Дихотомия правого и левого

 

А.С. Холманский

 

(Получена 6 июля 2007; опубликована 15 июля 2007)

 

Анализ структурных особенностей водных кластеров и метаболитов (сахаров, АТФ, ДНК, РНК, гормонов) показал универсальность тетраэдрической метрики электронных орбиталей. Для тетраэдров с асимметричным центральным атомом, имеющим нулевой ядерный спин  (С, О, S) предположили взаимодействие валентных электронов с внешним хиральным фактором электромагнитной природы, а для ядер с ненулевым спином (Р, J) к данному взаимодействию добавили еще спин-спиновое взаимодействие между хиральным квантом и ядром. Второй тип взаимодействия позволяет привлечь гипотезу хирального фактора нейтринной природы для объяснения причин дисимметрии биосферы, начиная с пребиотического этапа эволюции. Совокупное действие двух хиральных факторов на живые системы отвечает за генезис функционально-морфологической асимметрии правого и левого полушарий, лежащей в основе физики мышления.

 

Предельно сложные формы дихотомии реализуются в иерархии живых систем. К ним можно отнести симбиоз мужских и женских организмов, синергизм правого и левого полушарий мозга человека и даже обрядово-догматические различия у монотеистических религий [1]. Своеобразна и требует изучения дихотомичность метаболизма, который сочетает физико-химические свойства воды, правых (D) сахаров и левых (L) аминокислот. Философская база парадигмы дихотомии зиждется на «хирально стерильных» законах диалектики (закон подобия, единства и борьбы противоположностей). Они не содержат правил комбинирования дискретных форм материи, обусловивших асимметрию между право- и левовинтовым движением на уровне элементарных частиц. Поэтому открытыми остаются вопросы: почему процесс самоорганизации мира уже в самом начале предпочел частицы, а не их зеркальные антиподы – античастицы? Существует ли в природе универсальный физический фактор, под действием которого мир, а затем и биосфера приобрели диссиметрию и хиральность [2]?

 

Очевидно, что данный фактор сам должен быть хиральным, кроме того, живые  водосодержащие системы в отличие от косных хиральных структур должны обладать специфическим механизмом реагирования на действие такого фактора. Л. Пастер, открыв явление оптической активности в 1860 году, предположил, что асимметрия биосферы есть результат действия электрических и магнитных полей космического происхождения. В развитие этой гипотезы В. Вернадский связал хиральность живых систем с асимметрией самого пространства. Обе гипотезы разумны и дополняют друг друга. Известно [3], что природные электромагнитные поля, как правило, асимметричны, частично поляризован солнечный свет. Есть работы [3 - 5], в которых обсуждаются модели механизма чувствительности живых систем к хиральному фактору, основанные на хиральности электромагнитного поля, структурной асимметрии метаболитов и кооперативных явлениях в водных атомно-молекулярных системах.

 

Изучать природу хирального фактора можно двумя способами.

1. Исследовать хиральные свойства универсальных физических факторов эволюции. На их роль могут претендовать хиральные поля и кванты электромагнитной и нейтринной природы.

2. Изучать зависимость физико-химических свойств водных растворов метаболитов от их структуры и внешних условий.

 

В настоящей работе, в качестве модели хирального кванта по примеру Дж. Максвелла [6] использовали вихрь идеальной сплошной среды, сочетающий в себе вращательное и поступательное движения (Рис 1). В зависимости от направления векторов импульса и момента импульса вихрь может быть право и левоспиральным. Такой вихрь можно взять за основу кванта энергии, как электромагнитной (ЭМ), так и нейтринной природы. Кинематика и динамика ЭМ-вихря определяются правилом Ленца и правым буравчиком Максвелла [1, 6].

 

 

Рис.1. Модели хирального ЭМ-вихря [9] (а), хирального кванта с моментом импульса – l и импульсом – р (б) и схема sp³-гибридизации валентных электронов атома. J – ядерный спин, Е, Н – напряженности электрического и магнитного поля.

 

Универсальным элементом геометрии пространств литосферы, гидросферы Земли и водной среды жидких систем является тетраэдр, отвечающий sp³-гибридизации  межатомных или межмолекулярных связей (Рис. 1, 2). Это, прежде всего, относится к содержащим кварц верхним слоям земной коры, пескам и глинам. Высокая доля кремнезема (SiO₂) в этих средах располагает к формированию сеток из цепочек центрированных тетраэдров (Рис. 2). В низкотемпературной модификации кварца цепочки тетраэдров располагаются по спирали [7], поэтому прозрачный кварц оптически активен.

  Элементом трехмерных сеток водородных связей в конденсированных водных системах также является тетраэдр (Рис. 2). В работе [8] предположили, что в воде возникают короткоживущие надмолекулярные образования (кластеры) изоморфные цепочкам тетраэдров в кварце, благодаря которым вода может приобретать динамическую оптическую активность. Стационарная концентрация хиральных кластеров воды должна определяться их временем жизни и, очевидно, возрастает при растворении в воде хиральных молекул, предрасположенных к образованию водородных связей и ассоциированию (самоорганизации). Такими молекулами являются аминокислоты, белки и сахара. Синергизм динамической оптической активности воды и внешнего хирального фактора, может избирательно влиять на кинетику ферментативных реакций синтеза хиральных метаболитов, например гормонов роста и цветения [8]. По-видимому, в этом механизме свою роль играют и хиральные среды литосферы, которые могут селектировать и концентрировать потоки хиральных квантов, как исходящих из недр Земли, так и  космической природы.

 

В основе энергоинформационного действия хирального фактора должен лежать механизм взаимодействия хиральных квантов с многокомпонентными водными средами живых систем. Ядерно-электронная структура, участвующая в данном взаимодействии, вероятнее всего будет иметь геометрию тетраэдра. Простая трансформация вихревой модели хирального кванта может обеспечить механизм его резонансного поглощения ядерно-электронной структурой атома или молекулы метаболита (Рис. 2). Симметрия sp³-гибридизации является производной внутренней структуры ядра, которая задает число и порядок формирования электронных оболочек атома, в том числе и геометрию орбиталей валентных электронов. Тетраэдрическую стереохимию метаболитов и их фрагментов определяют помимо ядер С¹² (0), С¹³ (1/2) такие ядра: Р (1/2), S (0), Cl (3/2), J (5/2) (в скобках приведены значения ядерных спинов). В случае различия орбиталей всех четырех связей данных атомов они становятся центрами асимметрии, наделяя  соответствующие структуры свойством хиральности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Спиральная метрика пространства (синий цвет), в которую вписан тетраэдр ABCD. Красные стрелки – вращения радиус-вектора ОА против часовой стрелки моделирует один оборот правого винта спирали. Цепочка тетраэдров SiO₄ в кварце или РО₄ в воде (б). Тетраэдрический элемент надмолекулярной структуры воды (с).

 

В случае если хиральный квант есть ЭМ-вихрь, его поглощение осуществляется в рамках взаимодействия с валентными электронами. При этом спин ядра и его магнитный момент не играют какой-либо роли. Очевидно, что метаболиты с асимметричными атомами углерода (С¹²) и серы будут чувствительны к хиральному фактору электромагнитной природы (ЭМ-фактор), поскольку их ядерный спин равен нулю. Область влияния ЭМ-фактора охватывает все процессы производства и расходования в организме электромагнитной энергии, источником которой являются ферментативные реакции окисления углеводов, белков и жиров. Электромагнитная энергия обеспечивает работу нервов, мышц и половых органов.

 

При окислении правой глюкозы образуется в целом оптически не активная молекула АТФ. Однако при анаэробном гликолизе глюкозы помимо двух ахиральных молекул АТФ образуются две молекулы хиральной молочной кислоты, имеющей тетраэдрическую структуру. Ее роль в метаболизме отнюдь не исчерпывается энергетической функцией. К примеру, в работе [1] высказана гипотеза, что синтез молочной кислоты в стекловидном теле глаза асимметричен, то есть в правом глазу преобладает синтез, допустим, L-изомера, а в левом – D-изомера. Косвенно эта гипотеза подтверждается тем, что слова русского языка лучше распознаются в правом поле зрения или левым полушарием мозга, а слова еврейского языка (Рис. 3) – в левом поле зрения и, соответственно, в правом полушарии мозга [10]. Если сравнить графику букв этих двух языков, то можно обнаружить, что в иврите преобладает элемент зеркально симметричный русской букве «Г» (Рис. 3). На основании этих данных можно заключить, что ферментативный синтез молочной кислоты в правом и левом глазе зеркально симметричны и эта асимметрия может передаваться также на мозг, поскольку жидкость стекловидного тела близка по составу с ликвором и молочная кислота может диффундировать по зрительному нерву в мозг. Таким образом, молочная кислота, являясь носителем ЭМ-фактора, может привносить соответствующую асимметрию в электромагнитную энергетику мозга и всего организма.

 

 

 

Рис.3. Фрагмент текста на иврите.

 

Регуляторами электромагнитных процессов ответственных за половую функцию организма являются стероидные гормоны (Рис. 4), химическая структура которых вполне может обеспечить аккумуляцию квантов электромагнитной природы с тетраэдрической метрикой. Аналогичную роль может исполнять в мозгу химический предшественник половых стероидов – холестерол, а в растениях – гормоны роста и цветения (например, гиббереллин) [8], имеющие родственную со стероидами структуру.   

  Следует отметить, что электронные структуры женского (эстрадиол) и мужского (тестостерон) гормонов отличаются числом тетраэдрических центров (в мужском их на 4 больше) и в женском гормоне имеется фенольный фрагмент, тогда как в мужском карбонильная группа (>С=О). Эти структурные различия вполне могут обусловить половую дифференциацию реакции организма человека на хиральные кванты электромагнитной природы. 

 

 

Рис.4. Структуры половых гормонов (а) и молекулярной основы костного материала –  кристалла гидроксиапатита (б).

 

Предположим, что поглощение кванта нейтринной природы сочетает в себе резонансное взаимодействие магнитных моментов (спинов) кванта и ядра, а также импульса кванта с электромагнитным полем валентных электрона. Последнее взаимодействие, как и в случае хирального ЭМ-фактора, будет приводить к химической активации хромофора или к повышению химического потенциала метаболита [1]. Взаимодействие же спинов кванта и ядра, очевидно, будет менять ориентацию последнего. Данное взаимодействие аналогично явлению ЯМР и взаимодействию магнитных моментов ядер атома водорода и диамагнитного тока электронов в молекулах биосистемы с внешними полями напряженностью 10^–9 – 10^–12 Тл [11]. Таким образом, можно полагать, что хиральный фактор нейтринной природы (J-фактор) играет важную роль в кооперативных явлениях и в механизмах энергоинформационного обмена. Конечно, в силу малости энергии хиральных ЭМ- и J-факторов их электромагнитное и спин-спиновое взаимодействия с метаболитами будут иметь характер возмущений.

Детали механизма действия J-фактора на живые системы можно узнать из анализа свойств двух биогенных элементов – четырехвалентного фосфора и йода, валентность которого меняется в пределах от одной до восьми [7]. Фосфор в живых системах и в естественных водоемах присутствует в виде аниона фосфата РО₄^–, имеющего геометрию тетраэдра и образующего цепочки подобные, представленной на Рис 1. Фосфат присутствует в метаболитах, играющих ключевую роль в энергетике и передачи информации в живом организме. К ним относятся: молекула-аккумулятор электромагнитной энергии (АТФ), ДНК, РНК (Рис. 5); а также кристалл гидроксиапатита – основа костной материи  (Рис. 4).

 

Йод входит в состав важного гормона щитовидной железы – тирозина, который повышает активность гормонов роста и многих ферментов, прежде всего, ферментов расщепляющих углеводы, он также отвечает за умственное развитие в раннем детском возрасте. Недостаток йода у детей ведет к развитию идиотизма, а у взрослых – к замедлению всех метаболических процессов. В организме выработался механизм поддержания концентрации йода в крови на одном уровне. Наблюдаются сезонные вариации концентрации йода в крови: снижение с сентября по январь и достижение максимального значения в мае – июне. Эти вариации могут быть связаны с ритмикой биогенного излучения Солнца, ответственного за размножение живых организмов.

 

Рис.5. Структуры биологических молекул содержащих тетраэдрический фосфор.

 

Первичным источником биогенного фосфора и йода является гидросфера Земли. В трофическую цепь эти элементы вовлекаются в процессе фотосинтеза фитопланктона. Учитывая, что вода в значительной мере экранирует действие хирального ЭМ-фактора, в ней возрастает роль хирального J-фактора, аккумулятором которого могут выступать тетраэдрический фосфор и йодсодержащие органические соединения. Данное свойство ядерно-электронной структуры фосфора и йода могло предопределить их функции в метаболизме и заложить уже на пребиотическом этапе эволюции основные принципы структурной и функциональной асимметрии живых систем.

 

Структуры АТФ, ДНК и РНК имеют в своей основе один и тот же нуклеотид, состоящий из хирального сахара (D-рибоза), азотистого основания и фосфатной группы, связанной с рибозой через СН₂-мостик (Рис. 5). Такой нуклеотид, в принципе, может аккумулировать на своей ядерно-электронной структуре хиральные кванты, как электромагнитной (ЕМ-фактор), так и нейтринной (J-фактор) природы. Структурное подобие нуклеотидов АТФ, ДНК и РНК способствует эффективному обмену между ними квантами соответствующей энергии по резонансному механизму. Такой обмен может ускорять и хирально дифференцировать кинетику ферментативных реакций, обеспечивающих процессы отбора и передачи  генной информации (трансляция РНК, репликация и транскрипция ДНК).  Высокое содержание фосфата в костной ткани и симметрия кристаллов гидроксиапатита будут способствовать аккумуляции хиральных квантов нейтринной энергии, которая может принимать непосредственное участие в процессе кроветворения в костном мозге.

 

Таким образом, проведенный анализ структурных особенностей водных растворов метаболитов показал универсальность тетраэдрической метрики электронных орбиталей. Для структурных тетраэдров с асимметричным атомом, имеющим нулевой ядерный спин  предположили взаимодействие валентных электронов с внешним хиральным фактором электромагнитной природы, а для ядер с ненулевым спином к данному взаимодействию добавили еще спин-спиновое взаимодействие между моментом импульса хирального кванта и спином ядра. Второй тип взаимодействия позволяет привлечь гипотезу хирального фактора нейтринной природы для объяснения причин дисимметрии биосферы. Совокупное действие двух хиральных факторов на живые системы охватывает весь диапазон функционально-морфологической асимметрии организма человека.

 

Литература

 

1.       Холманский А.С. Моделирование физики мозга // Математическая морфология.  Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 5. - В. 4. 2006.  http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-12 html/holmansky/holmansky.htm; Ресурс функциональной асимметрии мозга // там же.

2.       Кизель В.А. Физические причины диссимметрии живых систем. – М.: «Наука». 1985.

3.       Жвирблис В.Е. Космофизические истоки дисимметрии живых систем // Принципы симметрии и системности в химии, изд-во Московского ун-та, 1987 г., 123 С.

4.       Холманский А.С. Зависимость от температуры оптической активности физиологических растворов сахаров // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. – Т. 5. – Вып. 4. - 2006. http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-12;

5.       Юхновский Ю.Р. Симметрия и фазовые переходы второго рода. В сб. Методологические проблемы кристаллографии. М.: Наука. – 1985. 296 с.

6.       Максвелл Дж. О физических силовых линиях // Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. –М.:. 1954. С.105 – 248.

7.       Пиментол П., Спратли Р. Как квантовая механика объясняет химическую связь. Мир. - М.: 1973.

8.       Холманский А.С. Термодинамические особенности воды и биоэнергетика // Доклады РАСХН, 2006. 2. // http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7897.html

9.       Желудев И.С. Симметрия и ее приложения. - М.: Атомиздат. 1976.

10.   Физиология человека. Ред. Р. Шмидт, Г. Тевс, Т. 1-4, - М.: Мир, 1996; Пушкарев Ю.П. Удивительная физиология. – СП.: 2005. С. 104.

11.   Леднев В.В. Биоэффекты слабых комбинированных, постоянных и переменных магнитных полей // Биофизика. 1996. Т. 41, № 1. С. 224-232.