• про ефективність процесів регенерації при дії низькочастотного магнітного поля.
Первинними процесами у всіх випадках є фізичні або фізико-хімічні процеси. Такими процесами можуть бути: орієнтація молекул; зміна концентрації молекул або іонів в неоднорідному магнітному полі; силовий вплив (сила Лоренца) на іони і ін.
Біомагнетізм займається проблемами, які пов'язані з магнітними властивостями і магнітними полями, створюваними біологічними об'єктами.
Магнітне поле людини створюється струмами, що генеруються клітинами серця і кори головного мозку. Воно дуже мало: індукція магнітного поля становить для серця - 10 -11. для мозку 10 -13 Тл. (Пор. З магнітним полем Землі - 10 -5 Тл). Для вимірювання магнітного поля тіла людини використовують спеціальний магнітометр (скорочена його назва СКВІД), який реєструє сверхмалі магнітні поля до 10 -18 Тл. Метод заснований на вимірюванні не найбільш магнітного поля тіла, а його зміни в просторі.
Біоструми, що виникають в організмі в результаті серцевої діяльності, є джерелом слабких магнітних полів. У деяких випадках індукцію таких полів можна виміряти. Так, наприклад, на підставі реєстрації магнітної складової електромагнітного поля серця створений безконтактний діагностичний метод - магнітокардіографія (МКГ). Магнітокардіограмма зовні схожа на електрокардіограму (ЕКГ), і її елементи мають ті ж позначення. Метод МКГ використовують, наприклад, для роздільної записи магнітокардіограмм серця матері і серця плоду. При дослідженнях мозку використовується магнітоенцефалографія (Мег), заснована на реєстрації характеристик магнітних полів, зумовлених біоелектричної активністю мозку.
Так само, як і СЕП, постійне або майже постійне магнітне поле є одним з глобальних фізичних факторів, під дією яких знаходяться всі земні біологічні об'єкти. Походження магнітного поля Землі (ГМП) багато в чому неясно, але характеристики його добре відомі. Середня величина магнітної індукції ГМП дорівнює 0,7 · 10 -4 Тл. проте в деяких районах існують магнітні аномалії. Наприклад, в районі Курської магнітної аномалії величина магнітної індукції в зв'язку з покладами магнітних руд досягає 2 · 10 -4 Тл. Магнітне поле, обумовлене процесами, що відбуваються в надрах Землі, майже постійно і відчуває лише повільні вікові коливання. Однак існують інші причини, які породжують ГМП, до яких відносяться електричні струми в іоносфері. Особливо сильні зміни ГМП, звані магнітними бурями, пов'язані з сонячною активністю, мінливої циклічно. Найбільш відомий 11-річний цикл, максимум якого пов'язаний з викидом Сонцем заряджених частинок під час потужних спалахів хромосфер. Спостерігають також 27-денну повторюваність магнітних бур, пов'язану з 27-денним періодом обертання Сонця навколо своєї осі, а також ряд інших циклів ГМП.
Як і гравітаційне поле, геомагнітне поле - всепроникаючий фізичний фактор, і можна припустити, що воно повинно впливати на біосферу. На існування такого впливу вперше звернув увагу радянський вчений А.Л. Чижевський в 20-х роках. Він зауважив, що багато біологічні процеси мають повторюваність, збігається з циклами сонячної активності. Подальші багаторічні дослідження підтвердили існування синхронності між циклами сонячної активності і чисельністю популяцій тварин і комах, повторюваністю епідемій та епізоотій, масовими міграціями тварин поза сезонів, змінами клітинного складу крові тварин і людини, народжуваністю, смертністю і навіть травматизмом на виробництві та числом автомобільних катастроф. Цікаво, що багато хто зовсім різні процеси в місцях, віддалених один від одного на тисячі кілометрів, відбуваються синфазно. Синхронність і синфазность самих різних проявів життєдіяльності в біосфері не може бути випадковою, і універсальність виявлених зв'язків, що охоплюють як молекулярні групи, так і цілі організми і навіть величезні популяції, свідчать про те, що відповідальним за ці зв'язки може бути магнітне поле Землі, хоча, можливо, і опосередковано через інші фізичні фактори (зміна ступеня іонізації атмосфери, температури та ін.). Так, було виявлено, що в приміщеннях, екранованих від ГМП залізними клітками, змінюється швидкість росту деяких рослин і проростання насіння, утворюються нові форми мікроорганізмів, порушується просторова орієнтація комах. Наприклад, терміти сплять, зорієнтувавши своє тіло поперек силових ліній магнітного поля. Відсутність ГМП впливає і на вищих тварин, у яких тривале перебування в умовах екранування призводить до незворотних змін в організмі.
