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
формирования значительных корреляций между хромофорами таких,
как в случае долгоживущей экситонной когерентности в фотосинтетических комплексах, сделан вывод о возможности влияния СФВС
воды на корреляции в электронной системе хромофоров, дефазировку
долгоживущих квантовых когерентностей, экситонную динамику, перенос энергии и заряда в ряде биомолекул. Высказывается предположение о том, что в воде осуществляются волны преобразований электронной структуры ВС, опосредующие информационные взаимодействия.
В главе 5 высказывается предположение, что окружение люминофоров биомолекул, характеризующееся временными и пространственными корреляциями дальнего порядка, долгоживущие квантовые
когерентности могут модулировать сверхслабое излучение и безызлучательный перенос энергии в биосистемах на субпикосекундном –
пикосекундном масштабе времени, придавая ему статистически упорядоченный характер и обусловливая перенос информации.
В главе 6 предложен возможный механизм регулирования функциональных состояний протеинов с помощью электромагнитных сигналов и структурной динамики водородных связей воды посредством
управления энергетически возбужденными слабозаселенными конформационными состояниями протеинов и флуктуационной структурной динамикой около средней конформации.
В главе 7 конкретизирован возможный механизм дистантных
взаимодействий с включением эффектов корреляций дальнего порядка, которые могут обусловливать выделение сверхслабого коммуникационного сигнала на стохастическом фоне.
В главе 8 рассматриваются возможные сценарии синхронизации
некоторых биопроцессов с вариациями ускорения лунно-солнечного
гравитационного прилива, основанные на триггерном воздействии
приливной силы на геосреду с модуляцией поля эманаций и активности радона и других радиоактивных элементов. Обсуждаются механизмы и модели чувствительности биосистем к приливными вариациями природного радиоактивного фона, включающие митохондриальный переход проницаемости, усиление производства активных
форм кислорода и азота и формирование пространственных корреляций дальнего порядка в этих процессах, байстендер – факторы и вторичное биогенное излучение, модуляцию клеточной сигнализации и
ритмической экспрессии генов. Показано, что другие триггерные слабые воздействия на геосреду такие, как барические вариации в атмосфере, солнечная активность и вариации геомагнитного поля, искусст-
11
венные электромагнитные воздействия, а также процессы в самой геосреде, могут приводить к указанной модуляции биопроцессов. В главе
9 показано, что механизм, рассмотренный в предыдущей главе, а также некоторые другие слабые экологические геофизические воздействия могут получить существенное усиление за счет нелинейных эффектов в геосреде, сложных, подчас совсем не очевидных взаимодействий между геосферами.
От исследования одностороннего влияния внешних факторов
на живые организмы и экосистемы в главе 10 мы переходим к вопросам о взаимном влиянии живых организмов и факторов среды обитания. Обосновывается предположение о двустороннем влиянии структурной молекулярной динамики водной среды как абиотического
экологического фактора и структурной молекулярной динамики биосистем, регулирующей процессы в экосистемах. Это двустороннее
влияние имеет место постольку, поскольку существенна биологическая роль упорядоченности пространственно-временной молекулярной динамики биосистем и водной среды.
Автор выражает благодарность профессору Рему Григорьевичу
Хлебопросу за предложение написать эту книгу и постоянное внимание к работе над ней.
12
ЧАСТЬ I
КОРРЕЛЯЦИИ
ДАЛЬНЕГО ПОРЯДКА
В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
13
ГЛАВА 1. Общая характеристика корреляций
дальнего порядка в биопроцессах
1.1. Когерентные колебания электрических диполей дальнего порядка
Воздействуя на биосистемы изнутри или извне, постоянное
электрическое поле и переменная электрическая компонента электромагнитного поля (вплоть до терагерцового диапазона) взаимодействуют с электрическими полярными структурами в них. Эти полярные
структуры могут как взаимодействовать с внешним полем, так и генерировать собственное электромагнитное излучение. Первые качественные модели таких взаимодействий – теория акустоэлектрических
волн [Девятков и др., 1991], фрёлиховская модель когерентных колебаний дальнего порядка [Fröhlich 1968, 1977] и теория молекулярных
солитонов А.С. Давыдова [Davydov, 1973] – основывались на том, что
вследствие поляризации молекулярных подструктур (липиды, группы
атомов, диполи воды) любые упругие колебания связаны с электромагнитными волнами.
