О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере

В.Е. Захватаев

Монография

Институт экономики, управления  
и природопользования

О  рОли  кОгЕрЕнтнОсти 
В  сВЕрхслабых 
ВЗаимОдЕйстВиях  
В  биОсистЕмах  и  биОсфЕрЕ

В монографии рассматриваются возможные сценарии формирования корреляций дальнего порядка в 
молекулярной динамике в биологических системах и 
водной среде, связанные с биологическим действием 
физических факторов малой и сверхмалой интенсивности на клеточном, организменном и экосистемном 
уровнях. Дается обзор по корреляциям дальнего порядка в первичных биологических процессах преобразования энергии и эмиссии сверхслабого излучения в радиоволновом, инфракрасном, видимом и 
ультрафиолетовом диапазонах. Предложен ряд соответствующих механизмов.

9 785763 830163

ISBN 978-5-7638-3016-3

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
В.Е. Захватаев 
 
 
 
 
 
О роли когерентности  
в сверхслабых взаимодействиях  
в биосистемах и биосфере 
 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2014 

УДК 57.025 
ББК 28.0 
З-384 
 
 
Рецензенты: 
ведущий научный сотрудник Института леса СО РАН,  
доктор биологических наук, профессор В.Г. Суховольский; 
исполнительный директор МЦИЭСО КНЦ СО РАН,  
доктор физико-математических наук, профессор Р.Г. Хлебопрос 
 
 
 
 
Захватаев, В.Е. 
З-384 
 
О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере : монография / В.Е. Захватаев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 244 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-3016-3 
 
 
 
 
В монографии рассматриваются возможные сценарии формирования 
корреляций дальнего порядка в молекулярной динамике в биологических 
системах и водной среде, связанные с биологическим действием физических 
факторов малой и сверхмалой интенсивности на клеточном, организменном 
и экосистемном уровнях. Дается обзор по корреляциям дальнего порядка в 
первичных биологических процессах преобразования энергии и эмиссии 
сверхслабого излучения в радиоволновом, инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Предложен ряд соответствующих механизмов. 
Монография представляет интерес для специалистов в области биофизики, физической экологии, медицины и охраны окружающей среды. 
 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
 

УДК 57.025 
ББК 28.0 

 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3016-3 
© Сибирский федеральный университет, 2014 

Содержание 

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 4 

ЧАСТЬ I. КОРРЕЛЯЦИИ ДАЛЬНЕГО ПОРЯДКА  
В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ........................................................ 13 
ГЛАВА 1. Общая характеристика корреляций дальнего порядка  
в биопроцессах .............................................................................................. 14 
ГЛАВА 2. Радиоволновой диапазон ........................................................... 27 
ГЛАВА 3. ИК-, видимый и УФ-диапазоны ................................................ 48 

ЧАСТЬ II.  ПОИСК  И  ИССЛЕДОВАНИЕ   МЕХАНИЗМОВ   
БИОЛОГИЧЕСКОГО  ДЕЙСТВИЯ  ФАКТОРОВ  НИЗКОЙ   
ИНТЕНСИВНОСТИ ..................................................................................... 107 
ГЛАВА 4. Корреляции в электронной  системе хромофоров  
биомолекул  и пространственно коррелированные флуктуации  
электронной структуры водородных связей  молекул воды .................. 108 
ГЛАВА 5. О возможном механизме  статистической  
упорядоченности  сверхслабого излучения биосистем ........................... 119 
ГЛАВА 6. Управление возбужденными  конформационными 
состояниями  и флуктуационной структурной  динамикой протеина  
и его регуляция  посредством структурной динамики  водородных 
связей воды  и электромагнитных сигналов............................................. 125 
ГЛАВА 7. О роли корреляций дальнего порядка  в механизме 
дистантных взаимодействий ...................................................................... 131 
ГЛАВА 8. Приливные вариации  активности радона как  
возможный фактор  синхронизации некоторых биологических  
процессов ..................................................................................................... 138 
ГЛАВА 9. О триггерных воздействиях  на геосреду  
как возможном регуляторе  нелинейных геофизических процессов   
и состояний живых организмов и экосистем ........................................... 178 
ГЛАВА 10. Структурная динамика водной среды   
как абиотический экологический фактор ................................................. 191 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 195 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 197 

ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................. 232 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В последние десятилетия получены многочисленные свидетельства тому, что слабые и сверхслабые электромагнитные поля, как 
внешние, так и генерируемые живыми организмами, способны регулировать функциональные процессы в биосистемах, играют сигнальную роль [Гурвич, 1945; Казначеев и Михайлова, 1985; Девятков и др, 
1991; Slawinski et al., 1992; Кузин, 2002; Новиков и др., 2010; Бинги, 
2011; Cifra et al., 2011; Beloussov, 2011; Новиков и др., 2011; Егоров, 
2013]. Эти результаты включают дистантные взаимодействия между 
организмами, электромагнитную биокоммуникацию и воздействие 
малых вариаций геофизических электромагнитных полей. Также обнаружено биологическое действие других физических и химических 
факторов слабой и сверхслабой интенсивности, в том числе сверхмалых доз (концентрации ниже 
12
10−  М) биологически активных веществ 
[Бурлакова, 1999; Belov et al., 2004; Palmina et al., 2009; Ryzhkina etal., 
2011; Chasovskaya et al., 2013; Егоров, 2013]. Действие сверхслабых 
факторов проявляется как на клеточном и организменном уровнях, 
так и на уровне популяций [Бурлакова, 1999; Belov et al., 2004; Экология, 2008; Chasovskaya et al., 2013; Егоров, 2013]. 
Понятия «слабое» и «сверхслабое» определяются зачастую по 
отношению к возможным неклассическим механизмам конкретных 
воздействий. Так, слабые (или низкоинтенсивные) электромагнитные 
излучения соответствуют нетепловым механизмам влияния. В ряде 
случаев терминология уже устанавливается. Например, геомагнитное 
поле с величиной магнитной индукции порядка 
6
10
5
−
⋅
 Тл и магнитные 
поля, сравнимые с ним по амплитуде, объединяются термином «слабые» [Тирас и др., 2012], а естественные малые вариации этих полей 
будут относиться к сверхслабым факторам. 
В перечисленных выше оригинальных исследованиях и обзорных работах приводится весьма обширный экспериментальный материал и установленные закономерности этих явлений, хотя ряд исследователей (см., например, [Adair, 2002, 2003]) критически относятся к 
интерпретации и проблеме воспроизводимости экспериментальных 
данных, контроля условий опытов. Тем не менее исследования в этом 
направлении получили широкое применение в медицине и здравоохранении [Девятков и др., 1991]. 
Одна из основных проблем здесь состоит в неясности фундаментальных механизмов этого класса явлений. 

Как показывают исследования последних десятилетий, в живых организмах имеется множество путей восприятия электромагнитного излучения, использования его энергии, в частности, для 
регуляции, сигнализации. Первичными акцепторами воздействия 
электромагнитного излучения могут быть клеточные структуры, 
молекулярные ансамбли, некоторые степени свободы отдельных 
молекул и радикалов, сетка водородных связей водной среды. 
Электромагнитное излучение, поглощаясь, рассеиваясь или отражаясь в биологических системах, способно формировать механические напряжения, преобразовывать электрическую поляризацию 
и электрические токи, инициировать фазовые переходы в молекулярных системах, преобразовывать организацию молекулярных 
ансамблей, воздействовать на спиновые, колебательные и электронные степени свободы молекул, модулировать конформационную и структурную динамику молекул, что дает возможность 
управления метаболизмом, клеточной сигнализацией и регуляцией 
транскрипции генов. Особую роль в биологическом воздействии 
сверхслабых электромагнитных излучений, а также сверхмалых 
доз биологически активных веществ отводят структурным преобразованиям компонентов биосистем. 
Вместе с тем, в живых организмах обнаружено широкое разнообразие способов эндогенной генерации, переноса и излучения квантов энергии. 
Для эффективной реализации биосемиотики – рождения сигнала, его восприятия и интерпретации, – очевидно, требуются элементы 
корреляции, когерентности, упорядоченности. Упорядоченности не 
только и не столько пространственной, а, как писал Г. Фрёлих, порядка движения [Fröhlich, 1977]. Эффективность любой конверсии энергии, вообще говоря, нуждается в этом. Однако в биологических процессах упорядоченность движений элементов быстро размывается 
стохастической динамикой окружения. Так, электронные движения и 
ядерные колебания характеризуются пикосекундными процессами 
релаксации и дефазировки. Тем не менее имеется ряд субпикосекундных и пикосекундных ультрабыстрых квантовых процессов, которые 
играют функциональную роль, определяя последующие конформационные изменения и (или) биохимические реакции, как в случае фоторецепторов. Известно, что колебательные ядерные и электронные движения в протеине при физиологических температурах, составляющие 
или поддерживающие его функцию, являются в высокой степени согласованными и направленными на временных масштабах сотен фемтосе