Ще в давні часи лікарі намагалися використовувати магніти в терапевтичних цілях. У багатьох документах середніх століть описані випадки зупинки кровотеч, видалення отрут з організму, лікування нервових захворювань за допомогою магнітів. Інтерес до магнітотерапії відновився в лише в середині XIX ст. чому сприяла поява сильних електромагнітів. Однак на початку XX ст. в зв'язку з появою таких активних фізіотерапевтичних методів, як рентгенотерапія, УВЧ, ультрафіолетове опромінення, про магнітотерапії знову забули до недавнього часу.
Дослідження останніх десятиліть показали перспективність деяких терапевтичних застосувань магнітного поля. З 1976 р медична промисловість випускає апарат «Полюс-1», призначений для магнітотерапії постійним і низькочастотних магнітним полем. Промисловість випускає також магнітофорние аплікатори (грец. Форос - несучий), виготовлені із суміші полімерних речовин (каучук, смоли) і намагнічених порошкоподібних феромагнітних наповнювачів. З цієї суміші литтям або штампуванням отримують листи необхідної форми з магнітною індукцією на поверхні (150-400) · 10 -4 Тл. Аплікатори еластичні, їх можна накладати на будь-яку ділянку тіла і вони зручні в гігієнічному відношенні. Магнітофорние аплікатори надають деякий знеболюючу, протизапальну дію і сприяють поліпшенню кровообігу.
Останні роки характеризуються підвищеним інтересом до біологічній магнітного поля. По-перше, необхідно підвести наукову базу під емпіричні методи, які поширені в клініці. По-друге, багато проблем в цьому напрямку ставить нова галузь науки - космічна біологія, оскільки тривалі польоти в космосі пов'язані з відривом людини від природного ГМП, а крім того, існують проекти протирадіаційного магнітного захисту екіпажу космічних кораблів, в результаті чого люди в кабіні корабля будуть перебувати тривалий час в сильному магнітному полі. Лабораторні дослідження, що проводилися в різних країнах з тваринами, і клінічні спостереження над людьми показали, що магнітобіологіческіе ефекти в основному зводяться ж наступного.
1. Найбільший вплив ПМП надає на судинну систему. Відбувається розширення судин, причому найбільш виражено в легенях, печінці, селезінці.
2. Збільшується число лейкоцитів і піднімається резистентність еритроцитів.
3. Енцефалограми показують зміна електричної активності мозку.
4. Змінюється рухова активність тварин. У риб при індукції не менше 150 · 10-4 Тл, а у птахів навіть при індукції всього до 10 · 10 -4 Тл. При індукції 4000 · 10 -4 Тл миші повністю припиняють рух і впадають в заціпеніння.
Наведені відомості, так само як і багато інших, не володіють систематичністю, і, очевидно, майбутні дослідження проллють більше світло на дію ПМП. Що стосується первинних механізмів біомагнітних ефектів, то їх на сьогоднішній день не можна вважати з'ясованими, хоча на цей рахунок існує чимало гіпотез.
На думку радянських учених Я. І. Дорфман і А. С. Пресмана, під впливом ПМП в живих об'єктах можуть відбуватися такі фізичні явища:
2. При проходженні електричних імпульсів по нервових волокнах, що знаходяться в ПМП, на них діє сила Ампера, під впливом якої волокно зміщується і згинається. При зміщенні в ньому з'являється струм самоіндукції, що гальмує по закону Ленца поширення імпульсу по волокну і тим самим спотворює форму імпульсу.
