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
ния. Эти преобразования и соответствующие конформационные изменения в биомембранах или биомолекулах могут запустить те или
иные вторичные механизмы, пути клеточной сигнализации.
Кроме того, в этом диапазоне находятся частоты поглощения и
излучения большинства важных клеточных метаболитов таких, как
активные формы кислорода, NO, CO2, CO, являющихся в ряде случа-
ев посредниками многих физиологических процессов. Переход этих
молекул-медиаторов на более высокие вращательные уровни может
увеличить их реактивность [Kirichuket al., 2006].
2.1.3. Модель когерентных акустоэлектрических волн,
теории Фрёлиха и Давыдова
Первоначально объяснение резонансоподобных кривых биологический эффект миллиметрового излучения — частота излучения
основывалось на следующей идее [Девятков и др., 1991]. Низкоинтенсивное микроволновое излучение может применяться для внутренней
регуляции и коммуникации, а потому может селективно по частоте
воздействовать на живые организмы извне. Иными словами, наблюдаемый частотно-зависимый биологический отклик на внешние электромагнитные поля нетепловой интенсивности можно объяснить тем,
что внешние электромагнитные поля резонансно взаимодействуют с
колебаниями клеточных структур, т. е. эти структуры сами излучают
на соответствующих частотах, и благодаря как раз этому они чувствительны к внешним излучениям [Девятков и др., 1991]. Отсюда вытекает возможность сверхслабого биогенного излучения с когерентными свойствами.
Первые качественные модели генерации и взаимодействия электромагнитных полей с биосистемами – теория акустоэлектрических
волн [Девятков 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 (вплоть до терагерцового диапазона).
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 возбуж-
31
даются в клеточной мембране как в диэлектрическом резонаторе
вследствие полярной природы мембранных липидов [Там же]. Этим и
может объясняться резонансоподобный отклик. При резонансе по периметру клетки должно укладываться целое число n длин волн и резонансные длины волн должны соответствовать размерам клеточных
мембран: 0,01 мкм при n , скажем, равном двумстам. Отсюда для типичной КВЧ частоты
10
103⋅ Гц скорость распространения такой резо-
нансной волны 300 м/с, что соответствует скорости распространения
акустических волн в липидной мембране. Учитывая полярную природу липидов (полярная головка фосфолипида состоит из фосфатной
группы, заряженной отрицательно, и аминной группы, заряженной
положительно, что обусловливает ее значительный дипольный момент), данная волна может рассматриваться как акустоэлектрическая.
Полагают, что миллиметровое излучение, генерируемое акустоэлектрическими волнами, регулирует функционирование клеток, а
также переносит информацию от клетки к клетке: переменное электрическое поле акустоэлектрических волн, излучаясь, обеспечивает
возможность взаимодействия близлежащих клеток (на расстоянии порядка 4/λ, четверти длины волны) [Там же]. При этом информация
передается временными «антенными» структурами на мембранах.
Частоты генерируемых колебаний определяются резонансами в мембранах, а источник энергии связан с метаболическими процессами.
Полагают также, что генерирование клетками миллиметрового
излучения необходимо для гомеостаза [Там же]. Здоровая клетка характеризуется нормальными акустоэлектрическими колебаниями,
роль которых
помимо сигнализации состоит, возможно, в повышении
эффективности транспортных процессов через мембрану. При нарушениях клеточных процессов, во-первых, степень когерентности генерируемых сигналов снижается, во-вторых, акустоэлектрические колебания затухают. Здоровый организм будет генерировать сигналы
управления, восстанавливающие собственные колебания. Для больного организма внешнее миллиметровое (ММ-) излучение, имитируя
собственное излучение тех
же частот, которое генерировалось бы при
этих нарушениях здоровым организмом, корректирует, восстанавливает собственные колебания путем синхронизации или регенеративного усиления [Там же]. Авторы концепции полагают, что система
акустоэлектрических колебаний претерпевала преобразования в процессе эволюции.
Независимо Г. Фрёлих постулировал, что в биомакромолекулах и
биомембранах осуществляются коллективные колебания электриче-
32
ских 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 нормальных мод энергия не термализуется, а перетекает из
всех мод в наиболее низкочастотную моду, так что устанавливаются
когерентные колебания. Расчеты показывают, что частоты колебаний
мембран, ДНК, РНК, протеинов, некоторых других клеточных компонентов находятся в диапазоне от
10
9
до
10
13
Гц.
Согласно исследованиям Фрёлиха возможно формирование устойчивого неравновесного сильно поляризованного состояния, гигантского диполя, которое может взаимодействовать с другими не только
при прямом контакте их микроскопических компонент, но и на сравнительно больших расстояниях (взаимодействие дальнего порядка). С
точки зрения квантовой физики в биологических объектах возможно
существование квантово-механических фазовых корреляций дальнего
порядка, так что возбуждаются когерентные фононы, преобразующиеся в когерентные фотоны, формирующие (внутреннее) миллиметровое
электромагнитное поле [Ротару и др., 2007].
Необходимая для данного механизма нелинейность вызывается
сильным статическим электрическим полем на мембране. Метаболические процессы служат источником энергии. Таким образом, часть
энергии, выделяемой в клетке, способна трансформироваться из формы неупорядоченных движений в когерентную форму, в когерентные
колебания [Pokorny, 2011]. Одним из важных источников энергии является излучение митохондрий. Основные энергетические процессы
происходят в митохондриях, где синтезируются АТФ за счет химической энергии. При этом не менее ~ 50 % этой энергии излучается в
УФ-, видимом, ИК-диапазонах и в виде тепла [Pokorny, 2011]. Так, при
типичной мощности в метаболическом цикле клетки 0, 1 пВт мощность эмитируемой энергии может составить 0,05 пВт [Cifra et al.,
2011].
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, 2011].
33
Акустические волны вызывают периодические изменения
толщины мембраны [Gollant, 1989a, 1989b]. 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 полагают, что затухание
этих колебаний может ослабляться упорядочением воды вблизи
колеблющихся структур [Pokorny, 2011]. Упорядочение воды наблюдается вблизи мембран, гидрофильных поверхностей и может
распространяться на области до нескольких сотен микрометров
(см. пп. 2.1.4). Также имеется механизм упорядочения, основанный
на образовании когерентных водных доменов (глава 1). Считают,
что высокое электростатическое поле в окрестности биомембран
приводит к высокому уровню упорядочения воды. Все это должно
способствовать понижению затухания клеточных упругоэлектрических колебательных состояний [Pokorny, 2011; Cifra et al., 2011].
В [Mavromatos, 1999, 2011] рассмотрен механизм формирования
квантово-когерентных состояний, основанный на взаимодействии полярных подструктур (в микротрубочках) с окружающими молекулами
организованной воды. В такой системе возможен перенос энергии без
диссипации, что соответствует теории сверхпроводимости Г. Фрёлиха
с формированием солитонных образований.
К настоящему времени имеются экспериментальные свидетельства генерации радиочастотных колебаний клеточными структурами, хотя источник колебаний не всегда ясен. С помощью специальных датчиков вблизи живых клеток регистрируются прямыми измерениями сверхслабые электрические колебания в диапазоне от кГц до МГц [Cifra et al., 2011]. Мощность наблюдаемых кле-
15
точных мегагерцовых сигналов от
−
Вт и ниже. Наличие элек-
10
трических колебаний обнаруживается и непрямыми методами (по
притяжению к клеткам маленьких диэлектрических частиц вследствие диэлектрофоретического эффекта) [Там же]. Электрические
колебания цитоплазматической мембраны живых дрожжевых клеток демонстрируют повышенную электрическую активность в Мфазе во время образования митотического веретена, что дает основание предположить, что источником колебаний являются микротрубочки [Pokorny, 2011]. Также имеются экспериментальные данные об излучении биосистемами в дециметровом диапазоне, но источник излучения в этом случае связан с водной компонентой биосреды [Синицин и др, 2012].
34
2.1.4. Перенос энергии микроволнового излучения
через водную среду и преобразования
структурной динамики воды
Однако возникает проблема, каким образом воздействие внешнего миллиметрового излучения передается вглубь биосреды организма, учитывая, что вода очень сильно поглощает волны этого диапазона. На основании соответствующих экспериментов в [Петросян и
др., 1995] предложено, что микроволны могут резонансно возбуждать
волновые процессы в водной молекулярной среде на собственных
частотах ее молекулярных колебаний, которые способны распространяться с малыми потерями, следовательно на значительные расстояния, в то время как при отклонении от резонанса излучение поглощается на поверхности объекта. Это соответствует полосам резонансной
прозрачности в системе связанных осцилляторов – различных ассоциированных водородными связями молекулярных структур в водной
среде. Эти молекулярные волны, распространяющиеся в объем среды,
частично диссипируют в шумовое радиоизлучение в широком диапазоне частот и, кроме того, инициируют вторичное надтепловое излучение на резонансных частотах, соответствующих собственным колебаниям молекулярных структур [Петросян и др., 1995; Синицин и др.,
1998; Petrosyan, 2005].
Это замечательное явление удалось обнаружить оригинальным
образом – регистрацией увеличения собственного излучения среды в
дециметровом диапазоне при облучении ее миллиметровыми волнами
в узких (резонансных) интервалах частот. Значительное превышение
дециметрового радиоизлучения вблизи 1 ГГц над радиотепловым фоном наблюдается при кратковременном воздействии миллиметрового
излучения для серий узких частотных интервалов, по крайней мере от
25 до 130 ГГц, при
некоторых других воздействиях, например в ста-
тических магнитных и электрических полях, а также в процессах
жизнедеятельности. Длительность этого дециметрового отклика
весьма велика – до часов и более; интервал температур, по крайней
мере, от 20 до 90
D
С
.
Полагают, что такое селективное дециметровое излучение связано с синхронизацией собственных колебаний кластерных структур
воды внешним микроволновым излучением или самосинхронизацией,
при этом энтропия системы осцилляторов уменьшается [Петросян и
др., 1995; Синицин и др., 1998; Petrosyan, 2005]. Это означает упорядочение пространственно-временной динамики супрамолекулярных
35
осцилляторов. Возможная самосинхронизация собственных волновых
процессов в системе связанных осцилляторов водной компоненты
биосреды означает переход биосреды в резонасно-возбужденное состояние, которое можно рассматривать как термодинамическую фазу
– состояние, присущее живому. Эта синхронизованная система может
являться внутренним источником структуризации биосреды и формирует ее собственное слабое электромагнитное поле [Синицин и др.,
1998].
Считают [Петросян и др., 1995; Синицин и др., 1998, Petrosyan,
2005], что наблюдаемое надтепловое резонансное излучение среды
возбуждается тепловой энергией или внешней резонасной накачкой.
Интенсивность регистрируемого в экспериментах [Петросян и
др., 1995; Синицин и др., 1998] собственного, обусловленного процессами жизнедеятельности, излучения биосред или стимулированного внешним микроволновым излучением очень мала, так что исполь-
17
зовались СВЧ-приемники с чувствительностью на уровне
10
−
Вт. Таким образом, на фоне теплового излучения живых организмов, обусловленного хаотическим движением зарядов, выделено излучение,
обусловленное согласованным, сфазированным движением зарядов
[Синицин и Ёлкин, 2007; Синицин и др., 2012]. На основе этих данных выдвинута концепция, заключающаяся в том, что молекулярная
структура водной компоненты биосред, сетка водородных связей, является носительницей коммуникационных волновых процессов в
микроволновом диапазоне [Там же].
Этот вывод согласуется с результатами других исследований,
свидетельствующих о том, что водная среда может быть универсальным первичным рецептором электромагнитного излучения. Так, в
[Fesenko et al., 1995] установлено, что влияние предварительно облученного водного раствора вызывает такое же качественное влияние на
биосистему, что и непосредственное облучение
биосистемы в водном
растворе. По-видимому, облученная вода отличается от необлученной
структурной динамикой сетки водородных связей.
В последнее время получен ряд свидетельств о наличии в водной среде структурных и динамических корреляций дальнего порядка, относящихся даже к макроскопическим масштабам. (Еще А. СентДьёрдьи отмечал, что упорядочение, корреляции дальнего порядка
в
воде должны быть одной из основ биопроцессов [Szent-Gyorgyi
1957].)
Обнаружено, что микро- и наноразмерные структурные или параметрические неоднородности поверхности раздела водная среда —
36
твердая фаза (проводники, диэлектрики) при отсутствии химических
взаимодействий обусловливают структуризацию водной среды на
миллиметровом пространственном масштабе. Структуризация водной
среды измерялась по мощности проходящего через нее ИК-излучения.
При этом наблюдается разделение и перенос зарядов, что сопровождается генерацией электрической энергии [Синицин и Ёлкин, 2007].
Отмечается, что область структурированности воды распространяется
далеко от области, непосредственно примыкающей к месту контакта,
а также возможно нарастание структуризации после нарушения контакта [Там же]. Кроме того, при некоторых условиях структурированность водной среды может сохраняться после нарушения контакта
материала с водой по меньшей мере в течение нескольких часов. Обнаружена структуризация воды альфа-аминокислотами с гидрофобным и гидрофильным боковыми радикалами [Синицин и др., 2012].
Структуризация водной среды обнаружена в некоторых живых структурах, например в живой коже человека [Там же]. Оказывается, особенности взаимодействий электромагнитного излучения и водной
среды, изменение физических характеристик водной среды и биологическое действие миллиметрового (КВЧ) излучения проявляются
только при наличии структуризации воды, соответствующей увеличению степени прозрачности водной среды в инфракрасном диапазоне [Синицин и Ёлкин, 2007]. Если структуризация водной среды не
была предварительно индуцирована внешним фактором (контактом с
живыми структурами, проводящими или непроводящими материалами), то особенностей в КВЧ-ИК-спектре не наблюдается, имеет место
обычный тепловой нагрев. В противоположном случае КВЧизлучение приводит к дополнительному увеличению ИКпрозрачности (структуризации) водной среды [Там же], причем в окрестности определенных (резонасных) частот, определяемых средой и
контактирующим с ней материалом. Авторы выдвигают концепцию,
согласно которой описанная структуризация лежит в основе биологического действия КВЧ-излучения [Там же].
В [Ponomarev et al., 2001] обнаружены флуктуации коэффициента пропускания воды в ИК-диапазоне при большом диаметре пучка
зондирующего излучения, что связывают с существованием микрометровых - миллиметровых образований в воде.
Методом малоуглового рассеяния лазерного света обнаружены
признаки субмиллиметровых неоднородностей в воде с временами
релаксации более 10 с; эти неоднородности отличаются от окружения
диэлектрической проницаемостью и могут, как полагают, агрегиро-
37
ваться в более протяженные пространственные образования
[Goncharuk et al., 2007].
Методом гиперрелеевского рассеяния света обнаружены корреляции ориентации молекул воды на макроскопических расстояниях в
виде распространяющихся ориентационных волн на фоне обычных
диффузионных ориентационных корреляций, распространяющихся
только на несколько молекулярных диаметров [Shelton, 2000].
В воде (и других полярных жидкостях) в окрестности гидрофильных поверхностей обнаружены микрометровые области, из которых исключаются коллоиды и растворимые вещества, exclusion
zones (EZ), характеризующиеся особыми свойствами [Zheng et al.,
2006; Chai et al., 2009; Chai and Pollack, 2010; Yoo et al., 2011; Rohani
and Pollack, 2013; Yu et al., 2013; Pollack, 2013]. Эти области динами-
чески отличны от объемной жидкости, характеризуясь по данным
ЯМР более медленной динамикой. 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. Показатель преломления в EZ (на расстояниях до 50 мкм) выше, чем в объемной фазе [Bunkin et al., 2012].
В EZ наблюдается двойное лучепреломление. В ИК-диапазоне EZ излучают меньше, чем объемная фаза [Zheng et al., 2006], так что температура в EZ меньше, чем в объемной жидкости. 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. 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 [Rohani and Pollack, 2013; Yoo et al.,
2011], 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.
Эти данные развивают результаты Г. Линга и сотрудников и
других
исследователей об организованной воде в клетке.
Согласно теоретическим расчетам возможна самоорганизация
так называемых когерентных водных доменов, являющихся мезоско-
38
пическими областями, в которых молекулы не независимы, но осцил-
α
α
лируют в фазе с уловленным ансамблем молекул электромагнитным
полем [Brizhik et al., 2011; Marchettini et al., 2010]. При этом вода состоит из двух фаз: когерентного ансамбля молекул и газообразного
ансамбля. 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.
Механизм действия других низкоинтенсивных факторов, в частности химических в сверхмалых дозах, также может быть основан на
преобразовании структуры биомолекул вследствие реструктуризации
сетки водородных связей молекул воды под влиянием фактора. Так,
при определенных сверхнизких значениях концентрации ряда растворенных в воде веществ наблюдается резкое увеличение флуктуаций
коэффициента пропускания воды в ИК-диапазоне, что связывают с
изменением структурных особенностей водной среды, возникновением ассоциатов достаточно большого размера [Zubareva et al., 2003;
Belov et al., 2011]. Например, α-токоферол образует комплексы с липидными мембранами, которые могут дестабилизировать или изменить ее структуру. В [Belov et al., 2011] обнаружена корреляция в положении максимумов в вышеуказанной структурно-динамической организации водной среды и концентрационных зависимостях αтокоферола на структурные параметры поверхностных и глубоколежащих областей липидного бислоя ряда мембран. На основании полученных результатов сделан вывод [Там же] о том, что преобразования структуры водной среды в окрестности биомембран вносят вклад
в действие
при сверхмалых концентрациях
-токоферола на преобразование структуры биомембран
-токоферола (
-9
10 –
-18
10 М) и имеют
определяющее значение при его мнимых концентрациях
-18
(
10 –2510
−
М).
Этот вывод согласуется с концепцией [Yamskova and Yamskov,
1999] о передаче сверхслабых физико-химических воздействий путем
формирования определенных структур в воде межклеточного пространства и влиянии последних на перестройку макромолекулярных
структур межклеточного пространства.
Мы можем конкретизировать эти механизмы на примере биомембран.
Взаимодействие с водой является одним из определяющих факторов молекулярной и супрамолекулярной организации липидов и
39
протеинов на мембране, что, в свою очередь, определяет функцио-
<
ω
нальность мембран [Milhaud, 2004]. Вода на поверхности мембран
влияет на устойчивость, проницаемость и другие свойства мембраны.
Химические взаимодействия мембранных протеинов зависят от
структурных флуктуаций протеина, последние связаны со структурными флуктуациями липидов и воды.
Флуктуирующая структура границы липиды – вода определяется
локальными водородными связями или в случае дипольной или ионной
системы (фосфолипиды) кулоновскими взаимодействиями дальнего порядка. Вблизи этой границы имеют место преобразования пространственной структуры воды: ее существенная структурная неоднородность
[Volkov et al., 2007], кластерная структура [Piatkowski et al., 2013].
Молекулы воды расположены очень близко друг к другу, что
соответствует достаточно сильному взаимодействию между модами
молекул воды и быстрому резонансному диполь-дипольному переносу энергии возбуждений между молекулами воды на субпикосекундном временном масштабе [Woutersen and Bakker, 1999, Kraemer et al.,
2008]. Вода способна также переносить колебательную энергию на
OH-группы биомолекул и между ними [Woutersen and Bakker, 1999].
С помощью ультрабыстрой инфракрасной спектроскопии установлено, что в воде вблизи фосфолипидов перераспределение колебательной энергии происходит в основном через межмолекулярные
низкочастотные моды, например либрации, на пикосекундном временном масштабе [Costard et al., 2012a, 2012b], причем некоторые моды молекул воды могут релаксировать через низкочастотные моды
фосфолипида [Costard et al., 2013].
Молекулярные механизмы накопления и переноса энергии в
системе вода – фосфолипиды исследовались с помощью моделирования в [Mashaghi et al., 2012]. Энергия переносится главным образом
путем колебательных переходов в основном электронном состоянии.
Перенос колебательной энергии сопровождается возбуждением в
гидрофобных хвостах фосфолипидов продольной и поперечных относительно оси липида акустических мод. При возбуждении OH-моды
растяжений молекулы воды в приповерхностном к мембране слое
только низкочастотные моды 250
см1− могут переносить энергию
от головы липида к его хвосту, более высокочастотные моды являются слишком локальными. Временной масштаб переноса около 0,5 –
0,9 пс. Гидратация в несколько раз увеличивает делокализацию мод в
липидах. Моды молекул воды также характеризуются сильной делокализацией (примерно 20 % мод охватывают более чем 100 молекул
40