В результате исследований, проводимых коллективами под руководством Н.Д. Девяткова и М.Б. Голанта, было выдвинуто предположение о том, что клетками и их субструктурами генерируются когерентные акустоэлектрические колебания, используемые как сигналы
управления функционированием клетки [Девятков и др., 1991]. Акустоэлектрические колебания микроволнового диапазона возбуждаются в биомембране как в диэлектрическом резонаторе вследствие полярной природы мембранных липидов [Там же].
Независимо от этих исследований Г. Фрёлих постулировал, что в
биомакромолекулах и биомембранах осуществляются коллективные
колебания электрических диполей [Fröhlich, 1968, 1977], так что возможен нетепловой результат взаимодействия с квантом энергии меньше kT. Эти колебания могут быть когерентными, если в системе имеется нелинейность и достаточная по скорости накачка энергии: вследствие нелинейного взаимодействия мод энергия перетекает в наиболее
низкочастотную моду, так что устанавливаются когерентные колебания. Согласно рассмотрениям Фрёлиха, возможно формирование устойчивого неравновесного сильно поляризованного состояния, гигантского диполя. Необходимая для данного механизма нелинейность вы-
14
зывается сильным статическим электрическим полем на мембране, а
метаболические процессы служат источником энергии. Расчеты показывают, что частоты колебаний мембран, ДНК, РНК, протеинов, некоторых других клеточных компонентов находятся в диапазоне от
13
Гц.
10
10
9
до
Теория Г. Фрёлиха эквивалентна теории молекулярных солитонов А.С. Давыдова [Davydov, 1973; Fedorov et al., 2003], согласно которой энергия возбуждения может переноситься по биомакромолекулам в виде солитоноподобных образований. Солитоны, распространяющиеся в биомолекуле, излучают с характеристическими частотами (до миллиметровых волн). Поэтому это излучение можно рассматривать как излучение системы когерентных диполей (
в соответствии с
моделью Фрёлиха) [Brizhik et al., 2011].
Также имеется ряд теорий, в которых полагается, что электромагнитная энергия может быть запасена в форме напряженного метастабильного состояния биомакромолекулы [Betskii, 1994; Ротару и
др., 2007], что тоже перекликается с изложенными выше концепциями.
Ряд исследователей считают, что колебания Фрёлиха и акустоэлектрические волны не реализуются, поскольку колебания
клеточных структур в цитозоле должны сильно затухать вследствие вязкого
трения [Adair, 2002, 2003; Reimers et al., 2009].
Тем не менее, имеются экспериментальные свидетельства генерации радиочастотных колебаний клеточными структурами, хотя источник колебаний не всегда ясен. Вблизи живых клеток регистрируются сверхслабые электрические колебания прямыми измерениями в
диапазоне от кГц до МГц и косвенными методами [Синицин и др.,
2012; Cifra et al., 2011]. Существуют экспериментальные данные об
излучении биосистемами в дециметровом диапазоне, но источник излучения в этом случае связан с водной компонентой биосреды [Петросян и др., 1995; Синицин и др., 1998].
