CC BY
0
УДК 577.3
Галанов Е.К.
Док. тех. наук ПГУПС г. С. Петербург
ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. МОДЕЛЬ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СЛУХОВОЙ ПАМЯТИ.
Аннотация
Показано, что терагерцовое электромагнитное излучение, возникающее во время синапсов, является третьим фактором, наряду с потенциалами действия и химическими синапсами, обеспечивающим связь между нейронами. Это излучение, взаимодействуя с молекулами ДНК, способно переводить фрагменты ДНК из низкоэнергетической конформации В в высокоэнергетическую А(2). Терагерцовое излучение, возникающее в слуховой нервной системе, воздействуя на молекулы ДНК во время репликации производить синхронное фиксирование звуковой информации в репликонах на участках Оказаки. Начало записи и воспроизведения звуковой информации осуществляется на участках origine репликонов.
Ключевые слова.
терагерцовое электромагнитное излучение, слуховая нервная система, конформационные переходы молекул ДНК, запись и воспроизведение звуковой информации.
Galanov E.K.
Doc. tec, science PSUMC
TERAHERTZ ELECTROMAGNETIC RADIATION. A MODEL OF LONG-TERM AUDITORY MEMORY.
Abstract
It is shown that terahertz electromagnetic radiation occurring during synapses is the third factor, along with action potentials and chemical synapses, that ensures communication between neurons. This radiation, interacting with DNA molecules. to convert DNA fragments from the low-energy B conformation to the high-energy A(2) conformation. The terahertz radiation generated in the auditory nervous system, acting on DNA molecules during replication to produce synchronous recording of sound information in replicons at Okazaki sites. The beginning of recording and playback of sound information is carried out at the origine sites of replicons.
Keywords.
terahertz electromagnetic radiation, auditory nervous system, conformational transitions of DNA molecules, recording and reproduction of sound information. sound information.
Введение. а) В работе [1(7)] показано, что важнейшей характеристикой и отличием долговременной зрительной и слуховой памяти человека является их симметрия — симметрия в пространстве и во времени.
Долговременная (часы, дни, годы) слуховая память однонаправлена во времени при записи и воспроизведении информации. Человек, запомнив текст из 10-15 слов, не может воспроизвести его в обратном порядке слов (в обычном темпе произношения этого текста в первоначальном порядке слов). Ещё более простой пример. Предложение из 3—4 слов человек не может воспроизвести этот текст в обратной буквенной последовательности (в обычном темпе произношения этого предложения в прямой последовательности). Человек не может в обратной временной последовательности исполнить простейшую милодию.
Следует отметить и другие особенности долговременной слуховой памяти. Запись новой информации (текст, милодия,...) не стирает предыдущую информацию. Любая записанная информация готова к воспроизводству человеком в любой момент времени.
Ряд параметров долговременной слуховой (звуковой) памяти человека отражён в структуре нотной записи звуков, которая сложилась веками и которая отражает, в частности, возможность наилучшего восприятия, хранения и воспроизводства информации в слуховой (звуковой) памяти. Это такие параметры [ 1(4)] : 1) длительность ноты -звука Дt = 2-2 сек ,, 2-1 , 20 , 21 , 22 сек ; 2) длительность паузы между нотами Дt = 2-3 сек, 2-2 , 2-1 , 20 , 21 , 22 сек. В случае разговорной речи для лучшего долговременного запоминания — длительность произношения слога, длительность паузы между слогами. Запись звуковой (слуховой) информации человеком и воспроизведение её с помощью артикулярного аппарата взаимосвязаны.
Запись и длительное хранение звуковой информации означает, что элементы слуховой памяти связаны со стабильными (метастабильными) во времени структурами и прцессами. И з структур слуховой нервной системы (и других сенсорных нервных систем) — это молекулы ДНК (структуры первого и второго порядка молекул ДНК).
Из процессов, определяющих работу любой сенсорной нервной системы, следует назвать, прежде всего, потенциалы действия и синапсы (химические синапсы). Именно эти процессы обеспечивают связь отдельных нейронов и связь нейронных комплексов: неокортекса, таламуса, гипоталамуса, гиппокампа,...
Молекулы ДНК сосредоточены, в основном, в ядрах нейронов и глиальных клеток, в митохондриях. Находясь внутри этих структур, молекулы ДНК не контактируют ни с потенциалами действия (которые распространяются по мембране аксона), ни с химическими синапсами, инжектирующими молекулы-нейромедиаторы во внеклаточную среду.
В работах [2,3] показано, что во время синапса (точнее его элемента - экзоцитоза) молекулы-нейромедиаторы, попадая из пресинаптического окончания нейрона во внеклеточную среду (цитоплазму), излучают терагерцовые электромагнитные волны. Расчёты показывают, что диапазон этого излучения зависит от типа молекул-нейромедиаторов (их терагерцового спектра поглощения). Наиболее вероятный диапазон h•v = 5 — 90^^ (V = 0, 147—2,94ТГц) [3]. В этом же диапазоне спектра электромагнитного излучения находится ряд колебательных полос молекул ДНК, проявляющихся в спектрах инфракрасного поглощения (ИК) и комбинационного рассеяния (КР) [4,5].
Терагерцовое электромагнитное излучение служит третьим источником связи в нейронных сетях, наряду с потенциалами действия и синапсами [3].
б) В нервной системе человека (и эукариот) существует ряд процессов, последовательно развивающихся во времени. Один из важнейших — репликация (удвоение молекул ДНК). Репликация -биохимический процесс, идущий с помощью белковых комплексов и ферментов.
Во время репликации цепи двойной спирали ДНК разделяются в точке ori (точка начала репликации, содержащая =100 пар нуклеотидов).
После разделения двухцепочечной ДНК (рис. 1) процесс синтезирования каждой из цепей однонаправленный — от 5' (углеродный атом пентозы одного нуклеотида) к 3' (углеродному атому пентозы другого нуклеотида). Процесс идёт со скоростью = 100—200 пар нуклелтидов (п.н.) в секунду (у эукариот) в виде перемещения репликационной вилки (рис.1), т.е. за 0,5 секунды репликационная вилка проходит объём нуклеосомы (катушка с двумя витками ДНК —50-200п.н.
При репликации есть ведущая цепь и отстающая. Отстающая цепь синтезируется прерывисто, с образованием фрагмента Оказака (рис. 1).
Длина фрагментов Оказака у эукариот 100—200 нуклеотидов. Как видно из рис.1 в процессе репликации на участке Оказака структура азотистых оснований и соединения пар азотистых оснований самая разнообразная.
Рисунок 1 - Схема процесса репликации. 1. Запаздывающая нить. 2. Лидирующая нить.
7.Фрагмент Оказаки.
Соседние точки ori в каждой репликационной единице (репликоне) разделены расстоянием от 30 000 до 300 000 пар оснований. Время, необходимое для завершения синтеза, составляет от 5 до 50 минут.
1. Молекулы ДНК, входящие в состав центральной нервной системы (ЦНС), имеют структуру двойной спирали (операции симметрии: поворот ф = 360° /п и поступательное перемещение т вдоль оси т = п^, t — кратчайшая трансляция. Наличие трансляционной симметрии позволяет выделить в структуре ДНК элементарную ячейку, пренебрегая отличием оснований. Атомный состав оснований определяет число их нормальных колебаний (^р = 3-Пср - 6). В работе [7] среднее число атомов оснований взято равным Пср =14. Элементарная ячейка (рис. 2) ДНК, имеющая в своём составе п = 66 атомов, обладает числом нормальных колебаний N = п-3 - 6 = 192.
Рисунок 2 — Схема элементов двойной спирали ДНК
Молекула ДНК может находиться в различных конформационных состояниях (структурах второго порядка): В, А, С,..., которые отличаются диаметром и шагом спирали, расстоянием пары оснований от оси спирали,...
При физиологических условиях (нормальная температура и влажность окружающей среды, кислотность воды) доминирующая конформация В, но отдельные её участки могут находится в А, Z и иной конформации.
Дискретный характер конформационных структур (В, А,...) элементарной ячейки ДНК должен быть связан ( как и в случае отдельных молекул ) с дискретностью метастабильных квантовых состояний. Такой дискретностью (набор квантовых чисел п, I, та/ , ms,...) характеризуются электронные состояния (Ферми частицы) молекул, структур ( в соответствии с принципом Паули). Обладающая этими свойствами электронная волновая функция элементарной ячейки ДНК в методе конфигурационного взаимодействия (КВ) представляется в виде ряда детерминантов Слейтора, каждый из которых описывает систему в некотором одноэлектронном состоянии
Фкв = ао Фо + I, а, Ф, (1)
где Фо - одноэлектронная волновая функция основного состояния, Ф, -одноэлектронная волновая функция возбуждённого состояния ¡.
(2)
где фоп (х) = фоп(г)-п(5оп) ; фоп(г) - пространственная компонента, п^оп) - спиновая компонента .
(3)
где ф,п (х) = ф|п (Фп^п ) ; ф,п (г) - пространственная компонента, п(з,п ) - спиновая компонента. Формулы (2) и (3) отражают принцип Паули.
Если переходы между конформационными состояниями характеризуются малыми энергиями ДЕ « 1—50 кДж/моль, то соответствующее им ( по величине) разделение электронных квантовых состояний -основного ( о ) и первых возбуждённых (¡) может быть обусловлено мультиплетным расщеплением терма структуры (О = Л + S Л - проекция орбитального момента, Б - проекция спинового момента).
Метастабильность этих состояний определяется правилами запрета для переходов между этими структурами.
В случае молекул ДНК метастабильность электронных состояний может быть обусловлена большими смещениями атомов и атомных фрагментов при переходе из одной конформации в другую. Для дезоксирибозы смещение атомов С2 и Сз при конформационном переходе В О А составляет 0,3— 0,бА; изменение торсионных углов нуклеотидов представлено в таблице № 1.
Таблица 1
Торсионные углы нуклеотидов
Угол А В Г Д Е Z X
А -51,7 174,8 41,7 79,1 -147,8 -75,1 -157,2
В -29,9 136,3 31,1 143,3 140,8 -160,8 -98,0
В общем виде волновую функцию элементарной ячейки ДНК можно представить в виде произведения
Фэл.яч. = фэл фкол фяд (4)
где фэл. - электронная волновая функция, фкол. - колебательная волновая функция, фяд. - ядерная функция, определяющая ядерное спиновое состояние [6] (фяд, как и фэл , определяет состояние Ферми частицы).
Колебательная волновая функция определяется произведением волновых функций ф^ нормальных колебаний (V) элементарной ячейки ДНК соответствующей конфигурации (¡)
Фкол,! = П ф^ (0,> ) (5)
2. Из общего числа нормальных колебаний элементарной ячейки
ДНК N = 192 большая часть обусловлена характеристическими колебаниями, частоты которых = (5000—400ст-1) незначительно изменяются при конформационных переходах. В области спектра = 5000—1600ст-1 расположены частоты валентных колебаний одиночных связей типа С—Н, N—4, С—О, С==С,... Число этих колебаний N1 = п - 1 = 65. В области спектра = 1600—400 ст-1 расположены полосы жёстких деформационных колебаний, характеризующихся изменением углов простейших трёхатомных элементов типа -СН2, -СО2, -N42,.; число этих колебаний N2 « 70. В области спектра 400—100ст-1 расположены полосы мягких деформационных — колебаний, обусловленных изменением двухгранных углов между плоскостями, изменением углов между связью и плоскостью; число колебаний N3 « 30.
В отдельную группу можно выделить колебания с большой амплитудой: крутильные, маятниковые, веерные,.; область спектра « 5—100ст-1 ; число колебаний N4 « 27.
При конформационных переходах (вызванных изменением температуры или влажности среды) изменяется колебательный спектр элементарной ячейки ДНК. Особенно существенны эти изменения в длинноволновой области = 5—200ст-1 (Л = 2—0,05мм) рис.3,4. В этой области спектра находятся частоты деформационных колебаний больших атомных групп сахаро-фосфатного остова и азотистых оснований. Частоты этих колебаний и их интенсивность значительно изменяются при конформационных переходах и при переходе от двухцепочечной структуры ДНК к одноцепочечной.
-200 -100 0 100 200 Ramanshift (cm"1)
Рисунок 3 — Спектры КР плёнок ДНК с разной степенью влажности п: а - В-конформация п = 100%, h•v=18cm-1 ; Ь - В-конформация п = 93% , = 21ст-1 ; с - А-конформация п = 75% , d - сухой деградированный образец, h•v=27cm-1 [ 5 ].
Рисунок 4 — Спектр поглощения двухцепочечной (красный цвет) и одноцепочечной (синий цвет)
ДНК сельди [ 4 ].
Каждое нормальное колебание ДНК в длинноволновой области спектра определяется набором смещений атомов и изменением торсионных углов (таблица 1) Qv = Ь ai.v Qi,v , поэтому такие колебания можно считать решёточными колебаниями элементарной ячейки ДНК.
Нагревание молекул ДНК от нормальной температуры (вплоть до плавления) означает повышение плотности энергии фононов (колебательных состояний), которые подчиняются статистике Бозе.
Тепловую энергию элементарной ячейки ДНК в гармоническом приближении можно представить в виде энергии фононов
П(* )= [ехр^) -1 ]-1
где kб — постоянная Больцмана., N=192 - число нормальных колебаний элементарной ячеки ДНК.
Энергией нулевых колебаний пренебрегаем.
Проведём расчет энергии (6) при Т = 300К. Для упрощения расчёта считаем, что каждая из названных областей спектра характеризуется средней частотой, т.е. для валентных колебаний Vср.вал. « ЗЗОО^-1 (число осцилляторов N1 = 65); для жёстких деформационных колебаний h•Vср,ж = 1000^^ (число осцилляторов N2 = 70) ; для мягких деформационных колебаний h•v ср.м = 250^^ (число осцилляторов N3 = 30); для области спектра 5—100 ^^ — h•Vср.д = 50^^ , число осцилляторов N4 =27.
Из расчётов следует — энергия фононов элементарной ячейки ДНК в длинноволновой (терагерцовой) области спектра h•v=5—400 ^^ (V = 0,147—11,76 ТГц) на порядок превышает энергию фононов в коротковолновой области h•v = 400—5000^^ при Т= 300К ( рис. 5 ).
-19 „
10-Si.
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,8 0,7
0,9
1,0
см-1
100
400 500
1000
-1->
1500 h*V(CM1)
Рисунок 5 - Энергия фононов элементарной ячейки ДНК при Т =300О К.
С ростом температуры, вплоть до плавления (деградации) ДНК, энергия терагерцовых фононов элементарной ячейки возрастает.
На примере низкочастотного твист колебания азотистых оснований = 12—30ст-1 можно представить потенциальный рельеф элементарной ячейки ДНК в различных конформационных состояниях. В низкотемпературной В конформации частота этого колебания = 12ст-1 С увеличением расстояния между азотистыми основаниями элементарной ячейки частота твист колебаний смещается в высокочастотную область спектра « 30ст-1 [5]. Такое направление смещения происходит при нагревании от В конформации к А конформации и далее вплоть до денатурации (рис.3,4).
Существенно, что, начиная с температуры Т « 70о С (конформация А) и до температуры Т = 82о С плавления ДНК, частота твист колебаний оснований не изменяется « 27—30ст-1 [5]. Этот факт указывает на то, что структурные параметры конформации А элементарной ячейки ДНК приближаются к параметрам деструктурной ДНК. Обозначим эти высокотемпературные конформации А(1) и А(2). Из -за больших изменений положений атомов и величин торсионных углов (таблица 1) ДНК конформацию А(2) можно считать долгоживущей (метастабильной).
Схема преобразования поверхностного потенциала элементарной ячейки ДНК при нагревании (и под действием ТГц электромагнитного излучения, возникающего в нейронной сети ЦНС) представлена на рис. 6.
Метастабильность конформации А(2) обусловлена большими величинами смещений атомов и изменением торсионных углов ДНК.
Элементарная ячейка ДНК каждой конформации В, А(1) и А(2)определяется своей волновой функцией
фв = фэл.в • П, фкол. I (Qb,I )
Фа1 = ф эл. А1 • П, ф кол. I (Qai, I )
(7)
Фа2 = Фэл.А2 • П, фкол., (Qa2,, )
где Qs,i , QA1,i , Qa2, i В, А(1), А(2).
нормальные координаты элементарной ячейки молекулы ДНК конформаций
Рисунок 6 - Схема поверхности потенциальной энергии элементарной ячейки ДНК в конформационных состояниях В, А1, А2
3. Подобно нагреванию стороннее мощное терагерцовое электромагнитное излучение h•v = 5— 100^^, возникающее во время синапсов в слуховой нервной системе (заполняющее даже в начальной стадии большие объёмы Л3 (Л = 2—0,01мм)), также может переводить элементарную ячейку ДНК в более высокоэнергетическое конформационное состояние В^ А(1)^ А(2),...
Кроме объёмов Л3, терагерцовое (ТГц) электромагнитное излучение передаётся в ЦНС по цепочке: 1) объёмы ТГц излучения, 2) поглощение ТГц излучения оптическими фононами [8] дендритных кустов нейронов, 3) формирование и передача потенциалов действия нейронами (например, от структур таламуса в неокортекс, и обратно, каждый раз сопровождая возникновением ТГц излучения во время синапса и взаимодействием этого излучения с молекулами ДНК .
Во время репликации цепи двойной спирали ДНК разъединяются в точке ori (точке начала репликации (рис.1). В процессе репликации есть ведущая цепь и отстающая. Отстающая цепь синезируется прерывисто с образованием фрагментов Оказаки (рис. 1) (длина фрагментов Оказаки у эукариот 100—200 нуклелтидов). Другое отличие фрагмента Оказаки от ведущей (лидирующей) цепи — нахождение пар оснований в высокоэнергетических состояниях: А(1), А(2) и в состоянии разрыва связей между основаниями (рис.1). Скорость прохождения репликационной вилки 50—100 п.о. (пар оснований) за секунду, т.е. прохождение длины нуклеосомы за 0,5—1сек.
Высокоэнергетическое состояние фрагмента Оказаки позволяет допустить, что часть этих фрагментов под действием внешнего ТГц излучения, возникающего в нейронной сети под действием звуковой информации, остаётся в метастабильном высокоэнергетическом состоянии А(2) .
4. Каждая молекула ДНК у человека имеет около 104 начал репликации — ori. Участок ДНК, который содержит точку ori и который способен к независимой репликации называется реаликоном.
Репликон можно считать единичным участком независимой репликации. Репликон содержит от 30000 до 300000 пар оснований. Время необходимое для завершения синтеза репликона составляет от 5 до 50 минут. Какое количество репликонов N содержащих метастабильные структуры А(2) , возникает под действием звуковой информации ?
N1 = N2 • N3 = 1011 • 50 = 5-1012, где N2 - количество нейронов в ЦНС, N3 - количество молекул ДНК в ядрах нейронов. Количеством молекул ДНК в ядрах глиальных клеток и метахондриях пренебрегаем. В каждой молекуле ДНК содержится около 104 единиц репликации — репликонов.
Таким образом, общее количество репликонов в ЦНС составляет N = N1 • 104 = 5-1016. Считаем, что количество репликонов свободных от информации равно N = N 10-3 = 5-1013 репликонов. Количество
репликонов, начало репликации в которых совпадает с началом звуковой информации, составляет « 10-6
** *
часть свободных репликонов N « N • 10 = 5-107 . В таком количестве репликонов записана данная звуковая информация.
Для воспроизведения звуковой информации (вспоминания) необходим спонтанный переход репликонов (несущих звуковую информацию) из высокоэнергетического метастабильного состояния А(2) в низкоэнергетическое состояние В конформации. Если метастабильность состояния А(2) составляет один месяц, то вероятность спонтанного перехода (вспоминания) в данный момент (секунду) составит 1секунда I 1месяц(30дней • 24часа • 3600секунд) « 0,4 •ÎO-6 . Из всех репликонов N с записанной информацией перейдут в низкоэнергетическое В состояние N • 0,4 • 10-6 « 20 репликонов, испуская кванты ТГц электромагнитного излучения. Это ТГц излучение, в частности, стимулирует вынужденные переходы других репликонов из N , находящихся в высокоэнергетическом состоянии А(2).
Воспроизведение звуковой информации (релаксация) начинается, как и репликация, с участка ori (origine) богатого последовательностью АТ нуклеотидов. Из-за того, что энергия этой АТ последовательности в ori меньше, чем энергии в других фрагментах репликона, с неё начинаются спонтанные переходы (релаксация, воспроизведение).
Возникающее во время релаксации А(2) ^ В терагерцовое электромагнитное излучение стимулирует воспроизведение информации артикулярным аппаратом, а также используется для записи этой информации в других репликонах и молекулах ДНК. Таким образом, записанная информация может изменять своё местонахождение (репликон, молекулу ДНК).
Список использованной литературы:
1. Галанов ЕК Физическая природа чувств. Инновационная наука. 2022, № 1—2 (7. Синтез чувств. 4. Звук, тембр, голос).
2. Галанов Е.К. Синапс — источник терагерцового электромагнитного излучения. Инновационная наука.2020, №9, С.14—24.
3. Галанов Е.К. Терагерцовое электромагнитное излучение нейронных структур. Инновационная наука. 2024, № 1—2, С.24—32.
4. Anis Rahman, Brule Stanley, Aunik Rahman. Ultrasensitive label- free detection and quantitation of DNA hybridization via terahertz spectrometry. II Proc. of SPIE. V 7568. Pp.756810(1—7). 2010.
5. Hisako Urabe, Yoko Sugawara, Mitsuo Ataka, Ailan Rupprecht. Low- freguency Raman spectra of lysozyme crystals and oriented DNA films: dynamics of cristal water. II Biopolymers. v. 74. p. 1533-1540. 1998.
6. Галанов Е.К. Терагерцовое электромагнитное излучение в нейронных структурах. Конформационные переходы ДНК под действием ТГц излучения. Инновационная наука. 2023, № 3—1, С. 21—31.
7. Галанов Е.К. Терагерцовые спектры молекул ДНК. Инновационная наука. 2022, № 11—1, С.7—15.
8. Галанов Е.К. Оптические фононы модельной мембраны нейрона. Альманах современной науки и образован. 2017, № 7, с. 27—31.
© Галанов Е.К., 2024
