Адрес этой статьи в интернете: www.biophys.ru/archive/sarov2013/proc-p17.htm
НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДЕЙСТВИЯ ЭМП НА ВОДУ/ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ С УЧЕТОМ КВАНТОВЫХ ОТЛИЧИЙ ОРТО-ПАРА СПИНОВЫХ ИЗОМЕРОВ Н2О
С.М. Першин
Научный центр волновых исследований, института общей физики им. А.М.
Прохорова РАН,
Физика
воды, которая базируется на традиционных представлениях о воде как смеси двух
жидкостей (Рентген, 1891г.), наличии водородной связи (Бернал и Фаулер,
Ранее [5-7] В.В. Леднев с соавт. экспериментально обосновали воздействие на био-объекты (регенерация удаленной головной части планарий, гравитропическая реакция стеблей льна, биоритмы мозга крысы и сердечный ритм человека) крайне слабых (по сравнению с геомагнитным полем Земли) низкочастотных (Гц - кГц) электромагнитных полей. В режиме слабого воздействия глубина модуляции магнитной индукции поля Земли (Bгео~ 42-48 мкТл) на тест-объекте изменялась в пределах (10–10-3)Bгео в частотном диапазоне от 10-2 Гц до килогерцового диапазона. При вариации амплитуды переменной составляющей магнитной индукции или частоты поля был выявлен универсальный вид мультирезонансного отклика тест-объекта с выраженными экстремумами. В.В. Леднев впервые, насколько нам известно, предположил, что первичной мишенью сверхслабого воздействия являются спины протонов, электронов и ядер других атомов в геомагнитном поле, и ввел безразмерный параметр (γBf -1) (произведение гиромагнитного отношения, например, протона (γр=42.578 Гц/мкТл) на кратное (B f -1) магнитной индукции и частоты) для описания мультирезонансного отклика тест-объекта. Важно, что этот параметр является количественной мерой для сравнения подобных эффектов. Было установлено, что при значениях параметра γрBf -1 = 0,9; 2,75; 4,6; 6,1 достигается максимальное проявление действия сверхслабого поля, например, на регенерацию ампутированной головной части планарии и других тест-объектов. Ингибирование процессов регенерации на килогерцовых частотах поля было отнесено авторами к взаимодействию со спином электронов.
Изучение влияния сложномодулированного ЭМП нетепловой интенсивности на интенсивность синтеза ДНК в клетках крови мелких животных представлено в серии работ Е.П. Лобкаевой с соавт. [1] и других авторов (см. там же). Однако, оставалось неясным, каким образом состояние спинов протонов, электронов и ядер других атомов как первичных мишеней [5-7] действия сложномодулированного ЭМП нетепловой интенсивности влияет на метаболизм клетки.
Мы обратили внимание на спиновые отличия молекул воды [1, 8] в целом как резонансных сенсоров ЭМП для обоснования канала обмена сигналами между биообъектами. Этот подход и механизм представлялся нам перспективным и получил дальнейшее развитие в данной работе.
Новая концепция
Предлагаемая здесь новая концепция основана на расширении традиционной модели воды необходимостью учёта сугубо квантовых отличий орто-пара спиновых изомеров Н2О, наличие которых в воде и водных растворах было обнаружено нами, насколько нам известно, впервые [9], и обосновано место их локализации [10]. Она применима в области малых энергий воздействия с критерием ∆Е<<kT, которому удовлетворяют СВЧ и низкочастотные ЭМП, поскольку энергия кванта частоты 30 ГГц = 1 см-1<<200 см-1≈kT при T=300 K. (Фактор kT - величина сравнения для области применимости предлагаемой концепции, например, как скорость света в релятивистской и классической механике Пуанкаре-Ньютона: при высоких энергиях (ионизирующее излучение) воздействия спиновыми отличиями орто-пара Н2О можно пренебречь, не разрушая прежней концепции.)
Кроме этого, в рассмотрение включается объект действия ЭМП – на частотах Гц-ГГц. Воздействие на частотах выше 300 ГГц (10 см-1) будет ограничиваться нерезонансным поглощением воды в объеме. В оптическом диапазоне 400-700 нм может осуществляться резонансная накачка колебательно-вращательных переходов орто и/или пара спиновых изомеров в область смешанных квантовых состояний Н2О в воде.
Квантовые биения и резонансная накачка смешанных квантовых состояний Н2О
Чаповский П.Л. [11], изучая спин-конверсию спиновых изомеров СН3F, процесс которой он назвал квантовыми биениями, экспериментально обосновал управление скоростью орто-пара конверсии при микроволновой (132 МГц) резонансной накачке перехода близкорасположенных уровней. Принимая во внимание различия собственных значений волновых функций и энергетического спектра орто и пара изомеров Н2О [12], можно ожидать, что подобные смешанные квантовые состояния близкорасположенных уровней вращательных и колебательно-вращательных переходов орто и пара Н2О существуют и в воде [9, 10, 13].
Суть предлагаемой концепции квантовых отличий орто-пара спиновых изомеров Н2О, в том, что:
(1) пара-Н2О не «магнит» (магнитный момент=0), орто-Н2О «магнит», взаимодействует с магнитным полем и проявляется в магнитной резонансной томографии;
(2) их колебательно-вращательные кванты отличаются, но десятки уровней расположены близко (зазор менее 5 см-1, так, например, ∆Е(771-770)≤3 кГц) [14] и образуют смешанные квантовые состояния (СКС), обеспечивая спин-конверсию Н2О;
(3) особый интерес для понимания роли орто и пара изомеров в изменении свойств воды и биорастворов, например, температурной электропроводимости [1, 15], вызывает то, что орто-Н2О вращаются всегда, обеспечивая транспорт Н2О через водные каналы мембран или ускоренную диффузию;
(4) часть молекул пара-Н2О не вращается и образует водородо-связанные комплексы, например, льдоподобные структуры гидратных оболочек био-полимеров [9, 13];
(5) резонансная накачка СКС слабым ЭМП меняет орто/пара отношение Н2О и доли мобильной и связанной воды в/вне клеток/органов, оказывая влияние на обмен веществ и их функционирование.
На рис.1 показаны значения коэффициента спин-вращательного взаимодействия в области смешанных квантовых состояний при накачке колебательно-вращательных переходов (линии в области от 400 до 1400 нм по данным работы [14]) молекул пара-Н2О. Из рисунка видно, что в зеленой(~500 нм), желтой (~550 нм) и красной (~600 нм) областях спектра плотность спектральных линий весьма высока. Напротив, в ИК области расположены отдельные линии (~1000 и ~1200 нм), что указывает на возможность селективной накачки перехода.
|
|
|
|
|
(а) |
(б) |
|
|
Рис. 1. Колебательно вращательные резонансы пара-Н2О, верхние уровни которых способны к образованию смешанных квантовых состояний с орто-Н2О; 1(б) -фрагмент в области видимого диапазона. |
|
|
|
|
|
|
На рис. 2 представлено распределение коэффициента спин-вращательного взаимодействия по частотам (зазор между уровнями орто и пара Н2О в окрестности переходов, показанных на рис.1), на которых осуществляется резонансная накачка и индуцирование орто-пара конверсии [11].
|
|
|
Рис. 2. Частоты резонансной накачки смешанных квантовых состояний в диапазоне от килогерц до гигагерц. |
Цветотерапия и ВЧ накачка
Рис. 1 и Рис. 2 показывают, что облучение воды и живых организмов в оптическом диапазоне, например, в желтой области спектра излучения, ЭМП может сопровождаться орто-пара конверсией Н2О и изменением их соотношения. Эта процедура в медицинской практике известна как цветотерапия. Из квантовых отличий изомеров Н2О следует ожидать, что увеличение доли орто изомеров будет сопровождаться повышением диффузии молекул и скорости их транспорта через мембраны клетки по водным каналам [3], что может проявляться в относительно быстром снятии отеков и нормализации функции органа. Нами установлено [16], что приготовление питательной среды для дрожжевых клеток на воде, обогащенной молекулами орто-Н2О только на (12-15)%, сопровождается увеличением производительности СО2, а также приращением биомассы по сравнению с контролем на дистиллированной воде. Совокупность этих параметров показывает ускорение скорости метаболизма, что подобно омоложению клетки. Поэтому изменение орто/пара отношения в органах и растворах под действием резонансных ЭМП в условиях накачки смешанных квантовых состояний как сенсоров ЭМП, несомненно, будет являться критическим параметром в организме.
Выводы
Таким образом, резонансным сенсором воздействия ЭМП на воду и водные растворы может служить не только состояние спинов протонов, электронов и ядер ионов [5-7], но и молекул Н2О в целом, а именно, орто и пара спиновые изомеры в смешанных квантовых состояниях. Совокупность колебательно-вращательных резонансных переходов орто и пара-Н2О в оптическом диапазоне и близко расположенные их верхние уровни, образующие смешанные квантовые состояния, с энергетическим зазором в кГц-ГГц диапазоне частот позволяют реализовать двойную резонансную накачку для индуцирования орто-пара конверсии. Ожидаемое изменение отношения орто/пара позволит избирательно влиять на метаболизм клеток и вязкость околоклеточной жидкости в органе, так же как в случае 3-х кратного снижения вязкости раствора гемоглобина в окрестности 37 0С при почти двукратном повышении его концентрации [4, 17, 18].
Полученные результаты и их интерпретация поддерживают новую концепцию воды и водных биорастворов, которая включает и учитывает квантовые отличия орто и пара спиновых измеров Н2О в воде при воздействии слабыми электромагнитными полями в широком диапазоне частот от Гц до ГГц.
Работа выполнялась при частичной поддержке гранта РФФИ 11-02-00034а, 11-02-01202-а, 12-02-31398-мол_а, гранта №10 – КТИТ фонда Сколково и программ РАН «Спектроскопия и стандарты частоты», фундаментальных исследований Президиума РАН №28 в части подпрограммы «Физика, химия и биология воды».
Список литературы
1. Труды международных I – III конференций «Человек и электромагнитные поля», г.Саров, изд. ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, http://biophys.ru/arxiv/conf
2. Бинги В.Н., Миляев В.А., Чернавский Д.С., Рубин А.Б., Биофизика, 51(3), 553 (2006).
3. Murata K., Mitsuoka K., Hirai T., Walz T., Agre P., Heymann J. B., Engel A., Fujiyoshi Y. // Structural determinants of water permeation through aquaporin-1. Nature. 2000. V. 407, P. 599-602
4. Artmann G.M., Kelemen C., Porst D., Buldt G., and Chien S. // Temperature Transitions of Protein Properties in Human Red Blood Cells. Biophys. J. 1998. V. 75. P. 3179.
5. Леднев В.В., Белова Н.А., Рождественская З.Е. и др. // Геофизические процессы и биосфера, 2(1), 3-11, (2003)
6. Belova N.A., Ermakova O.N., Ermakov A.M., Rojdestvenskaya Z. Ye., Lednev V.V., The bioeffects of extremely weak alternating magnetic fields. The Enviromentalist, , 27(4), 411-416, (2007).
7. Леднев В.В., Белова Н.А., Ермаков А.М., Акимов Е.Б., Тоневицкий А.Г., Регуляция вариабильности сердечного ритма с помощью крайне слабых переменных магнитных полей, Биофизика, 53(6), 1129-1137 (2008).
8. Першин С.М. Слабое когерентное излучение космических ОН и орто-Н2О мазеров как несущая в биокоммуникации: орто/пара конверсия спин-изомеров Н2О ?, Биофизика, 55(4) 619-625, (2010), http://www.biophys.ru/archive/lednev2010/pershin.pdf
9. Бункин А.Ф., Нурматов А.А., Першин С.М., УФН, 176(8), 883-889, (2006).
10. Першин С.М., Бункин А.Ф., Голо В.Л., ЖЭТФ, 142(6), 1151-1154, (2012).
11. Nagels B., Calas N., Roozemond D. A., Hermans L. J. F., and Chapovsky P. L., Ortho-Para Conversion in CH3F Self–Consistent Theoretical Model, Phys. Rev. Lett. 77, 4732 (1996); arXiv:physics/0003046 v1 21 Mar 2000
12. Miani A.and Tennyson J., Can ortho–para transitions for water be observed? J. Chem. Phys., 120(6), 2732-2740 (2004).
13. Бункин А.Ф., Першин С.М., Хусаинова Р.С., Потехин С.А., Биофизика, 54(3), 396-401, (2009).
14. Быков А.Д., Синица Л.Н., Стариков В.И. // Экспериментальные и теоретические методы в спектроскопии молекулы водяного пара. Новосибирск. Изд-во СО РАН. 1999. 375 С
15. Агеев И.М., Шишкин Г.Г., Изменение проводимости воды при ее нагревании различными типами источников тепла, включая биообъекты, Биофизика, 47(5) 782-786 (2002).
16. Pershin S.M., Ismailov E.Sh., Suleimanova Z.G., Abdulmagomedova Z.N., and Zagirova D.Z., Spin-Selective Interaction of Magnetic Ortho-H2O Isomers with Yeast Cells «Physics of Wave Phenomena», 20, №3, 223-230 (2012).
17. Pershin S., Coincidence of rotational energy of ortho-para molecules and translation energy near specific temperatures in water and ice, Phys. of Wave Phenomena, 16(1), 15-25 (2008)
18. Pershin S. M., Ortho/