Метаболические квазифотоны

Для унификации языка биоэнергетики соотнесем с величинами энергий химических связей, колебательно-вращательных и тепловых движений атомов и молекул энергию квазифотонов соответствующей метрики. Дееспособность мозга обеспечивает энергия ферментативные реакции окисления глюкозы в митохондриях и анаэробного ее гликолиза в глазном яблоке. В этих реакциях ЭМ-энергия химических связей глюкозы и кислорода трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ, которая в последующих реакциях гидролиза АТФ преобразуются в кинетическую и колебательно-вращательную энергию метаболитов и молекул среды. Химическая активность этих молекул реализуется затем через действия их энергии возбуждения, которую и моделируют квазифотоны соответствующей энергии и метрики.

Суммарный энергетический эффект всех стадий ферментативной реакции окисления глюкозы в митохондриях имеет своим пределом тепловой эффект реакции горения глюкозы в атмосфере кислорода:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ → 6 СО₂ + 6 Н₂О + 2800 (кДж/моль). (12)

Реакция окисления глюкозы в митохондриях сопряжена с реакцией синтеза АТФ, при этом на одну молекулу глюкозы приходится 38 молекул АТФ [40]. При анаэробном гликолизе глюкозы образуются только две молекулы АТФ и две молекулы хиральной молочной кислоты, которые, очевидно, вносят свой вклад в хиральность энергетики глаз и мозга. Максимальный выход метаболической энергии даст гидролиз 38 молекул АТФ по схемам:

АТФ → АДФ + Р~P + 36 (кДж/моль)

Р~Р → Р + Р + 33,4 (кДж/моль).

Полная энергия макроэргических связей 38 молекул АТФ равна 2640 кДж/моль, что составляет ~95% от предельного значения энергии сгорания одной молекулы глюкозы. Это говорит о высокой эффективности ферментативных реакций трансформации квазифотонов, соответствующих σ-связям С-С, С-О-С, С-Н глюкозы в квазифотоны, локализованные на двух макроэргических связях Р~О- в АТФ.

Предположим, что квазифотоны равновероятно распределяются по связям продуктов реакций окисления глюкозы и гидролиза АТФ, тогда предельные значения энергий квазифотонов, отвечающих данным реакциям будут равны 1/12 и 1/152 от теплового эффекта реакции (12), равного 4,5 10^–18 Дж, то есть ~3 10^–19 и ~3 10^–20 Дж, соответственно. Если к этим квазифотонам применить универсальное соотношение между энергией и характерным размером (r) дискретного элемента материи (ν/g-пара, элементарная частица) [6]:

Е ~ ħc/r, (13)

то для квазифотона, действующего в виде кванта метаболической энергии, получим радиус ~1 мкм, сравнимый с радиусом аксона.

Метаболические квазифотоны могут принимать активное участие в ферментативном синтезе белков и нуклеиновых кислот, а также в репликации и транскрипции ДНК. Можно представить участие квазифотонов в расплетении двойной спирали ДНК следующим образом. В области репликативной вилки сахарофосфатный остов цепи ДНК резонансно поглощает метаболические квазифотоны колебательного типа. Возрастает упругость цепей, что и приводит к разрыву водородных связей между ними. Учитывая, что на два сахарофосфатных звена спирали ДНК приходится одна водородная связь и ее энергия равна ~19 кДж/моль (3 10^–20 Дж), получится, что для ее разрыва достаточно поглощения цепью ДНК одного метаболического квазифотона.

Присутствие изоморфных аминокислотных фрагментов в пептидных цепях белка и в структуре нейромедиаторов (глицин, ацетилхолин, глутаминовая кислота, дофамин, серотонин и др.) позволяет предложить резонансный механизм передачи квазифотона колебательного типа при контакте нейромедиатора с рецептором. Из-за наличия в структурах медиаторов электроно-, протонодонорных и акцепторных групп их основное электронное состояние характеризуется внутримолекулярным переносом заряда Д^+δ-С-А^-δ. Здесь Д – аминогруппы, метоксигруппа, бензольное кольцо и А – карбонильная и гидроксильные группы, а С – цепочка из σ-связей. Этот фактор и предрасположенность медиаторов к образованию водородных связей лежат в основе их физической и химической сорбции на рецепторах постсинаптических мембран. Рецептор, принимая или отдавая квазифотон при контакте с нейромедиатором, меняет свою конформацию, запирая или открывая при этом кальциевый канал мембраны.

ТЕРМОДИНАМИКА МОЗГА

Мозг в целом можно считать реакционной термодинамической системой, находящейся в стационарном состоянии. Приток энергии и сброс избыточного тепла мозгом сбалансированы в узком диапазоне температур от ~37^о (центр мозга) до ~36^оС (кора мозга) [15]. Этот градиент температуры, будучи обусловлен более низкой температурой внешней среды, может играть существенную роль в ориентировании тепловых потоков внутри мозга. Аналогичный градиент температуры наблюдается и для тела, она имеет максимум в прямой кишке, а минимум в поверхностном слое клетчатки и мужских яичках [15]. Диапазон оптимальной температуры метаболизма находится в пределах значений температур, для которых изобарная теплоемкость чистой воды имеет минимум [41]. Особенности термодинамики фазовых переходов водных растворов в процессе филогенеза легли в основу механизма адаптации живых систем, которая, по сути, представляет собой изоэнергетические переходы или переходы с энергией активации порядка kΔT (при ΔT ~ 0,1 – 1 К) между состояниями разной степени упорядоченности белковых молекул или однородных, молекулярно-клеточных ансамблей. Снижение энтропийной составляющей внутренней энергии живой системы сопряжено с резонансным поглощением ею кванта внешней ЭМ- или нейтринной энергии, который она преобразует в активный метаболический квазифотон [3]. Жидкостная среда обеспечивает отвод кванта тепловой энергии (энтропии) за границы системы, а действием квазифотона реализуется функция той или иной структуры мозга, включающей в себя упорядоченную подсистему. Энергия, выделяемая или поглощаемая при таких переходах, может оказаться намного порядков меньше kT. В неравновесных условиях колебания отдельных макромолекул могут синхронизироваться, в частности, посредством электромагнитного поля [36].

Таким образом, термодинамика мозга сочетает равновесно-стационарную термодинамику метаболизма и неравновесную термодинамику нейросети, «рабочего телом» которой является Бозе-газ квазифотонов. Соответственно, внутренняя энергия U мозга как функция его состояния будет зависеть в общем случае от температуры (или энтропии S), от тензора деформаций G, зависящего от внутричерепного давления, от магнитного момента M отдельных метаболитов и макроструктур, от суммарного момента количества движения ядер и атомов L и от поляризация среды Р. Следовательно, полный дифференциал внутренней энергии U = U (S, G, M, L, P) будет иметь вид:

d U ≡ TdS – П d G + В d M + D d P + F d J, (14)

где Т – абсолютная температура системы; П – тензор давлений; F – вектор ориентационной поляризации системы спинов или моментов импульса [42]. В выражении (14) член F d L характеризует работу, связанную с ориентационной поляризацией системы ядерных спинов или моментов импульса атомов и молекул (подобно тому, как члены D d P и B d M определяют работу, связанную с поляризацией и намагничиванием системы).

Ориентационные и поляризационные эффекты существенную роль играют в инициации фазовых переходов в однородных газовых и жидкостных системах мозга и организма. Высокую чувствительность данных систем к параметрам входящим в (14) обеспечивает хиральность метаболитов (в основном сахаров [3, 29]) и физико-химические особенности молекулярной и жидкой воды. Такие системы формируются в следующих структурах и средах организма и мозга:

– желудок, матка, трахея, черепно-лицевые пазухи, полость эпифиза;

– оболочки и желудочки мозга, венозные синусы, глазное яблоко;

– кровеносная и лимфатические системы;

– паренхима органов (легкие, печень, селезенка, яички, женская грудь);

– подкожная клетчатка, соединительная и костная ткань.

Все перечисленные системы в норме функционируют в двух режимах – стационарном (квазиравновесном) и неравновесном. Первый характерен для бодрствующего состояния организма и мозга не занятого мыслительной работой, а второй режим соответствует состоянию сна или творческой работе. В первом режиме обмен энергией со средой происходит непрерывно, а во втором – квантуется. Механизм акцепции кванта внешней энергии в фазовом переходе кооперативной системы иллюстрируют процессы конденсации паров воды в точке росы и квантовой Бозе-конденсации.

Акцептированию квантов энергии МКВ-диапазона или нейтринной энергии в указанных средах способствует снижение температуры организма во сне на ~1К, а также пониженные температуры стекловидного тела глаз, периферийной (депонированной) крови и яичек. В акцепции хиральных квантов нейтринной энергии большую роль играют сахара, содержание которых в крови возрастает в утренние часы до восхода солнца. В это время нейтринная составляющая солнечного излучения отфильтровывается от ЭМ-излучения поверхностным сегментом коры земного шара (Рис 18). Важную роль в акцепции энергии стекловидным глазом играет полисахарид - гиалуроновая кислота [3, 29]. Почти половина всей гиалуроновой кислоты организма человека сосредоточено в его коже, где она располагается в соединительной ткани дермы между волокнами коллагена и эластина, а также в клетках рогового слоя корнеоцитах. В дерме содержится 70% воды, что составляет ~20% всей воды организма [15]. Поглощаемая организмом энергия, конденсируясь на метаболитах в составе жидких сред (кровь, спинномозговая жидкость), передается в мозг по нейрогуморальным и воздушным каналам (из легких).

Поглощение внешнего ЭМ-кванта и формирование квазифотона из энергоформ в общем случае подчиняется фрактально-резонансному механизму и принципу изоэнергетичности. С учетом (13) принцип изоэнергетичности для резонансных взаимодействий и фазовых переходов в кооперативных системах можно выразить соотношением [6]:

ћC/r = N (ћC/R), (15)

здесь r характеризует метрику квазифотона, а R – энергоформы и r = R/N; число N принимает любые значения меньшие числа Авогадро при конденсации ЭФ в квазифотоны и достигает числа Авогадро при участии ЭФ в слабых взаимодействиях [39].