[논문 리뷰] Biological effects of pulsating magnetic fields: role of solitons

Larissa Brizhik|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 12.

Electromagnetic Fields and Biological Effects참고 문헌 59인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 펄싱 자기장이 생물계에서 솔리톤을 통한 전하 이동에 비열역학적 공진 효과를 유도한다고 제안한다. 특히 알파-헤리컬 폴리펩타이드에서 그러한 효과가 나타난다. 솔리톤—자유 전자와는 다를 만한 효과 질량을 지닌 자기 트랩된 전자—는 자기장에 의해 공진 동역학을 경험하며, 이는 광합성과 호흡 과정의 산화환원 반응을 조절할 수 있다. 이는 자기장 치료의 물리적 메커니즘을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 펄싱 자기장의 생물학적 영향을 뒷받치는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 솔리톤이 생물학적 산화환원 과정에서 전하 이동을 어떻게 매개하는지 조사하는 것.
• 자기장이 공진 상호작용을 통해 솔리톤 동역학에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 자기장이 대사에 미치는 비열역학적 치료 효과를 설명하는 것.

제안 방법

• 비선형 방정식 시스템을 사용하여 알파-헤리컬 폴리펩타이드의 전자-격자 상호작용을 모델링하는 것.
• 효과 질량이 자유 전자와 다를 만한 자유 전자와 다른 효과 질량을 지닌 소산 없음 큰 폴라론으로 솔리톤을 기술하는 것.
• 비선형 시스템에 자기장 펌칭을 적용하여 솔리톤 동역학에 대한 공진 효과를 연구하는 것.
• 산화환원 과정에서의 전하 이동 효율성 변화를 분석하는 것.
• 생물물리학과 비선형 역학의 이론적 프레임워크를 사용하여 자기장 노출과 대사 결과를 연결하는 것.
• 다양한 물리적 메커니즘 간의 상호작용을 검토하여 생물 기능에 대한 상호보완적 효과를 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄싱 자기장은 알파-헤리컬 폴리펩타이드에서 솔리톤의 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 솔리톤은 생물학적 산화환원 과정 중 전하 이동을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 자기장이 솔리톤 운동에 공진 효과를 유도하여 전하 이동 효율성을 변화시킬 수 있는가?
• RQ4 생물계에서 솔리톤의 효과 질량은 자유 전자와 어떻게 다를까?
• RQ5 대사에서 자기장의 비열역학적 생물학적 영향을 뒷받침하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 알파-헤리컬 폴리펩타이드의 솔리톤은 중간 정도 강도의 전자-격자 상호작용에 의해 안정화된 자기 트랩된 전자이다.
• 이 솔리톤은 소산 없음 큰 폴라론으로 행동하며, 자유 전자와는 다를 만한 효과 질량을 가진다.
• 펄싱 자기장은 솔리톤 동역학에 공진 효과를 유도하며, 그 운동과 에너지 상태를 변화시킨다.
• 자기장과 솔리톤 간의 공진 상호작용은 산화환원 과정에서의 전하 이동 효율성을 조절할 수 있다.
• 관찰된 효과는 비열역학적이며, 자기장 치료의 생물학적 영향을 설명할 수 있다.
• 다양한 물리적 메커니즘 간의 상호작용은 생물계에서 상호보완적 결과를 초래할 수 있다.