Гаряев П. П. – Волновой генетический код




НазваниеГаряев П. П. – Волновой генетический код
страница6/11
Дата16.09.2012
Размер1.32 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

ЗАПИСЬ ИК-ЛАЗЕРНОГО СИГНАЛА

НА УРОВНЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ ДНК


Общая посылка данной части работы заключается в том, что хромосомный аппарат и его главная часть ДНК генерируют знаковые волновые структуры. Вместе с тем, геном способен на основе такого рода волновой памяти распознавать и корректировать пространственно-временную структуру биосистемы. Необходим простой и однозначный экспериментальный результат, который показал бы, что молекулы ДНК в принципе способны к памяти на внешнее электромагнитное поле. В качестве такового был выбран ИК-лазерный сигнал с учетом того, что ДНК in vivo оперирует таким излучением. Мы поставили несколько серий экспериментов для того, чтобы ввести in vitro такой искусственный лазерный сигнал в гель молекул ДНК с последующим анализом их нелинейной динамики как системы отображения ИК-лазерного воздействия на уровне явления возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ) [25]. Для введения такого рода сигнала в нелинейно-динамический континуум геля ДНК мы использовали импульсный режим работы ИК-лазера Ga-As с длиной волны 890 нм, частотой повторения импульсов 600 Гц со средней мощностью (минимум 0,8; максимум 3,1) Вт с временем однократной экспозиции 4 сек. Регистрацию воздействий лазера и подготовку образцов ДНК из эритроцитов кур вели в соответствии с [25], в частности, с использованием метода корреляционной лазерной спектроскопии. Анализ поведения временных автокорреляционных функций (АКФ) светорассеяния ДНК показал, что сигнал ИК-лазера запоминается биополимером в форме периодической стохастизации АКФ и носит долговременный и устойчивый характер. Периодические повторы стохастических АКФ допустимо трактовать как одну из форм явления возврата Ферми-Паста-Улама, сочетанного со свойственной этому явлению памятью. Замораживание ДНК геля в течение недели не влияет на приобретенную память на ИК-лазерный сигнал. После размораживания периодическая стохастизация АКФ данного препарата сохраняется, если поддерживать препарат в высокополимерной форме. Таким образом, удалось впервые осуществить запись внешнего искусственного импульсного ИК-лазерного воздействия на уровне нелинейной динамики ДНК, что может служить простейшей реалистической моделью эпигеноволновых процессов in vivo.


О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА

НА ИНФОРМАЦИОННЫХ

БИОМАКРОМОЛЕКУЛАХ [30]

Прошло несколько десятилетий после того, как лауреаты Нобелевской премии академики РАН А.Н.Прохоров, Н.Г.Басов (Россия) и Чарльз Таунс (США), высказали идею, а затем реализовали ее, о возможности создания квантовых генераторов. Сейчас трудно сказать, в какой области науки и техники они не применяются (от биологии и медицины до лазерного термоядерного синтеза). Последующие исследователи внесли свой крупный вклад в развитие этой проблемы.

В данной части работы ставится вопрос: можно ли in vitro создать лазер на информационных биомакромолекулах, прежде всего на ДНК, РНК и хромосомах? Вряд ли может идти речь о создании энергетически мощных лазеров на этих структурах. Вопрос звучит по-иному: какие новые знания мы можем получить о ДНК, РНК и хромосомах, создав такой лазер и исследуя характер его излучения? Можно думать, что это будут принципиально новые данные. Например, об их нелинейной динамике, в том числе солитонного типа, о ровибронных колебаниях, о модуляциях дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, переносе энергии в другие, ранее недоступные (в таком варианте методологии) слои информации. При этом динамические модификации лазерного пучка могут иметь cемантико-гено-биознаковый характер и поэтому будут обладать мощной биологической активностью.

Первые соображения по этому поводу были предложены нами ранее [25,30]. В том числе обсуждалась идея о создании лазерной системы на Фрёлиховских модах [3]. Сложность доказательства правильности всех этих мыслей состоит в том, что большинство генетических структур, содержащих в своем составе ароматические и гетероциклические кольца, “прозрачны” для характерного спектрального диапазона 350400нм. Трудность также и в том, что если использовать мощную оптическую накачку, то это, учитывая “хрупкость” биоструктур, неизбежно приведёт к их разрушению.

