Введення в квантову фононну біологію
С. М. Семенов
Резюме: У рамках "Молекулярно-механічної моделі будови і функціонування біологічних мембран" розглянуті основні квантово-механічні аспекти функціонування мембран. Показано, що біологічні мембрани - квантові системи та квантами, передають взаємодії в цих системах, є фонони - звукові кванти, а мембрана, як єдина квантова система, характеризується своїми специфічними квантовими енергетичними рівнями, обумовлені їх ліпідним складом і особливостями молекулярної структури мембранних білкових систем. Обговорюється фононній механізм передачі внутрішньоклітинної інформації, зокрема нервового імпульсу і способи його дестабілізації.
Розглядаючи будь-які зовнішні впливи на живий організм потрібно завжди пам'ятати, що він складається з клітин, нехай навіть це буде одноклітинний організм, але він теж складається їх клітини - з однієї. Тому, не можна не враховувати зовнішнього впливу на клітинному рівні. Більш того, на рівні клітинної мембрани, що є унікальним утворенням, тому що саме десь в мембрані і проходить межа між живим і неживим - кордон між принципово різними системами. Ймовірно, що це єдина відома нам структура з такими унікальними властивостями, але це не єдина унікальність біомембран.
Не буде перебільшенням сказати, що біологічні (клітинні) мембрани є однією з найважливіших структур, відповідальних за забезпечення основних процесів життєдіяльності клітини. Перш за все, вони відокремлюють живу клітину від її оточення. Мембрани першими стикаються з різними зовнішніми впливами і реагують на них, вони забезпечують надходження в клітину (і клітинні органели) всіх необхідних речовин та виведення з клітини продуктів її життєдіяльності. Не дивлячись на різноманіття виконуваних операцій, мембрани характеризуються загальними структурними та функціональними рисами. Всі вони побудовані, в основному, з ліпідів і білків. При цьому ліпіди служать основним ізолюючим і структуростворюючим компонентом всіх біологічних мембран. А білкові молекули, головним чином, відповідальні за виконання мембранами різноманітних функцій притаманних живим клітинам (1 - 3). Товщина самої мембрани (40 - 60 Ǻ) менше суми лінійних розмірів 2-х утворюють її молекул ліпіду, розташованих по обидві її сторони. У теж час біологічні мембрани є досить динамічними структурами, тому що що входять до їх складу молекули перебувають у безперервному рух (4 - 8). Але, не дивлячись на таку рухливість, ліпідна частина мембрани сама по собі є чудовим діелектриком і просто відмінним бар'єром, що перешкоджає вільному проникненню через неї різних молекул. Більш того, такий тонкий і динамічний бар'єр, видимий тільки в електронний мікроскоп, має дуже складною внутрішньою структурою. У мембрані, з точки зору термодинаміки і молекулярної фізики, можна виявити ділянки з "кристалічної" структурою (9), характерною для твердих кристалічних тіл, в той же час, центральна частина мембрани володіє "неупорядкованим" станом, близьким за властивостями до рідин або, бути може, навіть газам. Звичайно, потрібно розуміти, що це говориться з відомою часткою спрощення, зробленого для полегшення розуміння суті матеріалу.
Останнім часом знову виник великий інтерес до встановлення кореляції механічних властивостей різних мембран з особливостями їх будови і функціонування, обумовлений виявленням широкого кола механозавісімих явищ в біологічних мембранах, зокрема, пов'язаних з різними каналами, включаючи іонні канали в мембранах нервових клітин (10 - 16 ). Для пояснення спостережуваних явищ була запропонована "молекулярно-механічна модель будови і функціонування біологічних мембран" (надалі Модель) (17, 18). Модель дозволяє описувати спостережувані структурні та функціональні властивості біомембран не тільки якісно, але і кількісно. Більш того, Модель передбачає, що міжмолекулярні взаємодії в мембрані повинні супроводжуватися випромінюванням або поглинанням квантів "механічної взаємодії" - фононів. Багато ефекти навколо нас виглядають класичними тому, що класичні фізичні закони насправді базуються на квантовій механіці (19). Необхідність обліку квантових явищ виникає останнім часом при розгляді різних аспектів молекулярної біології, наприклад, генома (20). Дана робота присвячена опису ролі квантових явищ при розгляді структури і функцій біологічних мембран.
Модель показує, що при розгляді будови і функціонування мембранних білків необхідно враховувати латеральне стиск, що вони відчувають з боку навколишнього мембрани. Експериментально підтверджено, що різні біологічні мембрани характеризуються різним поверхневим тиском і стискуваністю, зумовленими відмінностями в їх ліпідному складі (17.1, 18.1). Під поверхневим тиском і стискальністю треба розуміти саме тиск і стисливість в їх класичному фізичному значенні. При цьому міжмолекулярні взаємодії в мембрані можна описувати як взаємодія молекул двовимірного квазігаза (17.2, 18.2), який і створює внутрімембранное латеральне тиск. Звідси відразу стає зрозумілою необхідність підтримання постійної температури тіла різних тварин. Постійна температура означає сталість внутрімембранного тиску і, отже, сталість додаткової вільної енергії стиснення, одержуваної внутрімембранной молекулою з боку її оточення. Більш детально це розглянуто в розділі "Квазістатіка" (17.3) або "Quasistatic" (18.3). В іншому випадку, при непостійній температурі, клітина нестабільно функціонувати або їй доведеться міняти ліпідний склад своєї клітинної мембрани, для підтримки необхідного поверхневого тиску і стисливості, що б не змінювалася додаткова вільна енергія мембранних білків, і відповідно - їх структура та функціональні особливості, що і спостерігається на досвіді (21 - 23).
