- Код статьи
- S0006302925020171-1
- DOI
- 10.31857/S0006302925020171
- Тип публикации
- Статья
- Статус публикации
- Опубликовано
- Авторы
- Том/ Выпуск
- Том 70 / Номер выпуска 2
- Страницы
- 390-397
- Аннотация
- Спин-химический механизм радикальных пар рассматривается сегодня как наиболее вероятный молекулярный механизм, объясняющий наблюдаемые биологические эффекты слабых магнитных полей. Величина этих эффектов зависит от скорости спиновой релаксации, однако явной функциональной зависимости предложено не было. В настоящей работе найдено аналитическое решение уравнения Лиувилля–Неймана для системы двух электронов и ядра с учетом спиновой релаксации и химической кинетики. Получено соотношение, связывающее магнитуду магнитного эффекта со скоростью релаксации вследствие тепловых возмущений. Эффект подчиняется общему квантовому ограничению. При правдоподобных скоростях релаксации расчетные эффекты малы и не могут объяснить наблюдения. Можно заключить, что сегодня, несмотря на привлекательность механизма радикальных пар и возросшее теоретическое понимание, проблема магнитобиологии все еще не имеет концептуального решения, свободного от противоречий.
- Ключевые слова
- магнитный биологический эффект спиновая декогеренция спиновая химия механизм радикальных пар уравнение Лиувилля–Неймана открытая квантовая система
- Дата публикации
- 24.10.2025
- Год выхода
- 2025
- Всего подписок
- 0
- Всего просмотров
- 15
Библиография
- 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