Волновой генетический КОДудк

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, 

t @ 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 Дике.  

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 

  

E ( t) =E og(t)сosw t , (1) 

где E o - амплитуда  напряженности поля, g(t) - модуляционный  фактор, w =w 21 (w 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=w 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<<T), то для времени T<<t<<T усреднение (6) за период 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 рассмотрение).  

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 

<G(t)>= , (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 ДНК. 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.Пиппардом. 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.  

  

 

АНТЕННАЯ МОДЕЛЬ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФОРМАЛИЗМ [16] 

Как уже неоднократно отмечалось, функционирование ряда биологических  макромолекул (в частности, ферментов) и других биологических соединений во многом определяется процессами, происходящими  в активных центрах, окруженных биополимерными цепочками, имеющими знаковую топологию. Исходя из такого представления о структуре информационных биомакромолекул, естественно предположить, что их взаимодействие с физическими полями внешних по отношению к биосистеме и внутренних (организменных) излучений приводит к возбуждению дипольно-активных колебаний мономеров, формирующих указанную цепочку, а те, в свою очередь, индуцируют колебания в активном центре. Иными словами, такая система будет работать как своеобразная антенна. Эти возбужденные колебания способны привести к переходу биомакромолекулы в другое конформационное (топологическое, знаковое) состояние.