0
Экологический клуб
 
"STENUS"
 
 
 
Калужский краеведческий Интернет-портал


 
Гусев В.А.   Радиоволны в жизни микроорганизмов   / /   ИЗВЕСТИЯ КАЛУЖСКОГО ОБЩЕСТВА ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ. Книга седьмая. (Сборник научных трудов)   Под ред. С.К. Алексеева и В.Е. Кузьмичева   Калуга:   КГПУ им. К.Э. Циолковского   -   2006 C. 194-208.



Радиоволны в жизни микроорганизмов

В.А. Гусев

Институт математики им. С.Л. Соболева СО РАН, 630090 Новосибирск, просп. Коптюга, 4; Новосибирский государственный университет


Резюме: Представлена физическая модель, объясняющая длительное сохранение жизнеспособности гетеротрофных неспорообразующих микроорганизмов и их амплификацию в водной среде полностью свободной от органического субстрата. Ключевым моментом модели является предположение о преобразовании энергии электромагнитного поля в энергию трансмембранного потенциала.


Введение

Данную статью уместно начать формулировкой принципа Бауэра: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии (курсив мой В.Г.) постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях» [Бауэр, 1935]. По аналогии с постулатами термодинамики этот принцип можно назвать «вторым началом жизни», первым остается закон сохранения энергии. Для растений и фототрофных микроорганизмов источником свободной энергии являются кванты видимого света, для органотрофов и хемотрофов - неокисленные субстраты органической и неорганической природы. Однако это, по-видимому, не весь перечень экзогенных источников энергии, которыми могут пользоваться живые системы. В работах [Гусев, 1998; Елин, 1957; Калиненко, 1957; Чернощеков и др., 1992; Лаврентьев и др., 1990; Гусев, 1993] описан феномен амплификации органотрофных микроорганизмов Esherichia сoli при полном отсутствии какого-либо органического субстрата.

Весь запас свободной энергии у бактерии, перенесенной из сбалансированной в бессубстратную среду и предварительно отмытой от всех эндогенных источников запасных веществ, сосредоточен в виде электрического заряда на цитоплазматической мембране. Элементарный расчет показывает, что этой энергии хватит клетке E. coli на синтез 100 – 150 молекул АТФ, то есть на такое же количество элементарных ферментативных актов. Очевидно, что этого количества энергии не достаточно для сохранения целостности всех клеточных структур в течение длительного времени и тем более не хватит даже на один акт самовоспроизведения. Основываясь на принципе Бауэра можно a priori ожидать быстрой гибели популяции этих микроорганизмов. Наблюдается же обратное явление – при выполнении определенных экспериментальных условий микроорганизмы не только сохраняют длительное время жизнеспособность в дистиллированной воде (до года по нашим данным [Гусев, 1993] и более 7-ми лет по данным работы [Аркадьева и др., 1987]), но способны размножаться в ней. Как показано в работе [Гусев и др., 1998] материальный баланс при этом не нарушается. Источником углерода и азота может быть только газовая атмосфера, а фосфор, сера и другие микроэлементы могут поступать в воду при выщелачивании стеклянной посуды. В этой же работе приводятся экспериментальные результаты, на основании которых высказывается гипотеза об электромагнитной природе источника свободной энергии.

Данная работа посвящена дальнейшему обоснованию этой гипотезы и построению физической и математической моделей динамики гетеротрофных микроорганизмов в среде, лишенной органического субстрата. Методическая часть изложена в наших работах [Гусев и др., 1998; Гусев, 1993].

Результаты и обсуждения

На рис. 1 представлены результаты инкубирования клеток в обычном термостате (а) и в условиях электромагнитного экранирования в камере из многослойного пермаллоя (б). В обоих случаях наблюдается как амплификация, так и вымирание различных популяций микроорганизмов. Однако соотношение противоположных процессов, протекающих в разных популяциях, обратное – вне экрана доминирует количество размножающихся популяций, в экране – вымирающих. Соотношение указанных процессов изменяется от эксперимента к эксперименту, но отмеченные доминанты сохраняются всегда. Эти результаты и послужили основанием для формулировки гипотезы об электромагнитном источнике свободной энергии [Гусев и др., 1998]. Неожиданным здесь является не то, что в дистиллированной воде и при дополнительных условиях электромагнитного экрана возможно размножение, но то, что вне экрана часть популяций необратимо вымирает. Действительно, при отборе проб для определения содержания жизнеспособных клеток необходимо было через 1 – 2 суток снимать экран на время до 0.5 час. Всё это время клетки инкубировались в условиях, аналогичных, как и для контрольных «неэкранированных» популяций. Следовательно, если размножение в дистилляте последних возможно, то оно не запрещено и для опытных популяций в период отсутствия экрана.

Рис.1. Амплификация клеток Esherichia coli в дистиллированной воде в обычном термостате (а) и при наличии дополнительного пермаллоевого экрана (б). К – концентрация клеток в см-3.

По результатам этих экспериментов можно сделать предположение о том, что распределение источников энергии не равномерно в пространстве и не стационарно во времени. Для подтверждения данного вывода были поставлены эксперименты с «квазидвумерными» популяциями. На рис.2 представлены данные, полученные после 24-х часового инкубирования 96-ти идентичных популяций в дистиллированной воде, размещенных по ячейкам иммунологической платы. Высота столбика над ячейкой пропорциональна числу жизнеспособных клеток в ней. Разброс числа жизнеспособных клеток по ячейкам достигает 3-х порядков. Кроме того, наблюдается тенденция к групповому, а не случайному распределению ячеек, в которых микроорганизмы размножаются.

Рис.2. Групповое распределение популяции по эффективности роста после суток инкубирования в дистиллированной воде.


Точная копия этого эксперимента, поставленного в другое время либо в другом месте, также демонстрирует групповую тенденцию, но координаты ячеек с размножающимися клетками оказываются иными. Данная серия экспериментов является прямым доказательством предположения о пространственной неоднородности и времен’ной нестационарности источников энергии, за счет которых возможно размножение микроорганизмов в дистиллированной воде. Это отчасти объясняет плохую воспроизводимость экспериментов, о которой упоминается в нашей работе [Гусев, 1993].

Следующая серия экспериментов была поставлена с целью определения интегральной характеристики – энергетической ёмкости источников. Как видно из данных представленных на рис.3, независимо от начальной концентрации всегда достигается одна и та же конечная концентрация клеток Kmax  106 см-3 . Эти данные также являются аргументом в пользу того, что живые клетки не используют эндогенные запасные вещества либо криптический субстрат отмирающих бактерий для поддержания своей жизнеспособности. При дальнейшем инкубировании таких популяций в течение многих месяцев наблюдаются вариации числа клеток вблизи этого порога [Гусев и др., 1998; Гусев, 1993]. На основании этих экспериментов можно утверждать, что наличие верхней пороговой концентрации обусловлено ограниченной энергетической ёмкостью среды, а не лимитом по углероду, азоту и т.д. Действительно, последние, являясь атмосферными компонентами, присутствуют в воде всегда в равновесной концентрации независимо от концентрации клеток. В этом случае следует ожидать лишь постепенного замедления скорости роста размножающихся популяций по мере увеличения концентрации клеток. Асимптотическое приближение к этому же пределу вымирающих популяций свидетельствует о том, что истинным лимитирующим фактором в этих условиях является энергетическая ёмкость среды.

Рис.3. Динамика популяций при инкубировании в дистиллированной воде с различной начальной концентрацией клеток. К – концентрация клеток в см-3.

При более детальном исследовании начального участка кривой амплификации клеток E. coli в отсутствие органического субстрата удалось наблюдать дополнительные особенности их размножения. На рис. 4 представлены кривые роста популяции микроорганизмов, характерной особенностью которых является наличие экстремумов. Концентрация клеток в экстремальных точках кривых на порядок превышает стационарную концентрацию Kmax  106 см-3. Маловероятно, что локальная концентрация углекислоты в атмосфере может изменяться на порядок без специальных на то условий. Объяснить это явление в рамках рассматриваемой модели можно, если предположить, что энергоёмкость экзогенного источника также варьирует, как и его распределение во времени и пространстве. Об этом, по-видимому, свидетельствуют и данные о перманентной вариации числа жизнеспособных клеток приведенные в работе [Гусев, 1993].

Рис.4. Экстремальная динамика амплификации клеток. К – концентрация клеток в см-3.


Таким образом, предполагая, что наиболее часто встречаемая концентрация клеток Kmax  106 см-3 обусловлена средней энергоёмкостью экзогенного источника, мы можем описать в первом приближении весь представленный набор экспериментальных данных одним уравнением типа уравнения Ферхюльста [Шустер, 1988]:

где t – время, W – энергетическая ёмкость популяции, Wmax – максимальная энергоёмкость среды, µ1 кинетический коэффициент.

Энергетическую ёмкость популяции клеток определим как W=Kwo, где K концентрация клеток, wo – энергия, необходимая для синтеза бактериальной биомассы из полностью окисленных соединений углерода СО2, водорода Н2О и других необходимых элементов. С учетом этих замечаний можно переписать уравнение (1) в виде:

где μ = μ1wo.



Уравнения (1) и (2) полностью эквивалентны друг другу, но первое определено в энергетических терминах, которые труднодоступны для непосредственного измерения. Во втором уравнении присутствуют величины, численное значение которых легко получить из представленных экспериментов. Решение уравнения (2) выглядит следующим образом:


где Ko – начальная концентрация клеток, Kmax – максимальная стационарная концентрация.


Графическое изображение этого уравнения при различных начальных данных соответствует характеру кривых, представленных на рис. 3. Если в процессе эксперимента Wmax и соответственно Kmax будут варьировать, это отразится на экспериментальных кривых в виде вариаций числа жизнеспособных клеток (см. рис. 4, а также [Гусев, 1993]).

В данной работе мы предполагаем, что источником энергии для амплификации микроорганизмов и последующего поддержания их жизнеспособности в стационарном состоянии популяции является электромагнитное поле. Электрическим аккумулятором в клетке может выступать цитоплазматическая мембрана, способная, как известно, накапливать заряды в виде протонов и\или других ионов [Скулачев, 1989]. Для составления энергетического баланса воспользуемся уравнением [Калашников, 1977]:


где W – энергия, поглощаемая клеточной мембраной, s – ее поверхность, α – доля электромагнитной энергии, поглощаемая мембраной, под интегралом вектор Умова - Пойтинга:




Из данных, представленных в работе [Гусев и др., 1998] следует, что среднее время удвоения клеток в популяции в экспоненциальной фазе роста составляет τ2  4×103 сек. За это время поток электромагнитной энергии внутрь клетки должен обеспечить синтез из воды и углекислого газа органической биомассы, равной исходной клетке. Количество энергии, необходимое для этого процесса можно оценить из следующих соображений. Основные элементы живой клетки углерод и водород имеют в среднем степень окисления соответствующую степени окисления их в молекуле глюкозы C6H12O6 [Мецлер, 1980]. Брутто формула органического вещества одной клетки E.coli массой m  2×10-13 г выглядит как (C6H12O6n, где n  109. При сгорании такого количества глюкозы до CO2 и H2O в стандартных условиях выделится энергия в количестве 3×10-9дж. Очевидно, что при биохимическом синтезе клетки массой m необходимо затратить больше энергии из-за тепловых потерь [Кальве, Прат, 1963]. Численное значение к.п.д. «биохимической машины» оценим из данных по окислению глюкозы в цепи гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования. На одну молекулу глюкозы в этой цепи выделяется 38 молекул АТФ [Мецлер, 1980], свободная энергия которых составляет около 2×106дж/моль, полная же энергия сгорания глюкозы 2.8×106дж/моль. Таким образом, максимальное значение к.п.д. биосинтеза η ≤ 0.7. С учетом тепловых потерь количество энергии необходимое для синтеза клетки из неорганического вещества составляет wo ≥ 4.3×10-9дж/клетку. Опустив промежуточные выкладки (см. например [Калашников, 1977]), приводим конечный вид формулы для оценки амплитуды, падающей на клетку плоской электромагнитной волны, которая способна обеспечить энергетический поток достаточный для экспериментально наблюдаемой скорости амплификации клеток:



где εо – диэлектрическая проницаемость вакуума, с – скорость света, r 2.5×10-7м - радиус клетки (в данной модели без особого ущерба для оценок считаем ее сферой), εm3 – диэлектрическая проницаемость мембраны [Березовский, Колотилов, 1990].


Подставив численные значения известных величин получим оценку Eo α-0.5×50 в/м. Для единственной неопределенной величины коэффициента поглощения можно задать диапазон разумных значений в пределах α ≤0.1-1.0 тогда 160≥ Eo ≥ 50 в/м.

В данный диапазон амплитуд укладывается амплитуда напряженности электрического поля вблизи поверхности Земли, которая соответствует величине около 130 в/м [Дятлов, 1998]. Таким образом, есть основания утверждать, что предлагаемая модель источника энергии для амплификации микроорганизмов в дистиллированной воде имеет под собой реальную физическую основу. Однако, приведенная оценка амплитуды поля относится к разряду необходимых условий в задаче об источнике свободной энергии. Для того, чтобы решение задачи было полным, необходимо сформулировать условие достаточности, то есть сформулировать физический механизм трансформации потенциальной энергии поля в энергию, доступную для биохимического синтеза.

На рис.5 представлена зависимость эффективности амплификации микроорганизмов E.coli в воде при различных рН. Необходимое значение рН создавалось титрованием NaOH либо HCl. Число жизнеспособных клеток в процессе инкубирования возрастает, но нет монотонных зависимостей скорости размножения от рН с максимумом вблизи рН=7.2, что a priori казалось бы должно быть. Именно это значение рН считается оптимальным для размножения данного вида микроорганизмов. Через трое суток достигают стационарного значения Kmax  106 см-3 популяции, которые инкубировались при рН = 6.2 , рН =6.6 и при стандартном оптимальном значении вблизи рН = 7.2. Таким образом, скорость размножения микроорганизмов в данных условиях определяется концентрацией протонов весьма нетривиальным образом. Для того чтобы проследить эту связь нам потребуется использовать аппарат физики ионизованного состояния материи, т.е. физики плазмы.

Рис.5. Эффективность амплификации клеток E.coli в водной среде при различных значениях рН через двое (2) и трое (3) суток; 1- исходная концентрация клеток. К – концентрация клеток в см-3.


Водная среда, по сути, является низкотемпературной ионной плазмой, в которой присутствуют при нормальном рН=7.0 ионы Н+ и ОН в равной концентрации n = [Н+]= [ОН‾] = 6.0×1013 см-3. Радиус Дебая или размер зоны экранирования электрического поля иона по [Арцимович, Сагдеев, 1979]:

где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, q – заряд иона, ε – диэлектрическая постоянная воды.


Расчет численных значений радиуса Дебая протона при Т = 300оК для рН = 7.0 дает величину 1.4×10-4см, для рН=6.0 соответственно 4.4×10-5см.. Оба этих значения много больше толщины цитоплазматической мембраны клетки h  8×10-7см, следовательно, на этом масштабе неизбежно будут возникать зоны нескомпенсированного электрического заряда. Спонтанная частота возникновения таких зон в отсутствие внешнего поля ν  8×109сек [Арцимович, Сагдеев, 1979].

Одной из характерных особенностей движения ионов в нейтральной плазме является возможность возбуждения так называемых собственных колебаний на круговой частоте:

ωo=q(4πn/)1/2 (3).

Ион водорода является самым легким и подвижным ионом в воде. Уравнение его движения в электрическом поле плоской волны амплитудой Ео и круговой частотой ω:

x’’ + px’ + ωo 2x = a exp(iωt) (4)

д
е переменные x и t – координата и время соответственно, параметры a=qEo/, m – масса протона, ε – диэлектрическая проницаемость среды, i – мнимая единица, коэффициент p характеризует вязкое трение среды при движении в ней иона. Решение уравнения (4) при условии, что частота поля совпадает с собственной частотой колебаний протона, т.е. ω = ωo имеет вид:

где В – константа, определяемая из начальных данных, Ω=(ω2 – р2/4)1/2. Через время t  2/p в уравнении (5) останется только первый член, определяющий колебания протона в поле волны на частоте ωo.


Для того, чтобы проникнуть через плазматическую мембрану протону необходимо накопить энергию, достаточную для преодоления трансмембранного потенциала, величина которого φ  0.1в [Скулачев, 1989]. Из уравнения (5) следует, что среднее значение кинетической энергии протона:

Wk=ma2/2p2.

Тогда условие преодоление протоном энергетического барьера мембраны будет выполняться при значении вязкого трения:

Ч
исленно этот коэффициент при Eo  130 в/м оценивается как p4×104 сек-1, т.е. при этих условиях время раскачки протона для достижения заданной энергии составляет менее 50 мксек.

Следует обратить внимание на тот факт, что «пики роста» на рис.5 приходятся на значения рН, при которых собственные частоты колебаний протонов, рассчитанные по формуле (3) находятся в отношениях весьма близких к кратным. В табл. 1 представлены соответствующие отношения для основных экстремумов.


Таблица. 1. Частоты собственных колебаний протонов в «пиковых значениях рН» (см. рис.5) и их отношения к частоте при рН=7.2

РН

4.4

6.2

6.6

7.2

8.4

Конц.[H]×10-13, см-3

2.39×103

37.8

15.1

3.78

0.239

Частота ν×10-8, сек-1

36.26

4.56

2.88

1.44

0.362

Относит. Величина ν/ν(7.2)

25.2±0.3

(25)

3.17±0.03

(3)

2.00±0.02

(2)

1

1/(3.98±0.04)

(1/4)


Немонотонная зависимость скорости размножения микроорганизмов от рН свидетельствует о том, что поступление энергии в клетку, согласно предлагаемой модели, осуществляется наиболее эффективно на собственных частотах колебаний протонов, что вполне естественно с физической точки зрения. При любом виде спектра электромагнитного поля резонансная раскачка протонов при данном рН возможна лишь на их собственной частоте или на частотах кратных ей. Однако понять физический смысл кратности частот для различных рН, при которых предпочтительнее размножаются микроорганизмы пока не представляется возможным. Наиболее реальным нам представляется предположение о том, что это явление связано с синхронизацией частот проскока протонов через мембрану и обратного их переноса АТФ-синтетазами при синтезе АТФ. Известно, что синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата осуществляется, в том числе ферментативным аппаратом, использующим энергию протонного трансмембранного потенциала [Скулачев, 1989; de Meis, 1987].


Заключение

Данная работа является попыткой систематизировать и осмыслить экспериментальный материал, который в значительной мере противоречит биологической парадигме сложившейся в классической микробиологии [Головлев, 1998]. Последняя являлась основным доводом, на основании которого были фактически отвергнуты результаты работ, выполненные в середине 50-х годов [Елин, 1957; Калиненко, 1957]. Однако уже современные данные о природных сообществах микроорганизмов [Романова, 1993; Oliver, 1993], сохраняющих длительное время жизнеспособность в условиях, при которых они согласно той же парадигме «обязаны» только вымирать позволили автору данной работы предложить физический образ источника энергии и возможный механизм ее утилизации микроорганизмами. Модель выходит за рамки биологических представлений и наряду с чисто биологическими оперирует физическими понятиями. Любая конкретная область знаний весьма консервативна по отношению к введению новых понятий. Возможно, это является одной из причин, по которой биологи не могут объяснить в рамках своих категорий феномен выживаемости и амплификации неспорообразующих гетеротрофных микроорганизмов в экстремальных условиях субстратного голода [Головлев, 1998].


Выводы

Представлена физическая модель, объясняющая длительное сохранение жизнеспособности гетеротрофных неспорообразующих микроорганизмов и их амплификацию в водной среде полностью свободной от органического субстрата. Ключевым моментом модели является предположение о преобразовании энергии электромагнитного поля в энергию трансмембранного потенциала. Экспериментальные результаты и теоретические выкладки опубликованы в [Gusev, 2001a,b, 2002; Gusev et al., 2001; Victor, 2005].


Благодарности

Автор выражает искреннюю признательность Н.И. Бобровской-Нейгель за проведение долговременных биологических экспериментов, А.О. Белкиной за обеспечение литературного поиска, Т.П. Камыниной за продуктивные дискуссии, проф. Е.Л. Головлеву и проф. С.Э. Шнолю за конструктивную критику и научную поддержку.


Работа выполнена при финансовой поддержке

(грант № 148, 2003).


Литература

Аркадьева З.А., Выборных С.Н., Лория Ж.К. //Биол. науки. 1987. N 2, с. 85-87.

Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. //Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат. 1979.

Бауэр Э.С. //Теоретическая биология. М.: ВИЭМ. 1935.

Березовский В.А., Колотилов Н.Н. //Биофизические характеристики тканей человека. Киев: Наукова думка. 1990.

Головлев Е.Л. //Биофизика. 1998.Т.43, вып.4, с.751-752.

Гусев В.А. //Динамика микробных популяций. Новосибирск: Наука. 1993, с.176 - 205.

Гусев В.А., Орлов В.А., Панов С.В. //Биофизика. 1998.Т.43, вып.4, с.745-750.

Дятлов В.Л. //Поляризационная модель неоднородного физического вакуума. Новосибирск: Изд. ИМ СО РАН, 1998.

Елин В.Л. //Микробиол. 1957. Т.XXVI, вып.1, с.17-21.

Калашников С.Г. //Электричество. М.: Наука, 1977, с. 532-535.

Калиненко В.О. //Микробиол. 1957. Т.XXVI, вып.2, с.148-153.

Кальве Э., Прат А. //Микрокалориметрия. М.: ИЛ. 1963, с. 321-333.

Лаврентьев М.М., Гусев В.А. и др. // Докл. АН СССР. 1990. Т.315(2), с. 368-370.

Мецлер Д. //Биохимия. М.: Мир. 1980.

Романова Ю.М., Гинцбург А.Л. //Молекулярная генетика. 1993, N 6, с.34-37.

Скулачев В.П. //Энергетика биологических мембран. М.: Наука. 1989.

Чернощеков К.А., Лепехин А.В. //Ж. микробиол., эпидимол. и иммунол. 1992. №9-10, с.21-24.

Шустер Г. //Детерминированный хаос. М.: Мир. 1988..

de Meis L. //Chemica Scripta. 1987. V. 278, p. 107-114.

Gusev V.A. On the Source of Energy for Survival and Multiplication of Heterotrophs in the Absence of Organic Substratum. I. Formulation of the Hypothesis. //Biophysics. 2001. - Vol. 46(5). - P. 862-868.

Gusev V.A. On the Source of Energy for Survival and Multiplication of Heterotrophs in the Absence of Organic Substratum. III. The Necessary and Sufficient Condition. //Biophysics. 2001. – Vol.46(5). - P. 875-878.

Gusev V.A. Chemical Evolution in a Thunderstorm Cloud. //Dokl. RAN. 2002. - Vol. 385(3). – P. 352-354.

Gusev V.A., Neigel N.J. On the Source of Energy for Survival and Multiplication of Heterotrophs in the Absence of Organic Substratum. II. Varification of the Hypothesis. //Biophysics. 2001. – Vol.46(5). – P. 869-874.

Oliver J.D. //Starvation in bacteria. NY, 1993.

Victor A. Gusev V.A., Dirk Schulze-Makush. Low frequency electromagnetic waves as a supplemental energy source to sustain microbial growth? //Naturwissenschaften. 2005. – Vol.92. – P. 115-120.


***


The radio waves in the life of microorganisms

V.A. Gusev

Institute of Mathematics SD RAS, Novosibirsk State University,

630090 Novosibirsk, Koptjugin avenue 4


The physical model explaining long-term preservation of vitality of heterotrophic not spore-forming microorganisms and their amplification in the aquatic environment without organic substratum is given. The main idea of the model is the supposition on the transformation of electromagnetic field energy into the energy of transmembranous potential.




Скачать.rar



Сайт создан при поддержке РОССИЙСКОГО ГУМАНИТАРНОГО НАУЧНОГО ФОНДА проект № 09-06-59610 а/Ц "Создание экологического Интернет-портала, как регионального компонента экологического образования"; № 10-06-59629 а/Ц"Создание региональной экологической Интернет-библиотеки"


© Авторы статей