Регистрация / Вход
Прислать материал

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОДЫ И ВОДНОЙ СРЕДЫ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ КАК ИНДИКАТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСМОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Сведения об участнике
ФИО
Цетлин Владимир Владимирович
ФИО (на английском языке)
Tsetlin Vladimir Vladimirivich
Название организации
ИМБП РАН
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биоиндикация и химический анализ в экологическом мониторинге
Название доклада
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОДЫ И ВОДНОЙ СРЕДЫ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ КАК ИНДИКАТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСМОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Макеева В.М., Смуров А.В.,Cавчуков С.А.. 1.Московский государственный университет имена М.В. Ломоносова, Музей землеведения, Москва, Россия; Мойса С.С. ГНЦ РФ – Институт медико-биологических наук РАН, Москва, Россия
Аннотация
Разработан и апробирован на биообъектах способ измерения электрохимических параметров воды и жидкой среды живых организмов. Выявлены вариации электрических токов, сопровождающие изменения ионосферы и атмосферы, происходящие под влиянием различных космо- и геофизических факторов, таких как солнечные и лунные затмения, движение Луны и планет Солнечной системы, извержения вулканов, землетрясения. Впервые обнаружено, что на фоне постоянного ритмического воздействия космофизических факторов (сверхслабого излучения 10 -8- 10-10 Вт/см2 ) гравитационное воздействие Луны (в момент прохождения через перигей) и планет ( в момент кульминации), Солнца (в момент астрономического захода), а также влияния земной приливной волны и других факторов, может изменять состояние воды и жидкой среды организмов на 2-5 минут. Появление сильных вариаций токов в зафиксированный момент строго совпадает с расчетным временем движения планет. Экспериментально зафиксированные вариации электрических токов в электрохимических ячейках (на примере воды и внутренней водной среды модельного объекта - виноградной улитки) предлагается трактовать как сформировавшийся в процессе эволюции электрохимический механизм поддержания гомеостаза организмов как живых систем, находящихся под постоянным воздействием космофизических факторов. Метод измерения электрохимических параметров воды и жидкой среды живых организмов можно использовать для диагностики космофизических факторов.
Ключевые слова
Ключевые слова: вода, жидкая среда живых организмов, электрохимические параметры, индикаторы, космофизические факторы.
Введение

Работа посвящена изучению биофизической природы реакций жидкой воды на воздействие космо- и геофизических факторов на биосферу. В наших предыдущих исследованиях, посвящённых изучению воздействий сверхмалых доз радиации на растения, микроорганизмы и птиц установлено, что малые дозы, превышающие природный радиационный фон в 100–500 раз, могут оказывать заметное влияние на онтогенез и репродуктивные функции у всех изученных биологических объектов [1]. Вне зависимости от принадлежности объектов к животному или растительному царству обнаруженные нарушения носили системный характер. Вода, входящая в состав внутренней среды живых систем, является универсальным приёмником внешнего слабого воздействия. Изменения её физико-химических свойств опосредовано влияют на процессы метаболизма и регуляции в организмах. Известно, что под воздействием слабых факторов окружающей среды, таких, как природный радиационный (корпускулярный и электромагнитный) фон, смена климатических сезонов, суточные ритмы и ряд других параметров солнечной активности влияют на биообъекты. Так, установлено, что приливные процессы в окружающей среде, вызываемые Луной, изменяли динамику подвижности спиростом, биохимические показатели слизи рыб [2, 3]. В условиях природного фона и пониженного геомагнитного поля снижались всхожесть и прорастание семян высших растений [4, 5], угнеталось эмбриональное развитие моллюсков Planorbarius corneus [6]. Установленные факты свидетельствуют о том, что изученные биообъекты обладают способностью изменять свое физиологическое состояние.

Применение электрохимических методов анализа состояния чистой воды, например, при изучении окислительно-восстановительных реакций, позволили расширить диапазон исследований воздействия на окружающую среду таких явлений, как возникновение солнечных протонных событий и рентгеновских вспышек, сопровождающих выбросы солнечного вещества - протуберанцев и флоккулов, лунных и солнечных затмений, магнитосферные и ионосферные бури и т.п. Этим удалось экспериментально подтвердить прозорливые догадки А.Л.Чижевского о высокой чувствительности живых систем и воды к воздействию космических факторов [7]. 

Методы и материалы

Разработана экспериментальная методика наблюдения влияния на воду факторов внешней среды, основанная на измерении электрохимических реакций воды, проявляющихся в изменении динамики электрических токов в водной электрохимической ячейке. Созданы устройства для круглосуточного мониторинга электрических токов в двухэлектродной электрохимической ячейке, заполненной водой высокой очистки [8].

В экспериментальной установке используются закрытые двухэлектродные стеклянные ячейки объемом 50 или 150 мл. Для исключения влияния прямого солнечного освещения воды при смене дня и ночи на протекание токов одни ячейки постоянно находятся в деревянном светозащитном ящике (деревянный экран), а другие – в алюминиевом ящике с толщиной стенки 1,5 мм (алюминиевый экран). Индикаторные электроды, изготовленные в виде пластин из инертных (плохо растворимых в воде) материалов, например, пищевой нержавеющей стали, или стандартные электроды из платиновой ленты, навитой на рамку из органического стекла. В ячейки заливалась вода высокой очистки (удельная проводимость σ = 0,1–0,2 мкСм), полученная из дистиллята на специальной установке. Расстояние между электродами устанавливалось вручную в диапазоне от 10 до 30 мм. На электроды подавалось постоянное стабилизированное напряжение 0,1–3 В. Напряженность поля в зазоре между электродами не превышала 1 В/см. Блоком питания служил источник Instek GPS 4303 с величиной регулируемого напряжения ±15 В. Стабильность напряжения поддерживалась с погрешностью, не превышающей 0,5 %. Ток, протекающий через водный промежуток и измерительное сопротивление ~120 Ом, подается на ПК через преобразователь I-U и АЦП типа Е-140 фирмы L-card. Помимо того, для более точного измерения электрических токов и перенапряжения использовали потенциостат IPC-Micro, разработанный в Институте физхимии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.

Запись и обработка сигналов производится на жесткий диск ПК с использованием программы Power Graph.

Измерения электрических токов в межэлектродном промежутке при непрерывном круглосуточном измерении проводятся в лаборатории Мониторинга радиационных условий обитания экипажей космических аппаратов ИМБП РАН с декабря 2007 г.

Методика измерения окислительно-восстановительного потенциала и водородного параметра воды при постоянном и переменном электрическом поле

Экспериментальная методика наблюдения влияния на воду перечисленных факторов внешней среды, основанная на измерении электрофизических свойств чистой воды: окислительного потенциала (ОВП) и водородного параметра рН. В методике используются промышленно выпускаемые иономеры типа И-160-М, снабженные стандартными электродами для измерения окислительно- восстановительного потенциала и рН–метрии. Особенность методики заключается в одновременном, но раздельном измерении ОВП и рН несколькими приборами в отдельных ячейках. Измерения производятся непрерывно в течение суток. Результаты измерения фиксируются на персональном компьютере, обычно с одноминутным интервалом записи. 

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) определяется разностью потенциалов, обеспечивающей перенос электрона между парами веществ (электродов и растворов), одни из которых являются донорами электронов или восстановителями, а другие их акцепторами или окислителями [9, 10]. В условиях равновесия, когда в системе электрод-раствор электрохимические потенциалы равны, ОВП определяется разностью химических потенциалов веществ электрода и раствора, деленной на число Фарадея.

Методика определения динамики окислительных свойств жидкой среды живых организмов (на примере  модельного объекта - виноградной улитки (Helix pomatia L.)

Описанная выше методика исследований окислительных свойств воды и водных растворов белков использована для изучения динамики окислительных свойств жидкой

среды организмов.

В качестве модельного объекта, позволяющего уловить эффект воздействия космофизических факторов на жидкую среду организмов, использована виноградная улитка. Исследовались электрохимические параметры воды и водного раствора слизи виноградной улитки в момент «спокойного» состояния ионосферы и атмосферы и  в момент его изменения во время достижения точки кульминации орбиты Луны и планет Солнечной системы. Расчетное время кульминации Луны и планет определялось с помощью стандартной методики расчета движения планет.  Перед приближением расчетного времени кульминации планет фиксация  электрохимических параметров воды и жидкой среды живых организмов производилась практически  в непрерывном режиме: в течение 10-12 минут с интервалом менее  2 минут.

В экспериментах использовались взрослые особи с оформленным устьем.

В экспериментальной установке использован потенциостат марки IBС mikro, разработанном в Институте физхимии и электрохимии им А. Фрумкина РАН. Прибор предназначен для определения характеристик химических реакций, протекающих в воде и позволяет измерять электрические токи в электрохимической ячейке при непрерывном изменении напряжения на межэлектродном промежутке.

Особенность режима работы прибора заключается возможности проведения измерений токов с заданным промежутком времени. В частности, проводить мониторинг эффектов изменения окружающей среды, вызванного перемещением небесных тел Солнца, Луны и планет солнечной системы.

 

Полученные результаты

Предложенная экспериментальная методика многолетнего инструментального наблюдения изменения свойств воды под воздействием внешних факторов окружающей среды [8], позволила обнаружить эффекты, возникающие в воде во время солнечных и лунных затмений, а также сопутствующие сильному извержению вулкана Эйяфьядлайекудль в Исландии и тектоническим процессам, проявляющимся в виде землетрясений и цунами. На рис.1-4.показаны зафиксированные нами вариации токов во время отдельных геофизических событий.

Рис. 1. Ход электрических токов в ячейке во время (отмечено стрелкой) и сразу после

солнечного затмения в Москве, произошедшего в 15 ч 6 мин 29 марта 2006 г.

Рис. 2. Динамика токов в экранированной и неэкранированной электрохимических

ячейках в период извержения вулкана Эйяфьядлайекудль .

Минимум токов наступил 12.04.2010 г, когда независимые наземные службы зафиксировали в момент максимального извержения. По нашему мнению, в этот период проявился эффект снижения потока электромагнитного излучения (ЭМИ), вызванного загрязнениями обширных областей атмосферы выбросами вулканических газов, пыли и пепла.

 

Рис .3. Регистрация токов в ячейке в устройстве, размещенном на Космостанции в Казахстане в период землетрясения в Иране 26 января 2013г в 15часов 41 мин по всемирному времени.

Рис 4.Динамика токов в двух ячейках в течение 3 суток в 26-28 июля 2013г.

На рисунке 4 розовым цветом выделены токи, поступающие в устройство с полупроводникового фотоэлемента и служащие маркером смены дня и ночи. На кривых токов, показанных синим и красным цветом, отчетливо виден периодический характер колебаний токов с периодом ~55-65 минут. Почти периодические колебания тока, регистрируемые в ночное и утреннее время, связаны, по нашему мнению, с суточной динамикой изменений потоков космического электромагнитного излучения (ЭМИ), активирующего воду в ячейках, вызваны собственными вириальными колебаниями плотности атмосферы типа So2. Зафиксированные колебания протекающих токов вызваны влиянием приливов на поток электромагнитного излучения (ЭМИ), поступающий из магнитосферы.

Итак, в экспериментах показано, что в водной среде под воздействием электромагнитного излучения окружающей среды постоянно происходит смена оксидантного статуса, что неизбежно вызывает изменения в состоянии внутренней среды живых организмов, влияющей на обменные, регуляторные, иммунные и другие процессы [11]

Обнаруженные закономерности изменения электрических токов в воде в электрохимических ячейках позволяют, по нашему мнению, приблизиться к раскрытию механизмов влияния гео- и гелиофизических факторов не только на свойства чистой воды в электрохимической ячейке, но и водной среде живых организмов.

В то время, как при измерениях токов в межэлектродном промежутке, заполненном чистой водой, определяются дифференциальные параметры электрохимических реакций воды на воздействие факторов окружающей среды мониторинг динамики ОВП и рН позволяет наблюдать и контролировать интегральные характеристики биотропных условий обитания живых систем. Синхронный мониторинг окислительного отклика воды на воздействия радиационной и магнитной обстановки и климатических условий различных регионов страны и мира в целом. Так, рис. 5 показана многосуточная динамика ОВП воды в ИМБП РАН в г. Москва и за полярным кругом в Нарьян-Маре.

Рис.5. Динамика ОВП воды в Нарьян-Маре и Москве и критической частоты ионосферы fo2 в период с 6 по 14 января 2015г.

Сходство трендов ОВП в Москве и Нарьян-Маре показывает, что глобальный поток ЭМИ, определяемый процессами в космическом пространстве далеко за пределами солнечной системы является общим для всей планеты Земля. Однако имеются заметные отличия ОВП в локальных проявлениях. Так, видно, что днем 8 января 2015 г. в Москве была отмечена магнитная буря, резко понизившая окислительные свойства воды, а в Нарьян-Маре падения ОВП не отмечалось. Следовательно, если базироваться на представлениях, что во время магнитных возмущений в магнитосфере формируются потоки заряженных частиц, высыпающихся на низковысотные слои ионосферы и атмосферы (Е и D слои), можно представить процесс падения окислительных свойств воды как реакцию на приход потоков электромагнитного излучения, генерируемого при торможении и поглощении таких частиц в атмосфере.

Результаты изучения динамики электрических токов воды и водного раствора слизи виноградной улитки в « спокойном» и измененном состоянии ионосферы и атмосферы

В настоящей работе представлены предварительные результаты исследований по выявлению эффектов космофизических и геофизических факторов окружающей среды на живые системы в воде и водных растворах слизи моллюсков на примере виноградной улитки. 

Использование методики  определения окислительных свойств воды  и водных растворов белков позволило исследовать  динамику электрохимических параметров воды и внутренней водной среды живых систем на примере  слизи виноградной улитки. Вариации электрических токов были зафиксированы в   «спокойном» состоянии ионосферы  и атмосферы  и в момент изменённого приливными волнами   состояния ионосферы и атмосферы, произошедшего во время изменения положения Луны и планет, а также во время астрономического захода Солнца и  влияния земной приливной волны и  других космо- и геофизических факторов. Расчетное время кульминации светил определялось с помощью стандартной методики расчета движения планет.

 Например, эффект сильной вариации электрических токов в воде обнаружен  во время прохождения Луны через перигей   в 17 час.00 мин. 27.07.07. 2016 г. (продолжительность 305,21сек.). Эффект вариации электрических токов   во внутренней жидкой среде организма выявлен для слизи виноградной улитки время кульминации Юпитера  в 17.час.48 мин. 28.06.2016 г. (продолжительность 102.75 сек.), во время захода Меркурия в в 17 час.50 мин. 44 сек. (продолжительность 227, 41 сек) а также  во время астрономического захода Солнца (18 час. 31 мин. 15 сек.) и влияния Земной приливной волны (18 час.09 мин.28 сек).

В спокойном состоянии ионосферы и атмосферы зарегистрированная картина хода электрических токов в электрохимических ячейках представлена на рис. 6 (чистая  вода) и 7 (водный раствор слизи виноградной улитки).

 

Рис.6. Зарегистрированная  картина хода электрических токов в электрохимических ячейках с чистой  водой в спокойном состоянии ионосферы и атмосферы (15 час.33 мин. 53 сек. 28.06. 2016 г.).

Рис.7. Зарегистрированная  картина хода электрических токов в электрохимических ячейках с водным раствором слизи виноградной улитки в спокойном состоянии ионосферы и атмосферы (17 час.43 мин. 53 сек. 28.06. 2016 г.).

Следует отметить, сходство форм кривых воды и улитки, что говорит о прямой связи изменения окислительных свойств воды и состояния слизи.

«Спокойное» состояние ионосферы и атмосферы - это состояние во временных промежутках между возмущающими воздействиями, вызванными движением Луны и планет Солнечной системы.

Во время кульминации происходит изменение толщины ионосферы и атмосферы за счет приливной волны, вызванной гравитационным воздействием.

На рис. 8-10 представлены картины вариации электрических токов, зафиксированные нами  в  измененном состоянии ионосферы и атмосферы для слизи виноградной улитки.

Рис. 8. Зафиксированные  вариации  электрических токов в ячейках с водным раствором слизи виноградной улитки  в зарегистрированный  момент изменения  состояния ионосферы и атмосферы, обусловленного заходом Меркурия (17час.50 мин.38 сек.).

Рис. 9. Вариации  электрических токов в ячейках с водным раствором слизи виноградной улитки, зафиксированные  время влияния   земной приливной волны (18 час.09 мин.28 сек.).

Рис.10. Вариации  электрических токов в ячейках с водным раствором слизи виноградной улитки, зарегистрированные   в момент астрономического захода Солнца (18 час.31.мин. 15 сек).

Необходимо отметить, строгую корреляцию появления сильных вариаций токов  в электрохимических ячейках  с расчетным временем движения Луны, планет, а также   влиянием других  космо- и геофизических факторов.

В момент измененного состояния ионосферы и атмосферы обнаружено повышение электрического  перенапряжения  в  межэлектродном пространстве, продолжительностью 2-5 минут. Размах колебания напряжения увеличился с 500-800 мВ до 120-1000 мВ. Одновременно, во всех зафиксированных случаях наблюдались всплески и прерывание динамики электрического тока, что, возможно, обусловлено  изменением состояния воды и структуры белка.

Результаты исследований позволяют считать, что электрохимические параметры жидкой  воды и жидкой среды  живых организмов могут использоваться в качестве индикаторов  воздействия космо- и геофизических  факторов, что может быть использовано при создании систем оценки космофизической опасности,  работающих в реальном времени.

 

Заключение

Предложен метод оценки влияния космо-физических факторов на биообъекты, позволяющий производить диагностику их эффектов на живые системы. Главным звеном в действии факторов окружающей среды на биообъекты является вода, как основной компонент биообъектов, которая  изменяет  свои  свойства и структурное состояние.

Зафиксированный нами в эксперимент процесс вариации электрических токов (на примере воды и внутренней водной среды  живого организма-  виноградной  улитки)  предлагается трактовать как сформировавшийся в процессе эволюции электрохимический механизм поддержания гомеостаза организмов как живых систем, находящихся под постоянным воздействием космофизических факторов.

Таким образом, на фоне постоянного ритмического воздействия космофизических факторов (сверхслабого излучения 10 -8- 10-10 Вт/см2 ) излучение от Луны и планет может изменять состояние ионосферы и атмосферы на 2-5 минут. Появление сильных вариаций токов в этот момент строго коррелирует  (совпадает) с расчетным временем движения планет.

Результаты исследований позволяют считать, что электрохимические параметры жидкой среды живых организмов могут служить надежными маркерами эффекта воздействия космофизических факторов, что может быть основой для работающей в реальном времени системы оценки космофизической опасности (в том числе радиационной) и информации населения. Проведенные исследования показывают также широкий спектр причин, которые нарушают воспроизводимость медико-биологических эксперимеПредложен метод оценки влияния космо-физических факторов на биообъекты, позволяющий производить диагностику их эффектов на живые системы. Главным звеном в действии факторов окружающей среды на биообъекты является вода, как основной компонент биообъектов, которая  изменяет  свои  свойства и структурное состояние.

 

Цитируемая литература
1. Ушаков И.Б. Цетлин В.В., Мойса С.С. Прогноз радиационной ситуации в дальнем космосе: реакция воды и живых систем при хроническом воздействии ионизирующего излучения в малых дозах. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2013. Т.47.с.61-68.
2. Цетлин В.В., Зенин С.В., Лебедева Н.Е. Механизмы воздействия сверхслабых доз ионизирующей радиации на водную среду // Биомед. радиоэлектроника.. 2005. № 6. С. 53-58.
3. Лебедева Н.Е., Цетлин В.В. Влияние космических ритмов на гидробионтов и среду их обитания // Тр. биогеохим. лаб..»Современные тенденции развития биогеохимии». М. ГЕОХИ РАН. 2016. Т. 25. С. 81-87.
4. Цетлин В.В., Левинских М.А., Нефедова Е.Л., Дерендеева Т.А., Федотова И.В. Влияние малых доз ионизирующего излучения на водный субстрат и развитие семян высших растений //Авиакосм. и экол. мед. 2008. №3. С.18- 22.
5. Moisa S.S., Tsetlin V.V., Levinskich M.A., Nefedova E.L. Low Doses of Ionized Radiation and Hypomagnetic Field Alter Redox Properties of Water and Physiological Characteristics of Seeds of the Highest Plants.//J. Biomedical Science and Engineering, 2016. Vol. 9. № 8. P. 410-418. http://dx.doi.org/10.4236/jbise.2016.98036
6. Moisa S.S., Zotin A.A., Tsetlin V.V. The embryonic development of great Ramshorn Planorbarius corneus under the hypomagnetic field // American Journal of Life Sciences. Special Issue: Space Flight Factors: From Cell to Body. 2015. Vol. 3. N 1-2. P.25-31. DOI: 10.11648/j.ajls.s.2015030102.15.
7. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни: Земля в объятьях Солнца. Гелиотараксия.// М.: Мысль, 1995. 768 с.
8. Цетлин В.В. Исследование реакции воды на вариации космофизических и геофизических факторов окружающего пространства // Авиакосм. и экол. медицина. 2010. № 6. С. 26-31. Прикурин В.И., Бахир В.М. Электрохимическая активация воды: аномальные свойства, механизм биологического действия. М.: ВНИИИ МП АО МПО «Экран». 1987. 228 с
9. Рассадкин В.П. Вода обыкновенная и необыкновенная. М.: Галерея СТО. 2008. 840 с.
10. Прикурин В.И., Бахир В.М. Электрохимическая активация воды: аномальные свойства, механизм биологического действия. М.: ВНИИИ МП АО МПО «Экран». 1987. 228 с
11. Владимиров Ю.А., Проскурина Е.В. Свободные радикалы и клеточная хемилюминесцен-ция. // Успехи биол. наук. 2009. Т.49. С. 341- 388.
Благодарности
Не заполнено
Название, авторы, резюме (на английском языке)

ELECTRO-CHEMICAL PARAMETERS OF WATER AND WATER MEDIUM OF LIVING SYSTEMS AS INDICATORS OF THE EFFECTS OF COSMO-PHYSIC FACTORS

Tsetlin V.V., Makeeva V.M, Moisa S.S., Smurov A.V., Savchukov S.A.

A method of measuring the electrochemical parameters of water and the liquid medium of living organisms has been developed and tested on biological objects. Variation in currents that accompany changes in the ionosphere and atmosphere, occurring under the influence of various cosmo- and geophysical factors such as solar and lunar eclipses, the motions of the Moon and the planets of the Solar system, earthquakes and volcano eruptions are identified. It is for the first time that it was found out that, with the impact of the cosmophysical factors (ultra-low radiation 10 -8 - 10 - 10 W/cm2 ) being constant, the condition of water and the liquid mediums of living organisms can be altered for 2-5 minutes by the gravity of the Moon (at the moment of passing through perigee), planets (at the moment of culmination) and the Sun (at the moment of astronomical sunset) as well as by the Earth’s tidal waves. Strong variation in electric currents exactly coincides with the estimated time of planetary motion. The authors suggest that the experimentally recorded variations in electric currents in electrochemical cells (examplified by water and the inner water medium of a model ¾ grapevine snail (Helix pomatia L.) should be seen as an evolutionarily established electrochemical mechanism to maintain the homeostasis of organisms as living systems which are constantly exposed to cosmophysical factors. The method of measuring the electrochemical parameters of water and the liquid medium of living organisms can be used to diagnose the cosmophysical factors.

Key words: water, liquid medium of living organisms, electrochemical parameters, indicators, cosmophysical factors.