Залежність структури та властивостей мембранних білків від механічних властивостей мембрани дозволило припустити, що процес функціонування білкових систем супроводжується поглинанням або випромінюванням квантів цієї взаємодії - фононів. Тобто в процесі активації мембранних білків під дією зовнішнього впливу, наприклад, при зв'язуванні мембранного ферменту з субстратом з навколишнього розчину, і утворенням субстрат-ферментного комплексу виділяється енергія. Яка потім, при поверненні білкової молекули і вихідне (збудженому) стан може бути випромінювальна у вигляді мембранного фонона. Виділився фонон може потім активувати іншу білкову системи в мембрані, будучи поглинутим нею, тобто здійснивши передачу інформації уздовж мембрани і координацію діяльності різних мембранних білкових систем. Причому зовсім необов'язково, що б ці мембранні системи були просторово близькі між собою або мали іншу "видиму" зв'язок. Скоріше, не буде видимого сполучення різних мембранних білкових систем між собою. Ми просто будемо спостерігати подія, зазвичай викликає якийсь ефект (або ефекти), в тому числі і іншої природи, в деякому віддаленому ділянці біомембрани. Головне, щоб у мембрані існувала упорядкована структура, схожа на структуру кристала, забезпечує умови передачі фононній інформації, а такі структури, як зазначено вище, існують в біологічних мембранах. В іншому випадку, фонон може просто розсіятися в мембрані, витративши свою енергію на її нагрівання. Іншими словами, при опроміненні клітини фононами з різними частотами (енергіями) будуть виявлені піки поглинання ультразвуку, відповідні власним квантовим енергетичним рівням даної біомембрани. Можна назвати це і піками "резонансного" поглинання ультразвуку, коли його частота збігається з частотою власних мембранних фононів - повна аналогія з традиційним спектральним аналізом хімічних сполук. Необхідно підкреслити, що мова йде про біомембранах живих клітин, тому що саме жива клітина прагне підтримувати сталість своїх параметрів при зміні навколишніх умов. Якщо клітці не вдається це зробити, то вона гине.
Для перевірки висловленого припущення були сконструйовані спектрофононометри та методики їх застосування (24, 25). Потім визначені ультразвукові спектри мембран різних живих клітин. Попередньо довелося розробити спосіб вимірювання поверхневого тиску різних біологічних мембран (17.1, 18.1). Ці величини були необхідні для кількісної оцінки очікуваних явищ, як і результати за оцінки латеральної стисливості біомембран при поверхневих тисках, рівних тисків реальних мембран, які були легко отримані на підставі ліпідного складу різних клітин і літературних даних зі стиснення ліпідних моношарів різного складу на межі розділу полярної і неполярної фаз. На рис. 1 наведено типовий зразок ультразвукового спектру живих клітин (спектр поглинання ультразвуку у відносних одиницях с.u. для водної суспензії мікроорганізмів Bac. Subtilis).
Частина ультразвукового спектру клітин Bac. subtilis у водній суспензії (фізіологічний розчин).
Природно, що, так як механічні параметри клітинної мембрани унікальні для різних клітин, то і фононні спектри різних клітин унікальні і можуть служити для їх ідентифікації. Таким чином, біологічні мембрани - квантові системи та квантами, передають взаємодії в цих системах, є фонони - звукові кванти. Саме фонони здійснюють міжмолекулярних обмін сигналами всередині біологічних мембран. Причому обмін сигналами і, відповідно, координація діяльності відбувається не тільки між сусідніми молекулами, а й молекулами що знаходяться в різних ділянках біомембрани. Іншими словами, мембрани, як єдині квантові системи, характеризуються своїми специфічними квантовими енергетичними рівнями (з точністю до kT, де k - постійна Больцмана, а Т - температура в градусах Кельвіна), обумовлені їх ліпідним складом і особливостями молекулярної структури мембранних білкових систем.
Треба відзначити, що фононні спектри в біології можуть грати ту ж роль, що і звичайна, традиційна, фотонна спектроскопія в різних галузях науки і техніки при дослідженні та ідентифікації різноманітних хімічних сполук. Активуючи чи інактівіруя ті чи інші системи в біологічних мембранах, ми будемо міняти і їх функціонування, тобто, впливати на властивості клітин і їх стан. Найпростіше, що можна зробити з клітинами при цьому - знищувати вибрані клітини, не зачіпаючи інших клітин в системі (наприклад - ракові клітини).
Багато аспектів традиційної оптичної спектроскопії справедливі і для пропонованої "ультразвуковий", фононній спектроскопії. Правда, треба враховувати, що фонони і фотони відрізняються не тільки однією буквою, але і відносяться ще й до різних типів квантових частинок. Одні - Бозони, інші - ферміони і, отже, мають деякі відмінності у своїй поведінці.
У рамках фононній квантової механіки біомембран стають зрозумілими давно відомі численні факти, коли однакове ультразвукове вплив на різні клітини призводить до різних результатів, іноді суперечить один одному (26, 27). При традиційних дослідженнях біологічних об'єктів автори не враховували можливість "резонансного поглинання" ультразвуку мембранними білками, яке може змінювати структурний і функціональний стан останніх, хоча і не заперечували, що поглинання ультразвуку обумовлено білками і нуклеїновими кислотами (28 - 30). Ймовірно, з цим пов'язані прямо протилежні оцінки впливу клітин на поширення ультразвуку в структурованих і неструктурованих (лу або гомогонезірованних) зразках тканин тварин і людини (31 - 33).
Фонон - квант внутрішньоклітинної інформації
Однією з актуальних проблем сучасної клітинної біології є вивчення шляхів і способів поширення інформації (обмін сигналами) всередині та між клітинами. Важливість цього питання очевидна - це і питання функціонування нейронів і всієї нервової системи в цілому і, відповідно, роботи підконтрольних їм інших клітинних систем організму, як у нормі, так і при різних патологіях, де виявлені зміни активності медіаторних систем та їх рецепторів, а також пов'язані з цим порушення мембран і іонних каналів нейронів. Цікаво, що периферичні органи і тканини мають деякою автономністю, тобто здатністю обмежено функціонувати за відсутності нейрогуморальних регуляторних впливів. "Ізольовані" таким чином органи працюють на мінімальному режимі їх функціональних можливостей завдяки внутрішньо-і міжклітинним регуляторам (34).
Крім того, в останні роки з'явилися дані, що клітина, неадекватно реагує на "соціальні сигнали", що надходять від інших клітин організму, може дати початок злоякісної пухлини (35).
Найбільш повно досліджені хімічні шляху обміну міжклітинної інформацією за допомогою нейомедіаторов та інших хімічних сполук. В даний час відомо не менш як 74 різних хімічних реакцій, розділених, як мінімум, на 25 груп, в яких задіяні ті чи інші молекули, які беруть участь у передачі міжклітинної інформації (36). Відзначено, що ці групи реакцій можна розглядати як "векторні реакції". Тобто це односпрямовані шляху.
Набагато менше відомо про процеси трансформації внемебранного - зазвичай хімічного, але не обов'язково (на початку роботи згадано про чутливість біомембран до механічних впливів) - сигналу під внутрімембранний сигнал. Під сигналом розуміється будь-який зовнішній вплив, що викликає зміни в клітинній мембрані і / або вже всередині самої клітини, в її цитоплазмі. Більш докладно питання трансформації зовнішнього сигналу під внутрімембранний і що відбуваються при цьому процеси будуть розглянуті в окремій роботі (37). У даній роботі розглянемо тільки можливий механізм швидкого поширення сигналу, отриманого клітиною в одному місці до його одержувача (адресата), розташованого на іншому, просторово віддаленому ділянці біомембрани. Найвідоміший процес такого роду - поширення нервового імпульсу в нейронах.
Першою стадією таких трансформацій є зв'язування молекули сигналу з відповідною їй молекулою рецептором, розташованої на поверхні клітини. Для такого зв'язування сигнальна молекула і її рецептор повинні специфічно відповідати одна одній (побите, але, загалом, вірне порівняння - підходити один до одного, як ключ до замка). Будь-яка клітина має специфічний для неї набір рецепторів, і цей набір визначає коло хімічних сигналів, на який ця клітина реагує. До цієї стадії все зрозуміло; зв'язування сигнальної молекули з її рецептором викликає деякі зміни в мембрані - відбувається трансформація зовнішнього хімічного сигналу під внутрімембранний сигнал. Як конкретно відбувається трансформація зовнішнього сигналу і в що він трансформується в біомембрані до цих пір не відомо. Традиційні підходи не дають відповіді. Для мембрани як квантової системи не так важливо, є хімічна молекула сигнал ключем для мембранного рецептора або відмичкою. Для квантової системи більш істотно, що мимовільна реакція йде з виділенням енергії, яка може бути випромінювальна у вигляді мембранного фонона. Цей процес схематично зображено на малюнку в роботі, яка описує Модель, в розділі "Квазідінаміка (Quasidynamics)" (17.4, 18.4). Природно, що зворотна реакція - відділення молекули сигналу від молекули мембранного рецептора - буде йти тільки з поглинанням енергії, якої може бути енергія поглинутого комплексом рецептора з сигнальної молекулою мембранного фонона. Це можна представити у вигляді простих рівнянь, принципово описують процес, без деталізації:
Пряма реакція:
(Зовнішній хімічний сигнал) + (мембранний рецептор) è
(Комплекс рецептора з молекулою сигналом) +
(Мембранний фонон = ħω);
Зворотна реакція:
(Комплекс рецептора з молекулою сигналом) +
(Мембранний фонон = ħω) è
(Мембранний рецептор) +
(Хімічний сигнал, виділений з мембрани).
Перейменування прямої реакції у зворотний і навпаки суті процесу не змінює. Більш того, якщо замість хімічного сигналу будемо розглядати будь-який інший сигнал, що впливає на мембранний рецептор, то рівняння (і процеси, які вони описують) не зміняться. Можливо тільки одна відмінність у схемах: зовнішній сигнал викликає активацію рецептора, його перехід в збуджений стан з подальшою релаксацією у вихідну форму, яка і супроводжується випромінюванням мембранного фонона. Природно, що тут може і не утворюватися "відносно стабільний комплекс рецептора з зовнішнім сигналом" і, отже, відсутня зворотна реакція - вся схема тільки спрощується.
Добре відомо, що є спеціалізовані клітини, завдання яких полягає в максимально швидкої і точної передачі сигналів від різних частин організму в мозок і назад. Мова йде про нервових клітинах (нейронах), що пов'язують мозок зі всіма частинами організму. Нейрони відрізняються різноманітністю, але всім їм властива наявність відростків. Короткими відростками (дендритами) нервові клітини контактують один з одним. Крім коротких відростків нейрон має ще й довгим відростком, званим аксонів, за яким нервові імпульси йдуть від тіла клітини до іннервіруемие органам та іншим нервовим клітинам. Аксони деяких клітин тягнуться на 50 - 70 см. Аксони покриті мієлінової оболонкою білого кольору. Мієлінова оболонка складається з білків (мієліну) і ліпіду. Поверх мієлінової оболонки є ще швановской оболонка. Мієлінова оболонка, будучи ізолятором, запобігає розсіювання нервових імпульсів і їх перехід на інші нервові волокна. Миелиновое покриття по довжині волокна має сегментарне будова; на кордоні двох сегментів є ділянки безміеліновие перетяжок - так звані вузли нервового волокна або перехоплення Ранвей. За рахунок цього нервовий імпульс поширюється по волокну не безупинно, а стрибками: електричні імпульси "перестрибують" від одного перехоплення Ранвье до іншого. Швидкість передачі нервового імпульсу по аксонах змінюється від 150 м / сек для людини до 50 м / сек для жаби (38 - 40).
