Фонон - квант биологической (клеточной) мембраны Введение в квантовую фононную биологию
    С. Н. Семёнов
    Резюме: В рамках "Молекулярно-механической модели строения и функционирования биологических мембран" рассмотрены основные квантово-механические аспекты функционирования мембран. Показано, что биологические мембраны - квантовые системы и квантами, передающими взаимодействия в этих системах, являются фононы - звуковые кванты, а мембрана, как единая квантовая система, характеризуется своими специфическими квантовыми энергетическими уровнями, обусловленные их липидным составом и особенностями молекулярной структуры мембранных белковых систем. Обсуждается фононной механизм передачи внутриклеточной информации, в частности нервного импульса и способы его дестабилизации.
    Рассматривая любые внешние воздействия на живой организм нужно всегда помнить, что он состоит из клеток, пусть даже это будет одноклеточный организм, но он тоже состоит их клетки - из одной. Поэтому, нельзя не учитывать внешнего воздействия на клеточном уровне. Более того, на уровне клеточной мембраны, являющейся уникальным образованием, т.к. именно где-то в мембране и проходит граница между живым и неживым - граница между принципиально разными системами. Вероятно, что это единственная известная нам структура с такими уникальными свойствами, но это не единственная уникальность биомембран.
    Не будет преувеличением сказать, что биологические (клеточные) мембраны являются одной из важнейших структур, ответственных за обеспечение основных процессов жизнедеятельности клетки. Прежде всего, они отделяют живую клетку от её окружения. Мембраны первыми сталкиваются с различными внешними воздействиями и реагируют на них, они обеспечивают поступление в клетку (и клеточные органеллы) всех необходимых веществ и вывод из клетки продуктов её жизнедеятельности. Не смотря на многообразие выполняемых операций, мембраны характеризуются общими структурными и функциональными чертами. Все они построены, в основном, из липидов и белков. При этом липиды служат основным изолирующим и структурообразующим компонентом всех биологических мембран. А белковые молекулы, главным образом, ответственны за выполнение мембранами многообразных функций присущих живым клеткам (1 - 3). Толщина самой мембраны (40 - 60 ?) меньше суммы линейных размеров 2-х образующих её молекул липида, расположенных по обе её стороны. В тоже время биологические мембраны являются весьма динамичными структурами, т.к. входящие в их состав молекулы находятся в непрерывном движение (4 - 8). Но, не смотря на такую подвижность, липидная часть мембраны сама по себе является превосходным диэлектриком и просто отличным барьером, препятствующим свободному проникновению через неё различных молекул. Более того, такой тонкий и динамичный барьер, видимый только в электронный микроскоп, обладает очень сложной внутренней структурой. В мембране, с точки зрения термодинамики и молекулярной физики, можно обнаружить участки с "кристаллической" структурой (9), характерной для твердых кристаллических тел, в то же время, центральная часть мембраны обладает "неупорядоченным" состоянием, близким по свойствам к жидкостям или, быть может, даже газам. Конечно, нужно понимать, что это говорится с известной долей упрощения, сделанного для облегчения понимания сути материала.
    В последнее время вновь возник большой интерес к установлению корреляции механических свойств различных мембран с особенностями их строения и функционирования, обусловленный обнаружением широкого круга механозависимых явлений в биологических мембранах, в частности, связанных с различными каналами, включая ионные каналы в мембранах нервных клеток (10 - 16). ............