ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия получены многочисленные свидетельства тому, что слабые и сверхслабые электромагнитные поля, как внешние, так и генерируемые живыми организмами, способны регулировать функциональные процессы в биосистемах, играют сигнальную роль [Гурвич, 1945; Казначеев и Михайлова, 1985; Девятков и др, 1991; Slawinski et al., 1992; Кузин, 2002; Новиков и др., 2010; Бинги, 2011; Cifra et al., 2011; Beloussov, 2011; Новиков и др., 2011; Егоров, 2013]. Эти результаты включают дистантные взаимодействия между организмами, электромагнитную биокоммуникацию и воздействие малых вариаций геофизических электромагнитных полей. Также обнаружено биологическое действие других физических и химических факторов слабой и сверхслабой интенсивности, в том числе сверхмалых доз (концентрации ниже кг12 М) биологически активных веществ [Бурлакова, 1999; Belov et al., 2004; Palmina et al., 2009; Ryzhkina etal., 2011; Chasovskaya et al., 2013; Егоров, 2013]. Действие сверхслабых факторов проявляется как на клеточном и организменном уровнях, так и на уровне популяций [Бурлакова, 1999; Belov et al., 2004; Экология, 2008; Chasovskaya et al., 2013; Егоров, 2013].

Понятия «слабое» и «сверхслабое» определяются зачастую по отношению к возможным неклассическим механизмам конкретных воздействий. Так, слабые (или низкоинтенсивные) электромагнитные излучения соответствуют нетепловым механизмам влияния. В ряде случаев терминология уже устанавливается. Например, геомагнитное поле с величиной магнитной индукции порядка 5-КГ6 Тл и магнитные поля, сравнимые с ним по амплитуде, объединяются термином «слабые» [Тирас и др., 2012], а естественные малые вариации этих полей будут относиться к сверхслабым факторам.

В перечисленных выше оригинальных исследованиях и обзорных работах приводится весьма обширный экспериментальный материал и установленные закономерности этих явлений, хотя ряд исследователей (см., например, [Adair, 2002, 2003]) критически относятся к интерпретации и проблеме воспроизводимости экспериментальных данных, контроля условий опытов. Тем не менее исследования в этом направлении получили широкое применение в медицине и здравоохранении [Девятков и др., 1991].

Одна из основных проблем здесь состоит в неясности фундаментальных механизмов этого класса явлений.

Как показывают исследования последних десятилетий, в живых организмах имеется множество путей восприятия электромагнитного излучения, использования его энергии, в частности, для регуляции, сигнализации. Первичными акцепторами воздействия электромагнитного излучения могут быть клеточные структуры, молекулярные ансамбли, некоторые степени свободы отдельных молекул и радикалов, сетка водородных связей водной среды. Электромагнитное излучение, поглощаясь, рассеиваясь или отражаясь в биологических системах, способно формировать механические напряжения, преобразовывать электрическую поляризацию и электрические токи, инициировать фазовые переходы в молекулярных системах, преобразовывать организацию молекулярных ансамблей, воздействовать на спиновые, колебательные и электронные степени свободы молекул, модулировать конформацион- ную и структурную динамику молекул, что дает возможность управления метаболизмом, клеточной сигнализацией и регуляцией транскрипции генов. Особую роль в биологическом воздействии сверхслабых электромагнитных излучений, а также сверхмалых доз биологически активных веществ отводят структурным преобразованиям компонентов биосистем.

Вместе с тем, в живых организмах обнаружено широкое разнообразие способов эндогенной генерации, переноса и излучения квантов энергии.

