[論文レビュー] Magnetic field effects in biology from the perspective of the radical pair mechanism

Hadi Zadeh‐Haghighi, Christoph Simon|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Electromagnetic Fields and Biological Effects被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、さまざまな生物学的系における弱磁場効果を統一的に説明する量子生物学的メカニズムとして、ラジカルペア機構を提唱する。電子スピンおよび核スピンのダイナミクスが、静的、低磁場、および周期的磁場に感受性を示す一時的ラジカルペアにおいて、概日リズム、神経新生、キセノン麻酔などのプロセスに影響を与える仕組みを詳述する。同位体効果が実験的根拠として重要な役割を果たす。

ABSTRACT

A large and growing body of research shows that weak magnetic fields can significantly influence various biological systems, including plants, animals, and humans. However, the underlying mechanisms behind these phenomena remain elusive. It is remarkable that the magnetic energies implicated in these effects are much smaller than thermal energies. Here we review these observations, of which there are now hundreds, and we suggest that a viable explanation is provided by the radical pair mechanism, which involves the quantum dynamics of the electron and nuclear spins of naturally occurring transient radical molecules. While the radical pair mechanism has been studied in detail in the context of avian magnetoreception, the studies reviewed here show that magnetosensitivity is widespread throughout biology. We review magnetic field effects on various physiological functions, organizing them based on the type of the applied magnetic fields, namely static, hypomagnetic, and oscillating magnetic fields, as well as isotope effects. We then review the radical pair mechanism as a potential unifying model for the described magnetic field effects, and we discuss plausible candidate molecules that might constitute the radical pairs. We review recent studies proposing that the quantum nature of the radical pairs provides promising explanations for xenon anesthesia, lithium effects on hyperactivity, magnetic field and lithium effects on the circadian clock, and hypomagnetic field effects on neurogenesis and microtubule assembly. We conclude by discussing future lines of investigation in this exciting new area of quantum biology related to weak magnetic field effects.

研究の動機と目的

• 熱雑音に比べてはるかに小さいエネルギーを持つ弱磁場が、生物学的系に影響を与えるという、数百もの実験的観察を統合・分析すること。
• ラジカルペア機構—一時的ラジカルペアの量子スピンダイナミクスに基づくもの—が、これらの効果を説明する最も妥当なメカニズムであると主張すること。
• 鳥類の磁気受容にとどまらず、脳、幹細胞、酸化的ストレス経路などにも及ぶメカニズムの拡張を試みること。
• 同位体置換が、測定可能な生物学的効果を通じてラジカルペア機構の妥当性を検証する手段として果たす役割を調査すること。
• 概日時計、神経新生、微小小管の集合、キセノン麻酔に及ぼす効果を説明できる可能性がある候補分子（例：クロモトクローム、ROS関連ラジカル）を同定すること。

提案手法

• 静的、低磁場、周期的、および同位体修飾条件下での磁場効果に関する実験文献の体系的レビュー。
• ゼーマン効果、ハイパーファイン結合、交換相互作用、双極子相互作用を含む量子スピンハミルトニアンを用いたラジカルペア内のスピンダイナミクスの理論的モデリング。
• 外部磁場がラジカルペアにおけるスングレット・トリプレット遷移率に与える影響を分析し、反応量子収率に及ぼす影響を明らかにすること。
• 13C、15N、2H などの同位体置換を用いてハイパーファイン結合をプローブし、生物学的効果におけるラジカルペアの関与を検証すること。
• 概日リズムの乱れ、神経新生、酸化的ストレスに関する実験データをラジカルペアの予測と統合すること。
• 量子生物学の原則を応用し、ラジカルペアにおける量子コherー、もつれが生物学的効果の媒介要因である可能性をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱エネルギーに比べてはるかに小さい弱磁場—熱雑音に比べて数個のオーダー小さいが—が、どのように測定可能な生物学的効果を生じさせるのか？
• RQ2 多様な生物学的系において、ラジカルペア内の電子スピンおよび核スピンダイナミクスが、磁場感受性をどのように媒介しているのか？
• RQ3 クロモトクローム、活性酸素種など、内因性の分子の中で、磁場感受性ラジカルペアを担う可能性があるのはどれか？
• RQ4 13C、15N、2H などの同位体置換が、生物学的系におけるラジカルペア機構の妥当性を検証する実験的プローブとしてどのように機能するのか？
• RQ5 ラジカルペア機構が、概日時計、神経新生、微小小管の集合、キセノン麻酔に及ぼす効果をどの程度説明できるのか？

主な発見

• 磁場効果は植物、動物、ヒトにわたり広く観察され、概日リズム、幹細胞の分化、カルシウムシグナル伝達に及ぼす影響が確認されている。
• 軽い核（例：1H を 2H に置換）を用いた同位体置換実験では、生物学的反応が変化し、ハイパーファイン結合を介したラジカルペア機構の存在を強く示唆する。
• 低磁場環境への露出は、神経幹細胞における神経新生および微小小管再編成を妨げる。これは、細胞骨格ダイナミクスに内因性ラジカルペアが関与している可能性を示唆する。
• キセノンの大きな核スピンが磁場感受性を高めるため、ラジカルペア再結合のスピン選択的クエンチングによってキセノン麻酔が説明可能である。
• リチウムの過活動および概日時計調節への影響は、クロモトクローム内でのラジカルペアダイナミクスによって媒介されており、磁場がこれらの効果を調節している可能性がある。
• 低周波数（例：1–100 Hz）の周期的磁場は、活性酸素種濃度および神経活動を変化させ、ラジカルペア内での共鳴スピン遷移と整合的である。