О механизме действия сверхслабых факторов на живые и модельные системы. Л.Н.Галль Институт аналитического приборостроения РАН. - презентация

1 О механизме действия сверхслабых факторов на живые и модельные системы. Л.Н.Галль Институт аналитического приборостроения РАН

2 Сверхслабые процессы С экспериментальной точки зрения это такие процессы, для которых существует и достоверно наблюдается (экспериментально регистрируется) результат воздействия, имеется четкая корреляционная связь между действующими факторами и регистрируемым результатом, но непосредственно в эксперименте связь между ними не выявляется, и, как правило, ее природа неизвестна.

3 Примеры сверхслабых процессов Эффекты межтканевого обмена на расстоянии; Эффекты сверхбольших разбавлений – «память воды»; Миграция энергии в биофизике; Действие космофизических факторов на биообъекты – «метеозависимость»; Изменение скорости химических реакций в зависимости от внешних условий; КВЧ-терапия, фототерапия, магнитная терапия и другие; Нерешенные задачи биофизики, в частности, миграция энергии.

4 Истоки изучения сверхслабых воздействий У.Гершель, 1801 г. – влияние солнечных пятен на численность животных; С.Аррениус, 1876 г. – влияние Солнца через электромагнитные поля на биосферу А.Л.Чижевский, 1915,1926 и т.д. – «земное эхо солнечных бурь».

5 Сверхслабые воздействия существуют! В настоящее время сомнения в существовании биологического действия космофизических факторов отсутствуют. Доказательство тому – эта конференция, где отдельные секции посвящены космической погоде и ее влиянию на медико-биологические и социальные процессы

6 Предвиденье Сент-Дьердьи «По-видимому, в нашем теперешнем складе мышления отсутствует… целое измерение… и биология, возможно, не преуспела в понимании наиболее очевидных функций жизни из-за того, что она сосредоточила внимание на веществе в виде частиц, отделяя их от двух матриц – воды и электромагнитного поля». А.Сент-Дьердьи. Нобелевский лауреат. (Биоэнергетика, М., МИР, 1960, 138 с.)

7 Новая парадигма -1 Для построения механизма действия сверхслабых факторов необходимо объединить в едином комплексе с единой идеологией и теорией: - молекулы - водную среду - физические поля

8 Историческое разделение интересов в естественных науках Исторически молекулы, вода и физические поля принадлежали к интересам разных наук: Биологические молекулы, их строение, взаимодействие, энергетика – биология. Вода – химия. Физические поля – физика.

9 Основа современной биологии - субстанциональная парадигма. Современная биохимия и физиология базируются на субстанциональной парадигме, согласно которой биологический эффект может возникнуть только при непосредственном контакте биомолекул друг с другом. Вода в этих процессах – только среда, универсальный растворитель, как его понимает современная химия.

10 Ограничения субстанциональной парадигмы Субстанциональная парадигма – кредо современной физико-химической биологии. Своим предметом она видит только материальную часть живой системы, ее «материальный каркас». Межмолекулярная водная среда, без которой невозможно существование живой системы, оставлена без внимания При этом утеряно качество, без которого невозможно существование живой системы.

11 Новая парадигма -2 Действие сверхслабых факторов, к которым относятся и космофизические факторы, на модельные и живые системы, осуществляется на уровне молекулярной ячейки. Модель механизма действия сверхслабых факторов включает: - модель молекулярной ячейки, - модель прохождения сигнала в структурированной межмолекулярной среде молекулярной ячейки, - классификатор внешних и внутренних резонансно- полевых факторов, - модель межмолекулярного восприятия в молекулярной ячейке (живой системы).

12 Молекулярная ячейка – основа рассмотрения механизма сверхслабых воздействий Молекулярной ячейкой живой системы будем считать ограниченную в пространстве группу макромолекул (молекулярный каркас) с находящейся между ними межмолекулярной структурно-организованной водной средой. Минимальная молекулярная ячейка имеет молекулярный каркас, содержащий по крайней мере две протяженные в пространстве молекулы Организованные слои воды вблизи молекул каркаса являются границами межмолекулярной водной среды

13 Модель межмолекулярной водной среды-1 три различных, соседствующих друг с другом и переходящих друг в друга, среды: 1) «Вода жидкая» - среда, образованная молекулами воды с нестационарными внутримолекулярными, связями, которые образуют квазиплазменную систему. Эта среда обеспечивает такое качество воды, как ее текучесть, плотность этой среды выше плотности льда из-за меньшей упорядоченности молекул, эту среду, видимо, можно рассматривать как спиновую изотропную. Эта среда соседствует с находящимися в ней структурами различного происхождения и организации, в том числе – с пограничными водными слоями (адсорбируемыми слоями).

14 Модель межмолекулярной водной среды-2 Вода анизотропная, представлена кластерами нескольких видов: Молекулярными кластерами, построенными вокруг примесей в воде: - кластеры вокруг диэлектрических примесей (шунгит, кварц и другие силикаты и т.д.); - кластеры вокруг гидрофобных центров – клатраты - кластеры вокруг молекул с гидрофильными (гидрофобными) лигандами; - кластеры вокруг ионных примесей (с положительной или отрицательной гидратацией) Беспримесные молекулярные кристаллы, построенные на основе кислородно – водородного каркаса;

15 Модель межмолекулярной водной среды-3 Среда, представляющая собой пограничный слой между «водой жидкой» и кластерами. Эта среда находится в состоянии динамического обмена как с «водой жидкой», так и с водными кластерами, перечисленными в предыдущем разделе Эта среда лабильна, является резервом «воды структурированной», так как под действием внешних факторов она либо увеличивает долю структурированной воды, достраивая кластеры по механизму роста кристаллов, либо, при разрушении кластеров, увеличивает долю «воды жидкой».

16 Основание для модели воды - обобщение экспериментальных результатов. Методы исследования структуры воды: спектрофотометрия, рефрактометрия и спектрометрия люминесценции, Рамановская спектроскопия, ЯМР, рентгено-структурный анализ и нейтронное рассеяние, диэлькометрия, масс-спектрометрия и многие другие физические методы Поскольку вода является объектом, способным изменять свою структуру под зондирующим воздействием, различные экспериментальные исследования выявляют различные структурные свойства воды.

17 Межмолекулярная водная среда – это среда спиновая анизотропная Межмолекулярная водная среда обладает пространственной анизотропией различного происхождения. Протоны воды обладают спином ½, ориентированном в Земном магнитном поле. Таким образом, межмолекулярная водная среда молекулярной ячейки состоит из спиновой магнитной анизотропной среды (структурированная часть воды) и спиновой изотропной среды («вода жидкая»).

18 Роль межмолекулярной водной среды в биологических процессах Роль водной среды в биологических процессах, происходящих под действием внутренних или внешних физических факторов, состоит в ее участии в формировании сигналов типа параметрического эха, управляющих взаимодействием биологических молекул без их непосредственного контакта. Например, если Fа 2( ) – спектральная функция двухимпульсного эха, F1( ) и F2( ) – спектральные функции падающих на среду первого и второго импульсных сигналов, соответственно, а g( ) –функция среды, в которой возбуждается эхо-сигнал, то Fа 2( ) = g( )F1*( ) F2( ), где * - знак комплексного сопряжения. Из приведенного выражения видно, что возможности формирования эхо-сигнала и его интенсивность неразрывно связаны со свойствами среды g( ).

19 Классификатор внешних и внутренних резонансно-полевых факторов -1. В теории спинового эха все механизмы формирования эхосигналов разделяются на два типа, в зависимости от вида нелинейности осцилляторов. По первому механизму, называемому параметрическим, нелинейность в системе постоянных осцилляторов проявляется при поступлении внешних импульсов F( ). Такими импульсами в молекулярной ячейке являются одиночные локальные импульсы различной природы

20 Классификатор внешних и внутренних резонансно-полевых факторов -2. По второму механизму, называемому ангармоническим, колебания, возбужденные в системе осцилляторов g( ) некоторой импульсной последовательностью, взаимодействуют уже по ее окончании за счет собственного ангармонизма, порождая смешение фаз, которое также приводит в появлению эффекта эха. Возбуждать в среде отклик типа спинового эха могут не только электромагнитные сигналы и поля, но и акустические (гравитационные) поля, возбуждающие фононное эхо, развивающееся по ангармоническому механизму.

21 Модель межмолекулярного восприятия в молекулярной ячейке Биологические молекулы, окруженные собственной структурированной водной оболочкой, непрерывно атакуются совокупностью импульсных сигналов, являющихся спиновым эхо первичных импульсных сигналов, падающих на водную среду (внешних или инициированных самими молекулами). Интенсивные (и резонансные!) сигналы параметрического эха, достигая молекул, побуждают их к конформациям, приводящим к изменению скоростей межмолекулярного взаимодействия.

22 Модель межмолекулярного восприятия в молекулярной ячейке-2 Разрушение структур межмолекулярной водной среды (уменьшение анизотропии), чем бы оно ни производилось – внешними полями или примесями в воде – приводит к снижению доли сигналов эха за счет увеличения доли сигналов индукции. При этом изменяется интенсивность межмолекулярного взаимодействия. Эти процессы одинаково характерны и для живых, и для модельных (химических) систем

23 Особенности живых систем Основным условием существования (жизни) любой живой системы являются непрерывные затраты энергии, поступающей в биомолекулы системы от внешних источников, в основном, в процессах межмолекулярных метаболических реакций, причем классическая биология считает, что – только в процессах метаболических реакций.

24 Достижения квантовой механики В нелинейной квантовой электродинамике решена задача о возникновении волны поляризации, возникающей при прохождении энергии по линейному полимеру. Переносчиком дальнодействующей энергии вдоль молекулярных цепочек являются колебательные солитоны. Диссипация энергии выражается в виде поляризационной волны, усиливающей структурирование воды вблизи молекулы, т.е. ее анизотропию.

25 Достижения квантовой механики Тем самым выявлен новый механизм преобразования энергии цепью макромолекулы, принципиально недоступный в рамках субстанциональной парадигмы. Движение энергии по молекулярной цепи сопровождается последовательными во времени процессами «зарядки» и «разрядки» энергии, излучаемой молекулой в окружающую водную среду. В какой мере эта энергия достигнет другой молекулы – зависит от свойств среды.

26 Заключение -1 Эстафетно перенесенная в биологию из химии, субстанциональная парадигма не только определяет содержание современных биологических исследований, но и образ мыслей исследователей, не давая им построить механизмы, в частности, сверхслабых воздействий.

27 Заблуждение по поводу kT – естественное следствие субстанциональной парадигмы Энергетические величины биологии: энергия активации, энергия возбуждения, потенциал ионизации, энергия взаимодействия и многие другие лежат в пределах от десятков эВ до долей эВ. Эти величины существенно превышают величину kT (0,03 эВ), которая характеризует зависимость биологических процессов от температуры. В то же время при малых величинах измеряемого эффекта именно величина kT определяет величину шума. Поскольку шум ограничивает возможности измерений, в рамках субстанциональной парадигмы принято сравнивать энергетические величины взаимодействий с величиной kT.

28 Заключение - 2 Различие между энергетикой процессов, происходящих на молекулярной уровне, и процессов, происходящих только в молекулярных ячейках (в том числе – живых систем) и связанных с процессами резонансно-побуждающего обмена через межмолекулярную водную среду, показывает, что это – процессы, которые нельзя числить в единой классификации.

29 Заключение -3 Первые могут именоваться сильными и слабыми, в зависимости от экспериментальных возможностей, вторые – только сверхслабыми. Новая концепция сверхслабых воздействий позволяет объединить в едином динамическом комплексе молекулы, межмолекулярную водную среду и внешние физические факторы – поля и импульсные сигналы.

30 Благодарю за внимание!