|
06 февраля 2007 г.
Исследованно влияние МИЛ-облучения аппаратом РИКТА на функциональные характеристики фотосинтетического аппарата (ФСА) и его способность выдерживать стрессовые воздействия. Растения ячменя ежедневно облучали с помощью аппарата РИКТА по 10 мин в день, начиная со стадии семян до 8-го дня. In vivo облучение не оказывает влияния на структурные и функциональные характеристики ФСА при нормальных, не стрессовых условиях функционирования. Изменения проявляются когда растения подложены тепловому стрессу. Облучение вызывало появление приспособительных реакций, приводящих к повышению устойчивости обработанных растений к тепловому стрессу.
В последнне время в медицинской практике все шире используются методы лечения, основывающиеся на физических факторах малой интенсивности [1,2]. Они применяются при лечении широкого спектра заболеваний различной этимологии и находят приложение во многих областях медицины - хирургии, кардиологии, пульмологии, гастроэнтерологии, неврологии, дерматологии, эндокринологии и т.д. Часто эффективность терапии оценивается эмпирично, по улучшению состояния больного - субъективно или по клиническим показателям. Несмотря на многочисленные научно-практические ислледования, биофизические механизмы взаимодействия малоинтенсивного квантового излучения с биологическими тканями не могут считаться в достаточной степени изученными.
Магнито-инфракрасно-лазерная (МИЛ-) терапия возникла в середине 80-х гг прошлого века. МИЛ-терапия представляет полифакторное одновременное воздействие на биологические структуры импульсного лазерного излучения инфракрасного диапазона волн, непрерывного/пульсирующего широкополосного инфракрасного излучения, пульсирующего излучения красного видимого света и постоянного магнитного поля. Одновременное воздействие различных излучений дает усиленный эффект по сравнению с самостоятельным действием этих излучений.
Для выяснения механизмов взаимодействия МИЛ-излучения с живыми объектами необходимо использовать методы, которые позволяют исследование функциональных характеристик системы в целом. Растения являются подходящей моделью, т.к. разработаны методы для неинвазивного исследования функций фотосинтетического аппарата (ФСА) на молекулярном уровне - переменная и замедленная флуоресценция хлорофилла [3,4]. Молекулы хлорофилла можно рассматривать как естественные флуоресцентные зонды, чувствительно реагирующие на изменения локального микроокружения фотосинтетических мембран.
Возможность практического приложения МИЛ-терапии в медицине предопределило проведение широкого круга исследований исключительно на животных. Исследований эффектов МИЛ-излучения на растения еще очень мало [5,6].
На кафедре Биофизики и радиобиологии Софийского университета проводятся эксперименты по оценке воздействия низкоинтенсивных электромагнитных полей (ЭМП) на ФСА. Было показано, что облучение ЭМП в миллиметровом диапазоне повышает устойчивость тилакоидных мембран к высоким температурам и уменьшает гербицидную чувствительность фотосистемы 2.
Основной целью настоящей работы является анализ эффектов in vivo облучения целых растений ячменя с помощью аппарата РИКТА на функциональную активность ФСА и его устойчивость к тепловому стрессу.
Облучение с помощью аппарата РИКТА
Аппарат для МИЛ-терапии РИКТА оказывает влияние на биологические объекты посредством нескольких видов излучения:
- импульсное инфракрасное лазерное излучение - длина волны арсенид-галлиевого диода составляет 890 nm. Мощность импульса лазерного излучения составляет не менее 8 W, при длительности каждого импульса 90 - 130 ns. Аппарат РИКТА может генерировать разные частоты повторения импульсов: 5 Hz, 50 Hz, 1000 Hz, либо же качающуюся частоту в диапазоне 1 - 250 Hz.
- широкополосное пульсирующее инфракрасное излучение - диапазон волн составляет 860-960 nm.
- широкополосное пульсирующее красное излучение с длинами волн 640-740 nm.
- магнитное поле с индукцией 35 ± 10 mT. Такой индукции достаточно для переориентировки молекул-диполей в жидких средах.
Анализ фотосинтетических характеристик проводили с помощью флуориметра Handy PEA (JIP - тест, см. Strasser et al. 2000).
Tемпературные характеристики переменной и замедленной флуоресценции (БФ и ЗФ) хлорофилла регистрировали с помощью флуориметра FL-2006 (Goltsev et al. 2001).
Результаты и обсуждение Анализ индукционных переходов переменной флуоресценции по JIP-тесту дает информацию как о структурных, така и функциональных характеристиках хлорофилл-белкового макро комплекса фотосистемы 2. Облучение растений ячменя in vivo не вызывало статистически достоверных изменений характеристик переменной и замедленной флуоресценции по-сравнению с контрольными растениями. Это показывает, что вышеуказанный сеанс облучения не приводит к отклонениям от нормы функций ФСА.
Наши предыдущие исследования показали, что нискоинтенсивные ЭМП индуцируют стрессовый ответ как у животных, така у растений [7,8]. Они "включают" комплекс реакций в организме, които способствуют адаптации организмов к последующему стресовому воздействию. Исходя из этого можно предположить, что различия между контрольными и обработанными растениями проявятся в условиях теплового стресса.
Фотосинтетический аппарат очень чувствителен к тепловому стрессу. Отдельные структуры ФСА различаются по их чувствительности, которая уменьшается в последовательности: кислородвыделяющий комплекс, фотохимическая активность фотосистемы 2, фотофосфорилирование, междусистемный перенос электронов, фотохимическая активность фотосистемы 1. Высокотемпeратурный стресс определенным образом модифицирует луминесцентные характеристики ФСА. Зависимость интенсивностей БФ и ЗФ от температуры при ее равномерном повышении представляют собой термограммы (см. 9). По их форме можно судить о устойчивости определенных фотосинтетических процессов и структур.
Термограммы стационарных значений БФ и ЗФ при нагревании объекта от 10°С до 65°С снимали у контрольных растений и прошедших сеанс облучения аппаратом РИКТА при частоте 1000 Hz и максимальной интенсивности излучения.
Резкое снижение ЗФ, наблюдаемое при температурах между 40°С и 50°С связано с термоинактивацией кислород выделяющего комплекса. У растений, подвергнутых обработке, инактивация наступает при более высоких температурах, что свидетельствует о повышенной стабильности комплекса выделения кислорода (Табл. 1).
На термограмме БФ можно выделить 2 характерные точки, отражающие поведение ФСА при высоких температурах:
1. критическая температура (Ткр) - температурата, при которой начинается быстрое нарастание флуоресценции, связанное с диссоциацией антенных хлорофилл-белковых комплексов от сърцевинного комплекса ФС2. Эта температура отражает стабильность мультиферментного комплекса ФС2 в целом. Ее можно определить по точке пересечения касательных к обеим частям кривой до и после начала нарастания флуоресценции. В подвергнутых облучению растениях Ткр достоверно выше, чем в контрольных (Табл. 1).
2. температура максимума (Тmax) - отражает денатурацию хлорофилл-белковых комплексов, в результате которой наступает сильное гашение флуоресценции. Критическая температура в обработанных с помощью РИКТЫ растениях повышается, что свидетельствует о повышенной стабильности ФСА.
Влияние in vivo облучения аппаратом РИКТА по 10 мин/день (1000 Hz)
проростков ячменя на стабильность хлорофилл-белковых комплексов ФС2
|
Параметр |
Контроль |
РИКТА |
Р |
|
ЗФ-Т1/2 |
49,6 |
51,4 |
<0,005 |
|
ПФ-Тмах |
52,8 |
54,5 |
<0,02 |
|
ПФ-Ткр |
48,2 |
50,8 |
<0,0006 |
Для оценки влияния частоты пульсаций при облучении апаратом РИКТА на устойчивость ФСА по термограммам ЗФ и ПФ определяли Т1/2 и Тmax, соответственно для различных режимов облучения - 5, 50, 1000 Hz и переменная частота. Во всех случаях в результате облучения наблюдалось однозначное смещение кривых термограмм в сторону высоких температур. При этом сдвиг характеристических параметров был практически одинаков для всех режимов.
Выводы In vivo облучение растений ячменя в процессе их развития от стадии семян до 8 дневных проростков не изменяет функциональных фарактеристик ФСА, но приводит к повышению температерной устойчивости комплекса выделения кислороды в тилакоидных мембраных и в еще большей степени - всего мультиферментного комплекса фотосистемы 2, а такде устойчивости хлорофилл-белковых комплексов к термоденатурации. Эффекты не имеют выраженной частотной зависимости. |
