роль переходного излучения в фотосинтезе

Ó 2008 г. Тукембаев Ч. А.

Переходное излучение имеет место только тогда, когда концентрация изотопов C-13 или N-15 в мембране меньше, чем в атмосфере. Тогда солнечный свет проникает внутрь клетки на всех линиях углерода и азота, поэтому внутриклеточное вещество ионизируется. Для прекращения фотосинтеза достаточно, чтобы концентрация C-13 или N-15 в мембране была больше, чем в атмосфере. В этом случае излучение отражается от мембраны на линии углерода или азота, что обусловлено jamming-переходом, который возникает, когда концентрация C-13 или N-15 в мембране равна концентрации C-13 или N-15 атмосферы. Данный результат получен в связи с проблемой Мерчисонского метеорита.

Ключевые слова: хиральность, Мерчисонский метеорит, изотопы, фотосинтез, фазовый переход.

В работе [1-2] доказательства внеземного происхождения жизни строятся, соответственно, по концентрациям тяжелых изотопов углерода ¹³C и азота ¹⁵N в Мерчисонском метеорите (ММ), который содержит одинаковое количество правых и левых молекул. Доказательства основаны на повышенных значениях концентраций ¹³C и ¹⁵N в ММ по сравнению с концентрациями в биорганике земного типа. В работе [1] делают особый упор на содержание ¹³C в урациле и ксантине, принадлежащих РНК, но содержание ¹³C в монокарбоксильной кислоте соответствует земному типу. Авторы [1, 2] не принимают во внимание фотосинтез и длительное пребывание метеорита в космосе, где метеорит не защищен от действия космических лучей, особенно при сильных вспышках на Солнце, а радиационной защитой выступает внешняя оболочка метеорита (графит).

Избыток ¹⁵N в [2] по сравнению с земными аминокислотами это результат наработки ¹⁵N по реакции ¹⁴N(n, g)¹⁵N из ¹⁴N-аминокислот ММ. Нейтроны возникают внутри ММ, как вторичное космическое излучение, из протонов космического излучения по мере их прохождения сквозь внешнюю оболочку ММ. На Земле нейтроны вторичного космического излучения являются результатом проникновения протонов в глубь атмосферы, а она является радиационной защитой живых организмов. Высокое содержание ¹³C в ММ объясняется тем, что ¹⁴N-аминокислоты были мишенью для нейтронов-n с энергией 10.5 Мэв. Тогда тяжелый углерод данного метеорита происходит из собственного легкого азота ¹⁴N, содержащегося в аминокислотах ММ, по реакции ¹⁴N(n, 2n)¹³C. Нейтронной бомбардировке подверглась часть аминокислот метеорита так, что легкий азот, содержащийся в аминокислотах, превратился в тяжелый углерод, вызвав перераспределение в содержании ¹³C, чем и объясняется результат [1]. После реакции ¹⁴N(n, 2n)¹³C образуются вторичные нейтроны, энергия которых приводит к образованию ¹¹B и ¹⁴C. Наличие ¹¹B в ММ будет свидетельством его нейтронной бомбардировки. Обнаружить же ¹⁴C – главный признак жизни [3] не удастся из-за большого сечения захвата тепловых нейтронов, действие которых на ¹⁴C будет пополнять избыток ¹⁵N. При энергии нейтронов 4 Мэв образуются ¹²C и тритий ³H. Поэтому повышенное содержание легкого гелия ³He в ММ будет свидетельствовать о бомбардировке легкого азота ¹⁴N в аминокислотах ММ. К сожалению, в работах [1-2] не дан полный анализ изотопов ММ. Гарантией того, что содержимое ММ не было мишенью для нейтронов, будут дважды или один раз обойденные изотопы внутри ММ. Иначе, избыток ¹³C и ¹⁵N в ММ образовался в результате бомбардировки нейтронами.

Разница между изотопами ¹⁴N и¹⁵N существенная и она проявляется при больших энергиях протонов, что возникает при солнечных вспышках, от которых метеорит не защищен. Ранее в серии статей на страницах "Математической морфологии", что обобщено в изотопном механизме рака [4], отмечалось, что квадрупольный момент ¹⁴N выполняет защитную роль, предохраняя L-аминокислоты от проникновения протонов в ядро изотопа ¹⁴N. Разрушаются ядра ¹⁵N, так как они не имеют квадрупольного барьера, а потому протоны p вместе с отрицательными p^--мезонами попадают на оболочку ядра ¹⁵N. Однако в ядро ¹⁵N проникает пара нейтрон n плюс нейтральный p⁰-мезон, образующаяся при торможении пар p+p^-. Такое обоснование протонной терапии позволило выявить пагубную роль изотопа ¹⁵N в клетке и привлечь бозоны и фермионы для объяснения образования L- и D-изомеров в ней. Так как ядро ¹⁶N переполняется энергией p⁰-мезона, то ядро испытывает не b-распад, а разрывается на три частицы, что является результатом протонной терапии. В земных условиях на a-распад изотопа ¹⁶N приходится 0.0006 случаев [5, c. 826] и эти случаи обусловлены только p⁰-мезонами после активации солнечных вспышек.