кунд — пикосекунд [Vos and Martin, 1999; Fleming et al., 2011]. Более 
того, для таких ультрабыстрых процессов установлено наличие долгоживущих сохраняемых фазовых соотношений, корреляций, квантовых когерентностей, колебательной и экситонной, которые осуществляются в течение определенного ультрабыстрого процесса такого, как 
перенос электрона или энергии электронного возбуждения, и, следовательно, могут влиять на этот процесс и играть функциональную 
роль [Vos and Martin, 1999; Ishizaki and Fleming, 2012]. 
Принципиально то, что когерентность – это внутреннее свойство 
гамильтониана системы. Наблюдаемая в экспериментах (при возбуждении лазерными импульсами) когерентность демонстрирует, что возбуждение в естественных условиях также порождает квантовую когерентность [Ishizaki et al., 2010b], поскольку связи, являющиеся причинами 
долгоживущей квантовой когерентности, остаются в естественных условиях и влияют на динамику [Collini et al., 2010]. Некоторые исследователи полагают [Fleming et al., 2011], что когерентность непрерывно 
воссоздается в самой системе вследствие особой структуры и динамики системы и ее окружения. 
Ряд экспериментов свидетельствует о том, что вода также характеризуется корреляциями дальнего порядка в пространственновременной ультрабыстрой динамике [Nilson et al., 2012; Garrett-Roe et 
al., 2011], хотя не все исследователи разделяют эту точку зрения. 
Существование связанного с электромагнитным полем дальнего 
порядка в биосистемах было предложено еще в работах коллективов, 
возглавляемых Н.Д. Девятковым и М.Б. Голантом, а также Г. Фрёлиха, А.С.Давыдова, Ф. Поппа и др. [Девятков др., 1991; Fröhlich 1968, 
1977; Davydov, 1973; Popp and Yan, 2002; Popp et al., 2002]. В этой области первыми исследуемыми объектами стали полярные структуры в 
биомембранах и биомолекулах, рассматриваемые в модели когерентных акустоэлектрических волн [Девятков и др., 1991], фрёлиховской 
модели когерентных колебаний дальнего порядка [Fröhlich, 1968, 
1977] и модели биомолекулярных солитонов А.С. Давыдова 
[Davydov, 1973], а также вода, о биологической роли упорядоченности, возможного дальнего порядка в которой размышлял еще А. СентДьёрдьи [Szent-Gyorgyi, 1957]. 
Недавно предложено, что электромагнитное поле участвует и в 
самоорганизации экосистем [Brizhik et al., 2009, 2011]. Полагают, что 
экосистемы, как и живые организмы, характеризуются рядом когерентных свойств в том смысле, что их функционирование существенно зависит от фазированных ансамблей субмолекулярных и молеку

лярных осцилляторов [Brizhik et al., 2009, 2011]. Это придает им, в частности, возможность отклика на сверхслабый сигнал. 
В последнее время существенно возрастает интерес к вопросам, 
связанным со слабыми и сверхслабыми воздействиями среды обитания на живые организмы, с влиянием вариаций геофизических полей 
на здоровье и самочувствие человека, возможность его эффективной 
производственной деятельности, психологические процессы, социальные процессы в обществе [Адушкин и Спивак, 2012]. Солнечная 
активность, другие космические процессы и процессы в литосфере 
индуцируют ряд слабых и сверхслабых экологических воздействий, 
важнейшим из которых считаются электромагнитные волны низких 
частот, но излучение в других диапазонах также соответствует значимым экологическим факторам [Экология, 2008; Владимирский, 2013]. 
Общепринято, что геомагнитное поле (ГМП) является важным 
информационно-энергетическим фактором для жизнедеятельности, 
средой обитания [Экология, 2008]. Длительное экранирование живых 
организмов от ГМП дает отрицательный эффект. Установлено [Там 
же], что пространственные различия стационарного ГМП имеют биологическое значение. Обнаружено [Там же] существенное воздействие на процессы жизнедеятельности временных вариаций ГМП, обусловленных магнитными бурями вследствие солнечной активности, 
рядом процессов в ионосфере, геомагнитными пульсациями очень 
низкой частоты (с периодом от 0,2 до 600 с), генерацией низкочастотного электромагнитного излучения в окрестности зон глубинных разломов в литосфере, вблизи высокоградиентных зон на границах геологических тел с различным составом, свойствами, параметрами, 
включая электрические и электромагнитные. При этом вариации ГМП 
не превышают примерно двух процентов величины слабого постоянного ГМП на земной поверхности, т.е. являются сверхслабыми. Заметим также, что, по данным палеонтологов, инверсия магнитных полюсов сопровождалась вымиранием многих видов. 
Биологическое воздействие литосферных процессов изучено 
значительно меньше, чем солнечной активности. Релаксационные 
процессы в литосфере и сопровождающие их электромагнитные аномалии в окрестности разломов, тектонических нарушений и их аналоги, связанные с неоднородностями в земной коре или осадочном слое, 
вызывают модуляцию электромагнитного облучения биосистем, 
сравнимую в ряде случаев с эффектом магнитной бури, оказывают 
разнонаправленное воздействие на живые организмы и экосистемы 
[Владимирский, 2013]. В определенных аспектах некоторые аномаль

ные области рассматриваются как области повышенного экологического комфорта (например, характеризуются удвоением количества и 
интенсивности роста городов в определенной выборке российских городов) [Там же]. В других случаях отмечается повышение заболеваемости на фоне развития электромагнитных аномалий [Там же]. Твердо установлено влияние этих факторов на человеческую психику, как 
девиантную, так и нормальную. Также показано влияние этих факторов на эмбриогенез [Там же]. Исследуется их влияние на процессы в 
человеческом обществе. 
Биосфера и антропосфера включены в синхронные ритмы системы Солнце-магнитосфера-ионосфера-литосфера [Экология, 2008]. 
Известно, что изменения солнечной активности могут служить принудительным синхронизатором биологических ритмов [Там же]. Хорошо известна значимость этих связей для человека. В частности, установлена значимая корреляция между ритмами головного мозга человека, ЭКГ и динамикой электромагнитного фона [Там же]. 
Полагают, что естественные фоновые электромагнитные поля 
являлись одним из факторов, определяющих эволюцию живых организмов, которые зависят от электромагнитных полей, сопряженных с 
солнечными или земными процессами [Девятков и др., 1991]. 
Эта проблематика имеет еще один важный аспект, связанный с 
электромагнитным загрязнением окружающей среды. В наши дни 
уровень электромагнитного фона антропогенного происхождения на 
несколько порядков больше естественного фона. В радиодиапазоне 
суммарная мощность Земли превысила адекватное излучение от 
Солнца. Перенос электромагнитной энергии в ионосферу приводит к 
ее локальным разогревам и формированию в ней пространственновременных электромагнитных структур, генерирующих свои электромагнитные излучения, в частности, в радиодиапазоне [Экология, 
2008] со своими параметрами излучения. Многолетние наблюдения 
свидетельствуют о синхронном периодичном воздействии нецеленаправленных процессов техносферы на ультранизкочастотный колебательный режим околоземной космической плазмы и сейсмическую 
активность (например, недельный цикл, эффект выходного дня), причем со временем эта модуляция нарастает [Guglielmi and Zotov, 2012]. 
В пространстве между ионосферой и поверхностью Земли – резонаторе, усиливающем естественные атмосферные помехи (шумановские 
резонансы), наблюдаются резонансные электромагнитные процессы, 
связанные с технической активностью [Экология, 2008]. Уровень 
низкочастотного в области шумановских резонансов электромагнит

ного шума искусственного происхождения в крупных городах (например, Екатеринбурге) превышает уровень вариаций естественного 
геомагнитного поля в 500 раз и более, что аналогично влиянию магнитной бури средней интенсивности [Уткин и др., 2010]. Адаптационные возможности живых организмов могут нарушиться при электромагнитном загрязнении естественного фона на частотах реликтового излучения: имеются свидетельства тому, что реликтовое излучение может являться одним из эволюционных факторов (влияние излучения на частоте вблизи частоты реликтового излучения оказывает 
корректирующее воздействие в условиях нарушения гомеостаза [Даровских и др., 2005], а частотные параметры волновых процессов в 
биосредах и реликтового излучения в определенном смысле согласуются [Петросян и др., 2000]). Обнаружено, что облучение воды низкоинтенсивным микроволновым излучением увеличивает ее токсичность, измеряемую бактериальной люминесцентной тест-системой, 
что в современных условиях может относиться к масштабам водных 
бассейнов, крупных объектов в биосфере [Zarubina et al., 2013]. 
В этой связи важными становятся проблемы электромагнитного 
загрязнения окружающей среды, изменения природных сверхслабых 
электромагнитных полей. Полагают, что контроль антропогенной модуляции геофизических процессов должен стать компонентом мониторинга экологической обстановки [Guglielmi and Zotov, 2012]. 
Таким образом, исследование механизмов биологического действия сверхслабых физических факторов, в частности геофизических, 
достаточно актуально. В этих механизмах особенно важна может 
быть роль корреляций дальнего порядка в регуляции биосистем. Не-
которые аспекты этих вопросов и рассматриваются в настоящей монографии. 
Часть I носит обзорный характер. В главе 1 изложены общие вопросы, связанные с когерентными колебаниями электрических диполей в биосистемах, синхронизованным состоянием молекулярных осцилляторов водной среды и корреляциями дальнего порядка в воде, 
долгоживущими колебательной и электронной квантовыми когерентностями в биологических молекулах и молекулярных комплексах, а 
также с управлением биомолекулярной динамикой на основе квантовой 
интерференции. 
В главе 2 рассматривается явление биовоздействия низкоинтенсивного радиоволнового излучения, в особенности микроволнового 
(300 МГц – 300 ГГц) и терагерцового (300 ГГц – 6 ТГц), его закономерности и возможные механизмы, включая модель когерентных аку