RAS BiologyБиофизика Biophysics

  • ISSN (Print) 0006-3029
  • ISSN (Online) 3034-5278

Magnetic Biological Effect: Quantum Constraints

PII
S0006302925020171-1
DOI
10.31857/S0006302925020171
Publication type
Article
Status
Published
Authors
Volume/ Edition
Volume 70 / Issue number 2
Pages
390-397
Abstract
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.
Keywords
магнитный биологический эффект спиновая декогеренция спиновая химия механизм радикальных пар уравнение Лиувилля–Неймана открытая квантовая система
Date of publication
24.10.2025
Year of publication
2025
Number of purchasers
0
Views
18

References

  1. 1. Barnothy M. F. Biological Effects of Magnetic Fields (Plenum, 1964).
  2. 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. 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. 4. Greenebaum B. and Barnes F. Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields (CRC Press, 2019), vol. 1, 2.
  5. 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. 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. 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. 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. 9. Kirschvink J. L., Jones D. S., and MacFadden B. J. Magnetite biomineralization and magnetoreception in organisms. A new biomagnetism. (Plenum, 1985).
  10. 10. Бинги В. Н. Поглощение микроволн магнитными наночастицами в организме. Биофизика, 56, 1134–1137 (2011).
  11. 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. 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. 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. 14. Бинги В. H. Ядерные спины в первичных механизмах биологического действия магнитных полей. Биофизика, 40, 677–691 (1995).
  15. 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. 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. 17. Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М. Квантовая механика (Hаука, 1974), т. III.
  18. 18. Бинги В. Н. Первичный физический механизм биологических эффектов слабых магнитных полей. Биофизика, 61, 201–208 (2016).
  19. 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. 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. 21. Haberkorn R. Density matrix description of spin-selective radical pair reactions. Mol. Phys., 32, 1491–1493 (1976). DOI: 10.1080/00268977600102851
  22. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
QR
Translate

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library