Полная версия

Главная arrow Медицина arrow Вестник новых медицинских технологий, №1 март

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ДИСКУССИОННЫЙ РАЗДЕЛ. ПИСЬМА В РЕДАКЦИЮ. РЕЦЕНЗИИ

ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ МОДЕЛЬ ПАМЯТИ. СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ (ФОРМАЛИЗАЦИИ) И ПЕРЕНОСА ИНФОРМАЦИИ

Рассмотрев в предыдущих статьях материальные элементы памяти, переходим к способам кодирования и переноса информации. Исследованы механизмы кодирования и спектр активности ионов водорода, как доминирующая характеристика в самом процессе кодирования информации. В частности, подчеркнута роль туннельного эффекта - способность иона водорода Н+ изменить свои координаты без потери энергии. Отмечена и возможность эстафетной передачи протона в базовых биохимических реакциях. Главное - по сравнению с другими ионами материальной структуры мозга - малая масса протона делает его уникальным в их ряду в рассматриваемом аспекте кодирования и переноса информации в реализации механизма памяти. Базовым понятием здесь является информационный код памяти. При этом собственно кодирование информации рассматривается как далеко не тривиальная задача, но вполне решаемая (то есть анализируемая в модели памяти), учитывая большое число параметров электрического нейронного сигнала. Другой аспект заключается в том, что каким бы образом не происходило кодирование, при сохранении информации в памяти должно происходить перекодирование параметров электрических сигналов с параметры структуры и энергии биополимеров или других накопителей. А равным образом, для извлечения информации из памяти должно осуществляться ее декодирование в образы, вербальные или иные характеристики. Заметим, что механизмы декодирования в структуре памяти ранее в известных автором работах не обсуждались вовсе. В статье рассматривается базовое понятие спектра активности ионов водорода. Именно спектр активности ионов водорода, как обобщенная характеристика активности протона, определяет все «тонкие» механизмы действенности ионно-молекулярной модели памяти. Показано, что единственная уникальность прогона, как биохимического агента, и привела его к выделению - на фоне других ионов - в качестве важнейшего элемента памяти.

В предыдущих статьях, завершено рас- га человека. Разумеется, для переноса информации из

смотрение материальных элементов памяти головного моз- внешней среды на структурные элементы, обеспечивающие память, необходимо кодирование информации, рассмотрим эти вопросы.

При обсуждении вопроса о кодировании поступающей информации в качестве элементов, которые осуществляют такое кодирование, рассматриваются исключительно нейроны (первые передатчики информации) и их объединения, то есть ведется речь о кодировании информации посредством разнообразных характеристик электрических импульсов [1,3,4]. Очевидно, кодирование информации, таким образом, - задача хотя и далеко не тривиальная, но и не очень сложная, учитывая множество параметров электрического сигнала. Наиболее простые из них - амплитуда сигналов и их частота (период), количество импульсов в пачке и, может быть, фаза. Помимо этого, наверняка в качестве кодовых используются другие временных характеристики (паттерны) сигналов, такие как длительность пачек и интервалов между ними и прочее. Кроме того, поскольку нейроны, как кодировщики информационных сигналов рассматриваются в совокупности, то важными характеристиками кода могут оказаться число одновременно возбужденных нейронов и их расположением в нейронном слое.

Другой аспект этой же проблемы заключается в том, что каким бы образом не происходило кодирование, при сохранении информации в памяти должно происходить перекодирование параметров электрических сигналов в параметры структуры и энергии биополимеров или других накопителей. На энергетическую сторону памяти довольно давно обращали (но не обратили) внимание, добавляя, что внутри «мембранной оболочки волокна остается только ионная взрывная дорожка возбуждения, никем еще не разгаданная и не переведенная с ясностью на физикохимический язык» [5].

Наконец, для извлечения (важнейший аспект памяти) информации должно осуществляться ее декодирование в образы, вербальные или иные (например, обонятельные либо тактильные) характеристики. Однако механизм декодирования в известных работах не обсуждается вовсе.

