СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В ТКАНЯХ ЖИВЫХ ЖИВОТНЫХ Российский патент 2013 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к физическим методам исследования состояния воды в биообъектах, в том числе тканях живых животных, и представляет интерес для биофизики, биологии, медицины, решения ряда проблем «Экологии человека».

Все биообъекты на Земле содержат воду, без которой их жизнь невозможна. Причем согласно сложившимся к настоящему времени представлениям, вода служит не только специфической средой, в которой протекают биологические реакции, но и непосредственно воздействует на строение, свойства и функционирование макромолекул белков, биополимеров, биомембран, влияя тем самым и на ход биологических реакций [1].

Однако, несмотря на многочисленные исследования, вопрос о том, в каком состоянии находится вода в биообъектах, ее отличие от обычной «объемной» воды до сих пор является темой ожесточенных дискуссий физиков, химиков и биологов, что связано с отсутствием достаточно достоверной информации. Дефицит пригодных для количественного анализа экспериментальных данных обусловлен тем, что биообъекты оказались почти «непрозрачны» для большинства физико-химических методов. Поэтому в большинстве работ проводится лишь экстраполяция к живым системам всего того, что известно о воде в различных растворах. К недостаткам проведенных исследований состояния воды в биообъектах следует отнести и то, что в лучшем случае предпринимаются попытки изучения состояния воды в тканях, отделенных от организма животных, т.е. в «мертвых» тканях [1]. Получить сведения о специфических свойствах живых биообъектов по таким экспериментам невозможно.

Предлагаемый способ оценки состояния воды в тканях живых животных основывается на способе [2], разработанном для исследования водных растворов в объемном состоянии по их диэлектрическим параметрам в диапазоне частот 10 кГц - 100 МГц с помощью комплекта соленоидальных катушек индуктивности идентичного размера (L-ячеек), подключаемых к колебательному контуру куметра. Параметрами, характеризующими состояние воды и ее растворов в обычном объемном состоянии в способе [2], являются:

во-первых, значение тангенса угла диэлектрических потерь воды, рассчитываемое по соотношению

где Q₁; C₁; Q₂; C₂ - значения добротности и емкости колебательного контура куметра при резонансе до и после помещения жидкости в диэлектрическом сосуде внутрь L-ячейки на частоте измерения,

и, во-вторых, относительная величина диэлектрической проницаемости водного объекта ε_отн=ΔC/ΔC_∞, где ΔC и ΔC_∞ - сдвиг резонансной емкости колебательного контура куметра после введения исследуемого объекта на частоте измерения и на частоте порядка 10 МГц.

Достоинство способа [2] для исследования биообъектов выявлено в [3] и обусловлено тем, что в слабых вихревых полях L-ячеек не способны переориентироваться ни биомакромолекулы, ни их группы или сегменты. Данный факт обосновывается, например тем, что ввод в L-ячейки обезвоженных семян или плодов растений практически не проявляется на параметрах L-ячеек и становится весьма существенным при малейшем их смачивании. Таким образом, способ [2] позволяет выделить вклад от эффекта поляризации молекул воды на фоне большого числа полярных биомакромолекул и исследовать состояние водных растворов вблизи таких макромолекул в тканях биообъектов [3].

В предлагаемом способе для оценки отличия состояния воды в тканях живых животных (например, мыши, лягушки и т.д.) от обычного объемного состояния, в измерительные соленоидальные катушки индуктивности (L-ячейки), подключаемые к колебательному контуру куметра, вводятся по очереди два идентичных диэлектрических сосуда, в один из которых наливается физиологический раствор, соответствующий объемному состоянию воды в клетках животных, а в другой - исследуемое живое животное. Затем по найденным значениям добротности и емкости колебательного контура куметра при резонансе до (Q₁; C₁) и после помещения внутрь L-ячейки сосуда с физраствором (Q₂; C₂) и животным по соотношению (1) рассчитываются значения tgδ физраствора и животного в диапазоне частот 10 кГц - 30 МГц. Примеры получаемых данным способом частотных зависимостей tgδ животных в диапазоне частот 10 кГц - 30 МГц приведены на фиг.1. (Частотные зависимости tgδ тканей некоторых живых животных: дождевых червей (1); лягушки (2); хомяка (3); мыши (4)).

Как видим, на частотных зависимостей tgδ водных растворов в тканях живых животных имеются ярко выраженные максимумы. Причем частотная зависимость tgδ водных растворов в тканях живых животных оказалась подобна физиологическому раствору в объемном состоянии лишь для животных низкого уровня эволюционного развития, у которых отсутствует как внешний, так и внутренний скелет, например, дождевых червей (фиг.2). (Частотные зависимости tgδ тканей живых дождевых червей (1) и физиологического раствора в объемном состоянии).

Следовательно, лишь у таких животных состояние воды в их тканях подобно объемному состоянию физиологического раствора. По мере повышения эволюционного уровня животного максимумы tgδ воды в их тканях смещаются в область более низких частот и растут по величине (фиг.1).

