Download ppt - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В МАГНИТОБИОЛОГИИ

ИОФ РАН

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В

МАГНИТОБИОЛОГИИ

В.Н. БИНГИ

ИОФ РАН

ИОФ РАНОсобенности магнитобиологии

• Междисциплинарность • Социальный эффект• Характер воспроизводимости и качества от опыта

к опыту, в лабораториях, в мире• Отсутствие признанной физической теории • Парадоксальность • Способ сравнения эксперимента и теории

Сигнал МП ОБЪЕКТ реакция

Множество неконтролируемых факторов управляющих состоянием объекта

ИОФ РАН

Сравнение стандартов электромагнитной безопасности

1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 100G 1T1

10

100

1k

10k

2

1

50 Hz

Нап

ряже

ннос

ть Э

П, В

/м

Частота, Гц

ICNIRP CENELEC USA Russia

10M 100M 1G 10G 100G 1T1E-3

0.01

0.1

1

10

100

1000

2

1

Пло

тнос

ть п

оток

а эн

ерги

и, м

Вт/с

м2

Частота, Гц

ICNIRP CENELEC USA Russia Russia

ОсиЗападные – тепловые – резонансотеч – биол.эффектынетепл.эффекты признаны де-факто

ИОФ РАН

Характер биологических эффектов ЭМП

Нетепловые эффекты(МБЭ)

Эффекты, связанные с

нагревом

микроволныМеньше 1 мВт/см2 Больше 10 мВт/см2

НЧ1- 100 Гц

меньше 100 мкТл (1 Гс или 1 Э)

H*f > 30 мТл*Гц

«слабое магнитное поле» — меньше 1 Гс«слабое ЭМП» — не вызывает сущ. нагрева биол.тканеймагнитобиология — источник наиболее важных наблюдений«нетепловой эффект» > «МБЭ»прежде чем говорить о теории

ИОФ РАНПример частотного спектра

0 10 20 30 40 50 60 70

1.0

1.1

1.2

1.3

P,

пр.е

д.

МБЭ, Alipov and Belyaev, 1996

МБ

Э,

отн.

ед.

f, Гц

расчет для Ca

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

расчет для Na

ИОФ РАНАмплитудные спектры

0 1 2 3 4 10

0

1

МБ

Э, пр.е

д.

ве

роятн

ост

ь р

еакц

ии, пр.е

д.

Binhi, 1997, theory

HAC

/HDC

2

4

Liboff et al, 1987, 45Ca

Ross, 1990, 40Ca

Prato et al, 1995, 40Ca24Mg and 40Ca, Lednev et al, 1996a

Trillo et al, 1996, 1H, =2

Lednev et al, 1996b, 1H

Blackman et al, 1994/5, 7Li, =1.8

Blackman et al, 1999, 1H, =2

and Garcia-Sancho et al, 1994, 42K

BlackmanLiboff LednevChiabrera

ИОФ РАНПределы и области биологических эффектов ЭМП

0 4 8 12

-20

-10

0

10

lo

g(B

/ Г

с)

E/H предел

7

6

54

321

ACGIH Тепловые эффекты

Классические ЭМП Квантоваяэлектродинамика

log(f / Гц)

кТ-предел

8

объясняли факт МБЭ

ИОФ РАНКЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ МБЭ

• Феноменологические модели– сложное поведение решений уравнений типа уравнений химической кинетики– стохастический резонанс как усилительный механизм в магнитобиологии– магниточувствительные фазовые переходы в биофизических системах– радиотехнические модели, в которых биологические микроструктуры и ткани

изображаются в виде эквивалентных электрических цепей

• Макроскопические модели– биомагнетит в магнитном поле и ферромагнитное загрязнение– джоулево тепло и вихревые электрические токи– сверхпроводимость на уровне клеточных структур и альфа-спиральных белковых

молекул – магнитогидродинамика– макроскопические кластеры ионов, заряженные вихри в цитоплазме

• Микроскопические модели– движение заряженных частиц и частиц со спином в МП, в т.ч. эффекты

• резонансные, осцилляторные • интерференционные • реакции с участием свободных радикалов • коллективные возбуждения многочастичных систем

– биологически-активные метастабильные состояния жидкой воды– ВПне все модели, ценность моделей

ИОФ РАНФакты и следствия в

низкочастотной магнитобиологии

факт следствиеЦиклотронные частоты ионов: Ca, Mg, Na, Zn и др.