Память с одной из ее сторон - это запоминание - получение и накопление информации, безусловно, обеспечиваемые изменением энергии частиц - носителей памяти (вопрос о без эенергетичности собственно процесса формирования памяти обсуждается далее). Принципиальная возможность элементарных частиц участвовать в формировании памяти обсуждалась в работе [2]. Естественно, что чем меньше такая частица, тем меньше энергию к ней необходимо приложить, чтобы она изменила собственную энергию, го есть тем проще процесс получения информации. Однако, чем меньше такая частица, тем легче ей утратить энергию и потерять информацию. Кроме того, чем меньше частица, тем труднее при необходимости отыскать ту, которая требуется для считывания записанной с ее помощью информации. Последняя трудность разрешима, поскольку считывание (как и запись) информации происходит не с одной частицы, которая в единственном числе не несет, как правило, никакой информации (одна буква, одна кодовая единица), а с их набора, комплекса. Б связи с этим возникает компромисс для оптимальной величины (физического размера) частиц, участвующих в формировании памяти. Судя по веским аргументам, вряд ли это не элементарные частицы [6]. Но те же аргументы указывают па то, что это вряд ли элементарные частицы, по крайней мере, известные в настоящее время. Единственным веществом, являющимся элементарной частицей, которое в то же время обладает свойствам, не присущими элементарной частице (например, вступает в химические реакции) являются ионы водорода, как и всякие другие частицы (и не только элементарные), имеющие собственную энергию (активность).

Рассмотрим активность и САИБ. Активность (а) вещества выражается уравнением [7], которое запишем применительно к Н+:

где a(H*)i, y(H*)i и [Н'Ь - соответственно активность, коэффициент активности и концентрация Н+ (способ выражения концентрации не имеет значения), а подстрочный индекс i указывает на то, что Н' (вещество) неоднородны и при i > 1 они разного вида, характеризующегося каждый собственной активностью. Эти виды одного вещества (Н+) с разной активностью и образуют то, что мы назвали «спектр» (спектр активности ионов водорода).

Заметим, что измеряемая [Н*] (и концентрация любого другого вещества) есть ни что иное как сумма концентрации частиц разной активности:

то есть является интегральной характеристикой активности, а известный водородный показатель (pH), используемый в качестве меры +], - отрицательный логарифм последней величины:

Для дальнейшего изложения необходимо ввести еще ряд определений. Напомним, что протон - это атом водорода, от которого электрон удален на бесконечно большое расстояние. Обычно протон, как и ион водорода, обозначают символом Н+, не делая различий между ними.

Примем способность протона принимать электрон (активность) за единицу, т. е. потенциальную энергию протона будем считать равной единице и рассмотрим его в среде, содержащей другие ионы и молекулы. В локальной области Н+ находится в определенном микроокружении. Если микроокружение Н+ имеет суммарный положительный заряд, то активность Н+ (потенциальная энергия) будет больше единицы (суперпротон), а, если микроокружение имеет суммарный отрицательный заряд, то активность И* - меньше единицы (субпротон). Очень важно, что, в первую очередь, по причине чрезвычайно сложного микроокружения, а также высокой вязкости биологических жидкостей, имеющийся заряд не может быть компенсирован с бесконечной степенью точностью. Разумеется, в идеальных условиях любой заряд притягивает заряд противоположного знака с силой, определяемой законом Кулона. В таких условиях кулоновские взаимодействия обеспечивают нейтрализацию заряда и приводят к формированию электрически нейтральных структур. Иное дело электродинамические события, происходящие в клетке или внеклеточной среде. Компенсирующие заряд ионы и, особенно, ионные фрагменты биополимерных молекул сопряжены с ионами, имеющими заряд противоположного знака, а те, в свою очередь, с фрагментами, со знаком заряда, совпадающим с первыми и так далее.

Таким образом, вокруг произвольно выбранного иона, в частности Н+, всегда имеется некоторый избыточный положительный или отрицательный заряд. Этот, выбранный произвольно заряд, условно можно считать источником возникновения электрической неоднородности, в результате такой неоднородности появляется поле Н+, характеризующееся градиентом заряда. (В еще более плотной среде клеточных мембран локальная неоднородность и высокая вязкость обретают законченность, формируя ансамбль отрицательных зарядов на внутренней стороне мембраны и положительных зарядов - на внешней [8].) Однако установить источник заряда, безусловно, невозможно и он оказывается размытым по полю. Идея об «обобществлении» (далее без кавычек) электронов и утрате ими связи с индивидуальным атомами высказана довольно давно [9]. Ничто не мешает Н+ реализовать аналогичное поведение, поскольку, как электроны, так и И* (в смысле протоны) - элементарные частицы. В таком случае метафорично можно говорить об электронно-протонном газе, насыщающем живую материю. С другой стороны, электроны, являясь переносчиками зарядов во многих химических системах, в биологических жидкостях уступают эту роль Н+, чему имеются доказательства экспериментальные [11].

Вследствие существования градиентов заряда, И* мигрирует физически (как механически, так и энергетически) в оптимальное состояние и, имея по соседству другой И*, расположенный дальше от ближнего локального микроокружения, передает этому, соседнему, иону определенную часть той энергии, которая инициировала перемещение Н* в исходном микроокружении. Последний ион, поступит аналогичным образом с Н+, находящимся еще дальше от активировавшего перемещение микроокружения и т. д. Физическую эволюцию Н+ осуществляют в окружении противоионов, и суммарный заряд биологических жидкостей равен нулю. Но, аналогично тому, как число «ноль» можно получить бесконечным набором сумм положительных и отрицательных чисел, так и суммарный нулевой заряд может складываться из бесконечного набора зарядов (не обязательно целочисленных) положительно и отрицательно заряженных ионов.

Попутно, но не между прочим, поскольку это положение важно для дальнейшего изложения, заметим, что числа - эго, как и энергия, квантовые единицы.

В общем случае, перемещение Н+ таким или аналогичным образом носит название «эстафетной передачи протона» (см. [10]). Примеры эстафетной передачи Н' можно найти, скажем, в [12-15]. Важно, что по такому пути происходит перемещение не прогона, как его понимают физики и большинство химиков, а именно Н', активность которого (исходного Н') и будет определять активность Н*, принявшего эстафету. Более того, принцип эстафетной передачи обсуждается в реализации механизмов переноса ионов калия через мембрану [16], функционирования при- мембранных ферментативных каскадов [17] и даже дрейфа мембранных пор [12]. То есть эстафетная передача в случае частиц достаточно малого размера, по-видимому, не является уникальным явлением, и перемещение Н* вполне может осуществляться при ее посредстве.

Следовательно, посредством эволюций Н+ способны переносить энергию, и вместе с ней информацию. Они, Н+, в сопряжении с электронами, являются третьими передатчиками и вторыми накопителями информации. При этом важно, не только количество Н+, но и их качество (активность). Так, наличие полос Маха (усиление контрастности на границах полос) при восприятии света разной интенсивности (кстати, свет - электронный спектр, а электроны сопряжены с Н+), согласно интерпретации [18], указывает на имеющее место в зрительном анализаторе дифференцирование в математическом смысле. Следовательно, важно не лишь количество, но и соотношение (разность, согласно [19]), то есть форма спектра каких-то элементов, которые обеспечивают восприятие.

Почему именно Н+, а не какие другие ионы? Разумеется, прежде всего, по той причине (и это свойство уникальное, подразумеваемое, но не обсуждаемое), что они участвуют во всех без исключения биохимических процессах (реакциях) либо непосредственно, присоединяясь или отщепляясь в результате реакций, либо опосредованно, определяя кислотно-основное состояние среды (pH). Последнее, в свою очередь, влияет па скорость ферментативных и неферментативных процессов или даже лимитирует их: в живом организме нет достаточно больших апротонных областей. Кроме того, участие Н* в формировании активного центра большинства, если не всех, ферментов - общеизвестный факт.

Вторая причина - очевидное наличие в биологической среде в областях, по объему близкому к локальным, Н* не одного вида (разной активности) - собственно САИВ (свойство, отнюдь не уникальное, но также не обсуждавшееся). Иными словами, одно и то же значение суммарной активности Н+ в среде, практически определяемой как концентрация и в случае Н+, представляемой ее отрицательным логарифмом (pH), можно получить разным набором Н+ различного вида, аналогично тому, как одну и ту же сумму можно получить разным набором слагаемых. Размеры областей, - в которых допустимо вести речь о САИВ как о спектре сосуществующих Н+, превосходят размеры локальных областей, но никак не более клетки. Ясно, что, например, в желудке вскоре после выделения в него соляной кислоты и, например, в головном мозге, независимо от процессов в нём происходящих, когда не патология, активность Н+ совершенно различна. Однако очевидного взаимодействия между Hf, находящимися в желудке и мозге, не происходит, и рассматривать их как составляющие спектра бессмысленно. Формированию поля Н' из них, входящих в состав двух соседних клеток, препятствует, как минимум, наличие клеточных мембран, лишая возможности Н* взаимодействовать непрерывно, то есть возможности образования поля, по определению. Более того, даже в пределах одной клетки существование клеточных компартментов (отделов) может стать значительным (насколько - отдельный вопрос, требующий особого рассмотрения) препятствием для образования ноля Н* и САИВ. Подходы к оценке параметров САИВ разработаны [20,21] и рассмотрены некоторые аспекты биорегулирования посредством поля Hf [22-24].

