Magnetic Biological Effect: Quantum Constraints

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The spin-chemical mechanism of radical pairs is considered today as the most probable molecular mechanism explaining the observed biological effects of weak magnetic fields. The magnitude of these effects depends on the spin relaxation rate, but no explicit functional relationship has been proposed yet. In the present work, an analytical solution of the Liouville−Neumann equation for a system of two electrons and a nucleus has been found taking into account spin relaxation and chemical kinetics. A relation has been obtained linking the magnitude of the magnetic response with the rate of relaxation due to thermal fluctuations. This effect obeys a general quantum constraint. At plausible relaxation rates, the calculated effects are small and cannot explain the observations. It can be concluded that today, despite the attractiveness of the radical pair mechanism and the increased theoretical understanding, the problem of magnetobiology still lacks a coherent conceptual solution.

Sobre autores

V. Binhi

Federal Scientific and Clinical Center for Space Medicine, Federal Medical and Biological Agency of the Russian Federation

Email: vnbin@mail.ru
Moscow, Russia

Bibliografia

  1. Barnothy M. F. Biological Effects of Magnetic Fields (Plenum, 1964).
  2. Grissom C. B. Magnetic field effects in biology: A survey of possible mechanisms with emphasis on radical-pair recombination. Chem. Rev., 95, 3–24 (1995). doi: 10.1021/cr00033a001
  3. Бучаченко А. Л. Магнито-зависимые молекулярные и химические процессы в биохимии, генетике и медицине. Успехи химии, 83, 1–12 (2014). doi: 10.1070/RC2014v083n01ABEH004335
  4. Greenebaum B. and Barnes F. Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields (CRC Press, 2019), vol. 1, 2.
  5. Binhi V. N. and Rubin A. B. Theoretical concepts in magnetobiology after 40 years of research. Cells, 11, 274 (2022). doi: 10.3390/cells11020274
  6. Kim Y., Bertagna F., D’Souza E. M., Heyes D. J., Johannissen L. O., Nery E. T., Pantelias A., Sanchez-Pedreno Jimenez A., Slocombe L., Spencer M. G., Al-Khalili J., Engel G. S., Hay S., Hingley-Wilson S. M., Jeevaratnam K., Jones A. R., Kattnig D. R., Lewis R., Sacchi M., Scrutton N. S., Silva S. R. P., and McFadden J. Quantum biology: An update and perspective. Quantum Rep., 3, 80–126 (2021). doi: 10.3390/quantum3010006
  7. Сюракшин А. В., Салеев В. А. и Юшанхай В. Ю. Квантовые модели в биологии. Вестн. Самар. унивта. Естест. сер., 28, 74–94 (2022). doi: 10.18287/2541-7525-2022-28-1-2-74-94
  8. Бинги В. Н. и Рубин А. Б. О квантовой природе магнитных явлений в биологии. Физика биологии и медицины, № 1, 44–73 (2023). doi: 10.7256/2730-0560.2023.1.40435
  9. Kirschvink J. L., Jones D. S., and MacFadden B. J. Magnetite biomineralization and magnetoreception in organisms. A new biomagnetism. (Plenum, 1985).
  10. Бинги В. Н. Поглощение микроволн магнитными наночастицами в организме. Биофизика, 56, 1134–1137 (2011).
  11. Schulten K., Swenberg C., and Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion. Z. Phys. Chem., 111, 1–5 (1978). doi: 10.1524/zpch.1978.111.1.001
  12. Hore P. J. and Mouritsen H. The radical-pair mechanism of magnetoreception. Annu. Rev. Biophys., 45, 299–344 (2016). doi: 10.1146/annurev-biophys-032116-094545
  13. Binhi V. N. Nonspecific magnetic biological effects: A model assuming the spin-orbit coupling. J. Chem. Phys., 151, 204101 (2019). doi: 10.1063/1.5127972
  14. Бинги В. H. Ядерные спины в первичных механизмах биологического действия магнитных полей. Биофизика, 40, 677–691 (1995).
  15. Соколик И. А. и Франкевич Е. Л. Влияние магнитных полей на фотопроцессы в органических твердых телах. Успехи физ. наук, 111, 261–288 (1973). doi: 10.3367/UFNr.0111.197310c.0261
  16. Тамм И. Е. и Мандельштам Л. И. Соотношение неопределенности энергия–время в нерелятивистской квантовой механике. Изв. АН СССР. Сер. физ., 9, 122–130 (1945).
  17. Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М. Квантовая механика (Hаука, 1974), т. III.
  18. Бинги В. Н. Первичный физический механизм биологических эффектов слабых магнитных полей. Биофизика, 61, 201–208 (2016).
  19. Зельдович Я. Б., Бучаченко А. Л. и Франкевич Е. Л. Магнитно-спиновые эффекты в химии и молекулярной физике. Успехи физ. наук, 155, 3–45 (1988). doi: 10.3367/UFNr.0155.198805a.0003
  20. Brocklehurst B. Spin correlation in the geminate recombination of radical ions in hydrocarbons. Part i. — theory of the magnetic field effect. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2, 72, 1869–1884 (1976). doi: 10.1039/F29767201869
  21. Haberkorn R. Density matrix description of spin-selective radical pair reactions. Mol. Phys., 32, 1491–1493 (1976). doi: 10.1080/00268977600102851
  22. Ivanov K. L., Petrova M. V., Lukzen N. N., and Maeda K. Consistent treatment of spin-selective recombination of a radical pair confirms the Haberkorn approach. J. Phys. Chem. A, 114, 9447–9455 (2010). doi: 10.1021/jp1048265
  23. Redfield A. G. On the theory of relaxation processes. IBM J. Res. Dev., 1, 19–31 (1957). doi: 10.1147/rd.11.0019
  24. Cai J. and Plenio M. B. Chemical compass model for avian magnetoreception as a quantum coherent device. Phys. Rev. Lett., 111, 230503 (2013). doi: 10.1103/PhysRevLett.111.230503
  25. Hiscock H. G., Worster S., Kattnig D. R., Steers C., Jin Y., Manolopoulos D. E., Mouritsen H., and Hore P. J. The quantum needle of the avian magnetic compass. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113 (17), 4634–4639 (2016). doi: 10.1073/pnas.1600341113
  26. Федин М. В., Шакиров С. Р., Пуртов П. А. и Багрянская Е. Г. Электронная спиновая релаксация радикалов в слабых магнитных полях. Изв. РАН, Сер. хим., № 10, 1642–1655 (2006).
  27. Афанасьева М. С., Пуртов П. А., Тарабан М. Б. и Лешина Т. В. Спиновая химия ферментативных процессов. Успехи химии, 76, 651–668 (2007). doi: 10.1070/RC2007v076n07ABEH003714
  28. Stovbun S. V., Zlenko D. V., Bukhvostov A. A., Vedenkin A. A., Skoblin A. A., Kuznetsov D. A., and Buchachenko A. L. Magnetic field and nuclear spin influence on the DNA synthesis rate. Sci. Rep., 13, 465 (2023). doi: 10.1038/s41598-022-26744-4
  29. Maeda K., Robinson A. J., Henbest K. B., Hogben H. J., Biskup T., Ahmad M., Schleicher E., Weber S., Timmel Ch. R., and Hore P. J. Magnetically sensitive light-induced reactions in cryptochrome are consistent with its proposed role as a magnetoreceptor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109 (13), 4774–4779 (2012). doi: 10.1073/pnas.1118959109
  30. Xu J., Jarocha L. E., Zollitsch T., Konowalczyk M., Henbest K. B., Richert S., Golesworthy M. J., Schmidt J., Dejean V., Sowood D. J. C., Bassetto M., Luo J., Walton J. R., Fleming J., Wei Y., Pitcher T. L., Moise G., Herrmann M., Yin H., Wu H., Bartolke R., Kasehagen S. J., Horst S., Dautaj G., Murton P. D. F., Gehrckens A. S., Chelliah Y., Takahashi J. S., Koch K.-W., Weber S., Solov’yov I. A., Xie C., Mackenzie S. R., Timmel Ch. R., Mouritsen H., and Hore P. J. Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature, 594, 535–540 (2021). doi: 10.1038/s41586-021-03618-9
  31. Багрянский В. А., Боровков В. И. и Молин Ю. Н. Квантовые биения в радикальных парах. Успехи химии, 76, 535–549 (2007). doi: 10.1070/RC2007v076n06ABEH003715
  32. Fischer H. The effect of a magnetic field on the product yield of a geminate radical-pair reaction in homogeneous solution. Chem. Phys. Lett., 100, 255–258 (1983). doi: 10.1016/0009-2614(83)87287-x
  33. Sacher M. and Grampp G. Magnetic field effects on the luminescence of p-phenylenediamine derivatives. Berich. Bunsen Gesell., 101, (1997). doi: 10.1002/bbpc.19971010613
  34. Paul S., Kiryutin A. S., Guo J., Ivanov K. L., Matysik J., Yurkovskaya A. V., and Wang X. Magnetic field effect in natural cryptochrome explored with model compound. Sci. Rep., 7, 11892 (2017). doi: 10.1038/s41598-017-10356-4
  35. Schulten Z. and Schulten K. The generation, diffusion, spin motion, and recombination of radical pairs in solution in the nanosecond time domain. J. Chem. Phys., 66, 4616–4634 (1977). doi: 10.1063/1.433719
  36. Stass D. V., Tadjikov B. M., and Molin Yu. N. Manifestation of quantum coherence upon recombination of radical ion pairs in weak magnetic fields. Systems with equivalent nuclei. Chem. Phys. Lett., 235, 511–516 (1995). doi: 10.1016/0009-2614(95)00135-Q
  37. Binhi V. N. Statistical amplification of the effects of weak magnetic fields in cellular translation. Cells, 12, 724 (2023). doi: 10.3390/cells12050724
  38. Pishchalnikov R. Y., Gurfinkel Yu. I., Sarimov R. M., Vasin A. L., Sasonko M. L., Matveeva T. A., Binhi V. N., and Baranov M. V. Cardiovascular response as a marker of environmental stress caused by variations in geomagnetic field and local weather. Biomed. Signal. Proces., 51, 401–410 (2019). doi: 10.1016/j.bspc.2019.03.005
  39. Каспранский Р. Р., Бинги В. Н. и Кошель И. В. Связано ли ослабление магнитного поля в космосе с риском ошибок в деятельности космонавтов? Физ. биол. мед., 2, 77–90 (2024). doi: 10.7256/2730-0560.2024.1.71398

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».