Магнитобиология
Магнитобиология — изучение биологических эффектов преимущественно слабых статических и низкочастотных магнитных полей, не вызывающих нагревания тканей. Магнитобиологические эффекты обладают уникальными особенностями, которые явно отличают их от тепловых эффектов; часто они наблюдаются для переменных магнитных полей лишь в отдельных частотных и амплитудных интервалах. Кроме того, они зависят от одновременно присутствующих статических магнитных или электрических полей и их поляризации.
Магнитобиология — это раздел биоэлектромагнетизма . Биоэлектромагнетизм и биомагнетизм — это изучение производства электромагнитных и магнитных полей биологическими организмами. Восприятие магнитных полей организмами известно как магниторецепция .
Биологические эффекты слабых низкочастотных магнитных полей, менее 0,1 миллитеслы (или 1 Гаусса ) и 100 Гц соответственно, представляют собой физическую проблему. Эффекты выглядят парадоксально, поскольку квант энергии этих электромагнитных полей на много порядков меньше энергетического масштаба элементарного химического акта. С другой стороны, напряженность поля недостаточна для того, чтобы вызвать заметный нагрев биологических тканей или раздражение нервов индуцированными электрическими токами.
Эффекты
[ редактировать ]Примером магнитобиологического эффекта является магнитная навигация мигрирующих животных посредством магниторецепции . Многие отряды животных, такие как некоторые птицы, морские черепахи, рептилии, амфибии и лососевые рыбы, способны обнаруживать небольшие изменения геомагнитного поля и его магнитного наклона , чтобы найти свою сезонную среду обитания. Говорят, что они используют «компас наклона». Было обнаружено, что некоторые ракообразные, лангусты, костистые рыбы, насекомые и млекопитающие используют «полярный компас», тогда как у улиток и хрящевых рыб тип компаса пока неизвестен. О других позвоночных и членистоногих известно мало. [1] Их восприятие может составлять порядка десятков нанотесл. [ нужна ссылка ]
Магнитная напряженность как компонент навигационной «карты» голубей обсуждается с конца девятнадцатого века. [2] Одной из самых ранних публикаций, доказывающих, что птицы используют магнитную информацию, было исследование 1972 года компаса европейских малиновок , проведенное Вольфгангом Вильчко . [3] Двойное слепое исследование 2014 года показало, что европейские малиновки, подвергающиеся воздействию электромагнитного шума низкого уровня в диапазоне от 20 кГц до 20 МГц, не могут ориентироваться с помощью магнитного компаса. Когда они вошли в хижины с алюминиевыми экранами, которые ослабляли электромагнитные шумы в диапазоне частот от 50 кГц до 5 МГц примерно на два порядка, их ориентация вновь проявилась. [4]
О влиянии на здоровье человека см. «Электромагнитное излучение и здоровье» .
Магниторецепция
[ редактировать ]Было предложено несколько нейробиологических моделей первичного процесса, который опосредует магнитный вход:
- радикально-парный механизм : направленное взаимодействие радикальных пар с окружающим магнитным полем. [1]
- процессы с участием постоянно магнитного (железосодержащего) материала, такого как магнетит, в тканях [1]
- Магнитоиндуцированные изменения физических/химических свойств жидкой воды . [1]
В радикально-парном механизме фотопигменты поглощают фотон, который переводит его в синглетное состояние . Они образуют синглетные радикальные пары с антипараллельным спином , которые в результате синглет-триплетного взаимного превращения могут превратиться в триплетные пары с параллельным спином . Поскольку магнитное поле изменяет переход между спиновыми состояниями, количество триплетов зависит от того, как фотопигмент выровнен в магнитном поле. Криптохромы , класс фотопигментов, известных у растений и животных, по-видимому, являются рецепторными молекулами. [5]
Индукционная модель применима только к морским животным, поскольку в качестве окружающей среды с высокой проводимостью возможна только соленая вода. Доказательства этой модели отсутствуют. [1]
Модель магнетита возникла с открытием цепочек однодоменного магнетита у некоторых бактерий в 1970-х годах. Гистологические данные имеются у большого числа видов, принадлежащих ко всем основным типам. У медоносных пчел магнитный материал находится в передней части брюшка, а у позвоночных - преимущественно в решетчатой области головы. Эксперименты доказывают, что сигнал от рецепторов магнетита у птиц и рыб передается через глазную ветвь тройничного нерва в центральную нервную систему . [1]
Стандарты безопасности
[ редактировать ]Практическая значимость магнитобиологии обусловлена растущим уровнем фонового электромагнитного облучения человека. Некоторые электромагнитные поля при хроническом воздействии могут представлять угрозу для здоровья человека. Всемирная организация здравоохранения считает повышенный уровень электромагнитного воздействия на рабочих местах фактором стресса. Существующие стандарты электромагнитной безопасности, разработанные многими национальными и международными организациями, различаются в десятки и сотни раз для определенных диапазонов ЭМП; такая ситуация отражает недостаток исследований в области магнитобиологии и электромагнитобиологии. Сегодня [ когда? ] , большинство стандартов учитывают биологические эффекты как раз от нагревания электромагнитными полями и стимуляции периферических нервов наведенными токами.
Медицинский подход
[ редактировать ]Практикующие магнитотерапию пытаются лечить боль или другие заболевания с помощью относительно слабых электромагнитных полей. Эти методы пока не получили клинических подтверждений в соответствии с принятыми стандартами доказательной медицины . Большинство учреждений признают эту практику псевдонаучной .
См. также
[ редактировать ]- Биоэлектрохимия
- Магнитоэлектрохимия
- Электромагнитное излучение и здоровье
- Транскраниальная магнитная стимуляция
- Квантовая биология § Магниторецепция
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Вильчко В., Вильчко Р. (август 2005 г.). «Магнитная ориентация и магниторецепция у птиц и других животных». J Comp Physiol A. 191 (8): 675–93. дои : 10.1007/s00359-005-0627-7 . ПМИД 15886990 . S2CID 206960525 .
- ^ Вигье С (1882) Чувство ориентации и его органы у животных и человека. Revue Philosophique de la France et de l’Étranger 14:1–36.
- ^ Вильчко В., Вильчко Р. (7 апреля 1972 г.). «Наука. 1972 Магнитный компас малиновок». Наука . 176 (4030): 62–4. Бибкод : 1972Sci...176...62W . дои : 10.1126/science.176.4030.62 . ПМИД 17784420 . S2CID 28791830 .
- ^ Свенья Энгельс; Нильс-Лассе Шнайдер; Неле Лефельдт; Кристин Майра Хейн; Мануэла Запка; Андреас Михалик; Дана Элберс; Ахим Китте; Пи Джей Хор; Хенрик Муритсен (15 мая 2014 г.). «Антропогенный электромагнитный шум нарушает ориентацию по магнитному компасу у перелетной птицы» . Природа . 509 (7500): 353–356. Бибкод : 2014Natur.509..353E . дои : 10.1038/nature13290 . ПМИД 24805233 . S2CID 4458056 .
- ^ Вильчко, Росвита; Вильчко, Вольфганг (27 сентября 2019 г.). «Магниторецепция у птиц» . Журнал интерфейса Королевского общества . 16 (158): 20190295. doi : 10.1098/rsif.2019.0295 . ПМК 6769297 . ПМИД 31480921 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Пресман А.С. Электромагнитные поля и жизнь, Пленум, Нью-Йорк, 1970.
- Киршвинк Дж.Л., Джонс Д.С., Макфадден Б.Дж. (ред.) Биоминерализация магнетита и магниторецепция в организмах. Новый биомагнетизм, Пленум, Нью-Йорк, 1985.
- Биньи В.Н. Магнитобиология: основные физические проблемы . — Академик Пресс, Сан-Диего, 2002. — 473 с. — ISBN 0-12-100071-0
- Биньи В.Н., Савин А.В. Влияние слабых магнитных полей на биологические системы: Физические аспекты . Физика – Успехи, Т.46(3), С. 259–291, 2003.