3. Всі молекули володіють магнітним моментом; у деяких молекул магнітні моменти досить значні, що стосується і деяких біологічних макромолекул. У магнітному полі на них діє механічний момент, який орієнтує молекулу в певному напрямку. Зміна орієнтації біологічно активних молекул в розчинах може відображатися на кінетиці біохімічних реакцій і на проникності біомембран.
Всі ці механізми дії ПМП цілком можливі, на коли якісні припущення замінюються розрахунками, виходить, що всі ці ефекти нехтує малі. Тому чисто фізично пояснити дію ПМП на живий організм дуже важко. Існують гіпотези про зміни в біохімічних макромолекулах в магнітному полі. Наприклад, можливий розрив валентних зв'язків в парамагнітних молекулах, що може змінити напрямок і швидкості ферментативних реакцій. Крім того, серед біологічно важливих сполук є білкові комплекси з залізом (железопорфіріновие комплекси дихальних ферментів, хромопротеїди, т. Е. Залізовмісні білки). Можливо, що ПМП впливає на характер зв'язку іона заліза з молекулою білка, змінюючи тим самим властивості комплексу. Ця гіпотеза начебто підтверджується деякими дослідами. На думку академіка С. В. Вонсовського, магнітне поле відіграє роль «курка», що включає певні біологічні механізми. Наприклад, воно може змінювати структуру рідкокристалічних субстратів, до яких відносяться біомембрани, що тягне за собою зміну їх проникності і відповідно обмінних процесів.
Існують спроби пояснення біологічної дії магнітного поля його впливом на воду, що входить до складу живих організмів. Ще в 30-х роках було виявлено, що процеси кристалізації, розчинення і осадження деяких речовин протікають по-іншому, якщо розчини знаходяться в магнітному полі. Це явище отримало практичне застосування - «омагніченная» вода не створює накипу (т. Е. Осадження солей кальцію, магнію та ін.) На стінках котлів і труб і подовжує термін їх експлуатації. Деякі фізико-хімічні властивості води в магнітному полі також змінюються. Так, при індукції 1000 · 10 -4 Тл дещо змінюються поверхневий натяг. діелектрична проникність води, кислотність. Слід, однак, пам'ятати, що, коли мова йде про вплив магнітного поля на воду, то під «водою» слід розуміти рідина, в якій, крім молекул Н2 О, присутні в більшій чи меншій мірі розчинені в ній різні речовини, і саме впливом на ці речовини (на їх розчинність, гідратацію та інше) може впливати магнітне поле.
Сильні магніти застосовують в медицині для видалення дрібних феромагнітних тел (металеві тирса та ін.) З очей і з відкритих ран, для чого промисловість випускає магніти з наконечниками спеціальної форми. В останні роки широке застосування знайшли магнітні зонди. Успіхи, досягнуті в технології магнітних матеріалів, дозволили використовувати для виготовлення зондів такі сплави, які при малих габаритах мають дуже велику підйомну силу і забезпечують практично повне видалення з шлунка залізних предметів. В даний час вітчизняна промисловість випускає зонд А. В. Коробова і А. С. Беланівського ЗМУ-1 (рис. 57). Головка зонда являє собою відлитий з високоерцітівного сплаву циліндричний магніт з двома усіченими конусами на кінцях, що дозволяє різко збільшити індукцію магнітного поля в цих місцях (до 250 мТл у поверхні зонда) і відповідно підйомну силу (до 120 Н). Однак предмети притягуються до магнітів тільки в тому випадку, якщо вони знаходяться від них досить близько, так як магнітне поле магнітів дуже швидко зменшується з відстанню.
Постійна магнітоте-рапія - лікувальне використання постійного магнітного поля. В даний час з лікувальною метою використовують пристрої різних типів.
1. Магнітоеласти, виготовлені із суміші полімерної речовини з порошкоподібною феромагнітним наповнювачем (має безліч локальних магнітних полюсів). Набори еластичних магнітів в корсеті створюють основу всіляких радікулітние поясів, рис. Магнітна індукція 8-16 мТл.
2. Магніти кільцеві, пластинчасті, дискові. Магнітна індукція 60-130 мТл.
3. мікромагніти - намагнічені голки, кульки, кліпси (для Магнітопунктура). Магнітна індукція - 60-100 мТл.
4. Пластинчасті магніти використовують у вигляді браслетів, носяться на зап'ясті пацієнта. Магнітна індукція 20-70 мТл.
Імпульсна магніто-терапія - лікувальне застосування імпульсів магнітного поля низької частоти. Використовуються імпульсні магнітні поля з частотами 0,125-1000 імп / с, магнітна індукція яких не перевищує 100 мТл. Чинним фактором в даному методі є вихрові електричні поля, індуковані в тканинах імпульсним магнітним полем високої амплітуди. За рахунок швидкого наростання вектора магнітної індукції (швидкість якого досягає 10 4 мТл / с) виникають вихрові електричні поля викликають кругові рухи зарядів. Висока ефективність даного методу обумовлена максимальною порогової чутливістю організму до імпульсних магнітних полів, що становить 0,1 Тл, в той час як для постійних магнітних полів вона дорівнює 8 мТл, а для змінних - 3 мТл.
Застосовуються різні способи розташування індукторів. Наприклад, при впливі на кінцівки, їх поміщають всередину блоку соленоїдів, рис.
Високочастотна магнітотерапія - лікувальне застосування магнітної складової електромагнітного поля високої частоти. Для формування змінного магнітного нуля в даному випадку використовують індуктори-соленоїди. В результаті явища електромагнітної індукції (як і в разі імпульсного магнітного поля) в провідних тканинах утворюються вихрові струми Фуко, що нагрівають об'єкт.
Оцінимо тепловий ефект при дії змінного магнітного поля. Згідно із законом електромагнітної індукції в контурі при зміні магнітного потоку виникає ЕРС, яка дорівнює E = -S (dB / dt), де S - площа контуру, В - магнітна індукція, що пронизує поверхню (передбачається, що вектор індукції перпендикулярний поверхні). На підставі закону Ома і Джоуля-Ленца q = kw 2 В 2 / r.
Теплова потужність q, що виділяється в одиниці об'єму тканини під впливом змінного магнітного поля, прямо пропорційна квадрату магнітної індукції В, квадрату частоти і обернено пропорційна питомій електроопору р.
При високочастотної магнітотерапії більше теплоти виділяється в тканинах з меншим питомим опором. Тому сильніше нагріваються тканини, багаті судинами, наприклад м'язи. У меншій мірі нагріваються такі тканини, як жир.
Нагрівання області тіла при дії високочастотного магнітного поля здійснюється на частотах 10-15 Мгц. Вплив на біологічний об'єкт здійснюється з використанням кабельних індукторів, які розташовуються в трьох положеннях:
Мал. Способи накладення індуктора кабелю при різних методиках високочастотної магнітотерапії
а) плоска поздовжня петля (частіше на спині);
б) плоска кругла спіраль (на тулуб);
в) циліндрична спіраль (на кінцівках).
В результаті виділення тепла відбувається рівномірний локальний нагрів опромінюваної тканини на 2-4 градуси на глибину 8-12 см, а також підвищення температури тіла пацієнта на 0,3-0,9 градуса. Для цього виду магнітотерапії використовується стара назва - індуктотермія - наведення тепла.
В процесі високочастотної магнітотерапії проявляється і нетепловий ефект: вихрові струми викликають зміну характеру взаємодії власних магнітних полів заряджених частинок в тканини, але детально цей механізм тут на розбирається.
На закінчення слід зазначити, що, хоча магнітне поле застосовують у медичній клінічній практиці, механізм його дії ще багато в чому неясний.