Читать онлайн «Магнитобиология: Эксперименты и модели»

          В. H. Бинги МАГНИТОБИОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И МОДЕЛИ ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ МОСКВА 2002 В. Н. Бинги Магнитобиология: эксперименты и модели. М. , «МИЛТА», 2002. – 592 с. Всемирная организация здравоохранения рассматривает рост электромаг- нитного загрязнения на рабочих местах и в жилых помещениях как фактор стресса для человеческого организма. Линии электропередач, бытовые элек- троприборы, мобильные телефоны ... Люди погружены в естественные и техно- генные электромагнитные поля. Они не безразличны к этим полям так же, как и другие живые системы. Данный факт подтверждается огромным числом науч- ных работ. Однако большинство авторов отмечает наличие проблемы: физиче- ская причина явления до сих пор неизвестна и парадоксальна. Какие процессы лежат в основе взаимодействия электромагнитного поля с биологическими си- стемами? Книга посвящена рассмотрению этого вопроса с точки зрения физики. Конкурирующих изданий не существует. Книга написана в течение 1996–2000 гг. и основана на 20-летних исследо- ваниях автора в области электро- и магнитобиологии. Большинство результа- тов опубликовано в различных рецензируемых научных журналах. Книга пред- ставляет тщательный анализ практически всех известных к настоящему време- ни экспериментальных данных магнитобиологии, несущих физическую инфор- мацию. Рассмотрены существующие теоретические модели явления, излагает- ся механизм квантовой интерференции, который объясняет значительную часть экспериментальных данных. Автор, Владимир Николаевич Бинги, выпускник МФТИ, получил степень к. ф. -м. н. в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в 1982 г. Опубликовал около 50 статей в специализированных научных журналах. В настоящее время заведует лабораторией радиобиологии в Институте общей физики РАН, являет- ся членом Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений. илл. 155, табл. 7, библ. 736  c ЗАО «МИЛТА-ПКП ГИТ»  c Институт квантовой медицины  c В. Н. Бинги ISBN 5-94505-033-4 ГРНТИ ВНТИЦ 1999: 29. 29. 39 — Взаимодействие атомов и молекул с внешними поля- ми и излучением; 34. 17. 35 — Биофизические эффекты электрических и магнитных полей; 34. 17. 03 — Теоретическая и математическая биофизика Оглавление Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 От автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Обозначения физических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Математические обозначения и фундаментальные константы . . 11 Перечень сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1 Введение 13 1. 1 Общий взгляд на проблемы магнитобиологии . . . . . . . . . . . 15 1. 2 Статистические данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1. 3 Методологические замечания и термины . . . . . . . . . . . . . . 32 1. 3. 1 Обозначения и термины для магнитных полей . . . . . . . 33 1. 4 Магнитобиологический эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1. 4. 1 Оценка теплового действия вихревых токов . . . . . . . . 37 1. 4. 2 Критерий классичности электромагнитного поля . . . . . 41 1. 4. 3 Электрическое поле в механизме магниторецепции . . . . 44 1. 4. 4 Ограничения в отношении плоских волн . . . . . . . . . . 47 2 Обзор экспериментальных результатов 49 2. 1 Краткая сводка экспериментальных работ . . . . . . . . . . . . . 52 2. 1. 1 Объекты исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2. 1. 2 Измеряемые параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2. 1. 3 Диапазоны электромагнитных полей . . . . . . . . . . . . 55 2. 1. 4 Конфигурации полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2. 2 Биологические эффекты постоянных магнитных полей . . . . . . 57 2. 2. 1 Биологические эффекты слабых магнитных полей . . . . . 59 2. 2. 2 Ориентация в магнитном поле Земли . . . . . . . . . . . . 59 2. 2. 3 Эффекты магнитного поля, близкого к нулю . . . . . . . . 61 2. 2. 4 Биологические эффекты градиентных магнитных полей . . 66 2. 3 Биологические эффекты переменных магнитных полей . . . . . . 70 2. 3. 1 Эффекты магнитного поля, модулированного по величине 70 2. 3. 2 Участие некоторых ионов в магниторецепции . . . . . . . 88 2. 4 Корреляция биологических процессов с вариациями ГМП . . . . 102 2. 4. 1 Параметры и индексы активности геомагнитного поля . . 106 3 4   !" #  "$  2. 4. 2 Характерные опытные данные . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2. 4. 3 Идеи о физической природе био-ГМП корреляции . . . . 112 2. 5 Спиновые эффекты в магнитобиологии . . . . . . . . . . . . . . . 116 2. 6 Эффекты низкочастотных электрических полей . . . . . . . . . . 122 2. 6. 1 Слабые электрические поля . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2. 6. 2 Частотно-амплитудные окна . . . . . . . . . . . . . . . . 131 2. 7 Биологические эффекты сверхслабых полей . . . . . . . . . . . . 134 3 Теоретические модели МБЭ 139 3. 1 Состояние теоретических исследований в магнитобиологии . . . 140 3. 1. 1 Классификация моделей механизмов МБЭ . . . . . . . . 141 3. 1. 2 Краткое описание механизмов МБЭ . . . . . . . . . . . . 144 3. 2 Фундаментальный предел чувствительности к ЭМП . . . . . . . 152 3. 2. 1 Шумовые пределы чувствительности биоструктур к ЭМП 156 3. 3 Модели основанные на уравнениях химической кинетики . . . . . 160 3. 4 Модели биологического действия слабых электрических полей . 163 3. 5 Стохастический резонанс в магнитобиологии . . . . . . . . . . . 171 3. 5. 1 Стохастический резонанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 3. 5. 2 Повышение отношения сигнал/шум . . . . . . . . . . . . 175 3. 5. 3 Ограничения на величину обнаружимого сигнала . . . . . 178 3. 5. 4 Стохастический резонанс в химических реакциях . . . . . 180 3. 6 Модели макроскопического уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 3. 6. 1 Ориентационные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 3. 6. 2 Вихревые токи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 3. 6. 3 Сверхпроводимость на клеточном уровне . . . . . . . . . 194 3. 6. 4 Магнитогидродинамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 3. 6. 5 Макроскопические заряженные объекты . . . . . . . . . 200 3. 7 Циклотронный резонанс в магнитобиологии . . . . . . . . . . . . 202 3. 7. 1 Понятие циклотронного резонанса . . . . . . . . . . . . . 203 3. 7. 2 Циклотронный резонанс в ионном канале . . . . . . . . . 206 3. 7. 3 Ионный циклотронный резонанс . . . . . . . . . . . . . . 208 3. 7. 4 О ширине резонансоподобного отклика . . . . . . . . . . 209 3. 8 Параметрический резонанс в магнитобиологии . . . . . . . . . . 210 3. 8. 1 Параметрический резонанс свободной частицы в МП . . . 210 3. 8. 2 Параметрический резонанс в атомной спектроскопии . . . 216 3. 8. 3 Ионный параметрический резонанс . . . . . . . . . . . . . 224 3. 9 Осцилляторные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 3. 9. 1 Квантовый осциллятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 3. 9. 2 Фазовые сдвиги колебаний осциллятора в магнитном поле 228 3. 9. 3 Параметрический резонанс классического осциллятора . 230 3. 9. 4 Модели ферментативной реакции . . . . . . . . . . . . . . 234 3. 10 Магнитный отклик частиц со спином . . . . . . . . . . . . . . . . 235 3. 10. 1 Приближения слабого и сильного магнитного поля . . . . 239 3. 11 Реакции с участием свободных радикалов . . . . . . . . . . . . . 241 $ !% 5 3. 11. 1 Геминальная рекомбинация . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 3. 11. 2 Характерные эксперименты . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 3. 12 Проблема кТ в магнитобиологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 3. 12. 1 Интерференция в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . 258 4 Интерференция связанных ионов 261 4. 1 Диссоциация комплексов ион-белок в магнитном поле . . . . . . 267 4. 1. 1 Модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 4. 1. 2 Особенности состояния иона в белковой полости . . . . . 278 4. 1. 3 Ширина спектральных пиков . . . . . . . . . . . . . . . . 282 4. 1. 4 Вероятность диссоциации в безразмерных переменных . . 285 4. 2 Нелинейность реакции белка на плотность вероятности иона . . . 289 4. 2. 1 Оценка вклада кубической нелинейности . . . . . . . . . 289 4. 2. 2 Вклад нелинейности четвертого порядка . . . . . . . . . . 292 4. 2. 3 Диссоциация как пуассоновский процесс . . . . . . . . . 294 4. 3 Интерференция в импульсных магнитных полях . . . . . . . . . . 295 4. 3. 1 Параллельные импульсное и постоянное магнитные поля 296 4. 3. 2 Интерпретация экспериментов с импульсными МП . . . . 301 4. 3. 3 Амплитудные спектры при импульсной модуляции МП . . 308 4. 4 Наклонная конфигурация магнитных полей . . . . . . . . . . . . 313 4. 4. 1 Интерференция в перпендикулярных полях . . . . . . . . 314 4. 4. 2 Интерференция при наклонной ориентации полей . . . . . 327 4. 5 Вращения ион-белкового комплекса в магнитном поле . . . . . . 328 4. 5. 1 Молекулярные вращения в МП: амплитудный спектр . . . 329 4. 5. 2 Макроскопическое вращение: сдвиг спектра по частоте . 333 4. 5. 3 Вращение в постоянном МП: спад эффекта нулевого поля 335 4. 6 Влияние электрического поля на интерференцию ионов . . . . . . 339 4. 6. 1 Интерференция ионов в переменном электрическом поле . 339 4. 6. 2 Электрические градиенты в биологической ткани . . . . . 345 4. 6. 3 Градиенты вследствие электронной поляризации лигандов 350 4. 7 Интерференция при наличии магнитного шума . . . . . . . . . . . 352 4. 7. 1 Соотношение с экспериментальными данными . . . . . . 357 4. 8 Ядерные спины в механизме ионной интерференции . . . . . . . . 360 4. 8. 1 Спин-зависимая интерференция в слабом МП . . . . . . 361 4. 8. 2 Выстраивание спинов в одноосном магнитном поле . . . . 367 4. 9 Сравнение теоретических расчетов с экспериментом . . . . . . . 371 4. 9. 1 Частотные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 4. 9. 2 Амплитудные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 4. 9. 3 Спектры вращающихся комплексов . . . . . . . . . . . . 380 4. 9. 4 Импульсное магнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 4. 9. 5 Постоянное магнитное поле и магнитный вакуум . . . . . 386 4. 9. 6 Спектры в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . 389 4. 10 Эвристическая оценка вероятности МБЭ с участием ионов . . . . 395 4. 11 Границы применимости механизма ионной интерференции . . . . 401 6   !" #  "$  5 Перспективы электро- и магнитобиологии 405 5. 1 Возможная роль воды в магниторецепции . . . . . . . . . . . . . 405 5. 1. 1 Экспериментальные свидетельства памяти воды . . . . . 406 5. 1. 2 Водно-молекулярные кластеры . . . . . . . . . . . . . . . 416 5. 1. 3 Стехиометрический состав и метастабильность воды . . . 420 5. 2 Биологические эффекты микроволн и интерференция ионов . . . 432 5. 2. 1 Спектральные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 5. 2. 2 Теоретические концепции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 5. 2. 3 Интерференция в микроволновом ЭМП с модуляцией . . 447 5. 2. 4 Диссоциация в поле волны c циркулярной поляризацией . 453 5. 3 Общие идеи в электромагнитобиологии . . . . . . . . . . . . . . . 456 5. 3. 1 Электретные состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 5. 3. 2 Рамановское рассеяние на организмах и эффекты мм волн 458 5. 3. 3 Радиоволновая люминесценция воды и организмов . . . . 463 5. 4 Молекулярный гироскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 5. 4. 1 Радиационное затухание молекулярного гироскопа . . . . 468 5. 4. 2 Время релаксации по методу молекулярной динамики . . 469 5. 4. 3 Интерференция гироскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 5. 5 Hерешенные проблемы магнитобиологии . . . . . . . . . . . . . . 485 6 Приложения 493 6. 1 Операторы углового момента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 6. 2 Множитель Ланде для ионов со спином ядра . . . . . . . . . . . . 494 6. 3 Магнитный резонанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 6. 4 Оценка градиентов ЭП на поверхности клетки . . . . . . . . . . . 505 6. 5 Параметры биологических тканей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 6. 6 Давыдовский солитон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 6. 7 Модель Фрелиха когерентных дипольных возбуждений . . . . . . 513 6. 8 Квантование потока МП и эффекты Джозефсона . . . . . . . . . 518 Литература 525 Именной указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 Предисловие Книга предназначена в первую очередь физикам, но будет также по- лезна специалистам в области химии, биологи, медицины и смежных направлений.