Спиновые подсистемы – новый масштаб рассмотрения действия факторов низкой интенсивности

Дроздов А.В.

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург, Россия

е-mail: av@biophys.ru

Пытаясь разобраться в механизмах действия факторов (химические вещества сверхнизких концентраций, слабые и сверхслабые электромагнитные излучения, акустические и гравитационные воздействия и т.п.) низкой интенсивности на биосистемы [1], очень полезно в самом начале выбрать первоначальный уровень рассмотрения, масштаб с которого будет изучаться проблема. Правильность выбора масштаба должна позволить выявить в биологических объектах, на которые эти факторы действуют, мишени. Это в последствие должно сильно помочь в понимании механизма.

При изучении влияния внешних воздействий на биосистемы мы, как правило, оперируем такими понятиями как биоэффект, величина биоэффекта. В основе такого подхода лежит изучение разницы протекания каких-либо биологических процессов в экспериментальной группе, на которую производится низкоинтенсивное воздействие, с контрольной группой, на которую такого воздействия не происходит. Фактически, наши внешние воздействия направлены на изменение скорости биохимических реакций лежащих в основе изучаемых биоэффектов. Таким образом, представляется, что изучение действия низкоинтенсивных факторов на биосистемы лежит через понимание действия этих факторов на химических/биохимических реакций, лежащие в основе изучаемых биоэффектов.

Химическая реакция, образование химической связи - центрального событие в химии. Стоит заметить, что само это химическое событие весьма непродолжительно (порядка 10^-11 – 10^-13 с). Оно составляют ничтожно малую часть от общего времени химической реакции; почти все время необходимо на подготовку события – встреча реагентов, организация их подходящей ориентации и энергетической накачки. Именно «подготовительная» стадия является причиной разнообразия временного масштаба химического процесса – от медленного до быстрого.

Выбор химической реакции в качестве основного объекта нашего внимания позволяет сформулировать задачи, решение которых поможет продвинуться в понимании механизмов действия факторов низкой интенсивности. К первоочередной задаче можно отнести вопрос: «Какие факторы управляют химической реакцией?». Ответ на этот вопрос позволяет определить направление дальнейших исследований. На сегодняшний день таких факторов два. Это энергия и угловой момент реагентов.

Хорошо известно, что химическими реакциями правит энергия – через энергию электронов, реакционную способность, активационные барьеры. Энергетический запрет означает, что система должна обладать энергией, не меньшей, чем высота потенциального барьера. Барьера, который разделяет два события «встреча реагентов» и «образования продукта реакции». Все принципы управления химическими реакциями исходят из энергетической догмы: управлять реакцией значит играть на ее энергоемкости – снимать энергетические барьеры, когда реакцию нужно стимулировать или, напротив, воздвигать их, когда реакцию нужно подавлять. К настоящему моменту на «энергетическом» поле химия достигла высокого уровня совершенства. Однако эта победа оказалась не окончательной. На арене появился и все более утверждается в своих правах, второй запрет – угловой.

Суть углового запрета заключается в том, что угловой момент в химических реакциях строго сохраняется. Этот фундаментальный закон означает, что химические реакции разрешены только для таких угловых состояний реагентов, угловой момент которых совпадает с угловым состоянием продукта, и строго запрещены, если требуется его изменение. Это относится ко всем угловым моментам – вращательному моменту молекулы, орбитальному электронному моменту, собственному моменту (спину) электрона и собственному ядерному моменту (ядерному спину). Запреты химических реакциями по угловому моменту менее очевидны, хотя их строгость значительно превосходит строгость энергетических запретов.

Именно обзор проявлений второго запрещающего фактора и предлагается положить в основу исследования механизмов действия факторов низкой интенсивности, т.е. рассматривать взаимодействие угловых моментов (спинов) с внешними слабыми воздействиями.

Для большей наглядности наших рассуждений обратимся к давно волнующему науку вопросу «Влияет ли магнитное поле на скорость химической реакции?». Ответ на этот вопрос давно интересует физиков, химиков и биологов — всех, кому приходится изучать влияние внешних факторов на превращения веществ. Особенно важен ответ на этот вопрос для биологов, так как биохимические процессы всегда происходили и происходят в магнитном поле Земли. И если слабое магнитное поле Земли способно воздействовать на химические реакции, то вполне возможно, что это же поле может оказывать существенное влияние и на жизнедеятельность земных организмов.

Если рассматривать проблему действия магнитных полей с энергетических позиций, то ответ очевиден «Нет, не влияет». Поскольку для того, чтобы свойства частиц участвующих в реакции, изменились под действием внешнего поля, внесенная извне энергия должна быть соизмеримой с энергией теплового движения частиц или превосходить ее. Однако энергии магнитного взаимодействия и теплового движения становятся соизмеримыми лишь при использовании магнитных полей напряженностью Н=10⁶ эрстед. Так, например магнитное поле напряженностью Н=1,4×10⁴ эрстед изменяет энергию свободного радикала так же, как и изменение его температуры на 1 °С.

Но с другой стороны, если предположить, что наблюдаемые экспериментальные результаты по воздействию магнитных полей на химические реакции, даже при не соответствии энергии магнитного поля энергетическим масштабам реакции, все же имеют место, то необходимо понять как такое, может быть.

Предполагая саму возможность действия магнитного поля на химические системы, надо понимать, что действие магнитного поля на химические системы может быть связано лишь с влиянием на магнитную подсистему. Другими словами влияние магнитного поля должно изменять энергию каких-то магнитных частиц вещества. Такими частицами способны служить либо сами молекулы, либо их части – свободные радикалы, содержащие, по меньшей мере, один неспаренный электрон, обладающий моментом количества движения (спином) и связанным с ним магнитным моментом.

Согласно теории валентной связи Гайтлера-Лондона валентная связь создается двумя электронами. Поскольку электрон имеет спин S=1/2, то суммарный спин двух электронов может равняться нулю или единице (S=0, 1). Состояние с суммарным спином нуль (S=0) называется синглетным, в этом состоянии спины двух электронов ориентированы в противоположные стороны. Состояние с суммарным спином единица (S=1) называется триплетным, в этом состоянии спины двух электронов одинаково ориентированы. Суммарный спин двух электронов участвующих в образовании химической связи жестко связан с пространственным распределением электронов. Согласно принципу Паули, в одной точке пространства не могут находиться одновременно два электрона в одинаковом спиновом состоянии. Это означает, что в синглетном состоянии два валентных электрона могут одновременно находиться в пространстве между двумя атомами, а в триплетном – это запрещено принципом Паули. Иными словами если сталкивающиеся радикалы находится в синглетном состоянии, тогда образование химической связи возможно. Такая реакция, как правило, протекает быстро, эффективно и безактивационно, т.е. энергия активации реакции близка к нулю. Если же сталкивающиеся радикалы находится в триплетном состоянии, то образование молекул – запрещено из чего следует, что спиновые состояние реагирующих частиц в значительной степени определяют направление реакции и состав образующихся продуктов.

Можно сказать, что ответ на поставленный вопрос о возможности влияние магнитного поля на скорость химической реакции с позиции углового запрета, в отличие от энергетических представлений, утвердительный. Причем ответ не просто «Да, влияет!», а экспериментально показана возможность действия магнитного поля на биологически значимую реакцию - синтез АТФ [2].

Таким образом, управляя спиновыми состояниями реагирующих частиц можно изменять временной масштаб реакции – управлять скоростью химического взаимодействия. Поскольку энергия «переключения» между спиновыми состояниями реагирующих частиц очень мала (на несколько порядков ниже энергии тепловых колебаний), а временные масштабы процессов на спиновом уровне короче времени тепловой релаксации (снимается проблема «кТ»), то можно себе представить механизм действия различных факторов низкой интенсивности базирующийся на платформе фундаментальной физики без привлечения энергоинформационных представлений.

В заключении следует еще раз напомнить, что угловой запрет относится не только к собственному моменту (спину) электрона, но и к вращательному моменту молекулы, орбитальному электронному моменту и собственному ядерному моменту (ядерному спину).

Литература

1.  Труды международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» //СПб 1997, 2000, 2003. 2006, 2009.

2.  А.Л.Бучаченко, Новая изотопия в химии и биохимии. // М., Наука, 2007.

© Copyright 2008. All rights reserved. Contact to Victor Martynyuk: ubs@science-center.net  tel.: +38 050 6535592