[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出，脉动磁场会在生物系统中通过孤子介导的电荷传输产生非热共振效应，特别是在α-螺旋多肽中。孤子——具有不同于自由电子的有效质量的自陷电子——在磁场作用下经历共振动力学，可能调节光合作用和呼吸作用中的氧化还原过程，从而为磁场疗法提供一种物理机制。

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.

研究动机与目标

• 识别脉动磁场生物效应的物理机制。
• 研究孤子在介导生物氧化还原过程中电荷传输的作用。
• 分析磁场如何通过共振相互作用影响孤子动力学。
• 解释磁场对代谢产生非热治疗效应的潜在机制。

提出的方法

• 使用非线性方程组建模α-螺旋多肽中的电子-晶格相互作用。
• 将孤子描述为低维系统中无耗散的大极化子，其有效质量不同于自由电子。
• 对非线性系统施加磁场扰动，以研究对孤子动力学的共振效应。
• 分析氧化还原过程中电荷传输效率的变化。
• 运用生物物理和非线性动力学的理论框架，将磁场暴露与代谢结果联系起来。
• 研究多种物理机制之间的相互作用，以识别其对生物功能的协同效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉动磁场如何影响α-螺旋多肽中孤子的动力学？
• RQ2 孤子在生物氧化还原过程中介导电荷传输的作用是什么？
• RQ3 磁场是否能对孤子运动产生共振效应，从而改变电荷传输效率？
• RQ4 孤子的有效质量与生物系统中自由电子的有效质量有何不同？
• RQ5 磁场在代谢中产生非热生物效应的物理机制是什么？

主要发现

• α-螺旋多肽中的孤子是通过中等强度电子-晶格相互作用稳定的自陷电子。
• 这些孤子表现为无耗散的大极化子，其有效质量不同于自由电子。
• 脉动磁场会诱导孤子动力学的共振效应，改变其运动和能态。
• 磁场与孤子之间的共振相互作用可调节氧化还原过程中电荷传输效率。
• 所观察到的效应为非热效应，可能解释磁场疗法的生物影响。
• 多种物理机制之间的相互作用可在生物系统中导致协同效应。