Prikaz istraživanja efekata konstantnih i promenljivih magnetnih polja na biološke sisteme

Abstract

Interes za istraživanja magnetobioloških i biomagnetnih fenomena u različitoj meri se provlači kroz istoriju nauke od najranijih dana do danas. Biološki efekti magnetnih polja različitih karakteristika ispitivani su kod živih bića na svim nivoima biološke organizacije, od subćelijskog i ćelijskog nivoa do visokoorganizovanog višećelijskog sistema i populacija. U eksperimentalnim studijama korišćena su konstantna (permanentna, stalna) magnetna polja različitih intenziteta, kao i promenljiva magnetna polja najširih frekventnih opsega od ekstremno niskofrekventnih (ENF), čak ispod vrednosti od 1 Hz, preko ekstremno visokofrekventnih u IC, vidljivom i UV delu spektra, do jonizujućih elektromagnetnih polja. U početku formiranja ideje o magnetobiološkoj laboratoriji u okviru IBISS-a, efekti magnetnih polja praćeni su na različitim model sistemima. Osnovno pitanje koje se nametalo u ovim istraživanjima je bilo kako različiti organizmi reaguju na prisustvo dodatnih magnetnih polja, kao faktora spoljašnje sredine, čiji intenziteti višestruko prevazilaze vrednosti prirodnog magnetnog polja. Na modelu mikrobiološke oksidacije Fe++ bakterije Thiobacillus ferrooxidans, rezultati naših istraživanja su pokazali da se na 13ºC kultura ove bakterije u tečnoj Leathen-podlozi razvija sporije u uslovima izlaganja konstantnom magnetnom polju od 104 mT i 231 mT [14,22]. Za razliku od konstantnog magnetnog polja, izlaganje kultura ove vrste bakterija promenljivom magnetnom polju (50 Hz, oko 6 mT) ubrzava aktivnost populacije bakterija [25]. Na ovom modelu je jasno uočeno da efekat zavisi od intenziteta magnetnog polja i koncentracije gvožđa u podlozi. Na modelu ponašanja riba sunčanice Lepomis gibbosus i babuške Carassius gibelio, uočena je izrazita individualna varijabilnost u motornom ponašanju ovih riba koje su višekratno (1.5h odnosno 8h dnevno u toku 40 dana) izlagane konstantnom magnetnom polju od 20 mT [14]. I pored toga, svođenjem na prosek motorna aktivnost ovih riba je bila znatno smanjena u odnosu na kontrolne jedinke. Dalja istraživanja su se usmerila na procese razvića. U tom pogledu su se pokazale vrlo pogodne populacije larvi pčela Apis mellifera, uzete sa saćem iz košnice, koje su bile u fazi zatvorenih legala. Larve pčela izložene konstantnom magnetnom polju prosečne vrednosti od 122 mT razvijale su se statistički značajno brže od onih u kontrolnim uslovima [19]. Efekat ubrzanog razvića larvi insekata u konstatnom magnetnom polju uočen je i kod vrsta Drosophila melanogaster i Tenebrio molitor [20,21], kao i kod paličnjaka Baculum extradentatum izloženih konstantnom magnetnom polju (320 mT) i promenljivom magnetnom polju (50 Hz, 6 mT) [7]. Za razliku od pomenutih insekata, promenljivo magnetno polje (50 Hz, 6 mT) značajno usporava metamorfozu kućne muve (Musca domestica L.) na temperaturi od 19ºC i 24ºC [27]. Pored toga, magnetno polje pomenutih karakteristika produžava dužinu života odraslih jedinki kućne muve na temperaturi od 24ºC. Preživljavanje i masa larvi kućne strižibube (Hylotrupes bajulus L.) su povećani kod jedinki koje su izlagane konstantnom magnetnom polju od 98 mT u odnosu na kontrolnu grupu [24]. Na osnovu ovih zapažanja, postavljeni su ogledi sa ciljem da se otkrije eventualni efekat spoljašnjeg magnetnog polja na genetičke mehanizme. Tako je ustanovljeno kod Drosophila melanogaster da je varijabilnost unutar grupa mušica izloženih konstantnom magnetnom polju prosečne vrednosti od oko 150 mT znatno veća nego kod onih u kontrolnim uslovima [15,16]. Kada se podaci o preživljavanju pojedinih grupa mušica razdvoje na kategorije preživljavanja (letali, semiletali, subvitali, normali, supervitali) dobija se nova informacija o preraspodeli ovih efekata vezanih za drugi par hromozama među kategorijama kod kontrolnih i tretiranih jedinki Drosophila melanogaster. Ovaj efekat konstantnog magnetnog polja se održavao kroz tri praćene generacije vinskih mušica. Da su genetski mehanizmi podložni promeni usled delovanja magnetnog polja pokazala su istraživanja u kojima su praćeni veličina i bilateralna asimetrija krila kod Drosophila melanogaster izloženih konstantnom magnetnom polju od 35 mT kroz 6 uzastopnih generacija [26]. Pokazano je da se pod dejstvom magnetnog polja pomenutih karakteristika smanjuje veličina krila Drosophila melanogaster, dok bilateralna asimetrija krila kao pokazatelj razvojne nestabilnosti nije značajno povećana. Elektromagnetna polja ENF predstavljaju još jedan od abiotičkih faktora koji je sve prisutniji u životnoj sredini. Akutno ili hronično izlaganje elektromagnetnim poljima, čije vrednosti samo nekoliko puta prevazilaze vrednosti zemljinog magnetnog polja, može predstavljati stres za organizam u mnogobrojnim biološkim aspektima. U prisustvu elektromagnetnog polja (50 Hz, 0.25 mT), koje je u širokoj primeni u domaćinstvu, industriji i saobraćaju, dolazi do povećanja veličine tela jedinki Drosophila subobscura oba pola, dok nižu razvojnu stabilnost u ovim uslovima pokazuju samo ženke i to za širinu krila [10]. Ovi rezultati ukazuju da izlaganje ovakvom magnetnom polju može imati stresogeni efekat sa određenim biološkim posledicama. Novija istraživanja koja se odvijaju u okviru Laboratorije za magnetobiologiju IBISS-a pokušavaju da daju odgovor na pitanje koji su osnovni principi percepcije spoljašnjih magnetnih polja, kao i mehanizmi odgovora biosistema na dodatni faktor spoljašnje sredine, kako u normalnim tako i u izmenjenim fiziološkim stanjima. U tom cilju se koriste različiti organizmi i njihovi izolovani sistemi (Helix pomatia, Baculum extradentatum, Cerambyx cerdo, Tenebrio molitor, Morimus funereus, Ratus ratus, Meriones unguiculatus,...) i različite tehnike (od ekstraćelijske registracije potencijala, preko histološke i biohemijske obrade uzoraka tkiva, do finih mehanizama ponašanja i matematičke obrade dobijenih signala). Na razrađenom modelu registrovanja bioelektričnih potencijala poreklom iz izolovane subezofagijalne ganglije (Br i N1 neuroni) vinogradarskog puža Helix pomatia, testiran je efakat konstantnog magnetnog polja od 2.7 i 10 mT. Pokazano je da magnetno polje od 2.7 mT prouzrokuje promene u amplitudi i trajanju akcionog potencijala Br neurona, dok magnetno polje od 10 mT menja potencijal mirovanja, amplitudu, frekvencu i trajanje akcionog potencijala Br neurona [9]. Rezultati ovih istraživanja ukazuju da su uočeni efekti na Br neuronu zavisni od intenziteta magnetnog polja. Za razliku od Br neurona, bioelektrični parametri mereni sa N1 neurona nisu se značajno menjali u prisustvu magnetnog polja pomenutih karakteristika. U daljem traganju za primarnim mehanizmima percepcije magnetnih polja kod živih sistema, a imajući u vidu prethodne