Следующая в ряду рассматриваемых причина - способность Н* изменять свое местоположение (координаты) без потери энергии (туннельный эффект). Туннельный эффект (его физическая суть подробно изложена, например, в [25]) совершенно очевиден в случае электронов [11,26], важен в биологических процессах [27] и имеет место в живых системах [28]. Туннелирование рассматривается как одна из проблем биологической физики [11,12,15,29-31]. В [11,27,32] говорится о туннелировании ядер, а в [10,12,15,31,33] - конкретно протонов, которые по сравнению с более тяжелыми атомами в этом смысле являются уникальными [12] (впрочем, обсуждают туннелирование и ионов кальция (!)). Действительно, масса протона (и Н+ или попросту атома водорода; в этом смысле все они практически идентичны) в несколько десятков раз меньше других важнейших атомов - натрия и калия. Однажды туннельный эффект гипотетически рассматривался для объяснения интуиции [6].

Суть туннельного перехода заключается в следующем. Для протекания реакции, частицам, участвующим в ней необходимо преодолеть так называемый «потенциальный барьер», высота которого определяется энергией, затрачиваемой на его преодоление. На основании изучения, в частности температурных зависимостей, многих химических реакций сделан вывод о том, что электроны обладают способностью участвовать в них без получения дополнительной энергии, то есть, не преодолевая энергетический барьер, а проходя под ним «по туннелю». Причина - исключительная малые размеры электрона. Разумеется, не все и даже не многие реакции протекают по туннельному механизму. (Кстати, вопрос, что отличает реакции, в которых может реализоваться туннелирование, похоже, не ставился.) Очевидно, протон (И* согласно нашей терминологии), хотя его масса примерно в 2000 раз больше массы электрона, все еще при определенных условиях сохраняет способность участвовать в реакциях, проходя под энергетическим барьером по туннелю, на что имеются экспериментальные обоснования. Если туннелирование И* действительно происходит, то он (Н+) осуществляет безэпергетический переход, который, как считают, необходим, по крайней мере, для процесса мышления.

Далее, отнюдь не строгая локализация данного Н+ на конкретной белковой (или иной) молекуле (обобществление в поле) может оказаться полезным свойством для протекания процессов, обеспечивающих память.

Наконец, не следует забывать и возможности эстафетной передачи протона (Н+) в биохимических реакциях.

Обсуждение свойств Н* с точки зрения формирования ими поля и САИВ понадобилось для того, чтобы обеспечить развиваемой гипотезе фундаментальную поддержку. Тем не менее, не все уникальные свойства могут быть необходимы для реализации памяти. Такого рода оговорка только что была сделана в отношении обобществления Н* в поле. Строго говоря, эго свойство не является уникальным для Hf, о чем упоминалось: попросту И', ввиду малой массы, могут быть вслед за электронами наиболее склонны к обобществлению но сравнению с более крупными ионами. То же относи тся к эстафе тной передаче Н+. Что же касае тся туннелирования, то оно, хотя, пожалуй, и уникальное среди прочих ионов свойство Н', но не необходимое для того, чтобы память функционировала.

По-видимому, обобществление Н' и эстафетная передача могут быть полезны при формировании библиотеки памяти, а также для более быстрого извлечения информации из нее. Туннельный же эффект (безэнергетичность) может быть необходим в процессах решения задач, то есть для реализации мыслительного процесса, тогда как для функционирования собственно памяти ни он, ни два первых свойства могут не иметь никакого или, по крайней мере, принципиального значения.

Пожалуй, единственная уникальность Н* как биохимического агента и привела к выделению из среды других ионов в качестве важнейшего элемента памяти. Способностью к формированию спектра активности в той же мере, что и Н+, наделены и другие ионы, но малая масса последнего делает его уникальным в их ряду. Кроме того, по той же причине того И* получается дополнительные преимущества в процессах обобществления, эстафетной передачи и туннелирования.

Литература

  • 1. Герасимов И.Г., Яшин А.А. Ионно-молекулярноая модель памяти. Введение. Основные определения. Виды памяти (краткий обзор) // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20. № 4. С. 165-171.
  • 2. Герасимов И.Г., Яшин А.А. Ионно-молекулярноая модель памяти. Материальные носители доставки и хранения информации // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20. № 4. С. 171-176
  • 3. Психофизиология / Под ред. Ю.А. Александрова. СПб.: Питер, 2007. 464 с.
  • 4. Бернштейн Н.А. Современные искания в физиологии нервного ггроцесса. М.: Смысл, 2003. 330 с.
  • 5. Кобозев Н.И. Исследование в области термодинамики процессов информации и мышления. М.: Изд-во Моек, ун-та, 1971.196 с.
  • 6. Бейтс Р. Определение pH. Л.: Химия, 1972. 398 с.
  • 7. Певзнер Л. Основы биоэнергетики. М.: Мир, 1977. 310 с.
  • 8. Френкель Я.И. Принципы теории атомных ядер. М,- Л.: Изд-во АН СССР, 1955. 248 с.
  • 9. Белл Р. Протон в химии. М.: Мир, 1977. 382 с.
  • 10. Манойлов В.Е. Электричество и человек. Л.: Энергия, 1975.144 с.
  • 11. Волькенштейн М.Б. Биофизика. М.: Наука. 1988.
  • 592 с.
  • 12. Либерман Е.А. Переносчики ионов через биологические мембраны. Биологические мембраны. М.: Медицина, 1973. С. 48-66.
  • 13. Мецлер Д. Биохимия. В 3-х тт. Т. 2. М.: Мир, 1980.
  • 606 с.
  • 14. Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х тт. Т. 2. М.: Высшая школа, 1987. 319 с.
  • 15. Давыдов А.С. Биология и квантовая механика. К: Наук, думка, 1979. 296 с.
  • 16. Рязанов А.Г., Спирин А.С. Организация ферментов па внутриклеточных структурах: эстафета у поверхности // Биохимия. 1989. Т. 54. № 5. С. 709-715.
  • 17. Прибрам К. Языки мозга. М.: Прогресс, 1975. 464 с.
  • 18. Линдсей П., Норман Д. Переработка информации у человека. М.: Мир, 1974. 550 с.
  • 19. Герасимов И.Г. Подходы к оценке параметров спектра активности ионов водорода в биологических жидкостях. I. Электрохимический метод // Вестник новых медицинских технологий. 2006. Т. 13. № 1. С. 136-138.
  • 20. Герасимов И.Г., Чугай А.В. Подходы к оценке параметров спектра активности ионов водорода в биологических жидкостях. И. Индикаторный метод // Вестник новых медицинских технологий. 2006. Т. 13. № 3. С. 48-49.
  • 21. Герасимов И.Г. Спектр активности ионов водорода и возможности биорегулирования // Вестник новых медицинских технологий. 1999. Т. 6. № 1. С. 143-145.
  • 22. Герасимов И.Г. Спектр активности ионов водорода в аспекте клеточной деятельности // Вестник новых медицинских технологий. 1999. Т. 6. № 3-4. С. 12-15.
  • 23. Герасимов И.Г. Активность ферментов в поле ионов водорода // Вестник новых медицинских технологий. 2000. Т. 7. № 2. С. 26-28.
  • 24. Эткинс П. Кванты. М.: Мир, 1977. 496 с.
  • 25. Каганов М.И. Электроны, фононы, магноны. М.: Наука, 1979.192 с.
  • 26. Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. М.: Наука, 1977. 336 с.
  • 27. Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х гт. Т. 1. М.: Высшая школа, 1987. 319 с.
  • 28. Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам. М.: Мир, 1980. 662 с.
  • 29. Рак M.V., Hammes-Schiffer S. Electron-proton correlation for hydrogen tunneling systems // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. № 10. P. 103-110.
  • 30. Ermakov V.N., Ponezna E.A. Modeling of microwave radiation action on alive systems by nonlinear resonant tunneling // Physics of the alive. 2002. V. 10. N. 1. P. 16-25.
  • 31. Caspary M., Peskin U. Site-directed electronic tunneling through a vibrating molecular network // J. Chem. Phys. 2006. V. 125. № 18. P. 184703.
  • 32. Masgrau L., Roujeinikova A., Johannissen L.O., Hothi P., Basran J., Ranaghan K.E., Mulholland A.J., Sutcliffe M.J., Scrutton N.S., Leys D. Atomic description of an enzyme reaction dominated by proton tunneling // Science. 2006. V. 312. № 5771. P. 237-241.
  • 33. Camello C., Pariente J.A., Salido G.M., Camello P.J. Role of proton gradients and vacuola H+-ATPases in the refilling of intracellular calcium stores in exocrine cells // Curr. Biol. 2000. V. 10. №3. P.161-164.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>