классические физические предпосылки для возникновения

КЛАССИЧЕСКИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ КСЕНОНОВОГО НАРКОЗА
Довгуша В.В., Следков А.Ю.
ФГУП НИИ промышленной и морской медицины ФМБА России
г. Санкт-Петербург
Если микропульсации переменной составляющей геомагнитного поля Земли составляют
величину порядка долей процента, либо несколько процентов от этого значения в частотном
диапазоне от 0 до 25 Гц, то, учитывая это, очевидно, что основной частотно-амплитудный
диапазон возможных биотропных параметров переменной компоненты геомагнитного поля
сосредоточен в пределах 0,01-1,0 мкТл по амплитуде и до нескольких десятков герц по частоте.
Опыты на биологических объектах по ингибиции опухолевого роста действием слабых
магнитных полей подтвердили положение о том, что обнаруженные в физико-химических
системах эффекты являются важной частью механизма биодействия очень слабых полей.
Энергетические уровни, соответствующие вращательной, колебательной и электронной
энергии, всегда дискретны. Передача энергии квантами с длиной волны 0,2-20 мм (5,0-0,5 см¯1),
с частотами от 1,5-1012 до 1,5-1010 с¯1 (уровень световых квантов), несущих энергию 0,6-0,006
кДж-энштейн¯1, возбуждают молекулы, переводя их с исходного энергетического уровня
(вращательного или колебательного) на другой, более высокий. Энергия соответствующих
квантов намного ниже энергии активации обычных химических (биохимических) реакций и
ниже средней энергии поступательного движения молекул в растворе (плазме крови - тепловой
шум) при комнатной температуре (3,7° кДж-моль¯1 при 25 °С).
Область колебательных энергий простирается от 6 до 100 кДж моль¯1, что отвечает частотам
~500-8000 см¯1. Соответствующие полосы поглощения находятся в ИК области. Энергия
возбуждения электронных уровней лежит в диапазоне 120-1200 кДж-моль¯1. Характерные
частоты составляют 10000-100000 см¯1 (длины волн 1000-100 нм), а спектры находятся в
видимой и УФ областях.
Различные конформационные состояния макромолекул практически энергетически почти не
отличаются друг от друга и, следовательно, переходы между двумя «изоэнергетическими»
состояниями этих молекул характеризуются очень небольшой собственной частотой и очень
длинной электромагнитной волной.
Величина энергии такого перехода много меньше тепловой энергии kТ, составляющей при
300°К величину 0,026 эВ (4,14-10¯21 Дж). Изменение температуры на 10°К приводит к
изменению kТ на ≈0,0009 эВ. Этой энергии достаточно для заселения следующего
вращательного состояния молекулы Н2О (их может быть до 25). Кроме того, возможно семь
ориентации молекул воды.
Молекула может поглощать только те кванты, энергиям которых соответствуют тождественные
энергетические ёмкости молекулы (ΔЕ - hv) Поскольку ΔЕ молекул квантованы и могут
принимать лишь строго определённые дискретные значения, условие совпадения ΔЕ с hv
будет выполняться только для определённых длин волн (частот) излучения, которое (и только)
будет поглощаться.
При двух источниках, находящихся на расстоянии друг от друга меньше чем длина волны (≈ 515 Å) испускаемого ими излучения, на принимающую молекулу (поверхность мембраны) обе
волны (излучения) приходят в одинаковых фазах. Их суммарная амплитуда при этом будет
вдвое, а мощность - в 4 раза больше, чем от одного источника (ФЭС, 1984). Это связано с тем,
что столь близко расположенные источники уже независимы друг от друга, и каждый
«вынуждает» своего соседа испускать больше энергии. Это явление называется индуктивным
резонансом и полностью соответствует механизму влияния кластеров ксенона на нервную
(другие) клетку. Аналогично (диссипативный резонанс) происходит излучение и от
постксеноновых ассоциатов воды. Такие резонансы между двумя и более связанными
колебательными системами возникают и в том случае, если один из них не испускает, а
поглощает энергию. Наиболее отчётливо это проявляется, когда максимум поглощения
принимающей молекулы (участка мембраны) совпадает с максимумом излучения передающей.
Переход из одного стационарного состояния в другое сопровождается изменением дипольного
момента, поляризуемости, магнитной восприимчивости, распределения электронной плотности,
свойства симметрии, реакционной и конформационной способности и т.д., а неизменным, по
существу остаётся только число ядер и электронов, и последовательность соединения атомов в
молекуле.
При образовании, разрушении, ослаблении Н-связи изменяются электрические состояния как
взаимодействующих молекул, так и самих ассоциатов воды.
В жидкой воде характер молекулярного движения сложный. Такая нелинейная система как
вода, обладая различными вариантами движения, способна к самоорганизации при действии
внешних физических факторов. Ориентационные и поляризованые свойства межмолекулярных
Н-связей способствуют реализации различных структур (кластеры, ассоциаты) в жидкой воде.
Проявление этих коллективных мод находятся в ближней и дальней областях ИК спектра.
По данным спектрографических исследований известно, что когда группа ОН вступает в
водородную связь, её валентная частота уменьшается и что более сильным водородным связям
соответствует значительное уменьшение частоты (на 70-100 см¯1).
В жидкой воде частота молекулярных переориентации и трансляционных колебаний
происходит с частотой 10¯¹¹-10¯12 с. Характерно, что двухзарядовые катионы Са2+ и Мg2+
вызывают смещение частот VОн - колебаний на 150-170 см¯1. То же самое отмечается при
понижении температуры.
Для среды с μ=1 (вода) качественное различие между магнитной индукцией В и
напряжённостью Н магнитного поля исчезает.
Начиная с самых низких частот v до области радиочастот величина ε (диэлектрическая
проницаемость) чистой воды не зависит от частоты.
Удельная ёмкость всех биологических мембран (клеток, митохондрий) по порядку величины
составляет 1 мкФ/см и не зависит от частоты во всём радиочастотном диапазоне. В области
низких частот удельная ёмкость с уменьшением частоты возрастает, что объясняется
действием дополнительных механизмов релаксации как в самих мембранах, так и в
окружающей их водной среде (Шван Х.П., Фостер К.Р., 1980).
Ядра молекул воды вдали от фиксированных положений по отношению друг к другу
(например, в кластерах и ассоциатах) находятся в непрерывном колебательном состоянии.
Важная особенность этих колебаний в том, что они могут быть описаны ограниченным числом
колебаний, известных как нормальные моды (при них все ядра осцилируют с одинаковой
частотой и в одной фазе). Размеры молекул воды при этом мало зависят от колебательных
состояний.
Колебания кластера инертного газа можно отнести к квантовым осцилляторам. Важной
особенностью такого осциллятора является то, что в энергетическом спектре его уровни
энергии (еп) расположены на равных расстояниях и уровнях. В связи с тем, что правила отбора
разрешают в данном случае переходы только между соседними уровнями, то, хотя квантовый
осциллятор имеет набор собственных частот, излучение его происходит на одной частоте,
совпадающей с классической: v =
/
(V — частота, m - масса осциллятора).
Эквивалентность энергии и массы справедлива для любого вида энергии (излучения).
При внедрении инертного газа в пустоты ассоциата воды, связывающие пары молекул воды
смещаются в сторону атома инертного газа как более отрицательного элемента. Это смещение
приводит к несовпадению центров положительных и отрицательных зарядов, кластер
поляризуется, приобретает характер диполя. Полярность кластера оценивается величиной
момента диполя μ, представляющего собой произведение расстояния между центрами зарядов
(длины диполя) τ на величину электрического заряда ε. Количественной мерой поляризуемости
кластера наряду с моментом диполя является также эффективный заряд атома инертного газа (у
Хе он наибольший по сравнению с другими инертными газами).
В кластерах инертных газов электроотрицательность инертного газа больше, чем
электроотрицательность Н2О. В этом случае молекулы воды будут иметь положительный
эффективный заряд > 0, но < +1, атом инертного газа - соответствующий отрицательный заряд.
Чем больше значение эффективного заряда атома приближается к целому числу (1, 2, 3 и т.д.),
тем больше подтверждается, что связи в кластере носят чисто ионный характер. Ковалентный
характер носят только связи самих молекул Н2О. Между встроенным в ассоциат неполярным
атомом инертного газа и полярными молекулами Н2О возникает индукционное
(деформационное) взаимодействие. При этом электрическое поле полярных молекул воды
ассоциата вызывают смещения центра тяжести зарядов инертного газа и образовывают диполь,
ориентированный своим положительным полюсом к отрицательным полюсам молекул воды.
Электрические поля соответственно ориентированных молекул Н2О могут вызывать
дополнительное смещение центров тяжести зарядов и тем самым усиливать дипольное
взаимодействие (внутрикластерное ориентационное взаимодействие).
Образовавшийся кластер инертного газа со своим дипольным моментом обусловливает
притяжение соседних аналогичных кластеров, которое проявляется тем больше, чем больше
дипольный момент атомов инертного газа μ. Чем больше размер атома инертного газа, тем
больше дипольный момент кластера им образованного, тем сильнее взаимодействие между
собой и дипольными молекулами мембраны нервной клетки.
Тепловое движение нарушает взаимную ориентацию полярных кластеров, повышение
температуры при этом ослабляет ориентационное взаимодействие. Повышение давления наоборот. Так как ассоциаты воды неполярны (μ = 0), ориентационный эффект у них
отсутствует. Тепловым движением они легко замещаются полярными кластерами инертного
газа на мембране нервной клетки (или внутримембранно).
Кластеры инертного газа взаимодействуют с дипольными молекулами мембраны нервной
клетки до момента, когда нарушается равновесие, которое было в момент его образования
(изменение концентрации, температуры, давления - парциального давления).
Собственное ЭМП воды меньше 10¯⁵ Вт/см² и дискретно в широком диапазоне частот - от 1014
Гц < v < 1,0 Гц (Слесарев В.И., 2004). Являясь диссипативным осциллятором, кластер ксенона
излучает низкоинтенсивное (<kТ), низкочастотное (0,07-3,7 Гц), нелинейное излучение. После
выведения Хе из ассоциата воды, последний также продолжает воспроизводить диссипативное
излучение, но с несколько более высокими частотами. В атомных системах большая величина
излучённого кванта означает более высокую частоту колебаний и наоборот. Частота в
постксеноновом ассоциате значительно выше за счёт удаления из его состава атома (-ов)
ксенона с относительной атомной массой 131,29.
При спектральной плотности поглощённого рецептором (участком мембраны) нервной клетки –
отсутствие биохимических реакций) для длины волны 780-800 нм при Еv = 2,485-10¯19 Дж.
Эндоэргические процессы для таких длин волн и энергий запрещены.
Минимальный квант энергии определяется частотой колебаний. Величина этого минимального
кванта энергии определяется как h = 6,62-10¯34 кг-м2/сек. При этом частота колебаний фотонов
фиолетового спектра составляет ≈1016 Гц, что соответствует длине волны около 400 нм. Частота
колебаний фотонов ИК спектра составляет ≈1014 Гц, что соответствует длине волны 800 нм.
Излучение кластера ксенона (≈800 нм) вызывает торможение метаболических процессов,
функций и приводит к наркозу.
Излучение постксенонового ассоциата воды (≈350-450 нм) активирует все жизненно важные
процессы, функции от клеток до органов и систем. Поэтому и выход из ксенонового наркоза
происходит быстро и без метаболических отклонений.