Реально, як поширюється безпосередньо сам нервовий імпульс на підставі наведених результатів говорити некоректно. В експериментах вимірюється так званий "потенціал дії", послідовно реєструється в різних перехопленнях одно після подразнення нейрона. Ось саме цей "потенціал дії", і супутні йому електричні процеси, поширюється по аксону стрибками. Але те, що електричні явища супроводжують передачу сигналу нейроном, зовсім не означає, що ці явища самі безпосередньо і є внутрішньоклітинними інформаційними сигналами. (Дуже це нагадує ялинкову гірлянду, там теж зовні здається, що різнокольорові світлячки перестрибують з одного запаяного скляного кульки - лампочки, якщо хто не знає - в іншій.) Тут спостерігається передвіщений вище в даній статті квантовий процес фононного обміну між різними мембранними білковими системами в мембрані аксона нервової клітини, коли вплив в одному місці мембрани викликає відповідь в іншому місці, причому вплив і відповідь можуть мати різну фізико-хімічну природу: спільне між ними - квантово-механічне сполучення через фононних обмін.
Нервова система, як і будь-яка інша система, призначена для передачі інформаційних сигналів, повинна задовольняти ряду очевидних вимог. Вона повинна швидко і без спотворень передавати інформаційний сигнал. Бажано, щоб система була універсальною, тобто могла вільно передавати сигнали в протилежних напрямках і т.д. Крім того, необхідно, щоб в той час, коли сигнали не передаються - нервова клітина знаходиться в спокої - система споживала мінімум енергії, і мимоволі "автоматично" поверталася у вихідне працездатний стан після передачі сигналів. Ну і природно, що система повинна легко "обслуговуватися", що б все необхідне для її нормального функціонування досить швидко і адресно потрапляло туди, де це все необхідне потрібно, створюючи мінімум перешкод процесу передачі корисного інформаційного сигналу. Проше за все це зробити, розділивши процеси передачі інформації та обслуговування в просторі в просторі.
Для зниження викривлення і загасання фононного сигналу необхідна регулярна структура з мінімумом "сторонніх включень". Структура мієлінової оболонки, що відрізняється від інших біомембран високим вмістом ліпідів і низьким - білків, задовольняє цій умові (40 - 42). Очевидно, що ця структура дозволяє фонона рухатися в будь-якому напрямку - немає ніякої різниці, що рухатися в одну строну, що - в протилежну. Будь-яка біомембран є замкненою, тому, в яку б сторону не був випромінювання фонон, він все одно може досягти самого віддаленого, від місця свого зародження, ділянки мембрани своєї клітки, якщо тільки раніше не досягне свого адресата і не буде поглинений їм, витративши свою енергію на активацію даної білкової системи.
Сигнал при поширенні може піддаватися загасання і / або спотворень, тому на лініях передачі сигналів необхідно періодично мати підсилювачі, здатні підкоригувати, посилити отриманий сигнал і передати його далі. Природно, що в разі біомембрани це будуть молекулярні підсилювачі, які повинні автоматично запускатися при отриманні фононного сигналу і вимикатися після того, як передали його далі. Очевидно, що процес посилення сигналу йде з витратою енергії, яка повинна бути запасена клітиною попередньо, бажано, в легкодоступній формі, при цьому підсилювач повинен контактувати з навколишнім середовищем мембрану, інакше йому просто нізвідки отримувати зовнішню енергію для своєї роботи. Такі періодичні системи реально існують на поверхні аксонів - це вже згадані перехоплення Ранвей. Фонон, в процесі свого руху по аксону, періодично активує квантові підсилювачі, які повинні бути розташовані в перехоплення Ранвей. Ці квантові підсилювачі включаються для посилення отриманого сигналу, а потім, передавши його далі, вимикаються. Таким чином, нервовий імпульс нікуди й ніде не стрибає, а спокійно поширюється по аксону, включаючи для свого посилення періодично розташовані в мембрані квантові підсилювачі, які, передавши фононних сигнал далі, потім вимикаються. Іншими словами, фонон досягаючи мембранного квантового підсилювача, поглинається останнім. Таке поглинання фонона означає, що підсилювач отримує порцію енергії, стерпну квантом звуку. Отримавши енергію, підсилювач активується і передає посилений (і скоригований) сигнал у вигляді нового фонона. Цей процес має супроводжуватися використанням енергії. У даному конкретному випадку це трансмембранний електрохімічний градієнт - заздалегідь запасена енергія. Після чого, віддавши енергію, інактивується, тобто просто вимикається. Отже, молекулярний підсилювач повинен містити механозавісімую частина, яка повинна вимикатися під дією стиснення, обумовленого наявністю латерального поверхневого тиску мембрани. Саме ця механозавісімость і спостерігається в мембрані нейронів для іонних каналів (10). Цілком можливо, що канал буквально схлопивается під дією стиснення з боку свого оточення. Тобто маємо, що молекулярний підсилювач активується під впливом сигналу, який необхідно посилити і передати далі, а потім, виконавши свою функцію, "автоматично" вимикається під дією стиснення з боку навколишнього його мембрани. Природно, що у вимкненому (неактивному) стані підсилювач не потребує енергії. А клітина може відновлювати трансмембранний електрохімічний градієнт, службовець джерелом енергії для молекулярного підсилювача; просто потрібні дві незалежні молекулярні системи. В даний час немає даних для аналізу конкретного механізму дії квантового фононного підсилювача, ролі пасивного та активного транспорту іонів через мембрани в цьому процесі і т.д. До речі, зміни величини трансмембранного електричного поля, характерні для нервових клітин, впливали лише на полярні головки ліпіду, але не торкалися ні структури, ні динаміку вуглеводневих ланцюгів у мембрані (43). Іншими словами, процеси, які супроводжують поширення мембранного фононного сигналу не впливали на умови його поширення - не впливали на вуглеводневий компонент біомембрани.
Для обслуговування телекомунікаційної клітинної системи можна використовувати клітинну цитоплазму і позаклітинний простір, щоб не створювати перешкод поширенню мембранних фононів. Позаклітинний простір може грати особливо помітну роль в мозку, де половина клітин є нейронами, а друга половина - клітини глії - не зайняті безпосередньо в передачі і обробці нервових сигналів і можуть бути задіяні для забезпечення тих чи інших потреб нейронів. У цьому випадку повинна спостерігатися між ними взаємна інформаційна зв'язок і взаємовплив, що і виявлено останнім часом (44). Такий механізм дозволяє розділити шляхи розповсюдження інформації по аксону і хімічних сполук, необхідних для підтримання життєдіяльності і працездатності нервової клітини, як єдиного цілого, так і її частин.
Навіть такий короткий розгляд показує, що квантовий фононних варіант запропонованої Моделі дозволяє описати роботу різних біологічних систем, в тому числі і нервової системи живих організмів. Передача інформації нервовими клітинами за допомогою фононів дозволяє передавати клітині відразу кілька сигналів, причому в різних напрямках найбільш швидким і простим і єдиним способом. Якщо фонон при своєму русі в мембрані і впливає на останню, то тільки вже в зовсім локальної області, ніяк не впливаючи на поширення інших фононів. Єдине можливе вузьке місце - обмежене число підсилювачів у мембрані і час їх спрацювання. Припустимо, що сама повільна стадія в процесі передачі інформації це цикл спрацювання квантового фононного підсилювача, рівний ~ 0,002 сек (відомі дані (38) про те, що не вдається пропустити більше ~ 500 нервових імпульсів через аксон), то швидкість поширення нервового імпульсу (0 ,2-0, 4 м / 0,002 сек) буде в межах 100 - 200 м / сек, що близько до відомим значенням, наведеним вище. Для біології це добрий збіг, яке отримано, при допущенні, що нервовий імпульс передається фононами у різних організмів і механізм роботи підсилювачів у них близький. Швидкість поширення самого ультразвуку в тканинах, що дорівнює ~ 1600 м / сек (28) і слабо залежить від виду конкретної біологічної тканини (45), не може бути лімітуючою стадією для швидкості поширення фононного імпульсу в аксоні.
Аксон тільки передає інформацію, а основне тіло нервової клітини, що має безліч відростків-дендритів, що контактують з іншими нервовими клітинами, має аналізувати інформацію і передавати її певним адресатам - іншим нервовим льоткам. Природно, ці більш складні функції повинні виконуватися більш складними клітинними квантовими системами. А це втрата швидкості передачі інформації, що і спостерігають в експериментах. Але істотно картина не змінюється.
У результаті отримали, що нервова клітина є аналогом будь-якої телекомунікаційної системи, Клітка підкоряється тим же законам, що й інші системи, наприклад телефонні мережі (може бути, більш близький аналог - локальні комп'ютерні мережі та інтернет). Маючи різні ділянки нервової телекомунікаційної системи в організмі, для функціонування всієї системи в цілому потрібна нормальна робота її частин. Не може бути нормальної роботи всієї інформаційної системи, якщо порушена робота хоча б однієї з її частин.
У роботі "Алкоголь і інші органічні розчинники" зроблено висновок, що, ці сполуки погіршують роботу фононопроводящіх ділянок клітинних мембран, порушуючи ліпідну структуру останніх (46, 47). Але можна порушувати роботу квантових підсилювачів і інших систем передачі інформації, тобто тих, які відповідальні за її аналіз та / або адресацію. Причому це можна зробити, як мінімум, двома способами: перевантаживши систему помилковими сигналами, коли вже білкові квантові системи не встигають обробляти інформацію, що надходить, або порушивши нормальну роботи самих білкових квантових систем.
1-а ситуація виникне, якщо в мембрані утворюється надлишок фононів. Це можна зробити, опромінюючи організм ультразвуком, і коли, якісь частоти ультразвуку співпадуть з власними частотами клітин, відповідно, вони й будуть впливати на роботу клітини, порушуючи, швидше за все, її функціонування. Відомо, що випадкове втручання в роботу складної системи, найчастіше за все на користь останньої не йде.
При цьому можна перевантажити всю систему надлишковими сигналами так, що вона просто не зможе функціонувати, у молекулярних підсилювачів просто не буде можливості повернутися в початковий стан.
Можливо, перевантажити систему частково: десь вона буде встигати спрацьовувати нормально, а десь ні. При більш низької інтенсивності цього стороннього ультразвуку, що виникають фонони будуть хаотично поширюватися по мембран в різні боки, вносячи хаос в роботу керованих цими нервами органів. Фононів ще мало для повного блокування молекулярних підсилювачів. Сигнали поширюються по нейронах хаотично, викликаючи хаотичні відгуки на них у тканинах тварин, у тому числі і надмірна, хаотичний викид у міжклітинний простір різних нейромедіаторів - спостерігатиметься "самонаркотізація" організму. Якщо не вдалося перезавантажити систему сторонніми фононною сигналами повністю, то вона може працювати, виснажуючи створений раніше енергетичний запас клітини, а потім все-таки вимкнеться, тепер уже від виснаження. Організму потрібно відпочинок. Тепер порівняємо ці висновки з експериментальними спостереженнями.
Ультразвук зазвичай погано впливав на поведінку тварин. У них змінювалося поведінка: деякі відразу після початку опромінення виявляли сильне занепокоєння, виражене у ривках, страх, за якими вже через короткий час (~ 1 хв.) Слід було стан повної нерухомості. Змінювалася діяльність внутрішніх органів, спостерігається стан, схожий з наркотичним станом, коли тварини, наприклад, не реагують на дотики. Якщо в цей час опромінення припиняли, то частина тварин могла ще прийти в нормальний стан, інакше - вони гинули. Короткочасне опромінення жаб ультразвуком викликало в них стан паралічу, аналогічне дії отрути кураре, який блокує передачу нервового імпульсу нейронами. Не виявили внутрішніх крововиливів і пошкоджень центральної нервової системи. Вважали, що безпосередня причина смерті полягає в прямому дії ультразвуку на центральну нервову систему, яка не викликає помітних морфологічних змін тканин тварин. На користь цього говорять і дані мікроскопічного дослідження впливу ультразвуку на дафнії - рачки зоопланктону. При опроміненні спочатку паралізуються кінцівки, потім зябра, очі і, нарешті, зупиняється серце. У той же час в деяких випадках, в малих дозах ультразвук стимулював життєві процеси деяких маленьких рибок (48). При цьому більшість даних отримано для холоднокровних тварин і в рідкому середовищі. Можливо, це пов'язано з тим, що в них робота молекулярних підсилювачів в нейронах не так строго залежить від частоти зовнішнього впливу, тобто вони спрацьовують при поглинанні фононів з більш широким частотним діапазоном, ніж теплокровні. Холоднокровні змушені функціонувати (і функціонують, нехай "як сонні мухи", але функціонують) при різних температурах, тобто при різних величинах латерального поверхневого тисках їх біомембран. Відповідно, мембранні системи їх кліток повинні мати працездатністю, коли додаткова вільна енергія стиснення, що діє на мембранні системи не постійна, а змінюється в деякому діапазоні при зміні температури.
2-а ситуація виникає при порушенні роботи, наприклад, самих молекулярних підсилювачів. Для цього введемо в організм, наприклад, кураре. Далі можна і не розглядати наслідки.
У рамках даної роботи неможливо навіть частково розглянути різні наслідки, що випливають із запропонованої Моделі. Це буде зроблено в наступних роботах.
Наведені вище матеріали добре описуються в рамках квантово-механічної фононній Моделі будови і функціонування клітинних мембран, що дозволяє стверджувати: "Фонон - КВАНТ біологічної (клітинної) мембрани". Модель придатна для пояснення широкого кола явищ, що спостерігаються. При цьому спостерігаються явища описуються в рамках єдиного понятійного апарату і не вимагають специфічних припущень для опису зовні різних явищ у живих системах, і які з Моделі слідства можуть бути простіше і зрозуміліше їхніх традиційних пояснень, наприклад, дії алкоголю на організм (46, 47).
Є один екстремальний момент у житті клітин - їх поділ, де складно передбачити дію ультразвуку на клітинну мембрану. У момент розподілу мембрана відчуває істотну перебудову: в якийсь момент часу вона не є замкнутою системою. В області розподілу замість однієї безперервної мембрани виходить дві, що належать різним клітинам. Природно, що ділення клітин - процес, характерний для організму, що розвивається. Опромінення такого організму може призвести до непередбачуваних поки в рамках Моделі наслідків. Мова йде про УЗД плоду вагітних жінок. Мені не вдалося знайти більш менш достовірних даних про можливий зв'язок патології у розвитку дітей та УЗД плодів. Буду вдячний, якщо хтось зможе повідомити такі відомості та / або врахує результати, що випливають із запропонованої Моделі у своїй діяльності. Є окрем непрямі ознаки, що вказують, що не все так добре з нешкідливістю УЗД, як у цьому хочуть запевнити деякі.
Список літератури
A FLUID LIPID-GLOBULAR PROTEIN MOSAIC MODEL OF MEMBRANE STRUCTURE. SJ Singer, "Ann. NY Acad. Sci. ", (1972), 195, 16 -23.
MEMBRANE STRUCTURE. Roberson JD, "J. Cell Biol.", (1981), 91 (3, part 2), 189 - 204.
БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ, Л.Д. Бергельсон, вид. "Наука", Москва, 1975.
Kinetic and Thermodynamic Aspects of Lipid Translocation in Biological Membranes. S. Frickenhaus, R. Heinrich, "Biophys. J. ", March 1, (1999), 76 (3), 1293 - 1309.
RAPID TRANSPORT OF PHOSPHOLIPIDS ACROSS THE PLASMA MEMBRANE OF Leishmania infantum. Josй M Ara'jo-Santos, Francisco Gamarro, Santiago Castanys, Andreas Herrmann, Thomas Pomorski, "Biochem. and Biophys. Res. Commun. "(2003), 306 (No 1), 250 - 255, (www.elsevir.com / locate / ebbre)
TRANSMEMBRANE MOVEMENT OF DIETHER PHOSPHOLIPIDS IN HUMAN ERYTHROCYTES AND HUMAN FIBROBLASTS. P. Fellmann, P. Hervй, T. Pomorski, P. Mьller, D. Geldwerth, A. Herrmann, PF Devaux, "Biochemistry", (2000), 39, 4994 - 5003.
TRANSBILAYER MOVEMENT OF FLUORESCENT AND SPIN-LABELED PHOSPHOLIPIDS IN THE PLASMA MEMBRANE OF HUMAN FIBROBLASTS: A QUANTITATIVE APPROACH. T. Pomorski, P. Mьller, B. Zimmermann, K. Burger, PF Devaux, A. Herrmann, "J. Cell Sci. "(1996), 109, 687 - 698.
FLUIDITY OF CELL MEMBRANES - CURRENT CONCEPTS AND TRENDS. Shinitzky M., Henkart P., International Review of Cytology, (1979), 60, 121 - 147.
BIOLOGICAL MEMBRANE AS A LIQUID CRYSTAL MECHANISM. Petrov AG, BPU-5: Fifth General Conference of the Balkan Physical Union, August 25-29, (2003), Vrnjaèka Banja, Serbia and Montenegro, 1737 - 1743.
MODULATION OF MEMBRANE TRAFFIC BY MECHANICAL STIMULI. G. Apodaca, "Am. J. Physiol. - Renal Physiol ", (2002), 284, No 2, pp. F179 - F190.
TECHNIQUES FOR MECHANICAL STIMULATION OF CELLS IN VITRO: A REVIEW. Brown ND, "J. Biomech. "(2000), 33, 3 - 14.
MECHANORECEPTION AT THE CELLULAR LEVEL: THE DETECTION, INTERPRETATION, AND DIVERSITY OF RESPONSES TO MECHANICAL SIGNALS. Banes AJ, Tsuzaki M., Yamamoto J., "Biochem. Cell Biol. ", (1995), 73, 349 - 365.
CELL SWELLING-INDUCED ATP RELEASE AND GADOLINIUM-SENSITIVE CHANNELS. F. Boudreault, R. Grygorczyk, "Amer. J. Physiol. "(2002), 282 (1), C219 - C226, (www.ajpcell.org)
SYNAPTIC TRANSMISSION AT VERTEBRATE HAIR CELLS. Fuchs PA, "Curr. Opin. Neurobiol. "(1996), 6, 514 - 519.
MECHANOTRANSDUCTION IN VERTEBRATE HAIR CELLS: STRUCTURE AND FUNCTION OF STEREOCILIARY BUNDLE. Hackney CM, Furness DN, "Am. J. Physiol. Cell Physiol. "(1995), 268, C1 - C13.
MECHANOELECTRICAL TRANSDUCTION BY HAIR CELLS. Howard J., Roberts WM, Hudspeth AJ, "Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. "(1988), 17, 99 - 124.
Молекулярно-механічна модель будови і функціонування біологічних мембран. ВСТУП У квантовій Фонон БІОЛОГІЮ. Семенов С.М., Internet: SciTecLibrary.com. (Http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6013.html)
Introduction to quantum phonon biology - THE molecular mechanical model of structure and functions of biological membranes. semenov SN, Internet: SciTecLibrary.com. (Http://www.sciteclibrary.ru/eng/catalog/pages/6646.html)
Quantum engineering: Protecting the quantum world. PAZ JP, "Nature", (2001), 412, 869 - 870.
A Dynamical Theory Describing Superconductant DNA. Pensinger W., Paine D., "Int. J. Quantum Chem. ", (1979), Vol. XV, 333-341.
EFFECT OF LIPID COMPOSITION ON STABILITY OF CELLULAR MEMBRANES DURING FREEZE-THAWING OF Lactobacillus acidophilus GROWN AT DIFFERENT TEMPERATURES. Fernбndez Murga ML, Font de Valdez G., Disalvo EA, "Arch. Biochem. and Biophys. "(2001), 388 (1), 179 - 184, (http / / www.idealibrary.com).
STRUCTURE OF MEMBRANES LIPIDS AND PHYSICO-BIOCHEMICAL PROPERTIES OF PLASMA MEMBRANES FROM Thermoplasma Acidophilum, ADAPTED TO GROWTH AT 37oC. Yang LL, Hang A., "Biochim. Biophys. Acta ", (1979), 573 (2), 308 - 320.
MEMBRANES CHANGES DURING GROWTH OF Tetrahymena IN THE PRESENCE OF ETHANOL. Nandini-Kishore SG, Mattox SM, Martin Ch.E., Thomson GA, "Biochim. Biophys. Acta ", (1979), 551, 315 - 327.
THE ACOUSTICAL METHODS AND APPARATUS FOR IDENTIFICATION AND SELECTIVE TREATMENT OF A CELLULAR SYSTEM. Semenov SN, Int. Patent Application PCT/CZ01/00046, (dated 26.08.2001).
POPULAR DESCRIPTION OF INVENTIONS "THE ACOUSTICAL METHODS AND APPARATUS FOR IDENTIFICATION AND SELECTIVE TREATMENT OF A CELLULAR SYSTEM". Semenov SN, Internet: SciTecLibrary.com. (Http://www.sciteclibrary.ru/eng/catalog/pages/6554.html),
УЛЬТРАЗВУК І ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ В НАУЦІ І ТЕХНІКИ. Л. Бергман. "Іноземна Література", (1957) Москва.
DER ULTRASCHALL UND SEIN ANWENDUNG IN WISSENSCHAFT UND TECHNIK. Dr. L. BERGMAN, 6 vцllig ьberarbeitete und erweiterte Auflage mit 609 Bildern, Zьrich, 1954.
Біофізичні основи УЛЬТРАЗВУКОВОЇ МЕДИЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ. А.П. Сарвазян, "УЛЬТРАЗВУКОВА ДІАГНОСТИКА. Збірник праць ", (1983), Інститут прикладної фізики АН СРСР, м. Горький, 80 - 95.
DEPENDENCE OF THE ULTRASONIC PROPERTIES OF BIOLOGICAL TISSUE ON CONSTITUENT PROTEINS. Goss SA, Frizzell LA, Dunn F. "J. Acoust. Soc. Am. "(1980), 67, 1041 - 1044.
ACOUSTIC PROPERTIES OF NORMAL AND CANCEROUS HUMAN LIVER. I. DEPENDENCE ON PATHOLOGICAL CONDITION. Bamber JC, Hill CR, "Ultrasound Med. Biol. "(1981), 7, 121 - 133.
MECHANISM OF ABSORPTION OF ULTRASOUND IN LIVER TISSUE. Pauly H., Schwan HP, "J. Acoust. Soc. Am. "(1971), 50, 692 - 699.
ULTRASONIC ATTENUATION AND BACKSCATTERING BY MAMMALIAN ORGANS AS A FUNCTION OF TIME AFTER EXCISION. Bamber JC, Fry MJ, Hill CR, Dunn F., "Ultrasound Med. Biol. "(1977), 3, 15 - 20.
КОРЕЛЯЦІЯ АКУСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК І ІМОВІРНОСТІ ВИНИКНЕННЯ ПУХЛИНИ ПЕЧІНКИ МИШЕЙ. Маленков А.Г., Асоян К.В., "Біофізика" (1983), 28, 326 - 329.
ПОРУШЕННЯ механізмів нейрогуморальної регуляції вісцеральних функцій організму У ПОСТ Реанімаційне ПЕРІОДІ. Лобов В.В., Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора медичних наук (14.00.16. - Патологічна фізіологія), (1998), м. Челябінськ, (Інтернет: http://www.ic.omskreg.ru/ ~ metabolism / lobov / index.htm).
СОЦІАЛЬНЕ ПОВЕДІНКА НОРМАЛЬНИХ КЛІТИН і антисоціальна поведінка ПУХЛИННИХ КЛІТИН. 1. СИГНАЛЬНІ МОЛЕКУЛИ, викликає розмноження і загибель клітин. Васильєв Ю.М., "БІОЛОГІЯ. Соросівський освітній журнал ", (1997), МДУ ім. М.В. Ломоносова.
THE CHEMICAL ORGANIZATION OF SIGNALING INTERACTIONS. UP Bhalla, "Bioinformatics", (2002), 18 (6), 855 - 863. (Http://www.ncbc.res.in/ ~ bhalla / examples / EGFR_example.html)
ТРАНСФОРМАЦІЯ ЗОВНІШНЬОГО СИГНАЛУ ВО ВНУТРІМЕМБРАННИЙ І МОЖЛИВІ Молекулярні механізми цього процесу. Семенов С.М., Робоча назва статті, яка готується для публікації на Інтернет сайті SciTecLibrary.com.
НЕРВОВА СИСТЕМА. "Дитяча енциклопедія", Академія Педагогічних Наук РРФСР, т.6, стор 159 - 173, Москва, 1960.
IONIC PROCESSES IN EXCITABLE MEMBRANES. Vaccaro SR, Green HS, "J. Theor. Biol.", (1979), 81 (4), 771 - 802.
COMPARATIVE DIFFRACTION STUDIES ON MYELIN MEMBRANES. Kirshner DA, Caspar DLD, "Ann. NY Acad. Sci." (1972), 195, 309 - 320.
CONSTITUTION AND PROPERTIES OF AXONAL MEMBRANES OF CRUSTACEAN NERVES. M. Balerna, M. Fosset, R. Chicheportiche, G. Romey and M. Lazdunski, "Biochemistry", (1975), 14, 5500 - 5511.
X-RAY DIFFRACTION STUDY OF KINETIC OF MYELIN LATTICE SWELLING. EFFECT OF DIVALENT CATIONS. Padron R., Mateu L., Kirschner DA, "Biophys. J." (1979), 28, 321 - 240.
ELECTRIC FIELD EFFECTS ON LIPID MEMBRANE STRUCTURE. Stulen G. "Biochim. Biophys. Acta "(1981), 640, 621 - 627.
NEW INSIGHTS INTO NEURON-GLIA COMMUNICATION. RD Fields, B. Stevens-graham, "Science", (2002), 298, No 5593, pp. 556 - 562.
УЛЬТРАЗВУКОВА ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ М'ЯКИХ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИН. В.А. Клемин, А.П. Сарвазян, "УЛЬТРАЗВУКОВА ДІАГНОСТИКА. Збірник праць ", (1983), Інститут прикладної фізики АН СРСР, м. Горький, 95 - 105.
Алкоголь та інші органічні розчинники. Введення в квантову фононну біологію. С.Н. Семенов, Internet: SciTecLibrary.com. (Http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6518.html)
Alcohol and other organic solvents - Introduction to quantum phonon biology. SN Semenov, Internet: SciTecLibrary.com. (Http://sciteclibrary.ru/eng/catalog/pages/6727.html)
Біологічні та лікувальні ДІЯ УЛЬТРАЗВУКУ. Глава 12, "Ультразвук та його застосування в науці і техніці", Л. Бергман. "Іноземна Література", (1957) Москва, стор 545 - 573.
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.sciteclibrary.ru