Поскольку согласно теории Дебая [3-4], частота ν_max, на которой наблюдается максимум tgδ (tgδ_max), определяется размером релаксирующего кластера, причем уменьшению ν_max соответствует увеличение размеров кластера, то эволюционное развитие животных сопровождалось повышением структурированности воды в их тканях. Данное высокоструктурированное состояние воды в тканях животного наблюдается только у живых животных и становится идентичным обычному объемному состоянию физиологического раствора после его смерти. Особенно резкое различие состояния водных растворов в тканях живого и мертвого животного наблюдается в тканях млекопитающих, для которых частота ν_max воды в их тканях после гибели животного повышается в 400 раз, а величина tgδ_max уменьшается более чем на порядок (фиг.3).

На основании столь высокой чувствительности значений ν_max и tgδ_max к состоянию водных растворов в тканях животных в данном способе предлагается их оценивать и сопоставлять по величине двух параметров: K_ν и K_δ. Оба эти параметра характеризуют отличие усредненного по всему организму животного состояния воды в его тканях от ее объемного состояния в физиологическом растворе соли. Параметр K_ν находится по отношению частоты ν_max, на которой наблюдается максимум tgδ у физраствора в объемном состоянии и исследуемого животного. А параметр K_δ находится по отношению значений tgδ на частотах 50 кГц и 20 МГц, на которых наблюдается максимум tgδ у позвоночных животных (фиг.1, кривые 2, 3, 4) и физиологического раствора в объемном состоянии. Отметим, что параметр K_δ является некоторым аналогом коэффициента поляризации K, который использовался ранее для характеристики тканей в практике биологической электроспектроскопии и определялся как отношение низкочастотного и высокочастотного сопротивления ткани чаще всего на частотах 10 кГц и 1 МГц [5]. Как видим, рекомендованные частоты определения параметров K и K_δ достаточно близки, но в данном способе частоты определения параметра К_δ более обоснованы.

Изображенная на фиг.4 диаграмма, а также данные таблицы показывают, что эволюция животного мира сопровождается увеличением как параметра K_ν, так и K_δ, а следовательно, повышением степени связанности и структурированности воды в их тканях. Данный эффект в эволюционном учении животного мира ранее не учитывался. Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить принципиально новые данные, имеющие особое значение для различных областей физики и биофизики.

Литература

1. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М.: Наука, 1990, 117 с.

2. Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью L-ячейки. Патент РФ №2234102 // БИПМ, №6, 2004.

3. Семихина Л.П. Низкочастотная диэлькометрия жидкостей в слабых вихревых электрических полях. Автореферат докторской дисс. на соискание степени д.ф.-м.н. Тюмень, 2006.

4. Дебай П. Избранные труды. Л.: Наука, 1987, С.264-316, (Debye P.Falkenhagen Н. // Phys. Ztschr. 1928. V.29. P.121).

5. Андреев B.C. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине. М.: Медицина, 1973, 336 с.

Биообъект K_ν 1. Плоды растений и грибы 1 2. Живые животные без внешнего и внутреннего скелета (черви, личинки насекомых и т.п.) 1 3. Живые животные с внешним скелетом (моллюски, взрослые насекомые) 30-40 4. Живые позвоночные животные 400

Изобретение направлено на получение данных о свойствах воды в тканях живых животных, имеющих значение для различных областей физики, биофизики и экологии человека. Для оценки состояния воды в тканях живых животных в измерительные L-ячейки вводятся по очереди два идентичных диэлектрических сосуда, в один из которых наливается физиологический раствор, соответствующий объемному состоянию воды в клетках животных, а в другой - исследуемое живое животное, а за характеристику состояния воды в тканях животного принимаются значения двух параметров K_ν и K_δ, характеризующие отличие усредненного по всему организму животного состояния воды в его тканях от ее объемного состояния в физиологическом растворе соли, при этом параметр K_ν находится по отношению частот ν_max, на которых наблюдаются максимумы tgδ у физраствора в объемном состоянии и исследуемом животном, а параметр K_δ находится по отношению значений tgδ исследуемого животного на частотах 50 кГц и 20 МГц, которым соответствуют состояние связанной воды в тканях позвоночных животных и физиологического раствора в объемном состоянии. 4 ил., 1 табл.

Способ оценки состояния воды в тканях живых животных с помощью соленоидальной индуктивной L-ячейки, подключенной к колебательному контуру куметра, отличающийся тем, что для оценки состояния воды в тканях живых животных в измерительные L-ячейки вводятся по очереди два идентичных диэлектрических сосуда, в один из которых наливается физиологический раствор, соответствующий объемному состоянию воды в клетках животных, а в другой - исследуемое живое животное, а за характеристику состояния воды в тканях животного принимаются значения двух параметров K_ν и K_δ, характеризующие отличие усредненного по всему организму животного состояния воды в его тканях от ее объемного состояния в физиологическом растворе соли, при этом параметр K_ν находится по отношению частот ν_max, на которых наблюдаются максимумы tgδ у физраствора в объемном состоянии и исследуемом животном, а параметр K_δ находится по отношению значений tgδ исследуемого животного на частотах 50 кГц и 20 МГц, которым соответствуют состояние связанной воды в тканях позвоночных животных и физиологического раствора в объемном состоянии.