γ輻射與神經(jīng)細(xì)胞相互作用的量子物理研究

高　峰，肖德濤，張登玉

(1. 衡陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，衡陽421008；2. 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，衡陽421001)

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γ輻射與神經(jīng)細(xì)胞相互作用的量子物理研究

高峰1，肖德濤2，張登玉1

(1. 衡陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，衡陽421008；2. 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，衡陽421001)

摘要：依據(jù)量子信息學(xué)和量子計(jì)算基本理論，在研究低劑量γ射線與神經(jīng)細(xì)胞的相互作用規(guī)律及物理機(jī)理時(shí)，將神經(jīng)細(xì)胞骨架微管中的兩種蛋白構(gòu)型視為兩能級(jí)原子體系，使用密度矩陣描述腦神經(jīng)系統(tǒng)中信息位的狀態(tài)，建立并求解系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)果表明：隨密度矩陣非對(duì)角元素的減小，系統(tǒng)的量子相干性迅速降低。因此，低劑量γ輻射可以影響受照者的腦神經(jīng)功能。

關(guān)鍵詞：γ輻射；神經(jīng)細(xì)胞；物理機(jī)理；兩能級(jí)原子

自貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象后，一百多年來，人們一直高度重視核輻射對(duì)生物體影響的研究。隨著核能和輻射源的廣泛應(yīng)用，人類接觸核射線的機(jī)會(huì)不斷增加，輻射生物效應(yīng)越來越受到人們的高度關(guān)注。核輻射可以使生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生變性，引起酶的失活，從而造成體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)障礙和新陳代謝失調(diào)，并最終導(dǎo)致生物機(jī)體組織的破壞或死亡；核輻射也可以影響生物細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性，從而導(dǎo)致DNA突變或基因轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)異常，最終造成細(xì)胞受損或凋亡[1]。近年來，電離輻射生物效應(yīng)研究主要有4個(gè)方面：1)大劑量照射對(duì)人體各個(gè)器官組織的影響和對(duì)淋巴細(xì)胞及其亞群的損傷效應(yīng)；2)低劑量照射對(duì)動(dòng)物淋巴細(xì)胞及其亞群的刺激效應(yīng)；3)低劑量照射對(duì)自由基的生物效應(yīng)；4)大劑量照射對(duì)DNA修復(fù)基因的表達(dá)及功能影響[2]。

目前，國內(nèi)外對(duì)低劑量的量值界定尚未統(tǒng)一。Bond曾根據(jù)輻射劑量學(xué)概念，提出了吸收劑量小于1mGy的輻射，稱為低劑量輻射(low-doseradiation,LDR)。聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)(UnitedNationsScientificCommitteeontheEffectsofAtomicRadiation,UNSCEAR)1994年的報(bào)告指出，對(duì)人群照射而言，低劑量輻射是指吸收劑量小于0.2Gy的低傳能線密度(linearenergytransfer,LET)輻射或者小于0.05Gy的高LET輻射，且劑量率小于0.05mGy·min-1。一般來說。低劑量照射對(duì)生物體組織器官的損傷作用是很小的，幾乎不會(huì)引起明顯的輻射損傷效應(yīng)。

在α、β、γ三種射線中，γ射線穿透能力最強(qiáng)，很容易穿透人體皮膚組織。但不管是哪種射線，都會(huì)對(duì)動(dòng)物機(jī)體組織器官造成損傷，而且損傷的程度與射線的性質(zhì)、吸收劑量以及生物體的個(gè)體差異緊密相關(guān)。在不損傷動(dòng)物機(jī)體組織的情況下，人們就核射線對(duì)動(dòng)物行為影響的研究并不多。1974年P(guān)rasad指出，電離輻射對(duì)動(dòng)物的學(xué)習(xí)行為沒有不良影響，影響顯著的是非智力行為，雖然對(duì)神經(jīng)組織的輻射效應(yīng)研究已有相當(dāng)多的報(bào)道，但對(duì)人類行為的影響尚不明確[3]。文獻(xiàn)[4]將腦神經(jīng)細(xì)胞骨架微管(mircrotubules,MT)中的兩種蛋白構(gòu)型視為其內(nèi)電子自旋的兩種空間取向，研究了γ射線與大腦神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用。本文依據(jù)量子物理學(xué)，將腦神經(jīng)細(xì)胞骨架微管中的兩種蛋白構(gòu)型視為兩能級(jí)原子體系，依據(jù)量子信息的基本理論，研究低劑量γ輻射與腦神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用規(guī)律及物理機(jī)理。

1相互作用模型

1974年，Amos等根據(jù)X射線晶體衍射實(shí)驗(yàn)指出，在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)含有十分豐富的微管[5]。微管是神經(jīng)細(xì)胞骨架的重要組成部分，是微管蛋白的聚合物，約占微管蛋白總量的80%。微管的內(nèi)半徑約為14nm，外半徑約為25nm。微管蛋白以α、β二聚體形式頭尾相連進(jìn)行聚合，組成原絲纖維。1982年，Hameroff等指出,微管是細(xì)胞組織和信息處理的中心，可以調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞活動(dòng)，并維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6]。這些研究工作，使人們開始相信在大腦的神經(jīng)細(xì)胞微管中存在量子信息和量子計(jì)算過程。近年來，有部分學(xué)者用量子信息和量子計(jì)算理論研究了神經(jīng)細(xì)胞中的信息處理過程，取得了一些研究成果。例如，Mavromatos等認(rèn)為，細(xì)胞微管系統(tǒng)中的水分子體系與量子計(jì)算中用腔量子電動(dòng)力學(xué)(QED)方案處理的體系非常相似，所以用腔QED模型來處理微管系統(tǒng)中的水分子體系，研究了細(xì)胞微管中的能量傳遞和量子相干特性[7-8]。蔣懿等基于腔QED模型及相關(guān)的量子幺正變換，將量子邏輯門引入細(xì)胞微管中的水分子系統(tǒng)，建立了細(xì)胞微管中一種可能出現(xiàn)的量子計(jì)算過程[9]。任何一個(gè)量子信息和量子計(jì)算體系都必須有兩態(tài)物理系統(tǒng)，那么，神經(jīng)細(xì)胞MT中的兩態(tài)物理系統(tǒng)究竟是什么呢？到目前為止，對(duì)此問題的研究尚無結(jié)論。文獻(xiàn)[4]曾將腦神經(jīng)細(xì)胞中微管蛋白的α、β構(gòu)型看作是由于其組成原子內(nèi)的電子自旋存在兩種取向而形成的，但也可以認(rèn)為是MT內(nèi)存在兩能級(jí)原子而形成的，由兩能級(jí)原子充當(dāng)大腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息載體，稱為大腦神經(jīng)信息位，由這些信息位可以組合出許許多多的邏輯門，承擔(dān)神經(jīng)信號(hào)的存儲(chǔ)、傳遞和處理任務(wù)。

γ輻射場(chǎng)的哈密頓算符由式(1)給出[10]

(1)

(2)

為方便運(yùn)算，選擇相互作用繪景并令?=1，則可推算出一個(gè)腦神經(jīng)細(xì)胞微管中的信息位與γ輻射場(chǎng)相互作用的哈密頓算符為[11]

(3)

(4)

2大腦神經(jīng)信息位狀態(tài)隨時(shí)間的演化

采用密度算符描述大腦神經(jīng)信息位狀態(tài)，依據(jù)量子力學(xué)基本原理，整個(gè)系統(tǒng)的密度算符應(yīng)滿足如下方程：

(5)

(6)

(7)

(8)

一般情況下，可用迭代法求解式(5)，并利用馬爾可夫(Markov)近似，即

(9)

(10)

令

(11)

根據(jù)量子信息和量子計(jì)算理論，只有密度矩陣的非對(duì)角元素反映體系的量子相干特性， 如果密度

矩陣的非對(duì)角元素不為0，表明體系具有較好的量子相干性，能正確地執(zhí)行信息處理任務(wù)；若密度矩陣的非對(duì)角元素等于0，表明體系的量子相干性被破壞，在信息處理過程中就會(huì)出錯(cuò)。因而，在計(jì)算密度矩陣元的過程中可以忽略對(duì)非對(duì)角元素?zé)o影響的項(xiàng)。利用文獻(xiàn)[12]的下列關(guān)系式計(jì)算：

通過對(duì)輻射場(chǎng)求跡，得到式(11)右端的第1、2、3、4項(xiàng)分別為

(12)

(13)

(14)

(15)

將式(12)-式(15)代入式(10)，可得

(16)

其中，

(17)

(18)

(19)

(20)

設(shè)腦神經(jīng)信息位的本征態(tài)為|0>和|1>，利用式(4)可得

(21)

(22)

將式(21)和式(22)積分，得到腦神經(jīng)信息位密度矩陣的非對(duì)角元素為

(23)

(24)

3結(jié)果分析與討論

在正常情況下，大腦神經(jīng)細(xì)胞MT中的信息位必須保持良好的量子相干性，而且它隨時(shí)間的演化過程必須是幺正演化，如果這種量子相干性被破壞，腦神經(jīng)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)功能紊亂[13]，如發(fā)生邏輯性錯(cuò)誤、思維混亂、學(xué)習(xí)和記憶能力衰退等問題。前面已指出，量子相干性由系統(tǒng)密度矩陣的非對(duì)角元素表征，因此，可以根據(jù)大腦神經(jīng)信息位的密度矩陣的非對(duì)角元素是否為0來判斷腦神經(jīng)系統(tǒng)在γ輻射場(chǎng)作用下是否受到損傷。由式(23)及式(24)可以看出，密度矩陣的非對(duì)角元素是與時(shí)間有關(guān)的指數(shù)函數(shù)，當(dāng)t趨于∞時(shí),ρ10，ρ01趨于0，這表明隨著γ輻射對(duì)腦神經(jīng)系統(tǒng)作用時(shí)間的延長(zhǎng)，體系的量子相干程度將逐漸減弱，當(dāng)相互作用時(shí)間趨于無窮大時(shí)，體系的量子相干性將完全喪失。此外，由式(23)及式(24)還可看出，體系密度矩陣的非對(duì)角元素還與Γ1，Γ2，Γ3，Γ4有關(guān)。體系的相干性由ρ10和ρ01的實(shí)部決定，所以只需考慮Γ1，Γ2，Γ3，Γ4的實(shí)部即可。Γ1，Γ2，Γ3，Γ4的實(shí)部為

(25)

(26)

(27)

(28)

由于

(29)

故得

(30)

(31)

由以上各式可以看出：Γ是γ光子頻率ωγ的函數(shù)，(ωγ-ω0)越小，ρ10(t)和ρ01(t)趨于0越快，表明體系的量子相干性消失越快。所以，γ射線對(duì)大腦神經(jīng)系統(tǒng)的照射將會(huì)直接損傷大腦神經(jīng)功能，從而導(dǎo)致腦神經(jīng)功能出現(xiàn)異常。

在推導(dǎo)式(30)及式(31)的過程中，沒有涉及腦神經(jīng)系統(tǒng)所接受的吸收劑量，這說明無論是高劑量還是低劑量γ照射，都將損害受照者的腦神經(jīng)功能，造成功能紊亂。

4結(jié)論

運(yùn)用量子物理學(xué)理論研究γ輻射場(chǎng)與神經(jīng)細(xì)胞的相互作用，結(jié)果表明，在γ射線的照射下，腦神經(jīng)信息位的量子相干性將會(huì)受到破壞，從而損傷腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理功能。

雖然從理論上證明了γ射線可以影響腦神經(jīng)系統(tǒng)的功能，但到目前為此，還沒有任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠說明在大腦神經(jīng)系統(tǒng)中確實(shí)存在量子信息和量子計(jì)算過程，因此，本文的理論研究結(jié)果是否正確還需要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

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收稿日期：2015-10-22；修回日期：2016-04-05 基金項(xiàng)目：衡陽師范學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(14B43)；湖南省“十二五”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科(光學(xué)201112)

作者簡(jiǎn)介：高峰(1960- )，男，湖南衡陽人，教授，博士，主要從事核技術(shù)與應(yīng)用及量子信息與量子計(jì)算等研究。 E-mail:hygfeng@163.com

中圖分類號(hào)：Q684

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-6223(2016)020602(5)

Interactionofγ-RaywithNerveCellsUsingQuantumPhysicsTheory

GAOFeng1,XIAODe-tao2,ZHANGDeng-yu1

(1.CollegeofPhysicsandElectronicScience,HengyangNormalUniversity,Hengyang421008，China;2.CollegeofNuclearScienceandTechnology，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

Abstract:According to the basic theory of the quantum information and quantum computation, a dynamics equation is established and solved to study the characteristics and physical mechanism of the interaction of low dose γ irradiation with the cerebral nervous system, in which the two-state physical system in the cytoskeletal microtubule is regarded as a two-level atom system, and the states of information bits in the cerebral nervous system are described by a state-density matrix. The results show that the smaller the non-diagonal elements of the state-density matrix are, the quicker the quantum coherence of the system decreases. Therefore, it can be concluded that low dose of γ irradiation can affect the functions of the irradiated nerve cells of brain.

Key words:γ irradiation；nerve cells；physical mechanism；two-level atom