В настоящей главе для реализации некоторых из обсуждавшихся положений проведено исследование in vitro спектров двухфотонно-возбуждаемой люминесценции (ДВЛ) геле-жидкокристаллических препаратов нуклеогистона, являющегося суммарной фракцией хромосом, в которой преобладают гистоновые белки, и ДНК (стандартные высокополимерные препараты фирмы “Sigma”). Для существенного увеличечения интенсивности ДВЛ генетических структур нами предложен способ активации люминесценции за счет введения в состав исследуемых образцов активаторов (доноров) ДВЛопределенных (близких по спектру оптического поглощения ДНК и нуклеогистону) органических молекул. Такие молекулы характеризуются большой интенсивностью спектров излучения, которые располагаются в области собственного оптического поглощения ДНК и нуклеогистона. В качестве активатора мы использовали кристаллический препарат димедрола, структура которого включает пару бензольных колец. Для димедрола это обеспечивает интенсивный спектр ДВЛ, имеющий вид широкой асимметричной полосы в диапазне 280 350нм.

Для фотонной накачки исследуемых препаратов мы применяли лазер на парах меди. Этот лазер работает в стандартном импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 10кГц, со средней мощностью Вт, пиковой мощностью 10Вт, длинами волн генерации  = 510,8нм и 578,2нм (зеленая и желтая линии), длительностью импульсов нс. Лазерное излучение направляли на исследуемый образец в виде сфокусированного пятна размером мм. Применение такого лазера как инициатора ДВЛ оказалось весьма эффективным при изучении электронно-колебательных спектров белков, ДНК, нуклеогистона и их компонентов (пурины, пиримидины, аминокислоты [19,30]). Регистрирующая аппаратура включала: фильтр для выделения лазерных линий с =510,8 и 578,2 нм, фильтр для выделения излучений люминесценции в УФ и фиолетовом диапазонах (с подавлением лазерного излучения), монохроматор (тип МДР2) для сканирования спектра в широком интервале (от УФ до видимой области), двухкоординатный самописец для регистрации спектров, измеритель для контроля опорного сигнала и определения эффективности наблюдаемого сигнала. Для подавления тепловых шумов применяли строб-импульс длительностью 2530нс, синхронизированный с импульсом возбуждения. Регистрацию вторичного импульса излучения проводили с ФЭУ130. Исследования спектров ДВЛ геле-жидкокристаллического препарата ДНК в смеси с димедролом (ДНК-ДЛ) и нуклеогистона с димедролом (НГ-ДЛ) показали, что амплитуда ДВЛ спектра ДНК-ДЛ лишь на порядок меньше таковой спектра ДВЛ чистого димедрола. Это обеспечивает существенное увеличение интенсивности ДВЛ смеси ДНК-ДЛ по сравнению с чистым препаратом ДНК в форме жесткого геля [19]. На этом же спектре обнаруживается ряд дополнительных особенностей изучаемых смесей. Оказалось, что квантовый выход ДВЛ для смеси НГ-ДЛ ниже, чем для смеси ДНК-ДЛ. Другая характерная черта  разгорание или тушение ДВЛ во времени. Для НГ-ДЛ наблюдается нарастание ДВЛ во времени. Обратный эффект наблюдается в случае ДНК-ДЛ. Представляет интерес присутствие вибронной структуры в спектрах ДВЛ в виде отдельных перекрывающихся полос в области 310370 нм, особенно для ДНК-ДЛ. Такая структура близка к ранее наблюдавшимся спектрам ДВЛ для нуклеозид-трифосфатов [19].

Механизм резкого увеличения квантового выхода ДВЛ нуклеогистона и ДНК при наличии донор-активатора (димедрола) может быть объяснен быстрой квазирезонансной передачей энергии от возбужденных молекул димедрола к исследуемым геноструктурам. Наблюдаемая при этом тонкая многополосчатая структура ДВЛ спектров коррелирует с характером вибронных полос для ряда ароматических и гетероциклических соединений, включая чистые нуклеозид-трифосфаты и ДНК [19]. Возникновение такого рода дискретизации спектров можно трактовать переходом электронов биомакромолекул с электронного терма S1 на возбужденные колебательные уровни основного состояния S0. В связи с этим может быть реализована инверсная заселенность на переходах при достаточном заселении терма .

