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
цированы химической реакцией, например фотолизом лиганда (NOфотолизом для миглобина) [Rosca, 2001]. Следует подчеркнуть, что
колебательные волновые пакеты возбуждаются не только взаимодействием молекулы с лазерным излучением. Активационным механизмом низкочастотных когерентных мод в электронно-возбужденном состоянии может быть, например, ультрабыстрое внутреннее перераспределение колебательной энергии [Kraack et al., 2011, 2012].
Во многих случаях когерентные, с сохраняющимися фазовыми
соотношениями, ядерные движения составляют неотъемлемую часть
динамики протеина и хромофора на пикосекундном масштабе при
физиологических температурах [Vos and Martin, 1999]. Колебательные
когерентности — внутримолекулярные ядерные волновые пакеты —
могут осуществляться на возбужденных и основных поверхностях потенциальной энергии.
Эти явления имеют функциональное значение [Vos and Martin,
1999]. Во-первых, первичные процессы, определяющие последующие
реакции, могут протекать в режиме колебательной когерентности, и эти
согласованные движения могут играть определяющую роль в протекании вторичных реакций. Во-вторых, колебательная когерентность может
сохраняться на временах значительно больших, чем среднее время ферстеровского переноса возбуждения, что свидетельствует о том, что перенос энергии модулируется когерентными колебательными движениями.
В-третьих, перенос электрона также сопровождается этими когерентными движениям при физиологических температурах. Наконец, колебательная когерентность, поддерживаемая в течение нескольких пикосекунд в протеинах при комнатной температуре, свидетельствует, что биохимические реакции на этом временном масштабе осуществляются в
смешанном режиме когерентных и стохастических движений.
1.3.2. Долгоживущая электронная когерентность
в молекулярных комплексах
Недавние эксперименты [Engel et al., 2007, Lee et al., 2007, Panit-
chayangkoon et al., 2010, 2011; Collini et al., 2010], основанные на фемто-
секундной двумерной электронной спектроскопии, свидетельствуют, что
перенос энергии электронного возбуждения в фотосинтетических системах, в том числе при физиологических температурах, происходит с участием долгоживущей квантовой когерентности между электронными
возбуждениями хромофоров, так что электронные возбуждения хромофоров переносятся по протеинам как квантовые волновые пакеты, суперпозиции возбужденных электронных состояний, сохраняя фазовые
21
соотношения. Это означает, что интерференция квантовых амплитуд
участвует в управлении переносом энергии электронного возбуждения.
Под когерентностью между электронными состояниями a и b
понимается квантовая суперпозиция, представляемая внедиагональным элементом матрицы плотности
ρ . Если описывать эволюцию
ab
электронно-возбужденных комплексов с помощью матрицы плотности для двухуровневой системы
)()( eebeaeeeabeebeeatt
2
11
2
22
*
)(
*
+++=ΨΨ
21
)(
titi
ωωωω
−−−
2121
,
12
первые два слагаемых, описывающих элементы матрицы плотности,
выражающие населенности, стационарны, а последние два члена,
описывающие когерентности, эволюционируют с фазовым множителем, связанным с разностью энергий между двумя уровнями; двумерная фазовая спектроскопия измеряет эту фазовую эволюцию, которая
проявляется как осцилляции в амплитудах экстремумов в двумерном
спектре [Calhoun et al., 2009].
Проблема здесь заключается в том, что во многих случаях дефазировка когерентностей между электронными состояниями происходит намного быстрее, чем релаксация самих состояний в стохастическом окружении, так что когерентности не принимают участия в релаксации. Оказывается, однако [Panitchayangkoon et al., 2011], что в
хромофор-протеиновых комплексах при физиологических температурах
квантовые когерентности между электронными состояниями осуществляются на том
же масштабе, что и не только перенос энергии возбуждения, но и перенос населенностей, так что когерентности напрямую
влияют на динамику и процессы переноса энергии. Имеет место связь
между когерентностями и населенностями. Населенности осциллируют,
осуществляется обратимый осцилляционный перенос энергии между
возбужденными состояниями. Влияние когерентностей на вероятность
возбуждения определенного состояния означает их прямое влияние на
биологическую функцию. Все это позволяет считать такой процесс
квантовым переносом в биосистемах [Panitchayangkoon et al., 2011].
Следует учитывать также, что на уровне одиночного комплекса
время жизни когерентностей может быть намного больше, чем на уровне ансамбля комплексов, тогда как последнее измеряется в экспериментах [Kim et al., 2012].
При физиологических температурах электронная когерентность
может сопровождаться когерентностью колебательной [Turner et al.,
2012].
22
Естественной причиной коллективных квантовых эффектов
являются электронные взаимодействия в плотно упакованных молекулярных агрегатах [Olaya-Castro et al., 2012]. Но даже в случае
слабой электронной связи долгоживущая когерентность также
осуществляется между хромофорами как в светособирающих комплексах криптофитов PC645 и PE545 [Scoles, 2010; Collini et al.,
2010]. Полагают, что электронная квантовая когерентность сопряжена с коррелированным движением хромофоров и протеинового
и водного окружения. Окружение характеризуется коррелированностью и нелокальностью, и его флуктуации модулируют энергию
и связи электронной системы [Ishizaki and Fleming, 2012; Fleming
et al., 2011; Fassiolli et al., 2012]. Полагают, что долгоживущая экситонная когерентность обусловливается корреляциями между
флуктуациями энергий перехода соседних хромофоров, которые
индуцируются флуктуациями окружения [Ishizaki and Fleming,
2012]. Анализ экспериментальных данных и моделирование показывают, что достаточно сильное взаимодействие электронной системы с тепловым низкоэнергетическим неравновесным протеиновым и водным окружением на соизмеримых временных масштабах
может обеспечивать генерацию и последующую эволюцию экситонных когерентностей [Fassiolli et al., 2012]. Если связь между
системой и окружением достаточно велика и время релаксации неравновесного окружения сравнимо со временем эволюции экситонов, то на этом временном масштабе в течение времени корреляций окружения возникают корреляции между системой и окружением [Там же]. Здесь принципиально наличие конечных временных масштабов флуктуационно-диссипативных процессов, порожденных окружением, т.е. немарковского взаимодействия между
электронным возбуждением и окружением [Ishizaki et al., 2010b].
Движения хромофоров, протеинового и водного окружения становятся коррелированными. Коррелированные флуктуации окружения модулируют энергию и связи электронной системы. Коррелированность системы и окружения порождает квантовые суперпозиции экситонных состояний, которые затем эволюционируют
квантово-когерентно [Fassiolli et al., 2012].
Протеиновое окружение не только модулирует, а является неотъемлемой частью системы переноса энергии [Panitchayangkoon et al.,
2011]: экспериментально установлено, что имеет место не только осцилляционный перенос энергии между возбужденными хромофорами,
полная энергия хромофоров также осциллирует, так что электронная
23
система оказывается сильно связанной с окружением, и часть энергии
возбуждения должна обратимо переноситься между хромофорами и
протеиновым окружением.
Кроме того, роль протеина состоит в поддержке электронной связи хромофоров. Протеины позволяют оптимизировать расстояния и
взаимные положения хромофоров, чтобы обеспечить долгоживущую
квантовую когерентность. Даже при нарушении структуры протеина
хромофоры реориентируются и электронная связь между ними сохраняется вместе с когерентностью [Kim et al., 2012].
Итак, причины формирования долгоживущих когерентностей
кроются не в случайных флуктуациях диссипативного окружения
хромофора, но в функциональной атомной динамике окружения, а
также в структуре протеина [Ishizaki and Fleming, 2012; Nagy et al.,
2006].
Отметим, что когерентность может формироваться без взаимодействия электронной системы и излучения, достаточно только взаимодействия системы с окружением (термостатом).
Соответствует ли когерентность, порождаемая в экспериментах
ультракоротким лазерным импульсом, фотосинтезу при естественном
солнечном освещении? Полагают, что когерентность непрерывно
воссоздается в самой системе вследствие особой структуры и динамики системы и ее окружения. Когерентность — это свойство гамильтониана системы независимо от способа ее возбуждения. Подтверждением этому служат результаты моделирования [Kim et al.,
2012]. В экспериментах с когерентными источниками излучения начальное состояние приготовляется как когерентная суперпозиция состояний ультракороткими импульсами. Но когерентность может существовать независимо от того, какова природа начального возбуждения. Если система изначально находится в неосциллирующем стационарном состоянии, флуктуации гамильтониана быстро (десятки
фс) приводят систему к когерентным осцилляциям в населенностях, к
когерентному состоянию [Там же]. Можно считать, таким образом,
что экситонная когерентность все время присутствует в естественных
фотосинтетических, а также в подобных им искусственных, молекулярных системах без когерентного возбуждения, непрерывно формируясь – разрушаясь и воссоздаваясь – вследствие взаимодействия
электронной системы с ядерными степенями свободы микроокружения [Fleming et al., 2011].
Естественная долгоживущая квантовая когерентность является
основой для реализации естественной квантовой интерференции раз-
24
личных путей переноса энергии возбуждения в биологических процессах, имеющей функциональное значение.
1.3.3. Управление биомолекулярной динамикой
на основе квантовой интерференции
«Квантово-когерентные эффекты не только могут существовать
вдоль реакционных координат в биологических системах, но также
могут быть подвержены значительному контролю» [Nagy et al., 2006.
P. 661].
Управление молекулярными процессами может заключаться в
управлении интерференцией квантовых волн: при наличии множества
путей к конечному состоянию их интерференция может управлять
амплитудой в этом состоянии. Когерентное управление светом основывается на формировании временной структуры возбуждающего
света, модуляции его спектральной фазы и амплитуды. Имеются различные возможности такого управления: контроль интерференцией
путей от начального к конечному состоянию посредством управления
их фазами; управление динамикой когерентных волновых пакетов
ультракороткими импульсами. В простейшем случае можно управлять двумя интерферирующими компонентами волновой функции
изменением относительной фазы и амплитуды двухчастотного электрического поля. Многочастотные оптические поля (импульсы) могут
одновременно возбуждать множество степеней свободы системы, и
эти возбуждения могут управлять множеством интерферирующих путей, что приводит с высокой
точностью к определенному конечному
состоянию [Rabitz, 2009]. Оптимальная форма управляющего импульса для многоатомных молекул в конденсированной фазе – в сильносвязанных системах – очень сложна. Поиск оптимальной формы может осуществляться с помощью адаптивного квантового контроля,
основанного на генетических алгоритмах и обратной связи [Там же].
Отметим, что когерентное возбуждение фаз компонент волновой
функции
не является обязательным для управления квантовой интерференцией. Не обязательно, как отмечалось, и импульсное воздействие.
Эксперименты свидетельствуют о возможности основанного на
квантовой интерференции управления светом и ультрабыстрыми биологическими молекулярными процессами, в частности в фоторецепторах и компонентах биоэнергетических систем [Prokhorenko et al.,
2006, 2011; Vogt et al., 2006; Florean et al., 2009; Buckup et al., 2011;
Groma et al., 2011; Kraak et al., 2011, 2012; Nagy et al., 2006]. Хотя
25
многие биохимические реакции, например преобразования вторичной
и третичной структур, имеющие масштабы от нс до секунд, не могут
быть непосредственно эффективно контролируемы с помощью квантово-когерентных процессов, поскольку динамика когерентных колебательных волновых пакетов осуществляется на масштабах пикосекунд [Wohlleben et al., 2005], долгоживущая когерентная динамика
экситонов – на субпикосекундных масштабах [Nagy et al., 2006], однако ключевую роль в формировании медленных глобальных процессов играют ультрабыстрые локальные процессы такие, как перенос
энергии, переход через энергетические барьеры [Vos and Vartin, 1999;
Nagy et al., 2006], первичные реакции фотоциклов фоторецепторов
(изомеризация ретиналя). А световой контроль этих процессов воз-
можен, что означает контроль светом и всех вторичных биохимических реакций [Wohlleben et al., 2005].
1.4. Туннелирование электрона в редокс-цепях
Перенос электрона в биоэнергетических системах между редоксактивными кофакторами через изолирующий протеин может осуществляться как квантово-механическое туннелирование [Jasaitis et al.,
2007]. При этом именно волновые свойства электрона контролируют
биологическую реакцию. В принципе, соответствующие пути переноса электрона могут интерферировать [Fleming et al., 2011].
26
ГЛАВА 2. Радиоволновой диапазон
Этот диапазон включает микроволновой (300 МГц – 300 ГГц),
терагерцовый (300 ГГц – 6 ТГц) и более низкочастотные диапазоны,
т.е. диапазоны излучения с энергией квантов меньше тепловой (kT). В
этом случае для биокоммуникации необходимы коллективные эффекты, когерентность или малость временных масштабов возбужденных
состояний по отношению к тепловой релаксации.
2.1. Микроволновой и терагерцовый диапазоны
2.1.1. Явление биовоздействия низкоинтенсивного
микроволнового излучения
Первая публикация результатов о влиянии слабого электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на биосистемы состоялась в 1966 г. [Адаменко и др., 1966]. Известно, что при прогреве ускоряются биохимические реакции в соответствии с энергией активации, но оказалось, что наиболее существенные эффекты имеют место
при низких интенсивностях (менее 10 мВт/см2) — нетепловом излучении, так что температура повышается не более чем на десятую градуса Цельсия и механизм воздействия определяется не этим микронагревом, а некими другими факторами [Девятков и др., 1991]. (Учитывая, что энергия, переносимая такими излучениями, незначительна,
говорят еще об информационном воздействии.)
Впоследствии многочисленные экспериментальные исследования установили [Девятков и др., 1991; Betskii, 1994; Новиков и др.,
2010; Бинги, 2011; Cifra et al., 2011; Pakhomov et al., 1998; Fedorov et
al., 2003; Kazarinov, 2008; Ramundo-Orlando, 2010; Ramundo-Orlando
and Gallerano, 2009], что живые организмы и их компоненты способ-
ны реагировать на микроволновое и примыкающие к нему терагерцовое (300 ГГц – 6 ТГц) и радиочастотное излучения нетепловой интенсивности.
На молекулярном и клеточном уровнях нетепловое микроволновое и терагерцовое излучение индуцирует конформационные изменения в биомолекулах с модификацией их функционирования [Fedorov
et al., 2003], вызывает структурные и функциональные изменения состояния мембран, изменения трансмембранных транспортных процессов [Девятков и др., 1991; Kazarinov, 2008], может менять спино-
27
вое состояние ионов в протеинах [Бинги, 2011], селективно возбуждать вращательные уровни спин-изомеров воды [Bunkin et al., 2006].
Низкоинтеснивное (нетепловое) микроволновое и радиоизлучение (в
диапазоне от 3кГц до 300 ГГц и выше) способно вызвать ингибирование синтеза ДНК, транскрипции, процессинга и трансляции РНК, денатурацию протеинов, модуляцию путей клеточной сигнализации,
изменения в активности генов и протеинов, изменения в ходе клеточного цикла [Девятков и др., 1991; McNamee and Chauhan, 2009; Fedorov et al., 2003]. Под действием нетеплового излучения этих диапазонов экспериментально наблюдается увеличение активности митогенактививируемых протеинкиназ, увеличение фосфорилирования ядерных транскрипционных факторов, изменения в экспрессии множества
генов, в частности протоонкогенов, и протеинов [McNamee and Chauhan, 2009]. В различных экспериментальных исследованиях наблюдается увеличение уровня белков теплового шока, в связи с чем полагают, что один из возможных механизмов связан с тем, что микроволновое излучение является стрессовым фактором [McNamee and Chauhan, 2009]. Наблюдаются изменения в клеточном метаболизме, синтезе АТФ и биологически активных веществ, регуляция различных
функций клетки [Девятков и др., 1991]. Многие из этих фактов можно
интерпретировать как результат некоторых внутриклеточных процессов, но первичные механизмы могут быть связаны с прямым воздействием агента излучения на биомембраны и протеины.
Клеточный ответ на внешнее электромагнитное воздействие во
многих случаях определяется мембранной системой [Kazarinov, 2008].
При микроволновом и терагерцовом облучениях имеют место как
функциональные, так и структурные изменения биологических и модельных мембран [Fedorov et al., 2003; Kazarinov, 2008]. В частности
,
экспериментальные исследования показывают высокую чувствительность мембранных транспортных процессов к СВЧ, КВЧ [Kazarinov,
2008] и терагерцовому [Fedorov et al., 2003] излучению низкой интенсивности. Миллиметровое излучение может вызывать структурные
перестройки в мембранах, индуцирующие изменения их ионной проницаемости. Эффект воздействия микроволнового излучения на
трансмембранный перенос может быть следствием прямого влияния
электромагнитного поля или его агента на
организацию липидных
доменов, структуры мембраны [Kazarinov, 2008, Ramundo-Orlando,
2010]. Предполагают, что микроволновое излучение преобразует
структурную организацию липидного бислоя мембран, изменяет конформацию мембранных белков, перестраивает поверхностные моле-
28
кулярные комплексы мембран [Kazarinov, 2008]. Полагают, что миллиметровое излучение может влиять на жидкокристаллическую
структуру мембраны, ее текучесть [Семина и др., 2007]. В экспериментах [Там же] миллиметровое излучение приводило к разупорядочиванию липидного бислоя, увеличению подвижности липидов. Исследование влияния миллиметрового излучения на фазовый переход
гель — жидкий кристалл показало, что оно не меняет температуру
фазового перехода, но увеличивает температурную зону перехода, что
может также свидетельствовать о снижении кооперативности взаимодействий липидов, их разупорядочивании [Там же]. При этом, по
данным ЯМР, при разных частотах воздействия имело место как уплотнение водного окружения липидного бислоя, так и его разупорядочивание [Там же]. По результатам этого исследования сделано
предположение о том, что вода является посредником взаимодействия
миллиметровых волн с биосистемами.
Получены экспериментальные свидетельства тому, что нетепловое излучение частот мобильной связи 800 — 1800 МГц способно
влиять на трехмерную структуру протеинов, на их нормальное свертывание, что, в свою очередь, может привести к модификациям в клеточной сигнализации [Mancinelli et al., 2004]. Полагают, например,
что микроволновое излучение инактивирует шаперон-комплекс с
протеином теплового шока HSP-90, от которого зависит устойчивость
и функционирование протеинкиназы Raf-1, что приводит к инактивации антиапоптотического Ras – Erk сигнального пути, компонентом
которого является Raf-1, и вызывает апоптоз [Caraglia et al., 2005].
На уровне организма во многих случаях имеет место повышение
адаптационных и восстановительных возможностей, ускорение лечения заболеваний на
фоне обычной терапии [Девятков и др., 1991;
Betskii, 1994; Бинги, 2011]. В других случаях может быть обратный
эффект.
Наблюдаемые биологические эффекты на молекулярном, клеточном и организменном уровнях характеризуются следующими особенностями [Девятков и др., 1991, Бинги, 2011]. Во-первых, биологический эффект возникает в определенных довольно узких полосах
частот. В частности, отклик наблюдается на частотах
вращательных
молекулярных спектров излучения и поглощения активных форм кислорода, оксида азота и других веществ, участвующих в метаболизме
[Kirichuk et al., 2006]. Во-вторых, эти явления имеют пороговый характер (пороговая интенсивность может доходить до
610−
мкВт/см2 и
ниже). При увеличении интенсивности излучения биологический эф-
29
фект скачкообразно принимает максимальное значение, почти не меняясь далее с ростом интенсивности на два - три (до пяти) порядка.
Также отмечают селективность действия излучения по интенсивности
[Бинги, 2011]. На разных частотах эффект может иметь разный качественный характер.
Наконец, имеются свидетельства значимости сверхслабого микроволнового излучения на уровне экосистем. Например, облучение
воды низкоинтенсивным микроволновым излучением может увеличивает ее токсичность, измеряемую бактериальной люминесцентной
тест-системой [Zarubina et al., 2013]. Авторы указанного исследования
полагают, что в современных условиях электромагнитного загрязнения окружающей среды это явление может относиться к масштабам
водных бассейнов, крупных объектов в биосфере.
2.1.2. Первичные механизмы
Трудно найти объяснение влиянию квантов излучения этого
диапазона, чья энергия меньше kT, на биосистемы на фоне тепловых
флуктуаций. Ясно только, что биологическое действие микроволнового излучения комплексное.
Предложенные возможные механизмы влияния миллиметрового
и субмиллиметрового излучения на молекулярные и клеточные системы во многом сходны. Их основой является следующее [Девятков и
др., 1991, Петросян и др., 1995; Синицин и др., 1998, Fedorov et al.,
2003].
Энергия микроволнового диапазона
все еще ниже kT. Она не
вызывает химические преобразования, но может привести к структурным преобразованиям. Действительно, в микроволновом и терагерцовом диапазонах находятся многие собственные частоты колебательно-вращательных переходов молекул воды, белков и нуклеиновых кислот, других биомолекул, а также моды водородных связей и
коллективные межмолекулярные моды, так что взаимодействие
этого
излучения с биомолекулами и водой сильное. В особенности излучение этого диапазона способно воздействовать на водородные и другие
слабые связи, которые определяют конформацию белков и нуклеиновых кислот и преобразования которой может изменить функционирование последних.
Полагают [Петросян и др., 1995; Синицин и др., 1998], что излу-
чение возбуждает молекулы воды,
далее через сетку водородных связей поглощенная энергия переносится к биомолекуле или биомембране, резонансно возбуждая ее и индуцируя структурные преобразова-
30