1.2. Водная среда
О биологической роли возможной упорядоченности и дальнего
порядка в воде размышлял еще А. Сент-Дьёрдьи [Szent-Gyorgyi,
1957], но до недавнего времени эти возможные свойства пространственно-временной молекулярной динамики воды и их функциональная
роль оставались практически неисследованными. Тем не менее, в по-
15
следние двадцать лет в этой области получены важные результаты
[Петросян и др., 1995; Синицин и др., 1998, Синицин и Ёлкин, 2007;
Синицин и др., 2012; Fesenko et al., 1995; Ponomarev et al., 2001; Zheng
et al., 2006; Brizhik et al., 2011; Nilsson et al., 2012; Garrett-Roe et al.,
2011].
Сейчас становится ясным также, что взаимодействие биомолекул
или липидов биомембран с гидратирующей водой с учетом особой
структуры последней, перенос энергии между ними – один из определяющих факторов молекулярной и супрамолекулярной организации
биомолекул, липидов на мембране, биомолекулярных и биомембранных
процессов [Zhong et al., 2011; Milhaud, 2004; Mashaghi et al., 2012]. «Накапливается все больше фактов
о значительном, если не о равноправном, вкладе воды в формирование, стабилизацию и целесообразную изменчивость структуры биомолекул» [Захаров, 2012. С. 1051].
1.2.1. Синхронизованное состояние молекулярных осцилляторов
водной среды
Становится ясным, что первичным рецептором и проводником
низкочастотных электромагнитных биовоздействий является водная
компонента биосреды [Петросян и др., 1995; Синицин и др., 1998;
Синицин и
Ёлкин, 2007; Fesenko et al., 1995]. При этом, как полагают,
молекулярная структура водной среды, сетка водородных связей,
служит носительницей коммуникационных волновых процессов в
микроволновом диапазоне [Синицин др., 1998; Синицин и Ёлкин,
2007; Синицин и др., 2012]. Возможная самосинхронизация или синхронизация внешним излучением собственных волновых процессов в
системе связанных молекулярных и супрамолекулярных осцилляторов водной компоненты биосреды означает переход этой среды в резонансно-возбужденное состояние, которое можно рассматривать как
термодинамическую фазу – состояние, присущее живому [Синицин и
Ёлкин,
2007]. Эта синхронизованная система может служить проводником электромагнитных сигналов и формировать собственное слабое электромагнитное поле [Синицин и др., 1998; Синицин и Ёлкин,
2007]. Подробнее этот вопрос рассматривается в главе 2.
1.2.2. Корреляции дальнего порядка
в ультрабыстрой динамике воды
Ряд исследований [Nilsson et al., 2012; Garrett-Roe et al., 2011]
свидетельствует, что ультрабыстрая динамика воды характеризуется
16
наличием корреляций дальнего порядка. Результаты многолетних исследований методами рентгеновской спектроскопии и рассеяния, а
также моделированием интерпретируют как свидетельства о том, что
в объемной воде при физиологических температурах сосуществуют
две различные локальные структуры водородных связей (ВС): тетраэдрическая и асимметричная с сильными искажениями и ослаблениями ВС, более плотно упакованная, чем тетраэдрическая [Nilsson et al.,
2012]. Непрерывно происходят структурные флуктуации (СФ), т. е.
флуктуации между симметричной и асимметричной компонентами.
СФ сравнимы по величине со стохастическими тепловыми флуктуациями [Там же]. Моделирование дает соотношение 3:1 между более
плотной и менее плотной компонентами при комнатной температуре
[Там же]. Структурные корреляции осуществляются на расстояниях,
по меньшей мере, до 12 Å, что отражается, в частности, соответствующими пиками в межмолекулярной парной корреляционной функции [Там же]. СФ порождают неоднородности плотности воды порядка 1 нм, которые нарастают с уменьшением температуры (в противоположность нормальным жидкостям), что соответствует нарастанию с
понижением температуры размеров, продолжительности жизни и частоты появлений тетраэдрических структур в окружении термически
возбуждаемых асимметричных структур [Там же].
Еще одно свидетельство корреляций дальнего порядка в воде получено в [Garrett-Roe et al., 2011]. Методом трехмерной ИК- спектроскопии в обычных условиях обнаружено присутствие различных под‐
ансамблей молекул воды, которые имеют различную динамику. Время жизни этих подансамблей – порядка 500 фс. Молекулы воды в подансамблях практически не отличаются друг от друга по частоте, но
динамически различны (по динамике структурной релаксации). Эти
движения обусловлены различающимися типами структурной организации ВС в подансамблях [Garrett-Roe, et al., 2011]. Данных о пространственных масштабах подансамблей пока нет, но возможно, что
подансамбли связаны с СФ, описанными в [Nilsson et al., 2012].
Электронные и колебательные уровни биомолекул и молекул воды
значительно модулируются дальнодействующими флуктуирующими
силами, связанными с быстрыми перераспределениями зарядов и диполей при изменении структуры ВС гидратной оболочки на пикосекундных [Yang et al., 2012] и субпикосекундных [Kubar et al., 2009] временных масштабах. Так, флуктуации энергий соседних сайтов ДНК высоко
коррелированы за счет флуктуаций ВС водного окружения [Kubar et al.,
2009]. Временные масштабы структурных корреляций увеличиваются
17
в гидратной оболочке биомолекул [Yang et al., 2012]. Сетка ВС в гидратной оболочке претерпевает структурные перестройки, взаимодействуя не только с движениями протеина, но и с динамикой объемной
воды [Zhong et al., 2011].
1.2.3. Корреляции на микронных и больших
пространственных масштабах
Рядом исследователей обнаружены свидетельства того, что корреляции в воде могут иметь место на макроскопических масштабах.
Полагают, что при этом области организованной воды, аккумулируя
энергию окружения, являются донором электронов и источником устойчивого электронного возбуждения [Синицин и Ёлкин, 2007; Синицин и др., 2012; Chai et al., 2009; Chai and Pollack, 2010; Воейков и др.,
2012].
Обнаружено [Синицин и Ёлкин, 2007; Синицин и др., 2012], что
альфа-аминокислоты с гидрофобным и гидрофильным боковым радикалом, живые структуры, например живая кожа человека, а также
микро- и наноразмерные структурные или параметрические неоднородности межфазных поверхностей раздела при отсутствии химических взаимодействий обусловливают структуризацию водной среды
на пространственном масштабе до миллиметрового. Указанная структуризация водной среды соответствует мощности проходящего через
нее ИК-излучения. При этом наблюдаются разделение и перенос зарядов, что сопровождается генерацией электрической энергии [Синицин и
Ёлкин, 2007]. Оказывается, особенности взаимодействий элек-
тромагнитного излучения и водной среды, изменение физических характеристик водной среды и биологическое действие миллиметрового
излучения проявляются только при наличии структуризации воды.
Миллиметровое излучение приводит к дополнительному увеличению
ИК-прозрачности (структуризации) водной среды, причем в окрестности определенных (резонансных) частот, определяемых средой и
контактирующим с ней
материалом [Синицин и Ёлкин, 2007]. Н.А.
Синицин и В.А. Ёлкин выдвигают концепцию, согласно которой описанная структуризация лежит в основе биологического действия миллиметрового излучения материалом.
В воде (и других полярных жидкостях) в окрестности гидрофильных поверхностей обнаружены микрометровые области, из которых исключаются коллоиды и растворимые вещества, exclusion
zones (EZ), обладающие следующими свойствами [Zheng et al., 2006;
Chai et al., 2009; Chai and Pollack, 2010; Yoo et al., 2011; Rohani and
18
Pollack, 2013; Yu et al., 2013; Pollack, 2013]. Наблюдается разделение
зарядов между EZ и объемной жидкостью, так что разность потенциалов между ними составляет 100 – 200 мВ, при этом EZ заряжена
отрицательно. Имеются свидетельства более высокой упорядоченности этих областей (на пространственных масштабах до сотен микрометров) по сравнению с объемной фазой. Энергия, сообщаемая воде
излучением окружающей среды, в частности в ИК-диапазоне и некоторых участках УФ-диапазона, формирует, расширяет эти EZ, так что
энергия излучения способна накапливаться в воде в качестве уменьшения энтропии и разделения зарядов. Иными словами, поглощаемая
энергия может не только рассеиваться в виде тепла, но и преобразовываться в потенциальную энергию системы с уменьшением энтропии и перемещением зарядов, возникновением макроскопических механических движений, совершением работы, при этом вода непрерывно поддерживается в неравновесном состоянии. Полагают, что
излучение при метаболических процессах также может структурировать водную среду в биосистеме и преобразовываться в работу.
