VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Механизмы действия физико-химических факторов на биологические системы

Спиновая подсистема молекул воды отвечает за динамику изменения ее физико-химические свойств

А.В. Дроздов1*

1.ИАП РАН;

* da(at)biophys.ru

Ранее в работе [1] при исследовании физико-химических свойств воды было выявлено, что физические характеристики воды подчиняются определенным закономерностям. Во всех экспериментах, независимо от используемого метода молекулярно-структурного анализа (ИК-спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, кондуктометрия, СВЧ-радиометрия, ЯМР в магнитном поле Земли и др.), наблюдались близкие по значению периоды колебаний измеряемых величин (в наших экспериментах анализировались периоды от 1 до 60 мин).

С одной стороны, для того чтобы в молекулярной системе наблюдался колебательный суммарный эффект межмолекулярных преобразований, необходима синхронизация переходов между различными состояниями молекул. Прежде всего, необходимо добиться, чтобы эти переходы совершались во всех молекулах среды (или большей ее части) одновременно, синфазно.

С другой стороны, для проявления эффекта периодичности нужен резонанс между состояниями, отвечающими основным уровням энергии, что в реальных условиях маловероятно, поскольку все уровни системы находятся в возбужденном состоянии. Однако эффект периодичности может наблюдаться и при резонансе возбужденных уровней, но для этого необходимо постоянное внешнее воздействие.

В нелинейных колебательных системах внешнее периодическое воздействие в общем случае может приводить не только к возбуждению вынужденных или параметрических колебаний, но и к динамической стабилизации состояний равновесия, которые в отсутствие внешнего воздействия либо были абсолютно неустойчивыми, либо вообще отсутствовали.

Широко известным и изученным примером таких систем является физический маятник с вибрирующей точкой подвеса, который может стабилизироваться в состоянии равновесия с центром тяжести выше точки подвеса. Из публикаций в отечественной литературе следует выделить работу П.Л.Капицы [2], в которой при использовании метода приближенного решения был использован способ осреднения, имеющий простой физический смысл, а именно: действие механической вибраций приводит к возникновению дополнительного («виброгенного») момента и, следовательно, к изменению потенциальной энергии маятника. Механические системы с возможностью виброгенной стабилизации в неустойчивом состоянии равновесия в отечественной научно-технической литературе получили название маятников Капицы.

Явления, родственные динамической стабилизации состояний равновесия механических систем под действием вибраций, в настоящее время привлекают к себе пристальное внимание как экспериментаторов, так и теоретиков, работающих в различных областях современной науки и техники (физика твердого тела, гидродинамика, химия, биология, генетика, ускорители элементарных частиц и др.).

В работе [3] было установлено, что в аморфном магнетике со слабым случайным анизотропным беспорядком за счет последнего может появляться выделенное направление вектора ферромагнетизма, то есть влияние беспорядка оказывается аналогичным влиянию вибраций точки подвеса в маятнике Капицы. Весьма интересный результат был получен в работе [4]. Анализ состояния равновесия в колебательных системах из одной и двух магнитных стрелок в присутствии осциллирующего поля показал, что в определенном интервале изменения амплитуды и направления осциллирующего поля система из двух магнитных стрелок обладает двумя динамически стабилизируемыми состояниями равновесия.

В своих ЯМР экспериментах по изучению динамики протонной плотности водных образцов [1], мы получили результаты, которые могут быть сооотнесены с описанными выше явлениями динамической стабилизации состояний равновесия. Наблюдаемое квазигармоническое изменение интенсивности ЯМР сигнала (интенсивность=протонная плотность) указывает именно на изменение соотношения орто- и пара-молекулы в образце. Спины протонов воды являются теми самыми магнитными стрелками в постоянно осциллирующими магнитном поле Земли, действие которого и проводит к наблюдаемой динамике протонной плотности. В пользу последнего как раз говорят факты «частичной корреляции» между напряженностью магнитного поля Земли и протонной плотностью.

На наш взгляд, динамика спиновой подсистемы воды весьма неплохо согласуется с двухкомпонентной моделью воды, нашедшей широкое распространение в различных биофизических моделях. Роль спиновых изомеров воды была предложена С.М.Першиным [5] и заключается в том, что механизм, отвечающий за изменения межмолекулярного взаимодействия в воде, связан с орто- и пара-молекулами воды. Различие во вращательных степеням свободы этих молекул приводит к различному характеру их взаимодействия как друг с другом, так и в кластерах. Эта идея становится своего рода физической основой двухструктурной модели воды и связанной с ней структурной динамикой.

[1] Дроздов А.В., Нагорская Т.П. Квазипеpиодичеcкий xаpактеp межмолекуляpныx взаимодейcтвий в воде – Биофизика, 2014, т.59, №6, с.1195 (www.biophys.ru/archive/h2o-00034.pdf)

[2] Капица П.Л. Маятник с вибрирующим подвесом. – УФН, 1951, т. 44, №1, с. 7.

[3] Фомин И.А. Эффект маятника Капицы в аморфном магнетике со слабым беспорядком. – Письма в ЖЭТФ, 2007, т 85, в. 9, с. 533.