Проведем оценки необходимой интенсивности лазерного излучения для создания инверсии (суперфлуоресценции) в условиях проведенных опытов.

Условия инверсии записываются следующим образом:

, (1)

где плотность рабочих молекул в состоянии , плотность молекул в состоянии , и соответствующие статистические веса квантовых уровней.

Плотность заселенности оценивается из соотношения

, (2)

где   скорость заселения уровня , скорость его распада за счет излучательного процесса и (или) безызлучательных процессов.

Для величины имеем оценку:

(3)

где W и энергия и длительность лазерного импульса, эффективный объем среды, в котором реализуется двухфотонное поглощение (S площадь поперечного сечения сфокусированного светового пучка, падающего на исследуемый образец, эффективная длина проникновения излучения в образец), плотность биомакромолекул (ДНК или нуклеогистона).

С учетом соотношений (1) (3) условие для cоздания инверсной заселённости суперфлуоресценции записывается в виде

.

Используя характерные данные

(длянм) = Дж,

 10нс,, ,

получаем оценку ,

что близко к использованным значениям интенсивности в наших экспериментах.

Проведенные экспериментальные исследования и их теоретические оценки дают основание достаточно уверенно предполагать, что при используемых режимах двухфотонного возбуждения с использованием активатора-димедрола в геноструктурах in vitro реализуется усиление люминесценции, т.е. излучение ДНК и нуклеогистона носит характер суперфлуоресценции.

Не исключено, что в биосистеме роль димедролоподобных веществ в качестве активаторов могут выполнять эндогенные соединения, прямо или косвенно взаимодействующие с ДНК и хромосомами (стероидные гормоны, углеводы, нуклеозид -моно, -ди и -трифосфаты, некоторые витамины (например, рибофлавин), ароматические и гетероциклические аминокислоты, катехол- и индолалкиламины, некоторые антибиотики, наркотические вещества (например, эндогенные морфины  метаболиты этанола и пептиды-эндорфины), алкалоиды, токсины, ко-факторы ферментов, гем-содержащие белки и другие многочисленные органические соединения, содержащие бензольные и гетероциклические компоненты.

Неясны условия реализации инверсной электронной заселенности геноструктур in vivo, близкие тем, которые использовались нами в режимах ДВЛ. Такие условия могут создаваться в биосистемах, например, за счет фотон-фононных взаимодействий в ДНК в рамках теории Дике1.

Однако, это относится к чисто физическим механизмам. Что касается физико-биохимических процессов, приводящих к лазерной накачке ДНК и хромосом in vivo, то в качестве таковых можно предсказать наличие в биосистемах мощных АТФ-азных систем, поставляющих энергию для перевода генетических структур в биокогерентные состояния (аналогичные тем, что как частный случай изложены в настоящей главе).


ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ БИОЛАЗЕРА

НА ФРЕЛИХОВКИХ МОДАХ [3]


В данной главе обсуждается и аналитически рассматривается возможность создания перевозбужденного состояния основной (выделен-ной) коллективной Фрелиховской моды за счет когерентного резо-нансного взаимодействия электромагнитного (амплитудно-модулиро-ванного) излучения с Фрелиховским осциллятором. В рамках по-нятий лазерной физики речь идет о создании инверсной заселенности между квантовыми уровнями выделенной колебательной моды и, в итоге, о реализации “in vitro-in vivo” суперфлуоресценции и лазерной генерации с использованием в качестве рабочих тел молекул ДНК, РНК, белков, а также таких надмолекулярных структур, как рибосомы, полирибосомы и хромосомы.

Подчеркнем, что в отличие от Фрелиховского подхода, в котором подразумевается квазинеравновесное состояние (колебательная температура выделенной моды превосходит таковую “тепловой бани” Tvib>Teq>0, т.е. колебания квазиравновесны), в данной работе оценены условия, при которых система рассматриваемых биосубстратов инвертирована (Tvib<0), что прямо связано с созданием инверсной населенности.

Итак, Фрелиховская мода моделируется двухуровневой квантовой системой (уровень 1  основное состояние, 2  верхнее), возбуждаемой резонансным амплитудно-модулированным электрическим полем

 t=og(t)сost , (1)

где o  амплитуда напряженности поля, g(t)  модуляционный фактор, =21 (21 частота перехода 21).

Процесс возбуждения колебаний моды описывается уравнением Больцмана для матрицы плотности:

, (2)

где оператор гамильтона в дипольном приближении имеет вид:

где Ho=21 гамильтониан изолированной двухуровневой системы, оператору соответствует матрица с элементами 11=12=21=0, 22=1,  оператор прекции индуцированного дипольного момента осциллятора на направление поля,  равновесная матрица плотности, феноменологически введенное время релаксации (для диагональных элементов =T1, для недиагональных  T2).

Уравнению Больцмана (2) эквивалентна следующая система уравнений для элементов матрицы плотности (ik; i,k=1,2):

i(11+(111)/T1)= E(t)(2112 1221),

i(12+12/T2)= 2112E(t)12(22 11) , (3)

i(21+21/T2)= +2121+E(t)21(22 11)

с учетом уровня нормировки

22+11=1 (4)

Нетрудно показать, что система (3) может сводиться к уравнению (при выкладках вторыми гармониками exp(2i21t) пренебрегалось): 22+22+

22 (0) = 22 = 0, (5)

где =Eo21/  частота Раби. Заметим, что амплитудная модуляция поля приводит не только к модуляциям частоы Раби, но и к модуляции “коэффициента трения” осциллятора.

Ниже рассматривается случай T1=T2=T. Можно показать, что уравнение (5) допускает точное решение для произвольной функции g(t):

(6)

G(t)=

(t’)dt’ (7)

Рассмотрим случай периодической модуляции амплитуды напряженности поля

g(t)=cost . (8)

Если период модуляции T=2/ короче времени релаксации (T<< дает:

<22>=1/2 (9)

и, соответственно, (4):

<11>=1/2,

где  функция Бесселя нулевого порядка, так что для разности населенностей уровней 2 и 1 имеем

=. (10)

Из (10) четко следует, что в диапазонах параметра , где k=1,2,.. и  корни функции Бесселя, вероятность заселения уровня 2 превосходит таковую для уровня 1. Другими словами, мы имеем перевозбужденное инвертированное состояние осциллятора, что является необходимым условием для создания условий лазерной генерации (). Ситуация здесь аналогична процессу раскачивания маятника с пульсирующей точкой подвеса (маятник Капицы, классическое рассмотрение1).

Для больших времен, t>>T, функция G(t), входящая в соотношение (6), имеет вид:

G(t)=P(t)cos+ Q(t)sin,

P(t)=

Q(t)=2, (11)

где J  функция Бесселя соответствующего порядка.

Из (11) следует важный вывод: когерентный механизм взаимодействия Фрелиховских мод с резонансным амплитудно-модулированным полем обусловливает незатухающие колебания диагональных элементов матрицы плотности для времен t, превосходящих времена релаксации системы, причем частоты пульсаций кратны частоте амплитудной модуляции .

Усредняя (11) за период T, получаем

= , (12)

где x= функции Бесселя мнимого порядка (i  мнимая единица). В частном случае, когда период модуляции Tкороче времени релаксации T, x <<1,

<>=1/2, <>=1/2, (13)

так что

<> <>= . (14)

В данном случае эффект инверсии не реализуется.

Рассмотрим случай, когда закон модуляции задается соотношением

g(t)=1+. (15)

По аналогии с предыдущим для функции G(t), входящей в соотношение (6), можно получить (T.

G(t)=. (16)

Из (16) видно, что спектр пульсаций диагональных матричных элементов и включает, кроме частоты Раби, “стоксовые” и “антистоксовые” комбинационные частоты . Допустим для определенных n выполнено условие , т.е.

(17)

тогда, как следует из (16), постоянная составляющая для вероятностей и сдвигается. Динамическому состоянию равновесия при этом соответствуют величины:

<>=1/2, <>=1/2, (18)

так что

Эффект инверсии ( реализуется при условии

. (19)

Если параметр глубины модуляции лежит в диапазонах, где значения функции Бесселя отрицательны, то реализуется режим перевозбуждения системы (информационных биомакромолекул и надмолекулярных структур).

Таким образом, высказана идея принципиальной возможности создания биолазеров на Фрелиховских модах in vitro, а также инициации таких процессов в живой клетке в дополнение (или коррекции) к известным естественным лазероподобным процессам в биосистемах. Показано, что в определенных условиях в случае когерентного (резо-нансного) взаимодействия амплитудно-модулированного внешнего электромагнитного излучения с Фрелиховской модой  система информационных биоструктур может существовать в перевозбужденном состоянии, что является необходимой предпосылкой для создания знаконесущих биолазеров.

Необходимо отметить,что описанный выше механизм формирования биолазеров на основе молекул ДНК позволяет подойти к попытке реализации еще одной фундаментальной гипотезы Фрелиха о возможности перекачки энергии kТ внутриклеточной жидкости в энергию электрических колебаний в молекуле ДНК1. В соответствии с этой гипотезой стохастические тепловые колебания kТ раствора могут резонансно взаимодействовать (в определенном интервале частот) с колебательными модами молекулы ДНК, и благодаря тому, что как молекула ДНК, так и молекулы белков представляют собой распределенные нелинейные колебательные структуры, часть энергии может группироваться в низкочастотных модах этих молекул. Иными словами, молекула ДНК в растворе может частично преобразовывать энергию колебаний kТ в энергию собственных мод. Заметим, что даже в рамках предложенного квазили-нейного подхода проблема перекачки тепловой энергии раствора может быть сведена к механизму затухания квантового осциллятора, который был предложен А.Пиппардом2. C учетом этого в уравнение Шредингера вводится комплексный потенциал, интерпретирующий передачу энергии осциллятора большому числу мод расширяющегося сферического резонатора. Если размеры этого резонатора конечны, как в случае с живой клеткой, то возникнет резонансный обмен энергии между модами kТ раствора и электрическими модами молекулы ДНК. Эти рассуждения также говорят в пользу того, что и в водно-жидкокристаллическом электролите клеточно-тканевого пространства биосистемы генетические молекулы могут функционировать как биолазеры.

Надо указать на существенное обстоятельство относительно принципиальной возможности реализации возбуждения Фрелиховских мод “in vitro” по биохимическому пути, а именно за счет энергии гидролиза АТФ и других нуклеозид-трифосфатов, а также за счет других макроэргических соединений живой клетки. В данном случае мы будем искусственно повторять то, что эволюционно и (или) иным путем дано биосистемам как основная информационная и, может быть, энергетическая фигура. Эта часть наших исследований ставит определенные нравственные и этические проблемы применения биолазеров.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Похожие:

Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconРоссийской Академии Наук П. П. Гаряев волновой генетический код удк 575. 17
Предлагаемая работа “Волновой генетический код” написана через три года после выхода моей монографии “Волновой геном” и, несмотря...
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconТема урока: Биосинтез белков. Понятие о гене. Днк источник генетической информации. Генетический код
Тема урока: Биосинтез белков. Понятие о гене. Днк – источник генетической информации. Генетический код, раздел «Органическая химия...
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconПрограмма вступительного экзамена в аспирантуру ициГ по специальности
Основная догма молекулярной генетики. Матричный принцип. Процессы репликации, транскрипции, трансляции. Генетический код
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconЗадача оптимальной упаковки; комбинированный алгоритм; волновой алгоритм; ресурсная эффективность
Комбинированный и волновой алгоритмы решения задачи упаковки: принципы построения и особенности
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconНии эдито (в составе онц рамн)
Дейчман А. М. “Генетический код: взаимодействие аминокислот белков (фрагментов, пептидов) в соответствии с различными правилами,...
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconБюллетень новых поступлений за май 2007 года
Генетический код : от теории эволюции до расшифровки ДНК / А. Азимов; [пер с англ. Д. А. Лихачева]. М. Центрполиграф, 2006. 202 с....
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconПластический обмен. Биосинтез белка
«обмен веществ», «пластический обмен», «энергетический обмен», «триплет», «генетический код», «комплементарность»
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconЭлективный курс Предмет: Биология Тема: «Прикладная генетика»
«Золотой век». За время, прошедшее от открытия структуры ДНК в 1953 г до появившейся не так давно возможности расшифровать генетический...
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconГенетический поиск свойств вещественно-полевых ресурсов
Ключевые слова: базис Бартини, тренды ресурсов, генетический алгоритм, селекция свойств икс-элемента
Гаряев П. П. – Волновой генетический код iconМинистерство образования и науки российской федерации
Информационные процессы в клетке: репликация, транскрипция, трансляция, (репарация, сплайсинг). Генетический код. Классические опыты...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница