Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере. Монография.pdf
3.2.3. Сверхслабое излучение
∝
Ряд исследователей полагают, что функциональную роль может
играть и сверхслабое собственное электромагнитное излучение живых организмов (ССИ), точнее говоря, его статистически упорядоченная компонента, хотя эта точка зрения разделяется не всеми. ССИ
называют, следуя Ф. Поппу, еще биофотонным излучением (БФИ).
Ряд свойств ССИ свидетельствует о том, что это явление связано со
статистической упорядоченностью, когерентностью.
А. Свойства ССИ
В видимом, ИК- и УФ-диапазонах спонтанное ССИ характеризуется интенсивностью
1110−
Вт/м2 (от нескольких фотонов до сотен
фотонов/см2с), таким образом, ССИ на много порядков слабее обычной ферментативной биолюминесценции. ССИ эмитируется, по разным оценкам, в диапазоне от 160 до 1500 нм, но, по крайней мере, от
250 до 1200 нм [Volodyaev and Beloussov, 2007; Slawinski et al., 1992].
Оно присуще всем живыми организмами, их тканями, клетками и
субклеточными компонентами [Slawinski et al., 1992]. Статистика фотонов ССИ, т.е. вероятность
ле времени Δt, следует, по меньшей мере при
скому распределению
регистрации n фотонов в интерва-
Δt)p(n,
5
−
10<<
Δt с, пуассонов-
n
n
−exp , где
)n(=Δt)p(n,
n!
n
— среднее значение n
на интервале Δt [Popp and Yan, 2002; Slawinski, 1992]. Эта статистика
свидетельствует о когерентных свойствах ССИ [Popp et al., 2002; Popp
and Yan, 2002].
В спонтанное ССИ перетекает задержанная люминесценция
(ЗЛ), продолжительное свечение живых организмов после облучения
внешним видимым светом в диапазоне по меньшей мере 400-800 нм.
ЗЛ (замедленная флуоресценция) была открыта в зеленых растениях в
1951 г. Стрелером и Арнольдом. Все живые организмы обладают ЗЛ
вне зависимости от того, являются ли они фотосинтетическими или
нет. Ее интенсивность от нескольких до нескольких сотен тысяч фотонов/см2с, что намного ниже обычной флуоресценции или фосфоресценции. ЗЛ может длиться до нескольких часов. Спектральная интенсивность
симость от времени гиперболического вида
для времени t после облучения демонстрирует зави-
I(t)
, где λ — кон-
λt)+(I(t) 1/1
станта, слабо зависящая от частоты света. Статистика фотонов, как и
спонтанного ССИ, следует пуассоновскому распределению. При
λt /1>>
ЗЛ переходит в спонтанное ССИ, которое является постоян-
91
ным сверхслабым излучением в том же спектральном диапазоне, что
и ЗЛ [Popp and Yan, 2002].
Имеются трудности в объективной физической регистрации
ССИ в диапазоне 160 — 320 нм [Журавлев, 2011], однако это излучение может быть зарегистрировано биодетекторами. Примером является открытое в 1922 г. А.Г. Гурвичем митогенетическое излучение, сопровождающее, стимулирующее (и, по мнению А.Г. Гурвича, необходимое) митозы и испускаемое предположительно в ультрафиолетовой
области спектра в диапазоне 160 — 320 нм [Гурвич, 1945].
Для ССИ обнаружены корреляции с различными естественными
ритмами. Так, обнаружено, что ССИ проростков пшеницы характеризуется ритмами, синхронизованными с локальным ускорением лунносолнечного прилива (с соответствующими периодическими компонентами) [Moraes et al., 2012]: при перемещении зерен пшеницы из
источника их происхождения в Южном полушарии в Северное полушарие одновременные наблюдения ССИ показывают, что ритмы ССИ
синхронизованы с ритмом гравитационных приливов в каждом месте
наблюдения [Barlow, 2012].
Б. Возможная функциональная роль ССИ
и дистантные взаимодействия
Многочисленные эксперименты свидетельствуют, что некоторая
компонента ССИ не побочный продукт метаболизма, но может играть
функциональную роль и является основой некоторых нехимических
взаимодействий биосистем. Об этом свидетельствовали еще известные опыты А.Г. Гурвича с корешками лука [Гурвич, 1945] и другие
его работы по митогенетическому излучению.
Феномен дистантных, т.е. без непосредственного контакта и неопосредованных химически, межклеточных взаимодействий (ДМВ)
был строго установлен и исследован В.П. Казначеевым с сотрудниками в опытах с «зеркальным» цитопатическим эффектом [Казначеев и
др., 1979, 1980; Казначеев и Михайлова, 1981, 1985]. Находящиеся
под воздействием экстремальных факторов физической, химической
или биологической природы клетки вызывали в клеточной культуререципиенте (помещенной в соседнюю с первой изолированную камеру и не подвергаемой воздействию этих факторов) морфологические
изменения, аналогичные изменениям в первой клеточной культуреиндукторе (с
достоверным значением вероятности 70-78 %). Взаимодействие клеточных культур осуществлялось только посредством
сверхслабого электромагнитного излучения самих клеток через квар-
92
цевую (или слюдяную) пластинку, прозрачную в ультрафиолетовом и
инфракрасном диапазонах. В этих опытах впервые удалось полностью исключить химическую компоненту ДМВ. ДМВ были исследованы также в модели, позволяющей рассмотреть роль электромагнитного излучения в жизненном цикле клетки в отличие от модели экстремального воздействия на клеточную систему. По мере разнесения
культур или при утолщении кварцевых и слюдяных подложек эффективность связи падает, что означает, что эффективность проявления
зеркального цитопатического эффекта зависит от поглощения и рассеивания электромагнитных волн – носителей информации. Отметим
следующие свойства зеркального эффекта [Там же]: 1. Зеркальный
цитопатический эффект максимально проявляется в парах из гомологичных клеточных культур, слабее – в близкородственных клетках, в
гетерогенных, генетически далеко отстоящих друг от друга зеркального цитопатического эффекта нет. 2. Здоровые клетки, воспринявшие информацию пораженных клеточных культур, будучи в контакте
со следующей новой здоровой культурой, способны передавать ее
дальше; зеркальный эффект обладает способностью пассироваться с
постепенным угасанием до 3-4 пассажа. 3. Проявление эффекта зависит от географической широты, солнечной активности и геомагнитной обстановки.
Один из возможных общих подходов к постановке и исследованию вопросов данного рода выдвинут В.П. Казначеевым. Согласно концепции В.П. Казначеева [Там же], биосистема (клетка)
может быть представлена как неравновесная фотонная констелляция, существующая за счет притока энергии извне. Чисто
химический механизм межклеточной и внутриклеточной связи может
быть не первичным, а следствием более сложных процессов.
Функционирующая клетка является источником и носителем
сложного электромагнитного поля, структура которого порождается биохимическими процессами, и управляет всей метаболической
деятельностью клетки. (Мембраны можно рассматривать как основную структуру — носитель неравновесной фотонной констелляции.) Фотонные констелляции
могут рассматриваться как первичный субстрат самой жизни, не как проявление вторичного способа передачи биологической информации. Данная констелляция
имеет высокую степень надежности и является информационнорегулирующей системой клетки. Предположительно в макромолекулярной белково-нуклеиновой форме живого вещества (клеток)
присутствуют другие — квантово-полевые — формы живого веще-
93
ства, обладающие способностью перемещаться в оптической среде
в другие непораженные макромолекулярные белково-нуклеиновые
организации, изменять их состояние и вновь перемещаться, при
этом из одной клеточной культуры в другую осуществляется поток
предполагаемой формы живого вещества. Таким образом, суть живого вещества полевая. Это значит, что материальный поток в существующей электромагнитной земной среде в своем движении,
попадая в заселенное атомами и молекулами пространство, при соответствующих физико-химических условиях строит из них вторичную сложную макромолекулярную структуру. Эти структуры
могут мигрировать при соответствующих условиях из одной макромолекулярной структуры (клетки, живые организмы) в другую,
взаимодействовать друг с другом, изменять вторичные биохимические свойства.
Заметим, что эту концепцию подтверждают результаты экспе-
риментов Л. Монтенье (пп. 2.2).
Дистантные взаимодействия, опосредуемые ССИ в диапазоне от
ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, воздействуют на активность энзимов [Баскаков и Воейков, 1996], активность и морфологию клеток и тканей [Казначеев и Михайлова, 1985], жизненный цикл
клетки [Там же], регулируют локомоцию и взаимную ориентацию
клеток [Albrecht-Buehler, 1992], определяют скорость развития эмбрионов и их морфологические черты [Бурлаков и др., 1999a, 1999b],
участвуют во взаимодействии нейтрофилов и образцов цельной крови
[Voeikov et al., 1999]. Дистантные взаимодействия (ДВ) не ограничиваются односторонним действием одной биологической системы на
другую, но включают в себя и двустороннее взаимодействие двух химически изолированных биологических систем [Там же], а
также
«самовоздействие» [Бурков и др., 2008]. ДВ обнаружены между клет-
ками не только эукариот, но и бактерий [Николаев, 1992]. ДВ имеют
место на организменном уровне [Beloussov, 2003; Cifra et al., 2011;
Егоров, 2013], на уровне популяций [Бурлаков и др., 1999; Volodyaev
and Beloussov, 2007] и, возможно, экосистем [Brizhik et al., 2009, 2011;
Егоров, 2013].
Следует отметить, что ДВ достаточно слабы, зависят от многих
факторов и в ряде случаев возникают
трудности с контролем условий
экспериментов и воспроизводимостью их результатов. Тем не менее
излучение для самой биосистемы может служить ее внутренней системой передачи информации, «атрибутом жизни» [Казначеев и Михайлова, 1985]. С этой точки зрения изучение ДВ важно для понима-
94
ния координации именно внутриклеточных молекулярных процессов,
α
контроля активности протеинов и координации генетической и биохимической систем, поддерживающих гомеостаз.
Вопрос о функциональной роли ССИ до сих пор дискуссионный,
но в любом случае установлено, что ССИ отражает биологическое состояние организмов и их популяционных взаимодействий [Volodyaev
and Beloussov, 2007; Новиков и др., 2011].
В. Источники ССИ
Имеются два основных механизма происхождения ССИ, дополняющих друг друга. Во-первых, ССИ может формироваться вследствие суммирования малых порций энергии, выделяемых в процессе
достаточно быстрых коллективных молекулярных взаимодействий в
(организованной) среде [Beloussov 2011]. Мы рассмотрим этот сценарий ниже.
Во-вторых, ССИ объясняется релаксацией электронновозбужденных состояний (ЭВС), непрерывно возникающих в биологических системах вследствие переноса зарядов в отдельных молекулах и формирования радикалов во многих достаточно экзотермических химических, преимущестсвенно окислительно-восстановительных, реакциях [Баскаков и Воейков, 1996; Beloussov 2011]. При
размене энергии ЭВС на электронных уровнях, колебательных, вращательных, зеемановских подуровнях возникает излучение в широком спектре — от УФ- и видимого диапазона через инфракрасную
область до метровых волн [Журавлев, 2011].
Эндогенные ЭВС могут образовываться в результате актов распада различных перекисей. Так, триплетные возбужденные продукты
возникают при расщеплении C-C- и O-O-связей
-пероксилактонов в
процессе аэробного окисления различных субстратов, катализируемого ферментами (пероксидазой, липоксигеназой и др.). Также дисмутация пероксирадикалов, возникающих в процессе одноэлектронного
восстановления кислорода, дает возбужденные карбонилы [Cilento
and Adam, 1995; Баскаков и Воейков, 1996].
Перекисные группы образуются легче всего при неферментативном свободнорадикальном (перекисном) окислении ненасыщенных жирных кислот и альдегидов, как свободных, так и входящих в
состав липидов. Собственная хемилюминесценция животных клеток
и тканей (сверхслабое свечение) связана в значительной мере с перекисным окислением липидов с участием липидных радикалов [Тарусов и др., 1961; Владимиров, 1966; Владимиров и Проскурина, 2009;
95
Журавлев, 2011]. Липид-белковые ферментные и липиднуклеотидные комплексы, содержащие фосфолипиды с ненасыщенными жирными кислотами, могут также быть эндогенно электронно
возбуждены. В липид-белковых ферментах автоокисление ненасыщенных жирных кислот с образованием перекисных группировок по
двойным связям приводит к образованию радикальной пары и ЭВС.
Высокая энергия такого ЭВС липид-белкового фермента достаточна
для переноса электрона, для разрыва ковалентных связей при миграции энергии ЭВС в активный центр фермента. Считают, что функционирование всех ферментов дыхательной цепи в живых митохондриях возможно на электронно-возбужденных уровнях [Журавлев,
2011]. Также высокоэффективное функционирование ДНК объясняют
за счет энергии ЭВС, возможным источником которой являются липиды при автоокислении: полагают, что при репликации ДНК комплекс ДНК, связанной с ядерной мембраной в точке репликации, переходит в ЭВС [Там же]. Таким образом, биополимеры могут функционировать в возбужденных состояниях за счет эндогенно генерируемых квантов энергии [Там же].
Помимо перекисного окисления липидов существует множество
других неферментативных окислительных процессов (могущих протекать и в водных растворах), которые формируют продукты в электронновозбужденном состоянии [Баскаков и Воейков, 1996]. Наряду с радикальными имеются нерадикальные биохемилюминесцентные процессы.
Еще одним источником возбуждения может быть непрерывная
во времени природная радиация (поэтому данный вид возбуждения
можно отнести к собственному ССИ). При малых дозах радиации высокоэнергетические кванты атомной радиации природного фона и
космического происхождения могут преимущественно не ионизировать, а возбуждать биомолекулярные системы [Кузин, 2002]. Этот источник подробно рассматривается в главе
8.
Вода слабо люминесцирует (1 фотон / мл с) при комнатной температуре в сине-зеленой области, что объясняют рекомбинацией термически возбуждаемых радикалов и природной радиацией. Однако
эта люминесценция может возрасти на полтора порядка и быть переведена в режим автоколебаний при облучении воды на длине волны
синглетного возбуждения растворенного кислорода (1,26 мкм) [Gudkov et al., 2011], что может быть связано с тем, что переключение
электронных спинов (основное состояние кислорода триплетное) индуцирует накопление радикалов в воде и синхронизирует рекомбинационный ритм [Захаров, 2012].
96
ССИ не является, по-видимому, результатом только непосредственной релаксации ЭВС: при ССИ сложная биологическая система
ведет себя как нелинейная динамическая система при наличии кооперативных эффектов [Voeikov et al., 1999]. Возникает сложная нелинейная динамика ЭВС.
Г. Экспериментальные свидетельства
когерентных свойств ССИ
ССИ характеризуется особыми статистическими свойствами, временными и пространственными спектральными характеристиками, временной динамикой [Popp and Yan, 2002; Popp et al., 2002; Yan et al., 2005;
Будаговский и др., 2001; Будаговский, 2005; Volodyaev and Beloussov,
2007]. Ряд свойств компоненты ССИ, ответственной за ДВ, свидетельствует о том, что это явление связано с когерентностью. Эти особенности
сверхслабого сигнала и могут обусловливать выделение его из фона.
По-видимому, ССИ представляет собой суперпозицию когерентной и стохастической составляющих, и в дистантных межклеточных взаимодействиях участвует именно когерентная компонента. Так,
в ряде исследований дистантные межклеточные взаимодействия наблюдались на фоне резкого повышения интенсивности спонтанной
хемилюминесценции, вызванной дыхательным взрывом или иным
усилением окислительного метаболизма клетки. Но в [Будаговский и
др., 2001] для возбуждения биоиндуктора использовалось лазерное
излучение, активирующее антиоксидантную систему клетки. Кратковременное воздействие этого фактора снижает уровень перекисного
окисления липидов и интенсивность
спонтанной хемилюменисценции. При этом однако эффект дистантных межклеточных взаимодействий проявляется не в меньшей степени, чем при дыхательном взрыве. Отсюда указанные авторы [Там же] делают вывод, что дистантные
межклеточные взаимодействия не зависят от спонтанной хемилюменисценции, носящей по своей природе стохастический характер, но
определяются когерентной составляющей излучения.
Статистические характеристики
ССИ имеют некоторые особенности. Если в реакциях свободнорадикального окисления или иных
процессах генерации ССИ элементарные экзотермические акты, являющиеся эмиттерами фотонов, не скореллированы между собой, то
такое излучение должно носить стохастический характер. Фотонный
сигнал содержит большое число фотонов, которые испускаются при
релаксации различных возбужденных субъединиц. Эти процессы
обычно считаются независимыми, что выражает тепловую природу
97
фотонов и экспоненциальный характер затухания сигналов, в этом
случае фотоны тепловые. Фаза, амплитуда и интенсивность классического поля излучения тепловых фотонов флуктуирует во времени некогерентным образом, и статистика фотонов, детектируемых на фиксированном интервале в сигнале постоянной силы, определяется тепловым распределением [Bajpai, 1999]. Однако ряд фактов указывает
на высокую статистическую упорядоченность (когерентность) электромагнитных излучений, могущих иметь отношение к ДВ. В исследованиях Ф. Поппа и сотрудников теоретически рассматривается вопрос о том, что когерентное поле релаксирует согласно гиперболическому закону, а не экспоненциальному. В эргодической системе гиперболическая релаксация системы достаточна для сохранения ее когерентности, в то время как экспоненциальная необходима для хаотического поля [Popp and Li, 1993]. Поскольку экспериментально наблюдаемая статистика спонтанного ССИ и ЗЛ пуассоновская, полагают, что состояния биофотонов должны были быть когерентными
[Popp and Yan 2002; Popp et al., 2002; Yan et al., 2005].
Обнаружены особые частотные спектральные характеристики,
свойства временной динамики ССИ, в том числе в контексте ДВ [Vo-
lodyaev and Beloussov, 2007].
Наличие в канале оптической связи химически изолированных
систем экрана, снижающего пространственную когерентность излучения, препятствует дистантным межклеточным взаимодействиям.
В [Будаговский и др., 2001] обнаружено, что квазимонохроматическое излучение в диапазоне от 400 до 950 нм повышало функциональную активность биосистем только при превышении длиной когерентности излучения (параметра, определяемого в [Будаговский и др.,
2001]) — характерного размера клетки, при этом безразлично, какой
источник излучения был использован — лазерный или тепловой, т. е.
клетка способна различать когерентность излучения по степени статистической упорядоченности.
Наконец, когерентные свойства ССИ вытекают из общих соображений: природный электромагнитный фон является мощной стохастической помехой, и сверхслабые световые потоки будут эффективно детектироваться, только если они обладают достаточной высокой когерентностью.
Д. Модели формирования когерентной компоненты ССИ
Предложен ряд подходов к проблеме формирования статистически упорядоченной компоненты ССИ. Ф. Попп предположил, что ре-
98
гуляторная компонента ССИ и ЗЛ проистекает из когерентных состояний фотонного поля в клетках [Popp and Yan, 2002; Popp et al.,
2002; Yan et al., 2005; Bajpai, 1999]. В [Brizhik et al., 2000] рассмотрен
механизм формирования ЗЛ из когерентных коллективных электронных состояний в биомолекулах.
Когерентное фотонное поле
Коллективные возбуждения, приводящие к наблюдаемой статистике фотонов при спонтанном ССИ и ЗЛ, могут быть основаны на когерентных состояниях фотонного поля в биологических системах. Эти
состояния подчиняются законам квантовой оптики. Согласно Ф. Поппу, регуляторное ССИ проистекает из общего когерентного фотонного
поля в клетках [Popp and Yan, 2002; Popp et al., 2002; Yan et al., 2005;
Bajpai, 1999]. Здесь подразумевается наличие молекулярных и супрамолекулярных фотонных ловушек внутри клеток (феномен локализации света, который не является классическим поглощением света и
рассматривается с помощью квантовой оптики), из которых при определенных условиях свет переизлучается. Согласно этому подходу биосистемы способны улавливать свет.