Для эффективной реализации биосемиотики - рождения сигнала, его восприятия и интерпретации, - очевидно, требуются элементы корреляции, когерентности, упорядоченности. Упорядоченности не только и не столько пространственной, а, как писал Г. Фрёлих, порядка движения [Frohlich, 1977]. Эффективность любой конверсии энергии, вообще говоря, нуждается в этом. Однако в биологических процессах упорядоченность движений элементов быстро размывается стохастической динамикой окружения. Так, электронные движения и ядерные колебания характеризуются пикосекундными процессами релаксации и дефазировки. Тем не менее имеется ряд субпикосекундных и пикосекундных ультрабыстрых квантовых процессов, которые играют функциональную роль, определяя последующие конформаци- онные изменения и (или) биохимические реакции, как в случае фоторецепторов. Известно, что колебательные ядерные и электронные движения в протеине при физиологических температурах, составляющие или поддерживающие его функцию, являются в высокой степени согласованными и направленными на временных масштабах сотен фемтосекунд — пикосекунд [Vos and Martin, 1999; Fleming et al., 2011]. Более того, для таких ультрабыстрых процессов установлено наличие долгоживущих сохраняемых фазовых соотношений, корреляций, квантовых когерентностей, колебательной и экситонной, которые осуществляются в течение определенного ультрабыстрого процесса такого, как перенос электрона или энергии электронного возбуждения, и, следовательно, могут влиять на этот процесс и играть функциональную роль [Vos and Martin, 1999; Ishizaki and Fleming, 2012].

Принципиально то, что когерентность - это внутреннее свойство гамильтониана системы. Наблюдаемая в экспериментах (при возбуждении лазерными импульсами) когерентность демонстрирует, что возбуждение в естественных условиях также порождает квантовую когерентность [Ishizaki et al., 2010b], поскольку связи, являющиеся причинами долгоживущей квантовой когерентности, остаются в естественных условиях и влияют на динамику [Collini et al., 2010]. Некоторые исследователи полагают [Fleming et al., 2011], что когерентность непрерывно воссоздается в самой системе вследствие особой структуры и динамики системы и ее окружения.

Ряд экспериментов свидетельствует о том, что вода также характеризуется корреляциями дальнего порядка в пространственно- временной ультрабыстрой динамике [Nilson et al., 2012; Garrett-Roe et al., 2011], хотя не все исследователи разделяют эту точку зрения.

Существование связанного с электромагнитным полем дальнего порядка в биосистемах было предложено еще в работах коллективов, возглавляемых Н.Д. Девятковым и М.Б. Голантом, а также Г. Фрёли- ха, А.С.Давыдова, Ф. Поппа и др. [Девятков др., 1991; Frohlich 1968, 1977; Davydov, 1973; Popp and Yan, 2002; Popp et al., 2002]. В этой области первыми исследуемыми объектами стали полярные структуры в биомембранах и биомолекулах, рассматриваемые в модели когерентных акустоэлектрических волн [Девятков и др., 1991], фрёлиховской модели когерентных колебаний дальнего порядка [Frohlich, 1968, 1977] и модели биомолекулярных солитонов А.С. Давыдова [Davydov, 1973], а также вода, о биологической роли упорядоченности, возможного дальнего порядка в которой размышлял еще А. Сент- Дьёрдьи [Szent-Gyorgyi, 1957].

Недавно предложено, что электромагнитное поле участвует и в самоорганизации экосистем [Brizhik et al., 2009, 2011]. Полагают, что экосистемы, как и живые организмы, характеризуются рядом когерентных свойств в том смысле, что их функционирование существенно зависит от фазированных ансамблей субмолекулярных и молекулярных осцилляторов [Brizhik et al., 2009, 2011]. Это придает им, в частности, возможность отклика на сверхслабый сигнал.

В последнее время существенно возрастает интерес к вопросам, связанным со слабыми и сверхслабыми воздействиями среды обитания на живые организмы, с влиянием вариаций геофизических полей на здоровье и самочувствие человека, возможность его эффективной производственной деятельности, психологические процессы, социальные процессы в обществе [Адушкин и Спивак, 2012]. Солнечная активность, другие космические процессы и процессы в литосфере индуцируют ряд слабых и сверхслабых экологических воздействий, важнейшим из которых считаются электромагнитные волны низких частот, но излучение в других диапазонах также соответствует значимым экологическим факторам [Экология, 2008; Владимирский, 2013].

Общепринято, что геомагнитное поле (ГМП) является важным информационно-энергетическим фактором для жизнедеятельности, средой обитания [Экология, 2008]. Длительное экранирование живых организмов от ГМП дает отрицательный эффект. Установлено [Там же], что пространственные различия стационарного ГМП имеют биологическое значение. Обнаружено [Там же] существенное воздействие на процессы жизнедеятельности временных вариаций ГМП, обусловленных магнитными бурями вследствие солнечной активности, рядом процессов в ионосфере, геомагнитными пульсациями очень низкой частоты (с периодом от 0,2 до 600 с), генерацией низкочастотного электромагнитного излучения в окрестности зон глубинных разломов в литосфере, вблизи высокоградиентных зон на границах геологических тел с различным составом, свойствами, параметрами, включая электрические и электромагнитные. При этом вариации ГМП не превышают примерно двух процентов величины слабого постоянного ГМП на земной поверхности, т.е. являются сверхслабыми. Заметим также, что, по данным палеонтологов, инверсия магнитных полюсов сопровождалась вымиранием многих видов.

Биологическое воздействие литосферных процессов изучено значительно меньше, чем солнечной активности. Релаксационные процессы в литосфере и сопровождающие их электромагнитные аномалии в окрестности разломов, тектонических нарушений и их аналоги, связанные с неоднородностями в земной коре или осадочном слое, вызывают модуляцию электромагнитного облучения биосистем, сравнимую в ряде случаев с эффектом магнитной бури, оказывают разнонаправленное воздействие на живые организмы и экосистемы [Владимирский, 2013]. В определенных аспектах некоторые аномальные области рассматриваются как области повышенного экологического комфорта (например, характеризуются удвоением количества и интенсивности роста городов в определенной выборке российских городов) [Там же]. В других случаях отмечается повышение заболеваемости на фоне развития электромагнитных аномалий [Там же]. Твердо установлено влияние этих факторов на человеческую психику, как девиантную, так и нормальную. Также показано влияние этих факторов на эмбриогенез [Там же]. Исследуется их влияние на процессы в человеческом обществе.

Биосфера и антропосфера включены в синхронные ритмы системы Солнце-магнитосфера-ионосфера-литосфера [Экология, 2008]. Известно, что изменения солнечной активности могут служить принудительным синхронизатором биологических ритмов [Там же]. Хорошо известна значимость этих связей для человека. В частности, установлена значимая корреляция между ритмами головного мозга человека, ЭКГ и динамикой электромагнитного фона [Там же].

Полагают, что естественные фоновые электромагнитные поля являлись одним из факторов, определяющих эволюцию живых организмов, которые зависят от электромагнитных полей, сопряженных с солнечными или земными процессами [Девятков и др., 1991].

Эта проблематика имеет еще один важный аспект, связанный с электромагнитным загрязнением окружающей среды. В наши дни уровень электромагнитного фона антропогенного происхождения на несколько порядков больше естественного фона. В радиодиапазоне суммарная мощность Земли превысила адекватное излучение от Солнца. Перенос электромагнитной энергии в ионосферу приводит к ее локальным разогревам и формированию в ней пространственно- временных электромагнитных структур, генерирующих свои электромагнитные излучения, в частности, в радиодиапазоне [Экология, 2008] со своими параметрами излучения. Многолетние наблюдения свидетельствуют о синхронном периодичном воздействии нецеленаправленных процессов техносферы на ультранизкочастотный колебательный режим околоземной космической плазмы и сейсмическую активность (например, недельный цикл, эффект выходного дня), причем со временем эта модуляция нарастает [Guglielmi and Zotov, 2012]. В пространстве между ионосферой и поверхностью Земли - резонаторе, усиливающем естественные атмосферные помехи (шумановские резонансы), наблюдаются резонансные электромагнитные процессы, связанные с технической активностью [Экология, 2008]. Уровень низкочастотного в области шумановских резонансов электромагнитного шума искусственного происхождения в крупных городах (например, Екатеринбурге) превышает уровень вариаций естественного геомагнитного поля в 500 раз и более, что аналогично влиянию магнитной бури средней интенсивности [Уткин и др., 2010]. Адаптационные возможности живых организмов могут нарушиться при электромагнитном загрязнении естественного фона на частотах реликтового излучения: имеются свидетельства тому, что реликтовое излучение может являться одним из эволюционных факторов (влияние излучения на частоте вблизи частоты реликтового излучения оказывает корректирующее воздействие в условиях нарушения гомеостаза [Да- ровских и др., 2005], а частотные параметры волновых процессов в биосредах и реликтового излучения в определенном смысле согласуются [Петросян и др., 2000]). Обнаружено, что облучение воды низкоинтенсивным микроволновым излучением увеличивает ее токсичность, измеряемую бактериальной люминесцентной тест-системой, что в современных условиях может относиться к масштабам водных бассейнов, крупных объектов в биосфере [Zarubina et al., 2013].

В этой связи важными становятся проблемы электромагнитного загрязнения окружающей среды, изменения природных сверхслабых электромагнитных полей. Полагают, что контроль антропогенной модуляции геофизических процессов должен стать компонентом мониторинга экологической обстановки [Guglielmi and Zotov, 2012].

Таким образом, исследование механизмов биологического действия сверхслабых физических факторов, в частности геофизических, достаточно актуально. В этих механизмах особенно важна может быть роль корреляций дальнего порядка в регуляции биосистем. Некоторые аспекты этих вопросов и рассматриваются в настоящей монографии.

Часть I носит обзорный характер. В главе 1 изложены общие вопросы, связанные с когерентными колебаниями электрических диполей в биосистемах, синхронизованным состоянием молекулярных осцилляторов водной среды и корреляциями дальнего порядка в воде, долгоживущими колебательной и электронной квантовыми когерентностями в биологических молекулах и молекулярных комплексах, а также с управлением биомолекулярной динамикой на основе квантовой интерференции.

В главе 2 рассматривается явление биовоздействия низкоинтенсивного радиоволнового излучения, в особенности микроволнового (300 МГц - 300 ГГц) и терагерцового (300 ГГц - 6 ТГц), его закономерности и возможные механизмы, включая модель когерентных акустоэлектрических волн, теории Г. Фрелиха и А.С. Давыдова, а также механизм переноса энергии микроволнового излучения через водную среду и преобразования структурной динамики сетки водородных связей воды. Дан краткий обзор возможных механизмов магнитных взаимодействий.

В главе 3 рассматривается роль согласованной динамики, корреляций дальнего порядка в первичных фотобиологических процессах (ИК-, видимый и УФ- диапазоны), включая функционирование фоторецепторов, механизмы изменения в редокс-свойствах компонентов редокс-цепей, механизмы долгоживущих колебательной и экситонной квантовых когерентностей в биологических молекулах и молекулярных комплексах. Также дается обзор механизмов сверхслабого излучения, спонтанного и вынужденного, свойств его статистической упорядоченности и моделей их формирования, включая модель Ф. Поппа когерентных состояний фотонного поля в клетках и модель когерентных коллективных электронных состояний в биомолекулах. Наконец, рассматривается роль корреляций дальнего порядка в водной компоненте биосред в явлении «горения воды», формирования ее устойчивого неравновесного состояния, исследуемого В.Л. Воейковым и сотрудниками.

В части II приведены результаты поиска автором возможных сценариев и механизмов регуляции динамики биомолекул на различных временных масштабах с помощью электромагнитных излучений, природной атомной радиации и структурной динамики сетки водородных связей воды - носителя биологического действия различных физических и физико-химических факторов низкой интенсивности. Исследуются соответствующие биологические отклики на молекулярном, клеточном, организменном и экосистемном уровнях.

В главах 4 и 5 рассматривается роль долгоживущих квантовых когерентностей и корреляций дальнего порядка в биологических процессах на ультрабыстрых масштабах времени. Затрагиваются некоторые аспекты связи трех факторов: структурной динамики водного окружения, переноса энергии и когерентности в биомолекулах. Недавние исследования свидетельствуют о том, что в воде в обычных условиях существуют структурные флуктуации в сетке водородных связей (СФВС), ассоциированные с кооперативными эффектами вследствие изменений электронной структуры молекул воды [Nilsson et al., 2012]. В главе 4 на основе сравнительного анализа величин, пространственных и временных масштабов возможных СФВС воды и флуктуаций окружения электронной системы хромофоров, необходимых для формирования значительных корреляций между хромофорами таких, как в случае долгоживущей экситонной когерентности в фотосинте- тических 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 кон- формационными 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, искусственные 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.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >