Биоэлектродинамика
Биоэлектродинамика — раздел медицинской физики и биоэлектромагнетизма , который занимается быстроизменяющимися электрическими и магнитными полями в биологических системах, т.е. высокочастотными эндогенными электромагнитными явлениями в живых клетках. В отличие от явлений, изучаемых электрофизиологией , механизм возникновения биоэлектродинамического явления не связан с токами ионов и его частота обычно значительно выше. Примеры включают колебания электрически полярных внутриклеточных структур и нетепловое излучение фотонов в результате метаболической активности.
Теории и гипотезы
[ редактировать ]Было опубликовано множество теоретических работ по теориям и гипотезам, описывающим генерацию электромагнитного поля живыми клетками в очень широком диапазоне частот. [1] [2] [3] Самой влиятельной из них когда-то была, вероятно, гипотеза Фрелиха о когерентности биологических систем, выдвинутая Гербертом Фрелихом в конце 1960-х годов. [4] Несмотря на то, что экспериментальных подтверждений гипотезы Фрелиха пока не существует, численные оценки указывают на биологическую осуществимость, по крайней мере, слабой конденсации Фрелиха. [5]
Последние теоретические соображения предсказывают генерацию радиочастотного электромагнитного поля в клетках в результате колебаний электрически полярных внутриклеточных структур, например микротрубочек . [6] Излучение в оптической части электромагнитного спектра обычно приписывается активным формам кислорода (АФК).
Экспериментальные доказательства
[ редактировать ]Биоэлектродинамические эффекты экспериментально доказаны в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. [7] О спонтанном излучении фотонов живыми клетками, интенсивность которого значительно превышает интенсивность излучения теплового излучения, неоднократно сообщалось рядом авторов на протяжении десятилетий. [8] Эти наблюдения демонстрируют экспериментальную простоту и хорошую воспроизводимость. Хотя нетепловое излучение фотонов живыми клетками является общепризнанным явлением, о его происхождении и свойствах известно гораздо меньше. С одной стороны, его иногда связывают с хемилюминесцентными метаболическими реакциями (включая, например, активные формы кислорода (АФК) [9] ), с другой стороны, некоторые авторы связывают это явление с далекой от равновесной термодинамики. [ нужна ссылка ]
Косвенные данные существуют об акустических и радиочастотах; однако прямое измерение полевых величин отсутствует. Поль и другие наблюдали силовое воздействие на диэлектрические частицы, которые притягивались к клеткам и отталкивались от клеток соответственно, в зависимости от диэлектрической проницаемости частиц. [10] Поль объяснил такое поведение диэлектрофорезом, вызванным электромагнитным полем клеток. Он оценил частоту этого поля примерно в сотни МГц. Другое косвенное свидетельство связано с тем фактом, что механические колебания в клетках были экспериментально доказаны в очень широком диапазоне частот. [11] Поскольку многие структуры в клетках электрически полярны, при вибрации они будут генерировать электромагнитное поле. [12]
Споры
[ редактировать ]Поскольку вопрос, открытый на протяжении десятилетий, биоэлектродинамика не всегда была частью научного мейнстрима, и поэтому иногда к ней относились с низкими научными стандартами. Это особенно актуально для:
- - завышение значимости полученных экспериментальных данных (Кусера [13] утверждает, что заявления ряда авторов о прямом измерении электромагнитной активности клеток в радиочастотном диапазоне следует воспринимать со скептицизмом, поскольку технические свойства экспериментальных установок даже не соответствуют критериям, вытекающим из оптимистических теоретических биофизических предсказаний. Во-первых, пространственное разрешение используемых датчиков было слишком низким по сравнению с ожидаемой пространственной сложностью электромагнитного поля в клетках. Во-вторых, чувствительность экспериментальных установок была недостаточно высокой по сравнению с мощностью, доступной в живой клетке.
- - неправильная интерпретация экспериментальных данных ( Фрица-Альберта Поппа утверждение о когерентности фотоэмиссии клеток [14] основан на статистическом распределении количества фотонов; однако это не является доказательством согласованности. Когерентное излучение (см. когерентные состояния ) имеет распределение Пуассона , но распределение Пуассона не связано исключительно только с когерентными процессами.) и
- - выработка неподтвержденных гипотез. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Приэль, Авнер; Тушински, Джек А.; Кантьелло, Орасио Ф. (2005). «Электродинамическая передача сигналов дендритным цитоскелетом: к модели внутриклеточной обработки информации». Электромагнитная биология и медицина . 24 (3). Информа UK Limited: 221–231. дои : 10.1080/15368370500379590 . ISSN 1536-8378 . S2CID 83894290 .
- ^ Цифра, М. (2012). «Электродинамические собственные моды в клеточной морфологии». Биосистемы . 109 (3). Эльзевир Б.В.: 356–366. doi : 10.1016/j.biosystems.2012.06.003 . ISSN 0303-2647 . ПМИД 22750075 .
- ^ Чжоу, Шу-Анг; Уэсака, Мицуру (2006). «Биоэлектродинамика в живых организмах». Международный журнал инженерных наук . 44 (1–2). Эльзевир Б.В.: 67–92. дои : 10.1016/j.ijengsci.2005.11.001 . ISSN 0020-7225 .
- ^ Г. Дж. Хайланд и Питер Роулендс (редакторы) Герберт Фрелих FRS: физик, опередивший свое время. (Ливерпульский университет, 2006 г., 2-е издание, 2008 г.) ISBN 978-0-906370-57-5
- ^ Реймерс-младший; Маккемиш, ЛК; Маккензи, Р.Х.; Марк, А.Е.; Тише, Н.С. (26 февраля 2009 г.). «Слабые, сильные и когерентные режимы конденсации Фрелиха и их приложения к терагерцовой медицине и квантовому сознанию» . Труды Национальной академии наук . 106 (11): 4219–4224. Бибкод : 2009PNAS..106.4219R . дои : 10.1073/pnas.0806273106 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2657444 . ПМИД 19251667 .
- ^ Покорный, Иржи; Гашек, Иржи; Елинек, Франтишек (2005). «Электромагнитное поле микротрубочек: влияние на перенос массовых частиц и электронов» . Журнал биологической физики . 31 (3–4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 501–514. дои : 10.1007/s10867-005-1286-1 . ISSN 0092-0606 . ПМЦ 3456341 . ПМИД 23345914 .
- ^ Кучера О, Червинкова К, Нерудова М, Цифра М (2015). «Спектральный взгляд на электромагнитную активность клеток». Актуальные темы медицинской химии . 15 (6): 513–522. дои : 10.2174/1568026615666150225103105 . ПМИД 25714382 .
- ^ Цифра, Михал; Филдс, Джереми З.; Фархади, Ашкан (2011). «Электромагнитные клеточные взаимодействия». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 105 (3). Эльзевир Б.В.: 223–246. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.003 . ISSN 0079-6107 . ПМИД 20674588 .
- ^ Прасад, Анкуш; Поспишил, Павел (20 октября 2011 г.). «Двумерное изображение спонтанного излучения сверхслабых фотонов из кожи человека: роль активных форм кислорода». Журнал биофотоники . 4 (11–12). Уайли: 840–849. дои : 10.1002/jbio.201100073 . ISSN 1864-063X . ПМИД 22012922 .
- ^ Пол, Герберт А.; Крейн, Джо С. (1971). «Диэлектрофорез клеток» . Биофизический журнал . 11 (9). Эльзевир Б.В.: 711–727. Бибкод : 1971BpJ....11..711P . дои : 10.1016/s0006-3495(71)86249-5 . ISSN 0006-3495 . ПМК 1484049 . ПМИД 5132497 .
- ^ Крузе, Карстен; Юлихер, Франк (2005). «Колебания в клеточной биологии». Современное мнение в области клеточной биологии . 17 (1). Эльзевир Б.В.: 20–26. дои : 10.1016/j.ceb.2004.12.007 . ISSN 0955-0674 .
- ^ Кучера, Ондржей; Гавелка, Дэниел (2012). «Механо-электрические колебания микротрубочек - связь с субклеточной морфологией». Биосистемы . 109 (3). Эльзевир Б.В.: 346–355. doi : 10.1016/j.biosystems.2012.04.009 . ISSN 0303-2647 . ПМИД 22575306 .
- ^ Кучера, Ондржей; Цифра, Михал; Покорный, Иржи (20 марта 2010 г.). «Технические аспекты измерения электромагнитной активности клеток». Европейский биофизический журнал . 39 (10). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 1465–1470. дои : 10.1007/s00249-010-0597-8 . ISSN 0175-7571 . ПМИД 20306029 . S2CID 36245681 .
- ^ Попп Ф.А. (1999) О когерентности биофотонов. 1999. Материалы международной конференции по макроскопической квантовой когерентности , Бостонский университет.