• Ω• Ω(H)

Атомно-молекулярная природа мишени

Зеемановское расщепление

НелинейностьНелинейность

•• максимумы на максимумы на зависимостизависимости МБЭМБЭ(h)(h)

• • (a+b)(a+b)22 a a22+b+b22

Нерезонансное взаимодействие Нерезонансное взаимодействие МП с мишеньюМП с мишенью

Несоответствие Несоответствие масштабов энергиимасштабов энергии

ħΩħΩcc << kT << kT


Время накачкиВремя накачки ~ ~ (1/(1/Ω)*(kT/ħΩ)Ω)*(kT/ħΩ)



факт следствиеЦиклотронные частоты Циклотронные частоты ионовионов

•• ΩΩ

•• ΩΩ(H)(H)

Атомно-молекулярная природа Атомно-молекулярная природа мишенимишени

Зеемановское расщеплениеЗеемановское расщепление

Нелинейность• максимумы на зависимости МБЭ(h)• (a+b)2 a2+b2

Нерезонансное взаимодействие МП с мишенью




Время накачкиВремя накачки ~ ~ (1/(1/Ω)*(kT/ħΩ)Ω)*(kT/ħΩ)




•• ΩΩ

•• ΩΩ(H)(H)

Атомно-молекулярная природа Атомно-молекулярная природа мишенимишени

Зеемановское расщеплениеЗеемановское расщепление



• • (a+b)(a+b)22 a a22+b+b22


Несоответствие масштабов энергии

ħΩc << kT


Время накачки ~ (1/Ω)*(kT/ħΩ)

ИОФ РАНФакты и следствия: Итог


•• ΩΩ

•• ΩΩ(H)(H)

Атомно-молекулярная природа мишени

Зеемановское расщепление



• • (a+b)(a+b)22 a a22+b+b22





Время накачки ~ (1/Ω)*(kT/ħΩ)

+ эффек

тивн

ость

парал

лель

ных МП

ИОФ РАН

динамика

переменная

классическая квантовая

координата Сила Лоренца Интерференция состояний

импульс,угловой момент,энергия

Накачка энергии Квантовые переходы

спин Спиновая динамика

Движение заряда в магнитном полевсего 5 классов:

Многочастичные модели и кластеры

ИОФ РАНБИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА

PLANTSANIMALS

PLANTAEFUNGIANIMALIAPROTOCTISTA

PROKARYOTA

Phot

osyn

thes

isAb

sorp

tion

Inge

stion

ИОФ РАН

динамика

переменная

классическая квантовая

координата Сила Лоренца Интерференция состояний

импульс,угловой момент,энергия

Накачка энергии Квантовые переходы

спин Спиновая динамика

Движение заряда в магнитном полевсего 5 классов:

Многочастичные модели и кластеры

ИОФ РАНМолекулярный гироскоп

V.N. Binhi & A.V. Savin Molecular gyroscopes and biological effects of weak extremely low-frequency magnetic fieldsPhysical Review E, 65, 051912, 2002

Ω ~ Ωg ротационная частота

GLU

H

Z

C

C

C

C

C

N

O

O

+-

O

O

выкладки

ИОФ РАН

0.2

0.4

0.6

0.8

1

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Вращения плотности вероятности угловой моды

ИОФ РАН

S H D

Особенности:• Полиэкстремальные

зависимости от параметров МП

• Не требуется накачка энергии МП

Интерференция в переменном МП

ИОФ РАН

Вероятность реакции в зависимости от частоты и

амплитуды МП

Интерференцияугловых мод.

Существенные параметры:

H, h, Ω

ИОФ РАНПределы чувствительности

p = NħΩ/T чувствительность приемника, N число квантов ħΩ

T время когерентного взаимодействия

eτ > ħ КМ соотношение, e изменение энергии квантовой системы

τ время регистрации изменения

Для e = NħΩ : τ > 1/NΩ , т.к. τ < T, то T > τ > 1/NΩ или T > 1/NΩ

p > ħ/T2 , p < ħ(NΩ)2

pħ/T2 ħ(NΩ)2

чувствительность

S =сρ= cH2/8π, p ~ Sπr2, N ~ Hr √c/8ħ / Ω10 мкТл100 Гц10 анг

N~108

выше ниже

ИОФ РАНСРАВНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ МБЭ

ИОФ РАНПубликации

Изд.-во «Милта»362-0192Христофорова Татьяна

ИОФ РАНМетодологические замечания

• Вера и факты, статус МБЭ «со стороны».• Существует ли МБЭ или нетепловые эффекты?

Доказательства, важность спектральной информации.

• Является ли невоспроизводимость МБЭ свойством природы, или это техническая трудность?

• Является ли МБЭ свойством организмов, или слабые ЭМП могут достоверно изменить параметры биохимических систем?

• Ограничено ли минимальное время регистрации МБЭ?

• Незамеченные публикации.• Новые модели МБЭ должны соревноваться с уже

существующими, физ. модели для физ. журналов.

ИОФ РАНСВЯЗЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Liboff, 1985

Lednev, 1991

Chiabrera, et al., 1991

Zhadin, Fesenko, 1990

Belyaev, et al., 1994

Теориямолекулярной

интерференции

ИОФ РАН

Итог десятилетних теоретических исследований

• появилось множество моделей МБЭ• они обобщены в виде теории молекулярной интерференции

– это обоснованная теория и гипотеза:- эмпирическая основа - множество экспериментов- идеализированный объект – молекула в белковой

полости- логические правила вывода – аппарат теор. физики- способ построения результатов - совокупность выводов с доказательствами- разворачивающаяся программа исследований

• смещение аргументации оппонентов магнитобиологии- доказана несостоятельность тезиса о том, что

нетепловые эффекты ЭМП противоречат физическим законам

• невозможность опровержения результатов теоретической магнитобиологии

ИОФ РАН

КОНЕЦ