Domaca stran Mikrobioloskih vecerov
Predavanje v okviru Mikrobioloskih vecerov, 10. december 1996
Ce zivljenju v resnici vladajo molekule in njihovi zakoni sticnih interakcij, potem je osnovni znacaj zivljenjskega procesa povsem stohasticen; daljnosezni red, ki oznacuje organizme, pa nastane na podlagi sticnih interakcij med molekulami. In dejansko po predstavah sodobne uveljavljene bioloske paradigme zivljenje v vsej svoji kompleksnosti temelji le na kratkoseznih, sticnih povezavah med nestetimi molekulami organizma. Temu lahko recemo red Brownovega gibanja, ki je v bistvu povsem neurejeno stanje. Red se na tej podlagi lahko vzpostavlja le zaradi viska proste energije, kar opazamo tudi v nezivih sistemih (samoorganizacija).
Toda v novejsem casu se kopicijo tako empiricni dokazi kot teoreticni (matematicno fizikalni) razmisleki, da urejenosti zivljenja ne podcrtuje (ne)red Brownovega gibanja, temvec povsem drugacen red, ki temelji na endogenem koherentnem bioelektromagnetnem polju. V tem polju se tudi molekule ne vedejo kot slepo zaletavajoci se osamelci, temvec kot obcutljive in s celoto vzajemno povezane enote, ki izrazajo celo neko mero inteligence oziroma prilagodljivosti. Temu novemu pogledu na zivljenje, ki se sele pocasi uveljavlja, pravimo - zaradi pomanjkanja nekega sirse sprejetega in bolj dolocnega izraza - tudi nova biologija.
Tri podrocja empiricnih raziskav:
- ultrasibka bioluminiscenca (Popp, Nagl, Li, Gu, Galle, Mei, itd.)
- endogene koherentne elektromagnetne oscilacije (Fröhlich, del Giudice, Vitiello, Kaiser, Grundler, Pollock, Pohl, Cooper, Hameroff, itd.)
- kvantna biologija (Ho, Smith, Liberman, Conrad, Hong, Cohran, Miller, itd.)
- A. Gurvic (1922) opazoval "mitogenetski ucinek" koreninskega vrsicka na rast cebulnega stebla
Zacetki nove biologije segajo v nekaterih smereh v prvo polovico tega stoletja. Najverjetneje je bil prvi znanstvenik, ki je utrl pot raziskovanju koherentnih elektromagnetnih pojavov v organizmu, Rus Aleksander G. Gurvic (1874-1954). Pri raziskavah mladih cebul je Gurvic ze leta 1922 opazil, da se mnozijo celice cebulnega stebla hitreje v tisti smeri, kjer je steblu, pravokotno na njegovo rastno os, priblizal koreninski vrsicek druge cebule. Pojav je zaradi povecanja celicnih delitev (mitoz) poimenoval mitogenetski ucinek. Ker se je hotel prepricati, ali gre za kemijski ali kak drug vpliv, je Gurvic locil koreninski vrh ene in steblo druge korenine s steklom. Normalno steklo je pri tem ukinilo mitogenetski ucinek, toda na presenecenje mladega znanstvenika je ta nastopil v polnem sijaju, ce je uporabil kvarcno steklo, ki prepusca UV zarke. Gurvic je iz tega sklepal, da prevaja mitogenetske signale UV svetloba. Njegovo sevanje je leta 1928 potrdil tudi znani fizik Dennis Gabor, odkritelj holografije in nobelovec. Gurvic in drugi so nadaljevali z raziskavami, toda manjkal je kljucni fizikalni dokaz za obstoj sibke UV svetlobe, ki naj bi jo izzarevali organizmi. Obcutljivost takratnih naprav (se okoli leta 1940) je bila na meji dokazljivosti, da organizmi resnicno izzarevajo nekaksno svetlobo.
Poznani sta dve vrsti svetlobnega sevanja iz bioloskih sistemov, ki ju locimo predvsem po njuni jakosti: bioluminiscenca, kot jo oddajajo kresnice, in pa ultrasibka bioluminiscenca, ki jo lahko zaznamo samo s pomocjo fotopomnozevalke in so jo opazili pri skoraj vseh vrstah tkiv.
- svetloba je koherentna
Ze Gurvic je postavil temelje obema trenutno nasprotujocima si razlagama nastanka ultrasibke bioluminiscence: prva je iskala vir biofotonov v reakcijah prostih radikalov, druga pa v organiziranem morfogenetskem polju. V casu Gurvica si ti dve razlagi nista nasprotovali, nadaljnji razvoj biologije pa ju je locil na mehanicisticni del, ki pravi, da so biofotoni znak nakljucnih metabolnih nepopolnosti (slabo regulirana kaskada), in na novo bioloski del, ki razume biofotone v sklopu koherentnih stanj moderne kvantne optike. Verjetneje je, da bo v prihodnosti prevladal slednji, saj je splosnejsi in ne vsebuje nasprotja med lokalnim pristopom biokemije in holisticnim pogledom moderne biofizike.
Eksperimenti, ki nagibajo tehtnico v prid koherentni razlagi biofotonskega sevanja, so sledeci: vir biofotonov je, kot kaze, DNK; visoka je povezava sevanja s fizioloskimi procesi; temperaturna odvisnost ni taksna, kot pri termicnem sevanju; spektralna porazdelitev je konstantna; tudi poskusi z relaksacijo po obsevanju kazejo na drugacen mehanizem od termalnega.
- jakost je le nekaj 10 do nekaj 100 fotonov/cm
ceprav je jakost tako majhna, da jo moramo meriti s fotopomnozevalko, je pri kratkih valovnih dolzinah tudi do 10E40 krat vecja od termalnega ozadja. V celicah je jakost vecja in tvori t.i. biofotonsko polje.
- jakost je stalna pri vseh merjenih valovnih dolzinah (200 - 800 nm)
Pomembna in presenetljiva fizikalna lastnost je, da spektralna intenziteta z vecanjem frekvence ne pada bistveno, oziroma da je porazdelitev energije precej enakomerna na vsem opazovanem frekvencnem pasu.
- zaznali so jo iz celih organizmov, posameznih tkiv, jajcec, semen,...
Merili so npr. kalcke soje in kumarice in ugotovili, da najmocneje seva hipokotil.
- jakost naraste ob agoniji, zastrupitvi ali maligni transformaciji
Pri maligni transformaciji narasca jakost sevanja eksponentno, pac v skladu z narascanjem gostote celic. Pri normalnem tkivu s primerljivo gostoto celic se sevanje zmanjsa.
- visoka je korelacija z delitvenim ciklusom celic in embrionalnim razvojem
Bioluminiscenca kvasovk doseze maksimum proti koncu faze S in v fazi G2. Pri embrijih sinhrono razvijajocih se vinskih music so opazili mocne in kratke sevale impulze, ki so bili znacilni za celo populacijo embrijev. Zanimiv je poskus, ko se je kultura BHK celic in vitro preko stekla orientirala glede na drugo kulturo.
- v populaciji osebkov se bioluminiscenca sinhronizira
Pri studiju sevanja biofotonov kolonije vodnih bolh so opazili, da je intenzivnost odvisna od gostote populacije. Pri narascajoci gostoti so opazili menjavanje minimumov in maksimumov sevanja. Tvorba rojev vodnih bolh je lahko odvisna od lastnosti medorganizemskega biofotonskega polja. Izgleda, da so biofotoni pomembni pri sinhronizaciji organizmov: visoko korelacijo v fotonski emisiji so zaznali med razlicnimi dinoflagelati, ki so bili zgolj v opticnem stiku - ob pretrganju tega stika korelacije ni bilo vec.
- kaze, da je tesno povezana z DNK
Teoretski izracuni in meritve (vir biofotonov je jedro) kazejo, da nastanejo biofotoni v molekulah DNK. Gre za posebna vezana stanja dveh ali vec molekul, imenovana ekscimeri ali ekscipleksi, ki so obstojna le, dokler so v vzbujenem stanju. Ko se tako vzbujeno stanje sprosti, odda molekula foton - toda ta se lahko zopet absorbira v drugi molekuli ali kemijski reakciji. Le relativno malo fotonov uide organizmu, in te potem opazimo kot ultrasibko sevanje.
- uravnavanje celicnega metabolizma, resonancni prenos energije
- uravnavanje celicnega ciklusa
- krmiljenje fizioloskih procesov
- medsebojno povezovanje organizmov
Vsekakor pa lahko trdimo, da nosijo biofotoni informacijo o fizioloskih procesih v bioloskih sistemih, vira in natancne vloge biofotonskega polja v organizmu pa se ne poznamo z gotovostjo.