[4] Лисовский Ф.В., Мансветова E.Г. Виброгенные состояния равновесия в системах магнитных стрелок. - Нелинейный мир, № 2, Т.7, 2009, с.118.

[5] Pershin S.M. Two-liquid water. – Physics of Wave Phenomena, 2005, Vol. 13. №4, 2005, p. 192

The spin subsystem of water molecules is responsible for the dynamics of changes in its physical and chemical properties

A.V. Drozdov1*

1.Institute of Analytical Instrumentation;

* da(at)biophys.ru

In the study of the physicochemical properties of water in work [1], it was revealed that the physical characteristics of water obey certain patterns. In all experiments, regardless of the method of molecular structural analysis used (IR spectroscopy, Raman spectroscopy, conductometry, microwave radiometry, NMR in the Earth's magnetic field, etc.), oscillation periods of the measured values were observed to be close in value (in our experiments, we analyzed periods from 1 to 60 minutes).

On the one hand, in order for an oscillatory total effect of intermolecular transformations to be observed in a molecular system, synchronization of transitions between different states of molecules is necessary. It is necessary to ensure that these transitions occur in all molecules of the medium (or most of it) simultaneously, in phase.

On the other hand, for the manifestation of the periodicity effect, a resonance between the states corresponding to the main energy levels is needed. In real conditions, this is unlikely, since all levels of the system are in an excited state. However, the effect of periodicity can also be observed at resonance of excited levels, but this requires a constant external action.

In nonlinear oscillatory systems, an external periodic action can lead not only to the excitation of forced or parametric oscillations, but also to the dynamic stabilization of equilibrium states. These states without external influence would be absolutely unstable, or even absent.

A well-known and studied example of such systems is a physical pendulum with a vibrating suspension point. Such a system can be stabilized in a state of equilibrium with the center of gravity above the point of suspension. In the domestic literature, attention should be paid to the work of P.L. Kapitsa [2], in which, when using the approximate solution method, an averaging method was used that has a simple physical meaning: the action of mechanical vibrations leads to the appearance of an additional (“vibrogenic”) moment and to a change potential energy of the pendulum. Mechanical systems with the possibility of vibrogenic stabilization in an unstable state of equilibrium in the domestic scientific and technical literature are called Kapitsa's pendulums.

Similar phenomena of dynamic stabilization of equilibrium states of mechanical systems under the action of vibrations currently attract close attention of both experimenters and theorists working in various fields of modern science and technology (solid state physics, hydrodynamics, chemistry, biology, genetics, elementary accelerators particles, etc.).

It was established in [3] that in an amorphous magnet with a weak random anisotropic disorder, due to the latter, a preferred direction of the ferromagnetism vector can appear. The influence of disorder turns out to be similar to the influence of vibrations of the suspension point in Kapitza's pendulum. A very interesting result was obtained in [4]. An analysis of the equilibrium state in oscillatory systems of one and two magnetic needles in the presence of an oscillating field showed that in a certain range of changes in the amplitude and direction of the oscillating field, a system of two magnetic needles has two dynamically stabilized equilibrium states.

In our NMR experiments [1], when studying the dynamics of the proton density of water samples, we obtained results that can be correlated with the phenomena of dynamic stabilization of equilibrium states described above. The observed quasi-harmonic change in the intensity of the NMR signal (intensity=proton density) indicates a change in the ratio of ortho- and para-molecules in the sample. The spins of water protons are the same magnetic arrows in the constantly oscillating magnetic field of the Earth, the action of which leads to the observed dynamics of the proton density. The facts of "partial correlation" between the strength of the Earth's magnetic field and the proton density speak in favor of the latter.

In our opinion, the dynamics of the spin subsystem of water is in good agreement with the two-component model of water, which is widely used in various biophysical models. The role of spin isomers of water was proposed by S.M. Pershin [5] and lies in the fact that the mechanism responsible for changes in intermolecular interaction in water is associated with ortho- and para-water molecules. The difference in the rotational degrees of freedom of these molecules leads to a different character of their interaction both with each other and in clusters. This idea becomes a kind of physical basis for the two-structure model of water and the structural dynamics associated with it.



[1] Drozdov A.V., Nagorskaya T.P. Quasiperiodic character of intermolecular interactions in water - Biophysics, 2014, vol.59, no.6, p.1195 (www.biophys.ru/archive/h2o-00034.pdf)

[2] Kapitsa P.L. Pendulum with vibrating suspension. - UFN, 1951, vol. 44, no. 1, p. 7.

[3] Fomin I.A. Kapitsa's pendulum effect in an amorphous magnetite with weak disorder. - Letters in ZhETF, 2007, vol. 85, v. 9, с. 533.

[4] Lisovsky F.V., Mansvetova E.G. Vibrational states of equilibrium in systems of magnetic arrows. - Nonlinear World, No.2, Vol.7, 2009, p.118.

[5] Pershin S.M. Two-liquid water. - Physics of Wave Phenomena, 2005, Vol. 13. №4, 2005, p. 192


Докладчик: Дроздов А.В.
33
2023-02-20

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists