XIV International conference on bionics and applied biophysics

The article dedicated to the XIV International Conference on Bionics and Applied Biophysics, which took place on October 14–15, 2021 in Kyiv (Ukraine)

Some Aspects of Mathematical Modeling of the Electromagnetic Field Influence on the Human Brain

Background. One of lacks of the use of high technologies is the megascopic level of unfavorable electromagnetic smog. Therefore, the study of influencing of the external electromagnetic field (EMF) is actual, within the limits of wide row of frequencies, on man's organs and brain. Objective. Modeling of influences on the brain of electric induction arising up at penetration of the EMF of a different frequency in the reserved sphere. Methods. A mathematical model of the EMF influence on human brain is considered. Namely, the model of a multi stratified sphere as an approximation of a human head is proposed. This sphere embedded into the unlimited nonconductive space (σ0 = 0) of the dielectric constant ε0. Skin and bones of head have a magnetic permeability of vacuum μ0. Influences on a brain are given as induction of the electric field, arising up at penetration of the variable electromagnetic field in the reserved sphere. Results. The results of numerical calculations for the three-layered model of head showed that induced of the electric field in the layer of brain has increased on the frequencies 107–108 Hz of external EMF. Distributions on the sphere of electromagnetic fields with f ≤ 106 Hz leave their amplitudes by unchanged regardless of depth of penetration. Fading of amplitudes shows up only for frequencies 107 and 108 Hz. Conclusions. Exposed in a model changes of electromagnetic waves on the frequencies 107–108 Hz can activate the parameters central nervous system and brain, that substantially will affect of man's activity. Will allow the further study of influencing of the electromagnetic field of a different frequency to identify to extent of brain activity, and also stress, positive and negative influencing of external EMF

Human-aided dispersal has altered but not erased the phylogeography of the tench

Human-aided dispersal can result in phylogeographic patterns that do not reflect natural historical processes, particularly in species prone to intentional translocations by humans. Here, we use a multiple-gene sequencing approach to assess the effects of human-aided dispersal on phylogeography of the tench Tinca tinca, a widespread Eurasian freshwater fish with a long history in aquaculture. Spatial genetic analysis applied to sequence data from four unlinked loci and 67 geographic localities (38–382 gene copies per locus) defined two groups of populations that were little structured geographically but were significantly differentiated from each other, and it identified locations of major genetic breaks, which were concordant across genes and were driven by distributions of two phylogroups. This pattern most reasonably reflects isolation in two major glacial refugia and subsequent range expansions, with the Eastern and Western phylogroups remaining largely allopatric throughout the tench range. However, this phylogeographic variation was also present in all 17 cultured breeds studied, and some populations at the western edge of the native range contained the Eastern phylogroup. Thus, natural processes have played an important role in structuring tench populations, but human-aided dispersal has also contributed significantly, with the admixed genetic composition of cultured breeds most likely contributing to the introgression

Experimental Study of the Laser-Induced Oxyhemoglobin Photodissociation in Cutaneous Blood Vessels

A new optical method for reduction of local tissue hypoxia is proposed. It is shown that this method of phototherapy allows the control of a local oxygen concentration in tissue. Different aspects of biomedical application of this phenomenon are discussed. The results of in vivo experimental investigation of the laser-induced photodissociation of oxyhemoglobin in cutaneous blood vessels and its role in tissue oxygenation are presented. The rates of oxygen saturation SpO2 in blood and their dependence on the wavelength of the transcutaneous laser irradiation have been experimentally measured

URBANIZATION IMPACT ON THE RIVERS IN THE ALMATY CITY

The Almaty city was built as a stronghold in the foothills of Alatau mountains (Northern Tien Shan) in 1854. Nowadays more than 1.5 million citizens inhabit here and urbanized area rapidly increases. Hydrochemical analysis as well as analysis of fish diversity and fish population state were provided. Irregular changes in water composition and increase of microbial biomass were revealed in the urban rivers. Drastic alteration in the fish diversity, significant changes in the morphology and biology of naked osman and spotted stone loach were revealed as well as pathologies of fish gills, liver and kidneys

BIOMEDICAL APPLICATION OF LASER-INDUCED TISSUE OXYGENATION

The results of investigation of laser-induced photodissociation of oxyhemoglobin in cutaneous blood vessels and its role in biomedical processes are presented. We propose a new method for determination an individual response to the effect of laser radiation. It is shown that in order to make the phototherapy methods really efficient one has to control the oxygen concentration in tissue keeping it at the necessary level. Novel method of optical "dosimetry" based on using the changes oxygen concentration in tissue as feedback signal for optimization therapeutic effect of low intensity laser radiation is developed

Indigenous fish species in the modern ichthyofauna of the Balkhash basin

Indigenous fish fauna of the Balkhash basin was mostly formed in the postglacial period and consists of 10 species from Cyprinidae family, 5 from Balitoridae, and 1 from Percidae. More than 20 alien fish species were introduced here during XXth century that led to eradication of indigenous fishes from the Balkhash Lake and the Ili River. Our investigations of the fish fauna during last 25 years revealed permanent shortage of living area of indigenous fishes. Nowadays fish communities from only indigenous fish species exist in some remote and isolated water bodies. Areas of all indigenous fish species are become disconnected. Reduction of habitats goes relatively slow for naked osman Gymnodiptychus dybowskii (Kessler, 1874), spotted thicklip loach Triplophysa strauchii (Kessler, 1874), and gray loach Triplophysa dorsalis (Kessler, 1872). Drastic reductions of areas were revealed for Ili marinka Schizothorax pseudoaksaiensis Herzenstein 1889, Balkhash marinka Schizothorax argentatus Kessler 1874, Severtsov’s loach Triplophysa sewerzowii (G.Nikolskii, 1938), Seven River’s minnow Phoxinus brachyurus Berg 1912, Balkhsh minnow Rhynchocypris poljakowii Kessler 1879, and Balkhash perch Perca schrenkii Kessler 1874. Marinkas, osmans and perch often become victims of overfishing and poaching of local people. In that region water resources usually are used by wasteful way and loaded with pollutants. Many indigenous fish species are able to bear relatively high level of environment pollution. Hence, the main threats for indigenous fishes are introductions of trout and sander, habitats lose and unstable hydrological regimen

Деякі аспекти математичного моделювання впливу електромагнітних полів на мозок людини

Background. One of lacks of the use of high technologies is the megascopic level of unfavorable electromagnetic smog. Therefore, the study of influencing of the external electromagnetic field (EMF) is actual, within the limits of wide row of frequencies, on man's organs and brain.Objective. Modeling of influences on the brain of electric induction arising up at penetration of the EMF of a different frequency in the reserved sphere.Methods. A mathematical model of the EMF influence on human brain is considered. Namely, the model of a multi stratified sphere as an approximation of a human head is proposed. This sphere embedded into the unlimited nonconductive space (σ0 = 0) of the dielectric constant ε0. Skin and bones of head have a magnetic permeability of vacuum μ0. Influences on a brain are given as induction of the electric field, arising up at penetration of the variable electromagnetic field in the reserved sphere.Results. The results of numerical calculations for the three-layered model of head showed that induced of the electric field in the layer of brain has increased on the frequencies 107–108 Hz of external EMF. Distributions on the sphere of electromagnetic fields with f ≤ 106 Hz leave their amplitudes by unchanged regardless of depth of penetration. Fading of amplitudes shows up only for frequencies 107 and 108 Hz.Conclusions. Exposed in a model changes of electromagnetic waves on the frequencies 107–108 Hz can activate the parameters central nervous system and brain, that substantially will affect of man's activity. Will allow the further study of influencing of the electromagnetic field of a different frequency to identify to extent of brain activity, and also stress, positive and negative influencing of external EMF.Проблематика. Одним из недостатков использования высоких технологий является увеличение уровня неблагоприятного электромагнитного смога. Поэтому актуально изучение влияния внешнего электромагнитного поля (ЭМП), в пределах широкого ряда частот, на органы и мозг человека.Цель. Моделирование влияния на мозг электрической индукции, возникающей при проникновении ЭМП разной частоты в замкнутую сферу.Методика реализации. Математическая модель влияния ЭМП на мозг человека рассмотрена в приближении к модели головы человека в виде нескольких замкнутых в круг слоев, обладающих разными электрической проводимостью и диэлектрической константой. Эта замкнутая сфера окружена непроводящим бесконечным пространством (σ0 = 0) с диэлектрической константой ε0. Кожа и кости головы имеют магнитную проницаемость вакуума μ0. Влияния на мозг представляются как индукция электрического поля, возникающая при проникновении переменного электромагнитного поля в замкнутую сферу.Результаты. Полученые результаты цифровых вычислений для трехслойной модели головы показали, что индуцирование электрического поля в слое мозга возрастало на частотах 107–108 Гц внешнего ЭМП. Распространение в сфере электромагнитных полей с f ≤ 106 Гц оставляет их амплитуды неизмененными независимо от глубины проникновения. Затухание амплитуд проявляется только для частот 107 и 108 Гц.Выводы. Выявленные в модели изменения электромагнитных волн на частотах 107–108 Гц могут активировать параметры центральной нервной системы и мозга, что существенно повлияет на активность человека. Дальнейшее изучение влияния электромагнитного поля разной частоты позволит идентифицировать степeнь активности мозга, а также срессовые, положительные и негативные влияния внешнего ЭМП.Проблематика. Одним із недоліків використання високих технологій є збільшення рівня несприятливого електромагнітного смогу. Тому актуальним є вивчення впливу зовнішнього електромагнітного поля (ЕМП), у межах широкого ряду частот, на органи та мозок людини.Мета. Моделювання впливу на мозок електричної індукції, яка виникає при проникненні ЕМП різної частоти в замкнену сферу.Методика реалізації. Математична модель впливу ЕМП на мозок людини розглянута в наближенні до моделі голови людини у вигляді декількох замкнутих у коло шарів, що мають різні електричну провідність і діелектричну константу. Ця замкнута сфера оточена непровідним нескінченним простором (σ0 = 0) з діелектричною константою ε0. Шкіра і кістки голови мають магнітну проникність вакууму μ0. Впливи на мозок подаються як індукція електричного поля, що виникає при проникненні змінного електромагнітного поля в замкнену сферу.Результати. Отримані результати цифрових обчислень для тришарової моделі голови показали, що індукція електричного поля в шарі мозку зростала на частотах 107–108 Гц зовнішнього ЕМП. Поширення у сфері електромагнітних полів з f ≤ 106 Гц залишає їх амплітуди незміненими незалежно від глибини проникнення. Затухання амплітуд виявляється тільки для частот 107 і 108 Гц.Висновки. Виявлені в моделі зміни електромагнітних хвиль на частотах 107–108 Гц можуть активувати параметри центральної нервової системи та мозку, що суттєво вплине на активність людини. Подальше вивчення впливу електромагнітних полів різної частоти дасть можливість ідентифікувати ступінь активації мозку, а також стресові, позитивні та негативні впливи зовнішнього ЕМП

Сатурація артеріальної крові киснем та її динаміка відповідно до електромагнітного стану навколишнього середовища

Background. As widely known, the geomagnetic field intensity does change abruptly during global magnetic disturbances specified as magnetic storms. Those are due to the changing solar activity influencing solar wind parameters and the state of the magnetosphere. This chain of physical processes with their origin in the Sun is described as the space weather. To understand the space weather effects in the environment is most important since those are related to the biosphere as well. Namely, the low-frequency geomagnetic field dy­namics, linked with space weather conditions, seems to be a quite probable factor influencing both the pathological and functional state of a human being and biological objects, in general, during magnetic storms.Objective. In this study, the dynamics of an oxygen saturation parameter in human arterial blood is analyzed with regard to extreme space weather when magnetic storms occur.Methods. Experimental setup for measuring changes of the relative concentration of oxyhemoglobin in arterial blood (saturation of arterial blood with oxygen), is a pulse oximeter-spectrophotometer. Measurements were carried out using pulse-oximetry sensor covering the first phalanx of a finger, and laser radiation was directed to the side of the second phalanx. The He-Ne laser with a wavelength of 632 nm was used as a source of electromagnetic radiation. Observational values of the geomagnetic field with a high-time resolution (1-sec) are obtained from the midlatitude Hurbanovo Geomagnetic Observatory (Slovak Republic). Deviations/oscillation ranges regarding the average value were calculated at all frequencies, and low pass filter was applied from the "Seewave-1.7.6" package (F-filter) for frequencies of 0.1, 0.5, 0.01, 0.05, 0.001, and 0.0001 Hz. The data on magnetic storms for 2015 were derived from the file of Kyoto Geomagnetic Center which indicated the dates and the amplitudes of magnetic storms on the Earth.Results. The following variables were analyzed: the average arterial oxygen saturation at the patient’s rest, peak-to-peak value of saturation, changes in the average oxygen saturation under laser radiation. A group of 33 persons was daily monitored from March 30, 2015, to May 25, 2015. In the presence of Earth's magnetic field disturbances, the average value of arterial oxygen saturation at the state of rest in 29 persons out of 33 was 93.9 ± 0.9%, peak-to-peak value of oxygen was 1.25 ± 0.24%, and the change in the average arterial oxygen saturation under laser radiation made up 2.34 ± 0.41%. In 4 persons under study the peak-to-peak value of saturation at rest did not differ from the case of the undisturbed geomagnetic field.Conclusions. The results of this study of some blood parameters, namely the oxygen saturation (and oxygenetion) value of the arterial blood and its dynamics due to exposed laser radiation in case of both the undisturbed and disturbed GMF, can be summarized as follows: the decrease of the blood oxygenation in case of the disturbed GMF (magnetic storm conditions) is quite apparent although more detailed statistical investigations along with biophysical explanations are needed; the presence of some experimentees in the observed group who have constant sweep of arterial blood oxygen saturation is, in our opinion, an aspect to explain the different frequency of tick attacks on various people although strict medical and epidemiological investigations are needed; the dynamics of the decrease of oxygen saturation in the arterial blood of human beings exposed to laser radiation, in persons with sensitivity to radiation, may be an indicator of the degree of influence of perturbations of the geomagnetic field.Проблематика. Известно, что напряженность геомагнитного поля резко изменяется во время глобальных магнитных возмущений, определяемых как магнитные бури. Это связано с изменяющейся солнечной активностью, влияющей на параметры солнечного ветра и состояние магнитосферы. Эта цепочка физических процессов с их происхождением на Солнце называется космической погодой. Важным является понимание влияния космической погоды на окружающую среду и биосферу. В частности, низкочастотная динамика геомагнитного поля, связанная с условиями космической погоды, представляется вполне вероятным фактором, влияющим на состояние человека и биологических объектов во время магнитных бурь.Цель. В данной работе исследуется динамика величины сатурации артериальной крови кислородом с учетом экстремальной космической погоды при возникновении магнитных бурь.Методика реализации. Экспериментальная установка для измерения величины относительной концентрации оксигемоглобина в артериальной крови (сатурации артериальной крови кислородом) представляет собой специализированный пульсоксиметр-спектрофотометр. Измерения проводились с помощью пульсоксиметрического датчика, покрывающего первую фалангу пальца, а лазерное излучение направлялось на вторую фалангу. В качестве источника электромагнитного излучения использовался He-Ne-лазер с длиной волны 632 нм. Значения геомагнитного поля с высоким временным разрешением (1 с) получены в Гурбановской геомагнитной обсерватории (Словацкая Республика). Сверхнизкочастотные составляющие геомагнитного поля (0,1, 0,5, 0,01, 0,05, 0,001 и 0,0001 Гц) получены с помощью программного пакета “Seewave-1.7.6”. Данные о магнитных бурях за 2015 год были получены из файла Киотского геомагнитного центра, в котором указаны даты и амплитуды магнитных бурь на Земле.Результаты. Были проанализированы следующие величины: средняя величина сатурации артериальной крови кислородом в состоянии покоя, размах колебаний величины сатурации, изменения средней величины сатурации под действием лазерного излучения. Мониторинг проводился ежедневно с 30 марта по 25 мая 2015 г. для группы из 33 человек. При наличии возмущений магнитного поля Земли среднее значение величины сатурации артериальной крови кислородом в состоянии покоя у 29 человек из 33 составляло 93,9 ± 0,9 %, размах колебания величины сатурации составил 1,25 ± 0,24 %, а изменение средней величины сатурации артериальной крови кислородом под действием лазерного излучения составило 2,34 ± 0,41 %. У 4 исследуемых размах значений сатурации артериальной крови в покое не отличался от случая невозмущенного геомагнитного поля.Выводы. Результаты исследования параметров крови, а именно величины сатурации (и значит, оксигенации) артериальной крови и ее динамики, обусловленной воздействием лазерного излучения в случае как невозмущенного, так и возмущенного геомагнитного поля, можно обобщить следующим образом: снижение оксигенации крови в случае нарушения геомагнитного поля (условия магнитной бури) вполне очевидно, хотя необходимы более подробные статистические исследования наряду с биофизическими объяснениями; присутствие нескольких людей в наблюдаемой группе, которые имеют постоянный размах величины сатурации артериальной крови кислородом, является, по нашему мнению, одним из факторов, объясняющих различную частоту нападения клещей на разных людей, хотя необходимы строгие медицинские и эпидемиологические исследования; динамика уменьшения величины сатурации артериальной крови кислородом под действием лазерного излучения у лиц, которые имеют чувствительность к излучению, может быть показателем степени влияния возмущений геомагнитного поля.Проблематика. Відомо, що напруженість геомагнітного поля різко змінюється під час глобальних магнітних збурень, які визначаються як магнітні бурі. Це пов’язано зі зміною сонячної активності, яка впливає на параметри сонячного вітру і стан магніто­сфери. Цей ланцюжок фізичних процесів з їх походженням на Сонці має назву космічна погода. Важливим є розуміння впливу космічної погоди на навколишнє середовище і біосферу. Зокрема, низькочастотна динаміка геомагнітного поля, яка пов’язана з умовами космічної погоди, видається цілком імовірним фактором, що впливає на стан людини і біологічних об’єктів під час магнітних бур.Мета. У роботі досліджується динаміка величини сатурації артеріальної крові киснем з урахуванням екстремальної космічної погоди при виникненні магнітних бур.Методика реалізації. Експериментальна установка для вимірювання величини відносної концентрації оксигемоглобіну в артеріальній крові (сатурації артеріальної крові киснем) являє собою спеціалізований пульсоксиметр-спектрофотометр. Виміри проводились за допомогою пульсоксиметричного датчика, що покриває першу фалангу пальця, а лазерне випромінювання спрямовувалось на другу фалангу. Як джерело електромагнітного випромінювання використовувався He-Ne-лазер із довжиною хвилі 632 нм. Значення геомагнітного поля з високим часовим розділенням (1 с) отримані в Гурбанівській геомагнітній обсерваторії (Словацька Республіка). Наднизькочастотні складові геомагнітного поля (0,1, 0,5, 0,01, 0,05, 0,001 і 0,0001 Гц) одержані за допомогою програмного пакета “Seewave-1.7.6”. Дані про магнітні бурі за 2015 рік були отримані з файлу Кіотського геомагнітного центру, в якому вказані дати й амплітуди магнітних бур на Землі.Результати. Було проаналізовано такі величини: середня величина сатурації артеріальної крові киснем у стані спокою, розмах коливань величини сатурації, зміни середньої величини сатурації під дією лазерного випромінювання. Моніторинг проводився щодня з 30 березня по 25 травня 2015 р. для групи з 33 осіб. За наявності збурень магнітного поля Землі середнє значення величини сатурації артеріальної крові киснем у стані спокою в 29 осіб із 33 становило 93,9 ± 0,9 %, розмах коливання величини сатурації становив 1,25 ± 0,24 %, а зміна середньої величини сатурації артеріальної крові киснем під дією лазерного випромінювання була 2,34 ± 0,41 %. У 4 досліджуваних розмах значень сатурації артеріальної крові в спокої не відрізнявся від випадку незбуреного геомагнітного поля.Висновки. Результати дослідження параметрів крові, а саме величини сатурації (і отже, оксигенації) артеріальної крові та її динаміки, обумовленої впливом лазерного випромінювання у випадку як незбуреного, так і збуреного геомагнітного поля, можна узагальнити таким чином: зниження оксигенації крові в разі порушення геомагнітного поля (умови магнітної бурі) цілком очевидне, хоча необхідні більш детальні статистичні дослідження поряд з біофізичними поясненнями; присутність кількох людей у спостережуваній групі, які мають постійний розмах величини сатурації артеріальної крові киснем, є, на нашу думку, одним із факторів, що пояснює різну частоту нападу кліщів на різних людей, хоча необхідні суворі медичні та епідеміологічні дослідження; динаміка зменшення величини сатурації артеріальної крові киснем під дією лазерного випромінювання у осіб, які мають чутливість до випромінювання, може буди показником ступеня впливу збурень геомагнітного поля