Teorije koherentnih elektromagnetnih oscilacij so se zacele pojavljati ob koncu 60. let, ko je angleski fizik Herbert Frohlich pricel obravnavati celice z vidika njihovega elektricnega polja in polarnih molekul. To delo je postavilo temelje novi biologiji, ki je utemeljena na osnovah biofizike in ne vec biokemije. Frohlich je postal pozoren na izjemne fizikalne, zlasti dielektricne lastnosti snovi v zivih celicah in kasneje iz teh lastnosti izvedel tudi svojo predpostavko o endogenih elektromagnetnih koherentnih oscilacijah, ki v organizmih vzpostavljajo poseben red.
Znanstveniki so proucili veliko bioloskih sistemov z vidika njihove strukture, funkcije in natancne biokemicne sestave. Malo je bilo raziskav s podrocja vpliva mikrovalov na bioloske sisteme. V zadnjem casu se je stevilo taksnih raziskav povecalo, predvsem na racun obcutljivejse in natancnejse tehnike dela z mikrovalovi. clanki navajajo vplive na membrane, proteine, nukleinske kisline in celice.
S fizikalnega stalisca imajo aktivni bioloski sistemi tri najznacilnejse lastnosti:
- so stabilni, a dalec od ravnotezja
- visoka je organizacija snovi in energije
- imajo izjemne dielektricne lastnosti
Fizikalni sistemi, ki so sestavljeni iz manjsih gradnikov (kristali, atomska jedra, vecje molekule), imajo lahko nihajne nacine, ki jih oznacuje koherentno gibanje gradnikov tega vecjega sistema. Verjetno je, da imajo bioloski sistemi, kot so npr. celicna membrana, makromolekule, ali cele celice, prav tako nihajne nacine, ki se bodo bolj ali manj sklopila z elektromagnetnim sevanjem.
Za primer si predstavljajmo celicno membrano, ki jo v najosnovnejsem modelu sestavlja dvojna lipidna plast, v katero so vgrajene beljakovinske molekule. Taksna struktura vsebuje v prostoru urejene dipole. ce upostevamo se elektricno polje, ki ga celice vzdrzujejo preko membrane in je reda velikosti 10E7 V/m, je mozno pokazati, da bodo molekule v membrani oscilirale s frekvenco v mikrovalovnem podrocju.
Koherentne oscilacije dipolov v celici se vzpostavijo, ko se elektricne vibracije resonancno prenesejo z ene celicne komponente (npr. makromolekule) na druge. Pride do pojava, ko se energija zbere pri osnovnem nihajnem nacinu.
Frohlich je izracunal, da bi koherentne oscilacije lahko omogocale urejenost medmolekularnih procesov in selektivnih privlakov med encimi in ustreznimi substrati, zaradi daljnoseznosti koherentnih oscilacij, ki se raztezajo tudi med celicami, so lahko te oscilacije temelj tudi medcelicnega reda.
Eksperimentalne potrditve:
- mikrodielektroforeza potrdi emisijo elektromagnetnih oscilacij iz celic
Pokazali so nizje frekvence (4-9 MHz), najbolj so bili ucinki vidni pri mitozi (v skladu s Frohlichovo napovedjo), ni jih bilo pri mrtvih celicah.
- agregacija zivih eritocitov zaradi polja koherentnih oscilacij
Le eritrociti z aktivnim metabolizmom se uredijo in staknejo. Veliko teze jih locimo kot manj aktivne ali neaktivne.
- resonancni ucinki obsevanja organizmov z mikrovalovi
Obsevanje z mikrovalovi netermicnih jakosti je povzrocilo resonancne ucinke, kar se je odrazalo v poskodbah celicne membrane, spremembah prepustnosti transmembranskih ionskih kanalckov in v poskodbah DNK. Za resonancni ucinek je znacilno, da se pojavi le v ozkih frekvencnih in jakostnih oknih, da pa je jakost ucinka mnogo vecja od jakosti mikrovalovnega sevanja, s katerim obsevamo. Ucinki se kazejo kot spremembe prezivetja ali stopnje rasti celic v kulturi, natancnejsi poskusi pa vkljucujejo patch-clamp in analizo DNK oz. ugotavljanje aktivacije SOS mehanizmov.
Izhajajoc iz Frohlichovega dela je razvila verjetno najbolj temeljito teorijo koherentnega bioloskega polja italijanska skupina iz Milana, zbrana okoli del Giudicea. Njihovo teoreticno izhodisce za obravnavaje zivih bitij je kvantna teorija polja.
- endogeno EM polje je organizirano v tanke filamente, premera mikrotubulov
Najpomembnejsi parameter je gostota elektricne polarizacije. Ob doloceni gostoti elektricnih dipolov in pri stalnem dotoku proste energije postanejo polarizacijske oscilacije koherentne. Polje se organizira v filamente premera mikrotubulov ter se ne siri v prostor.
- filamentozno polje krmili biokemicne reakcije preko resonancne indukcije
Filamentozno polje naj bi vodilo nastanek in razgradnjo mikrotubulov ter drugih mikrofilamentov, ki sestavljajo celicno ogrodje in gibalni sistem.
- encimska aktivnost je odvisna od prisotnosti elektromagnetnega polja
Delali so z lizocimom in ga izpostavljali in vitro razlicnim EM poljem. Izkazalo se je, da je njegova aktivnost odvisna od frekvence EMP, zanimivo je tudi, da se je aktivnost spremenila pri meritvah NMR, ko so vkljucili oscilirajoce polje.
- aktivnost encimov na daljavo
V poskusu so goveji serumski albumin z membrano locili od tripsina. Prislo je do razgradnje substrata, ceprav tripsin ni preckal membrane. V drugem poskusu so se specificno orientirale molekule protiteles - glede na prisotnost antigenov na drugi strani membrane.
- elektrokonformacijska sklopitev
Kemiozmotska hipoteza predpostavlja, da je energija, potrebna za oksidativno fosforilacijo, prisotna v obliki protonskega gradienta preko membrane. ATPaza naj bi to energijo uporabila za tvorbo ATP iz ADP in anorganskega fosfata. Meritve protonskega gradienta pri alkalofilnih bakterijah in cloveskih eritrocitih so pokazale, da protonski gradient ne zadosca za opazeno sintezo ATP. Pazljive meritve pH v medmembranskem prostoru mitohondrijev so prinesle podobne zakljucke. Zanimive rezultate so dobili, ko so ATPazo izpostavili oscilirajocemu elektricnemu polju - prislo je namrec do tvorbe ATP brez prisotnosti protonskega gradienta. ATPaza je torej sposobna crpati energijo tudi iz prisotnega EM polja. Podobne rezultate so dobili tudi pri meritvah aktivnosti transmembranskih simportov.
- molekule v celici naj bi bile vezane v nekaksno "mikrotrabekularno mrezo"
Vezanih naj bi bilo tudi do 60% celicne vode (NMR studije celicne vode so pokazale, da je gibljivost molekul priblizno polovica gibljivosti destilirane vode). Izvedli so dva zanimiva poskusa. V prvem so centrifugirali zive celice evglene in opazovali stratifikacijo celicnih struktur. V vrhnji fazi (supernatantu) se vedno zivih celic niso nasli nobenih makromolekul, ceprav je bila njihova koncentracija v supernatantu pri centrifugiranju homogenizata evglen velika. V drugem poskusu so celice 1 uro tretirali z dextran sulfatom, ki je v membrano naredil luknje, dovolj velike, da bi skoznje lahko usli substrati in metaboliti, vendar ne toliko, da bi celica propadla. Po odstranitvi dextran sulfata so se luknje zaprle in pokazalo se je, da je metabolizem tretiranih celic upadel le za 50%, kar kaze na to, da so tudi manjse molekule vezane v notranjosti celice in nimajo sposobnosti proste difuzije, ceprav je membrana polna lukenj.
- modificirana polarizacijska mikroskopija pokaze urejenost molekul v embrijih vinskih music
Pokaze se izredna urejenost bioloskih molekul preko razlicne obarvanosti tkiv. Tu ne gre za umetno obarvanje, ampak za barve, ki ustrezajo razlicni orientaciji makromolekul v tkivih. Barve se spreminjajo v odvisnosti od starosti ter fizioloskega stanja embrijev. Znacilno je, da mrtvi organizmi ne kazejo vec nikakrsnih barv. Skozi raziskovanje barv so tudi ugotovili, da v razlicnih zivalih anteriorno posteriorna os vedno ustreza glavni polarizacijski osi vseh tkiv v organizmu.
- temelj daljnosezne urejenosti bioloskih procesov
- vzpostavljanje hitrega in ucinkovitega prenosa energije
- izjemna obcutljivost za specificne signale
Zivo stanje se v luci teoreticnih in predvsem empiricnih izsledkov nove biologije bolj kot prej kaze v svoji celovitosti, ki jo povzemajo tako koncept biofotonskega polja kot koncepta kvantne koherence ali polja koherentnih oscilacij. Celovitost pa tu, zlasti ko gre za kvantno mehanske modele, ne nastane na nekem visjem nivoju, medtem ko bi "spodaj" se vedno vladal kaos; temvec je navzoca ze na najnizji ravni bioloske organizacije - na molekularni ravni. ce si ogledamo kaskadne procese, ki so za znacilni zivljenje, se na prvi pogled zdi, kot da je vse po starem, saj so na njihovem zacetku marsikdaj zopet molekule, ki imajo s tem nedvoumne vzrocne moci. Toda to je le povrsen pogled. Posamezne molekule se lahko uveljavljajo v organizmih le zato, ker so nenehno vpete v njihovo celovito oziroma koherentno polje. Holizem, ki ga ponuja nova biologija, je torej res nekaj novega: ne gre le za ireducibilnost visje na nizjo raven, temvec za vsesplosno povezanost in soodvisnost posameznih ravni, kjer je pravzaprav ze vprasljivo sploh govoriti o razlicnih ravneh. Bolj smiselno je govoriti o razlicnih vidikih organizemske celote, pri cemer lahko posamezen vidik zajema vec klasicnih ravni (molekularno, celicno, tkivno in druge).
Splosno:
Jerman, I. in A. Stern. 1996. Gen v valovih. Znanstveno in publicisticno sredisce, Ljubljana.
Ho, M.-W., F.A. Popp and U. Warnke (eds.). 1994. Bioelectrodynamics and Biocommunication. World Scientific, Singapore.
Bistolfi, F. 1991. Biostructures and Radiation Order Disorder. Edizioni Minerva Medica, Torino.
Ho, M.-W. 1993. The Rainbow and the Worm. The Physics of Organisms. World Scientific, Singapore.
Ultrasibka bioluminiscenca:
Popp, F.A., K.H. Li and Q. Gu (eds.). 1992. Recent Advances in Biophoton Research and its Applications. World Scientific, Singapore.
Albrecht-Bueler, G. 1992. Rudimentary form of cellular "vision". Proc.Nat.Acad.Sci.USA (89): 8288-92.
Endogene koherentne elektromagnetne oscilacije:
Frohlich, H. 1988. Biological Coherence and Response to External Stimuli. Springer-Verlag, Berlin.
Del Giudice, E., Doglia, S., Milani, M. and Vitiello, G. 1985. A quantum field theoretical aproach to the collective behaviour of biological systems, Nuclear Physics B251(FS13), 375-400.
Del Giudice, E., Doglia, S., Milani, M., Smith, C.W. and Vitiello, G. 1989 Magnetic flux quantization and Josephson behavior in living systems, Physica Scripta 40,786-91.
Elektrokonformacijska sklopitev:
Astumian, R.D. and M. Bier. Mechanochemical coupling ot the motion of molecular motors to ATP hydrolysis. 1996. Biophysical Journal (70): 637-53.
Astumian, R.D., J.C. Weaver and R.K. Adair. 1995. Rectification and signal averaging of weak electric fields by biological cells. PNAS USA (92): 3740-43.
Xie, T.D., P. Marszalek, Y.-der Chen and T.Y. Tsong. 1994. Recognition and processing of randomly fluctuating electric signals by Na,K-ATPase. Biophysical Journal (67): 1247-51.
Naslovi na Internetu:
BION
http://arnes.muzej.si/guest/ljbion1s/index.html
Jerman, I: Porajanje nove biologije (predavanje v okviru Mikrobioloskih vecerov)
Koherenca
http://hermes-op.com/inscirev/fall95/delg88.html
http://www.reed.edu/crsavage/coherence.html
http://www.teleport.com/crhett/quantum-d/postings.html
Biofotoni
http://kiel.netsurf.de/homes/Mark.Dammer/photon.html
Domaca stran Mikrobioloskih vecerov