naznake da bi to mogao biti centralni nervni sistem, pristupilo se sličnim elektrofiziološkim istraživanjima na znatno komplikovanijim moždanim ganglijama kod insekata. Po prvi put registrovana je spontana bioelektrična aktivnost iz antenalnog regiona mozga strižibube Morimus funereus. Nakon izlaganja glavenog regiona adulta konstantnom magnetnom polju od 2 mT, uočena je individualna osetljivost organizama na spoljašnja magnetna polja, koja se ogledala u promenama neuronske aktivnosti tokom i nakon delovanja primenjenog magnetnog polja [28]. Da bi se potkrepili podaci o pretpostavci da je nervni sistem struktura primarno odgovorna za reakciju organizama na različite spoljašnje ekološke faktore uključujući i magnetna polja, posvetila se pažnja i analizi neurosekretornog sistema insekata. Pokazano je da jako statičko magnetno polje (320 mT) utiče na citološke karakteristike i aktivnost protocerebralnih A2′ neurosekretornih neurona i corpora allata kod lutki Tenebrio molitor [11,12]. Nešto ranije, efekti promenljivog ENF magnetnog polja (50 Hz, 20 mT) na aktivnost neurosekretornih neurona i corpora allata uočeni su i kod larvi strižibube Cerambyx cerdo [8]. Uticaj magnetnih polja na biohemiju i fiziologiju ćelija ogleda se i kroz promene u produkciji slobodnih radikala i antioksidativnoj odbrani. Kod hemimetabolnog insekta Baculum extradentatum čije se embrionalno razviće odvijalo u prisustvu konstantnog (320 mT) i promenljivog (50 Hz, 6 mT) magnetnog polja uočeno je povećanje aktivnosti enzimskih (superoksid dismutaza, katalaza) i neenzimskih (glutation) komponenti antioksidativnog sistema [29]. Najzad, istraživanja na modelu insekata u kojima su ispitivani efekti magnetnih polja na motorno ponašanje strižibube Morimus funereus su ukazala na promene u motornoj aktivnosti mužjaka i ženki nakon izlaganja ENF (50 Hz, 2 mT) magnetnom polju [18]. Kod evolutivno viših organizacionih sistema (glodari), uticaj kratkotrajnog i dugotrajnog izlaganja magnetnim poljima praćen je na nivou biohemijske analize parametara oksidativnog stresa, koncentracije nukleotida i aktivnosti receptora u izolovanim strukturama mozga, kao i registracije EEG zapisa i motornog ponašanja. Najznačajniji rezultat biohemijskih istraživanja parametara oksidativnog stresa je da izlaganje pacova (Ratus ratus) i pustinjskog miša (Meriones unguiculatus) ENF magnetnom polju (50 Hz, 0.5 mT) utiče na oksido-redukcione procese u mozgu ispitivanih životinja [2,5,6]. Akutno i hronično izlaganje magnetnom polju pomenutih karakteristika dovodi i do promena u koncentraciji nukleotida (IMP, cAMP, ATP), kao i aktivnosti serotoninskih i dopaminskih receptora u izolovanim strukturama mozga pacova [1,4]. Eksperimenti bazirani na registraciji elektrofizioloških zapisa iz mozga pacova su ukazali na sposobnost magnetnih polja da modifikuju aktivnost neurotransmiterskih sistema [30]. Pored toga, spoljašnja ENF magnetna polja modulišu motorno ponašanje eksperimentalnih životinja (Ratus ratus, Meriones unguiculatus), pri čemu karakter promena zavisi od fizičkih karakteristika polja (intenzitet, dužina izlaganja) i individualnih osobenosti organizama (vrsta, starost, funkcionalno stanje) [1,2,3,13,17,23].

Rezultati svih ovih istraživanja nedvosmisleno pokazuju da „veštačka“ magnetna polja, kao ekofiziološki faktor, indukuju strukturne, biohemijske i funkcionalne promene kod evolutivno različitih organizama.