Авторы работ [1-2] проводят исследования в отрыве от решения проблемы Пастера [6]. В работе [7] предложено, что хиральный избыток накапливается в критической точке под действием сильного поля Ландау, но авторы идеи не устояли перед мощной критикой [6, c. 889-890]. Тем не менее, исследователи [6] и [7] только отчасти правы. Их главным упущением явилось непонимание того, что хиральность обусловлена фазовым переходом 3 рода, суть которого заключается не в накоплении хирального избытка, а в разделении вещества на зеркальные частицы, т.е. на L- и D-изомеры, как в открытой системе. Именно фазовый переход 3 рода при разных критических температурах обеспечивает разделение аминокислот на L- и D-аминокислоты, а углеводов – на L- и D-углеводы. Например, разделение аминокислот протекает так, что внутри первого объема остаются L-аминокислоты, а D-аминокислоты сосредотачиваются во втором объеме. Так как в ММ количество L-аминокислот равно количеству D-аминокислот, то это есть рацемат, не подвергнувшийся разделению вещества на зеркальные частицы из-за замкнутости оболочки ММ. Налицо замкнутая система термодинамики, где жизнь невозможна, а для жизни необходимо разделение на зеркальные частицы в открытой системе.

В работе [4] в связи с теорией критических явлений Орнштейна-Цернике получено аналитическое решение уравнения для фазового перехода 3 рода, где происходит разделение зеркальных частиц. Внутри открытой системы остаются бозоны – ¹²C и ¹⁴N, а фермионы – ¹³C и ¹⁵N ее покидают. В результате стала понятной причина низкой концентрации ¹³C и ¹⁵N в живых организмах на Земле. Она ограничена содержанием ¹³C и ¹⁵N атмосферы, т.е. jamming-переходом [8], который не принимался во внимание в исследованиях [1-2, 6-7]. Если концентрация ¹³C или ¹⁵N в мембране больше, чем в атмосфере, то солнечный свет за счет естественного уширения линии не проникнет внутрь клетки на всех линиях углерода и азота, а не только на линиях изотопов ¹³C и ¹⁵N. Поэтому внутриклеточное вещество не будет ионизироваться и прекратится фотосинтез. В таком представлении прохождение света сквозь слой с концентрацией ¹³C и ¹⁵N, меньшей, чем в атмосфере, является переходным излучением [9]. Если концентрация ¹³C и ¹⁵N в слое, т.е. в мембране, сравняется с концентрацией ¹³C и ¹⁵N в атмосфере, то наступит jamming-переход. Последнее важно для проблем экологии, так как в загрязнениях присутствует изотопы ¹³C и ¹⁵N, а их выброс в атмосферу, судя по наблюдениям [10, 11], приводит к изменениям в организмах.

Главным преткновением остается вопрос о химической связи двухатомной молекулы [12], который невозможно решить в рамках молекулярного механизма, так как химический элемент разнообразен своими изотопами. Изотопы химического элемента отличаются числом нейтронов, спином, магнитным и квадрупольными моментами и их направлениями. Изотопы химически неразличимы, так как содержат одинаковое число электронов. Однако изотопы отличаются друг от друга по числу нуклонов в ядре. Бозонам соответствует четное число нуклонов в ядре, а фермионам – нечетное число, что определяет вступление изотопов в химическую связь для образования молекулы, в том числе, с помощью квантовомеханического обменного взаимодействия. Два изотопа вступают в химическую связь с учетом их спинов, магнитных и квадрупольных моментов и их направлений, что является критерием образования молекулы. В результате химической связи молекула может приобрести положительный, отрицательный или нулевой элемент объема dV зависимости от спинов, магнитных и квадрупольных моментов и их направлений каждого из изотопов.

Разделение изотопов в фазовом переходе 3 рода напрямую зависит от принадлежности изотопа бозонам или фермионам. Вся сложность решения проблемы Пастера заключалась в зеркальности и пренебрежении квантовомеханическим обменным взаимодействием. Если удавалось получить частное решение, справедливое для D-углеводов, как природных углеводов, то его применение к D-аминокислотам противоречило Пастеру и оптической активности. Оказывалось наоборот: природной аминокислотой является L-аминокислота. Общее решение было найдено, рассматривая разные и одинаковые изотопы в составе двухатомной молекулы, в одной из наших работ, представленных в обзоре [4]. Решение удовлетворяет основному уравнению состояния для газа, подчиняющегося распределению Бозе или Ферми, как имеющих разные химические потенциалы [13]. В фазовом переходе 3 рода возникает разделение частиц, имеющих разные химические потенциалы на уровне изотопов, что и требуется для решения задачи.

В статистике Бозе давление газа меньше по сравнению с классическим значением, т.е. бозе-частицы испытывают эффективное притяжение. В статистике Ферми давление больше, чем в обычном газе, что обусловлено обменным взаимодействием, вызывающим дополнительное отталкивание между частицами. Легкие изотопы углерода ¹²C и азота ¹⁴N являются бозонами, поэтому любая их комбинация представляет собой бозон. Изотопы ¹³C и ¹⁵N – это фермионы, поэтому химические соединения с их участием будут фермионами за исключением случая, когда химическое соединение содержит иной фермион так, что сумма фермионов дает четное число. В результате фазового перехода 3 рода независимо от знака элемента объема бозоны будут оставаться внутри объема, а фермионы покинут объем через поверхность, являющуюся мембраной.

Изотоп углерода ¹²C не обладает спином, а потому и магнитным моментом. Два изотопа ¹²C взаимодействуют друг с другом как бозоны и образуют сферическую молекулу, кривизна которой всюду положительна, поэтому элемент площади dS>0. У тяжелого изотопа ¹³C направление магнитного момента совпадает со спином, поэтому пара изотопов ¹³C вступает в обменное взаимодействие, которое представимо на плоскости лемнискатой, для которой dS<0, так как кривизна отрицательная. В пространстве кривизна не может быть отрицательной, поэтому оценку элемента объема dV дает знак кручения, т.е. третья производная радиус-вектора r²¢.

Сферической молекуле соответствует поверхность 2 порядка. Замкнутая поверхность для молекул, получаемых в результате обменного взаимодействия, описывается поверхностями 4 порядка, в разрезе представляющих собой кассиниану или лемнискату. Элемент объема в зависимости от знака кручения будет положительным dV>0 для правого (+) кручения или отрицательным dV<0 для левого (–) кручения, т.е. D- или L-изомером, что определяется якобианом. Положительному якобиану, т.е. элементу объема dV>0, соответствует правая система координат. Если якобиан отрицательный, то элемент объема dV<0, но тогда получаем левую систему координат, которая является зеркальным отображением правой системы координат, соответственно геометрии L- и D-изомеров.

Так как направления спина и магнитного момента изотопа ¹³C одноименные, то два таких изотопа вступают в обменное взаимодействие с левым знаком кручения в соответствии с учетом вилы Лоренца. Присутствие одного изотопа ¹³C в химическом соединение также вносится с левым знаком кручения. Следовательно, получаемые изомеры являются L-изомерами, т.е. L-углеводами. Однако L-углеводы являются фермионами, поэтому в фазовом переходе 3 рода они покидают объем, а в объеме остаются только бозоны, составляющие всю массу D-углеводов из изотопов ¹²C.

Что касается бозона ¹⁴N, то направление его магнитного момента совпадает со спином, как и в случае изотопа ¹³C, что обуславливает вступать его в обменное взаимодействие с левым знаком кручения. Следовательно, легкий изотоп ¹⁴N в химических соединениях дает L-аминокислоты, но так как ¹⁴N является бозоном, то он остается принадлежать объему, когда подвергается фазовому переходу 3 рода.

Фермион ¹⁵N имеет направление спина, которое противоположно магнитному моменту. Поэтому под действием силы Лоренца противоположный механический момент вынуждает к образованию D-изомеров, т.е. D-аминокислот в химических соединениях. Из-за антипараллельности спина и магнитного момента изотопа ¹⁵N магнитные моменты двух изотопов ¹⁵N должны совпадать. В противном случае два изотопа ¹⁵N не могут образовать молекулу. А так как ¹⁵N – это фермион, то он вынужден покинуть объем, когда испытывает фазовый переход 3 рода. Таким образом, в рассматриваемом объеме останутся D-углеводы и L-аминокислоты, содержащие в основном изотопы ¹²C и ¹⁴N, как бозоны. Фермионы ¹³C и ¹⁵N, составляющие соответственно основу L-углеводов и D-аминокислот, вытесняются из объема, т.е. из клетки. Сопоставив рацематам поверхность 2 порядка, в результате дифференцирования получим dV=0 между L- и D-изомерами. Наконец, роль квадрупольного момента бозона ¹⁴N заключается в предотвращении проникновения протонов совместно с p^--мезонами на оболочку ядра ¹⁴N, что невозможно для ядра ¹⁵N, так как ¹⁵N не обладает квадрупольным моментом.

Таким образом, все доказательства, приводимые в работах [1-2], свидетельствуют в пользу изотопного механизма рака. Концентрации ¹³C и ¹⁵N в атмосфере обуславливают jamming-переход, от которого зависит существование переходного излучения. Если концентрация ¹³C в мембране больше концентрации ¹³C в атмосфере, то прекращается синтез D-углеводов. Когда концентрация ¹⁵N в мембране больше концентрации ¹⁵N в атмосфере, то прекращается синтез L-аминокислот. Избыток ¹³C и ¹⁵N, так как они более кислые и химически активные, чем ¹²C и ¹⁴N, приводит к образованию неорганических химических соединений в клетке, на что мы обращали внимание ранее [4]. А именно, превышение концентрации ¹³C в окаменелостях по сравнению с живыми организмами является фактом, основанным на наличии радиоуглерода ¹⁴C в живых организмах. Доля ¹³C в окаменелых организмах [3] повышается в результате распада ¹⁴C в ¹⁴N. Избыток ¹⁵N над атмосферным содержанием приводит к хрупкости костей и вымиранию популяций [14].

ЛИТЕРАТУРА

1. Martins Z., Botta O., F^c^,^d^,¹ogel M.L., S^e ^a^,^b^,^,^c^,^d^,¹ ^eephton M.F., Glavin D.P., Watson J.S., Dvorkin J.P., Schwartz A.W., Ehrenfreund P. (2008) Earth and Planet. Sci. Lett., 270, 130-136.

2. Meierhenrich U.J., Muñoz Caro G.M., Bredehöft J.H., Jessberger E.K., and Thiemann W.H.-P. (11 June 2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA online, 10.1073/pnas.0403043101.

3. Libby W.F. Radiocarbon Dating. Chicago: Univ. of Chicago Press, 1952.

4. Тукембаев Ч.А., Свиденко В.Н. (2008) Математическая морфология 7, Вып. 2. - http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

5. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

6. Аветисов В.А., Гольданский В.И. (1996) Успехи физических наук 166, 573-591.

7. Kondepudi D.K., and Nelson G.W. (1985) Nature 314, 438-441.

8. Corwin E.I., Jaeger H.M., and Nagel S.R. (2005) Nature 435, 1075-1078.

9. Гинзбург В.Л. (1996) Успехи физических наук 166, 1033-1042.

10. Trudell S.A., Rygiewicz P.T., Edmonds R.L. (2004) New Phytologist 164 (2), 317–335.

11. Siegwolf R.T.W., Matyssek R., Saurer M., Maurer S., Gunthardt-Goerg M.S., Schmutz P., Bucher J.B. (2001) New Phytologist 149 (2), 233-246.

12. Ферми Э. Молекулы и кристаллы. М.: Иностр. лит-ра, 1947. 266 с.

13. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Ч. 1. М.: Наука, 1995. 608 с.

14. Вебер А.В., Линк Д.В. (2001) Археология, этнография и антропология Евразии / СО РАН. 1 (5), 135-146.

The Role of transition radiation in photosynthesis

Tukembaev Ch. A.

The transition radiation takes place only when concentration of isotope C-13 or N-15 in a membrane less, than in an atmosphere. Then the sunlight gets inside of a cell on all lines of carbon and nitrogen, therefore the endocellular substance is ionized. Photosynthesis terminate, if concentration C-13 or N-15 in a membrane is more, than in an atmosphere. In this case radiation is reflected from a membrane in a line of carbon or nitrogen that is caused by jamming-transition. The jamming-transition arises, if concentration C-13 or N-15 in a membrane is equal to concentration C-13 or N-15 atmospheres. The given result is received in connection with problem of the Murchison Meteorite.

Keywords: chirality, the Murchison Meteorite, isotopes, photosynthesis, phase transition.

Bibliography – 14 references.

Department of applied computer science,

Kyrgyz state university of construction, transport and architecture,

34 “b”, Maldybaev Str., Bishkek, 720020, Kyrgyzstan,

tel.: +996(312) 549 223,

e-mail: choro@istc.kg

Автор: Тукембаев Чоро Абдылдаевич.

Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры, кафедра прикладной информатики, старший преподаватель,

720020, Бишкек, ул. Малдыбаева, 34-б, Кыргызстан,

тел. +996(312) 549 223, e-mail: choro@istc.kg

Поступила в редакцию 9.09.2008.