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 статических 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 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 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 использовались СВЧ-приемники с чувствительностью на уровне 1(Г¹⁷ 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. Сент- Дьёрдьи 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 — 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 КВЧ- излучение приводит к дополнительному увеличению ИК- прозрачности (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 микро- метровых - 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, агрегироваться 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 динамически 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 мезоскопическими областями, в которых молекулы не независимы, но осциллируют 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, «-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 « - токоферола на структурные параметры поверхностных и глубоколе- жащих 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 «-токоферола на преобразование структуры биомембран при сверхмалых концентрациях «-токоферола (К)'⁹ - Ю'¹⁸ М) и имеют определяющее значение при его мнимых концентрациях (Ю¹⁸-Ю-²⁵ 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 протеинов на мембране, что, в свою очередь, определяет функциональность 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 ОН-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., 2012а, 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 ОН-моды растяжений молекулы воды в приповерхностном к мембране слое только низкочастотные моды бу<250см^_| 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 воды), объясняемой связями молекул воды с липидными структурами. Перенос энергии из воды в липидную мембрану характеризуется наличием мод, охватывающих и молекулы липидов с обеих сторон бислоя, и молекулы воды гидратирующих слоев. Эти моды разнообразны по динамике. Так, в «бризерной» моде хвостовая часть липида периодически сжимается и расширяется в продольном относительно мембраны направлении, что соответствует возмущениям типа сжатие - растяжение. Изменение дипольного момента, связанного с этими низкочастотными модами, соответствует ТГц-диапазону.

То же относится и к биомолекулам. Движения биомолекул и структурная перестройка сетки водородных связей гидратирующей воды сопряжены на временных масштабах по меньшей мере от пс до нескольких десятков пс, так что перестройки водородных связей воды способствуют как локальным, так и большим флуктуациям биомолекул, по крайней мере, для протеинов [Zhong et al., 2011, Combet and Zanotti, 2012].

Таким образом, имеются основания полагать, что передача низкоинтенсивных воздействий различной природы на биомембраны и биомолекулы с преобразованием их структуры осуществляется через преобразование структуры сетки водородных связей молекул воды. Перенос энергии микроволнового излучения или других сверхслабых физических и химических воздействий на достаточно большие расстояния к биомолекулам и биомембранам может происходить посредством резонансной прозрачности воды с преобразованием ее структурной динамики с последующим переносом колебательной энергии воды в гидрофобные области (например, липидные) биоструктур делокализованными низкочастотными модами колебаний или иным резонасным возбуждением. Преобразования структуры водной среды, распространяющиеся вплоть до биомолекул и биомембран, вносят значительный вклад в преобразование их структуры. Результирующая ультрабыстрая динамика полярных структур инициирует более медленные макроскопические движения, обеспечивая возмущения для развития акустоэлектрических волн [Де- вятков и др., 1991], колебаний Фрёлиха [Frohlich, 1977], анизотропной электрогидродинамической неустойчивости [Захватаев и Хлебопрос, 2012] и других неустойчивостей в биоструктурах.