Медицина и квантовая нелинейная механика на пленках белка.

Самоорганизация белка и квантовая механика

Рапис Е.

Тель-Авивский Университет,
лаборатория симметрии профессора Ю.Неэмена, Рамат-Авив, Израиль

 

Нарастающие темпы прогресса в биологии и медицине, позволяющие предполагать и надеяться на то, что 21 веке должен произойти следующий, пока назревающий, революционный скачок в этих областях знаний.

Он должен быть связан с раскрытием тайны работы белка, процесса его самоорганизации.

Этот прорыв готовится в недрах новейшей физики, идущей по пути объединения классической макрофизики и квантовой механики. Последняя все глубже проникает в суть процессов самоорганизации и самосборки разных видов материи в зависимости от масштабов (нанонаука).

Только совместные усилия ученых разного профиля помогут поднять биологию и медицину на новую ступень познания, соединяя воедино представления о микро и макропроцессах в биологических системах. Это позволит научиться управлять энергетикой живого в реальное время в реальном пространстве, вплоть до макроскопического уровня.

Теория диссипативных структур с нелинейной динамикой уже начала проникать в сферу биологии и медицины (Г.Николис, И.Пригожин,1983).

Не за горами момент экспериментального проникновения этих знаний в заповедник “демона Максвелла” - механизма функционирования мотора белка.

Можно подумать, что полученные нами экспериментальные данные о возникновении возбужденной, энергетически активной, когерентной системы белка в неравновесных условиях являются первыми шагами на этом пути (Е.Рапис 1988,1997-2000).

Проведенные опыты показали, что в процессе конденсации открытой системы белок- вода вдали от термодинамического равновесия появляется бегущий фронт спиральных волновых колебаний с постоянной амплитудой и анизотропией. Затем возникает оптический пульс с алгоритмическим повторением скачкообразного изменения цвета. Постепенно флюктации усиливаются распространяются и размножаются по различным направлениям, завладевая всей системой. Это создает эффект синхронизации и автокатализа.

Данная картина известна как автоволновой процесс, возникающий при самоорганизации только в активных средах (Zaikin A., Zhabotinsky A.,1970; с соавто.,1987) и др.

Таким образом, обнаруженные при самоорганизации данной среды свойства: бегущий фронт аниатропных волн с чередованием интерференционной окраски; наличие светового пульса (с изменением цвета); самонодобие; автокатализ; образование согласованных полей (геометрически связанных точек, дефектов, структур) все это согласуется с представлениями о квантовых когерентных явлениях, возникающих только в неравновесных системах (Cornell E., 1995, Conrad M., 1997).

В настоящее время известно, что квантово-механические волны характеризуют особое состояние атомов системы. Каждый ее атом теряет свою отдельную идентичность, они как бы сливаются и вся масса становится “сплошным” квантовым состоянием. Это подобно тому, что лазер делает со светом (Taube G., 1995). Автор подчеркивает, что при когерентном состоянии обычные микроскопические законы квантовой механики управляют поведением макросистем.

Отсюда следует, что проведенные нами опыты, устанавливая в квантовой когерентной системе белок-вода при ее конденсации закономерности и образующейся пленке белка на макроуровне, фактически позволяют открывать обычные микроскопические законы квантовой механики в данной биологической системе.

Однако нами только начата расшифровка свойств надмолекулярной архитектуры кластерных пленок белка на клеточном мезо и макроуровне. Это направление исследований пока не получило широкого распространения. Проблема самоорганизации белка на клеточном уровне в неравновесных условиях остается неизученной в достаточной степени. И потому, связанные с этим, общие механизмы активации биологических систем нельзя считать известными.

В тоже время простая экспериментальная модель неравновесной модификации белка “протос” in vitro/Рапис Е., 2000) позволяет перейти от теоретических проблем самоорганизации белка на клеточном уровне в практическую сферу медицины, в ее диагностические и лечебные аспекты.

Прежде всего, необходимо учитывать, что биологическая модицикация белка является неравновесной система, которая работает в режиме когерентной нелинейной динамики. Это, как известно, удовлетворяет требования теории квантовой механики (Conrad M., 1997). Согласно последней для когерентной работы белка должны постоянно поддерживаться соответствующие неравновесные условия среды (далекие от термодинамического равновесия).

Естественно, что нарушение этих условий способно приводить к различным видам патологии в процессе самоорганизации белка.

Это, прежде всего, может касаться потери или изменения характера ряда перечисленных особенностей поведения данной системы (когерентности, светового импульса, симметрии и др.).

Можно предполагать, что квантовые когерентные и нелинейные свойства лазерных лучей способны инициировать и поддерживать такие же явления в биологических средах и, прежде всего, в системе белок-вода.

Взаимодействие когерентного света и биологических тканей, а также контроль за этими процессами с помощью лазера является одной из важнейших проблем в последние годы, Чаще всего с этой целью используют лазерный световой пульс (Shelton R., et. Al., 2001; Lukin M., Imamoglu A., 2001; Julgaart B. Et/ al., 2001).

В тоже время нами установлено появление согласованного оптического пульса в процессе самосборки (Self-Assembly) пленок белка. Нам кажется уместным высказать гипотезу о том, что измерение параметров пульса белковой пленки (ее фазы, частота и т.д.) может оказаться подходящим приемом для диагностики нормального и патологического состояния динамики квантовой системы белок-вода. Мы полагаем что, наблюдая за оптическим пульсом пленки белка (в фазе жидкого кристалла) под влиянием лазерного света, мы сможем улавливать характер взаимодействий двух динамических когерентных систем, изменяя, тем самым, процесс самоорганизации белка в нужном направлении. Это позволит подбирать адекватные методы лечебного воздействия на биологическую систему, используя различные источники и характеристики лазерного излучения.

Для того, чтобы диагностировать конечную стационарную фазу процесса самоорганизации белка в норме и при патологии нами использован метод геометрического изучения высушенных образцов белка или биологических жидкостей (Рапис Е., 1998). При этом морфогенез, образующейся структуры, может быть описан математически с помощью метода прерывистой симметрии (Mainzer K., 1988).