[論文レビュー] Biological effects of pulsating magnetic fields: role of solitons

Larissa Brizhik|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

Electromagnetic Fields and Biological Effects参考文献 59被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、脈動磁場が生物学的系、特にアルファヘリカルポリペプチドにおけるソリトン媒介電荷輸送に非熱的共鳴効果を引き起こす可能性を提案している。ソリトン—自由電子とは異なる有効質量を持つ自己捕捉電子—は磁場の下で共鳴的ダイナミクスを示し、光合成や呼吸における酸化還元反応を調整する可能性があり、磁場療法の物理的メカニズムを提供する。

ABSTRACT

In this paper, we analyze biological effects produced by magnetic fields in order to elucidate the physical mechanisms, which can produce them. We show that there is a chierarchy of such mechanisms and that the mutual interplay between them can result in the synergetic outcome. In particular, we analyze the biological effects of magnetic fields on soliton mediated charge transport in the redox processes in living organisms. Such solitons are described by nonlinear systems of equations and represent electrons that are self-trapped in alpha-helical polypeptides due to the moderately strong electron-lattice interaction. They represent a particular type of disssipativeless large polarons in low-dimensional systems. We show that the effective mass of solitons in the is different from the mass of free electrons, and that there is a resonant effect of the magnetic fields on the dynamics of solitons, and, hence, on charge transport that accompanies photosynthesis and respiration. These effects can result in non-thermal resonant effects of magnetic fields on redox processes in particular, and on the metabolism of the organism in general. This can explain physical mechanisms of therapies based on applying magnetic fields.

研究の動機と目的

• 脈動磁場の生物学的影響の背後にある物理的メカニズムを特定すること。
• ソリトンが生物学的酸化還元反応における電荷輸送をどのように媒介するかを調査すること。
• 磁場が共鳴相互作用を通じてソリトンダイナミクスに与える影響を分析すること。
• 磁場が代謝に及ぼす非熱的治療効果の背後にあるメカニズムを説明すること。

提案手法

• 非線形方程式系を用いてアルファヘリカルポリペプチド内の電子-格子相互作用をモデル化すること。
• 低次元系におけるエネルギー損失のない大パルスン（large polaron）としてのソリトンを、自由電子とは異なる有効質量を有すると記述すること。
• 非線形系に磁場の摂動を適用し、ソリトンダイナミクスに及ぼす共鳴効果を研究すること。
• 酸化還元反応における電荷輸送効率の変化を分析すること。
• 生物学的物理学および非線形ダイナミクスの理論枠組みを用いて、磁場露出と代謝的結果を結びつけること。
• 複数の物理的メカニズムの相互作用を検討し、生物学的機能に及ぼす協同的効果を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 脈動磁場はアルファヘリカルポリペプチド内のソリトンのダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 ソリトンは生物学的酸化還元反応中の電荷輸送をどのように媒介するか？
• RQ3 磁場がソリトン運動に共鳴効果を引き起こし、電荷輸送効率を変化させうるか？
• RQ4 生物学的系において、ソリトンの有効質量は自由電子のそれとどのように異なるか？
• RQ5 代謝における磁場の非熱的生物学的影響の背後にある物理的メカニズムは何か？

主な発見

• アルファヘリカルポリペプチド内のソリトンは、中程度に強い電子-格子相互作用によって安定化された自己捕捉電子である。
• これらのソリトンはエネルギー損失のない大パルスンとして振る舞い、自由電子とは異なる有効質量を有する。
• 脈動磁場はソリトンダイナミクスに共鳴効果を引き起こし、その運動状態やエネルギー状態を変化させる。
• 磁場とソリトンの間の共鳴相互作用は、酸化還元反応における電荷輸送効率を調整できる。
• 観察された効果は非熱的であり、磁場療法の生物学的影響を説明する手がかりとなる可能性がある。
• 複数の物理的メカニズムの相互作用は、生物学的系における協同的成果をもたらすことがある。