Когерентные состояния фотонного поля позволяют, в принципе,
использовать свет в информационном и организационном контексте
[Yan et al., 2005]. Полагают, что соответствующее излучение ответственно за межклеточную и внутриклеточную коммуникацию и регуляцию биологических функций, таких как биохимическая активность,
клеточный рост и деление [Popp and Yan, 2002; Popp et al., 2002; Yan et
al., 2005; Bajpai, 1999].
В [Popp et al., 2002] были обнаружены свидетельства (субпуассоновская статистика фотонов) неклассических (сжатых) состояний света, излучаемого живыми организмами. Когерентное или сжатое квантовое состояние биофотонов дает возможность переносить информацию почти без потерь. Сжатое квантовое состояние позволяет также
детектировать объект, взаимодействующий с биологической системой
слабее, чем тепловой шум.
Фаза, амплитуда и интенсивность классического поля излучения
когерентных фотонов не флуктуируют во времени, и возможна интерференция.
Когерентные коллективные электронные состояния
Свойства ССИ зависят от структуры и упорядоченности биосистем. Когерентность ССИ можно объяснить определенной упорядоченностью процессов излучения в биоструктурах [Cifra et al., 2011]. Генерацию когерентного ССИ связывают с образованием кооперативных
99
возбужденных электронных состояний биомакромолекул (субъединиц)
в конденсированной фазе, релаксирующих с излучением когерентных
фотонов. В частности, когерентная компонента ССИ может объясняться излучением ансамблей нуклеотидов-хромофоров, объединенных
коллективными взаимодействиями в ДНК [Там же].
Статистические характеристики спонтанного ССИ и ЗЛ могут
указывать на то, что данные явления связаны с когерентными электронными состояниями в биомолекулах [Scordinio et al., 2010].
ЗЛ может быть связано с когерентными коллективными электронными состояниями. Основываясь на концепции давыдовских солитонных или поляронных состояний, предположили [Brizhik et al.,
2000, 2011]: ряд биомолекул имеет вид полупроводниковоподобных
квазиодномерных цепочек, в которых внешнее излучение или химические реакции могут возбудить когерентные коллективные электронные
и экситонные состояния, в частности локализованные — солитонные
состояния. Эти состояния могут аннигилировать с излучением ЗЛ
[Brizhik et al., 2000, 2011; Scordino et al., 2010].
Таким образом [Кузин, 2002], электронные возбуждения в биополимерах (белках, нуклеиновых кислотах), находящихся в конденсированном состоянии, делокализуются с возможным образованием устойчивых солитонов или поляритонов с достаточно большим характерным
временем жизни, так что энергия возбуждения может накапливаться в
биосистемах. Непрерывный распад солитонов и поляритонов дает когерентное ультрафиолетовое излучение, несущее информацию от данного биополимера к другим молекулам клетки. Конформация биополимеров определяет информацию и энергию солитоноподобных образований. Значительное изменение конформации ведет к усиленному
распаду солитонов и поляритонов и образованию когерентного ССИ, а
также к изменению характера информации, в ином случае это излучение чрезвычайно мало и не может быть зарегистрировано [Там же].
Можно полагать, что все биополимеры, находясь в возбужденных состояниях, содержат солитоноподобные образования и эмитируют ССИ.
Возможная модуляция ССИ квантово-когерентной динамикой и
корреляциями дальнего порядка окружения излучателей
Выше была приведена гипотеза об излучении когерентного ССИ
когерентными коллективными возбужденными электронными состояниями. Мы полагаем, что когерентные свойства ССИ могут дополнительно обусловливаться модуляцией процесса излучения биофотонов
квантово-когерентной динамикой излучателей (колебательной и электронной) и динамикой их окружения, характеризующейся корреля-
100