Концепция организованности воды положена в основу теории
когерентных водных доменов [Marchettini et al., 2010; Brizhik et al.,
2011]. Квантовые взаимодействия между элементами могут привести
к возникновению областей, в которых фазы элементов коррелированы
электромагнитной связью. Самоорганизующиеся когерентные водные
домены – это мезоскопические области, в которых молекулы не являются независимыми, но осциллируют между своими основным и
электронно-возбужденным состояниями в фазе с уловленным ансамблем молекул электромагнитным полем, которое не может быть переизлучено ансамблем в течение длительного времени. С этой точки
зрения вода является динамическим равновесием двух фаз: когерентного ансамбля молекул и газообразного ансамбля молекул, лишь последняя фаза контролируется столкновениями молекул и тепловым
шумом. Когерентные водные домены описываются квантовоэлектродинамически. Когерентные области способны трансформировать энергию высокоэнтропийного окружения в «упорядоченную
низкоэнтропийную» энергию. Они могут запасать ее в электромагнитной форме, используя затем для возбуждения и организации динамики химических реакций и переноса зарядов [Marchettini et al.,
2010]. Предполагают, что одна из функций воды может состоять в
участии в контроле динамики биомолекул в соответствии с фазовой
информацией когерентной воды. Предполагают, что когерентные водные домены служат рецепторами сверхслабых полевых воздействий.
19
Также предполагают, что энергия в когерентных областях может распространяться без существенных потерь, а при воздействии внешних
электромагнитных полей излучение доменов интенсифицируется
[Brizhik et al., 2011].
1.3. Корреляции дальнего порядка
в ядерных колебаниях
и электронных возбуждениях
В биологических процессах упорядоченность движений элементов быстро размывается стохастической динамикой окружения. Так,
электронные движения и ядерные колебания характеризуются пикосекундными процессами релаксации и дефазировки. Исключением
служат субпикосекундные и пикосекундные ультрабыстрые биологические процессы.
На временных масштабах сотен фемтосекунд — пикосекунд колебательные ядерные и электронные движения в протеине при физиологических температурах, составляющие или поддерживающие его функцию,
в высокой степени согласованны и направленны [Vos and Martin, 1999;
Fleming et al., 2011]. Для таких ультрабыстрых процессов установлено
наличие долгоживущих квантовых когерентностей, колебательной и в
ряде случаев экситонной. Такие когерентности, сохраняемые фазовые
соотношения, корреляции, осуществляются в течение соответствующего
ультрабыстрого процесса такого, как перенос электрона или энергии
электронного возбуждения, и, следовательно, могут влиять на этот процесс и играть функциональную роль, определяя последующие конформационные изменения и (или) биохимические реакции.
1.3.1. Долгоживущая колебательная квантовая когерентность
в биомолекулах
Биологическая функция и особенно сигнальная функция основывается на высокоспецифичном и эффективном конформационном
отклике на внешнее триггерное воздействие. Такой отклик может
быть связан с долго незатухающими коллективными колебательными
модами [Vos and Martin, 1999].
В экспериментах возбуждение системы короткими импульсами с
достаточно большой спектральной шириной формирует суперпозицию
множества колебательных волновых функций — нестационарный волновой пакет. Вместе с тем, когерентные движения могут быть инду-
20